农用柴油发动机节油降耗技术的研究

陈延龙

摘要：柴油机节能技术的核心是提高柴油机的燃烧效率，即组织好柴油机的进排气过程、喷油过程、燃烧过程、减少各种损失。目前，已投入使用的柴油机节能技术，主要有可变进气技术、中冷涡轮增压技术、柴油机负压节油技术、金属清洗剂技术、检测与调整技术、净化柴油技术、净化进气技术、改善燃烧结构、减少附件损失等。

关键词：柴油发动机；节油降耗

中图分类号：U4641文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.005

0引言

农机产品技术水平与油耗密切相关，通过加强节能型农业机械产品的研发，应用先进的节油技术，可以有效地降低农机油耗。据对内燃机电子控制技术的研究，将发动机功率提高10%～20%，油耗率可降低5%～10%；在柴油机中，采用陶瓷等隔热结构，一般可使发动机功率提高10%，单位油耗行程数增加30%；采用直喷式燃烧室，一般分隔式的油耗比直喷式高出8%～10%。所以，在农机制造中要积极开发和利用节能技术。

要重点加强农用柴油机和农用电动机的节能技术升级，积极推广磁化节油器、燃油添加剂、清洗剂等农业机械节能新产品，优化动力机械和作业机械的合理配套，拖拉机作业机组要广泛地采用计算机技术，实现作业过程的自动监视和自动控制，开发应用自动记录作业数量和作业质量、自动报告机器故障等技术，均可以有效降低油耗，提高燃油利用率。下面主要介绍几种可有效提高农用柴油发动机节油降耗的实用技术。

1可变进气技术

可变进气技术是利用可变进气管长度技术，或可变进气涡流技术，或可变进气相位技术，来优化柴油机的进排气时刻，优化残余废气量，提高进气充量，合理组织进气涡流，提高进气紊流强度，使得发动机在高中低转速区的工况下扭矩、功率、容积效率和进气都达到较好的效果。

1.1可变进气管长度技术

在进气管内部安装1～3个活门，关闭或打开相应的活门，从而改变进气管的长度，以使在发动机不同转速情况下，适应进气系统的压缩波波长的变化，使进气气流得到加强，气缸体积效率得以增加，从而获得令人满意的最大转矩，又能获得较高的最大功率，从而达到节油目的。

可变进气管长度技术在结构上只需适当地加长柴油机的进气管，并在空气滤清器内加装与气缸容积相等的一个圆筒。在额定功率或超负荷情况下工作时有较好的节油效果，功率也明显提高，但在轻负荷下工作时节油效果不明显。

采用这种技术可使柴油机功率提高10%～20%，燃油消耗率下降3%～8%，同时改善排气烟色。

1.2可变进气涡流技术

可变进气涡流技术是指在进气道上安装一个涡流控制阀，通过调节阀的开度就可改变涡流比。可变涡流进气系统可在发动机运行工况范围内大幅度调节涡流比，同时，又能确保流量系数下降很少，从而有效地实现最佳涡流比的调节和控制，显著改善燃烧过程。

1.3可变进气相位技术

可变进气相位技术是指采用中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换，从而改变进气相位。通过改变进气相位，柴油机可以根据不同运转工况自动改变进气门的开启时间和提升程度，即改變进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。

2涡轮增压技术和增压中冷技术

2.1涡轮增压技术

涡轮增压技术是发动机上常见的技术之一，它的原理其实非常简单，涡轮增压器就相当于一个由发动机排出的废气所驱动的空气泵。在发动机的整个燃烧过程中，大约会有1/3的能量进入了冷却系统，1/3的能量用来推动曲轴做功，而最后1/3则随废气排出。除提高了柴油机燃料利用效率，增压后同时加大了进气压力，增大了进气总量，提高了燃料和空气的混合效果，改善了燃烧质量。

2.2增压中冷技术

发动机涡轮增压器的出口温度会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要同时降低增压空气的温度。在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10 ℃，柴油机功率能提高3%～5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NO）浓度。

柴油机中冷技术的类型分两种：一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却；另一种是利用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统，才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高，而且机构复杂。因此，除了一些特殊环境或结构条件限制情况下会选择采用水冷中冷器外，柴油机大都采用空气冷却式中冷器。

空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，采用的波形铝制散热片可将增压空气的温度冷却到50 ～60 ℃。这样进一步提高了充入气缸的空气密度，可以有更多的燃料进入气缸进行充分燃烧，达到提高平均有效压力，提升功率，改善经济性和降低污染的目的。

采用废气涡轮增压一般可降低燃油消耗3%～10%，一般高速柴油机采用增压可提高功率30%，采用中冷技术可进一步提高50%～60%。目前，农用柴油机一般均采用该项技术来达到国Ⅱ排放要求。

2.3高压共轨技术

高压共轨技术是所有气缸的喷嘴都连接着一根公共的油管（简称油轨），油轨里始终有恒定的压力，高压喷油泵将燃油送入油轨，然后才由油轨送入喷油器。喷油器的开启都由电磁阀内的燃油压差来控制，电控单元ECU根据负荷转速等信号确定应有的喷射压力和喷油时刻，在恰当的时刻发出脉冲信号，使喷油器恰当开启。

其特点是可以自由控制喷油量和压力，自由控制喷油速率和喷油正时，以实现对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，使柴油雾化得非常细，燃烧完全又不明显提高燃烧温度，既可降低柴油机NO的排放，又能保证优良的动力性和经济性。

2.4多点和中央直接喷射系统（E-CDIS）引擎

多点和中央孔燃油喷射系统具有节气门体燃油喷射所有电子机械优点（即只有一个机械喷油嘴，相对于混合气控制电磁阀、针阀主喷口或空气电脑阀），同时，还有进气通道明显缩短的优点，也就是说从节气门体喷油嘴或反馈式化油器主喷口到进气门的距离在该系统中完全没有了，因此，该系统对燃油的控制更精确，氧传感器波形更漂亮。

多点燃油喷射和中央孔燃油喷射系统，对系统的燃油控制命令作出的反应是最快（如改变喷油嘴脉冲宽度）。正常的多点燃油喷射和中央孔燃油喷射系统浓/稀切换频率约为5 Hz。中央孔喷射系统使用一个位于中央的电子喷油嘴，通过塑料管将燃油供应给位于每个进气门。由于燃烧室构造简单且表面积小，热损失和油耗率低；燃烧室表面积的容积率小，冷却损失小。

为了满足欧Ⅲ以上的排放法规，国内各柴油机厂在积极开发采用电控系统的柴油机。个别的机型例外，如潍柴的电控EGR系统。目前，柴油机电控系统主要为国外的大公司所掌握，主要是：德国博世（Bosch ）、美国德尔福（Delphi）、日本电装（Denso ）。

国内在电控系统研究方面，开展得比较好的单位主要是：成都威特（清华大学开发），无锡油泵油嘴研究所，衡阳亚新科（衡阳油泵厂），辽宁新风，其开发的电控系统已批量装机使用。但均装在车用柴油机上，农用柴油机因为目前排放采用的是2010年10月开始执行的非道路用柴油机国II标准，因此还没有采用电控技术。

2.5柴油添加剂技术

柴油添加剂以改善燃油品质为起点，目的是做到柴油与柴油机的合理匹配，使柴油机能发挥更大效率，实现节油和降低排放。但是，国内目前几乎没有自行研制的效果较理想的添加剂产品，国内柴油添加剂的研究和开发尚处于待提高的初级阶段，尤其是对各类型添加剂的作用机理，还没有作出更深层次的研究。

2.6检测与调整技术

对柴油机进行适时检测和调整，保证柴油机处于最佳工作状态。对发动机供油系统、供油提前角进行适当的调整，保持正常的冷却水温，会对发动机节油降耗有着十分重要的作用，使发动机在标定工况下耗油基本达到规定标准。应用各种技术状态诊断仪器，如电子功率油耗仪等，能够正确使用即可对发动机转速、功率和油耗进行检测调修，从而保证发动机正常技术状态，实现节油降耗。

2.7减少附件损失

冷却系统中，风扇的功率消耗是非常大的，所以如何減少风扇的功率损失，是提高机械效率的关键。目前，六缸91.94 kW （125马力）拖拉机的窄风扇市场验证已经取得了很好的效果，在车用产品中使用的电子风扇可大大减少风扇的功率消耗。水泵流量及机油泵流量对发动机油耗是有一定的影响的，但相比较而言，机油泵流量对发动机油耗的影响较水泵流量的影响大，所以，有些企业在尝试通过适当的增加水泵流量而减少机油泵流量，达到提高机械效率的目的，进而实现燃油消耗降低。

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