浅谈柴油机技术发展及关键零部件

褚涛 万光前 林腾

摘要：本文主要介绍柴油机技术发展史，详细介绍柴油机技术发展过程中相关零部件的结构特点及机理，并对未来柴油机技术发展进行了展望。

关键词：柴油机;电控;技术;零部件

中图分类号：U664.121                               文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）06-0036-02

0  引言

100多年前，鲁道夫·狄塞尔（Rudolf Diesel）为解决蒸汽机及点燃式内燃机热效率低的问题，发明了世界首台压燃式内燃机。在随后的柴油机发展历程中，有四次技术突破使柴油机飞速发展：机械式燃油系统、增压中冷技术、电控喷油技术、尾气后处理技术。

1  机械式燃油系统

机械式燃油系统依靠柱塞、齿轮、凸轮轴、弹簧等机械元件，实现发动机燃油供给及喷射。可以按照发动机的工作顺序、负荷大小，定时、定量、定压地向发动机喷射高压柴油。机械式燃油系统的核心部件是燃油泵，常见的机械式燃油系统有柱塞泵系统、PT泵系统。

1.1 柱塞泵系统介绍

柱塞泵燃油系统是常见的一种机械式燃油系统，其中柱塞泵集成输油泵、喷油泵及调速器，产生高压油，限制、稳定转速，而与之配套使用的喷油器只有燃油喷射作用。柱塞泵燃油系统如图1所示。

柱塞泵总成是这套燃油系统的核心部件，其结构如图2所示。喷油泵总成油若干个分泵组成，分泵数量与发动机缸数相等;驱动凸轮轴控制各分泵的喷油次序;柱塞偶件有效行程控制循环喷油量;油量调节机构（齿条或拨叉）控制柱塞偶件有效行程;出油阀组件控制喷油压力和喷油停止时间。

1.2 PT泵系统介绍

PT泵燃油系统是康明斯的专利技术，应用广泛的NT855系列柴油机就采用这种燃油系统，其中PT分别为英文压力和时间的首字母。PT泵集成输油泵及调速器，可限制、稳定转速但不产生高压油;喷油器具有燃油加压和燃油喷射所用。PT泵燃油系统如图3所示。

PT泵总成及PT喷油器是这套燃油系统的核心部件，其外形及内部结构如图4所示。PT泵集成调速器，可控制发动机高低怠速;PT泵确定燃油流量，并向喷油器输送低压燃油;喷油器通过凸轮轴驱动产生高压燃油并喷射;喷油器凸轮轴确定各缸喷油次序及喷油量。

2  电控燃油系统

电控燃油系统，通过ECM、传感器及执行器实现柴油机运行信息采集、运算及合理执行，完全可以满足“高喷射压力、喷油规律可控”的需求。电控燃油系统的优势如下：

①高喷油压力：普遍在150MPa以上，最高可达240MPa，而机械式燃油系统的喷油压力在120MPa左右的水平。

②速度特性好：喷油压力、喷油正时独立于发动机转速，可以改善发动机低速性能。

③喷油控制精确：电磁阀控制喷油开始结束时间，更精确;ECM计算喷油量，燃油系统速度特性、规律性更好。

目前，已成熟应用的电控燃油系统有：电控高压共轨系统、电控泵喷嘴系统、电控单体泵系统。

2.1 电控高压共轨系统

电控高压共轨系统（CRS-Common Rail System）是一种蓄压器喷射系统，ECM通过接收各传感器的信号，计算分析后控制喷油器电磁阀，让柴油以正确的喷油压力在正确的时间喷射出正确的喷油量。其主要由燃油泵、共轨管、喷油器构成，结构如图5所示。

2.2 电控泵喷嘴系统

电控泵喷嘴系统（UIS-Unit Injector System）中喷油泵和喷油器组成一个单元，发动机的每一气缸都安装这样一个单元。它直接通过摇臂驱动或者通过摇臂加推杆驱动，产生高的喷射压力，在结构上省去了高压油管，更简洁。其主要由燃油泵和泵喷嘴构成，结构如图6所示。

2.3 电控单体泵系统

电控单体泵系统（UPS-Unit Pump System）是一种模块式结构的高压喷射系统。其喷嘴和油泵用一根较短的喷射油管连接，每个缸都设置有一个单柱塞喷油泵，由凸轮轴驱动。各单体泵安装在泵总成壳体内。其结构如图7所示。

3  尾气后处理技术

在严苛的法规下，单纯依靠电控燃油系统与增压中冷技术已经无法满足排放法规要求，柴油机尾气后处理技术顺势而生且快速成熟。目前成熟且常用的尾气后处理技术有：DOC、DPF、SCR，柴油机生产厂家根据柴油机排量、功率段等参数选择一种或几种尾气后处理技术进行应用。

①DOC是氧化还原（DOC=Diesel Oxidation Catalyst）的英文简称，要是通过催化剂的氧化反应除去微粒物中的可揮发有机物（SOF），减少PM排放，同时可除去尾气中的HC、CO污染物和醛类、多环芳烃等排放标准未限制污染物。②DPF是柴油机微粒捕集器（DPF-Diesel Particulate Filter）的英文简称，主要用来捕集排气污染物中的PM，降低PN值。其主要的捕集材质为陶瓷纤维、泡沫陶瓷等。③SCR是选择性还原技术（SCR-Selective Catalyst Reduction）的英文简称，通过向废气中喷射一定浓度的尿素溶液，来还原尾气中的NOX。

4  未来展望

尽管目前最先进的排放控制技术已经将柴油机尾气处理的非常清洁，但技术的进步是永无止境的。未来的柴油机排放控制重点应该是：进一步降低PN值，同时降低总的碳排放量。为满足未来更严格的排放要求，柴油机会迎来一次新的技术飞跃，采用混合动力等手段使柴油机更节能、更“绿色”。在未来相当长的一段时间内，柴油机会以一种“集成式动力单元”的形式继续存在。

参考文献：

[1]韦承东. 发动机排气系统零部件优化设计[J]. 装备制造技术，2009，10：67-68.

[2]邱英杰，贺文东.基于高压共轨柴油发动机的SCR处理系统[J].环境工程，2010，28（4）：69-72.

[3]吴永平.工程机械柴油机技术发展综述[J]. 机务管理，2011，09：127-128.