農用柴油發動機節油降耗技術的研究

陳延龍

摘要：柴油機節能技術的核心是提高柴油機的燃燒效率，即組織好柴油機的進排氣過程、噴油過程、燃燒過程、減少各種損失。目前，已投入使用的柴油機節能技術，主要有可變進氣技術、中冷渦輪增壓技術、柴油機負壓節油技術、金屬清洗劑技術、檢測與調整技術、凈化柴油技術、凈化進氣技術、改善燃燒結構、減少附件損失等。

關鍵詞：柴油發動機；節油降耗

中圖分類號：U4641文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.005

0引言

農機產品技術水平與油耗密切相關，通過加強節能型農業機械產品的研發，應用先進的節油技術，可以有效地降低農機油耗。據對內燃機電子控制技術的研究，將發動機功率提高10%～20%，油耗率可降低5%～10%；在柴油機中，采用陶瓷等隔熱結構，一般可使發動機功率提高10%，單位油耗行程數增加30%；采用直噴式燃燒室，一般分隔式的油耗比直噴式高出8%～10%。所以，在農機制造中要積極開發和利用節能技術。

要重點加強農用柴油機和農用電動機的節能技術升級，積極推廣磁化節油器、燃油添加劑、清洗劑等農業機械節能新產品，優化動力機械和作業機械的合理配套，拖拉機作業機組要廣泛地采用計算機技術，實現作業過程的自動監視和自動控制，開發應用自動記錄作業數量和作業質量、自動報告機器故障等技術，均可以有效降低油耗，提高燃油利用率。下面主要介紹幾種可有效提高農用柴油發動機節油降耗的實用技術。

1可變進氣技術

可變進氣技術是利用可變進氣管長度技術，或可變進氣渦流技術，或可變進氣相位技術，來優化柴油機的進排氣時刻，優化殘余廢氣量，提高進氣充量，合理組織進氣渦流，提高進氣紊流強度，使得發動機在高中低轉速區的工況下扭矩、功率、容積效率和進氣都達到較好的效果。

1.1可變進氣管長度技術

在進氣管內部安裝1～3個活門，關閉或打開相應的活門，從而改變進氣管的長度，以使在發動機不同轉速情況下，適應進氣系統的壓縮波波長的變化，使進氣氣流得到加強，氣缸體積效率得以增加，從而獲得令人滿意的最大轉矩，又能獲得較高的最大功率，從而達到節油目的。

可變進氣管長度技術在結構上只需適當地加長柴油機的進氣管，并在空氣濾清器內加裝與氣缸容積相等的一個圓筒。在額定功率或超負荷情況下工作時有較好的節油效果，功率也明顯提高，但在輕負荷下工作時節油效果不明顯。

采用這種技術可使柴油機功率提高10%～20%，燃油消耗率下降3%～8%，同時改善排氣煙色。

1.2可變進氣渦流技術

可變進氣渦流技術是指在進氣道上安裝一個渦流控制閥，通過調節閥的開度就可改變渦流比。可變渦流進氣系統可在發動機運行工況范圍內大幅度調節渦流比，同時，又能確保流量系數下降很少，從而有效地實現最佳渦流比的調節和控制，顯著改善燃燒過程。

1.3可變進氣相位技術

可變進氣相位技術是指采用中低速用和高速用兩組不同的氣門驅動凸輪，并可通過電子控制系統的調節進行自動轉換，從而改變進氣相位。通過改變進氣相位，柴油機可以根據不同運轉工況自動改變進氣門的開啟時間和提升程度，即改變進氣量和排氣量，從而達到增大功率、降低油耗及減少污染的目的。

2渦輪增壓技術和增壓中冷技術

2.1渦輪增壓技術

渦輪增壓技術是發動機上常見的技術之一，它的原理其實非常簡單，渦輪增壓器就相當于一個由發動機排出的廢氣所驅動的空氣泵。在發動機的整個燃燒過程中，大約會有1/3的能量進入了冷卻系統，1/3的能量用來推動曲軸做功，而最后1/3則隨廢氣排出。除提高了柴油機燃料利用效率，增壓后同時加大了進氣壓力，增大了進氣總量，提高了燃料和空氣的混合效果，改善了燃燒質量。

2.2增壓中冷技術

發動機渦輪增壓器的出口溫度會隨著壓力增大而升高，溫度提高反過來會限制空氣密度的提高，要進一步提高空氣密度就要同時降低增壓空氣的溫度。在相同的空燃比條件下，增壓空氣溫度每下降10 ℃，柴油機功率能提高3%～5%，還能降低排放中的氮氧化合物（NO）濃度。

柴油機中冷技術的類型分兩種：一種是利用柴油機的循環冷卻水對中冷器進行冷卻；另一種是利用外界空氣冷卻。當利用冷卻水冷卻時，需要添置一個獨立循環水的輔助系統，才能達到較好的冷卻效果，這種方式成本較高，而且機構復雜。因此，除了一些特殊環境或結構條件限制情況下會選擇采用水冷中冷器外，柴油機大都采用空氣冷卻式中冷器。

空氣冷卻式中冷器利用管道將壓縮空氣通到一個散熱器中，利用風扇提供的冷卻空氣強行冷卻。空氣冷卻式中冷器可以安裝在發動機水箱的前面、旁邊或者另外安裝在一個獨立的位置上，采用的波形鋁制散熱片可將增壓空氣的溫度冷卻到50 ～60 ℃。這樣進一步提高了充入氣缸的空氣密度，可以有更多的燃料進入氣缸進行充分燃燒，達到提高平均有效壓力，提升功率，改善經濟性和降低污染的目的。

采用廢氣渦輪增壓一般可降低燃油消耗3%～10%，一般高速柴油機采用增壓可提高功率30%，采用中冷技術可進一步提高50%～60%。目前，農用柴油機一般均采用該項技術來達到國Ⅱ排放要求。

2.3高壓共軌技術

高壓共軌技術是所有氣缸的噴嘴都連接著一根公共的油管（簡稱油軌），油軌里始終有恒定的壓力，高壓噴油泵將燃油送入油軌，然后才由油軌送入噴油器。噴油器的開啟都由電磁閥內的燃油壓差來控制，電控單元ECU根據負荷轉速等信號確定應有的噴射壓力和噴油時刻，在恰當的時刻發出脈沖信號，使噴油器恰當開啟。

其特點是可以自由控制噴油量和壓力，自由控制噴油速率和噴油正時，以實現對不同工況可確定所需的最佳噴射壓力，從而優化柴油機綜合性能。柔性控制噴油速率變化，實現理想噴油規律，容易實現預噴射和多次噴射，使柴油霧化得非常細，燃燒完全又不明顯提高燃燒溫度，既可降低柴油機NO的排放，又能保證優良的動力性和經濟性。

2.4多點和中央直接噴射系統（E-CDIS）引擎

多點和中央孔燃油噴射系統具有節氣門體燃油噴射所有電子機械優點（即只有一個機械噴油嘴，相對于混合氣控制電磁閥、針閥主噴口或空氣電腦閥），同時，還有進氣通道明顯縮短的優點，也就是說從節氣門體噴油嘴或反饋式化油器主噴口到進氣門的距離在該系統中完全沒有了，因此，該系統對燃油的控制更精確，氧傳感器波形更漂亮。

多點燃油噴射和中央孔燃油噴射系統，對系統的燃油控制命令作出的反應是最快（如改變噴油嘴脈沖寬度）。正常的多點燃油噴射和中央孔燃油噴射系統濃/稀切換頻率約為5 Hz。中央孔噴射系統使用一個位于中央的電子噴油嘴，通過塑料管將燃油供應給位于每個進氣門。由于燃燒室構造簡單且表面積小，熱損失和油耗率低；燃燒室表面積的容積率小，冷卻損失小。

為了滿足歐Ⅲ以上的排放法規，國內各柴油機廠在積極開發采用電控系統的柴油機。個別的機型例外，如濰柴的電控EGR系統。目前，柴油機電控系統主要為國外的大公司所掌握，主要是：德國博世（Bosch ）、美國德爾福（Delphi）、日本電裝（Denso ）。

國內在電控系統研究方面，開展得比較好的單位主要是：成都威特（清華大學開發），無錫油泵油嘴研究所，衡陽亞新科（衡陽油泵廠），遼寧新風，其開發的電控系統已批量裝機使用。但均裝在車用柴油機上，農用柴油機因為目前排放采用的是2010年10月開始執行的非道路用柴油機國II標準，因此還沒有采用電控技術。

2.5柴油添加劑技術

柴油添加劑以改善燃油品質為起點，目的是做到柴油與柴油機的合理匹配，使柴油機能發揮更大效率，實現節油和降低排放。但是，國內目前幾乎沒有自行研制的效果較理想的添加劑產品，國內柴油添加劑的研究和開發尚處于待提高的初級階段，尤其是對各類型添加劑的作用機理，還沒有作出更深層次的研究。

2.6檢測與調整技術

對柴油機進行適時檢測和調整，保證柴油機處于最佳工作狀態。對發動機供油系統、供油提前角進行適當的調整，保持正常的冷卻水溫，會對發動機節油降耗有著十分重要的作用，使發動機在標定工況下耗油基本達到規定標準。應用各種技術狀態診斷儀器，如電子功率油耗儀等，能夠正確使用即可對發動機轉速、功率和油耗進行檢測調修，從而保證發動機正常技術狀態，實現節油降耗。

2.7減少附件損失

冷卻系統中，風扇的功率消耗是非常大的，所以如何減少風扇的功率損失，是提高機械效率的關鍵。目前，六缸91.94 kW （125馬力）拖拉機的窄風扇市場驗證已經取得了很好的效果，在車用產品中使用的電子風扇可大大減少風扇的功率消耗。水泵流量及機油泵流量對發動機油耗是有一定的影響的，但相比較而言，機油泵流量對發動機油耗的影響較水泵流量的影響大，所以，有些企業在嘗試通過適當的增加水泵流量而減少機油泵流量，達到提高機械效率的目的，進而實現燃油消耗降低。

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