世界最大柴油机输出扭矩

世界最大柴油机输出扭矩

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　　世界功率最大的柴油机。

　　世界首台14缸低速船用柴油机，这是瓦锡兰柴油机公司研制的目前世界上最大功率的低速船用柴油机，也是世界上最大柴油机之一。该机的成功建造实现了船用推进器的重大突破。

　　据介绍，传统的低速船用柴油机最多只有12个缸。近年来，随着船舶日益大型化，船东提出需要更大功率的柴油机。瓦锡兰公司提出了利用13缸和14缸机将功率增大到 80080千瓦的方案，推出了在RTA96C柴油机基础上发展起来的12缸RT-flex96C柴油机的改进型14缸RT-flex96C柴油机。

　　14缸机采用了完善的 RT-flex共轨技术，提高了刚性,降低了结构应力，具有良好的可靠性、安全性和耐久性，且具有比同类机型维护更方便的优点。到目前为止，全球投入使用和已承接订单的 RT-flex96C 和 RTA96C柴油机已达300多台。

　　柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它是由德国发明家鲁道夫·狄塞尔(RudolfDiesel)于1892年发明的，为了纪念这位发明家，柴油就是用他的姓Diesel来表示，而柴油发动机也称为狄塞尔发动机。柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发动机工作时进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点时，温度在500-700oC，压力40—50个大气压。

　　1 机器简介

　　柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要是，柴油发动机气缸中的混合气是压燃的，而不是点燃的。柴油发动机工作时进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点时，温度可达500-700℃，压力可达40—50个大气压。活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀，产生爆发力，推动活塞下行做功，此时的温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的功率很大，所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。

　　2 机器特点

　　传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。因此，柴油发动机无需点火系统。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用。

　　但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大;柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高;另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大;柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。 由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。小型高速柴油发动机的新发展：排放已经达到欧洲III号的标准。传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机(转速较低)，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(PM)排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”，

　　3 机器发明

　　柴油用英文表示为Diesel，这是为了纪念柴油发动机的发明者――鲁道夫·狄塞尔(RudolfDiesel)。

　　狄塞尔生于1858年，德国人，毕业于慕尼黑工业大学。1879年，狄塞尔大学毕业，当上了一名冷藏专业工程师。在工作中狄塞尔深感当时的蒸气机效率极低，萌发了设计新型发动机的念头。在积蓄了一些资金后，狄塞尔辞去了制冷工程师的职务，自己开办了一家发动机实验室。

　　针对蒸汽机效率低的弱点，狄塞尔专注于开发高效率的内燃机。19世纪末，石油产品在欧洲极为罕见，于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题(他用于实验的是花生油)。因为植物油点火性能不佳，无法套用奥托内燃机的结构。狄塞尔决定另起炉灶，提高内燃机的压缩比，利用压缩产生的高温高压点燃油料。后来，这种压燃式发动机循环便被称为狄塞尔循环。

　　像所有伟大的发明家一样，狄塞尔的前进道路上困难重重。实验证明，植物油燃烧不稳定，成本也太高，难以承担狄塞尔的“重任”。好在当时石油制品在欧洲逐渐普及，狄塞尔选择了本来用于取暖的重馏分燃油———柴油作为机器的燃料。压燃式发动机的结构强度始终是个难题。一次实验中，汽缸上的零件象炮弹碎片一样四处飞散，差点儿造成人员伤亡。实验不顺利，狄塞尔的资金也渐渐耗尽。他不得不回到制冷机工厂谋生。但狄塞尔没有向困难屈服，他利用业余时间继续实验，一步步完善自己的机器。

　　1892年，狄塞尔终于研发出一台实用的柴油动力压燃式发动机。这种发动机功率大，油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前景。狄塞尔随即投入到柴油机生产的商业冒险中。不幸的是，作为优秀的工程师，狄塞尔缺乏商业头脑。他在经济上渐渐陷入困境。1913年狄塞尔已处于破产的边缘。这一年夏天，狄塞尔在乘坐英吉利海峡的渡轮时，突然失踪，据认为是投海自杀。但狄塞尔发明的柴油机，在汽车、船舶和整个工业领域得到越来越广泛的发展。

　　1976年，德国大众首先在高尔夫轿车上采用柴油发动机;

　　1989年，德国大众高尔夫柴油车获得“低排放车”的称号。同年大众从Fiat的研发机构获得部分技术，制造出第一台带有增压、直喷技术的5缸发动机R5 TDI，这台发动机被放在奥迪100车型上试用。

　　1990年，德国大众正式推出增压、直喷系列柴油机TDI，从此德国大众在柴油动力技术的开发和应用上一直走在世界的前沿;

　　1993年，开发出4缸涡轮增压直喷柴油发动机(TDI);

　　1995年，开发出自然吸气式直喷(SDI)柴油发动机;

　　1995年，开发出变截面涡轮增压器VGT;

　　1998年，开发出泵喷嘴(Pumpe Düse)技术;

　　1999年，开发出百公里油耗3升的路波轿车柴油动力。而一升级柴油动力轿车的出世创造了百公里油耗0.99升的记录，成为世界上最省油的轿车。发动机采用铝制自然吸气式单缸柴油机，采用了先进的高压直接喷射技术，排量为0.3升;

　　2002年，一汽-大众率先将捷达SDI轿车投放中国市场;

　　2004年，一汽-大众引入TDI技术。

　　4 发展前景

　　柴油发动机应用广泛，处在所属产业链的相对核心的位置。在过去十多年的发展中，柴油发动机生产业形成了一系列的配套企业，很多的柴油发动机企业更多充当了总承装配者的角色，而柴油发动机的一些关键的零部件：曲柄连杆、活塞、气缸套、凸轮已交由专业公司生产。专业化分工使得柴油发动机厂商能更加集中自身的优势，专注于柴油发动机的设计的和制造。

　　柴油发动机主要用于最终配套产品，比如大功率高速柴油机主要配套重型汽车、大型客车、工程机械、船舶、发电机组等。因此，柴油机行业的发展在很大程度上取决于相关终端产品市场情况。

　　在农用柴油机领域，发展中国家的市场增长将弥补发达国家的市场滑落，全球人口的快速增长，以及老旧设备的更新换代都对农业机械有较大需求，全球农用柴油机市场将呈现高速增长。在航空发动机领域，发动机产业是航空工业的核心细分子行业，未来发展前景非常广阔。综合以上对各领域的分析，我们认为，全球柴油发动机将保持8%的速度稳步向前发展。

　　5 工作原理

　　柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、作功、排气四个行程。

　　柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高(一般为16-22)，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K(而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K)，大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。

　　普通柴油机的是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。

　　共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元(ECU)和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。其主要特点有以下三个方面：

　　1.喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制。

　　2.可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求喷油的最佳控制点。

　　3.能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。

　　相比起汽油机，柴油机具有燃油消耗率低(平均比汽油机低30%)，而且柴油价格较低，所以燃油经济性较好;同时柴油机的转速一般比汽油机来得低，扭距要比汽油机大，但其质量大、工作时噪音大，制造和维护费用高，同时排放也比汽油机差。但随着现代技术的发展，柴油机的这些缺点正逐渐的被克服。

　　柴油机曲轴连杆机构

　　工作条件：柴油机工作时，内部曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。可见，曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。

　　组成：曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。

　　功用：曲柄连杆机构是柴油机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。

　　负荷特性

　　柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩的大小。由于平均有效压力与扭矩成正比，所以常用平均有效压力来表示负荷。柴油机的工况是由转速和负荷共同决定的。所谓负荷特性是指柴油机转速不变时，其他主要性能参数(燃油消耗率ge、耗油量Gf和排气温度tr等)随负荷而变化的关系。这时由于转速是常数，所以有效功率可以用来作度量负荷。在发动机调试过程中，经常用负荷特性作为其性能比较的标准。另外，负荷特性给出了在等速条件下，发动机的负荷与燃油消耗率的关系，因此，对负荷可以在很大范围内改变，而转速基本维持不变的固定式发动机(如发电机组用发动机)具有特殊的意义。如果从发动机上测出一系列不同转速下的负荷特性曲线，则可选择出固定式或运输式发动机的最经济工况。柴油机在运转中，充气量变化不大，主要是通过改变每循环供油量来改变混合气的浓度(即过量空气系数)，从而调节柴油机的负荷(称为质调节〉。换句话说，柴油机主要是通过改变喷油泵调节杆的位置，用增加或减少供油量的方法来改变负荷。图是柴油机按负荷特性运转时一些参数随负荷变化的一般规律。柴油机增加负荷就意味着增加每循环供油量，所以耗油量Gf随负荷的增加而增加，而过量空气系数a随负荷的增加而减小;供油量多，放热也多，使排气温度tr随负荷的增加而升高。

　　在空负荷时，Ne=0，Pi=Pm，这时m= 0，所以ge为无穷大。随着负荷的增加，m迅速上升，而ge反而下降。当负荷增加到A点时，ge达到最小值。再继续增加负荷，由于过量空气系数a减小，混合气形成和燃烧恶化，ge反而升高。

　　排气烟度随负荷的增加曲'增加，但在低负荷时增加缓慢，且低负荷时烟度很小，肉眼看不出，通常被认为是排气无烟。在离负荷时，烟度迅速增加.当接近最大功率时，由于a减小，混合气形成和燃烧恶化，燃烧不完全，排气烟度急剧增加(图中B点)，此时燃油消耗率ge也迅速升髙。

　　活塞和汽缸盖等机件的热负荷也迅速増大。如果再继续增加供油量，则柴油机排气大量冒黑烟，功率反而下降，因此柴油机存在一个冒烟极限。为了保证柴油机安全可靠地运行，不允许柴油机在冒烟极限下工作。

　　传感器

　　美国德尔福宣布开发出了可更准确检测出机油状态的柴油发动机机油传感器。该传感器通过检测机油的状态来确定机油更换时间，比根据行驶周期进行推算，可大幅度延长更换机油和过滤器的时间间隔。新传感器除测定原来的粘度和介电率外，还测定煤烟含量和燃料对机油的稀释度，从而能更准确地检测出机油状态。将于2009年开始面向卡车厂商量产。

　　由于柴油发动机引擎控制使用多个后喷射的情况增多，经由活塞环掺入机油而稀释机油的燃料量不断增加，这样很容易降低机油的润滑性和粘度。另外，煤烟通过EGR(排气再循环)混入机油的量增加，导致添加剂效果降低、机油粘度升高。由于只测定粘度，容易受这两个相反因素的影响，难以准确掌握机油的恶化程度。

　　燃料对机油的稀释度，可通过改进过的粘度测定系统根据对流时间进行测定。另一方面，煤烟的含有量可通过检测出的介电率变化进行推算。该传感器可测定机油温度和机油量，设想安装于机油箱底壳或引擎体上，外形设计为小尺寸。

　　该传感器除可用于商用卡车柴油发动机外，还可用于大型SUV和皮卡车等轻型车柴油发动机以及工业用柴油发动机等。