工业用大功率柴油机的未来设计趋势

60多年来，在中国柴油机的设计一直受到市场对大功率、小尺寸、低重量、低油耗、高可靠性与耐用性以及柴油机低成本等市场需求的推动：不久又会加上降低排放这一要求。20年前，在其它国家汽车柴油机曾面临过此种挑战。而今天大功率柴油机正面临着此种挑战。有朝一日，中国会强化规程，销售到此的柴油机的设计将不得不改变。本文展示了柴油机设计师们为降低排放已作的设计改动。由AVL和其它公司开发的用于小汽车和卡车柴油机的技术现在正加以修改以便满足船舶、发电、机车和其它非道路柴油机的不同要求。所采用的工艺用图解和示例加以说明。示出了可降低排放的设计并列出了其收益及影响。在大多数情况下降低排放会导致上述列出的其它项目的让步。本文论述了目前在柴油机设计方面所采用的新技术，着重论述了缸径150～200mm的柴油机。最后对未来的工业用柴油机的状况还作了预测。     

天然气制油燃料对直喷式柴油机排放的影响

在1台安装先进排气后处理系统的柴油机上燃用天然气制油（GTL）燃料,进行了降低排放的试验研究。GTL燃料是一种更清洁的柴油机代用燃料,它几乎不含硫和芳香烃,且十六烷值高。采用几种专门制备的GTL燃料样品,研究了GTL燃料蒸馏特性对改进前发动机废气排放的影响。试验结果表明,GTL燃料的馏程对发动机的颗粒（PM）排放有重大影响。高十六烷值还能减少碳氢化合物和一氧化碳的排放,而这些燃料特性对氮氧化物（NOx）排放几乎没有影响。结果表明,低馏程和高十六烷值的GTL燃料有利于解决NOx与PM排放的折衷关系。为了改善柴油机的最终尾气排放,针对最有利的GTL燃料样品,对发动机进行了改进。为了在保持燃油耗不变的同时降低NOx排放,对废气再循环量、喷射定时和催化用排气管喷油进行了校正。车辆排放试验表明,发动机和GTL燃料的优化能进一步降低NOx和PM排放。此外,为便于今后柴油机使用GTL燃料,对发动机的压缩比、喷油嘴等技术规格进行了仔细研究。研究结果表明,低压缩比和大流量喷油嘴有利于进一步降低排放和提高输出功率。     

面向未来的双燃料发动机技术进展

当前双燃料发动机正在大缸径发动机市场逐步觉醒。长期以来双燃料技术仅应用于电站发电领域,然而近十年来,由于纯天然气发动机性能的大幅度提高,以及采用大型中速发动机实现功率等级的延伸,电站市场显著萎缩。除了先前大量的陆用外,移动式应用也为大缸径双燃料发动机提供了更广阔的市场。上述应用包括船用主推进（例如液化天然气运输船,豪华游轮）和辅机应用（例如集装箱船）以及铁路牵引（例如,长途机车）。促使业界关注双燃料发动机的主要动力是,与使用昂贵的重油或柴油相比较低的燃料成本,以及降低以NOx为主的排放污染物进而满足未来的排放法规。另外,对于大量的移动式发动机的应用,天然气将很快成为一种潜在的低硫燃料。除天然气之外的典型液态替代燃料通常不利于在电站双燃料发动机的应用,然而对于移动式应用却是一种可靠的备用燃料。对于船舶应用可以在ECA（排放控制区）区域内外通过天然气和柴油模式切换,从而使双燃料发动机更容易满足IMO（国际海事组织）的排放法规。移动式应用的难点在于,频繁的转速工况变化、快速的负荷响应要求、天然气品质变化和复杂工况下,对发动机运转可靠性的考验。由于双燃料发动机具有两种典型运转模式（天然气工况和柴油工况）,在发动机设计时必须进行折中考虑（例如压缩比、活塞碗形状、气门正时等）,这就导致了目前效率和功率密度方面的缺陷。关于上述问题,奥地利AVL公司通过单缸中速发动机测试研究了双燃料发动机相关技术问题。对大量参数进行了评估并对工况边界条件进行了研究。基于获得的数据,将给出当前双燃料发动机技术的短期预测。AVL公司关于双燃料发动机技术的展望也将促进中期开发需求。     

满足欧5排放标准的涡轮增压直喷汽油机催化剂起燃时间及减排研究

未来动力总成的开发目标是具有更好的燃油经济性。为了实现这一目标,在研发新车型时．发动机将更多地采用涡轮增压技术。涡轮增压发动机的动力性和燃油经济性较好,但排放性能欠佳．这是因为涡轮增压发动机冷起动时。由于涡轮响应滞后而会损失大量热能。因此．对于涡轮增压发动机。需要采用相应技术缩短催化剂起燃时间,以降低排放。尤其是配装涡轮增压发动机的车型按新欧洲行驶循环测试时,在城市低速循环起动阶段。其排放不能满足欧5标准要求。研究得出缩短催化剂起燃时间和降低排放的方法,使涡轮增压直喷汽油机满足欧5排放标准要求。进行全面的排放测试,如增加贵金属用量及载体的孔密度,缩短到催化剂的距离,以及采用二次空气系统等附加装置。通过这些独到的试验研究．使发动机逐步达到欧5排放标准。     

用于北美铁路牵引的低排放发动机

简述了美国机车制造商及铁路运用部门为了满足日益严格的排放规要求而进行的铁路机车低排放发动机的研究开发活动。这些活动主要包括：对传统柴油机进行个性或优化设计，如加长行程，提高压缩比，采用电子燃料喷射等；开发气体燃料发动机，其中包括采用柴油引燃的双燃料发动机和纯烧天然气的发动机；开发能满足下一代高速铁路计划需要的燃气轮机车发动机。     

本田公司新型紧凑运动型混合动力轿车的动力总成

介绍了1款专为2011年紧凑运动型混合动力轿车开发的动力总成。该款动力总成是基于发动机、变速器，以及集成电机辅助（IMA）系统等量产汽车零部件开发的，并通过IMA系统实现了驱动性能、燃油经济性与排放之间的良好折衷。混合动力设计的常规理念是利用电机的功率输出来补偿因发动机排量较小而导致的功率下降。针对该款动力总成的开发，采用了一种利用电机功率输出创造更佳驾驶感的新方法。与常规汽车截然不同，通过充分利用电机良好的响应与控制特性，该款动力总成实现了运动型轿车的驾驶感觉。     

商用车用机电一体化控制的废气再循环阀

全球的排放法规限值日益收紧,为了降低商用车、公路和非公路车辆用发动机的排放,要求采取一些更有效的技术措施。除发动机下游的排气后处理措施外,在轿车柴油机中采用了外部废气再循环（EGR）技术,这对于降低发动机原始排放具有巨大的潜力。因此,Pierburg公司开发出一种重型商用车用的、全电子控制的EGR系统。     

GE公司Tier3机车柴油机的设计与开发

为了应对美国环保局（EPA）1998年发布的机车排放标准（2000年生效），GE公司开始着手GEVO发动机的开发。开发这种新的发动机平台是为了满足美国环保局和其他立法机构未来的排放法规要求，以及满足客户所需要的高可靠性、低运行成本的要求。创新系列机车自2005年开始投放市场以来，已有超过2000台Tier2达标机车交货...     

2020年以后的商用车动力

二氧化碳（CO2）排放对全球变暖的影响正日益引起重视，为此，整个工程技术界正在竭力满足未来排放法规的要求，并降低汽车的燃油耗。幸运的是，降低燃油耗与降低CO2排放可以并行不悖，但受其他技术要求的限制，例如降低气态污染物和颗粒排放、发动机的耐久性和可靠性要求，以及生产成本等。在乘用车上应用混合动力似乎有利于降低CO2排放和燃油耗，至少在部分负荷工况下运行时如此。对于瞬态运行工况频繁的市内公共汽车来说，应用混合动力系统已被证明是有利的。而对于重型载货车来说，特别是长途运输车，应用混合动力似乎无济于事，至少按照通常的理解是这样。阐述了改进中型和重型长途运输载货车的效率和降低其CO2排放的概念和途径。通过应用现有技术并不断改进，为引入缩缸强化和降低转速的技术，并结合动力总成的电气化，给传统型和改进型内燃机实施二次过程，展示了短期、中期和长期的前景。     

2009年柴油机技术动态回顾

介绍了2009年日本及日本以外市场车用柴油机的生产及研发情况。各汽车制造商在应对排放法规方面的研发已告一段落。因此，2009年上市的新柴油机基本是在原有机型基础上作相应技术改进，而少有全新的机型推出。同时，对车用柴油机今后的技术发展动向也作了简要叙述，认为今后的柴油机要注重改善燃烧，更关键的是要具备与后处理装置之间协调控制的相关技术，只有这样，才能满足未来更为严格的排放法规要求。     

低排放GE-7FDL大功率中速机车柴油机的开发

概述低排放的GE-7FDL系列机车柴油机的技术开发。开发的重点放在明显地减少发动机的NOx排放并减少和控制其他可见和不可见的排放物上,与此同时对发动机燃油效率的不利影响要尽可能小和对发动机系统和零部件的改动要尽可能少。使用一台单缸7FDL试验研究用发动机对几种设计概念进行了分析与研究。制造了一台低排放的16缸7FDL发动机和一台GE机车样车,并对其进行了性能验证、功能评估:和设计优化试验。GE公司的低排放7FDL发动机和机车已投入批量生产。新开发的低排放机车发动机达到美国环保局制定的0级排放限制标准而对燃油效率没有不良影响。这一目标的实现仅导致对发动机系统和零部件作了极少的改动,理想的发动机可靠性仍保持不变。新的发动机可与以前的7FDL基型发动机互换,因而现有基型发动机升级到低排放型发动机很容易。     

均质柴油燃烧——对系统、零件和燃油的挑战

现代轿车柴油机能够在低CO2排放的同时获得优异的行驶功率。在欧洲新登记车辆中，柴油机份额的不断增长有力地证实了柴油机动力装置的魅力。但是，未来更严格的排放法规将使全球的柴油机面临严峻挑战，例如，2014年欧洲将实施欧6排放法规，其氮氧化物限值要比当今欧4排放限值低70％以上。Bosch公司在接近汽车边界条件下的试验研究中，已证实了均质柴油燃烧降低N0x原始排放的潜力。     

柴油车的排气后处理技术

五十铃汽车公司正在积极努力应对环境问题，2004年4月新一代降低颗粒排放的电控排气后处理系统已投入市场。然后，为适应全球排放法规日益严格的趋势，不断扩大产品销售区域，以满足后处理装置的市场需求，五十铃公司计划将该系统应用于所有的卡车和公共汽车系列，以保护环境和改善产品质量。此外，针对未来日益严格的排放法规，对下一代后处理系统技术也作了简单阐述。     

运用换气技术降低发动机二氧化碳排放

2008年,欧洲汽车制造商联合会主动提出降低汽车燃油耗或二氧化碳（CO2）排放量,由此其成为各国排放政策和用户关注的焦点。BMW公司在高效动力学开发策略下已提前开发出降低CO2排放的新技术,因而新出厂汽车的废气排放水平已低于协议规定的排放限值。在增压发动机上,换气系统的设计也对降低CO2排放作出了贡献。     

美国机车制造商致力于降低排放和燃油消耗

简单介绍了美国GE公司和GM公司的EMD为满足当前和未来铁路市场的需要，在改善内燃机车燃油效率、减少排放、提高可靠性和降低运营成本等方面所做的研究开发工作。     

减排——对涡轮增压的新挑战

在今天的发动机开发中人们关注的主要焦点是如何满足未来排放法规的要求。这在很大程度上取代了传统的发动机开发的推动因素,诸如功率密度、效率和成本,所有这些因素在整个上世纪90年代已取得重大改进。这个新的焦点自然也对涡轮增压器制造商的开发工作有很大的影响。因为有效压比的积极作用被进气门关闭提前所消化,所以在过去10年中的开发工作已经导致功率密度的提高稍有停滞。在已实施严格的低NOx排放法规的地区,众所周知的发动机效率和低排放之间的折衷,常常需要喷射定时的延迟,这样就会导致发动机效率的损失。预计在不久的将来还将存在进一步降低排放的压力。一个很重要的问题是:这将会阻碍功率密度的进一步提高或针对高增压比水平而开展的开发工作将会充当发动机新一轮发展浪潮的推动力吗?非常高的增压比水平打开了降低循环温度之门,在诸多降低缸内温度的方法中,有一种特别令人感兴趣的方法是采用Miller定时。较低的循环温度不仅可以减少发动机的NOx排放量,而且还可以改善发动机效率和功率密度。对增压空气进行明智的管理也是保证在每种发动机负荷下提供适量空气的需要,并有助于对烟度和颗粒物排放量实行有效控制。ABB涡轮增压器公司在该领域通过与发动机制造商、大学及其他研究机构进行合作,积极开展了各项课题研究。研究结果表明,伴随着Miller方法、废气再循环、共轨或可变喷射压力、长行程等诸多发动机新技术的应用,高压比涡轮增压(单级或多级)的潜力仍然是巨大的。通常,单靠涡轮增压不可能解决所有问题。因此,本文客观地介绍未来实现高压比的多种方案,以满足各种型式和用途发动机的需要。然而,用来评判某个解决方法的适用性的标准在每种情况下都是一样的:低的排放(NOx和颗粒物),增强的工作能力,负荷响应和可靠性。所有这些都会为环境、发动机制造商、终端用户以及涡轮增压器制造商本身带来巨大益处。     

Volkswagen公司复合燃烧系统的燃烧过程

当今,经济、技术、社会环境和社会发展趋势都发生了变化,汽车用户的要求也随之变化,这一切都要求未来车用动力装置具有更低的有害物排放、更高的效率,以降低二氧化碳排放量,这就必须通过综合汽油机和柴油机燃烧过程的优点来达到这个目标。Volkswagen公司动力研发部将这种新技术称之为“复合燃烧系统的燃烧过程”。     

Volvo公司的卡车柴油机

Volvo公司推出1款新型卡车，其发动机与变速器结为一体，旨在提高输出功率的同时，降低3％的燃油耗，并进一步降低氮氧化物的排放。该发动机是Volvo公司迄今为止最清洁的发动机，能满足欧5排放标准的要求。其他几款新发动机是根据增强型环保汽车标准量身定制的。该标准是一项自愿遵守框架性讲议，     

开发一种更好的发动机

针对铁路用户的需要,供应商正在努力设计建造更理想的发动机。文中简要介绍EMD、GE、John Deere动力系统和MTU底特律柴油机四家公司根据自身的特点在研究开发低排放、高燃油效率、高可靠性和耐久性、低维修成本发动机方面所采取的对策以及所取得的成果。     

为北美市场开发的OUTLANDER车特超低排放系统

三菱公司外销北美的OUTLANDER车已符合世界最严格排放法规之一的加州低排放车第二阶段特超低排放车（LEV Ⅱ SULEV）的限值。先前的排放对策是以排量相对较小的车型满足SULEV法规，而今是针对V63．0 L的运动型多功能车（SUV），设法开发出能符合SULEV法规的新型排放系统。具体做法主要是降低冷起动后排出的HC和发动机在高温燃烧条件下生成的NOx。由于其他公司普遍采用的二次空气系统会增加车重，并使系统复杂化，故而OUTLANDER车改为采用HC捕集催化器，并引进了各种发动机控制技术，率先在世界上将V63．0 L发动机配装在SUV上满足了SULEV法规。