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简述现代柴油机采用先进技术学报

收藏本文 2024-01-27 点赞:6337 浏览:22056 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:柴油机发展到今天,无论从材质、加工方式、进气形式、控制、排放都发生了巨大的变化。柴油机已经向小型化、自动化方向发展,逐步摆脱了高噪声、冒黑烟等的弊端。
关键词:蠕墨铸铁半固态铸造多气门电控燃油喷射挤压螺纹排放
柴油机自诞生至今已历经百年,不但没有被淘汰反而日渐兴盛。这与柴油机的经济性、动力性及技术的不断进步密不可分。本文将简述几种柴油机制造的各个环节采用的先进技术。

1、零件的材质

灰铸铁是制造柴油机的传统材质,对于成本有严格要求的柴油机,仍在使用。虽然灰铁能满足一定的使用要求,但随着升功率的不断提高和轻量化的要求,灰铁已逐步被其他材质所替代。替代的材质主要为蠕墨铸铁、铝合金。
蠕墨铸铁,因铸铁中的石墨呈蠕虫状而得名,兼具球墨铸铁的高强度和灰铸铁的铸造特性。在对于升功率要求高的商用柴油机上,蠕墨铸铁已经得到广泛的应用。部分乘用车用柴油机,出于成本考虑,在缸体不使用铝合金时,为降低发动机的质量,保证缸体有足够的强度,蠕墨铸铁也被广泛的使用。
对于轻量化要求较高,但是成本没有严格要求的乘用车用柴油机,铝合金就被广泛的应用。铝合金成分一般为铝硅合金、铝镁合金。通过优化结构、采用半固态铸造等措施,其强度在不断提高,全铝合金发动机甚至应用在对升功率有极高要求的赛车领域。
另外,塑料等其他非金属材质也已广泛的应用。除了外附件使用非金属材料为,轴瓦、活塞环的表面处理上也开始使用树脂、聚四氟乙烯等材质用来降低摩擦。

2、零件的铸造

浇铸是制造缸体、缸盖、曲轴箱等发动机主要零部件的传统方式。但是浇铸成型的零件的密度和强度较低。随着柴油机升功率的不断攀升,浇铸日渐不能满足高强度、轻质的零件制造要求,而半固态铸造因能大幅提高铸件的性能而成为广泛关注的铸造方式。
20世纪70年代,美国麻省理工学院Flemings与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力学行为,并据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变学性质,成功用搅拌方法制备出了半固态金属并进行了铸造成形,称之为流变铸造。
半固态成形技术虽然对金属的合金成分有一定的

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要求,而且对冶炼的控制要求也高,但是半固态成型技术具有大幅提高零件的尺寸精度、缩短凝固时间,所以十分有利于提高生产效率,并且通过半固态成型的零件的强度已接近锻造。因此半固态成型有望成为今后广泛应用的技术。
另外,电渣重融技术已成熟。电渣重融技术能将材质中的硫、磷等有害杂质的含量降低到极低的水平,并且能控制晶粒的长大、晶粒的方向,因此用电渣重融生产的材质的强度接近甚至超过锻造。如采用电渣重融技术生产曲轴等轴类零件,将有效的降低生产成本。虽然该技术广泛的应用在军品领域,但相信今后该技术会被广泛的应用。

3、挤压内螺纹

螺栓连接对柴油机的可靠性至关重要。传统的内螺纹通过切削成形,成形过程中会产生毛刺,而螺纹副在工作一段时间后因螺纹被挤压产生塑性变形,造成螺栓扭矩降低甚至造成螺栓松动。而挤压螺纹是塑性变形,在加工时就形成了高强度的螺纹副,所以大大降低了螺栓扭矩减小的风险。不过挤压螺纹仅适合塑性变形大的材质,例如铝合金、不锈钢等。对于使用铸铁材质的零件,还需通过优化装配的过程控制来保证连接的可靠性。

4、涡轮增压

为提高柴油机的升功率,涡轮增压技术已广泛应用。涡轮增压器的能量来源于柴油机排出的废气。柴油机的废气能量占燃料燃烧热能的20%左右,而涡轮增压器的效率能达到70%~90%,因此采用涡轮增压技术是,柴油机的热效率能提高15%以上。
但是涡轮增压技术也有缺点,如不可变截面的涡轮增压器的高效工作区域较窄,采用涡轮增压器时柴油机的动力响应会延迟,当柴油机低负荷工作时,涡轮增压器基本不起作用甚至会增加排气阻力,发动机热负荷、机械负荷增加等。
为解决这些问题,可变截面涡轮的涡轮增压器、双增压器技术等应运而生。增大散热面积解决了热负荷问题,提高机体、曲轴、轴瓦的强度,提高螺栓连接的轴向力则解决了机械负荷增加的问题。

5、多气门技术

提高功率,就要提高进气量。提高进气压力、降低进气温度、增大进气截面是有效提高进气量的手段。
为提高燃油与空气的混合,柴油机进气必须有涡流。但气流旋转必然有能量损失,就不利于提高充量系数。所以两气门柴油机无法解决这一矛盾。
如果采用两个气门或3气门进气,那么只须要一个气门形成涡流,其他进气门则不须产生进气涡流,因此采用多气门进气就能有效的调高充量系数。
另外,采用多气门技术可以使喷油器布置到气缸的,因此燃油喷射时能形成更加均匀的混合气,可以进一步优化燃烧。

6、先进的轴向力控制

螺栓副连接是非常重要并广泛使用的连接方式。螺栓副连接的关键是要控制轴向力的分布。最早的轴向力分布控制是通过控制螺栓扭矩实现的,并且沿用至今。但是,我们须要的不是螺栓扭矩的一致性,而是螺栓轴向力的一致性。因为存在粗糙度、润滑条件等因素的影响,扭矩法已日渐不能够满足高的产品一致性要求。为提高螺栓轴向力的一致性,发展了扭矩—转角法,并进一步发展了屈服点法来控制螺栓的轴向力。
通过扭矩—转角法或屈服点法控制的螺栓轴向力,不仅提高了轴向力的一致性,更重要的是提高了材料的利用率,为进一步降低结构质量提供了技术支持。
除了采用先进的拧紧方式,螺栓的布置也很重要。为降低变形,螺栓甚至可以贯穿缸盖、缸体、曲轴箱。

7、电控燃油喷油技术

电控然后喷射技术是通过各种传感器采集进气流量、进气压力、燃油温度、水温、曲轴位置、喷油压力等参数通过微电脑来对喷油量、喷油规律、喷油时刻进行控制的技术。
当今电控燃油喷射技术主要包括电控高压共轨、电控泵喷嘴、电控单体泵,尤其以高压共轨技术最先进。
电控燃油喷射技术能使发动机始终工作在最优空燃比状态,并实现多次喷射优化喷油曲线、保证缸供油量的一致性。所以,电控燃油技术能降低排放、燃油耗、噪声和振动。
为降低排放,提高升功率,燃油喷射压力也从最初的1200ba提高到2500ba甚至更高。特别是用压电晶体替代电磁阀后,喷油器的反应时间提高了一倍,真正实现了喷油曲线的自由控制。甚至最新一代的压电晶体喷油器能对燃油进行二次加压,使喷油压力能提高到3000ba。
8、尾气处理
随着排放指标日渐提高,颗粒捕捉器、废气再循环、选择性氧化催化技术已广泛应用。
目前为止,柴油机在各个工况下都会产生颗粒。为防止颗粒排进大气,就需要对颗粒进行捕捉。一般的颗粒捕捉器为多孔堇青石,在堇青石内加加热棒和喷油装置,在排气被压增大到一定值后将颗粒燃烧掉,以使颗粒捕捉器可以循环使用。
为降低NOx的排放,一般通过采用废气再循环和选择性氧化催化来实现。
废气再循环是就将燃烧后的废气在冷却后重新进入气缸参与燃烧。因废气中的CO2的比热高,因此会降低最高燃烧温度,从而抑制NOx的产生。
选择性氧化催化是通过在化学反应,使用NH3在催化与高温条件下与NOx反应,产生N2和H2O,从而实现降低NOx排放的目的。
一般颗粒捕捉器与废气再循环或选择性氧化催化配合使用,随着排放指标的不断提高,不排除这三种技术同时使用的可能。
9、结语
当今先进的柴油机是一种集冶金、材料、加工、自动控制、传感器、化工为一体的高科技产品。随着技术的进步和柴油机可靠性要求的不断提高,新技术、新材料将会层出不穷。
参考文献
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