從車用柴油機(jī)看綠色機(jī)械發(fā)展

1、山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院“機(jī)智未來”社會實踐團(tuán)隊調(diào)研報告調(diào)研報告題目：從車用柴油機(jī)看綠色機(jī)械發(fā)展撰寫日期 2016 年 8 月目 錄1引言42調(diào)研43國內(nèi)車用柴油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀53.1國內(nèi)車用柴油機(jī)市場53.2我國車用柴油機(jī)技術(shù)53.3柴油機(jī)污染問題64 國外車用柴油機(jī)發(fā)展64.1歐盟機(jī)動車排放量標(biāo)準(zhǔn)64.2歐美柴油機(jī)技術(shù)路線74.2.1 SCR技術(shù)路線74.2.2 EGR+DPF/DOC技術(shù)路線74.3 先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)84.3.1共軌與四氣門技術(shù)84.3.2降低機(jī)油消耗84.3.3乳化柴油的應(yīng)用84.3.4后處理技術(shù)84.3.5柴油85我國車用柴油機(jī)發(fā)展趨勢96總結(jié)9參考文獻(xiàn)10致謝11摘 要201

2、6年7月18日至7月25日由山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院“機(jī)智未來”團(tuán)隊組織進(jìn)行的關(guān)于國內(nèi)外柴油機(jī)綠色化發(fā)展的暑期社會實踐調(diào)研活動圓滿落寞。在實踐活動進(jìn)行的8天里，該團(tuán)隊成員順利完成了對山東省華源萊動有限公司機(jī)械制造廠等地的參觀調(diào)研。參觀過后，團(tuán)隊成員積極總結(jié)經(jīng)驗問題，并于7月24，25兩日分別展開對該公司的訪談以及現(xiàn)階段各省市機(jī)動車綠色化問題的調(diào)研。同時通過網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)事業(yè)單位，群眾及個人等多方渠道，全面了解了目前國內(nèi)外車用柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并討論總結(jié)了現(xiàn)階段實現(xiàn)柴油機(jī)綠色化的一系列有效可試行方法。報告首先將實際考察，系統(tǒng)介紹山東華源萊動內(nèi)燃機(jī)有限公司的現(xiàn)實的各方面情況，并綜合該廠提供的相關(guān)情況與國家

3、的相關(guān)政策，概括目前我國國內(nèi)車用柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，通過討論和咨詢總結(jié)了目前柴油機(jī)綠色化領(lǐng)域亟待解決的一系列問題。最后，通過列舉國外的一些先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)，為我國的柴油機(jī)綠色化提供了一些參考。21世紀(jì)，甚至是接下來的22世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)全球化、以及節(jié)能環(huán)保、資源有限性等可持續(xù)發(fā)展問題都將是世界各國必須共同面臨的問題，具體反映在汽車動力發(fā)展的局部問題上，車用柴油機(jī)的綠色化選擇也是發(fā)展的必然趨勢之一。自2015年1月1日起，我國的柴油車全面實施了國四排放標(biāo)準(zhǔn)，這不僅是能源安全和環(huán)境保護(hù)的福音，更是促使國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)變革，提高柴油發(fā)動機(jī)汽車的市場份額，使其逐漸從小眾躋身主流的關(guān)鍵。因此，以車用柴油機(jī)為代表

4、的機(jī)械綠色化勢在必行。關(guān)鍵詞:車用柴油機(jī)，柴油機(jī)，汽車，綠色機(jī)械，節(jié)能，現(xiàn)狀，趨勢目 錄1 引言隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已毫無疑問的成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國的汽車保有量更是急劇上升。而作為汽車“心臟”的發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展演變更是越來越受到業(yè)界人士的重視。大功率，低排放，精密的電子控制等顯著優(yōu)勢必將使柴油發(fā)動機(jī)在新時代里有長足的發(fā)展。現(xiàn)如今，在經(jīng)濟(jì)全球化和可持續(xù)發(fā)展的壓力下，全球各大廠商都在不約而同地致力于新型綠色環(huán)保柴油機(jī)的研發(fā)，以求在環(huán)境保護(hù)方面取得近一步改善，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展的同時全面實現(xiàn)機(jī)械綠色化的共同目標(biāo)。2 調(diào)研在考慮了人員調(diào)配、協(xié)調(diào)統(tǒng)籌等問題后，我們的團(tuán)

5、隊選擇了山東省華源萊動內(nèi)燃機(jī)有限公司作為一個主要調(diào)研點，在于有關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行了溝通交流后，團(tuán)隊獲準(zhǔn)對廠區(qū)進(jìn)行了參觀體驗，并對一些問題咨詢廠區(qū)的相關(guān)工程師人員。團(tuán)隊此行目的之一是機(jī)械專業(yè)的崗位體驗，而最主要的目的便是從車用柴油機(jī)方面調(diào)研我國綠色機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。2016年上半年車用柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)銷售情況圖：2016年上半年車用柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)銷售情況統(tǒng)計表團(tuán)隊首先咨詢了有關(guān)工作人員目前我國的柴油機(jī)銷售情況，如圖一所示，這是廠方提供的2016年上半年車用柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)銷售情況統(tǒng)計表（山東省萊動內(nèi)燃機(jī)有限公司生產(chǎn)銷售量位于全國第九），以安徽全柴、廣西玉柴、中國一汽、江鈴控股、東風(fēng)汽車等老牌車輛有限公

6、司的柴油內(nèi)燃機(jī)銷量較往年均有所下降。據(jù)團(tuán)隊成員分析，最重要的原因就是隨著現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展,人們越來越重視能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù).傳統(tǒng)的高污染、高消耗的機(jī)械產(chǎn)品已經(jīng)無法符合時代的要求。銷售量的下滑也給企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，怎樣能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)綠色化，迎合市場的需求，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械綠色化是萊動企業(yè)目前正在解決的問題。隨后，我們的團(tuán)隊成員分成了三個組，一組負(fù)責(zé)前往各大圖書館搜集相關(guān)的柴油機(jī)技術(shù)資料，二組趕赴當(dāng)?shù)刈畲蟮牟裼蜋C(jī)交易市場，三組則與我們的團(tuán)隊負(fù)責(zé)人繼續(xù)交流我們對綠色機(jī)械的看法。3國內(nèi)車用柴油機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀我國柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)80年代以來有了較快的發(fā)展，隨著一批先進(jìn)機(jī)型和技術(shù)的引進(jìn)，我國柴油機(jī)總體

7、技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國二和國三的標(biāo)準(zhǔn)。自從2015年1月1日起，我國的柴油車全面實施了國四排放標(biāo)準(zhǔn)，這也標(biāo)志著我國的柴油機(jī)開始嘗試全面進(jìn)入國四時代。3.1國內(nèi)車用柴油機(jī)市場圖 柴油機(jī)成品我國重型柴油車的產(chǎn)量在逐年增加，中型、輕型車柴油化步伐也在加快，但在微型汽車、轎車領(lǐng)域，柴油車所占比例仍為零。而另一方面，我國中型柴油機(jī)市場已呈現(xiàn)供大于求，輕型柴油機(jī)市場也趨向飽和，但骨干企業(yè)正在生產(chǎn)的多數(shù)產(chǎn)品從技術(shù)角度已應(yīng)是淘汰產(chǎn)品，發(fā)展?jié)摿Σ淮蟆?.2我國車用柴油機(jī)技術(shù)柴油機(jī)行業(yè)投入不足，制約了生產(chǎn)工藝水平、規(guī)模發(fā)展和自主開發(fā)能力的提高。我國柴油機(jī)技術(shù)相對國外而言比較薄弱，也落后于國內(nèi)車用汽油機(jī)的發(fā)展。國內(nèi)的技

8、術(shù)目前仍不具備完整的全新柴油機(jī)產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件開發(fā)能力。許多國外已經(jīng)普遍采用的技術(shù)在我國仍處于研究階段，有些甚至仍是空白。為了解決我國的柴油機(jī)技術(shù)問題，科技部、中國汽車工程學(xué)會、大眾汽車公司以及國內(nèi)柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)等國內(nèi)外知名汽車專家們呼吁：加大對柴油機(jī)的科技投入，開展重點科技項目的攻關(guān)工作；應(yīng)當(dāng)用一分為二的觀點來看待各種車用動力的發(fā)展，以完善的法規(guī)、科學(xué)的政策引導(dǎo)車輛的使用，以是否滿足標(biāo)準(zhǔn)限值作為衡量一個產(chǎn)品能否在市場銷售的唯一標(biāo)準(zhǔn)，有效發(fā)揮各種車用動力形式在不同運輸環(huán)境中的作用。我國柴油機(jī)技術(shù)的攻關(guān)重點應(yīng)放在電控技術(shù)、排放后處理技術(shù)、整機(jī)開發(fā)和匹配技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究和材料開發(fā)上；提高柴油品質(zhì)

9、，為各類柴油機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；把高速公路使用8噸以上柴油載貨車作為我國柴油車發(fā)展的重點，同時發(fā)展柴油轎車。3.3柴油機(jī)污染問題我國柴油機(jī)技術(shù)的落后、產(chǎn)品質(zhì)量差以及車輛使用中維修保養(yǎng)措施不力，導(dǎo)致低性能、 高排放柴油車在使用中對城市環(huán)境和大氣質(zhì)量造成不良影響，因為柴油機(jī)采用壓燃方式，柴油在高溫高壓下裂解更容易產(chǎn)生大量肉眼看得見的碳煙，使社會產(chǎn)生"厭柴"心理我國是京都議定書的簽約國，無論從政治還是從政績上考量，中國政府必須要履行對全世界的承諾，用二分之一的時間，走完歐盟（加上美日）從歐州汽車排放標(biāo)準(zhǔn)I號到V號或歐VI的二十多年實施階段時間，以高度體現(xiàn)中國發(fā)展速度與政治上極

10、端高度性。4 國外車用柴油機(jī)發(fā)展現(xiàn)代的調(diào)整高性能柴油機(jī)由于熱效率比汽油機(jī)高、污染物排放比汽油機(jī)少，作為汽車動力應(yīng)用日益廣泛。西歐國家不但載貨汽車和客車使用柴油發(fā)動機(jī)，而且轎車采用柴油機(jī)的比例也相當(dāng)大。美國聯(lián)邦政府能源部和以美國三大汽車公司為代表的美國汽車研究所理事會正在開發(fā)新一代經(jīng)濟(jì)型轎車同樣將柴油機(jī)作為動力配置。 經(jīng)過多年的研究、大量新技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)最大的問題煙度和噪聲取得重大突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平。4.1歐盟機(jī)動車排放量標(biāo)準(zhǔn)歐0階段：采用純機(jī)械式的供油系統(tǒng)(燃油泵或柴油泵)和自然吸氣技術(shù)。 歐階段：在歐0發(fā)動機(jī)的機(jī)械供油系統(tǒng)(燃油泵)基礎(chǔ)上，主要輔以廢氣渦輪增壓技術(shù)。 歐階段：在歐發(fā)

11、動機(jī)平臺上適當(dāng)改進(jìn)，主要輔以廢氣渦輪增壓(水空)中冷技術(shù)或廢氣渦輪增壓中冷技術(shù)， 供油系統(tǒng)沒有本質(zhì)變化。 歐階段：對歐II發(fā)動機(jī)平臺進(jìn)行重大升級，主要是供油系統(tǒng)發(fā)生了本質(zhì)變化，實現(xiàn)了供油系統(tǒng)由機(jī)械式控制向電子控制的轉(zhuǎn)化，主要技術(shù)路線包括電控泵噴嘴、電控高壓共軌、電控單體泵和電控H泵+EGR。EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)主要是針對有害氣體(NOx) 設(shè)置的排氣凈化裝置，它將一部分排氣循入進(jìn)氣管與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒，以增加混合氣的熱容量，降低燃燒時的最高溫度，抑制NOx的生成。 歐階段：在該階段，PM與NOx的排放都做了進(jìn)一步限制，其技術(shù)路線是在歐發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，供油系統(tǒng)沒有本質(zhì)變化，主要是采取

12、一系列機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)如提高供油系統(tǒng)的控制靈敏性和壓力，燃燒室和進(jìn)氣等進(jìn)一步優(yōu)化，并綜合使用機(jī)外凈化(后處理)技術(shù)。機(jī)外凈化(后處理)技術(shù)目前主要有兩條技術(shù)路線：一種是SCR(選擇性催化還原)技術(shù)，通過機(jī)內(nèi)凈化PM，機(jī)外催化還原；另一種是EGR(廢氣再循環(huán))+DPF(微粒捕集器)+DOC(氧化催化轉(zhuǎn)換器)技術(shù)，通過機(jī)內(nèi)凈化降低NOx，機(jī)外通過微粒捕捉器過濾PM。 歐階段：在該階段，對PM的要求與歐相同，僅對NOx的排放做了進(jìn)一步限制。其技術(shù)路線在歐發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，根據(jù)歐階段采取的技術(shù)路線的不同，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。采用SCR技術(shù)的發(fā)動機(jī)相對容易，只需要進(jìn)行部分配件和電控參數(shù)上的局部調(diào)整，而采用EGR技術(shù)

13、的發(fā)動機(jī)則需要在油泵等管路上進(jìn)行重新設(shè)計。4.2歐美柴油機(jī)技術(shù)路線4.2.1 SCR (選擇性催化還原) 技術(shù)路線通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機(jī)內(nèi)控制微粒的產(chǎn)生，在機(jī)外后處理過程，采用尿素溶液對NOx進(jìn)行選擇性催化還原。采用該技術(shù)路線的主要有康明斯、馬克、底特律柴油發(fā)動機(jī)、戴姆勒克萊斯勒、沃爾沃、達(dá)夫、依維柯。4.2.2 EGR+DPF/DOC (廢氣再循環(huán)+微粒捕集器/氧化催化轉(zhuǎn)換器)技術(shù)路線它以廢氣再循環(huán)為基礎(chǔ)，在機(jī)內(nèi)抑制NOx的產(chǎn)生，在機(jī)外后處理過程中采用微粒捕集器對微粒進(jìn)行捕捉。目前，采用該技術(shù)路線的主要有康明斯、卡特彼勒、萬國、斯堪尼亞、曼等。采用SCR方案，對發(fā)動機(jī)不須做進(jìn)一步的

14、強(qiáng)化處理。燃油中的硫含量對于系統(tǒng)的影響較小，可回避燃油含硫量高的難題。采用SCR方案可通過調(diào)整噴油特性而節(jié)省燃油消耗約5%，整車需增加一套尿素貯存和轉(zhuǎn)化裝置而使成本增加。采用EGR+ DPF/DOC方案需對原發(fā)動機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化，提高噴油壓力和增壓中冷能力。在歐洲主要以SCR技術(shù)占主流，而在北美卻以EGR+DPF為主流。當(dāng)前，國內(nèi)主流卡車廠家國機(jī)型及所采用的技術(shù)路線比較認(rèn)可SCR技術(shù)路線。4.3 先進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)4.3.1共軌與四氣門技術(shù)國外柴油機(jī)目前一般采用共軌新技術(shù)、四氣門技術(shù)和渦輪增壓中冷技術(shù)相結(jié)合， 使發(fā)動機(jī)在性能和排放限值方面取得較好的成效，能滿足歐排放限值法規(guī)的要求。四氣門結(jié)構(gòu)（二進(jìn)氣二排

15、氣）不僅可以提高充氣效率，更由于噴油嘴可以居中布置，使多孔油束均勻分布，可為燃油和空氣的良好混合創(chuàng)造條件；同時，可以在四氣門缸蓋上將進(jìn)氣道設(shè)計成兩個獨立的具有為同形狀的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)可變渦流。這些因素的協(xié)調(diào)配合，可大大提高混合氣的形成質(zhì)量（品質(zhì)），有效降低碳煙顆粒、HC 和 NOX 排放并提高熱效率。4.3.2降低機(jī)油消耗柴油機(jī)排放的顆粒物中，有相當(dāng)一部分來自餾分較重的機(jī)油的燃燒。為了滿足日益嚴(yán)格的柴油機(jī)（車）排放限值標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須把來自機(jī)油的燃燒降至最低限度，即在保證發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)的前提下，最大限度地減少機(jī)油的消耗。為了降低柴油機(jī)的機(jī)油消耗，活塞環(huán)的優(yōu)化設(shè)計和制造及缸套間的科學(xué)配置非常重要。

16、4.3.3乳化柴油的應(yīng)用柴油加水摻合乳化劑，使其形成較為穩(wěn)定的含水乳化柴油，這類改進(jìn)型燃料的使用可明顯降低柴油機(jī)（車）的排放，尤其是NOX和PM。目前美國報道這方面進(jìn)展較多，我國也在這方面進(jìn)行研究，且已取得可喜進(jìn)展。加水20%乳化柴油（70天不分層），在大型柴油機(jī)上100%負(fù)載工況下，功率不減，節(jié)油明顯，動力輸出比柴油上升4.3%，且煙度和NOX排放下降明顯。然而，盡管這項技術(shù)對低排放有好處，但其潛在的問題如水結(jié)冰、水對發(fā)動機(jī)的腐蝕等問題尚待解決。4.3.4后處理技術(shù)柴油機(jī)后處理的目標(biāo)是進(jìn)一步改善PM和NOX的排放。目前主要采用加裝氧化型催化轉(zhuǎn)化器和研究開發(fā)NOX 催化轉(zhuǎn)化器以及具有良好再生能

17、力的微粒捕集器。4.3.5柴油柴油的生產(chǎn)和貯存條件，是保證柴油發(fā)動機(jī)（車）正常運轉(zhuǎn)延長使用壽命和保持低排放的重要保證。例如瑞典的一級柴油使用中可減少CO排放達(dá)54%，HC和NOX 排放達(dá)10%，PM排放減少14%47%。發(fā)達(dá)國家已普遍使用燃料清凈劑，既能節(jié)省燃料，又能清除積碳、降低排放。5我國車用柴油機(jī)發(fā)展趨勢為了改變機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀，我國正逐步加大財力用于鼓勵企業(yè)研發(fā)高技術(shù)產(chǎn)品、創(chuàng)造有利于節(jié)能減排的科技產(chǎn)品。污染環(huán)境和高耗能的產(chǎn)品或被拒之門外，或被課以重稅制裁。因此，低碳經(jīng)濟(jì)、綠色制造技術(shù)的研究和應(yīng)用，已經(jīng)引起內(nèi)燃機(jī)制造企業(yè)的高度重視。我國是世界內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)大國和消費大國，所以綠色機(jī)械研究對于

18、當(dāng)下我國環(huán)境保護(hù)問題是有極大建設(shè)性意義的。內(nèi)燃機(jī)的使用與能源消耗是分不開的，目前我國大部分的內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)工廠還在使用化石燃料提供的電力，能源綠色化勢在必行。目前政府正在加大投資，改進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大規(guī)模建設(shè)綠色能源設(shè)施，對機(jī)床實施綠色化改造，使用綠色能源，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。一方面吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，一方面從自身開始產(chǎn)業(yè)公關(guān)，制造出更加綠色化的產(chǎn)品，跟上國家可持續(xù)性發(fā)展步伐。6總結(jié)由于柴油機(jī)具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放等特點，柴油機(jī)成為解決汽車及工程機(jī)械能源問題最現(xiàn)實和最可靠的手段。因此柴油機(jī)的使用范圍越來越廣，數(shù)量越來越多。同時對柴油機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來越高。柴油機(jī)的普及也得到了各國政府的普遍支持和政策鼓勵，柴油機(jī)技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)更新日新月異。所以在今后的汽車時代，柴油機(jī)將得到更普遍的應(yīng)用。從柴油機(jī)這個方面我們可以看出，目前機(jī)械行業(yè)的總體發(fā)展趨勢是環(huán)?；?、綠色化。綠色制造是生態(tài)發(fā)展的需要，也是