高功率密度柴油机关键技术及其应用

孙丹红，张然治，田永海

（中国北方发动机研究所，山西大同037036）

军用动力的快速发展得益于柴油机关键技术在更高层次上不断取得新的突破，使柴油机的单位体积和质量功率密度、燃油消耗率等性能指标都有明显改善，单位体积功率可以达到1 200～1 360kW／m3，单位功率质量≤1 kg／kW，燃油消耗率最低达到190g／（kWh）的水平，为军用车辆动力向更高水平冲刺提供了强有力的技术推动。本文仅对几项主要的关键技术作一简要介绍。

1 系统集成技术

系统集成技术是实现高结构紧凑性、高功率密度和提高动力总成性能的核心技术之一，其内容包括两个方面：发动机本体与附件的集成，发动机与传动系统的集成。

通过发动机本体与进排气系统、燃油供给系统、冷却系统和润滑系统等的性能匹配和结构优化设计，可以有效地提高整体性能。同时，各系统效率的提高有助于简化结构，大大减少各自的体积和质量，进而达到减少发动机体积和质量的目的。上述各系统的集成设计可以有效地缩小发动机本体的体积。

6V890柴油机将整个干式油底壳（包括机油容积、机油泵、机油换热器、机油滤清器、机油管道）和进气支管等零件都集成在曲轴箱上，在发动机上没有外部管路。发动机与传动系统的集成可以进一步减少无效空间，减少体积和质量，提高动力装置的紧凑性和传动效率，增强可靠性、可使用性、可维护性和耐久性。

在集成设计时，要充分利用现代设计技术，通过计算机辅助设计、辅助分析和虚拟仿真可以对发动机本体及传动装置进行优化，显著提高结构紧凑性。同时，通过在计算机上进行发动机的虚拟装配和仿真试验，可以极大地提高设计效率和质量，缩短研制周期，降低研制成本。美国蓝绶带咨询委员会特别建议美国陆军坦克机动车辆局（TACOM）尽量采用系统仿真技术来进行HPD柴油机的研发。

对于柴油机动力装置，美国陆军TACOM／TARDEC未来作战系统有人地面车辆链轮功率密度目标PD＝158kW／m3；未来发展研究目标PD＞211～264 kW／m3。这就需要从发动机、传动系统、辅助系统的角度全面考虑动力装置的系统集成，实现各个子系统之间的优化匹配，减小功率损失，缩小无用空间，有效提高链轮功率密度，进而改善动力装置的动力性、可靠性、耐久性以及可维护性。美国先进的整体式推进系统（AIPS）就是动力装置系统集成的一个范例。

2 高速快速燃烧过程

2.1 新型快速燃烧技术

提高排量利用率可以改善系统的结构紧凑性，是实现HPD的关键。而提高发动机转速和减小缸径是提高排量利用率的最有效的方法。

德国MTU公司开发的890系列柴油机，排量较880系列减小50%。该系列柴油机采用先进的高效快速燃烧技术，标定转速达到3 600～4 250r／min，活塞平均速度达到15m／s左右，平均有效压力达到2.6MPa，最高燃烧压力高于20MPa，实现了92kW／L的HPD目标。此外，燃烧过程优化研究也是实现HPD的关键之一。

2.2 均质充量压燃（HCCI）

均质充量压燃（HCCI）综合汽油机和柴油机两者的特性，燃烧自动在几个点开始，不需要采用常规汽油机中的火花塞；降低最高温度以获得非常低的NOx排放，但HC和CO排放较高；具有柴油机的效率和汽油机的排放水平。

HCCI的正时控制仍然是一个主要问题。采用HCCI的常规发动机设计功率范围有限。目前已经采用了多种途径克服这些不足，不过仍处于初级阶段。梅赛德斯已经演示验证了“DiesOtto”概念；通用汽车公司（GM）公开了演示验证的各种HCCI方案；此外还有弗罗斯特和沙利文（Frost and Sullivan）公司的HCCI方案。

柴油机实现HCCI比较困难，主要在汽油机的基础上进行研究。国外通过发展电控HCCI和柴油机－汽油机联合循环的方式实现HCCI。这种方案主要技术挑战是爆发过程非常难以驾驭，控制系统非常复杂；例如梅赛德斯（DiesOtto－ Mercedes）概念，这是一种目前可以在工程上实现的HCCI概念。这是一种1.8L柴油－汽油技术的混合，装于奔驰F－700，功率175 kW，采用汽油直喷、增压、可变压缩比、可控自动点火的HCCI以及变气门控制；

另外一种方案是CCS和HCCI，德国大众公司用2.0L柴油机燃烧生物燃料联合系统，仍用180MPa共轨供油，70%的EGR，经济高5%～8%，排放达到与HCCI相当的水平。

3 高喷射压力供油技术

高喷压可调供油技术是实现高功率密度的关键。美国陆军TACOM（坦克机动车辆局）的试验研究表明，通过优化参数和将喷射压力提高到200MPa，可将功率密度提高26%。目前，柴油机高喷射压力供油系统的应用日益增多，应用广泛并且发展前景看好的高压喷射技术主要有高压共轨喷油系统和泵喷嘴喷油系统。

3.1 高压共轨喷油系统

目前，德国MTU公司的MT880和MT890系列HPD柴油机均采用了160～180MPa的喷油定时和喷油量可调的高压共轨喷油系统。采用共轨喷油系统可以使发动机在低转速范围工作时获得高的喷射压力，以保证在所有运行工况均可实现高效燃烧。特别是在890系列全面扩缸后，890系列V型机的功率和扭矩特性均获得大幅度改善，厂方目前尚没有公布喷油压力的变化，但估计喷油压力应该有较大提升。

目前，许多民用柴油机都采用了喷油压力200MPa的高压共轨喷油系统，如福特的2010款6.7L柴油机。

国际上驰名的喷油系统研发设计公司，如德国的博世、美国的德尔福以及日本的电装等，都致力于更高喷油压力喷油系统的研究。博世（Bosch）公司宣称，该公司将于2011年批量生产200MPa电磁阀式喷油器CRI 2.6，而压电式喷油器将继续在大型大功率发动机上发挥关键作用。该公司下一代压电式喷油器CRI 5的最高喷油压力可达220MPa。

德尔福（Delphi）公司、西门子（Siemens）公司和日本电装（Denso）公司均在进行160～200MPa压电晶体共轨系统的研发，喷射间隔期将由现在的0.4ms减少到0.1ms。

共轨燃油系统可以根据需要设置喷油正时、喷油量、喷油压力和喷油速率曲线形状，能够进行分段喷射，灵活地适应各种工况的变化。这一特性也决定了喷油规律不会受发动机转速和载荷的影响，能够更精确地对燃烧过程进行控制，可以在整个发动机工作转速范围内实现高效燃烧。

德国慕尼黑技术大学的研究人员近来在一台LVK单缸发动机上进行了一项轨压增加对喷油器喷嘴流场影响的研究。研究中采用的喷油压力高达320MPa，见图1。

图1 德国慕尼黑技术大学320MPa喷油压力LVK单缸机

3.2 高压泵喷嘴喷油系统

高压泵喷嘴喷油系统目前也是应用较多的一种高压喷油系统。德国大众2.0LTDI涡轮增压柴油机的燃油喷射压力高达192MPa，TDI发动机每缸一个泵喷嘴，每个气缸作功冲程所需的柴油量被分成预喷射和主喷射两部分，主喷射在预喷射开始之后曲轴转过几度之后才进行，其间隔由一个液压机构控制。喷射正时、喷油量以及停喷时刻都由电磁阀控制。高压喷射技术使柴油发动机达到了平稳、高效燃烧的理想状态，并降低了燃烧噪声、降低了尾气中的氮氧化合物的含量。

4 智能化电控和管理技术

电控技术是柴油机智能化的基础。目前，发动机电控的范围已经扩展到所有要求可调的部位，构成所谓的发动机管理系统。

MTU公司MT890系列柴油机采用自行研发的CDS全数字化管理系统，CDS包含柴油机控制、调节和监测功能。其控制内容主要包括燃油供给系统、增压系统、进气系统、故障诊断、传动的匹配等。诊断功能明确给出故障发生的时间、原因和程度，可选择的预诊断功能能够提供有关发动机及其零部件未来状态的预测信息。在发动机运转不正常时，电控装置可以暂时降低发动机功率，如有必要可使发动机完全停机，以防发动机损坏。在紧急情况下可人工干预。CDS具有与动力装置中所有系统的接口，允许将890系列柴油机集成到动力装置中。

“狼”式装甲车的机载信息控制系统（BIUS）记录车辆基本装置与组件的参数，从而对其实施控制与诊断功能。发动机由15个参数控制，包括压力、温度、转速、燃油供给、冷却系统、润滑系统等。传动与轮箍由温度和压力控制。液压与悬挂调整系统采用24位控制。BIUS的故障与车辆的机动性无关。

近年来，智能化电控和管理技术在民用柴油机领域也得到长足发展，应用范围涉及供油和增压控制以及故障诊断。2010年德国BMW公司通过采用200MPa高压共轨燃油喷射和压电晶体喷油器、二级可调“动力涡轮”增压系统和综合电子控制系统等技术，3.0L6缸柴油机平均有效压力达到2.0MPa，标定功率转速达到4500r／min，升功率达到75kW／L，并满足欧V排放标准。

5 高效、高压比可调增压技术

通过涡轮增压和中冷可以提高进气密度，能有效地提高发动机的结构紧凑性和功率密度。高效涡轮增压中冷技术主要包括压气机和涡轮均可调的增压器、顺序增压（STC）、单级压比4～5的高压比涡轮增压器、钛铝合金涡轮、改善瞬态加速性的加气技术、单涡轮双压气机技术等。

采用高效可调增压可以改善加速性，拓宽工作特性范围；采用二级顺序增压或单涡轮双压气机技术，可以进一步提高增压压比，适应多种工况要求，同时还可以减少质量和体积。

5.1 可调叶片式涡轮增压器

针对传统的涡轮增压器在发动机低转速时有增压滞后和动力不足的缺点，大众2.0TDI柴油机采用了可调叶片式涡轮增压器，在任何转速下均可产生所需要的进气压力，性能比传统的涡轮增压器大大提高，改善了发动机的适应性，发动机转速较低时也可以保证大功率的输出，实现了最大功率104kW／4 000r·min－1，最大扭矩320Nm／（1 750～2 500r／min）的性能指标，低速扭矩特性大为改善。由于发动机进气压力始终处于最佳状态，从而在整个转速范围内提高了燃烧效率，节约了燃油并改善了排放。

5.2 用于高速直喷柴油机的一种新的机械增压概念

Modena和Reggio E大学采用传统的涡轮增压器与罗兹容积式压气机结合，通过电动离合器使压气机在发动机高速和部分负荷稳态工况时与发动机脱开，在瞬态加速和低速工况时啮合。采用这种增压方案，可以使2.5L排量的基准发动机（4缸高速直喷涡轮增压柴油机）实现小型化，在不损害最大制动功率（110kW）和瞬态响应的同时，柴油机的排量减小到1.8L，最大制动扭矩大于300Nm／2 000r·min－1；采用罗兹压气机的小型化柴油机，部分负荷燃油消耗大幅度改善，排放有效降低。

5.3 BMW公司二级可变双涡轮增压系统

BMW740D柴油机采用了可变双涡轮增压系统，一个设计巧妙的系统可将两个增压器先后启动，这样既提供了效率又加强了增压器的反应能力，同时还放弃了原增压器中的可调涡轮叶片；这两个增压器是严格按照分级理论进行工作的，发动机转速在1 500r／min以下时，较小的增压器反应较快且主动负责供气；当转速在1 500～2 500r／min范围内时，两个增压器均开始工作，此时，大增压器起到的是预增压作用；当转速超过2 500 r／min时，大增压器开始全负荷工作，提供的压力达0.18MPa（此前进气压力为0.15MPa）。增压系统设有两个阀门和几根管路来调控进入增压器的气流和空气量，废气和新鲜空气按照指令分配给两个增压器。

5.4 单涡双压

德国MTU公司883－Ka524柴油机和890系列柴油机均采用单涡双压涡轮增压器，增压压比为4.5，可显著提高发动机的输出功率，提高柴油机的低速扭矩和改善燃油经济性。特别是部分负荷时，可将更多的增压空气压入燃烧室。MT883Ka－524柴油机在保持MT883Ka－501柴油机本体尺寸不变的情况下，通过采用单涡轮双压气机使单位排量功率从40.3kW／L增加到73.7kW／L。

目前，单涡双压涡轮增压器在民用柴油机领域也得到推广应用，美国福特汽车公司最新开发的6.7L柴油机为了满足功率要求，并仍然适合在V型夹角中安装，采用了单涡双压涡轮增压器（如图2所示），具有更高的增压压力和喘振裕度，在满足内侧排气支管体结构布置要求的同时，满足了测功机认证和底盘认证双重排放认证的要求。

图2 6.7L柴油机双压气机涡轮增压器

6 结构可靠性技术

包括满足承受18MPa以上最高燃烧压力的发动机本体结构技术、活塞平均速度达到15m／s的活塞曲柄连杆机构技术、高压比条件下润滑承载技术、高压比的PVD轴瓦技术、声辐射解析技术等。据德国KS Gleitlager公司统计，目前高性能卡车柴油机的气缸燃烧压力已经高达18～22MPa，柴油机的单位排量功率达到30～50kW／L；矫车柴油机的单位排量功率达到60～70kW／L，连杆轴承的负荷将增加37%，曲轴轴承盖的负荷将增加33%。

提高排量利用率和进气密度，一方面提高了功率密度，但另一方面也增加了机械负荷和热负荷。因此，必须对机体、气缸盖、活塞、曲轴、轴瓦等关键零部件的可靠性进行优化设计。同时，各零部件的减重优化也是实现高功率密度的途径之一。

为满足高紧凑性、HPD柴油机的可靠性要求，需对可承受18MPa以上燃烧压力的发动机本体结构技术、活塞平均速度达到15m／s的活塞曲柄连杆机构技术、高载荷PVD轴瓦技术等进行深入的研究。

7 高温冷却技术

高温冷却技术是减小辅助系统质量和体积，使柴油机实现高效运行的有效措施。涉及的技术主要包括高温润滑油技术、高低温双循环冷却系统、热管散热技术等。

德国MTU公司的MT890系列柴油机采用高低温双循环冷却系统，高温回路为核心发动机提供冷却，即用于冷却气缸套、气缸盖等零部件以及一级增压中冷器；低温回路用于冷却启动机－发电机功率电子器件、二级增压中冷器以及发动机机油。MT890系列柴油机的高温冷却系统冷却液温度高达130℃，并采用智能控制的高低温双循环冷却系统，减小了冷却系统的质量和体积，改善了冷却效果。

8 飞轮／发电机／启动机集成技术

将启动机、发电机和飞轮集成在一起可以减少动力装置零部件的数量，优化结构布置，增加动力舱布置的柔性，提高可靠性。飞轮／发电机／启动机集成技术是实现电传动的关键技术，有助于进一步减少体积和质量，使车辆运行更为平稳，并实现无级变速传动。电传动能使发动机和车辆的速度彼此不相关，发动机可以以其最高效率工作。因此，HPD柴油机可以通过燃油消耗特性图和电子管理系统获得最好的燃油经济性。

MT890系列柴油机动力装置有纯电传动和机电传动（EMT）两种方案，装备了其与德国ESW公司联合开发的20～550kW飞轮启动－发电机（FSG），可以用于24V车载电源的功率电子器件的电源和纯柴－电车辆的动力电源。通过采用电离合器，任何柴油机机械传动动力系统都可以升级为全混合动力。目前采用FSG的4R890和5R890已分别用于德国GEFAS4×4车辆和美国FCS的MGV的动力。

德国ESW公司针对装甲车辆和重型汽车对混合电传动的需求，开发了水冷超级无刷磁电机，功率20～40 kW，集成整流器、皮带驱动DC 20V，符合 MIL STD 461E和MIL STD 1275标准。这种先进技术已用于M113、DURO／YAK、EAGLE、FUCHS等装甲车辆。

9 结束语

提高柴油机功率密度和实现小型化在国外受到极大重视，西方工业发达国家政府和工业部门都非常重视相关关键技术的研究工作，并制订了功率密度和有效效率的发展目标。

HPD柴油机是柴油机技术发展史上的一个重要的里程碑，为大幅度提高未来战斗系统的机动性、可部署性、生存能力和应用电磁炮、电热、电装甲、激光武器等新概念武器铺平了道路。对于我国来说，积极探索和研究HPD柴油机技术具有至关重要的现实意义和长远的战略意义。

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