高速大功率柴油机技术发展与创新

ｋＷ／ｍ３
１３６０ ｋＷ／ｍ３，单位功率霞量≤ｌ ｋｇ／ｋＷ；民用
在特种车辆领域，在成功研制三代主战坦克动力 的基础上，研制开发出新１５０系列柴油机，保证了我 国装甲装备动力的全面升级换代，基本满足了陆军新
型装甲武器装备对动力的需求。
动力升功率达到６０ ｋＷ／Ｌ，燃油消耗率最低达到１９０
在重型车辆动力领域，通过技术引进和生产许可 证和合资合作等方式陆续引进了一批较为先进的高速 柴油机产品，提高了发展的起点，为今后技术水平的 快速提高奠定了一定基础，在很大程度上满足了国民 经济建设对高速柴油机动力的迫切需求。主要引进了 日本五十铃公司、意大利依维柯公司、德国曼海姆公 司、道依茨公司、曼恩公司和ＭＴＵ公司、美国康明 斯公司、奥地利斯太尔公司、瑞典沃尔沃公司和英国 珀金斯公司的技术和产品。目前，这些引进产品大多 数已经实现了国产化，并形成了批量规模生产能力。 后续引进的道依茨１０１５／２０１５系列水冷柴油机、沃尔 沃Ｄ１２柴油机、雷诺ｄＣｉｌｌ柴油机、日野ＪＣ０９柴油 机，补充了国内１２Ｌ左右柴油机的不足。 近年来，国内一些发动机厂通过与国外技术咨询、 联合开发等方式开发出１２ Ｌ和１３ Ｌ覆乍柴油机。例 如，潍柴与ＡＶＬ公司合作，开发出蓝擎系列１２ Ｌ排 量国ＩＩＩ标准柴油机，功率覆盖１７６ ｋＷ＇－＇３５３ ｋＷ，最 低燃油消耗率１９０ ｇ／ｋＷｈ，大修期１２０万ｋｍ；一汽锡 柴采用德国博世公司１６０ ＭＰａ电控高压共轨技术，研 发出１３ Ｌ围ＩＩＩ标准ＣＡ６ＤＮ柴油机，最大功率３３８ ｋｗ，最低燃油消耗率２００ ｇ／ｋＷｈ；东风康明斯推出了 新一代１３ Ｌ欧ＩＩＩ标准ＩＳＺ系列电控柴油机，功率覆盖 ２９８ ｋＷ～４０７ ｋＷ。与此同时，国内加紧开展对国Ⅳ、 国Ｖ技术的预研，着力规划全系列国Ⅳ产品平台。目 前，采用ＳＣＲ技术的６ＤＬｌＳ．３２Ｅ４系列柴油机已通过 了国际权威机构的国Ｖ排放认证，首批配金龙的ＥＧＲ 国Ⅳ样机，已配试成功， ２．３存在的差距 １）技术创新能力不足，产品竞争优势和核心竞争 力尚未形成，在电控、高压共轨、可调增压等关键技 术方面仍然受园外技术肇垒的制约； ２）柴油机技术基础薄弱，有些国外已经普遍采用 的技术在我国目Ｉｊ｛『仍处于探索研究阶段，有些甚全仍
到１９０ ｇ／ｋＷｈ～２１０ ｇ／ｋＷｈ，最低可达１８０ ｇ／ｋＷｈ。重
２高速大功率柴油机发展现状
２。ｌ国外现状
柴油机历经１ １０多年的发展现已成为一种用途极 为广泛的动力机械，技术水平发生了质的飞越。进入 ２１世纪以来，通过采用高压供油、可调增压、数字电 控等一系列现代高新技术，柴油机正在由传统产业提 升为高科技产业，与其他动力装置相比仍是效率最高 的动力之一，并具有进一步发展的潜力。据有关专家 预测，在今后２０年甚至更长的时间内，柴油机在陆用 移动式和同定式应用领域仍将保持ｊ三流动力的地位。 但同时还应看到，柴油机技术的发展也面临着进一步 提高效率和降低排放以及与新概念动力竞争的严峻挑 战。因此，必须小断创新，在动力性、经济性和环保
了缩小排量和减小体积（ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ）的系统集成优
化设计概念，发动机不断向小型化方向发展，体积较 少５０％，发动机的比功率进一步提高；Ｃ０２降低３０ ％，燃油经济性进一步改善。福特公司欧洲动力系统 研发部利用ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ概念，将排气管集成到缸盖上， 有效缩小了体积和减轻了莆量，提高了柴油机的性能 和可靠性。ＢＭＷ集团采用ｄｏｗｎｓｉｚｉｎｇ概念开发的３．０ Ｌ六缸柴油机，在工程上实现了６０ ｋＷ／Ｌ的功率密度。 ２）供油燃烧技术 喷油压力大于１６０ ＭＰａ的高压共轨燃油系统已经
型汽车柴油机的排量上限上升到１６ Ｌ。美国康明斯公 司推出了１５ Ｌ的ＩＳＸ系列苇车柴油机；瑞典斯堪尼亚 公司推出了１６ Ｌ的欧Ｖ标准ＤＣｌ６柴油机，最大功率 高达４５６ ｋＷ，采用斯堪尼业第二代ＥＧＲ、２４０ ＭＰａ 的极高喷射压力（ＸＰＩ）、３段喷射优化燃烧、ＶＧＴ和 涡轮复合增压等一系列先进技术：沃尔沃公司推出了 １６Ｌ的欧Ⅳ标准直列６缸ＤＣｌ６柴油机，采用ＳＣＲ技 术，最大功率可达４７８ ｋＷ。 ２．２国内现状 我国内燃机工业历经百年发展，高速大功率柴油 机产业取得了巨大的成就，特别是改革开放３０年来有 了较快的发展。随着一批先进机型和技术的引进，我 国柴油机总体技术水平有了快速发展。通过合资、合 作、引进生产及自主开发，形成了一批性能优良、技 术先进的车用柴油机产品。最新开发投入批量生产的
柴油机，其排放已经达到国ＩＩＩ排放限值要求，并具有 满足欧Ⅳ和Ｖ排放标准的潜力；涡轮增压器、供油系 统和电控系统等关键系统部件的自主研发和生产能力
也有较大提升。
３高速大功率柴油机的技术创新
高速大功率柴油机技术的快速发展得益于其关键 技术在更高层次上４ｉ断取得新的突破和创新，使单位 体积功率、单位功率质量、燃油消耗率等性能指标都 有明显改善，军用动力单位体积功率可以达到１２００
１前言
随着科学技术的飞速发展和新技术的集成应用， 高速大功率柴油机技术不断取得新的突破，产品性能 指标不断向新的高度冲刺，已成为当今世界高新技术 的蕈要载体之一。目前，高速大功率柴油机南于其优 越的燃油经济性和动力性能，已经广泛用于特种车辆、 重型车辆、工程机械、石油钻探、矿山机械、船舶等 应用领域，并且在今后一段时期内仍将继续保持主力 动力的地位。通过不断的技术创新，动力性、经济性 和环保性还具有进一步改善的巨大发展潜力。 近年来，我国在高速大功率柴油机技术领域取得 了长足发展，在特种车辆动力领域实现了南仿研到自 主研发的历史性跨越，基本满足了国防现代化对高性 能动力的需求。在民用动力领域，经过近三十年来的 不懈努力，通过技术引进和消化吸收再创新，我国高 速大功率柴油机的技术水平和产品结构发生了根本性 的变化，在国民经济诸多应用领域中发挥了重要作用。 但与发达国家相比，在关键技术突破和新产品开 发以及自主刨新能力等方面仍有较大差距，大部分民 用动力产品主要是采用国外引进许可证生产的产品， 没有完全的自主知识产权；部分新开发的产品基本上 依赖于国外技术咨询、联合开发和采用国外关键件， 核心技术受制于人，仍是制约我国高速大功率柴油机 发展的瓶颈。因此，加强军民用动力技术合作和技术 创新，对促进我国高速大功率柴油机又好又快健康发 展具有非常重要的现实意义。
采用了喷油压力１８０ ＭＰａ的共轨喷油系统，平均有效 压力达到２．６ ＭＰａ，活塞平均速度达到１５．２ ｒｒＬ／ｓ。在商 用车柴油机领域，２４０ ＭＰａ以上的共轨喷油技术已经 实现工程应用，重车柴油机升功率已经达到３０ ｋＷ／Ｌ～３５ ｋＷ／Ｌ的水平。目前，德国博世公司已开发 出喷射压力高达３００ ＭＰａ的共轨喷油系统。 在高效燃烧方面，美国威斯康星大学、芬兰赫尔 辛基工业大学、奥地利ＡＶＬ公司均积极开展活塞式发 动机热一功转换极限的探索研究。芬兰赫尔辛基工业 大学内燃机实验室正在开展指示平均有效压力５ ＭＰａ、活塞平均速度１５ ｍ／ｓ、最大燃烧压力４０ ＭＰａ 的“极高指标发动机”（ＥＶＥ）的研究工作，并取得了 初步成果。斯堪尼亚公司采用创新的模块化燃烧概念 （ＳＭＣＣ），实现了快速高效燃烧：珀金斯公司的 Ｏｕａｄｒａｍ燃烧系统、日野公司的ＨＭＭＳ燃烧系统、小 松公刮的ＭＴＥＣ燃烧系统、五十铃公司的四角型燃烧 室等创新燃烧系统均具有快速充分清洁燃烧的特点。 ３） 发动机电控和管理系统技术 电控技术对今后动力技术的发展至关重要，是实
理系统按．米（ＡＤＥＣ），除控制供油外，管理的内容涵
盖了发动机的热管理、空气管理和能量管理等各个方 面，具有智能监控和远程诊断功能。瑞典颠堪尼亚公
正时（ｗＴ）、增压。｜】冷、发动机热管理、ＥＧＲ等发
动机各个部位的控制均取得了较入迸展。为确保柴油
超精密加工技术为高压共轨精密偶件的生产提供 了可靠的保证。以德国著名哟供浦系统镪造商洛兰奇 （Ｌ’Ｏｒｅｎｇｅ）公司为例，精密偶件的加工精度达到
高速大功率柴油机技术发展与创新
李建设
中国北方发动机研究所大同０３７０３６ 摘要：概括介绍了国内外大功率柴油机的发展现状、技术创新以及关键技术进展，着重分析了该技术领域国内外的差距， 探讨了系统集成．供油燃烧，发动机电控和管理、可调增压等核心关键技术领域的技术创新对高速大功率柴油机发展的促进 作用，并研究了现代设计技术、新材料和先进工艺技术对柴油机技术发展和产品升级换代的基础支撑作用。根据我国的国情， 从特种车辆动力高新技术和优势资源利用的角度，提出了加快我国高速大功率柴油机技术发展和产品升级换代的发展建议． 关键词：高速大功率柴油机；发展趋势；技术创新
２
现优化匹配、功率提升、节能减排和智能化控制的有
效途径。删公司开发了目前最先迸的发动机电子管
司剑新的ＣＡＮ总线混合动力电控系统实现了对发动 机和电传动装置的综合拎制和管理。此外，可变气门
面抛光技术、致密石瞿铸铁（ＣＧＩ）铸造工艺、异种 金属镶铸工艺、锚合金铸件热等静压工艺、铝合金冷 喷涂修复工艺、连丰Ｔ涨断上艺、缸孔激光造型珩磨工 艺等新，．Ｉ二艺在发动机制造领域逐步开始推广应用。
是空白；
ｇ／ｋＷｈ，为高速大功率柴油机向更高水平冲刺提供了 强有力的技术推动。在近几年国外主要柴油机厂商推 出的新型高速大功率柴油机中，均大量采用了最新的 科技成果和新的设计理念，主要体现在一体化系统集 成技术、高球燃油喷射和高效快速燃烧技术、发动机 电控和管理系统技术、高效可调增压技术、排放控制 枝术等方面。此外，现代设计技术和新材料、新工艺 的发展也为大功率高速柴油机产品技术水平的提升提 供了强有力的支撑。 １）系统集成技术 现代设计和优化技术有力推动了系统集成和匹配 研究的深入开展，动力装置一体化设计有效降低了无 效空间，大幅度提高了动力装置的功率密度和系统总 成之间的优化匹配。国外车用发动机行业十分重视发 动机的系统集成技术，德国马勒（Ｍａｈｌｅ）公司提出
性方面取得新的突破，才能保持其旺盛的生命力。 在特种车辆动力领域，ＭＴＵ公司高速大功率柴油 机居于世界领先地位。该公司最新研发的ＭＴ８９０系列 高功率密度（ＨＰＤ）柴油机升功率达到９２ ｋＷ／Ｌ的世 界最高水平，单位功率质量和单位体积功率分别为 ０．８２ ｋｇ／ｋＷ和１２００ ｋＷ／ｍ３，在高压共轨、发动机电子 管理和高效可调增压等关键技术领域具有显著的技术 优势。此外，该公司的非公路和船用高速大功率柴油 机也居于世界先进水平，最近推出的１６００系列柴油机 采用Ａ主研发的先进柴油机电控（ＡＤＥＣ）系统和专 门开发的低Ｎｏ。和低碳粒燃烧过程，具有良好的燃油 经济性和低排放特性。排放达到美国ＥＰＡ Ｔｉｅｒ２／３标 准；Ｔｉｅｒ２柴油机的燃油消耗率低于１９５ ｇ／ｋＷ・ｈ，Ｔｉｅｒ３ 柴油机的燃油消耗率低于２００ ｇ／ｋＷ・ｈ。 在苇型车用柴油机领域，具有代表性的生产厂家 有：美圜康明斯、卡特彼勒、ＤＤＣ，德国ＭＴｕ、奔 驰、道依茨、曼恩，法国雷诺公司、瑞典斯堪尼亚、 沃尔沃，意大利依维柯公司，日本五十铃、三菱、日 野等著名的重型汽车和柴油机公司。上述公司的技术 优势主要体现在高压单体泉、共轨技术、综合电子管 理技术和高效增压技术的丌发和应用方面，其产品的 标定转速１５００ ｒ／ｍｉｎ～２２００ ｒ／ｍｉｎ，平均有效压力１．２ ＭＰａ～２．５ ＭＰａ，升功率２４ ｋＷ／Ｌ～３０ ｋＷ／Ｌ，单位功 率质量２．７ ｋｇ／ｋＷ～４．０ ｋｇ／ｋＷ，排放满足美国联邦第 三阶段排放标准或欧Ⅳ排放标准，燃油终济性指标达