大家可能听说过“一辆柴油大卡车的污染,相当于两百辆小汽车”的说法,

因为污染问题,很多人都把柴油机等同于“傻大笨粗冒黑烟”,但这不是柴油机的原罪,而是受制于我国落后的柴油机技术。其实,一台拥有先进科技的柴油机,不仅动力强劲,搭配高品质的柴油,能达到和普通汽油机相似的排放标准。

柴油机为什么没有大力发展(柴油机核心技术长期被国外垄断)(1)

在性能方面甚至更有优势,既然柴油机的优点这么多,那为什么不把落后的柴油机技术提高呢?

可问题就来了,柴油机的核心技术可一直被外国牢牢掌握着,想要提高柴油机技术可不简单,很多小伙伴会疑惑了,柴油机相比汽油机优势在哪里?

柴油机的核心技术又难在哪儿?

中国制造想要化解锁喉之痛,又需要从哪里进行突破呢?

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本期我们就一起探索柴油发动机的秘密

坦克、火车头、船舶甚至到农业机械,其实都离不开柴油机,因为柴油机有项巨大优势,那就是高压缩比,扭矩大并且省油。

什么是高压缩比?

就是使用相同热值的燃料,柴油机的热力学过程可以释放出更多的有用功,这使得柴油机的有效效率能比汽油机高出近10个百分点,这个数字可不是一块钱和一块一毛钱的区别。

乘以油耗和油价以及汽车的数量,等同的可是相当巨大的金额。

柴油机和汽油机还有一个相同之处,四冲程运转,什么叫四冲程?

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就是每个工作循环都要经历进气、压缩、做工、排气四个冲程,首先车辆启动开始于进气冲程,通过开启进气门的活塞向下运动,空气就会被吸入气缸喷射燃油,紧接着开始压缩冲程,这时气门关闭,活塞向上运动压缩油气混合物。

接下来就是做功冲程,复合气体被点燃后,迫使活塞回到气缸下端。

最后是排气冲程,燃烧完的油气混合物通过排气阀排出气缸,虽然做工流程是一样的,但最大的区别就是点燃空气的方式和燃料,柴油机用的自然是柴油,它的粘度更大,燃点更低还不容易蒸发,加上柴油发动机气缸内的混合气体是压燃的,压力越高、温度就越高,所以柴油发动机根本不需要点火系统。

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汽油发动机就恰恰相反,它使用的是点燃式燃料,需要在气缸内,靠电火花点燃,这就是为什么柴油发动机比汽油发动机压缩比高的原因。

其实到这里,很多朋友觉得柴油发动机的运行原理听起来并不难,既然和汽油发动机差不多,为什么柴油发动机的核心技术,还掌握在其他国家手中呢?

的确,基础的柴油发动机并不算难,可真的要将柴油发电进行推广,第一个要解决的问题就是污染。

根据环保部2017年发布的《中国机动车环境管理年报(2017)》柴油车排放的氮氧化物,接近汽车排放总量的七成,颗粒物超过九成,总量仅占我国机动车保有量5%的大卡车,制造了一半的机动车尾气污染。

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为了改善污染问题,就必须提到一个系统,电控柴油高压共轨系统。

所谓的高压,是因为这个系统能使喷油系统压力,比传统柴油要高出3倍,压力越大,雾化就越好,燃烧也就更加充分,从而动力性也得到了提高,最终达到省油的目的。

而共轨就是柴油机的大脑,通过公共供油管同时给各个喷油嘴提供,同样质量,同样压力的燃油,可以让柴油发动机的运作更平顺,减少发动机的振动和油耗,还能让柴油可以混合得更加均匀,燃烧也更加充分。

因此不仅污染随之减少,动力性和经济性也得到了提高。

尽管高压共轨的结构简单,实用性强,但要利用高压共轨来解决柴油发动机高效燃烧、低传热、高可靠性、低摩擦损耗等一系列世界级难题,可就不简单了。

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而这项技术多年来都被德国、美国、日本攥在手里,其中,德国的博世公司就占据了85%的市场份额。

那依赖进口可不可以?

答案是,不行

随着柴油机开始大量替代汽油机,柴油机的使用也从拖拉机延伸到装甲车、坦克等军事设备。可以说,从农业、工业到国防,柴油机行业的发展对中国而言意义重大。

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如果没有自己的高压共轨系统,都采用造不如买的方式,一股脑地购买国外产品,在当前的国际形势下,毫不夸张地说,迟早会威胁到国防安全,加上日益严苛的排放标准,发展高压共轨系统成为了一条必经之路。

那中国怎么才能实现弯道超车呢?

这就要说回挖掘机、拖拉机这些非道路用车市场,因为利润没有汽车市场高,博世公司等外资品牌没有把重心放在这里,这无形之中就给了自主企业发展技术,占领市场的契机。

第一个要提到的便是1980年成立的无锡油泵油嘴研究所,我们简称为无油所,要开发这个系统摆在大家面前的有两个难题,一是控制系统,二是制造系统,后者就是全球性的制造难题。

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全球制造业中,电控共轨系统在全行业中加工精度要求是最高的,比如电控共轨系统只有几对耦合件,但要承受2000多公斤的压力,还要灵活运动、不泄漏,并且间隙只有2-3微米,这在全球的机械加工里,都能算得上是高难度挑战。

为了研发技术,无油所的负责人还曾到博世公司工厂去参观学习,但博世公司展示的却是大量使用自动化设备的生产线,除了看到机器人在重复操作,其余的什么都看不明白,这样的展示说白了,不仅毫无参考价值,而且目的就是想让中国知难而退。

但无油所的技术人员没有用被吓到,反倒是开始培养专业的人才去精进技术。

2005年,这个只有200多人的小单位,成功开发了柴油机电控高压共轨塔燃油系统,并安装在卡车上顺利完成了1500公里的无障碍路试。

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至此,中国成为了世界上第四个掌握这项技术的国家。

同时,中国企业还从其他技术方向寻找突破的路线,此时,电控直列泵就是一个机会,虽然电控直列泵的喷油压力低、响应慢,只能调喷油量,可以说是完全不能满足现代柴油机的要求。

但中国的工程师们却改进了直列泵的喷射机构,将燃油加压与调节功能解耦,使用高速电磁阀直接调节喷射,制造了电控组合直列泵,不仅压力提高到了180MPa以上,响应速度达到了毫秒级,还能对喷油时刻和次数都进行调节,可以说是世界上最先进的柴油直列泵。

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经过十多年的发展,在非道路领域市场,高压共轨技术国产厂商,已经涌现出年销售10万套高压共轨系统的佼佼者,技术方面,国产共轨的喷油压力已经达到了国际一流水平。

2020年9月16日,中国装备制造业的领军企业潍柴集团,发布全球首款突破50%热效应柴油机,意味着中国的柴油机可以轻松满足国六排放标准,潍柴也跻身了世界一流柴油机制造商,也许柴油机达到世界顶尖技术还需要一段时间。

但从无到有,从弱到强,从技术壁垒到打破垄断,我们从落后跑到了前列,中国不断攻坚克难,展现的是最强劲的发展势头,柴油机核心技术的确不在中国手上,但中国会用创造来化解行业锁喉之痛。

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