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柴油机核心技术长期被国外掌握,国产制造如何破局?

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52赫兹实验室 2021-04-18 15:38

说起柴油机,你或许看过这样的画面:

一群老男人在拖拉机上吹手套,启动冒黑烟的发动机,然后砰的一下气球炸了,脸上全是黑乎乎的柴油黑烟。

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有些人可能就当段子看完就算了。

但是作为科技UP主的我,通过翻阅资料却发现,拖拉机使用的柴油机,它的核心技术却长期被国外掌握。

那么问题来了:

柴油机相比汽油机有啥优势?

柴油机的核心技术有哪些?

国产制造如何才能打破国外垄断?

首先呢,小鲸想要说,不是所有的柴油机都是像拖拉机那种傻大笨粗冒黑烟。你比如说从坦克到火车头,从船舶到重载卡车,它们离不开的动力之源都是柴油机。

那为什么这些东西会用到柴油机?

这就要说到柴油机的好处就是高压缩比,这样扭矩更大更有劲并且还更省油。

柴油机相比汽油机,它们的共同之处都是四冲程运转。

啥叫四冲程?

就是每个工作循环都经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。

具体来说是这样的:

首先车辆启动开始于进气冲程,通过开启的进气门活塞向下运动,把空气吸入气缸,同时喷射燃油。

跟着就是压缩冲程,这时气门关闭,活塞向上运动压缩油气混合物。然后就是做功冲程,这时混合气体被点燃迫使活塞回到气缸下端。

最后就是排气冲程,这时燃烧完的油气混合物被活塞通过排气阀门推出气缸。

这两者的区别在于如何点燃空气和燃料。

柴油机用的燃料是柴油,它的粘度比汽油大,不易蒸发,燃点比汽油低。并且柴油发动机气缸中的混合气是压燃的,压力越高、温度就越高,也就是说柴油发动机无需点火系统。

而汽油机是点燃式的,燃料在汽缸内要靠电火花塞点燃。

所以柴油机比汽油机有更高的压缩比。

同时柴油机没有节气门阀体,也就是说当我们踩下油门,柴油机的喷油嘴会喷射更多的柴油,从而产生更多的动力。

而汽油机是有阀体的,也就是说当我们踩下油门,你开启的是节气门,它允许更多的空气进入引擎。更多的空气意味着喷油嘴能输送更多的燃油,更多的燃油意味着更大的动力。

虽然柴机油有这么多的优点,但是有个最大的缺点就是污染问题,讲白了就是会冒黑烟。

但这并不是柴油机的问题,而更多要归咎于我国曾经落后的柴油机技术。

现在的柴油发动机,大多使用了电控柴油高压共轨系统。

可能大家一听这个名词觉得有点懵。

怎么理解这个系统呢?

小鲸来给大家举个形象的例子,如果说发动机相当于车辆的"心脏",那么这个系统,就相当于柴油机的"心脏"和"大脑"。



毫不夸张的说,它是柴油机中加工难度最大,精度要求最高的系统。

我来具体跟大家聊聊。

高压共轨系统主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。

它的工作原理是这样的:

通过柴油机驱动高压油泵,将燃油注入共轨并维持高压,再通过喷油器的高速电磁阀控制喷射,可以稳定的调节并保持供油压力,从而可以实现精确的高压喷射。



尤其是里面的高压和共轨两个名词。

之所以采用高压,是因为该系统能使喷油系统压力比传统柴油机要高出3倍。最高能达到200MPa,而传统柴油机喷油压力在60-70 MPa,这样做的好处就是压力大雾化好燃烧充分,从而提高了动力性,最终达到省油的目的。

那共轨又有什么作用呢?

共轨是通过公共供油管同时供给各个喷油嘴,喷油量经过ECU精确的计算,ECU也就是汽车的电子控制器单元,你可以理解为就是汽车的大脑。



然后同时向各个喷油嘴提供同样质量、同样压力的燃油,使发动机运转更加平顺,从而优化柴油机综合性能,减少柴油机的振动、油耗和降低排放,改变了柴油机在人们心目中"噪音大、冒黑烟"的形象。

而在国内的电控柴油机高压共轨系统市场,德国、美国和日本等企业占据了绝大份额,比如德国博世公司、德国大陆公司、美国德尔福公司、日本电装公司等等。

他们在很长时间都是近乎垄断性的存在,尤其是德国博世,曾经占领国内市场份额高达85%。

那国内有没有企业在做这个?

目前咱们做到了什么程度?

这就要说到咱们无锡油泵油嘴研究所,后面我简称为无油所。

无油所成立于1980年,是原机械工业部直属的行业唯一的归口研究所。

在2005年,这个只有200多人的小单位,开发成功柴油机电控高压共轨燃油系统,并安装在卡车上顺利完成了1500公里的无故障路试。

这使中国成为世界上继美国、德国和日本之后第四个掌握该技术的国家。

这个系统开发有多难?

难度可以说体现在方方面面,难度最大的有两个地方,一是控制系统,二是制造技术。尤其是后者,全球制造业中电控共轨系统加工精度要求最高,没有任何一个行业能超越它。

就比如电控共轨系统有几对耦合件,要承受2000多公斤压力,还要灵活运动,不泄漏,并且间隙只有2-3微米。

这是什么概念呢?

相当于两个杯子都是圆的,直径公差要小于100纳米,要做到完全一致性,这在机械加工里绝对是很高的挑战。

说个有趣的插曲吧,行业龙头德国博世公司曾主动邀请无油所去参观它们的工厂。当时博世公司的生产线大量使用自动化设备,连完成一个简单动作的工作程序都使用机器人,说白了就是想让他们知难而退。

但是无油所的负责人,并没有被满目的自动化设备所吓倒,而是觉得这个技术咱们肯定要研发出来,于是回到所里就开始不断地攻克难题。

一方面邀请一些国内外专家担任工艺方面的顾问,提出工艺方面的不足之处,另一方面自己培养相关人才,进行工艺开发,同时通过进口设备并自己攻关生产适合咱们需求的产品。

就这样一步一个脚印,最后终于研发成功柴油机电控高压共轨系统。

也许有人会说了,我又不买柴油车,好像对我也没啥影响嘛!

其实不是这样的。

过去咱们坐柴油车,感觉像坐在拖拉机上,震动噪声大,很难替代汽油轿车,但是现在安装高压共轨系统后,震动噪声降下来,几乎跟汽油机一样.

柴油机就开始大量替代汽油机,加之柴油机可靠性、动力性、经济性都不错,在欧洲柴油机占比最高时超过50%。

再比如装甲车、坦克、军车、军舰等军事装备,只要用到柴油发动机,就要用到高压共轨系统。

如果没有自己的高压共轨系统,都采用造不如买的方式,一股脑的购买国外产品,毫不夸张的说,这样会威胁到国防安全。

可以说柴油机行业的发展,对中国工业、农业、交通运输和国防建设,以及人民生活都有十分重大的影响。

当然了,除了上面说到的无油所单位以外,国内还有其他企业也在做这个事情。

虽然咱们还没有真正掌握高压共轨系统最顶尖、最核心的技术,但是小鲸觉得呢,通过国内这么多企业的不断攻关,不仅推动了我国汽车及零部件行业自主研发的进步,同时也为发动机行业的技术进步做出了重大贡献。

小鲸相信在不久的将来,咱们一定会摘得这枚柴油机届里面最顶端的明珠!

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