馬自達汽車公司的新型4缸Skyactiv-D柴油機

【日】 Terazawa Y Nakai E Kataoka M Sakono T

1 開發(fā)目標

全球燃油消耗裝置的增加迫使人們降低單位燃油消耗率，使汽油機工作效率得以提高，同時促進了柴油機燃燒的改進。然而，為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求，需要采用十分昂貴的高性能噴油系統(tǒng)或氮氧化物（NOx）后處理系統(tǒng)。它使柴油機面臨很大的競爭壓力，因為渦輪增壓汽油機正在替代歐洲市場上的某些柴油機。

在這一背景下，Skyactiv-D 柴油機確立了如下的開發(fā)目標：（1）提高柴油機的效率，（2）滿足未來的排放法規(guī)要求，（3）實現(xiàn)成本-效益的系統(tǒng)設計。

2 技術理念

一般來說，可以通過降低泵氣損失、冷卻損失、排氣損失和機械損失來提高柴油機的效率。降低這些損失的控制因素包括壓縮比、比熱比、燃燒持續(xù)期、燃燒定時、減少泵氣損失和機械損失。使這些控制因素更接近它們的理論值，從而發(fā)動機能達到其理想狀態(tài)。

在上述控制因素中，Skyactiv-D 柴油機的開發(fā)重點集中在燃燒定時和機械損失，因為它們大大偏離了理想狀態(tài)（圖1）。開發(fā)目標是要在不采用NOx后處理的情況下，通過實現(xiàn)理想燃燒和大幅度提高熱效率來達到歐6排放標準。為了充分發(fā)揮柴油機的優(yōu)點，馬自達汽車公司的目標是在上止點實現(xiàn)燃燒，以通過高膨脹比來獲得最大作功能力。但是，當燃燒在上止點附近進行時，空-燃混合氣在均勻混合之前就會燃燒，因而會產(chǎn)生碳煙和NOx排放。這就會使燃燒推遲，從而導致燃燒緩慢和低膨脹比燃燒。

為了克服這些制約因素，針對Skyative-D 柴油機制定了如下技術理念：（1）降低壓縮比，以確保燃油與空氣有足夠的混合時間，目的是要避免在上止點燃燒時生成碳煙和NOx；（2）改進燃燒室形狀，借助于燃燒室中的氣流來改善燃油與空氣的混合；（3）提高增壓效率，以便在添加大量再循環(huán)廢氣時也有相應的氧氣量；（4）減小壓縮比，以便能在降低最高爆發(fā)壓力且不降低輸出功率的情況下設計一種平衡的低剛性結(jié)構。為了同時改善燃油耗、排放及輸出功率，將壓縮比ε從傳統(tǒng)的壓縮比ε16.3下降到壓縮比ε14.0。正如當量比-溫度特性曲線所示，由于改善了空氣與燃油的混合，抑制了碳煙和NOx的生成（圖2）。

為了促進燃燒室凹腔內(nèi)空氣與燃油的混合，提高擠流區(qū)的空氣利用率，對燃燒室的形狀進行了改進（圖3）。

改進燃燒室形狀的具體目標如下：（1）當混合氣撞壁時，燃燒室垂直方向的壁面形狀能防止混合氣動能損失；（2）導向壁形狀能促使沿垂直壁面渦流運動的空-燃混合氣充分混合，并產(chǎn)生很高的動能；（3）燃燒室的中心凸起部位能在提升混合氣均勻性和保持混合氣強渦流的情況下增加空氣利用率，并利用逆向擠流使混合氣在整個燃燒室中擴散。經(jīng)過上述改進，燃燒室側(cè)視像1個雞蛋，所以稱之為“蛋形燃燒室”。這種燃燒室形狀與多孔噴油嘴相結(jié)合，能減少碳煙的生成。

為了實現(xiàn)高效增壓，采用兩級渦輪增壓來確保充足的氧氣供應量，以防止碳煙生成，即使在采用傳統(tǒng)高壓廢氣再循環(huán)（EGR）回路的歐6發(fā)動機上，其高EGR 率時也是如此。

3 發(fā)動機性能

圖4所示為Skyactiv-D 柴油機的輸出功率、排放和燃油耗。盡管最高爆發(fā)壓力和壓縮比已經(jīng)有所降低，但在整個運行范圍內(nèi)的扭矩仍比現(xiàn)有發(fā)動機的高。特別是馬自達汽車公司將該柴油機的轉(zhuǎn)速從4 400 r/min提高到了5 200 r/min，使低端扭矩提高了40%。由于采用了低壓縮比和兩級渦輪增壓的高效增壓，因而能實現(xiàn)高EGR 率，從而在不采用NOx后處理系統(tǒng)的情況下使發(fā)動機達到歐6排放標準。

低壓縮比減小了機械摩擦，并能實現(xiàn)在上止點著火的高膨脹比燃燒，兩者都為降低燃油耗作出了貢獻。Skyactiv-D 柴油機不僅能滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求，而且其燃油經(jīng)濟性比現(xiàn)有發(fā)動機提高了15%～20%。

4 排放和燃油經(jīng)濟性

傳統(tǒng)柴油機通常采用推遲燃燒定時來減少碳煙和NOx的生成，但這會使熱效率變差。Skyactive-D柴油機依靠低壓縮比和高增壓能在不產(chǎn)生碳煙的情況下減少NOx排放。此外，馬自達汽車公司能在不推遲燃燒定時并仍采用相同EGR 系統(tǒng)的情況下，使NOx排放水平從歐5提高到歐6（圖5）。

如圖6所示，燃燒始點提前能形成高膨脹比，因而能使燃燒持續(xù)期比現(xiàn)有高壓縮比發(fā)動機的更短。上述2項措施的目的都是為了降低指示比燃油耗。

5 機械靡擦

發(fā)動機總機械摩擦的一半是由活塞和曲軸等往復和旋轉(zhuǎn)零部件產(chǎn)生的。研究表明，可以通過降低壓縮比使高爆發(fā)壓力降低以減少這種摩擦。這就有可能使曲軸軸頸更細及活塞更輕，從而使這些往復或旋轉(zhuǎn)零部件的機械摩擦降低到約占總摩擦的30%。可以利用較低的摩擦來減小活塞和曲軸的質(zhì)量。在Skyactiv-D 柴油機中，這2個零部件的質(zhì)量減輕了25%。因此，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升而增加的機械摩擦要比現(xiàn)有發(fā)動機的小，所以可使最高轉(zhuǎn)速提升到5 200 r/min。

隨著機油泵、水泵和其他附件摩擦的降低，發(fā)動機的總摩擦降低了26%，已降至現(xiàn)有汽油機的機械摩擦水平（圖7）。

與現(xiàn)有發(fā)動機相比，由于機械損失減少，新型柴油機在行駛循環(huán)中的燃油經(jīng)濟性提高了4%～5%。

6 在極端寒冷條件下的起動能力和不著火狀況

柴油機壓縮比有逐年減小的趨勢，但轎車柴油機的壓縮比下限為15.0。低于這一下限值，在極端寒冷條件下起動時，發(fā)動機將會出現(xiàn)不易著火的狀況。然而，Skyactiv-D 柴油機在壓縮比為14.0時仍能確保其著火性能。

為了確保著火性能，必須使發(fā)動機保持適當?shù)目?燃混合氣濃度、缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度。通過以下一系列措施滿足了這一要求：（1）采用帶多孔噴油嘴的壓電式噴油器，并采用鄰接的多次預噴油；（2）采用兩級渦輪增壓改善增壓性能；（3）采用陶瓷預熱塞；（4）通過2次開啟排氣門的方式增加剩余氣體量（圖8）。

2次打開排氣門的工作方式是在進氣沖程中使排氣門先稍微開啟，以便讓熱排氣回流到氣缸內(nèi)，從而使缸內(nèi)溫度升高。Skyactiv-D 柴油機是首款在排氣門開啟系統(tǒng)中采用凸輪廓形切換可變氣門升程的柴油機。

馬自達汽車公司研究證實，這種可變氣門升程系統(tǒng)與前文提及的降低機械摩擦相結(jié)合，Skyactiv-D柴油機即使在壓縮比為14.0時，也能夠在環(huán)境溫度-25℃下順利起動。這一目標是在使用十六烷值為40的燃油和在上止點燃燒的情況下實現(xiàn)的，且不會出現(xiàn)不著火現(xiàn)象。

7 燃燒定時和燃燒持續(xù)期的控制

在壓縮比降低的情況下，著火延遲時間會增加，且燃燒持續(xù)期會變得較長。特別是在環(huán)境溫度較低的情況下，著火會更遲，從而損害燃燒的穩(wěn)定性。此外，在高轉(zhuǎn)速時，直至燃燒結(jié)束為止，氣缸內(nèi)的壓力和溫度會下降，這就會使燃燒持續(xù)期延長。

為了解決這些問題，針對Skyactiv-D 柴油機采取了如下措施：（1）通過增加擴散燃燒期間的預混合燃燒來確保著火穩(wěn)定性；（2）通過改進燃燒室形狀來縮短擴散燃燒的燃燒持續(xù)期；（3）通過著火延遲的預測，擴大預混合燃燒區(qū)的范圍和控制噴油定時。瞬態(tài)運行時擴散燃燒區(qū)范圍內(nèi)的增壓壓力和氣缸壁溫度與穩(wěn)態(tài)運行時是不同的，一旦環(huán)境溫度和海拔高度發(fā)生很大變化，就會出現(xiàn)著火不穩(wěn)定的現(xiàn)象。為了在這種情況下也能確保著火穩(wěn)定性，采用短間隔的多次預噴油來產(chǎn)生預燃。通過這一措施，在主燃燒前就能獲得一定的放熱量。

圖3所示為能提高空氣利用率的燃燒室形狀，可以縮短擴散燃燒區(qū)范圍內(nèi)的燃燒持續(xù)期，以及提高燃油經(jīng)濟性。圖9 所示為在燃燒狀況和NOx排放相同的條件下，試驗過程中燃燒室形狀所產(chǎn)生的影響。燃燒室形狀經(jīng)優(yōu)化后，碳煙排放減少，燃燒持續(xù)期縮短，因而燃油經(jīng)濟性得以改善。

預混合燃燒的優(yōu)點是能縮短燃燒持續(xù)期，但是，在燃燒噪聲界限與著火定時控制之間的操控范圍較窄卻是個難題。Skyactiv-D 柴油機通過將壓縮比降至14.0和采用預混合燃燒，仍能在燃燒噪聲不惡化的情況下高負荷運行。

在高壓縮比發(fā)動機中實施預混合燃燒時，要利用大量再循環(huán)廢氣來確保著火延遲的時間。大量的再循環(huán)廢氣會降低氧氣量，并會使噴油定時對著火定時的控制能力變差。這種情況在較高負荷時更為突出。通過降低進氣溫度和減少再循環(huán)廢氣量[3]有可能改善著火定時的控制。同樣，在低壓縮比情況下，可以確保有足夠的著火延遲時間，即使在有較多再循環(huán)廢氣時也能靠噴油定時來控制著火定時。這樣就能擴大運轉(zhuǎn)范圍，且進氣溫度不會過度降低。

根據(jù)測定的進氣氧濃度和缸內(nèi)溫度，計算出預混合燃燒時的著火延遲，進氣氧濃度和缸內(nèi)溫度能提供穩(wěn)定燃燒，不會因環(huán)境溫度和海拔高度而產(chǎn)生負面影響。

8 在汽車上的應用

選擇合適的柴油機排量就相當于使用了一種低成本的廢氣凈化系統(tǒng)。降低柴油機NOx排放量有2種途徑：（1）加裝NOx催化器，（2）降低發(fā)動機本身的NOx排放。如上文所述，Skyactiv-D 柴油機是采用低壓縮比和高增壓來降低發(fā)動機原排氣中的NOx。

然而，扭矩與NOx之間的關系不是呈線性的，當負荷增加時，NOx生成量會趨于大幅度增加（圖4）。因此，在相同的車輛上安裝不同排量的發(fā)動機時，排量較大發(fā)動機在較低負荷下運行時的NOx排放量要比較小排量發(fā)動機的少。

馬自達汽車公司為Skyactiv-D 柴油機選擇了2.2 L 的排量，它能在不采用NOx催化器或低壓EGR 的情況下滿足歐6排放標準的要求（圖10），從而簡化了排氣后處理系統(tǒng)。

就燃油經(jīng)濟性而言，優(yōu)先考慮的應是改善低負荷時的燃油經(jīng)濟性，這可通過降低機械摩擦和優(yōu)化燃燒定時來實現(xiàn)。低負荷燃油經(jīng)濟性的改善能使發(fā)動機小型化對燃油經(jīng)濟性改善的影響得以減小。2.2 L的Skyactiv-D 柴油機按NEDC運行時的燃油經(jīng)濟性達到了相當于高爆發(fā)壓力、高壓縮比的1.5 L柴油機的水平（圖10）。

9 結(jié)語

Skyactiv-D 柴油機不僅具有優(yōu)異的駕駛性能，而且能滿足環(huán)保要求。自2012年起，馬自達公司將會在歐洲市場上的各種新車型上配裝此款柴油機。