關(guān)于汽車柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)漫談

許鑰　蔡冬維　蔡正斌

隨著科技的進(jìn)步，柴油機(jī)的開發(fā)焦點(diǎn)已由傳統(tǒng)的優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性逐步轉(zhuǎn)為目前的優(yōu)先考慮環(huán)保的要求，即以優(yōu)先保護(hù)好人類賴以生存的地球環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)去考慮采用何種技術(shù)，去評(píng)價(jià)其先進(jìn)性。

優(yōu)先考慮柴油機(jī)排放、噪聲對(duì)環(huán)境的影響問題，與過去相比也有不同，就是在滿足目前對(duì)排氣污染物、顆粒排放及噪聲的限制要求時(shí)，不再以犧牲經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和比質(zhì)量等為代價(jià)，而是在達(dá)到上述目標(biāo)的同時(shí)使產(chǎn)品具有可競(jìng)爭(zhēng)的商業(yè)價(jià)格。歐洲一些公司近年或稍后將繼續(xù)推出能滿足環(huán)境要求的百公里油耗為3L的柴油機(jī)。

一、現(xiàn)今技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

目前，世界各國(guó)對(duì)車用柴油機(jī)研究的主要方向是排放控制，其中最為關(guān)心的是NOx和微粒物排放。NOx和微粒物的排放是相互折衷的關(guān)系，即很難同時(shí)降低這兩種污染物。同時(shí)，在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，柴油機(jī)的燃油耗與排放，尤其是與NOx排放方面也存在著折衷的關(guān)系。對(duì)于這兩個(gè)折衷問題，目前已采用了控制噴油定時(shí)、提高噴油壓力、采用增壓中冷、改進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)、采用廢氣再循環(huán)（ EGR） 和氧化催化轉(zhuǎn)化器，以及包括降低摩擦和泵氣損失等多項(xiàng)技術(shù)在內(nèi)的力求改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)的其他技術(shù)，并一直在努力開發(fā)新的技術(shù)。

現(xiàn)代柴油機(jī)已開始采用直噴式燃燒室、4氣門、高壓噴射、電控、渦輪增壓和中冷、可變截面渦輪、EGR、以及氧化催化器等先進(jìn)技術(shù)，使柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能得到明顯的改善和提高，并已完全可以滿足目前的歐Ⅲ排放限值的要求。

二、車用柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.進(jìn)一步優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，特別重視開發(fā)和選擇噴射系統(tǒng)

Perkins公司的Ouadram燃燒室、日野公司的HMMS燃燒室，小松公司的MTEC燃燒室及五十鈴公司的四角形燃燒室等，都在試驗(yàn)開發(fā)階段，其基本特點(diǎn)是由一個(gè)中央渦流及四周的微渦流使空氣燃料快速而充分地混合，并配合以合適的燃油噴射系統(tǒng)。

目前，噴射系統(tǒng)已進(jìn)入一個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期，現(xiàn)正在研究開發(fā)lms內(nèi)完成一次噴射，并在有限時(shí)間內(nèi)正確控制噴射量的方法。噴射壓力已提高到160—180MPa，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已到200 MPa。如共軌式噴射系統(tǒng)及分段預(yù)噴射系統(tǒng)等，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制合理的噴射規(guī)律和噴油壓力。

2.增壓及可變氣門配氣定時(shí)

當(dāng)今柴油機(jī)增壓和增壓中冷已成為標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化與小型化，為了降低車輛油耗，提高車輛裝載效率，必須繼續(xù)提高增壓比及增壓器效率。在進(jìn)一步提高大負(fù)荷區(qū)的過量空氣系數(shù)a時(shí)可以減少顆粒排放，同時(shí)通過稀燃化，減少熱損失，提高循環(huán)效率，進(jìn)而同時(shí)降低油耗，隨著高增壓和高a化，組裝有多個(gè)增壓器的復(fù)合系統(tǒng)已成為可能。另外，增壓器固定的渦輪幾何形狀也將由可用于多用途的電控可變幾何形狀所取代。

目前，在小缸徑柴油機(jī)上4氣門和噴油嘴垂直中置技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，為了減少換氣損失，使混合氣的形成進(jìn)一步優(yōu)化，現(xiàn)正在研究采用可變氣門配氣定時(shí)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的氣門升程和定時(shí)得到最佳優(yōu)化。

3.全電子優(yōu)化控制

如前所述，目前對(duì)燃油噴射時(shí)間、噴射量、慣性增壓、增壓器、進(jìn)氣渦流及廢氣再循環(huán)（EGR）等都能實(shí)現(xiàn)電子優(yōu)化的可變控制，從而對(duì)降低排放、減少油耗、提高輸出功率和啟動(dòng)性能等有很大作用；但是，這些控制中的多半內(nèi)容，如EGR、自動(dòng)診斷等，還有很多技術(shù)不夠完善，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)，今后還將繼續(xù)開發(fā)其它方面的電子可變控制機(jī)構(gòu)，尤其是與整車相協(xié)調(diào)統(tǒng)一的綜合化的全電子控制系統(tǒng)。

4.改進(jìn)燃料

燃料性能的改進(jìn)，對(duì)減少排放起到很大作用，日本繼美歐之后，從1997年開始把輕油中的硫含量降到0.05%以下，以此大幅度減少排放顆粒中的硫酸鹽，同時(shí)減少EGR造成的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的腐蝕磨耗及催化劑中毒；進(jìn)一步減少硫含量，提高十六烷值，可進(jìn)一步降低NOx。減少芳香烴，尤其是減少3環(huán)以上的芳香族成分，可減少排放顆粒中的硫化物、降低90%的蒸餾溫度、改進(jìn)點(diǎn)火性能；通過使用含氧燃料或添加劑，可降低黑煙顆粒。為了適應(yīng)低硫化及噴射壓力的大大增加，確保燃油噴射裝置的潤(rùn)滑性，人們對(duì)燃料的改進(jìn)開發(fā)寄予了很大期望。

5.代用燃料

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重，尋找一種更清潔的替代石油的原料已勢(shì)在必行。經(jīng)過多年的研究試驗(yàn)，目前公認(rèn)天然氣是21世紀(jì)的首選替代燃料。美國(guó)一些學(xué)者認(rèn)為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車是與電動(dòng)車相媲美的清潔能源動(dòng)力車。日本研究表明，天然氣汽車在環(huán)境保護(hù)、石油燃料替代及實(shí)用性等方面有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。近年來，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、包括柴油與天然氣的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展很快，目前，全世界有幾百萬輛天然氣或雙燃料汽車在運(yùn)行，預(yù)計(jì)到2010年，全球?qū)⒂?/3的國(guó)家使用天然氣汽車。正如人類本世紀(jì)初從固體燃料向液體燃料過渡一樣，如今已開始從液體燃料向氣體燃料過渡，從而將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的效率和清潔性。

6.排氣后處理技術(shù)

柴油機(jī)能否像汽油機(jī)那樣使用催化劑大幅度減少排放，尤其是NOx，這是柴油機(jī)研制者一直追求的目標(biāo)。日美歐現(xiàn)都在對(duì)此進(jìn)行研究，日本有關(guān)大學(xué)、研究所和廠家正在對(duì)沸石鎂及氧化鋁的催化劑上用還原劑進(jìn)行NOx還原試驗(yàn)，美國(guó)福特等公司也正在對(duì)催化還原系統(tǒng)（SCR）及DeNOx，催化器兩種NOx還原系統(tǒng)進(jìn)行研究。

三、總結(jié)

現(xiàn)代柴油機(jī)在采用了直噴式燃燒室、4氣門、高壓噴射、電控、渦輪增壓和中冷、可變截面渦輪、EGR、以及氧化催化器等先進(jìn)技術(shù)后， 使柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能得到明顯的改善和提高。新技術(shù)的應(yīng)用使得柴油機(jī)已能夠滿足目前的歐Ⅲ排放限值的要求。

新近推出的在2004年實(shí)施的歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，在NOx、CO、HC 以及微粒等排放限值要求上都有大幅度的提高。有些國(guó)家已經(jīng)開始對(duì)燃油耗進(jìn)行嚴(yán)格的限制， 對(duì)過高的燃油耗以稅金的方式進(jìn)行處罰。因此，未來柴油機(jī)技術(shù)的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步降低柴油機(jī)排放和提高其燃油經(jīng)濟(jì)性。電控技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用將更加廣泛和深入。將有越來越的柴油機(jī)應(yīng)用高壓共軌燃油系統(tǒng)。

新概念燃燒理論的突破為柴油機(jī)燃燒新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)， 并有可能使柴油機(jī)排放水平提高到一個(gè)嶄新的高度。燃油品質(zhì)的提高及新型的代用燃料會(huì)進(jìn)一步改善柴油機(jī)的排放， 并為柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)的應(yīng)用提供了條件。而更加嚴(yán)格的排放法規(guī)使排氣后處理技術(shù)的應(yīng)用具有了一定的可能性和必要性。

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（作者單位：江蘇江淮動(dòng)力股份有限公司）

作者簡(jiǎn)介

許鑰，男，1984.10.21，江蘇省鹽城市，本科。江蘇江淮動(dòng)力股份有限公司，產(chǎn)品研發(fā)工程師，研究方向：柴油機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工業(yè)設(shè)計(jì)