馬自達(dá)汽車公司的新型4缸Skyactiv-D柴油機(jī)

【日】 Terazawa Y Nakai E Kataoka M Sakono T

1 開發(fā)目標(biāo)

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(jī)工作效率得以提高，同時促進(jìn)了柴油機(jī)燃燒的改進(jìn)。然而，為了滿足日益嚴(yán)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(jī)面臨很大的競爭壓力，因?yàn)闇u輪增壓汽油機(jī)正在替代歐洲市場上的某些柴油機(jī)。

在這一背景下，Skyactiv-D 柴油機(jī)確立了如下的開發(fā)目標(biāo)：（1）提高柴油機(jī)的效率，（2）滿足未來的排放法規(guī)要求，（3）實(shí)現(xiàn)成本-效益的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 技術(shù)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(jī)械損失來提高柴油機(jī)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(jī)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(jī)能達(dá)到其理想狀態(tài)。

在上述控制因素中，Skyactiv-D 柴油機(jī)的開發(fā)重點(diǎn)集中在燃燒定時和機(jī)械損失，因?yàn)樗鼈兇蟠笃x了理想狀態(tài)（圖1）。開發(fā)目標(biāo)是要在不采用NOx后處理的情況下，通過實(shí)現(xiàn)理想燃燒和大幅度提高熱效率來達(dá)到歐6排放標(biāo)準(zhǔn)。為了充分發(fā)揮柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，馬自達(dá)汽車公司的目標(biāo)是在上止點(diǎn)實(shí)現(xiàn)燃燒，以通過高膨脹比來獲得最大作功能力。但是，當(dāng)燃燒在上止點(diǎn)附近進(jìn)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(dǎo)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(jī)制定了如下技術(shù)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(diǎn)燃燒時生成碳煙和NOx；（2）改進(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)一種平衡的低剛性結(jié)構(gòu)。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(dāng)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(jìn)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(jìn)行了改進(jìn)（圖3）。

改進(jìn)燃燒室形狀的具體目標(biāo)如下：（1）當(dāng)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(dǎo)向壁形狀能促使沿垂直壁面渦流運(yùn)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(qiáng)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(kuò)散。經(jīng)過上述改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)高效增壓，采用兩級渦輪增壓來確保充足的氧氣供應(yīng)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(jī)上，其高EGR 率時也是如此。

3 發(fā)動機(jī)性能

圖4所示為Skyactiv-D 柴油機(jī)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(yùn)行范圍內(nèi)的扭矩仍比現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的高。特別是馬自達(dá)汽車公司將該柴油機(jī)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(shí)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(jī)達(dá)到歐6排放標(biāo)準(zhǔn)。

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

4 排放和燃油經(jīng)濟(jì)性

傳統(tǒng)柴油機(jī)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(jī)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(dá)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(diǎn)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(jī)的更短。上述2項(xiàng)措施的目的都是為了降低指示比燃油耗。

5 機(jī)械靡擦

發(fā)動機(jī)總機(jī)械摩擦的一半是由活塞和曲軸等往復(fù)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(xì)及活塞更輕，從而使這些往復(fù)或旋轉(zhuǎn)零部件的機(jī)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(jī)中，這2個零部件的質(zhì)量減輕了25%。因此，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升而增加的機(jī)械摩擦要比現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的小，所以可使最高轉(zhuǎn)速提升到5 200 r/min。

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

與現(xiàn)有發(fā)動機(jī)相比，由于機(jī)械損失減少，新型柴油機(jī)在行駛循環(huán)中的燃油經(jīng)濟(jì)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(jī)壓縮比有逐年減小的趨勢，但轎車柴油機(jī)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(jī)將會出現(xiàn)不易著火的狀況。然而，Skyactiv-D 柴油機(jī)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(jī)保持適當(dāng)?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(yù)噴油；（2）采用兩級渦輪增壓改善增壓性能；（3）采用陶瓷預(yù)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(jìn)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(jī)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(jī)。

馬自達(dá)汽車公司研究證實(shí)，這種可變氣門升程系統(tǒng)與前文提及的降低機(jī)械摩擦相結(jié)合，Skyactiv-D柴油機(jī)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(biāo)是在使用十六烷值為40的燃油和在上止點(diǎn)燃燒的情況下實(shí)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(jī)采取了如下措施：（1）通過增加擴(kuò)散燃燒期間的預(yù)混合燃燒來確保著火穩(wěn)定性；（2）通過改進(jìn)燃燒室形狀來縮短擴(kuò)散燃燒的燃燒持續(xù)期；（3）通過著火延遲的預(yù)測，擴(kuò)大預(yù)混合燃燒區(qū)的范圍和控制噴油定時。瞬態(tài)運(yùn)行時擴(kuò)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(yùn)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(yù)噴油來產(chǎn)生預(yù)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(kuò)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(jì)性。圖9 所示為在燃燒狀況和NOx排放相同的條件下，試驗(yàn)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(jì)性得以改善。

預(yù)混合燃燒的優(yōu)點(diǎn)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(jī)通過將壓縮比降至14.0和采用預(yù)混合燃燒，仍能在燃燒噪聲不惡化的情況下高負(fù)荷運(yùn)行。

在高壓縮比發(fā)動機(jī)中實(shí)施預(yù)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(fù)荷時更為突出。通過降低進(jìn)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(kuò)大運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，且進(jìn)氣溫度不會過度降低。

根據(jù)測定的進(jìn)氣氧濃度和缸內(nèi)溫度，計(jì)算出預(yù)混合燃燒時的著火延遲，進(jìn)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(fù)面影響。

8 在汽車上的應(yīng)用

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

然而，扭矩與NOx之間的關(guān)系不是呈線性的，當(dāng)負(fù)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(jī)時，排量較大發(fā)動機(jī)在較低負(fù)荷下運(yùn)行時的NOx排放量要比較小排量發(fā)動機(jī)的少。

馬自達(dá)汽車公司為Skyactiv-D 柴油機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的要求（圖10），從而簡化了排氣后處理系統(tǒng)。

就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，優(yōu)先考慮的應(yīng)是改善低負(fù)荷時的燃油經(jīng)濟(jì)性，這可通過降低機(jī)械摩擦和優(yōu)化燃燒定時來實(shí)現(xiàn)。低負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性的改善能使發(fā)動機(jī)小型化對燃油經(jīng)濟(jì)性改善的影響得以減小。2.2 L的Skyactiv-D 柴油機(jī)按NEDC運(yùn)行時的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到了相當(dāng)于高爆發(fā)壓力、高壓縮比的1.5 L柴油機(jī)的水平（圖10）。

9 結(jié)語

Skyactiv-D 柴油機(jī)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(dá)公司將會在歐洲市場上的各種新車型上配裝此款柴油機(jī)。