關于汽車柴油機技術的發展趨勢漫談

許鑰　蔡冬維　蔡正斌

隨著科技的進步，柴油機的開發焦點已由傳統的優先考慮經濟性、可靠性和耐久性逐步轉為目前的優先考慮環保的要求，即以優先保護好人類賴以生存的地球環境為出發點去考慮采用何種技術，去評價其先進性。

優先考慮柴油機排放、噪聲對環境的影響問題，與過去相比也有不同，就是在滿足目前對排氣污染物、顆粒排放及噪聲的限制要求時，不再以犧牲經濟性、動力性和比質量等為代價，而是在達到上述目標的同時使產品具有可競爭的商業價格。歐洲一些公司近年或稍后將繼續推出能滿足環境要求的百公里油耗為3L的柴油機。

一、現今技術發展狀況

目前，世界各國對車用柴油機研究的主要方向是排放控制，其中最為關心的是NOx和微粒物排放。NOx和微粒物的排放是相互折衷的關系，即很難同時降低這兩種污染物。同時，在燃油經濟性方面，柴油機的燃油耗與排放，尤其是與NOx排放方面也存在著折衷的關系。對于這兩個折衷問題，目前已采用了控制噴油定時、提高噴油壓力、采用增壓中冷、改進燃燒室設計、采用廢氣再循環（ EGR） 和氧化催化轉化器，以及包括降低摩擦和泵氣損失等多項技術在內的力求改進發動機整體設計的其他技術，并一直在努力開發新的技術。

現代柴油機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技術，使柴油機的燃油經濟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、車用柴油機技術的發展趨勢

1.進一步優化燃燒系統，特別重視開發和選擇噴射系統

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，都在試驗開發階段，其基本特點是由一個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。

目前，噴射系統已進入一個較快的發展時期，現正在研究開發lms內完成一次噴射，并在有限時間內正確控制噴射量的方法。噴射壓力已提高到160—180MPa，實驗室內已到200 MPa。如共軌式噴射系統及分段預噴射系統等，可根據發動機的負荷與轉速自動控制合理的噴射規律和噴油壓力。

2.增壓及可變氣門配氣定時

當今柴油機增壓和增壓中冷已成為標準特點，隨著發動機的輕量化與小型化，為了降低車輛油耗，提高車輛裝載效率，必須繼續提高增壓比及增壓器效率。在進一步提高大負荷區的過量空氣系數a時可以減少顆粒排放，同時通過稀燃化，減少熱損失，提高循環效率，進而同時降低油耗，隨著高增壓和高a化，組裝有多個增壓器的復合系統已成為可能。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，在小缸徑柴油機上4氣門和噴油嘴垂直中置技術得到廣泛的應用，為了減少換氣損失，使混合氣的形成進一步優化，現正在研究采用可變氣門配氣定時，從而使發動機在整個轉速范圍內的氣門升程和定時得到最佳優化。

3.全電子優化控制

如前所述，目前對燃油噴射時間、噴射量、慣性增壓、增壓器、進氣渦流及廢氣再循環（EGR）等都能實現電子優化的可變控制，從而對降低排放、減少油耗、提高輸出功率和啟動性能等有很大作用；但是，這些控制中的多半內容，如EGR、自動診斷等，還有很多技術不夠完善，有待進一步研究和開發，今后還將繼續開發其它方面的電子可變控制機構，尤其是與整車相協調統一的綜合化的全電子控制系統。

4.改進燃料

燃料性能的改進，對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，同時減少EGR造成的發動機內部的腐蝕磨耗及催化劑中毒；進一步減少硫含量，提高十六烷值，可進一步降低NOx。減少芳香烴，尤其是減少3環以上的芳香族成分，可減少排放顆粒中的硫化物、降低90%的蒸餾溫度、改進點火性能；通過使用含氧燃料或添加劑，可降低黑煙顆粒。為了適應低硫化及噴射壓力的大大增加，確保燃油噴射裝置的潤滑性，人們對燃料的改進開發寄予了很大期望。

5.代用燃料

隨著世界能源危機和環境污染問題的日趨嚴重，尋找一種更清潔的替代石油的原料已勢在必行。經過多年的研究試驗，目前公認天然氣是21世紀的首選替代燃料。美國一些學者認為天然氣發動機汽車是與電動車相媲美的清潔能源動力車。日本研究表明，天然氣汽車在環境保護、石油燃料替代及實用性等方面有著無可比擬的優點。近年來，天然氣發動機、包括柴油與天然氣的雙燃料發動機發展很快，目前，全世界有幾百萬輛天然氣或雙燃料汽車在運行，預計到2010年，全球將有1/3的國家使用天然氣汽車。正如人類本世紀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，從而將提高整個能源系統的效率和清潔性。

6.排氣后處理技術

柴油機能否像汽油機那樣使用催化劑大幅度減少排放，尤其是NOx，這是柴油機研制者一直追求的目標。日美歐現都在對此進行研究，日本有關大學、研究所和廠家正在對沸石鎂及氧化鋁的催化劑上用還原劑進行NOx還原試驗，美國福特等公司也正在對催化還原系統（SCR）及DeNOx，催化器兩種NOx還原系統進行研究。

三、總結

現代柴油機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技術后， 使柴油機的燃油經濟性和排放性能得到明顯的改善和提高。新技術的應用使得柴油機已能夠滿足目前的歐Ⅲ排放限值的要求。

新近推出的在2004年實施的歐Ⅳ排放標準，在NOx、CO、HC 以及微粒等排放限值要求上都有大幅度的提高。有些國家已經開始對燃油耗進行嚴格的限制， 對過高的燃油耗以稅金的方式進行處罰。因此，未來柴油機技術的研究重點是進一步降低柴油機排放和提高其燃油經濟性。電控技術在柴油機上的應用將更加廣泛和深入。將有越來越的柴油機應用高壓共軌燃油系統。

新概念燃燒理論的突破為柴油機燃燒新技術的出現和應用奠定了基礎， 并有可能使柴油機排放水平提高到一個嶄新的高度。燃油品質的提高及新型的代用燃料會進一步改善柴油機的排放， 并為柴油機排氣后處理技術的應用提供了條件。而更加嚴格的排放法規使排氣后處理技術的應用具有了一定的可能性和必要性。

參考文獻

[1]馬成權，鄒吉平.缸內噴注技術未來汽車發動機的主流.遼寧省交通高等專科學校學報，2002，4（1）.

[2]汪衛東.車用柴油機的技術及發展方向.汽車技術，2004，（2）.

[3]楊靖.汽車發動機發展中的幾點認識.安徽工學院學報（增刊），1994.

[4]何林華.車用柴油發動機的發展趨勢.客車技術與研究，2004，26（3）.

（作者單位：江蘇江淮動力股份有限公司）

作者簡介

許鑰，男，1984.10.21，江蘇省鹽城市，本科。江蘇江淮動力股份有限公司，產品研發工程師，研究方向：柴油機產品設計及工業設計