兼顧駕駛愉悅性與環(huán)保性能的清潔型柴油機

【日】 片岡一司 鐵野雅之 林原寛 山田薫 旗生篤弘

0 前言

近年來，隨著汽車用戶對降低燃油耗的意識不斷增強，各汽車制造商陸續(xù)在汽油機上應用稀燃、渦輪增壓、小型化等發(fā)動機技術，以改善其燃油經(jīng)濟性，同時不斷推進混合動力車的低成本化研究。另一方面，對柴油機的燃燒過程也在不斷進行改進，但為了滿足嚴格的排放法規(guī)要求，一直以來所采用的高性能噴油系統(tǒng)及排氣后處理系統(tǒng)等技術均存在成本偏高的問題。為此，馬自達公司推出了清潔型柴油機Skyactiv-D 2.2L機型，配裝車輛后，除了具有高熱效率、良好的燃油經(jīng)濟性，以及理想的駕駛性能外，還能在不采用氮氧化物（NOx）后處理裝置的前提下，滿足當前嚴格的排放法規(guī)要求，達到降低成本的開發(fā)目標。

1 技術理念

所謂“提高內燃機的效率”，就是降低發(fā)動機排氣損失、冷卻損失、泵氣損失，以及摩擦損失等各項損失。降低這些損失的可控因素可歸納為壓縮比、比熱比、燃燒持續(xù)期、燃燒定時、氣缸壁面熱傳遞、進排氣行程壓力差及機械阻力，而使這些可控因素接近于理論值將直接關系到發(fā)動機效率的改善。

馬自達公司的新一代清潔型柴油機（即Skyactiv-D 2.2L柴油機）的開發(fā)重點就是著力改善上述可控因素中明顯偏離理想狀態(tài)的燃燒持續(xù)期、燃燒定時，以及機械阻力（摩擦損失）。為此，研究人員選擇低壓縮比與高效率渦輪增壓相結合的技術理念（圖1）。由于首次在柴油機上應用14.0的低壓縮比，改善了燃油與空氣的混合，并且，高效率的渦輪增壓系統(tǒng)在確保大流量廢氣再循環(huán)（EGR）與空氣量的同時，利用低溫稀薄燃燒，大幅降低了NOx排放，從而可在不使用高成本NOx后處理裝置的前提下，滿足嚴格的排放法規(guī)要求。此外，由于采用低壓縮比，降低了燃燒壓力，實現(xiàn)了輕量、低剛性的發(fā)動機結構，大幅降低了摩擦損失。這些措施與燃燒定時優(yōu)化技術相結合后，使新機型的燃油經(jīng)濟性相比傳統(tǒng)機型改善約20%（圖2）。同時，相比傳統(tǒng)柴油機，新機型實現(xiàn)了高轉速，最終使車輛兼顧了強勁的加速性能與愉悅的駕駛性能（圖3）。

2 實現(xiàn)低壓縮比的技術

降低柴油機壓縮比的最大障礙是在極寒冷環(huán)境下的起動性能與著火性能。在開發(fā)Skyactiv-D柴油機時，利用以下技術解決了上述課題：（1）運用高性能的壓電式噴油器，實現(xiàn)噴射間隔極短的多次預噴射，增加了可燃混合氣；（2）采用兩級渦輪增壓系統(tǒng)，改善低排氣能量條件下的增壓性能；（3）采用2次開啟排氣門的方式，使部分高溫排氣向缸內回流，從而提高壓縮終了溫度。

3 其他應用技術

3.1 新型預混合燃燒概念

傳統(tǒng)的預混合壓縮著火（PCI）燃燒方式是利用大流量EGR確保較長的著火延遲期，使預混合氣稀化，以抑制碳煙的生成。本次開發(fā)應用低壓縮比的進氣溫度及噴油可控的預混合壓縮著火（ITIC-PCI）燃燒方式，可以在不過度依賴于EGR的條件下確保著火延遲期，利用剩余的氧幫助著火后的碳煙氧化。因此，即使在預混合時間較短的上止點附近噴油，也能實現(xiàn)不生成碳煙的燃燒，使基于噴油定時控制著火定時的PCI燃燒成為可能（圖4）。

3.2 蛋形燃燒室

采用蛋形燃燒室，以充分利用因低壓縮比而擴大的燃燒室空間，改善燃油與空氣的混合，降低中高負荷工況下的碳煙排放，并縮短燃燒持續(xù)期（圖5）。

4 結語

為了獲得接近于理想狀態(tài)的發(fā)動機燃燒，Skyactiv-D 2.2L柴油機以低壓縮比14.0為關鍵技術，解決了傳統(tǒng)柴油機燃燒中無法克服的技術難題，在降低成本的同時，實現(xiàn)了車輛行駛性能、燃油經(jīng)濟性，以及排放性能之間的高度平衡。該新機型從2012年起配裝于馬自達公司新車型后陸續(xù)進入日本、歐洲各國及其他市場。