【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，各汽車制造商陸續在汽油機上應用稀燃、渦輪增壓、小型化等發動機技術，以改善其燃油經濟性，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要求，一直以來所采用的高性能噴油系統及排氣后處理系統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要求，達到降低成本的開發目標。

1 技術理念

所謂“提高內燃機的效率”，就是降低發動機排氣損失、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）的開發重點就是著力改善上述可控因素中明顯偏離理想狀態的燃燒持續期、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在確保大流量廢氣再循環（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要求。此外，由于采用低壓縮比，降低了燃燒壓力，實現了輕量、低剛性的發動機結構，大幅降低了摩擦損失。這些措施與燃燒定時優化技術相結合后，使新機型的燃油經濟性相比傳統機型改善約20%（圖2）。同時，相比傳統柴油機，新機型實現了高轉速，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境下的起動性能與著火性能。在開發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，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，并縮短燃燒持續期（圖5）。

4 結語

為了獲得接近于理想狀態的發動機燃燒，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，實現了車輛行駛性能、燃油經濟性，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進入日本、歐洲各國及其他市場。