環(huán)境與車輛70年發(fā)展回顧
——柴油機(jī)的開發(fā)

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0 前言

論述了全球與日本的卡車、公共汽車及轎車用柴油機(jī)的技術(shù)開發(fā)歷史，介紹了支撐柴油機(jī)技術(shù)開發(fā)的核心技術(shù)、計(jì)測技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)，并闡述近幾年，日本快速發(fā)展的企業(yè)、學(xué)校聯(lián)合研究院等情況[1]。

圖1 日本的柴油車排放法規(guī)以及降低燃油中含硫成分的經(jīng)過

1 卡車、公共汽車用柴油機(jī)

1.1 柴油機(jī)的誕生與卡車、公共汽車用柴油機(jī)的開發(fā)

1892年，Rudolf Diesel發(fā)明了柴油機(jī)，并在絕熱環(huán)境下，壓縮到20 MPa的氣缸中，于上止點(diǎn)后吹入粉煤，進(jìn)而膨脹到大氣壓的“熱機(jī)的工作原理與式樣”申請了德國專利[2]。1893年，MAN公司制成缸徑150 mm、行程400 mm的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)，1897年將缸徑擴(kuò)大為250 mm，制成了2號(hào)樣機(jī)，在轉(zhuǎn)速172 r/min時(shí)，輸出功率為14.7 kW，燃油消耗率為336 g/kW，實(shí)現(xiàn)了25.2%熱效率(在1/2負(fù)載時(shí)熱效率為22.6%)，但因故障率較高，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過MAN公司幾次改進(jìn)后，于1923年開發(fā)出功率29.4 kW，轉(zhuǎn)速為900 r/min的直接噴射(DI)式車用發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1924年配裝到了載重質(zhì)量為4 t的卡車上。1924年，Benz公司首次將預(yù)燃燒室間接噴射(IDI)式，最大功率為36.75 kW，最大轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的柴油機(jī)配裝到卡車上并上市銷售。Daimler公司也將功率為29.4 kW，最大轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的空氣噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于公共汽車上。Bosch公司從1922年開發(fā)了能夠精確地噴射微量燃油的噴油泵與噴油嘴。為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，進(jìn)行柴油機(jī)排放控制，各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商為柴油機(jī)廣泛配裝于商用車作出了貢獻(xiàn)。

1935年，日本將由三菱重工業(yè)公司(以下稱三菱重工)開發(fā)的IDI式功率51.45 kW的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配裝到公共汽車上，并移交至鐵道部。1931年，三菱飛機(jī)公司研究、試制出直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)。東京瓦斯電氣公司(現(xiàn)在的日野汽車公司)、東京汽車工業(yè)公司(現(xiàn)在的五十鈴汽車公司)，以及開發(fā)了雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的日本柴油機(jī)公司(現(xiàn)在的UD卡車公司)等許多企業(yè)相繼完成了柴油機(jī)的研發(fā)。1939年成立的Chizar機(jī)器公司(現(xiàn)在的Bosch公司)成功推動(dòng)了燃油噴射泵的技術(shù)引進(jìn)。第二次世界大戰(zhàn)后，柴油機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量增加，開始配裝到小型卡車上，柴油機(jī)獲得了快速發(fā)展[2]。

圖2 卡車、公共汽車用柴油機(jī)的功率、最大熱效率以及相關(guān)技術(shù)的演變

1964年，東京舉辦奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)，1970年舉辦萬國博覽會(huì)，日本的經(jīng)濟(jì)隨之持續(xù)發(fā)展。隨著名神高速公路和東名高速公路開通，對于商用車數(shù)量和動(dòng)力性能的需求都大幅提高。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流與汽車的普及化，導(dǎo)致城市的大氣污染狀況日益嚴(yán)重，1974年日本出臺(tái)了針對柴油車的排放法規(guī)。不僅如此，2次石油危機(jī)后，全球各國對于環(huán)保節(jié)能的呼聲高漲，各汽車公司同時(shí)推進(jìn)針對大氣污染的防治對策以及降低燃油耗的相關(guān)研發(fā)工作，這也決定了柴油機(jī)由間接噴射式向直接噴射式的發(fā)展之路。

1.2 高輸出功率與增壓技術(shù)

利用直噴化，以實(shí)現(xiàn)燃油的高壓噴射(約70 MPa)。為了避免卡車、公共汽車發(fā)生爆燃現(xiàn)象，必須降低各氣缸燃油噴射量的偏差(波動(dòng))，并提高燃油噴射的響應(yīng)性，因此對燃油噴射泵及調(diào)速器進(jìn)行優(yōu)化[3]。同時(shí)，采用了2次噴射燃油的雙彈簧噴油嘴，可以有效降低噪聲。考慮到成本，小型卡車以采用過流室式間接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)為市場主流。圖2示出了卡車、公共汽車用柴油機(jī)的比功率、最大熱效率及其對應(yīng)技術(shù)的演變過程。

在直噴化之后，為繼續(xù)增大功率，推進(jìn)增壓技術(shù)，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，開發(fā)了帶有可降低排放及改善燃油耗的空氣冷卻式中冷器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。1981年，主流的12 L的大型卡車用發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝慣性增壓器，以滿足小型化、高增壓、高制動(dòng)平均有效壓力的需求。同時(shí)，排量為8.8 L，功率206 kW，轉(zhuǎn)速為2 300 r/min的帶中冷器的低燃油耗增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上市了[4]。之后，卡車、公共汽車用帶中冷器的增壓柴油機(jī)成為主流，日本的增壓技術(shù)開始快速發(fā)展。

同一時(shí)期，由于排放法規(guī)的收緊以及要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備多種功能，開發(fā)了電子計(jì)時(shí)器及電子調(diào)速器，并投放到市場，配裝TICS[5]的柴油機(jī)卡車也上市了。利用電子控制，應(yīng)對低溫起動(dòng)及高寒地區(qū)補(bǔ)償增壓等方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)，提高進(jìn)、排氣效率，同時(shí)采用四氣門技術(shù)在中心布置噴油嘴以達(dá)到改善燃燒的目的，開展了兼顧降低排放與燃油耗的技術(shù)研發(fā)。這些技術(shù)對于降低PM中的可溶有機(jī)物(SOF)成分，以及面向配裝DPF車型的低灰分潤滑油的開發(fā)作出了貢獻(xiàn)。也對以下挑戰(zhàn)性技術(shù)進(jìn)行了研究開發(fā)，包括以降低排放為目標(biāo)的燃用甲醇的發(fā)動(dòng)機(jī)、水噴射系統(tǒng)、以改善燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)[6]，以及配裝可變氣門并采用米勒循環(huán)的渦輪組合式發(fā)動(dòng)機(jī)等，不過這些技術(shù)均尚未達(dá)到上市銷售水平。

1.3 滿足排放法規(guī)要求

1994年，排放法規(guī)由濃度法規(guī)限值替換為質(zhì)量限值，強(qiáng)調(diào)NOx排放限值，也引進(jìn)了PM限值法規(guī)。日本電裝公司(現(xiàn)為Denso)開發(fā)了可以設(shè)定柴油定時(shí)與噴油壓力的CRS[7]、VGT、EGR裝置[8]及氧化催化器。當(dāng)燃油中含硫量為0.05%時(shí)，將EGR與氧化催化器技術(shù)作為技術(shù)支撐。另外，為降低PM，開發(fā)了捕集并除去PM的DPF，也研究了反洗式、電加熱器式及燃燒器式等再生方式。不過，考慮到可靠性，這些技術(shù)要投放市場尚需時(shí)日。

1999年，日本開始抵制柴油車，在低渦流與冷卻的EGR中組合高壓噴油，試圖兼顧降低排放與低燃油耗的MIQCS[9]投放市場了，但柴油機(jī)必須安裝排氣后處理裝置。2003年銷售的輕油含硫量50×10-6，到2007年，輕油中含硫量為10×10-6，部分連續(xù)再生式DPF及NOx的吸附還原催化器技術(shù)的應(yīng)用成為可能。還原NOx的尿素選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)也開始配裝在卡車、公共汽車上。為了滿足2009年排放法規(guī)，組合DPF，采用硫含量10×10-6的燃油，可大幅降低排放。

1.4 預(yù)混合壓縮著火(PCI)燃燒的引進(jìn)，降低燃油耗

追求同時(shí)降低NOx、PM的均質(zhì)充量壓燃(HCCI)是在PCI方式基礎(chǔ)上進(jìn)行研究開發(fā)的。在柴油機(jī)低負(fù)荷工況下，部分機(jī)型實(shí)現(xiàn)了這種燃燒方式。2016年的排放法規(guī)限值是NOx為0.4 g/kWh，PM為0.01 g/(kW·h)-1，應(yīng)用了WHTC，也引進(jìn)了循環(huán)外法規(guī)，還考慮滿足實(shí)際行駛排放法規(guī)(RDE)限值，以及降低顆粒物數(shù)量(PN)，以期進(jìn)一步發(fā)展的燃燒技術(shù)、排氣后處理技術(shù)，以及車輛的統(tǒng)一控制技術(shù)。

1997年于京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架組織條約第三屆締約國會(huì)議(COP3)后，迫切要求降低CO2的排放，即降低燃油耗。日本自2015年起研究更高目標(biāo)的燃油耗、CO2排放法規(guī)，這是繼日本在全球率先執(zhí)行卡車、公共汽車的燃油耗基礎(chǔ)上研究的相關(guān)法規(guī)。目前，最高熱效率也在按照45%的目標(biāo)逐步提升，尚未達(dá)到最初熱效率25.2%的2倍。今后，要在降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失、排氣損失、泵氣損失的同時(shí)，推進(jìn)降低車輛損失，以及構(gòu)建能量再生(回收利用)及排氣的系統(tǒng)。借鑒以往的絕熱化及余熱回收技術(shù)，推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)及結(jié)構(gòu)的最佳化以及各要素的可變性、車輛的電動(dòng)化，也必須構(gòu)建組合上述技術(shù)要素的統(tǒng)一的系統(tǒng)。

未來，柴油機(jī)仍會(huì)作為物流業(yè)及運(yùn)輸?shù)闹髁C(jī)型，期待柴油機(jī)更加高效化、低排放和低噪聲。

2 轎車用柴油機(jī)

2.1 轎車用柴油機(jī)的誕生

1936年，Mercedes Benz公司將260型柴油機(jī)(水冷4缸，排量2.5 L，33.56 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min)首次配裝在轎車上，柴油機(jī)開始投入使用。1959年，日本首次將當(dāng)時(shí)世界上最小的C型柴油機(jī)(4缸，1.49 L，29.83 kW，轉(zhuǎn)速4 000 r/min)配裝在市售的Toyouped Crown車上。之后，由各公司陸續(xù)開發(fā)出配裝柴油機(jī)的轎車，并上市銷售。日本在1962年以后柴油機(jī)轎車相繼投放市場，1983年出現(xiàn)了3缸柴油機(jī)(排量1.0 L)。當(dāng)時(shí)，日本柴油轎車的銷售份額超過5%。

但在上世紀(jì)80年代末期之后，柴油機(jī)轎車的發(fā)展在日本與歐洲大為不同。在歐洲，由于柴油機(jī)的CO2排放少，環(huán)保性及燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，具備強(qiáng)勁的動(dòng)力性能，柴油車的市場份額在持續(xù)增加(圖3)。

圖3 柴油機(jī)轎車的銷售份額的演變

而在日本，由于1989年以后的稅費(fèi)修改等法規(guī)變更，柴油車經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性降低，并在1978年頒布了嚴(yán)格的柴油機(jī)尾氣排放法規(guī)，2001年制定了汽車NOx、PM排放法規(guī)。同時(shí)又受到2000年尼崎公害訴訟判決的影響，加之反對柴油車的的東京都條例的行政干預(yù)，促使柴油機(jī)小轎車悄然退出日本市場。但近年來，高性能環(huán)保型柴油車從日本、歐洲各公司投放了市場，并從2013年以后漸漸地重現(xiàn)生機(jī)與活力。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵因素，包括燃燒系統(tǒng)的直噴化、共軌噴油系統(tǒng)(CR)的問世、排氣后處理裝置的開發(fā)、預(yù)混合壓縮著火(PCCI)燃燒的問世、高增壓技術(shù)的進(jìn)展，并且還有各種低損失化、輕量化技術(shù)也在進(jìn)一步發(fā)展(圖4)。

圖4 轎車用直噴柴油機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢

2.2.1燃燒系統(tǒng)的直噴化

至上世紀(jì)80年代中期，轎車用柴油機(jī)采用了間接噴射式的燃燒系統(tǒng)。利用預(yù)燃燒室導(dǎo)致強(qiáng)烈氣體流動(dòng)，可使燃料和空氣充分混合，以低噴射壓力的噴油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，由于預(yù)燃燒室的存在以及激烈的氣體流動(dòng)導(dǎo)致熱損失和燃油經(jīng)濟(jì)性差，排放也難以滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。因此，從上世紀(jì)80年代末期IDI式噴油系統(tǒng)的高壓化及小型渦輪增壓器也有所發(fā)展，從此燃燒系統(tǒng)的直噴化得以高速發(fā)展。

2.2.2共軌噴油系統(tǒng)問世

1995年，由電裝公司采用實(shí)用化的共軌噴油系統(tǒng)，由于其設(shè)定噴油壓力的靈活不受拘束，且具有多次噴油功能，為柴油機(jī)帶來了技術(shù)革新。尤其是多次噴油功能，顯著地改善了排放、振動(dòng)、噪聲、燃油耗等諸多性能，這也是歐洲自上世紀(jì)90年代后半期柴油機(jī)小轎車市場份額劇增(圖3)的原因。

2.2.3排氣后處理裝置的開發(fā)

在上世紀(jì)90年代，利用氧化催化器(DOC)，廢氣排放得到了凈化，但到了90年代后半期，只降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放，就無法滿足2005年以后嚴(yán)格的NOx、PM排放法規(guī)(如歐4、日本新長期排放法規(guī)等)的情況，開發(fā)了綜合的排氣后處理裝置。具體而言，根據(jù)車型，組合應(yīng)用DPF、稀NOx捕集器(LNT)、尿素SCR系統(tǒng)，以及DOC等后處理裝置。LNT由于不需要尿素，是中小型車為滿足排放的最優(yōu)選擇。另外，由于2003年以后的輕油低含硫量化，低硫問題得到了解決。

2.2.4PCCI燃燒方式創(chuàng)新

上世紀(jì)90年代中期以后，探索可以同時(shí)降低NOx和PM的新燃燒方式，其代表是PCCI燃燒方式。PCCI是豐田公司建議采用稀薄預(yù)混合(UNIBUS)燃燒，日產(chǎn)汽車公司建議的低溫預(yù)混合(MK)燃燒方式，部分被實(shí)用化后產(chǎn)生的。PCCI燃燒具有兼顧使NOx和PM排放接近于零，以及降低燃油耗的潛能。另一方面，由于存在超低負(fù)荷時(shí)失火、高負(fù)荷工況時(shí)過早著火、燃燒率過大等問題，工作區(qū)域被限定于中、低負(fù)荷工況。要實(shí)現(xiàn)PCCI燃燒的實(shí)用化，必須根據(jù)工作區(qū)域?qū)嵤┡c普通燃燒的切換。所以，其中關(guān)鍵的控制技術(shù)是瞬時(shí)切換2種燃燒方式(PCCI與普通燃燒)、不同的EGR率，以及缸內(nèi)狀態(tài)量的要求值。目前，主要被廣泛應(yīng)用于早期噴射燃燒。

2.2.5高增壓技術(shù)的進(jìn)展

提高渦輪增壓器的效率及可變參數(shù)，隨著共軌噴油系統(tǒng)的高壓化，為動(dòng)力性能的顯著提高(圖4)及排放改善作出了貢獻(xiàn)。從其頂部葉輪的功率/扭矩比來看，在2000年中期，利用兩級(jí)渦輪增壓，上述比值為67/18，并在寬廣范圍獲得最大扭矩。2012年，利用兩級(jí)增壓、3個(gè)渦輪的增壓技術(shù)，功率與扭矩比值達(dá)到了93/247，2008年以后的發(fā)動(dòng)機(jī)升功率超過70 kW并在小型化方面取得進(jìn)展。此外，為抑制高比值引起的氣缸內(nèi)最高壓力增大，以及為了降低摩擦損失，采用持續(xù)降低壓縮比的技術(shù)手段。利用多次噴油、熱管理技術(shù)，以彌補(bǔ)起動(dòng)性能，尤其是防止低溫下起動(dòng)性能的惡化，近年來，壓縮比大致降低至15～16。

在排放方面，由于組合高增壓、高EGR率、高壓噴油，高負(fù)荷工況下降低排放成為了可能。

2.2.6低損失化、輕量化技術(shù)

為了更好的兼顧降低燃油耗及實(shí)現(xiàn)高升功率，從1995年時(shí)陸續(xù)采用了降低摩擦、熱損失與輕量化技術(shù)，尤其是2000年以來，相關(guān)研發(fā)工作發(fā)展迅速。如利用鋁合金機(jī)體實(shí)現(xiàn)升功率93 kW的錨定系緊螺栓連接(錨栓)結(jié)構(gòu)、利用降低活塞壓縮高度增大連桿比以降低滑動(dòng)摩擦等。圖4示出了技術(shù)發(fā)展的具體實(shí)例。

另外，利用上述革新技術(shù)應(yīng)用排放對策、高升功率化等引起效率惡化，使燃燒系統(tǒng)直噴化之后的最高熱效率大約在40%～43%之間。

今后，為進(jìn)一步兼顧降低燃油耗和RDE法規(guī)，并提高動(dòng)力性能，PCCI燃燒開始廣泛使用，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，包括絕熱的熱管理等技術(shù)發(fā)展，同時(shí)最佳排氣量(升功率)所采用的系統(tǒng)方案也有所發(fā)展。

3 核心技術(shù)

上世紀(jì)50年代，日本國內(nèi)的大型柴油機(jī)使用分開式燃燒室，1967年，著力開發(fā)直噴式柴油機(jī)，1974年開始實(shí)施大型柴油機(jī)排放法規(guī)，1981年從自然吸氣發(fā)展到帶中冷器渦輪增壓。上世紀(jì)90年代，進(jìn)、排氣門采用四氣門技術(shù)，1995年采用共軌式噴油系統(tǒng)。此外，近年來由于各種排氣后處理裝置的安裝，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)的清潔化與熱效率提高(圖5)。2000年歐洲的柴油機(jī)轎車完成了技術(shù)開發(fā)。

圖5 大型柴油機(jī)排放的清潔化與高熱效率化技術(shù)的演變

3.1 柴油機(jī)燃燒與燃燒方式

3.1.1分開式燃燒室

上世紀(jì)50年代，大型柴油機(jī)是預(yù)燃燒室方式，小型柴油機(jī)是渦流室式。噴油嘴是節(jié)流閥及針閥等形式的單噴孔噴油嘴，噴油壓力30 MPa的沖擊式A型單列式泵，向預(yù)燃燒室內(nèi)噴射燃油，使燃油與空氣混合后著火燃燒，由預(yù)燃燒室向活塞頂部的淺(盆)燃燒室噴射濃的燃料燃燒氣體，使燃燒氣體再次燃燒而產(chǎn)生熱量，即使是在低噴油壓力的條件下，也利用預(yù)燃燒室完成燃燒。

3.1.2直噴式燃燒室

1967年，在大型柴油機(jī)上采用了向氣缸內(nèi)直接噴射燃油的直噴式燃燒技術(shù)，主力型發(fā)動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)70年代初期由分開式燃燒量向直噴式快速過渡。這是由于相比分開式燃燒室方式，直噴式?jīng)]有主室與副室的流動(dòng)阻力，而且由于熱量散逸表面積少，所以熱損失少，燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異。但是，由于直噴式應(yīng)該在燃油噴射的同時(shí)形成混合氣，所以需要更高的噴油壓力，形成渦流與擠氣等空氣流動(dòng)，進(jìn)氣道的形狀和燃燒室的形狀等要有超過傳統(tǒng)裝置的先進(jìn)燃燒技術(shù)。高壓噴油減少碳煙，同時(shí)改善了燃油耗。從最高噴油壓力來看，柴油機(jī)脈動(dòng)式噴油泵為60 MPa。美國在柴油機(jī)上采用噴油嘴與燃油噴射泵一體化的組合式噴油器，噴油壓力最高值達(dá)到了100 MPa，減少了碳煙排放。

3.1.3共軌式噴油系統(tǒng)

作為新型噴油系統(tǒng)，共軌式噴油系統(tǒng)于1995年首次在日本的大中型卡車上使用，當(dāng)時(shí)的最高噴油壓力達(dá)到120 MPa。共軌式噴油系統(tǒng)將來自供油泵的高壓燃油儲(chǔ)存在共軌中，根據(jù)電子信號(hào)，利用電子控制噴油器向氣缸內(nèi)噴射燃油。與傳統(tǒng)的單列式噴油泵方式不同，共軌式噴油系統(tǒng)中燃油一直被高壓儲(chǔ)存在共軌中，所以燃油壓力不依賴于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍實(shí)現(xiàn)高壓燃油噴射，能夠顯著地減少碳煙排放。此外，利用電子控制在任一時(shí)期實(shí)施噴油，也能減少NOx排放，而且利用多次噴油，能夠降低燃燒噪聲。共軌噴油系統(tǒng)最高噴油壓力在2015年達(dá)到250 MPa。

3.2 增壓、進(jìn)、排氣系統(tǒng)

3.2.1進(jìn)、排氣門的四氣門技術(shù)

上世紀(jì)60年代，每個(gè)氣缸裝配四氣門的技術(shù)就存在了，但只有非常少的機(jī)型使用。上世紀(jì)90年代，各汽車制造商推進(jìn)了四氣門技術(shù)的開發(fā)。四氣門技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)體積效率，降低進(jìn)、排氣的泵氣損失，噴油器面向氣缸中央布置。從2000年起，為了追求更低的排放和削減CO2排放，采用了對燃燒更有利的發(fā)動(dòng)機(jī)四氣門技術(shù)。基于四氣門技術(shù)的噴油器在氣缸中央布置，試圖使氣缸內(nèi)燃燒均勻化，就能減少碳煙和NOx排放。

3.2.2帶中冷器的渦輪增壓

渦輪增壓技術(shù)在預(yù)燃燒室時(shí)代已經(jīng)在小部分機(jī)型上得以應(yīng)用了，而日本由于山坡地段多，道路坡度大，所以，無增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更受歡迎。待到日本全國高速公路網(wǎng)建立和完善后，1981年日本首次銷售了方便長途行駛卡車用的配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，并且這種渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的市場銷售份額逐年增加。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與不帶中冷器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，能夠向氣缸內(nèi)引入大量空氣，可以同時(shí)提高功率與扭矩，屬于高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。并且，排放的碳煙及NOx少，同時(shí)燃料消耗率也低。1981年卡車用的大型無增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為15.0 L，而新渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排量減少至8.8 L。目前，增壓壓力從1981年的大氣壓的2.5倍達(dá)到大氣壓的3倍。2015年，大型柴油機(jī)上的兩級(jí)增壓已實(shí)用化，今后增壓壓力還會(huì)增加，制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)也呈現(xiàn)增加趨勢。由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)零部件價(jià)格偏高，所以降低成本也是急待解決的問題。

3.2.3渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR系統(tǒng)

在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻的EGR不會(huì)增加排放的碳煙，能夠大幅度降低排放中的NOx。如果從渦輪前位取出EGR氣體，只依賴于高壓回路EGR，則通過排氣渦輪的排放氣體量減少，進(jìn)入空氣量減少，不能有效利用EGR氣體。因此，如果從渦輪后位取出EGR氣體，回流到壓氣機(jī)前的低壓回路與EGR并用，則能確保EGR的氣體量，降低燃油消耗率，從而大幅度降低排放中的NOx。

3.3 結(jié)構(gòu)零件的強(qiáng)化

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于向氣缸內(nèi)引進(jìn)較多空氣進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒，所以氣缸內(nèi)的最大壓力(pmax)高，約為無增壓發(fā)動(dòng)機(jī)pmax的2倍。因此，需要根據(jù)pmax提高氣缸蓋、機(jī)體、氣缸蓋螺栓、進(jìn)、排氣門，活塞與活塞環(huán)組、活塞銷、連桿、曲軸、缸蓋密封墊片等零件的強(qiáng)度與耐用性，提高軸承、軸瓦(滑動(dòng)軸承)的屈服強(qiáng)度，尤其要提升活塞強(qiáng)度，因?yàn)樵诟咴鰤夯瘲l件下pmax與熱負(fù)荷高。所以，有必要將其材質(zhì)由鋁合金變更為鋼材及球墨鑄鐵等高強(qiáng)度材料。歐美國家的眾多大型發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)向鋼制活塞過渡了。

3.4 排氣后處理系統(tǒng)

在執(zhí)行2005年的排放法規(guī)時(shí)，PM限值從0.18 g/(kW·h)降低至0.027 g/(kW·h)。各企業(yè)也安裝了DPF。與此同時(shí)，NOx限值也被調(diào)低，并出現(xiàn)了在大型柴油機(jī)上安裝SCR的企業(yè)。此外，在中型卡車方面，也有采用燃料SCR的企業(yè)。2016年的排放法規(guī)限值中規(guī)定PM為0.01 g/(kW·h)，NOx為0.4 g/(kW·h)，這時(shí)的排氣后處理裝置，必須安裝DOC及DPF。作為降低NOx催化器，必須安裝尿素SCR，燃料SCR，NOx吸附還原催化器或LNT等。今后的排氣后處理裝置性能還要進(jìn)一步提高。

4 測試技術(shù)

4.1 空氣流動(dòng)、燃油噴射、氣缸內(nèi)壓力

圖6示出影響柴油機(jī)燃燒和性能的各個(gè)因素。其中，空氣流動(dòng)與燃油噴射對柴油機(jī)燃燒性能影響最大。隨著共軌式燃油噴射系統(tǒng)及多次噴射的普及，燃油噴射率的計(jì)測方法正在從Bosch方式向Zeuch方式過渡。為把握燃燒狀態(tài)，必須測量氣缸內(nèi)壓力。上世紀(jì)70年代，開發(fā)了應(yīng)變儀、真空管式指示器(示壓器)等。其中，響應(yīng)性與耐用性優(yōu)異的壓電式成為了主流。主要是在W-T Lyn的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)示功圖，計(jì)算熱釋放系數(shù)。

圖6 與柴油機(jī)燃燒有關(guān)的各因素

上世紀(jì)70年代，開發(fā)了適用激光作為光源的各種噴霧特性(燃油霧化)的測試方法。開發(fā)了測試噴霧周邊區(qū)域的粒子直徑及速度的光散射法，以及根據(jù)瞬時(shí)攝影照片的分析，測量油霧內(nèi)全部粒子的平均直徑。此外，根據(jù)雙相誘導(dǎo)熒光法(Exciplex法)，分離蒸發(fā)油霧內(nèi)的液相與氣相，從而進(jìn)行測量。

4.2 碳煙、PM、NOx

用激光作為光源，對發(fā)動(dòng)機(jī)柴油火焰內(nèi)的碳煙濃度，以及羥基(OH)濃度等進(jìn)行了圖像計(jì)測，進(jìn)行了碳煙的生成及氧化的相關(guān)研究。此外，根據(jù)由火焰內(nèi)的熱遷移采樣顆粒的電子顯微鏡圖像的分析，碳煙的各種尺寸與形態(tài)已經(jīng)定量化了。

上世紀(jì)70年代開始執(zhí)行柴油機(jī)排放法規(guī)，根據(jù)氣體抽樣法與雙色法，能夠定量地測量氣缸內(nèi)的碳煙與NOx的生成與清除的過程(圖7)。隨著排放法規(guī)的強(qiáng)化，廢氣排放測量精度與可靠性飛速發(fā)展。按試驗(yàn)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣中的氣體成份可依照使用了稀釋風(fēng)道的抽樣袋方式進(jìn)行測量。DPF中捕集的顆粒物要稱量測量。在歐洲，規(guī)定了按個(gè)數(shù)計(jì)測顆粒物的法規(guī)，顆粒物個(gè)數(shù)計(jì)量裝置成為了標(biāo)準(zhǔn)裝備。

圖7 基于氣體抽樣法與雙色法的直接噴射式柴油機(jī)內(nèi)的燃燒的計(jì)測

作為實(shí)際行駛時(shí)的排放物測量方法，輕便型排放測量裝置(PEMS)成為其必備的裝置，并且車載型排放測試裝置正在開發(fā)。關(guān)于碳煙測量的PEMS、激光感應(yīng)音響法、帶電顆粒法、吸收光散射法等已經(jīng)上市銷售。美國加利福尼亞州規(guī)定市場銷售的柴油車要具備車載診斷系統(tǒng)(OBD)功能，有義務(wù)診斷排氣后處理裝置發(fā)生故障的情況，并對小型傳感器件進(jìn)行研發(fā)。

5 數(shù)值分析技術(shù)

圖6所示的數(shù)值分析技術(shù)中關(guān)于燃燒性能的各種現(xiàn)象為初始應(yīng)用，作為各因素對于功率、熱效率，及排放特性影響的分析，基于這些分析進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)而開展廣泛的應(yīng)用。通過數(shù)值分析技術(shù)，可以減輕由于發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)試制及反復(fù)試驗(yàn)產(chǎn)生的人力及成本的負(fù)擔(dān)，能夠進(jìn)行更迅速、合理的開發(fā)。

以往，根據(jù)試驗(yàn)的燃油噴射及油霧顆粒化，利用噴霧熱傳遞方式等分析手段。隨著上世紀(jì)70年代電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及其性能的飛躍性提高，至今，與燃燒有關(guān)的數(shù)值計(jì)算方法的優(yōu)化已取得很大進(jìn)展。此外，以激光等光學(xué)計(jì)測為首的各種計(jì)測方法的進(jìn)步，被有效地運(yùn)用于分析結(jié)果的驗(yàn)證。

5.1 熱力學(xué)模型及現(xiàn)象論模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒分析的最重要目的是預(yù)測熱釋放系數(shù)(或者燃燒率)及燃燒壓力，從而可以求出熱效率及BMEP、振動(dòng)、噪聲等性能。在電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期階段，通過任意的熱釋放系數(shù)特性曲線以預(yù)測性能的“熱力學(xué)模型”被廣泛地采用了。然后，從上世紀(jì)70年代后半期到80年代，提出了將燃油噴霧劃分為多個(gè)區(qū)域，非穩(wěn)態(tài)地模擬了多個(gè)區(qū)域引入空氣的各種“現(xiàn)象論的模型”。由此，進(jìn)氣與燃油噴射系統(tǒng)的因素，可以初步地進(jìn)行各種運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)計(jì)條件的評價(jià)。

5.2 三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)燃燒模型

大多數(shù)現(xiàn)象論模型應(yīng)用了在穩(wěn)態(tài)噴射中所得到的經(jīng)驗(yàn)，由于物理、化學(xué)理象的描述并不充分，以至于上世紀(jì)80年代初期，CFD模型問世了。在此模型中，以工作氣體為對象，在歐拉坐標(biāo)(系)中，設(shè)置適當(dāng)尺度的網(wǎng)格，并離散求解質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)量、能量的守恒方程式的方法。而且，通常是運(yùn)用適當(dāng)?shù)氐奈闪髂Ｐ停媚軌蛉菰S的計(jì)算速度，求出整體平均化的解的方法。在這種CFD模型中，由于能夠定量地再現(xiàn)進(jìn)、排氣系統(tǒng)及氣缸內(nèi)的氣體流動(dòng)特性，在如今的設(shè)計(jì)階段被作為有用的工具廣泛使用。

另外，噴射燃料顆粒化、進(jìn)而分散噴霧的運(yùn)動(dòng)，用拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程式描述，該運(yùn)動(dòng)方程式是采用了在上述各網(wǎng)格內(nèi)蒸發(fā)后，與氣體混合產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)過程的燃燒仿真法，并獲得有效驗(yàn)證。

5.3 今后的發(fā)展

對于上述的守恒方程式，由于網(wǎng)格條件的制約原因，表征隨著時(shí)間變化的紊流而產(chǎn)生的某種規(guī)模以上的渦流及周期性變動(dòng)的大型渦流仿真(LES)方法，以及最終不運(yùn)用紊流模型求解的直接數(shù)值仿真方法也在嘗試之中。

利用模型試驗(yàn)進(jìn)行更詳細(xì)的研究，作為必要的子模型的研究對象實(shí)例，諸如由顆粒群組成的燃油噴霧的動(dòng)態(tài)特性，與噴霧及氣體流動(dòng)接近的燃燒室壁面的邊界層以及非穩(wěn)定傳熱特性，受傳熱特性支配的熱損失解析。此外，還有諸如與復(fù)雜的燃料成份有關(guān)的詳細(xì)反應(yīng)的特定與簡化，產(chǎn)物前身及晶核形成、凝聚，包括氧化的碳煙顆粒的生成等。而且，有必要追求包括超高壓分散噴射以及預(yù)混合燃燒的新型燃燒理念的可行性研究。

另一方面，從發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)現(xiàn)場看，也迫切期待通過上述模型的簡單化及高速化建模，實(shí)施綜合性能評價(jià)，并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配與控制的模型庫方法的開發(fā)。

綜上所述，如圖8所示，預(yù)計(jì)今后會(huì)追求滿足以上需求的多種可行方法。此外，在此省略了包括發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及關(guān)于摩擦學(xué)領(lǐng)域的說明。不過，在這些領(lǐng)域，也可看到數(shù)值解析技術(shù)的大幅進(jìn)展。

圖8 柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的模型試驗(yàn)的應(yīng)用與作用

6 企業(yè)、學(xué)校、政府聯(lián)合研究體制

作為全球的校企聯(lián)合研究的典型實(shí)例，于1956年以德國為中心設(shè)立的FVV，引領(lǐng)了全球內(nèi)燃機(jī)的研究潮流。因此，歐洲的研究院及研究顧問(咨詢)公司的內(nèi)燃機(jī)研究技術(shù)水平較高。另一方面，日本的汽車企業(yè)向歐洲、美國的研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)財(cái)務(wù)投入大量資金，維持了其技術(shù)水平。不過，日本的研究院所只是單獨(dú)進(jìn)行零碎的研發(fā)及接受委托研究。在此，主要考察了與柴油機(jī)有關(guān)的日本的企業(yè)、學(xué)校、政府聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展。

6.1 新燃燒系統(tǒng)研究所(新ACE)

1987年，在當(dāng)時(shí)的通產(chǎn)省主持下，在日本汽車研究所(JARI)內(nèi)，設(shè)立了新ACE(NACE)，其目的主要是實(shí)現(xiàn)日本的大型柴油機(jī)商用車的高效率和清潔化。日本國內(nèi)的柴油車企業(yè)、零件生產(chǎn)商、政府分別投入資金，通過燃油噴射系統(tǒng)的改良(高壓化及小直徑噴油孔等)，實(shí)現(xiàn)燃油耗的大幅降低及清潔化的推廣。為了繼承其研究成果，以包括小型轎車用柴油機(jī)的進(jìn)一步高效化與清潔化為目標(biāo)，于1992年設(shè)立了NACE，其研究工作延續(xù)至今。

6.2 汽車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)組合(AICE)

AICE于2014年4月設(shè)立，參與成員由日本9家汽車企業(yè)與2家研究機(jī)構(gòu)組成，日本國內(nèi)零部件制造商也作為贊助成員。目前，約有40家公司參與研發(fā)工作，研究委托方與FVV一樣，主要是日本國內(nèi)的研究院所。

2009年，在汽車技術(shù)會(huì)內(nèi)的汽車企業(yè)由于對歐洲發(fā)展態(tài)勢普遍具有危機(jī)感，致使非競爭領(lǐng)域的企業(yè)財(cái)團(tuán)開始了討論并形成2大流派，一個(gè)是柴油機(jī)排氣后處理流派，另一個(gè)是汽油機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流派，將這兩個(gè)流派歸結(jié)為一個(gè)流派，是AICE的建立的初衷。目前，受到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的補(bǔ)助金資助項(xiàng)目名為“關(guān)于清潔型柴油機(jī)技術(shù)的深入研究開發(fā)”的委托，作為柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)的高端研究，AICE正在推進(jìn)6個(gè)研究課題的研究。

6.3 創(chuàng)新的燃燒技術(shù)

戰(zhàn)略意義的技術(shù)創(chuàng)新推進(jìn)計(jì)劃(SIP)是2014年由日本內(nèi)閣府著手制定的為實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，企業(yè)、學(xué)校、政府聯(lián)合開展攻關(guān)的國家級(jí)5年計(jì)劃。為提高日本的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)實(shí)力，選擇了11項(xiàng)重要的課題，其中之一為“創(chuàng)新的燃燒技術(shù)”(即SIP創(chuàng)新燃燒)。

SIP創(chuàng)新燃燒的課題以提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率為目標(biāo)，并預(yù)計(jì)到2040年，全球轎車用動(dòng)力系統(tǒng)的主流仍是內(nèi)燃機(jī)。并將實(shí)現(xiàn)轎車用內(nèi)燃機(jī)的最大熱效率50%(目前為39%左右)的目標(biāo)，并將為增強(qiáng)日本今后的汽車工業(yè)的競爭力。SIP計(jì)劃完成后還要培養(yǎng)出世界頂尖水平的內(nèi)燃機(jī)研發(fā)人員，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)、學(xué)校聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，首先從內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)科學(xué)到工業(yè)技術(shù)取得研究成果，并促成其成果的產(chǎn)業(yè)化，為提高日本的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)實(shí)力做出貢獻(xiàn)。

SIP創(chuàng)新燃燒設(shè)置有汽油機(jī)燃燒、柴油機(jī)燃燒、控制、降低損失等4個(gè)研究小組。此外，作為眾多研究人員可以有效利用的共用研究基地，即開放實(shí)驗(yàn)室的建立也在推進(jìn)中，柴油機(jī)燃燒研究小組用開放實(shí)驗(yàn)室設(shè)置在堀場制作所場地內(nèi)，準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行中。

7 結(jié)語

縱觀汽車用動(dòng)力源近百年的發(fā)展史，今天的柴油機(jī)是技術(shù)研發(fā)中產(chǎn)生的優(yōu)良技術(shù)與最近努力相結(jié)合的產(chǎn)物，但內(nèi)燃機(jī)技術(shù)仍有開發(fā)潛力。

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