車用柴油機(jī)技術(shù)動(dòng)態(tài)回顧

【日】 杮原知明

0 前言

日本國(guó)內(nèi)從2016年起對(duì)總質(zhì)量超過3.5 t的重型貨車開始執(zhí)行于同年制定的廢氣排放法規(guī)。從2018年起，對(duì)總質(zhì)量為3.5～7.5 t的重型貨車也開始逐步實(shí)施于2016年制定的排放法規(guī)。目前，日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已有新型柴油機(jī)發(fā)布。該類新機(jī)型采用了小型化等先進(jìn)技術(shù)，在符合排放法規(guī)要求的同時(shí)，也充分滿足了2015年的重型汽車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員采用全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)工況法對(duì)乘用車進(jìn)行了排放試驗(yàn)。同時(shí)，馬自達(dá)公司也銷售了可充分滿足WLTC排放標(biāo)準(zhǔn)的新型柴油機(jī)。

在歐洲地區(qū)，汽車制造商發(fā)布了多款可滿足歐6d排放標(biāo)準(zhǔn)的商用車柴油機(jī)，但目前少有新款乘用車柴油機(jī)得以發(fā)布。

在北美地區(qū)，各柴油機(jī)制造商針對(duì)2017年聯(lián)邦溫室氣體排放法規(guī)(GHG17)而開展的研發(fā)工作已順利完成。

1 日本國(guó)內(nèi)柴油機(jī)的市場(chǎng)動(dòng)向

1.1 市場(chǎng)概況

1.1.1 乘用車柴油機(jī)

馬自達(dá)公司發(fā)布并銷售了S8-DPTS型 1.8 L柴油機(jī)。該機(jī)型配裝于CX-3車型，以替代傳統(tǒng)的1.5 L柴油機(jī)。

1.1.2 商用車柴油機(jī)

在質(zhì)量為3.5～7.5 t的重型貨車開始實(shí)施2016年排放法規(guī)的同時(shí)，五十鈴公司向市場(chǎng)發(fā)布了配裝于Elf車型的4JZ1型柴油機(jī)；三菱扶桑卡客車公司則推出了配裝于Fighter車型的4V20型柴油機(jī)。

1.2 新型柴油機(jī)的技術(shù)特征

2018年在日本國(guó)內(nèi)銷售的新型柴油機(jī)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2.1 馬自達(dá)公司

馬自達(dá)公司推出了S8-DPTS型1.8 L直列4缸柴油機(jī)(圖1)。該機(jī)型配裝于馬自達(dá)CX-3車型，以改善實(shí)際燃油耗及整機(jī)排放為重點(diǎn)研究目標(biāo)，將柴油機(jī)排量由1.5 L增至1.8 L，采用了具有較高響應(yīng)性的多噴孔壓電型噴油器及單級(jí)可變截面渦輪增壓器等設(shè)備，使柴油機(jī)在高速工況區(qū)具有較高的扭矩輸出[1]。

1.2.2 五十鈴公司

五十鈴公司推出了4JZ1型 3.0 L直列4缸柴油機(jī)(圖2)。該機(jī)型配裝于Elf車型，研究人員重點(diǎn)對(duì)缸體、氣缸蓋等主要零部件進(jìn)行了改造，并采用可變排氣門及智能噴油精度修正技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射量的精準(zhǔn)控制。同時(shí)，該機(jī)型還采用了柴油機(jī)顆粒處理器(DPD)與SCR系統(tǒng)。通過上述技術(shù)調(diào)整，該機(jī)型在滿足2016年排放法規(guī)的同時(shí)，相比2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)要求可超出約10%[2]。

1.2.3 三菱扶桑卡客車公司

三菱扶桑卡客車公司推出了4V20型3.9 L直列4缸柴油機(jī)(圖3)。該機(jī)型配裝于Fighter車型，采用了共軌式燃油噴射系統(tǒng)以改善燃燒效率；通過采用高精度冷卻的EGR系統(tǒng)，以降低氮氧化物(NOx)，同時(shí)還配備有帶廢氣旁通閥的渦輪增壓器，以精確地控制增壓壓力。相比重型汽車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，該機(jī)型的燃油耗可降低5%[3]。

表1 2018年在日本國(guó)內(nèi)銷售的新型柴油機(jī)及技術(shù)參數(shù)

圖1 馬自達(dá)公司的S8-DPTS型柴油機(jī)

圖2 五十鈴公司的4JZ1型柴油機(jī)

圖3 三菱扶桑卡客車公司的4V20型柴油機(jī)

1.2.4 豐田公司

豐田公司推出了2GD-FTV型2.4 L直列4缸柴油機(jī)(圖4)，該機(jī)型配裝于Hilux車型，并采用可變噴嘴式渦輪增壓器、空冷式內(nèi)部冷卻器、共軌式燃油噴射系統(tǒng)等設(shè)備，具有強(qiáng)勁的動(dòng)力性能。此外，研究人員為該機(jī)型配裝了柴油機(jī)顆粒主動(dòng)還原裝置(DPR)及SCR系統(tǒng)，以改善其尾氣排放。同時(shí)，研究人員還通過一系列技術(shù)手段降低整機(jī)摩擦，從而改善了燃油經(jīng)濟(jì)性[4]。

圖4 豐田公司的2GD-FTV型柴油機(jī)

2 世界各國(guó)的汽車市場(chǎng)動(dòng)向

2018年在日本海外銷售的新型柴油機(jī)及技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.1 Jaguar公司

Jaguar公司的AJ200D型柴油機(jī)是采用了平衡軸、滾子軸承凸輪軸、電子控制式機(jī)油泵及電子控制式水泵等設(shè)備的高效率機(jī)型(圖5)，并與2016年上市的AJ200P型汽油機(jī)共用了約30%的零部件。研究人員在AJ200D型柴油機(jī)上配裝了兩級(jí)渦輪增壓器，力求兼顧較高的輸出功率與較低的燃油耗。該機(jī)型現(xiàn)已配裝于乘用車及運(yùn)動(dòng)型多用途車(SUV)并成功上市銷售[5]。

表2 2018年在日本海外銷售的新型柴油機(jī)及技術(shù)參數(shù)

圖5 Jaguar公司的AJ200D型柴油機(jī)

2.2 Cummins公司

Cummins公司的ISB HO型6.7 L 直列6缸柴油機(jī)配裝于FCA公司的RAM型客貨兩用車。該機(jī)型采用長(zhǎng)裙式結(jié)構(gòu)的CGI氣缸體，并優(yōu)化了活塞設(shè)計(jì)(圖6)。同時(shí)，該機(jī)型采用了低摩擦活塞環(huán)、鍛造連桿，并增大了氣缸蓋螺栓的直徑，通過提高冷卻能力及增加機(jī)油泵排油量等措施以實(shí)現(xiàn)高功率。研究人員重新調(diào)整了該機(jī)型的燃油噴射系統(tǒng)，優(yōu)化了高壓燃油噴射泵與噴油器，從而實(shí)現(xiàn)了最高200 MPa的噴油壓力。除此之外，研究人員對(duì)該機(jī)型的渦輪增壓器也進(jìn)行了小幅改進(jìn)[6]。

圖6 Cummins公司的ISB HO型柴油機(jī)

2.3 Ford公司

Ford公司Power Stroke型3.0 L V型6缸柴油機(jī)采用了CGI氣缸體、鋁合金氣缸蓋、鍛造連桿及通過壓鑄方式制造的油底殼，由此可實(shí)現(xiàn)良好的靜音性(圖7)。同時(shí)，該機(jī)型還采用了高效率VGT、冷卻式EGR系統(tǒng)，通過壓電式噴油器可將最大燃油噴射壓力設(shè)定為200 MPa。該款柴油機(jī)配裝于Ford公司的F-150型客貨兩用車，并成功上市銷售[7-8]。

圖7 Ford公司的Power Stroke型柴油機(jī)

Ford公司Bi-Turbo型2.0 L 直列4缸柴油機(jī)在2.0 L Eco Blue機(jī)型的基礎(chǔ)上配裝了兩級(jí)渦輪增壓器，大幅提高了輸出功率(圖8)。同時(shí)，該款雙渦輪增壓型柴油機(jī)已配裝至輕型客貨兩用車上，并成功上市銷售[9]。

圖8 Ford公司的Bi-Turbo型柴油機(jī)

2.4 MAN公司

MAN公司發(fā)布了配裝于城市客車的D15型9.0 L 直列6缸柴油機(jī)(圖9)。該機(jī)型以傳統(tǒng)的D20型柴油機(jī)為基礎(chǔ)，并進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)，可滿足歐6d級(jí)排放法規(guī)要求。小型化設(shè)計(jì)可有效改善燃油耗，相應(yīng)增加了車輛載客人數(shù)。同時(shí)，該機(jī)型采用冷卻水泵控制技術(shù)及可控制油溫的熱管理技術(shù)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)可提供最高250 MPa的燃油噴射壓力，并采用了無漏油現(xiàn)象的噴油器[10]。

圖9 MAN公司的D15型柴油機(jī)

2.5 Volvo公司

圖10 Volvo公司的D11型柴油機(jī)

Volvo公司為滿足歐6d級(jí)排放的法規(guī)要求，對(duì)配裝于該公司重型貨車的D11型柴油機(jī)(圖10)及D13型柴油機(jī)(圖11)進(jìn)行了改良。為滿足實(shí)際排放法規(guī)要求，研究人員對(duì)D11型柴油機(jī)的整機(jī)控制軟件進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)優(yōu)化了排氣后處理裝置的涂覆工藝。研究人員為D13型柴油機(jī)配備了低黏度機(jī)油，并對(duì)活塞油環(huán)進(jìn)行改進(jìn)以降低機(jī)體內(nèi)部摩擦，力求改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖11 Volvo公司的D13型柴油機(jī)

3 柴油機(jī)技術(shù)開發(fā)動(dòng)向

目前，社會(huì)各界對(duì)于柴油機(jī)降低溫室氣體(GHG)及尾氣排放的要求越來越高。為降低GHG排放，按照歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的要求，生物燃料已在歐美諸國(guó)以外的市場(chǎng)得以暢銷。此外，在人口老齡化趨勢(shì)嚴(yán)重的社會(huì)背景下，研究人員據(jù)此對(duì)汽車提出了互聯(lián)、智能、共享、電動(dòng)(CASE)的技術(shù)要求。

為了滿足社會(huì)各界對(duì)柴油機(jī)的綜合要求，研究人員對(duì)柴油機(jī)本體及零部件進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，由此擴(kuò)大了柴油機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，為降低GHG及廢氣排放，須進(jìn)一步改善燃燒過程。研究人員認(rèn)為，目前應(yīng)針對(duì)以下領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)工作：(1)柴油機(jī)硬件技術(shù)與燃油噴射系統(tǒng)的逐步優(yōu)化；(2)熱管理技術(shù)的進(jìn)一步強(qiáng)化；(3)柴油機(jī)控制系統(tǒng)的持續(xù)精準(zhǔn)化。

另一方面，柴油機(jī)的小型化對(duì)于降低GHG排放有著顯著功效，而柴油機(jī)負(fù)荷的逐步提高對(duì)于降低GHG排放會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。針對(duì)柴油機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)尤為重要，同時(shí)須考慮到熱管理技術(shù)對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的影響，進(jìn)而確保整機(jī)可靠性及耐久性。此外，為了有效降低實(shí)際行駛過程中的尾氣排放量，研究人員也應(yīng)對(duì)排氣后處理裝置進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

在商用車柴油機(jī)領(lǐng)域，降低用戶的初始投資成本及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用是1項(xiàng)核心要求。同時(shí)，研究人員在進(jìn)行技術(shù)開發(fā)時(shí)，須進(jìn)一步推進(jìn)柴油機(jī)性能的全面發(fā)展。