受溫室氣體排放減少和汽車燃料消耗改善要求的影響，日本國(guó)內(nèi)從2018年開始對(duì)總質(zhì)量為3.5~7.5噸的中型汽車實(shí)施廢氣排放法規(guī)。近年來，對(duì)柴油機(jī)的技術(shù)開發(fā)工作重點(diǎn)是改善燃燒過程，同時(shí)采用新的燃燒方式，減少廢氣排放和燃料消耗。除了開發(fā)新型柴油機(jī)及廢氣后處理技術(shù)外，對(duì)后處理裝置的優(yōu)化也是必不可少的。以2018年日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)新型柴油機(jī)研究成果為例，說明了汽車用柴油機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)動(dòng)向。

零前綴

日本國(guó)內(nèi)從2016年開始對(duì)總質(zhì)量超過3.5噸的重型貨車實(shí)施同年制定的廢氣排放法規(guī)。從2018年開始，總質(zhì)量為3.5~7.5 t的重型貨車也開始逐步實(shí)施2016年制定的排放法規(guī)。目前，日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已經(jīng)推出了新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。該新型機(jī)型采用小型化等先進(jìn)技術(shù)，在滿足排放法規(guī)要求的同時(shí)，充分滿足了2015年重型汽車燃料消耗標(biāo)準(zhǔn)。研究人員利用全球統(tǒng)一輕型汽車試驗(yàn)周期(WLTC)工程方法，對(duì)轎車進(jìn)行了排放試驗(yàn)。同時(shí)，馬自達(dá)還銷售了能夠充分滿足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)布了多種能夠滿足歐洲6d排放標(biāo)準(zhǔn)的商用車柴油機(jī)，但目前很少出現(xiàn)新型轎車柴油機(jī)。

在北美，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商關(guān)于2017年聯(lián)邦溫室氣體排放法(GHG17)的研發(fā)ampd操作成功完成。

1日本國(guó)內(nèi)柴油機(jī)市長(zhǎng)/市場(chǎng)趨勢(shì)

1.1市長(zhǎng)/市場(chǎng)概述

1.1.1轎車柴油機(jī)

馬自達(dá)公司公布并銷售了S8-DPTS型1.8 L柴油機(jī)。該型號(hào)安裝在CX-3車型上，以取代現(xiàn)有的1.5 L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.1.2商用車柴油機(jī)

隨著質(zhì)量為3.5~7.5 t的重型貨車于2016年開始實(shí)施排放法規(guī)，50種公司向市場(chǎng)公布了安裝在Elf車型上的4JZ1型柴油機(jī)。三菱胡山汽車推出了安裝在Fighter車型上的4V20型柴油機(jī)。

1.2新型柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

2018年日本國(guó)內(nèi)銷售的新型柴油及技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 2018年日本銷售的新型柴油和技術(shù)參數(shù)

1.2.1馬自達(dá)

馬自達(dá)推出了S8-DPTS型1.8 L直列四缸柴油機(jī)(圖1)。該模型安裝在馬自達(dá)CX-3車型上，旨在改善實(shí)際燃料消耗和整機(jī)排放，將柴油機(jī)排放從1.5 L增加到1.8 L，采用反應(yīng)性高的多噴霧壓電型噴油器和單級(jí)變截面渦輪增壓器等設(shè)備，使柴油機(jī)在高速工作條件下具有高扭矩輸出。

圖1馬自達(dá)的S8-DPTS柴油機(jī)

1.2.2 50貝爾公司

ISS公司推出了4JZ1型3.0 L直列四缸柴油機(jī)(圖2)。該模型安裝在Elf模型上，研究人員重點(diǎn)對(duì)氣缸體、氣缸蓋等主要部件進(jìn)行改造，采用可變排氣門和智能噴霧精度補(bǔ)償技術(shù)，可以準(zhǔn)確控制燃油噴射量。此外，該型號(hào)還使用柴油機(jī)微粒處理器(DPD)和SCR系統(tǒng)。通過這種技術(shù)調(diào)整，該模式在遵守2016年排放規(guī)定的同時(shí)，可能比2015年燃料消耗標(biāo)準(zhǔn)要求高出約10%。

圖250貝爾公司的4JZ1柴油機(jī)

1.2.3三菱胡桑卡巴士公司

三菱胡山卡客車推出了4V20型3.9 L直列4缸柴油機(jī)(圖3)。該機(jī)型安裝在Fighter車型上，采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)提高了燃燒效率。使用高精度冷卻EGR系統(tǒng)，可以減少氮氧化物(NOx)，安裝帶有排氣旁通閥的渦輪增壓器，從而精確控制加壓壓力。與重型燃料消耗標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求相比，該機(jī)型的燃料消耗可能減少5%。

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圖3 三菱扶?？蛙嚬镜?V20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。

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。

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)

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。

圖5 Jaguar公司的AJ200D型柴油機(jī)

2.2 Cummins公司

Cummins公司的ISBHO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)。

圖6 Cummins公司的ISBHO型柴油機(jī)

2.3 Ford公司

Ford公司PowerStroke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。

圖7 Ford公司的PowerStroke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 EcoBlue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。

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。

圖9 MAN公司的D15型柴油機(jī)

2.5 Volvo公司

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10 Volvo公司的D11型柴油機(jī)

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。

注：本文發(fā)表于《汽車與新動(dòng)力》雜志2020年第3期

作者：[日] 杮原知明

整理：彭惠民

編輯：伍賽特