关于汽车柴油机技术的发展趋势漫谈

许钥　蔡冬维　蔡正斌

随着科技的进步，柴油机的开发焦点已由传统的优先考虑经济性、可靠性和耐久性逐步转为目前的优先考虑环保的要求，即以优先保护好人类赖以生存的地球环境为出发点去考虑采用何种技术，去评价其先进性。

优先考虑柴油机排放、噪声对环境的影响问题，与过去相比也有不同，就是在满足目前对排气污染物、颗粒排放及噪声的限制要求时，不再以牺牲经济性、动力性和比质量等为代价，而是在达到上述目标的同时使产品具有可竞争的商业价格。欧洲一些公司近年或稍后将继续推出能满足环境要求的百公里油耗为3L的柴油机。

一、现今技术发展状况

目前，世界各国对车用柴油机研究的主要方向是排放控制，其中最为关心的是NOx和微粒物排放。NOx和微粒物的排放是相互折衷的关系，即很难同时降低这两种污染物。同时，在燃油经济性方面，柴油机的燃油耗与排放，尤其是与NOx排放方面也存在着折衷的关系。对于这两个折衷问题，目前已采用了控制喷油定时、提高喷油压力、采用增压中冷、改进燃烧室设计、采用废气再循环（ EGR） 和氧化催化转化器，以及包括降低摩擦和泵气损失等多项技术在内的力求改进发动机整体设计的其他技术，并一直在努力开发新的技术。

现代柴油机已开始采用直喷式燃烧室、4气门、高压喷射、电控、涡轮增压和中冷、可变截面涡轮、EGR、以及氧化催化器等先进技术，使柴油机的燃油经济性和排放性能得到明显的改善和提高，并已完全可以满足目前的欧Ⅲ排放限值的要求。

二、车用柴油机技术的发展趋势

1.进一步优化燃烧系统，特别重视开发和选择喷射系统

Perkins公司的Ouadram燃烧室、日野公司的HMMS燃烧室，小松公司的MTEC燃烧室及五十铃公司的四角形燃烧室等，都在试验开发阶段，其基本特点是由一个中央涡流及四周的微涡流使空气燃料快速而充分地混合，并配合以合适的燃油喷射系统。

目前，喷射系统已进入一个较快的发展时期，现正在研究开发lms内完成一次喷射，并在有限时间内正确控制喷射量的方法。喷射压力已提高到160—180MPa，实验室内已到200 MPa。如共轨式喷射系统及分段预喷射系统等，可根据发动机的负荷与转速自动控制合理的喷射规律和喷油压力。

2.增压及可变气门配气定时

当今柴油机增压和增压中冷已成为标准特点，随着发动机的轻量化与小型化，为了降低车辆油耗，提高车辆装载效率，必须继续提高增压比及增压器效率。在进一步提高大负荷区的过量空气系数a时可以减少颗粒排放，同时通过稀燃化，减少热损失，提高循环效率，进而同时降低油耗，随着高增压和高a化，组装有多个增压器的复合系统已成为可能。另外，增压器固定的涡轮几何形状也将由可用于多用途的电控可变几何形状所取代。

目前，在小缸径柴油机上4气门和喷油嘴垂直中置技术得到广泛的应用，为了减少换气损失，使混合气的形成进一步优化，现正在研究采用可变气门配气定时，从而使发动机在整个转速范围内的气门升程和定时得到最佳优化。

3.全电子优化控制

如前所述，目前对燃油喷射时间、喷射量、惯性增压、增压器、进气涡流及废气再循环（EGR）等都能实现电子优化的可变控制，从而对降低排放、减少油耗、提高输出功率和启动性能等有很大作用；但是，这些控制中的多半内容，如EGR、自动诊断等，还有很多技术不够完善，有待进一步研究和开发，今后还将继续开发其它方面的电子可变控制机构，尤其是与整车相协调统一的综合化的全电子控制系统。

4.改进燃料

燃料性能的改进，对减少排放起到很大作用，日本继美欧之后，从1997年开始把轻油中的硫含量降到0.05%以下，以此大幅度减少排放颗粒中的硫酸盐，同时减少EGR造成的发动机内部的腐蚀磨耗及催化剂中毒；进一步减少硫含量，提高十六烷值，可进一步降低NOx。减少芳香烃，尤其是减少3环以上的芳香族成分，可减少排放颗粒中的硫化物、降低90%的蒸馏温度、改进点火性能；通过使用含氧燃料或添加剂，可降低黑烟颗粒。为了适应低硫化及喷射压力的大大增加，确保燃油喷射装置的润滑性，人们对燃料的改进开发寄予了很大期望。

5.代用燃料

随着世界能源危机和环境污染问题的日趋严重，寻找一种更清洁的替代石油的原料已势在必行。经过多年的研究试验，目前公认天然气是21世纪的首选替代燃料。美国一些学者认为天然气发动机汽车是与电动车相媲美的清洁能源动力车。日本研究表明，天然气汽车在环境保护、石油燃料替代及实用性等方面有着无可比拟的优点。近年来，天然气发动机、包括柴油与天然气的双燃料发动机发展很快，目前，全世界有几百万辆天然气或双燃料汽车在运行，预计到2010年，全球将有1/3的国家使用天然气汽车。正如人类本世纪初从固体燃料向液体燃料过渡一样，如今已开始从液体燃料向气体燃料过渡，从而将提高整个能源系统的效率和清洁性。

6.排气后处理技术

柴油机能否像汽油机那样使用催化剂大幅度减少排放，尤其是NOx，这是柴油机研制者一直追求的目标。日美欧现都在对此进行研究，日本有关大学、研究所和厂家正在对沸石镁及氧化铝的催化剂上用还原剂进行NOx还原试验，美国福特等公司也正在对催化还原系统（SCR）及DeNOx，催化器两种NOx还原系统进行研究。

三、总结

现代柴油机在采用了直喷式燃烧室、4气门、高压喷射、电控、涡轮增压和中冷、可变截面涡轮、EGR、以及氧化催化器等先进技术后， 使柴油机的燃油经济性和排放性能得到明显的改善和提高。新技术的应用使得柴油机已能够满足目前的欧Ⅲ排放限值的要求。

新近推出的在2004年实施的欧Ⅳ排放标准，在NOx、CO、HC 以及微粒等排放限值要求上都有大幅度的提高。有些国家已经开始对燃油耗进行严格的限制， 对过高的燃油耗以税金的方式进行处罚。因此，未来柴油机技术的研究重点是进一步降低柴油机排放和提高其燃油经济性。电控技术在柴油机上的应用将更加广泛和深入。将有越来越的柴油机应用高压共轨燃油系统。

新概念燃烧理论的突破为柴油机燃烧新技术的出现和应用奠定了基础， 并有可能使柴油机排放水平提高到一个崭新的高度。燃油品质的提高及新型的代用燃料会进一步改善柴油机的排放， 并为柴油机排气后处理技术的应用提供了条件。而更加严格的排放法规使排气后处理技术的应用具有了一定的可能性和必要性。

参考文献

[1]马成权，邹吉平.缸内喷注技术未来汽车发动机的主流.辽宁省交通高等专科学校学报，2002，4（1）.

[2]汪卫东.车用柴油机的技术及发展方向.汽车技术，2004，（2）.

[3]杨靖.汽车发动机发展中的几点认识.安徽工学院学报（增刊），1994.

[4]何林华.车用柴油发动机的发展趋势.客车技术与研究，2004，26（3）.

（作者单位：江苏江淮动力股份有限公司）

作者简介

许钥，男，1984.10.21，江苏省盐城市，本科。江苏江淮动力股份有限公司，产品研发工程师，研究方向：柴油机产品设计及工业设计