兼顾驾驶愉悦性与环保性能的清洁型柴油机

【日】 片岡一司 鐵野雅之 林原寛 山田薫 旗生篤弘

0 前言

近年来，随着汽车用户对降低燃油耗的意识不断增强，各汽车制造商陆续在汽油机上应用稀燃、涡轮增压、小型化等发动机技术，以改善其燃油经济性，同时不断推进混合动力车的低成本化研究。另一方面，对柴油机的燃烧过程也在不断进行改进，但为了满足严格的排放法规要求，一直以来所采用的高性能喷油系统及排气后处理系统等技术均存在成本偏高的问题。为此，马自达公司推出了清洁型柴油机Skyactiv-D 2.2L机型，配装车辆后，除了具有高热效率、良好的燃油经济性，以及理想的驾驶性能外，还能在不采用氮氧化物（NOx）后处理装置的前提下，满足当前严格的排放法规要求，达到降低成本的开发目标。

1 技术理念

所谓“提高内燃机的效率”，就是降低发动机排气损失、冷却损失、泵气损失，以及摩擦损失等各项损失。降低这些损失的可控因素可归纳为压缩比、比热比、燃烧持续期、燃烧定时、气缸壁面热传递、进排气行程压力差及机械阻力，而使这些可控因素接近于理论值将直接关系到发动机效率的改善。

马自达公司的新一代清洁型柴油机（即Skyactiv-D 2.2L柴油机）的开发重点就是着力改善上述可控因素中明显偏离理想状态的燃烧持续期、燃烧定时，以及机械阻力（摩擦损失）。为此，研究人员选择低压缩比与高效率涡轮增压相结合的技术理念（图1）。由于首次在柴油机上应用14.0的低压缩比，改善了燃油与空气的混合，并且，高效率的涡轮增压系统在确保大流量废气再循环（EGR）与空气量的同时，利用低温稀薄燃烧，大幅降低了NOx排放，从而可在不使用高成本NOx后处理装置的前提下，满足严格的排放法规要求。此外，由于采用低压缩比，降低了燃烧压力，实现了轻量、低刚性的发动机结构，大幅降低了摩擦损失。这些措施与燃烧定时优化技术相结合后，使新机型的燃油经济性相比传统机型改善约20%（图2）。同时，相比传统柴油机，新机型实现了高转速，最终使车辆兼顾了强劲的加速性能与愉悦的驾驶性能（图3）。

2 实现低压缩比的技术

降低柴油机压缩比的最大障碍是在极寒冷环境下的起动性能与着火性能。在开发Skyactiv-D柴油机时，利用以下技术解决了上述课题：（1）运用高性能的压电式喷油器，实现喷射间隔极短的多次预喷射，增加了可燃混合气；（2）采用两级涡轮增压系统，改善低排气能量条件下的增压性能；（3）采用2次开启排气门的方式，使部分高温排气向缸内回流，从而提高压缩终了温度。

3 其他应用技术

3.1 新型预混合燃烧概念

传统的预混合压缩着火（PCI）燃烧方式是利用大流量EGR确保较长的着火延迟期，使预混合气稀化，以抑制碳烟的生成。本次开发应用低压缩比的进气温度及喷油可控的预混合压缩着火（ITIC-PCI）燃烧方式，可以在不过度依赖于EGR的条件下确保着火延迟期，利用剩余的氧帮助着火后的碳烟氧化。因此，即使在预混合时间较短的上止点附近喷油，也能实现不生成碳烟的燃烧，使基于喷油定时控制着火定时的PCI燃烧成为可能（图4）。

3.2 蛋形燃烧室

采用蛋形燃烧室，以充分利用因低压缩比而扩大的燃烧室空间，改善燃油与空气的混合，降低中高负荷工况下的碳烟排放，并缩短燃烧持续期（图5）。

4 结语

为了获得接近于理想状态的发动机燃烧，Skyactiv-D 2.2L柴油机以低压缩比14.0为关键技术，解决了传统柴油机燃烧中无法克服的技术难题，在降低成本的同时，实现了车辆行驶性能、燃油经济性，以及排放性能之间的高度平衡。该新机型从2012年起配装于马自达公司新车型后陆续进入日本、欧洲各国及其他市场。