也论柴油轿车在国内市场的发展前景

韩同群

（湖北汽车工业学院，湖北十堰442002）

也论柴油轿车在国内市场的发展前景

韩同群

（湖北汽车工业学院，湖北十堰442002）

研究了世界范围内柴油机在乘用车领域内的应用现状，阐述了柴油机作为车用动力的优势。根据国内的政策环境与市场环境，分析了排放法规、柴油品质对市场的影响。根据对柴油轿车的性能要求，包括振动和噪声、排放等，分析了更适合我国轿车柴油机发展的技术路线，并重点对若干关键技术和难点进行了剖析。柴油机技术进步和市场化应用表明，柴油轿车在我国具有广阔的应用前景，政府和企业应做好政策和技术上的准备。

轻型柴油机；乘用车；排放法规；柴油品质；技术路线；国内市场

汽油机作为各种车用动力装置已有100余年的历史，而柴油机作为乘用车动力则是近十几年的事，目前世界性的车用动力柴油化趋势已很明显。重型汽车中，欧洲、美国和日本已经实现100%；商用汽车中，欧洲和美国都达到了90%，日本为83%；乘用车中欧洲达33%，日本是19%，美国较少。小型客车和轿车的动力柴油机化的趋势越来越明显。

与汽油机相比，柴油机具有以下优势：

1）柴油机的热效率高，并且对于装备柴油机的车辆，由于转矩曲线平坦，在较大的负荷变化范围内经济性好。汽车工作于面工况（转速和负荷构成的平面），经济工况范围越宽，经济性越好。例如欧洲定义的驾驶性能（最高挡位50～80 km·h-1、80～120 km·h-1和0～100 km·h-1的加速时间的平均值）明显比汽油机低，整车燃油消耗更低。据统计，目前技术先进的柴油车比同类汽油车节油达1/3甚至更多。

2）柴油机排放性能改进潜力很大。因为柴油机采用的是过量空气燃烧和高压缩比，CO排放比汽油机要低得多，大约只是汽油机的1/10。对于HC的排放，在冷机工况下，柴油没有HC的蒸发；在热机工况下，HC的排放量也要低得多。具统计，现代柴油轿车排放的HC比使用三效催化剂（TMC）的汽油车低。催化剂对于改善汽油机的HC排放虽然有显著的作用，但它却对低温的适应性差，尤其是在市区汽车经常停车或起动的工况下；而柴油机就不存在此问题，因为其HC排放本来就低。在温室气体CO2排放方面，由于柴油机热效率高，其CO2排放明显低于汽油机。颗粒（PM）排放方面，据英国里卡多公司最新研究表明，使用最新技术的柴油机其PM排放有可能达到汽油机的水平，而且改进潜力很大。在NOX排放方面，柴油机比汽油机要高，以欧Ⅴ标准为例，M类乘用车柴油机180 mg·km-1，汽油机60 mg·km-1，但都降到了较低的水平，柴油机劣势并不明显。

3）柴油机可靠性高。柴油机电器部分简单，且采用精密的高压供油系统，没有汽油机常见的电路和油路故障。另外，柴油机没有汽油机致命的爆震燃烧，故其整机可靠性要比汽油机高。一般来说，其使用寿命比汽油机几乎长一倍。基于以上原因和发达国家的榜样作用，不少人士赞成轿车柴油化，这方面的论述也较多［1-5］。

柴油机也有劣势：与同类汽油机相比，柴油机的升功率小、比质量大，成本和价格要高；且噪声高、振动大，尤其在低速状态下工作时，振动更大，易引起车身共振，从而影响乘坐舒适性；低温起动相对汽油机困难，颗粒（PM）排放远高于汽油机。

受各方面因素制约，包括石油炼制（油品及供应）、政策法规、产品开发、生产制造乃至售后服务等，我国轿车柴油机的发展比国外起步晚，尤其缺少满足欧V以上排放要求的产品，发展很慢，反对的声音也有，争论也较大［6-8］。本文中从我国的基本国情出发，试图全面阐述柴油轿车在国内市场的发展前景。

1 轿车对柴油机性能要求

7座以下乘用车（M1）如果装置柴油动力，在诸多方面要接近汽油机，要小型化、轻量化，所以必须提高升功率、降低比质量。现有轻型车、轿车用柴油机一般升功率为28～38 kW·L-1，增压型达到40kW·L-1，最新研制的为50kW·L-1，甚至可达到55kW·L-1。

低噪声、低振动并能与车体具有良好的匹配和减振降噪效果。减振降噪措施往往与柴油机的轻量化、降低油耗及排放等相矛盾。研究工作的重点放在设计初期就考虑减振降噪［14］，通过有限元分析和计算机辅助技术的应用，找出降低或阻隔燃烧、机械等噪声和振动的方法。

低排放和高经济性，能满足国V以上的排放法规要求，考虑柴油机排放、噪声对环境的影响，与过去相比要求在提高，即在满足对排气污染物、颗粒排放及噪声的限制要求时，不再牺牲经济性、动力性和比质量等，而是在达到上述目标的同时，使产品在油耗方面具有可竞争的商业优势。

2 国内的政策环境与市场环境

2.1 排放法规

随着2014年4月23日，工信部发布公告，明确柴油车国Ⅳ排放标准实施时间为2015年1月1日。所以2015年我国才全面执行的是国Ⅳ标准，北京、上海、广东市于2014年4月30日起汽油车实施国Ⅴ标准，柴油车仍执行国Ⅳ标准。也就是说，柴油车距执行国Ⅴ标准还有一定距离。

汽、柴油车国Ⅴ标准相当于欧盟的欧Ⅴ标准，欧盟已从2009年起执行，其对氮氧化物、碳氢化合物等机动车排放物的限制更为严苛。实际上，从国Ⅰ提升至国Ⅳ，每提高一次标准，单车污染减少30%～50%。使用新标准的汽、柴油车将减排多项污染物，削减PM2.5的排放。从国Ⅳ到国Ⅴ，油品的环保等指标进一步加严，其中硫含量从50×10-6降到10×10-6，油品质量也进一步提高。

车用汽、柴油品质升级对减排的贡献很大，第Ⅴ阶段替代第Ⅳ阶段车用汽油和柴油将至少实现10%和7%的氮氧化物减排。碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物排放均会得到有效控制。

2.2 柴油品质

要开发制造优质的柴油机，油品是根本。“车、油、路”同步升级，是缓解机动车污染的重要措施，“车油一体、油品先行”也是欧美等国在机动车污染减排方面的典型经验。

我国在排放法规的制定和执行方面往往要经过政、企一番博弈，以国Ⅳ标准的推行为例，国家环保部原本计划从2011年1月1日起推广柴油汽车国Ⅳ标准。不过在2011年2月，由于国Ⅳ车用燃油标准尚未出台，还无法确保在全国范围内供应相应车用燃油，给全面实施带来一定困难。环保部门表示将3.5 t以上的柴油国Ⅳ标准执行时间推迟一年，即到2012年1月1日实施。但由于柴油产品质量等原因导致了国Ⅳ标准再度推迟，又计划到2013年7月1日正式实施。但就在实施前夕，又由于技术原因，环保部就国Ⅳ实施时间又与工信部和汽车行业协会达成妥协，原定于2013年7月1日正式实施的重型柴油车国Ⅳ排放标准再次推迟至2015年1月1日起执行。

油品升级的关键在于脱硫，从设计为生产满足国Ⅱ、Ⅲ三阶段（对应国Ⅱ、国Ⅲ标准）排放标准的车用柴油的升级到生产满足第Ⅳ、Ⅴ阶段要求的车用柴油，需要加氢脱硫或其他脱硫工艺。一方面会产生设备投资，例如加氢装置、S-zorb装置；另一方面，脱硫工艺在生产过程中的物料和能量消耗增加，这两方面均会造成成本增加。除此以外，炼厂工艺调整带来产品结构调整、对原油硫含量要求提高等其他因素，也会造成成本的变化。国内油企都已经掌握相关技术，但在改造成本无法通过油价转嫁的情况下，企业认为这样的投资是一种负担。

目标的最终实现要靠市场力量和行政力量的有机结合，像当初汽油推行无铅化一样。主导汽油无铅化的并非环保部门，1998年国务院发出129号令，限期停止生产销售使用含铅汽油。截至2000年7月1日，我国仅用了2年的时间就完成了汽油无铅化。

因此，目前国内市场能全面供应满足国Ⅳ排放标准柴油。

2.3 国内市场状况

早在2002年，一汽-大众将柴油版捷达推向市场，这是国内市场最早的柴油版轿车。该车获得了良好的市场反应。截至目前，每年约有1万辆柴油版捷达投入市场中，具体市场大多限于北方用户以及出租车用户。另外，一汽奥迪2.5L的家用轿车于2004年开始投入中国，上海大众一款帕萨特1.9TDI的柴油机轿车于2006年底开始批量投放上海出租车市场，2010年华泰汽车推出了首款B级柴油机轿车——华泰元田B11，搭载欧意德发动机。欧意德发动机有限公司成立于2006年，是一家以清洁型乘用车柴油机为主要产品的企业，其发动机系列产品包括1.5L、2.0L、2.5L、2.8L和3.0L。福特2.2LDuratorqTDCi高性能柴油发动机由福特汽车和标致雪铁龙集团联合开发制造，装备福特蒙迪欧、福特S-MAX和福特Galaxy等车型。

相对外资与合资品牌，自主品牌也开发出多款轻型柴油机并装备相应车型。长城推出的2.0T绿静柴油机装备城市智能SUV哈弗H6，江淮汽车的4DB1柴油机配套于江淮瑞鹰SUV。奇瑞汽车的ACTECO三代产品——RF4D15柴油机搭载在奇瑞A3车型。绵阳新晨动力的ZD25TCR 2.5L柴油机为郑州日产奥丁SUV配套，江铃汽车的PUMA柴油机（JX4D24）也已经成功配套在江铃陆风X8系列和N350系列车型。云内动力开发了D19TCI和D25TCI两款轿车柴油机在2006年开始配套江淮、东南、华晨和柳汽等汽车厂的轿车、SUV和MPV等车型。玉柴和FEV联合开发的一款适配微型巴士、微型卡车和微型轿车的全铝结构轻量化柴油机YC4W等等。

与外资品牌相比，自主品牌轿车柴油机在各方面还存在一定差距，但已经在缩小这种差距，例如，多数产品都达到国Ⅳ标准并具备国Ⅴ潜力。

但目前我国柴油轿车的市场占有率微乎其微，截止2014年10月，乘用车搭载的柴油机比例在中国不到1%。这里有消费者观念问题（对柴油机不好的印象），技术问题（与国外产品有差距），但主要是市场和政策方面的问题，关键是柴油，包括品质、价格和供应等。

2.4 国内市场柴油消费结构

目前柴油主要应用于作为生产资料的、保证物流的重型卡车和客车；其次是用于农业生产和工业建设的特殊车辆，如拖拉机、挖掘机和推土机等工程机械，量也很大。再次是其他交通设备，如船舶、火车和飞机。此外，柴油的各种其他用途也不容忽视，如柴油发电机组、军事需求等。与欧洲可以在进口时自主去选择买汽油还是买柴油不同，我国大部分成品油是通过进口或开采原油来生产的。而从原油中提炼汽油和柴油是同时的，即能够提炼一部分汽油同时也能提炼一部分柴油。其中，虽然汽油和柴油的提炼比例是可以调控的，但并不是说只需要柴油不要汽油，就能全部提炼出柴油了。因此，有时便会出现“柴油荒”的现象。部分人士不赞成轿车柴油化，正是担心作为消费资料的轿车与上述领域争油的问题，有一定道理。

但同时也应该认识到，“柴油荒”现象包括油品升级难等，是由于在该领域还未完全市场化造成的。垄断阻碍技术进步，提高经济和社会成本。如果在油、车领域的市场化程度同步进行，更多的用市场而不是用行政命令解决问题，“柴油机节能”便是主要的考虑因素了。

3 研发能力与技术路线

从现有的国内轿车柴油机品牌来看，我国并不缺少研发能力，体现在以下几个方面：一是与国外先进的公司合作开发；二是在全世界范围内引进人才组建研发队伍；三是校企合作。具体到某个公司或品牌，以上路径可能兼而有之，但人才是关键。从已经成熟应用和正在探索开发的技术来看，能够满足轿车装备要求的柴油机技术也比较明朗。

1）开发直喷机型

过去考虑到舒适性，轻型柴油机普遍使用非直喷式（预燃室和涡流室）燃烧室，因为具有工作柔和、NOX排放低和燃烧噪声小等优点。近来，由于供油系统的电控化，直喷式（DI）柴油机也能具备上述优点，同时没有效率损失问题，燃油耗低，所以开发直喷机型是重点。

2）废气涡轮增压及中冷

柴油机通过废气涡轮增压和中冷，提高能量利用率，可达到接近相同排量汽油机的功率，并且在低、中转速的转矩明显高于汽油机。重型柴油机增压和增压中冷非常成熟，在小型柴油机上应用难度要大。柴油机要轻量化与小型化，开发与之相匹配的增压系统是难点，包括提高增压比及增压器效率，提高大负荷区的过量空气系数，增压器涡轮几何形状电控可变，开发多个增压器的复合系统等。

3）多气门结构及进气优化

多气门结构配合进气系统优化进气及缸内空气流动。在小缸径柴油机上，四气门和喷油嘴垂直中置技术得到应用，能够减少换气损失，使混合气的形成进一步优化。可以提高低速范围内的充量系数，从而改善低速转矩，使活塞上燃烧室凹坑和缸盖上的喷油器位置布置在气缸中央，改善进气涡流，使油雾分布均匀，改善活塞和喷油器的冷却条件;另外，因为可在不同转速下实现涡流比可变，空气利用率高，从而使NOX和颗粒排放达到最低效果。目前正研究将在汽油机上成熟的可变气门配气定时系统移植到柴油机上来，从而使之在整个转速范围内的气门升程和定时得到最佳优化。

4）以供油和后处理系统为核心的整机（车）的电控化与智能化

电子控制技术在柴油机上虽然应用相对较迟，但近10年来有较快的发展。开始时在较大的机型上应用，现逐步扩展到较小的轿车用柴油机上，目前应用较广泛的是高压共轨燃油喷射技术。

以高压共轨燃油喷射系统为代表的柴油机电控系统可以达到以下工作目标：

a.提高喷油压力。喷油压力的提高可改善燃油雾化，改善燃烧，从而降低排放。共轨式喷油装置可达到160～200MPa的喷油压力。同时可减小喷孔直径、增加孔数，可改善燃油的雾化和分布，缩短着火滞后期，降低噪音、NOX及颗粒排放。

b.对喷油各目标值和相关系统装置实施协同优化控制。借助电控系统可以根据需要达到以下目的：在运转中，控制保持最佳的供油量、喷油定时和供油速率，也可进行预喷射，以保证在各种工况下的动力性、经济性及排放性能都能得到综合的优化结果，并同时保证所要求的加速性能、调速性能及其它特定的性能;对整个增压系统进行控制，包括放气阀、可变几何截面装置、中冷器旁通等;自动进行高海拔条件下的补偿以及根据油温进行自动补偿;在小负荷情况下实现停缸运转并可根据发动机带负荷情况自动调整怠速转速;根据不同工况控制废气再循环;自动控制冷却风扇;实现振动阻尼以提高驾驶性能;与整车的电控系统相联接，实现顺序换挡、巡驶控制等操作。

c.以SCR或EGR+DPF为代表的高效可靠的后处理技术可以达到的目标：国Ⅳ、Ⅴ及以上柴油车排放标准，仅靠优化油、气运动与燃烧的机内净化技术已不能满足，必须同时采用后处理装置，其中降低NOX和PM将是重点。现在公认比较成熟、能够实现的技术路线有2种［16］：SCR（选择性催化还原）和EGR+DPF（废气再循环+微粒捕集器）。

SCR路线在欧洲采用较多，解决方案：利用商业用的固体尿素和水（水溶液浓度为32.5%±0.5%），在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NOX（主要是NO）还原为N2和H2O。如市面上销售的AdBlue无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有一点腐蚀性，必须使用特殊的储存容器，图1为典型的SCR系统示意图。

图1 典型的SCR系统示意图

EGR+DPF路线美国采用较多。首先采用EGR在机内减少氮氧化物生成，然后利用DPF（微粒捕集器）对生成的微粒进行后处理，使柴油机的排放物达到国Ⅳ以上的排放水平。废气中含有的灰粉会逐渐地堵塞捕集器，增加排气背压，使油耗恶化。因此在DPF的上游增加一个氧化催化转换器（DOC），其基质用贵金属如白金涂层，能够提高再生过程效率的同时，还将进一步降低HC的排放。一款典型的能满足国Ⅴ排放标准的轿车柴油机技术集成（EGR+DPF系统）如图2所示。

图2 某轿车柴油机主要技术集成原理示意图

4 前景前瞻

由于特殊的“国情”，柴油轿车在我国还有很长的路要走，但柴油机技术的进步和应用表明，部分柴油化是必然的发展趋势。适当推动轿车动力柴油化，对节约能源、保护环境具有重大意义。

1）必须大力推进柴油品质的升级，这不但可以满足高端柴油机的要求，还对在用的各种柴油车辆降低污染物排放产生重大影响，是治理雾霾的有效有段。目前，国际油价大跌，国家应抓住机遇制定政策，利用行政手段和成品油定价机制，在企业成本和柴油价格之间找到契合点，推动高品质油品生产，并考虑适时放开价格管制，让市场调节。

2）按柴油用途进行分类，抓紧制订普通柴油和车用柴油的分类标准。

3）汽车或发动机企业加大研发力度，积聚人才和技术，增加技术储备，将产品做到接近国际水平。主要的关键技术应包括：柴油机小型化（小缸径）、全机（车）联合控制、高效可靠的后处理技术等。保守估计，如果轿车动力柴油化能达到乘用车的10%左右，对厂家都是不小的市场份额。

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On Prospects for Development of Diesel Cars in Domestic Market

Han Tongqun
（Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

The application status of diesels in the field of passenger car around the world was studied, the advantages of diesel engines as the vehicle power were discussed.According to the domestic policy and market,the influence of the emission regulations,diesel quality on the market was analyzed.According to the requirements for the performance of diesel cars,including the vibration and noise,emissions,etc,the technical route was also analyzed that is more suitable for the development of China’s car diesel engine,and some key technologies and difficulties were emphatically analyzed.The progress of diesel engine technology and market application show the diesel car has a wildly application prospect in China.The government and the enterprises should do a good job of policy and technical preparation.

light diesel engine;passenger car;emission regulation;diesel quality;technical route;domestic market

TK427

A

1008-5483（2015）01-0001-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.001

2015-01-29

韩同群（1967-），男，湖北十堰人，教授，主要从事汽车发动机设计研究。E-mail：htq66667@sina.com