汽车工程手册：未来柴油机

时间：2023-08-19 理论教育版权反馈

【摘要】：目前的高速、高功率柴油机已达到高度的发展状态，并可与点燃式发动机较量。点燃式发动机和柴油机的位置还在讨论中。直喷柴油机在低速范围的燃烧噪声还比点燃式发动机燃烧噪声高，但整个汽车的噪声，两者更加接近。图5.2-52 三重循环的特性场重要检测点从目前来看，NOx和微粒排放是柴油机的最大问题。图5.2-53 柴油机机内排放降低为此作出贡献的还有改进燃油品质。

汽车工程手册：未来柴油机

常规的内燃机（点燃式发动机和柴油机）在未来10～20年还是居统治地位的原动机。目前的高速、高功率柴油机已达到高度的发展状态，并可与点燃式发动机较量。最近几年的开发是围绕在以下方面：

1）实施排放法规。

2）减少燃油消耗。

3）实施噪声法规。

4）政策讨论。

5）降低成本。

1.柴油机还是点燃式发动机？

与点燃式发动机相比，柴油机在燃油消耗低（相应的CO₂排放低）方面有不容置疑的优点，特别是在低速范围。CO₂排放低于90g/km的所有可用汽车，按许多专家的意见非柴油机汽车莫属。在其他的特征方面，柴油机弱于在较高标定转速工作的点燃式发动机的方面表现在：功率重量小、燃烧噪声大和废气后处理容易（三效催化转化器）方面。

点燃式发动机和柴油机的位置还在讨论中。

柴油机比点燃式发动机燃油消耗低的优点正在缩小。点燃式发动机直喷技术弥补了早先预燃室柴油机和点燃式发动机间的燃油消耗差距，但因为柴油机和点燃式发动机都采用直喷技术，燃油消耗几乎同样减少，柴油机和汽油机又出现了燃油消耗的差距。特别节油的汽车在未来还是要配备直喷柴油机。

在减少废气排放时，在直喷点燃式发动机上出现与柴油机相似的问题。两种直喷发动机在发展中都需要配备复杂的催化转化器。

直喷柴油机在低速范围的燃烧噪声还比点燃式发动机燃烧噪声高，但整个汽车的噪声，两者更加接近。

最后会问，在乘用车上到底采用哪一种发动机和在未来哪一种能生存下去，哪一种不能生存下去？明确的回答是：同时存在。直喷点燃式发动机不会替代直喷柴油机。更多地可以认为这两种发动机在努力减少燃油消耗和废气排放的重要方面将继续走下去。

2.柴油机的进一步潜力

直喷柴油机的开发将继续。除了降低燃油消耗外，减少废气排放和在汽车老化时仍保证废气排放限值是重点。

需要注意的是由于不同排放法规的不同要求（图5.2-51a），就要对汽车排放区别对待。从而出现了如图5.2-51b的各种不同措施及方案，并由此引申出对未来柴油机的一些要求（图5.1-51c）。

图5.2-51 对未来柴油机的排放法规要求和为实现更严格排放法规要求采取的措施

a）对未来柴油机的排放法规要求 b）实现更严格排放法规要求采取的措施 c）对未来柴油机的各种要求

现代柴油机的特征是多气门技术、可变高压燃油喷射、可变几何截面涡轮增压器、可控废气再循环、氧化催化转化器、全电子管理和微粒过滤器。

图5.2-52 三重循环的特性场重要检测点

从目前来看，NO_x和微粒排放是柴油机的最大问题。还要考虑三重循环特性场的废气各种组成（图5.2-52）。

为能足以应对未来更严格的废气排放立法和进一步减少燃油消耗的要求，需要在柴油机开发、废气后处理、减轻汽车质量、改进燃油品质等方面下大的工夫。

在废气后处理和柴油机机内措施两个方面原则上采取更偏重于后者的方针。最大的潜力是倾向多气门技术和进一步开发高压喷射。除优化多气门技术和高压喷射外，需要改进燃烧空间形状、气体旋转运动和减小像活塞、活塞环、曲轴主轴承、连杆轴承、机油泵、配气机构和辅助装置等柴油机所有部件的摩擦。通过柴油机机内措施，可使大多数柴油机实现Euro 4排放等级而不需要废气后处理。图5.2-53是高尔夫级汽车柴油机机内排放降低潜力。

图5.2-53 柴油机机内排放降低

为此作出贡献的还有改进燃油品质。减少燃油含硫量能稳定氧化催化转化器老化性能。但减少NO_x的措施（高废气循环率和较晚的喷油开始）会增加CO排放。优化催化转化器涂层、提高贵金属载荷、减薄催化转化器壁厚（改善热响应性能）和有利的安装位置（靠近柴油机）等措施可提高催化转化器效率，从而可再次降低废气中的气态排放物。

重型汽车要实现Euro 4排放限值就要配备柴油机微粒过滤器。由于在Euro 5中对排放限值和微粒的烟味侵袭的规定与由此引起的微粒讨论，可以预见，所有的柴油机机型在短期内都将配备柴油机微粒过滤器。这样，有关柴油机微粒过滤器的讨论也就成为过去的事了。如果NO_x排放在过去几年减少超过90%，则在未来几年的主要任务除减少CO₂排放外，还要继续减少NO_x。在考虑优化成本结构下，并同时保留柴油机固有的优点（低燃油消耗、低转速时的高转矩），可以对柴油机部件、氧化催化转化器、柴油机微粒过滤器、NO_x后处理、燃油采取有效的策略。当然，汽车（特别是重量）和传动系管理必须与未来的挑战相适应。

在包括所有这些看法在内，可以提出进一步发展柴油机的各种策略，使柴油机排放继续下降。

1）方案1：从图5.2-54a表示的“基础（Basis）”出发，汽车配备一个柴油机微粒过滤器。过滤效率大于95%。为也能减少NO_x排放，必须使用相应的废气后处理。

图5.2-54a 未来柴油机发展策略（方案1）

2）方案2：选择高废气再循环率和使用微粒过滤器（图5.2-54b），这需要比方案1更经常地再生微粒过滤器，但要多消耗一些燃油。此外，NO_x排放与微粒排放之比颠倒过来，造成连续再生的困难。

图5.2-54b 未来柴油机发展策略（方案2）

图5.2-54c 未来柴油机发展策略（方案3）

3）方案3：是未来柴油机最有利的开发策略，见图5.2-54c。首先采用柴油机机内措施尽量降低汽车排放水平。然后，如果需要，采用废气后处理方法，以进一步达到如Euro 6或US Bin 5立法的废气排放水平。这种对微粒和NO_x的后处理方式可连续后处理和最少地再生（可节省燃油消耗）。

从目前的观点，进一步降低废气排放和燃油消耗的技术潜力是有的。继续改进有关提高十六烷值（大于55）、减少聚芳香族化合物（少于重量的0.5%）、减少含硫量（最大10×10^-6）和金属含量（最大1×10^-6）的燃油品质，对降低废气排放有重要作用，或者是未来清洁功能技术的前提。严格的Euro立法首先就要继续优化柴油机。优化的重要课题是：

1）再次改进在部分负荷、全负荷、前喷射、主喷射和后喷射能改变喷射压力的燃油喷射系统。

2）新的废气再循环系统，回流率>50%。

3）提高增压压力的增压系统，不只是为了提高转矩和功率，而且是专门为提高柴油机在部分负荷的废气再循环兼容性。(www.xing528.com)

4）降低或可变压缩比，直至低于16。

5）气缸压力引导的部分均质燃烧（图5.2-55），其目的是避免过分的浓混合气区（微粒形成）和峰值温度（NO_x形成），见图5.2-56。

图5.2-55 在n=2000r/min和p_me=2bar时常规的燃烧与部分均质燃烧比较

6）使用可变进气管和/或可变配气机构改变空气运动（旋转运动）。

7）在柴油机机内部件上的曲柄连杆机构和辅助装置上的驱动机构的降低摩擦措施能帮助优化燃烧。

如果人们注意到进一步减少有害物质的排放和降低废气后处理的可观费用之间的目标冲突，则这两者只能到那种情况时才能统一与实现，就是首先要将分层燃烧过程的NO_x原始排放降低，即在燃烧时要抑制NO_x产生，但又不恶化柴油机热效率。为此，柴油机必须保留质调节与燃油直接喷射（DI、TDI或FSI燃烧过程）。它兼有点燃式发动机和柴油机于一体的新燃烧过程的优点。

在点燃式发动机上采用燃油直接喷射，使它与柴油机的燃烧过程已经明显靠拢。燃烧过程开发的下一阶段目标是强化这种趋势。开发“部分均质柴油机燃烧，用/不用外部点火”和目前同样处于实验室研究、开发阶段的“自行着火奥托发动机”，现已有一个可比较的核心硬件的基础。正在集中精力开发一种汇集柴油机和点燃式发动机主要特征的新的组合式燃烧过程。

图5.2-56 柴油机均质燃烧策略THD=柴油机部分均质燃烧

新“组合式燃烧过程”的基础是新的合成燃料。目前对此的了解主要是它的蒸发性能和着火性能，也就是燃料的组分具有决定性的影响。如果要达到混合气云的强烈均质化而不会过早地开始自行着火，则我们需要的燃料是“低始沸点和终沸点”以及“降低自行着火性能”。燃料自行着火性能的次序为柴油>煤油>精挥发油>汽油。试验证明了自行着火性能对NO_x排放减少的效果（图5.2-57）。

图5.2-57 使用特别的燃油在均质燃烧时NO_x排放减少的潜力

为实现“组合式燃烧过程”，需要克服许多障碍。在柴油机稳态工作时燃烧过程可以很稳定，但动态工作需要开发完全新的控制方案、传感器和执行器。因此，在这十年，组合式燃烧过程柴油机看来不可能进入市场。

要从总体上判断柴油机动力的环境兼容。环境兼容可从不同角度分析。为总体评价动力方案和燃料对由于能源消耗造成环境和温室效应气体排放的影响，必须要从燃料输送、生产直至在汽车上使用的总的能量链考察。单独观察汽车行驶时的排放对环境的影响是不全面的，是对环境内涵的狭义了解。正确的观察有两个方面：

1）油井到燃料箱（WTW—Well-to-Tank）：指的是燃料，要计算从油田到加油柱（塔）的整个燃料环节的能量消耗和温室气体排放。

2）燃料箱到车轮（TTW—Tank-to-Wheel）：指的是汽车，要计算汽车使用时能量消耗和温室效应气体排放。

燃料部分和汽车部分两部分的组合称为油井到车轮（WTW—Well-to-Wheel）。

图5.2-58是目前各种动力方案环境兼容分析与汽油机动力环境兼容性分析的比较[24]。图中表明，柴油机，特别是采用柴油机混合动力与燃料电池相比温室气体效应不相上下。

图5.2-58 汽车上（TTW）能量消耗和整个能量链（WTW）能量消耗比较以及相应的温室效应气体排放（根据MIT研究[22]）

如果观察柴油机生产和工作时使用的材料和能量，可以确认，从柴油机的整个寿命看，它是相当环境友好的原动机，这当然是宏观的说明。可以用一个实际的例子予以佐证。它是按ISO 14040/41标准生产的第一辆3L汽车，即大众路跑3L汽车，配备45kW、泵喷嘴柴油机，首次低于2005年EU废气排放标准，燃油消耗2.99L/100km（相当81g/kmCO₂排放）^[8]。

由乘用车的油料消耗（柴油、机油）、材料的生产和制造可以得到乘用车消耗的能量（图5.2-59）。CO₂排放主要由能源开采确定。使用期（以150000km，10年计）是由燃料（柴油、机油）确定的。碳氢化合物绝大部分来自石油加工。NO_x排放大部分来自柴油机使用期。当燃油中含有100×10^-6（质量分数）的硫时约SO₂排放的一半来自柴油机废气。在微粒中集中了生产和工作的尘埃。轮胎磨粒不计入物质平衡中。废水的排放来自洗车和生产备件。废水量的排放很少。