日本的柴油机技术

1、日本的柴油机技术中田辉男1 前言1894年，鲁道夫发明的压缩着火柴油机运转成功，20世纪20年代柴油机在欧洲开始普及，而日本车用柴油机正式使用是在20世纪30年代。其后日本车用柴油机的发展史在山冈的著作中作了详细叙述。柴油机经过这样的历史过程发展起来，本文特别着眼于与欧美不同的方面，结合日本特有的道路和交通状况以及排放法规对策，从技术方面对现代车用柴油机加以叙述。2 从商品看日本柴油机的特点2.1 非增压柴油机为使柴油机功率大，燃油经济性好，采用了直喷式燃烧室、涡轮增压和中冷以及电子控制等技术作为相应的措施。图1为从日本发动机手册中摘录的车用柴油机机种数，按增压和非增压分类。对最新的2002年

2、版和10年前的1992年版，的数据进行了比较。在这10年间，非增压柴油机机种数减少了约40%，而增压柴油机机种数几乎不变。发展趋势基本上是提高功率和提高燃油经济性，而同一发动机与多种车型配套的机种数则减少了。图2a为2002年日本商用车发动机最大扭矩时的平均有效压力(BMEP)与排量的关系，显示了非增压发动机与增压发动机的差别。当然，非增压发动机的平均有效压力限于IMPa以下，但增压发动机的平均有效压力有的甚至已超过2MPa。图2b为以Ricardo公司资料为依据的欧洲商用车发动机数据。增压和非增压的区别不大，平均有效压力至少在1MPa以上，即90%以上的发动机是增压发动机，其平均有效压力水平

3、很高。图2 最大扭矩时的平均有效压力对于提高发动机功率和提高燃油经济性，采用增压是有效的，而日本非增压发动机依然很多的原因之一是要求的低速扭矩特性不同。图3是最大扭矩大致相同而排量不同的两种发动机的全负荷功率特性比较。一台是排量约3L的增压发动机，另一台是排量为5L的非增压发动机。小排量发动机提高转速后其最大功率就提高，而在2000r/rain以下的低速范围内，大排量非增压发动机能保持高的扭矩。综上所述，即使是商用车，特别是在城市内低速运行频率高的车辆，也需重视起动、加速时的运转特性，这也是大排量非增压发动机受欢迎的原因。图3 全负荷功率特性的比较但是，考虑到今后排放法规的对策，因为非增压发动

4、机过量空气系数()低，难以降低烟度，所以存在迅速发展增压发动机的可能性。在这种情况下，确保对运转性能影响较大的低速扭矩成为今后课题之一。2.2 共轨式燃油喷射装置对柴油机而盲，燃油喷射装置是心脏，依靠Bosch式等喷油泵的开发，使发动机真正能够付诸实用。之后，一直在使用依靠机械式燃油泵和面对燃烧室定压开启喷油嘴喷油的机构，基本上没有变化。与此相反，在共轨式喷油装置中，燃油一直以高压保持在被称为共轨的蓄压室内，依靠电子阀进行喷射控制，对柴油机而官，这是革命性的变化。特别是在欧洲，轿车用柴油机正在迅速增加，而其中60%以上是装有共轨式喷油装置的发动机。在为提高功率而采用涡轮增压的同时，共轨式喷油装

5、置正在成为欧洲柴油轿车迅速增加的原动力。另外，世界上商用车用柴油机由于要求更长的寿命和高.的可靠性，因此共轨的普及程度比轿车柴油机迟后。图4表示在从发动机手册摘录的直喷式柴油机所有机种中，燃油喷射系统使用比例的变化。在2002年，大部分依然是原来的宜列式或分配式喷油泵，共轨式约占1/3。适用对象不管是轿车或商用车，由大型到小型机种都一样。另外，可以看出欧洲的商用车与日本有明显的不同，在2002年，共轨式还不到10%。与直列式泵和分配泵不同的电子泵喷嘴(EUI：ElectronicUnit Injector)和电子单体泵(EUP：Elec-tronicUnitPump)等是主流，而基本的燃油加压

6、和喷射机构还是原来喷油泵的延续，与共轨式是不同的。图4 燃油喷射装置的使用比例之所以产生这样的差异，共轨式喷射装置从低速起就能产生高压喷射的特征是关键如上节所述，日本的行驶条件特别重视低速区的扭矩特性。在低速区能实现高压喷射，就可以降低烟度，结果使低速时增加扭矩成为可能。作为实例，有报告“称，在增压发动机上有效利用共轨喷射装置的特性，以求提高柴油机低速扭矩，使之适应日本城市的交通。另外，欧洲商用车发动机主要用于高速公路行驶，追求高功率和低油耗，故应选择在额定点能产生高压喷射的泵喷嘴等技术。2.3 发动机噪声柴油机是压缩着火，因而柴油机与汽油机相比，在噪声及振动方面肯定是不利的，这也成为研究开发

7、的起因。在全球，柴油机振动噪声研究开发取得了丰硕成果。尤其对怠速时的发动机噪声或车外噪声进行了广泛研究，这可以说是日本柴油机研究的特点，反映了在日本城市中使用时频繁起动、停车的交通环境。图5是记录每2转为一个循环的柴油车怠速车外噪声的实例。图中上部为记录到的噪声波形，下部是通过A特性滤波器除去低频噪声后的波形。除去低频噪声成分后，弄清了柴油机噪声的特征。高频波形是每到爆发上止点间断发生的很大的声音，因而对人的耳朵危害很大。在上止点附近，几乎同时发生喷油和燃烧、进排气门开启与关闭等，这都各自成为噪声源。与此相反，在共轨式喷油系统中，由于燃油一直保持在高压状态，喷油定时完全可以自由设定。另外，燃烧

8、一次所需的燃油可以分成多次喷射。采用的方法之一是通过应用预喷射，抑制了成为燃烧噪声起因的快速压力升高，使之能控制燃烧，不致引起排气的恶化。图5 柴油车的怠速车外噪声同样，作为共轨系统本身对降低发动机噪声的效果，降低了喷油时喷油系统零件所产生的机械噪声。在原来的燃油喷射装置中，包括上述的电子泵喷嘴和电子单体泵，不能忽视由于伴随燃油加压和喷射中的机械振动造成的噪声。另外，储存持续高压的燃油井用阀门的开启与关闭控制喷油，以与此完全不同的机构进行燃油喷射的共轨式喷油装置也能大幅度降低这种噪声。图6是装有原有喷油泵的发动机与安装共轨式喷油装置的改进型发动机的怠速噪声不同声源比率的比较实例。燃烧系统和喷油

9、系统引起的噪声占能量的一半以下。报告显示音质也有大幅度的改善。由此可认为，在日本，即使商用车发动机也有必要加快采用共轨式喷油装置的进程。图6 怠速噪声的不同声源比率3 排放法规与日本的柴油机技术3.1 排放法规的变迁-日、美、欧的比较随着汽车的普及，大气环境的恶化问题成为世界各国急于解决的课题，新车型的排放限值在逐步下降，以求改善环境。特别是柴油车，因为NO，(与PM的排放量很多，限制这些排放物质正成为非常重要的措施。对控制柴油机燃烧而言，NO)c和PM排放具有彼此相反的特性，存在所谓的折衷关系。以哪一方为优先制定法规，以什么为目标以及怎样来改善环境，由于国家不同，考虑的思路也不同。图7为大约

10、在10年前公布实施的日本、美国和欧洲以大型柴油车为对象的NOxPM排放限值的比较。1994年实施短期法规时，采用排气重量法(13工况)代替原来的排气浓度法(6工况)，还增加了对PM的限制。由于试验方法不同，排放值不能作严格的比较，而从迄今应用的法规限值看，相对欧美，日本的NO)c限值较低，而PM限值较高。作为NOx限值，经常应用世界上最低的限值。这是因为要对付大城市的光化学烟雾，实施了重点降低NO)(策略的缘故。图7 日、美、欧的排放限值3.2 EGR的应用在日本，为适应降低NO，(的排放法规，很早就采用了EGR措施。在要求超长距离行驶可靠性的商用车上，从1994年实施的短期法规就开始采用EG

11、R。在欧美，特别是大型车上，由于法规把可靠性和PM作为重点，因此采用EGR有点滞后的感觉。可以说，日本在商品化方面的技术开放是很早的。在1999年实施的长期排放法规中，为力求适应更低的NO)f限值，在NO)(排放量多的高负荷区有必要增加EGR。在高负荷区增加大量EGR时，由于新鲜空气吸人量减少，造成氧气不足，结果导致烟度恶化。作为相应措施，在EGR回路中，设置利用发动机冷却水的热交换器，即EGR冷却器，EGR气体的温度下降后使其回流，确保新鲜空气的吸人量，提高EGR率，这成为被采纳的良策。在增压柴油机上设置EGR，大多采用在排气管的涡轮进口和进气管的压气机出口之间接人EGR阀的方式，适当的压差

12、易于控制EGR气体的流量，也可避免压气机和中冷器的污染与腐蚀。在部分大型车用柴油机中，特别是在涡轮增压器效率良好的高负荷区，虽然压气机出口的发动机进气压力比从涡轮进口的发动机排气压力高，也开发了多种实行EGR的方法。图8作为一个实例，表示在EGR回路中设置止回阀。即使进气压力平均值很高，特别是在排气压力比有脉冲的进气压力高的瞬间，利用压差开启止回阀，可在高负荷的条件下使效率良好的EGR气体流动。图8 应用止回阀的EGR系统t6l在欧美的商用车发动机中，2000年以后增加了EGR的应用，而日本发动机正在积累先行进入市场的经验。为适应今后更加严格的排放法规，希望采用更大容量的EGR，以适应更广应用

13、范围的要求。3.3 柴油燃烧EGR作为降低NOc的有效方法正被广泛应用，但过度的EGR会带来氧气不足，导致排气烟度恶化。在柴油机的排放法规中，要求NOx和PM两者都得到降低作为今后的目标，目前正在大力研究能同时降低NOx和PM，特别是其主要成分烟度的燃烧方式。其有效方法之一就是所谓的预混合燃烧，实现了在不生成NOx的较低温度下，并处于不产生黑烟的微观非浓混合气状态的燃烧。从1995年起，由日本国内和柴油相关的汽车公司等出资的研究机构-新ACE等进行了许多研究。证实了大幅度降低NOx和大致零烟度水平的燃烧形态，在这个领域，日本的研究开发处于世界领先水平。图9表示在上止点附近喷油时预混合燃烧的实例

14、。即使是十六烷值为57的普通燃油，通过采用大量EGR，也不会有HC、CO和燃油经济性的恶化，而NOx和烟度则得到大幅度的降低。图9 在上止点附近喷油的预混合燃烧这种燃烧方式存在的问题是发动机可运转的范围限定在低负荷区域，对此，作为折衷，有压缩比和燃烧室等许多方案，但实用性方面的问题依然很多，作为适应今后更严格排放法规的基础技术，预混合燃烧方式的潜力很大。4 展望作为未来的车用动力，究竟哪一种最合适，提出了若干个从燃料效率和C02排放观点研究的、所谓“Well-to-Wheel Analysis”的研究报告。将多种燃料、发动机与燃料电池以及复合动力装置等组合起来，在相同车种、相同行驶循环条件下，

15、比较燃油经济性与C02排放量。另外，若将生物物质等做成可再生能源，氢燃料电池据说是最好的，而内燃机中最好的柴油复合动力则稍差，这可以说是大概的结论9)。以在常温常压下呈液体状，且不易着火、操作容易的轻油为燃料，在小型车、大型车乃至船用等广阔的范围内，在各种不同的环境条件下都能高效率运行的动力是柴油机。通常人们认为，柴油机是速度慢、使用麻烦、对环境污染大的发动机，但通过与高性能涡轮增压器和共轨式喷油装置的配合，就能解决高功率和噪声问题，提高柴油机的层次。柴油机剩下的问题就是排放问题，为此，通过采用高压燃油喷射等措施，已达到肉眼看不见的黑烟水平。将来的排放法规，如美国Tier 2法规，有不按燃料区分的趋势