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日本計(jì)劃開發(fā)小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

作者: 汽配人網(wǎng) 發(fā)表于: 2014-12-29

  前不久參加博世在昆明舉行的柴油SUV試駕會(huì),在聊天時(shí)聽到“日本的柴油車發(fā)展迅猛”這句話,覺得很有意思。在筆者印象中,日本只在玩汽油機(jī)、混合動(dòng)力,再深入就是燃料電池汽車。柴油車,全球只在歐洲盛行,與日本無關(guān)。
  
  然而翻開日本的新能源汽車規(guī)劃發(fā)現(xiàn),清潔柴油汽車卻位列其中。最近幾年,日本市場的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)裝車比例也在悄然增長,2013年日本國內(nèi)的柴油車銷量達(dá)到了7.5萬輛,2011年還僅為8638輛,兩年間就擴(kuò)大了約9倍。雖然從數(shù)量和占比上都不上歐洲的占據(jù)半壁江山,但是其增長速度著實(shí)令人矚目。
  
  更值得我們關(guān)注的是,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在日本正在以小型化的路線逐步向小型車市場推進(jìn),這是一條完全不同于歐洲柴油動(dòng)力發(fā)展的路線,這一細(xì)節(jié)上的變化恐怕將在不久之后對(duì)汽車市場產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
  
  技術(shù)進(jìn)步讓柴油機(jī)優(yōu)勢(shì)凸顯
  
  傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力留給人最直觀的印象莫過于濃濃的黑煙,劇烈的震動(dòng),極差的高轉(zhuǎn)速表現(xiàn)等等。當(dāng)然,這些傳統(tǒng)的認(rèn)知是基于普通柴油的傳統(tǒng)重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的。事實(shí)上,歐洲市場上清潔柴油的運(yùn)用和高壓共軌技術(shù)的普及已經(jīng)極大改善了傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙和噪音大的現(xiàn)象。而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì),也因?yàn)樾录夹g(shù)的應(yīng)用而更加光彩。
  
  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要集中在高效節(jié)能、碳氧化物排放量低這兩個(gè)方面。因?yàn)槿紵匦缘牟町?,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率相比于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)要高30%左右,油耗方面自然也要平均低上30%。由于柴油機(jī)的燃燒是在富氧狀態(tài)下,因此CO、HC化合物的排放濃度相對(duì)較低,顆粒物和NO化合物的濃度較高。而近年來,尿素和柴油微粒過濾等柴油排放后處理技術(shù)的運(yùn)用,使得顆粒物和NO化合物的排放極大降低。
  
  也正是基于這樣的原因,對(duì)溫室效應(yīng)倍加關(guān)注的歐洲市場,柴油車的這種特性得到了重視并得以廣泛運(yùn)用。那么,日本汽車市場在小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)都取得長足進(jìn)步的時(shí)候,為什么又會(huì)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)感興趣呢?筆者認(rèn)為至少有以下兩個(gè)方面:
  
  第一是日本的JC08測試法規(guī)。大家都知道,目前世界上集中主流油耗測試規(guī)程中,日本的JC08是最為嚴(yán)苛的之一。之所以嚴(yán)苛,主要是因?yàn)樗鼘?duì)冷啟動(dòng)排放、加減速工況等的考核更為重視,在JC08模式下測試得出的油耗表現(xiàn)要遠(yuǎn)高于其他測試規(guī)程下的成績。依照經(jīng)驗(yàn),同一款車型在JC08測試規(guī)程下所得到的油耗要比歐洲NEDC規(guī)程下的油耗要多上1-2L。
  
  與此同時(shí),日本全新的汽車油耗管理辦法將在2020年開始實(shí)施,根據(jù)新的管理辦法,每家汽車企業(yè)的所有車型油耗的加權(quán)平均值必須達(dá)到JC08測試循環(huán)下的20.3Km/L,約合4.9L/100Km。一邊是貼近日常生活的苛刻測試,另一邊又是同樣苛刻的排放標(biāo)準(zhǔn)。很顯然,日本汽車企業(yè)在面對(duì)油耗限制上的壓力并不比中國企業(yè)小。
  
  第二則是成本因素。雖然日本汽車廠商在混合動(dòng)力技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步,然而在成本上,混合動(dòng)力必然要高于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。且在日本市場中,小型車甚至是K-Car占據(jù)著更大的市場份額,這些車型的售價(jià)和利潤都很低,難以普及混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步降低油耗。那么在這種情況下,日本汽車企業(yè)將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)小型化作為另外一個(gè)“新能源”的方向,就變得順利成章。
  
  如何搬開柴油機(jī)小型化道路上的絆腳石
  
  那么,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)小型化面臨哪些技術(shù)上的困難呢?
  
  首先是尺寸。相比于同排量的汽油發(fā)動(dòng)機(jī),由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的缸壓較大,且活塞行程較長,在整體尺寸和重量方面柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都要更大更高。一方面要滿足機(jī)械性能的要求,另一方面又要滿足小型車的緊湊性要求,所以在柴油機(jī)缸體的設(shè)計(jì)上就要花費(fèi)更多的精力去平衡這兩方面的需求。
  
  其次是小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體技術(shù)參數(shù)的設(shè)定。柴油機(jī)壓燃的方式?jīng)Q定了其必須擁有更大的壓縮比以獲得更大的缸內(nèi)壓力。但是壓縮比的增加又不可避免的帶來振動(dòng)以及噪音等問題,且活塞和曲軸所承受的負(fù)荷也要相應(yīng)的增加。如果按照傳統(tǒng)柴油機(jī)的壓縮比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),那么小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不可避免的要在這些方面存在短板。所以要把柴油柴油發(fā)動(dòng)機(jī)做小,壓縮比一定要降下去。
  
  但是問題又來了,一旦壓縮比降低下去,又會(huì)導(dǎo)致柴油燃燒不完全甚至失火缺缸。在這個(gè)過程中必然要涉及稀薄燃燒技術(shù)的運(yùn)用,一般來說乘用車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比在16-18之間,但是如果要做到一點(diǎn)幾升的小排量,壓縮比應(yīng)該更低一些,目前日本的小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最低壓縮比,已經(jīng)做到了14.8。
  
  那么如何來保證壓縮比降低后對(duì)于小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響,或者說如何實(shí)現(xiàn)更加稀薄的燃燒?日系企業(yè)給出了這樣的解決方案。
  
  首先,提前將霧化柴油送入氣缸。傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮行程終了時(shí)向氣缸內(nèi)供給霧化柴油,以達(dá)到壓燃的目的。在壓縮比降低的情況下,壓縮行程終了時(shí)缸內(nèi)壓力較小,可燃?xì)馊紵惶浞帧榱私鉀Q問題,通過在壓縮行程終了之前向氣缸內(nèi)供給少量的霧化柴油,利用缸內(nèi)有組織的氣流運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)氣流的引導(dǎo),在氣缸局部實(shí)現(xiàn)較濃的混合氣濃度,實(shí)現(xiàn)均勻混合氣的分層燃燒,極大的改善了缸內(nèi)燃燒特性。

 

  
  柴油機(jī)高壓共軌部件
  
  而這種分層燃燒對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)還在于,由于延長了柴油噴霧與空氣的混合時(shí)間,所以燃料和空氣的混合更加均勻,避免了傳統(tǒng)柴油機(jī)發(fā)火初期的高溫火焰區(qū)和高溫過濃區(qū),使得局部火焰溫度低于利于氮氧化物形成的溫度,降低氮氧化物排放。另一方面,由于柴油混合氣在氣缸內(nèi)更加均勻,由于缺氧所產(chǎn)生的濃煙也得以避免。所以即便是沒有采用尿素等減排方式,低壓縮比的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同樣可以獲得較優(yōu)異的排放表現(xiàn)。
  
  問題還存在于,由于小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的降低,活塞負(fù)壓對(duì)于進(jìn)氣壓力的貢獻(xiàn)也要小上一些,極容易出現(xiàn)進(jìn)氣壓力不足的問題。日系通過變截面的渦輪增壓技術(shù),解決了這個(gè)問題。
  
  壓縮比降低供油壓力必然就要提升,如果不是近年來柴油共軌噴射技術(shù)的普及,傳統(tǒng)的柱塞式燃油泵無論如何也保證不了小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的供油壓力。換句話說,近年來共軌技術(shù)的普及為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化鋪平了道路。其實(shí)這一系列的變化可以歸結(jié)為近年來柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油化以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油化必將在未來成為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的主流。
  
  隨著柴油機(jī)的小型化,對(duì)噴油嘴等燃油供給系統(tǒng)零件的精密程度也提出了更高的要求。如果油油品不過關(guān),小排量柴油機(jī)的整個(gè)燃油供給系統(tǒng)都會(huì)變得很差。所以,在柴油機(jī)的前面,必須要加上“清潔”二字。
  
  很顯然,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及清潔柴油的普及,小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展開始成為可能。當(dāng)小型車遇上小排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之后,這二者的結(jié)合必然是一次優(yōu)勢(shì)結(jié)合的過程,當(dāng)全球的汽車企業(yè)都在面臨嚴(yán)苛的排放和油耗法規(guī)的時(shí)候,入門級(jí)的小型車搭載小排量柴油動(dòng)力無疑是在成本和法規(guī)間取得平衡的最好方式。日本在大肆宣傳混合動(dòng)力和燃料電池動(dòng)力的同時(shí),又在潛心發(fā)展小型柴油動(dòng)力,這是非常值得我們注意的。