回顧了全球與日本的卡車(chē)、公共汽車(chē)及轎車(chē)用柴油機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)歷史，對(duì)支撐柴油機(jī)發(fā)展的各項(xiàng)重要技術(shù)，如核心技術(shù)、計(jì)測(cè)技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)等進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在柴油機(jī)上百年的技術(shù)發(fā)展歷程中，通過(guò)采用高壓共軌噴油等一系列新技術(shù)、新裝備，并與柴油顆粒捕集器、稀氮氧化物(NOx) 捕集器、選擇性催化還原系統(tǒng)等后處理裝置相結(jié)合，改善了柴油機(jī)噪聲大、排放高的情況，成為了更清潔、油耗更低、動(dòng)力更強(qiáng)勁的車(chē)用動(dòng)力裝置。

論述了全球與日本的卡車(chē)、公共汽車(chē)及轎車(chē)用柴油機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)歷史，介紹了支撐柴油機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)、計(jì)測(cè)技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)，并闡述近幾年，日本快速發(fā)展的企業(yè)、學(xué)校聯(lián)合研究院等情況。

1卡車(chē)、公共汽車(chē)用柴油機(jī)

1.1柴油機(jī)的誕生與開(kāi)發(fā)

1892 年，Rudolf Diesel 發(fā)明了柴油機(jī)，并在絕熱環(huán)境下，壓縮到20 MPa 的氣缸中，于上止點(diǎn)后吹入粉煤，進(jìn)而膨脹到大氣壓的“熱機(jī)的工作原理與式樣”申請(qǐng)了德國(guó)專(zhuān)利。1893 年，MAN 公司制成缸徑150 mm、行程400 mm 的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)，1897 年將缸徑擴(kuò)大為250 mm，制成了2 號(hào)樣機(jī)，在轉(zhuǎn)速172 r /min 時(shí)，輸出功率為14.7 kW，燃油消耗率為336 g /kW，實(shí)現(xiàn)了25.2%熱效率( 在1/2 負(fù)載時(shí)熱效率為22.6%) ，但因故障率較高，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)MAN 公司幾次改進(jìn)后，于1923 年開(kāi)發(fā)出功率29.4 kW，轉(zhuǎn)速為900r /min 的直接噴射(DI) 式車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1924 年配裝到了載重質(zhì)量為4 t 的卡車(chē)上。1924 年，Benz 公司首次將預(yù)燃燒室間接噴射(IDI) 式，最大功率為36.75kW，最大轉(zhuǎn)速為1 000 r /min 的柴油機(jī)配裝到卡車(chē)上并上市銷(xiāo)售。Daimler 公司也將功率為29.4 kW，最大轉(zhuǎn)速為1 000 r /min 的空氣噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于公共汽車(chē)上。Bosch 公司從1922 年開(kāi)發(fā)了能夠精確地噴射微量燃油的噴油泵與噴油嘴。為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，進(jìn)行柴油機(jī)排放控制，各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商為柴油機(jī)廣泛配裝于商用車(chē)作出了貢獻(xiàn)。

圖1 日本的柴油車(chē)排放法規(guī)以及

降低燃油中含硫成分的經(jīng)過(guò)

1935 年，日本將由三菱重工業(yè)公司( 以下稱(chēng)三菱重工) 開(kāi)發(fā)的IDI 式功率51． 45 kW 的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配裝到公共汽車(chē)上，并移交至鐵道部。1931 年，三菱飛機(jī)公司研究、試制出直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)。東京瓦斯電氣公司( 現(xiàn)在的日野汽車(chē)公司) 、東京汽車(chē)工業(yè)公司( 現(xiàn)在的五十鈴汽車(chē)公司) ，以及開(kāi)發(fā)了雙循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的日本柴油機(jī)公司( 現(xiàn)在的UD 卡車(chē)公司) 等許多企業(yè)相繼完成了柴油機(jī)的研發(fā)。1939 年成立的Chizar 機(jī)器公司( 現(xiàn)在的Bosch 公司) 成功推動(dòng)了燃油噴射泵的技術(shù)引進(jìn)。第二次世界大戰(zhàn)后，柴油機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量增加，開(kāi)始配裝到小型卡車(chē)上，柴油機(jī)獲得了快速發(fā)展。

1964 年，東京舉辦奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)，1970 年舉辦萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)，日本的經(jīng)濟(jì)隨之持續(xù)發(fā)展。隨著名神高速公路和東名高速公路開(kāi)通，對(duì)于商用車(chē)數(shù)量和動(dòng)力性能的需求都大幅提高。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流與汽車(chē)的普及化，導(dǎo)致城市的大氣污染狀況日益嚴(yán)重，1974 年日本出臺(tái)了針對(duì)柴油車(chē)的排放法規(guī)。不僅如此，2 次石油危機(jī)后，全球各國(guó)對(duì)于環(huán)保節(jié)能的呼聲高漲，各汽車(chē)公司同時(shí)推進(jìn)針對(duì)大氣污染的防治對(duì)策以及降低燃油耗的相關(guān)研發(fā)工作，這也決定了柴油機(jī)由間接噴射式向直接噴射式的發(fā)展之路。

1.2高輸出功率與增壓技術(shù)

利用直噴化，以實(shí)現(xiàn)燃油的高壓噴射(約70 MPa) 。為了避免卡車(chē)、公共汽車(chē)發(fā)生爆燃現(xiàn)象，必須降低各氣缸燃油噴射量的偏差(波動(dòng)) ，并提高燃油噴射的響應(yīng)性，因此對(duì)燃油噴射泵及調(diào)速器進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，采用了2 次噴射燃油的雙彈簧噴油嘴，可以有效降低噪聲。考慮到成本，小型卡車(chē)以采用過(guò)流室式間接噴射發(fā)動(dòng)機(jī)為市場(chǎng)主流。圖2 示出了卡車(chē)、公共汽車(chē)用柴油機(jī)的比功率、最大熱效率及其對(duì)應(yīng)技術(shù)的演變過(guò)程。

圖2 卡車(chē)、公共汽車(chē)用柴油機(jī)的功率、

最大熱效率以及相關(guān)技術(shù)的演變

在直噴化之后，為繼續(xù)增大功率，推進(jìn)增壓技術(shù)，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了帶有可降低排放及改善燃油耗的空氣冷卻式中冷器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。1981 年，主流的12 L 的大型卡車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝慣性增壓器，以滿(mǎn)足小型化、高增壓、高制動(dòng)平均有效壓力的需求。同時(shí)，排量為8.8 L，功率206 kW，轉(zhuǎn)速為2 300 r /min的帶中冷器的低燃油耗增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上市了。之后，卡車(chē)、公共汽車(chē)用帶中冷器的增壓柴油機(jī)成為主流，日本的增壓技術(shù)開(kāi)始快速發(fā)展。

同一時(shí)期，由于排放法規(guī)的收緊以及要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備多種功能，開(kāi)發(fā)了電子計(jì)時(shí)器及電子調(diào)速器，并投放到市場(chǎng)，配裝TICS的柴油機(jī)卡車(chē)也上市了。利用電子控制，應(yīng)對(duì)低溫起動(dòng)及高寒地區(qū)補(bǔ)償增壓等方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)，提高進(jìn)、排氣效率，同時(shí)采用四氣門(mén)技術(shù)在中心布置噴油嘴以達(dá)到改善燃燒的目的，開(kāi)展了兼顧降低排放與燃油耗的技術(shù)研發(fā)。這些技術(shù)對(duì)于降低PM 中的可溶有機(jī)物(SOF) 成分，以及面向配裝DPF 車(chē)型的低灰分潤(rùn)滑油的開(kāi)發(fā)作出了貢獻(xiàn)。也對(duì)以下挑戰(zhàn)性技術(shù)進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，包括以降低排放為目標(biāo)的燃用甲醇的發(fā)動(dòng)機(jī)、水噴射系統(tǒng)、以改善燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)，以及配裝可變氣門(mén)并采用米勒循環(huán)的渦輪組合式發(fā)動(dòng)機(jī)等，不過(guò)這些技術(shù)均尚未達(dá)到上市銷(xiāo)售水平。

1.3滿(mǎn)足排放法規(guī)要求

1994 年，排放法規(guī)由濃度法規(guī)限值替換為質(zhì)量限值，強(qiáng)調(diào)NOx排放限值，也引進(jìn)了PM 限值法規(guī)。日本電裝公司(現(xiàn)為Denso) 開(kāi)發(fā)了可以設(shè)定柴油定時(shí)與噴油壓力的CRS、VGT、EGR 裝置及氧化催化器。當(dāng)燃油中含硫量為0.05%時(shí)，將EGR 與氧化催化器技術(shù)作為技術(shù)支撐。另外，為降低PM，開(kāi)發(fā)了捕集并除去PM 的DPF，也研究了反洗式、電加熱器式及燃燒器式等再生方式。不過(guò)，考慮到可靠性，這些技術(shù)要投放市場(chǎng)尚需時(shí)日。

1999 年，日本開(kāi)始抵制柴油車(chē)，在低渦流與冷卻的EGR 中組合高壓噴油，試圖兼顧降低排放與低燃油耗的MIQCS投放市場(chǎng)了，但柴油機(jī)必須安裝排氣后處理裝置。部分連續(xù)再生式DPF及NOx的吸附還原催化器技術(shù)的應(yīng)用成為可能。還原NOx的尿素選擇性催化還原(SCR) 系統(tǒng)也開(kāi)始配裝在卡車(chē)、公共汽車(chē)上。為了滿(mǎn)足2009 年排放法規(guī)，組合DPF，采用硫含量較低的燃油，可大幅降低排放。

1.4預(yù)混合壓縮著火(PCI)燃燒的引進(jìn)

追求同時(shí)降低NOx、PM 的均質(zhì)充量壓燃(HCCI)是在PCI 方式基礎(chǔ)上進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的。在柴油機(jī)低負(fù)荷工況下，部分機(jī)型實(shí)現(xiàn)了這種燃燒方式。2016 年的排放法規(guī)限值是NOx為0.4 g /(kW·h)，PM 為0.01g /(kW·h)，應(yīng)用了WHTC，也引進(jìn)了循環(huán)外法規(guī)，還考慮滿(mǎn)足實(shí)際行駛排放法規(guī)(RDE) 限值，以及降低顆粒物數(shù)量(PN) ，以期進(jìn)一步發(fā)展的燃燒技術(shù)、排氣后處理技術(shù)，以及車(chē)輛的統(tǒng)一控制技術(shù)。

1997 年于京都召開(kāi)的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架組織條約第三屆締約國(guó)會(huì)議后，迫切要求降低CO2 的排放，即降低燃油耗。日本自2015 年起研究更高目標(biāo)的燃油耗、CO2 排放法規(guī)，這是繼日本在全球率先執(zhí)行卡車(chē)、公共汽車(chē)的燃油耗基礎(chǔ)上研究的相關(guān)法規(guī)。目前，最高熱效率也在按照45%的目標(biāo)逐步提升，尚未達(dá)到最初熱效率25.2% 的2 倍。今后，要在降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失、排氣損失、泵氣損失的同時(shí)，推進(jìn)降低車(chē)輛損失，以及構(gòu)建能量再生(回收利用) 及排氣的系統(tǒng)。借鑒以往的絕熱化及余熱回收技術(shù)，推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)及結(jié)構(gòu)的最佳化以及各要素的可變性、車(chē)輛的電動(dòng)化，也必須構(gòu)建組合上述技術(shù)要素的統(tǒng)一的系統(tǒng)。

未來(lái)，柴油機(jī)仍會(huì)作為物流業(yè)及運(yùn)輸?shù)闹髁C(jī)型，期待柴油機(jī)更加高效化、低排放和低噪聲。

2轎車(chē)用柴油機(jī)

2.1轎車(chē)用柴油機(jī)的誕生

1936 年，Mercedes Benz 公司將260 型柴油機(jī)(水冷4 缸，排量2.5 L，33.56 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r /min) 首次配裝在轎車(chē)上，柴油機(jī)開(kāi)始投入使用。1959 年，日本首次將當(dāng)時(shí)世界上最小的C 型柴油機(jī)(4 缸，1.49 L，29.83 kW，轉(zhuǎn)速4 000 r /min) 配裝在市售的ToyoupedCrown 車(chē)上。之后，由各公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)出配裝柴油機(jī)的轎車(chē)，并上市銷(xiāo)售。日本在1962 年以后柴油機(jī)轎車(chē)相繼投放市場(chǎng)，1983 年出現(xiàn)了3 缸柴油機(jī)(排量1.0 L) 。當(dāng)時(shí)，日本柴油轎車(chē)的銷(xiāo)售份額超過(guò)5%。

但在上世紀(jì)80 年代末期之后，柴油機(jī)轎車(chē)的發(fā)展在日本與歐洲大為不同。在歐洲，由于柴油機(jī)的CO2排放少，環(huán)保性及燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)異，具備強(qiáng)勁的動(dòng)力性能，柴油車(chē)的市場(chǎng)份額在持續(xù)增加(圖3) 。

圖3 柴油機(jī)轎車(chē)的銷(xiāo)售份額的演變

而在日本，由于1989 年以后的稅費(fèi)修改等法規(guī)變更，柴油車(chē)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性降低，并在1978 年頒布了嚴(yán)格的柴油機(jī)尾氣排放法規(guī)，2001 年制定了車(chē)NOx、PM 排放法規(guī)。同時(shí)又受到2000 年尼崎公害訴訟判決的影響，加之反對(duì)柴油車(chē)的的東京都條例的行政干預(yù)，促使柴油機(jī)小轎車(chē)悄然退出日本市場(chǎng)。但近年來(lái)，高性能環(huán)保型柴油車(chē)從日本、歐洲各公司投放了市場(chǎng)，并從2013 年以后漸漸地重現(xiàn)生機(jī)與活力。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素，包括燃燒系統(tǒng)的直噴化、共軌噴油系統(tǒng)(CR) 的問(wèn)世、排氣后處理裝置的開(kāi)發(fā)、預(yù)混合壓縮著火(PCCI) 燃燒的問(wèn)世、高增壓技術(shù)的進(jìn)展，并且還有各種低損失化、輕量化技術(shù)也在進(jìn)一步發(fā)展( 圖4) 。

圖4 轎車(chē)用直噴柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.2.1燃燒系統(tǒng)的直噴化

至上世紀(jì)80 年代中期，轎車(chē)用柴油機(jī)采用了間接噴射式的燃燒系統(tǒng)。利用預(yù)燃燒室導(dǎo)致強(qiáng)烈氣體流動(dòng)，可使燃料和空氣充分混合，以低噴射壓力的噴油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，由于預(yù)燃燒室的存在以及激烈的氣體流動(dòng)導(dǎo)致熱損失和燃油經(jīng)濟(jì)性差，排放也難以滿(mǎn)足嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。因此，從上世紀(jì)80 年代末期IDI 式噴油系統(tǒng)的高壓化及小型渦輪增壓器也有所發(fā)展，從此燃燒系統(tǒng)的直噴化得以高速發(fā)展。

2.2.2共軌噴油系統(tǒng)問(wèn)世

1995 年，由電裝公司采用實(shí)用化的共軌噴油系統(tǒng)，由于其設(shè)定噴油壓力的靈活不受拘束，且具有多次噴油功能，為柴油機(jī)帶來(lái)了技術(shù)革新。尤其是多次噴油功能，顯著地改善了排放、振動(dòng)、噪聲、燃油耗等諸多性能，這也是歐洲自上世紀(jì)90 年代后半期柴油機(jī)小轎車(chē)市場(chǎng)份額劇增(圖3) 的原因。

2.2.3排氣后處理裝置的開(kāi)發(fā)

在上世紀(jì)90 年代，利用氧化催化器(DOC) ，廢氣排放得到了凈化，但到了90 年代后半期，只降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放，就無(wú)法滿(mǎn)足2005 年以后嚴(yán)格的NOx、PM 排放法規(guī)(如歐4、日本新長(zhǎng)期排放法規(guī)等) 的情況，開(kāi)發(fā)了綜合的排氣后處理裝置。具體而言，根據(jù)車(chē)型，組合應(yīng)用DPF、稀NOx捕集器(LNT) 、尿素SCR 系統(tǒng)，以及DOC 等后處理裝置。LNT 由于不需要尿素，是中小型車(chē)為滿(mǎn)足排放的最優(yōu)選擇。另外，由于2003 年以后的輕油低含硫量化，低硫問(wèn)題得到了解決。

2.2.4PCCI 燃燒方式創(chuàng)新

上世紀(jì)90 年代中期以后，探索可以同時(shí)降低NOx和PM 的新燃燒方式，其代表是PCCI 燃燒方式。PCCI是豐田公司建議采用稀薄預(yù)混合(UNIBUS) 燃燒，日產(chǎn)汽車(chē)公司建議的低溫預(yù)混合(MK) 燃燒方式，部分被實(shí)用化后產(chǎn)生的。PCCI 燃燒具有兼顧使NOx和PM 排放接近于零，以及降低燃油耗的潛能。另一方面，由于存在超低負(fù)荷時(shí)失火、高負(fù)荷工況時(shí)過(guò)早著火、燃燒率過(guò)大等問(wèn)題，工作區(qū)域被限定于中、低負(fù)荷工況。要實(shí)現(xiàn)PCCI 燃燒的實(shí)用化，必須根據(jù)工作區(qū)域?qū)嵤┡c普通燃燒的切換。所以，其中關(guān)鍵的控制技術(shù)是瞬時(shí)切換2種燃燒方式(PCCI 與普通燃燒) 、不同的EGR 率，以及缸內(nèi)狀態(tài)量的要求值。目前，主要被廣泛應(yīng)用于早期噴射燃燒。

2.2.5高增壓技術(shù)的進(jìn)展

提高渦輪增壓器的效率及可變參數(shù)，隨著共軌噴油系統(tǒng)的高壓化，為動(dòng)力性能的顯著提高(圖4) 及排放改善作出了貢獻(xiàn)。從其頂部葉輪的功率/扭矩比來(lái)看，在2000 年中期，利用兩級(jí)渦輪增壓，上述比值為67/18，并在寬廣范圍獲得最大扭矩。2012 年，利用兩級(jí)增壓、3 個(gè)渦輪的增壓技術(shù)，功率與扭矩比值達(dá)到了93 /247，2008 年以后的發(fā)動(dòng)機(jī)升功率超過(guò)70 kW 并在小型化方面取得進(jìn)展。此外，為抑制高比值引起的氣缸內(nèi)最高壓力增大，以及為了降低摩擦損失，采用持續(xù)降低壓縮比的技術(shù)手段。利用多次噴油、熱管理技術(shù)，以彌補(bǔ)起動(dòng)性能，尤其是防止低溫下起動(dòng)性能的惡化，近年來(lái)，壓縮比大致降低至15～16。在排放方面，由于組合高增壓、高EGR 率、高壓噴油，高負(fù)荷工況下降低排放成為了可能。

2.2.6低損失化、輕量化技術(shù)

為了更好的兼顧降低燃油耗及實(shí)現(xiàn)高升功率，從1995 年時(shí)陸續(xù)采用了降低摩擦、熱損失與輕量化技術(shù)，尤其是2000 年以來(lái)，相關(guān)研發(fā)工作發(fā)展迅速。如利用鋁合金機(jī)體實(shí)現(xiàn)升功率93 kW 的錨定系緊螺栓連接(錨栓) 結(jié)構(gòu)、利用降低活塞壓縮高度增大連桿比以降低滑動(dòng)摩擦等。圖4 示出了技術(shù)發(fā)展的具體實(shí)例。

另外，利用上述革新技術(shù)應(yīng)用排放對(duì)策、高升功率化等引起效率惡化，使燃燒系統(tǒng)直噴化之后的最高熱效率大約在40%～43%之間。今后，為進(jìn)一步兼顧降低燃油耗和RDE 法規(guī)，并提高動(dòng)力性能，PCCI 燃燒開(kāi)始廣泛使用，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，包括絕熱的熱管理等技術(shù)發(fā)展，同時(shí)最佳排氣量( 升功率) 所采用的系統(tǒng)方案也有所發(fā)展。

3核心技術(shù)

上世紀(jì)50 年代，日本國(guó)內(nèi)的大型柴油機(jī)使用分開(kāi)式燃燒室，1967 年，著力開(kāi)發(fā)直噴式柴油機(jī)，1974 年開(kāi)始實(shí)施大型柴油機(jī)排放法規(guī)，1981 年從自然吸氣發(fā)展到帶中冷器渦輪增壓。上世紀(jì)90 年代，進(jìn)、排氣門(mén)采用四氣門(mén)技術(shù)，1995 年采用共軌式噴油系統(tǒng)。此外，近年來(lái)由于各種排氣后處理裝置的安裝，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)的清潔化與熱效率提高(圖5) 。2000 年歐洲的柴油機(jī)轎車(chē)完成了技術(shù)開(kāi)發(fā)。

圖5 大型柴油機(jī)排放的清潔化

與高熱效率化技術(shù)的演變

3.1柴油機(jī)燃燒與燃燒方式

3.1.1分開(kāi)式燃燒室

上世紀(jì)50 年代，大型柴油機(jī)是預(yù)燃燒室方式，小型柴油機(jī)是渦流室式。噴油嘴是節(jié)流閥及針閥等形式的單噴孔噴油嘴，噴油壓力30 MPa 的沖擊式A型單列式泵，向預(yù)燃燒室內(nèi)噴射燃油，使燃油與空氣混合后著火燃燒，由預(yù)燃燒室向活塞頂部的淺(盆) 燃燒室噴射濃的燃料燃燒氣體，使燃燒氣體再次燃燒而產(chǎn)生熱量，即使是在低噴油壓力的條件下，也利用預(yù)燃燒室完成燃燒。

3.1.2直噴式燃燒室

1967 年，在大型柴油機(jī)上采用了向氣缸內(nèi)直接噴射燃油的直噴式燃燒技術(shù)，主力型發(fā)動(dòng)機(jī)在上世紀(jì)70年代初期由分開(kāi)式燃燒量向直噴式快速過(guò)渡。這是由于相比分開(kāi)式燃燒室方式，直噴式?jīng)]有主室與副室的流動(dòng)阻力，而且由于熱量散逸表面積少，所以熱損失少，燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)異。但是，由于直噴式應(yīng)該在燃油噴射的同時(shí)形成混合氣，所以需要更高的噴油壓力，形成渦流與擠氣等空氣流動(dòng)，進(jìn)氣道的形狀和燃燒室的形狀等要有超過(guò)傳統(tǒng)裝置的先進(jìn)燃燒技術(shù)。高壓噴油減少碳煙，同時(shí)改善了燃油耗。從最高噴油壓力來(lái)看，柴油機(jī)脈動(dòng)式噴油泵為60 MPa。美國(guó)在柴油機(jī)上采用噴油嘴與燃油噴射泵一體化的組合式噴油器，噴油壓力最高值達(dá)到了100 MPa，減少了碳煙排放。

3.1.3共軌式噴油系統(tǒng)

作為新型噴油系統(tǒng)，共軌式噴油系統(tǒng)于1995 年首次在日本的大中型卡車(chē)上使用，當(dāng)時(shí)的最高噴油壓力達(dá)到120 MPa。共軌式噴油系統(tǒng)將來(lái)自供油泵的高壓燃油儲(chǔ)存在共軌中，根據(jù)電子信號(hào)，利用電子控制噴油器向氣缸內(nèi)噴射燃油。與傳統(tǒng)的單列式噴油泵方式不同，共軌式噴油系統(tǒng)中燃油一直被高壓儲(chǔ)存在共軌中，所以燃油壓力不依賴(lài)于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍實(shí)現(xiàn)高壓燃油噴射，能夠顯著地減少碳煙排放。此外，利用電子控制在任一時(shí)期實(shí)施噴油，也能減少NOx排放，而且利用多次噴油，能夠降低燃燒噪聲。共軌噴油系統(tǒng)最高噴油壓力在2015年達(dá)到250 MPa。

3.2增壓、進(jìn)、排氣系統(tǒng)

3.2.1進(jìn)、排氣門(mén)的四氣門(mén)技術(shù)

上世紀(jì)60 年代，每個(gè)氣缸裝配四氣門(mén)的技術(shù)就存在了，但只有非常少的機(jī)型使用。上世紀(jì)90 年代，各汽車(chē)制造商推進(jìn)了四氣門(mén)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。四氣門(mén)技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)體積效率，降低進(jìn)、排氣的泵氣損失，噴油器面向氣缸中央布置。從2000 年起，為了追求更低的排放和削減CO2排放，采用了對(duì)燃燒更有利的發(fā)動(dòng)機(jī)四氣門(mén)技術(shù)。基于四氣門(mén)技術(shù)的噴油器在氣缸中央布置，試圖使氣缸內(nèi)燃燒均勻化，就能減少碳煙和NOx排放。

3.2.2帶中冷器的渦輪增壓

渦輪增壓技術(shù)在預(yù)燃燒室時(shí)代已經(jīng)在小部分機(jī)型上得以應(yīng)用了，而日本由于山坡地段多，道路坡度大，所以，無(wú)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更受歡迎。待到日本全國(guó)高速公路網(wǎng)建立和完善后，1981 年日本首次銷(xiāo)售了方便長(zhǎng)途行駛卡車(chē)用的配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，并且這種渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)銷(xiāo)售份額逐年增加。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與不帶中冷器的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，能夠向氣缸內(nèi)引入大量空氣，可以同時(shí)提高功率與扭矩，屬于高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。并且，排放的碳煙及NOx少，同時(shí)燃料消耗率也低。1981 年卡車(chē)用的大型無(wú)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為15.0 L，而新渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排量減少至8.8 L。目前，增壓壓力從1981 年的大氣壓的2.5 倍達(dá)到大氣壓的3 倍。2015 年，大型柴油機(jī)上的兩級(jí)增壓已實(shí)用化，今后增壓壓力還會(huì)增加，制動(dòng)平均有效壓力(BMEP) 也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。由于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)零部件價(jià)格偏高，所以降低成本也是急待解決的問(wèn)題。

3.2.3渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR 系統(tǒng)

在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻的EGR 不會(huì)增加排放的碳煙，能夠大幅度降低排放中的NOx。如果從渦輪前位取出EGR 氣體，只依賴(lài)于高壓回路EGR，則通過(guò)排氣渦輪的排放氣體量減少，進(jìn)入空氣量減少，不能有效利用EGR 氣體。因此，如果從渦輪后位取出EGR氣體，回流到壓氣機(jī)前的低壓回路與EGR 并用，則能確保EGR 的氣體量，降低燃油消耗率，從而大幅度降低排放中的NOx。

3.3結(jié)構(gòu)零件的強(qiáng)化

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于向氣缸內(nèi)引進(jìn)較多空氣進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃燒，所以氣缸內(nèi)的最大壓力(pmax) 高，約為無(wú)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)pmax 的2 倍。因此，需要根據(jù)pmax提高氣缸蓋、機(jī)體、氣缸蓋螺栓、進(jìn)、排氣門(mén)，活塞與活塞環(huán)組、活塞銷(xiāo)、連桿、曲軸、缸蓋密封墊片等零件的強(qiáng)度與耐用性，提高軸承、軸瓦(滑動(dòng)軸承) 的屈服強(qiáng)度，尤其要提升活塞強(qiáng)度，因?yàn)樵诟咴鰤夯瘲l件下pmax 與熱負(fù)荷高。所以，有必要將其材質(zhì)由鋁合金變更為鋼材及球墨鑄鐵等高強(qiáng)度材料。歐美國(guó)家的眾多大型發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)向鋼制活塞過(guò)渡了。

3.4排氣后處理系統(tǒng)

在執(zhí)行2005 年的排放法規(guī)時(shí)，PM 限值從0.18g /(kW·h) 降低至0.027 g /(kW·h) 。各企業(yè)也安裝了DPF。與此同時(shí)，NOx限值也被調(diào)低，并出現(xiàn)了在大型柴油機(jī)上安裝SCR 的企業(yè)。此外，在中型卡車(chē)方面，也有采用燃料SCR 的企業(yè)。2016 年的排放法規(guī)限值中規(guī)定PM 為0.01 g /(kW·h) ，NOx為0.4 g /(kW·h) ，這時(shí)的排氣后處理裝置，必須安裝DOC 及DPF。作為降低NOx催化器，必須安裝尿素SCR，燃料SCR，NOx吸附還原催化器或LNT 等。今后的排氣后處理裝置性能還要進(jìn)一步提高。

4測(cè)試技術(shù)

4.1空氣流動(dòng)、燃油噴射、氣缸內(nèi)壓力

圖6 示出影響柴油機(jī)燃燒和性能的各個(gè)因素。其中，空氣流動(dòng)與燃油噴射對(duì)柴油機(jī)燃燒性能影響最大。隨著共軌式燃油噴射系統(tǒng)及多次噴射的普及，燃油噴射率的計(jì)測(cè)方法正在從Bosch 方式向Zeuch 方式過(guò)渡。為把握燃燒狀態(tài)，必須測(cè)量氣缸內(nèi)壓力。上世紀(jì)70 年代，開(kāi)發(fā)了應(yīng)變儀、真空管式指示器(示壓器) 等。其中，響應(yīng)性與耐用性?xún)?yōu)異的壓電式成為了主流。主要是在W-T Lyn 的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)示功圖，計(jì)算熱釋放系數(shù)。

圖6 與柴油機(jī)燃燒有關(guān)的各因素

上世紀(jì)70 年代，開(kāi)發(fā)了適用激光作為光源的各種噴霧特性(燃油霧化) 的測(cè)試方法。開(kāi)發(fā)了測(cè)試噴霧周邊區(qū)域的粒子直徑及速度的光散射法，以及根據(jù)瞬時(shí)攝影照片的分析，測(cè)量油霧內(nèi)全部粒子的平均直徑。此外，根據(jù)雙相誘導(dǎo)熒光法(Exciplex 法) ，分離蒸發(fā)油霧內(nèi)的液相與氣相，從而進(jìn)行測(cè)量。

4.2碳煙、PM、NOx

用激光作為光源，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)柴油火焰內(nèi)的碳煙濃度，以及羥基(OH) 濃度等進(jìn)行了圖像計(jì)測(cè)，進(jìn)行了碳煙的生成及氧化的相關(guān)研究。此外，根據(jù)由火焰內(nèi)的熱遷移采樣顆粒的電子顯微鏡圖像的分析，碳煙的各種尺寸與形態(tài)已經(jīng)定量化了。

上世紀(jì)70 年代開(kāi)始執(zhí)行柴油機(jī)排放法規(guī)，根據(jù)氣體抽樣法與雙色法，能夠定量地測(cè)量氣缸內(nèi)的碳煙與NOx的生成與清除的過(guò)程(圖7) 。隨著排放法規(guī)的強(qiáng)化，廢氣排放測(cè)量精度與可靠性飛速發(fā)展。按試驗(yàn)工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣中的氣體成份可依照使用了稀釋風(fēng)道的抽樣袋方式進(jìn)行測(cè)量。DPF 中捕集的顆粒物要稱(chēng)量測(cè)量。在歐洲，規(guī)定了按個(gè)數(shù)計(jì)測(cè)顆粒物的法規(guī)，顆粒物個(gè)數(shù)計(jì)量裝置成為了標(biāo)準(zhǔn)裝備。

圖7 基于氣體抽樣法與雙色法的

直接噴射式燃燒計(jì)測(cè)

作為實(shí)際行駛時(shí)的排放物測(cè)量方法，輕便型排放測(cè)量裝置(PEMS) 成為其必備的裝置，并且車(chē)載型排放測(cè)試裝置正在開(kāi)發(fā)。關(guān)于碳煙測(cè)量的PEMS、激光感應(yīng)音響法、帶電顆粒法、吸收光散射法等已經(jīng)上市銷(xiāo)售。美國(guó)加利福尼亞州規(guī)定市場(chǎng)銷(xiāo)售的柴油車(chē)要具備車(chē)載診斷系統(tǒng)(OBD) 功能，有義務(wù)診斷排氣后處理裝置發(fā)生故障的情況，并對(duì)小型傳感器件進(jìn)行研發(fā)。

5數(shù)值分析技術(shù)

圖6 所示的數(shù)值分析技術(shù)中關(guān)于燃燒性能的各種現(xiàn)象為初始應(yīng)用，作為各因素對(duì)于功率、熱效率，及排放特性影響的分析，基于這些分析進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)而開(kāi)展廣泛的應(yīng)用。通過(guò)數(shù)值分析技術(shù)，可以減輕由于發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)試制及反復(fù)試驗(yàn)產(chǎn)生的人力及成本的負(fù)擔(dān)，能夠進(jìn)行更迅速、合理的開(kāi)發(fā)。

以往，根據(jù)試驗(yàn)的燃油噴射及油霧顆粒化，利用噴霧熱傳遞方式等分析手段。隨著上世紀(jì)70 年代電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及其性能的飛躍性提高，至今，與燃燒有關(guān)的數(shù)值計(jì)算方法的優(yōu)化已取得很大進(jìn)展。此外，以激光等光學(xué)計(jì)測(cè)為首的各種計(jì)測(cè)方法的進(jìn)步，被有效地運(yùn)用于分析結(jié)果的驗(yàn)證。

5.1熱力學(xué)模型及現(xiàn)象論模型

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒分析的最重要目的是預(yù)測(cè)熱釋放系數(shù)( 或者燃燒率) 及燃燒壓力，從而可以求出熱效率及BMEP、振動(dòng)、噪聲等性能。在電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期階段，通過(guò)任意的熱釋放系數(shù)特性曲線(xiàn)以預(yù)測(cè)性能的“熱力學(xué)模型”被廣泛地采用了。然后，從上世紀(jì)70 年代后半期到80 年代，提出了將燃油噴霧劃分為多個(gè)區(qū)域，非穩(wěn)態(tài)地模擬了多個(gè)區(qū)域引入空氣的各種“現(xiàn)象論的模型”。由此，進(jìn)氣與燃油噴射系統(tǒng)的因素，可以初步地進(jìn)行各種運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)計(jì)條件的評(píng)價(jià)。

5.2三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)燃燒模型

大多數(shù)現(xiàn)象論模型應(yīng)用了在穩(wěn)態(tài)噴射中所得到的經(jīng)驗(yàn)，由于物理、化學(xué)理象的描述并不充分，以至于上世紀(jì)80 年代初期，CFD 模型問(wèn)世了。在此模型中，以工作氣體為對(duì)象，在歐拉坐標(biāo)(系) 中，設(shè)置適當(dāng)尺度的網(wǎng)格，并離散求解質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)量、能量的守恒方程式的方法。而且，通常是運(yùn)用適當(dāng)?shù)氐奈闪髂Ｐ停媚軌蛉菰S的計(jì)算速度，求出整體平均化的解的方法。在這種CFD 模型中，由于能夠定量地再現(xiàn)進(jìn)、排氣系統(tǒng)及氣缸內(nèi)的氣體流動(dòng)特性，在如今的設(shè)計(jì)階段被作為有用的工具廣泛使用。

另外，噴射燃料顆粒化、進(jìn)而分散噴霧的運(yùn)動(dòng)，用拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程式描述，該運(yùn)動(dòng)方程式是采用了在上述各網(wǎng)格內(nèi)蒸發(fā)后，與氣體混合產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的燃燒仿真法，并獲得有效驗(yàn)證。

5.3今后的發(fā)展

對(duì)于上述的守恒方程式，由于網(wǎng)格條件的制約原因，表征隨著時(shí)間變化的紊流而產(chǎn)生的某種規(guī)模以上的渦流及周期性變動(dòng)的大型渦流仿真(LES) 方法，以及最終不運(yùn)用紊流模型求解的直接數(shù)值仿真方法也在嘗試之中。

利用模型試驗(yàn)進(jìn)行更詳細(xì)的研究，作為必要的子模型的研究對(duì)象實(shí)例，諸如由顆粒群組成的燃油噴霧的動(dòng)態(tài)特性，與噴霧及氣體流動(dòng)接近的燃燒室壁面的邊界層以及非穩(wěn)定傳熱特性，受傳熱特性支配的熱損失解析。此外，還有諸如與復(fù)雜的燃料成份有關(guān)的詳細(xì)反應(yīng)的特定與簡(jiǎn)化，產(chǎn)物前身及晶核形成、凝聚，包括氧化的碳煙顆粒的生成等。而且，有必要追求包括超高壓分散噴射以及預(yù)混合燃燒的新型燃燒理念的可行性研究。

另一方面，從發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)看，也迫切期待通過(guò)上述模型的簡(jiǎn)單化及高速化建模，實(shí)施綜合性能評(píng)價(jià)，并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配與控制的模型庫(kù)方法的開(kāi)發(fā)。

綜上所述，如圖8 所示，預(yù)計(jì)今后會(huì)追求滿(mǎn)足以上需求的多種可行方法。此外，在此省略了包括發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及關(guān)于摩擦學(xué)領(lǐng)域的說(shuō)明。不過(guò)，在這些領(lǐng)域，也可看到數(shù)值解析技術(shù)的大幅進(jìn)展。

圖8 柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的模型試驗(yàn)

的應(yīng)用與作用

6企業(yè)、學(xué)校、政府聯(lián)合研究體制

作為全球的校企聯(lián)合研究的典型實(shí)例，于1956 年以德國(guó)為中心設(shè)立的FVV，引領(lǐng)了全球內(nèi)燃機(jī)的研究潮流。因此，歐洲的研究院及研究顧問(wèn)(咨詢(xún)) 公司的內(nèi)燃機(jī)研究技術(shù)水平較高。另一方面，日本的汽車(chē)企業(yè)向歐洲、美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)財(cái)務(wù)投入大量資金，維持了其技術(shù)水平。不過(guò)，日本的研究院所只是單獨(dú)進(jìn)行零碎的研發(fā)及接受委托研究。在此，主要考察了與柴油機(jī)有關(guān)的日本的企業(yè)、學(xué)校、政府聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展。

6.1新燃燒系統(tǒng)研究所(新ACE)

1987 年，在當(dāng)時(shí)的通產(chǎn)省主持下，在日本汽車(chē)研究所(JARI) 內(nèi)，設(shè)立了新ACE(NACE) ，其目的主要是實(shí)現(xiàn)日本的大型柴油機(jī)商用車(chē)的高效率和清潔化。日本國(guó)內(nèi)的柴油車(chē)企業(yè)、零件生產(chǎn)商、政府分別投入資金，通過(guò)燃油噴射系統(tǒng)的改良(高壓化及小直徑噴油孔等) ，實(shí)現(xiàn)燃油耗的大幅降低及清潔化的推廣。為了繼承其研究成果，以包括小型轎車(chē)用柴油機(jī)的進(jìn)一步高效化與清潔化為目標(biāo)，于1992 年設(shè)立了NACE，其研究工作延續(xù)至今。

6.2汽車(chē)用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)組合(AICE)

AICE 于2014 年4 月設(shè)立，參與成員由日本9 家汽車(chē)企業(yè)與2 家研究機(jī)構(gòu)組成，日本國(guó)內(nèi)零部件制造商也作為贊助成員。目前，約有40 家公司參與研發(fā)工作，研究委托方與FVV 一樣，主要是日本國(guó)內(nèi)的研究院所。

2009 年，在汽車(chē)技術(shù)會(huì)內(nèi)的汽車(chē)企業(yè)由于對(duì)歐洲發(fā)展態(tài)勢(shì)普遍具有危機(jī)感，致使非競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域的企業(yè)財(cái)團(tuán)開(kāi)始了討論并形成2 大流派，一個(gè)是柴油機(jī)排氣后處理流派，另一個(gè)是汽油機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流派，將這兩個(gè)流派歸結(jié)為一個(gè)流派，是AICE 的建立的初衷。目前，受到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的補(bǔ)助金資助項(xiàng)目名為“關(guān)于清潔型柴油機(jī)技術(shù)的深入研究開(kāi)發(fā)”的委托，作為柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)的高端研究，AICE 正在推進(jìn)6 個(gè)研究課題的研究。

SIP 創(chuàng)新燃燒設(shè)置有汽油機(jī)燃燒、柴油機(jī)燃燒、控制、降低損失等4 個(gè)研究小組。此外，作為眾多研究人員可以有效利用的共用研究基地，即開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的建立也在推進(jìn)中，柴油機(jī)燃燒研究小組用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室設(shè)置在堀場(chǎng)制作所場(chǎng)地內(nèi)，準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行中。

7結(jié)語(yǔ)

縱觀汽車(chē)用動(dòng)力源近百年的發(fā)展史，今天的柴油機(jī)是技術(shù)研發(fā)中產(chǎn)生的優(yōu)良技術(shù)與最近努力相結(jié)合的產(chǎn)物，但內(nèi)燃機(jī)技術(shù)仍有開(kāi)發(fā)潛力。