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车用柴油机技术动态回顾

由于受到降低温室气体排放及改善汽车燃油耗要求的影响 ， 日本国内自2018年起对总质量为3.5~7.5t的重型汽车开始执行废气排放法规 。 近年来 ， 针对柴油机的技术研发工作重点在于改善其燃烧过程 ， 同时采用全新的燃烧方式以降低废气排放及燃油耗 。 除了开发新型柴油机及排气后处理技术外 ， 针对后处理装置的优化也势在必行 。 以2018年日本国内市场的新型柴油机研发成果为例 ， 阐述了车用柴油机市场发展的趋势及技术动向 。
0前言
日本国内从2016年起对总质量超过3.5t的重型货车开始执行于同年制定的废气排放法规 。 从2018年起 ， 对总质量为3.5~7.5t的重型货车也开始逐步实施于2016年制定的排放法规 。 目前 ， 日本国内市场上已有新型柴油机发布 。 该类新机型采用了小型化等先进技术 ， 在符合排放法规要求的同时 ， 也充分满足了2015年的重型汽车燃油耗标准 。 研究人员采用全球统一轻型车试验循环(WLTC)工况法对乘用车进行了排放试验 。 同时 ， 马自达公司也销售了可充分满足WLTC排放标准的新型柴油机 。 在欧洲地区 ， 汽车制造商发布了多款可满足欧6d排放标准的商用车柴油机 ， 但目前少有新款乘用车柴油机得以发布 。
在北美地区 ， 各柴油机制造商针对2017年联邦温室气体排放法规(GHG17)而开展的研发工作已顺利完成 。
1日本国内柴油机的市场动向
1.1市场概况
1.1.1乘用车柴油机
马自达公司发布并销售了S8-DPTS型1.8L柴油机 。 该机型配装于CX-3车型 ， 以替代传统的1.5L柴油机 。
1.1.2商用车柴油机
在质量为3.5~7.5t的重型货车开始实施2016年排放法规的同时 ， 五十铃公司向市场发布了配装于Elf车型的4JZ1型柴油机；三菱扶桑卡客车公司则推出了配装于Fighter车型的4V20型柴油机 。
1.2新型柴油机的技术特征
1.2.1马自达公司
马自达公司推出了S8-DPTS型1.8L直列4缸柴油机(图1) 。 该机型配装于马自达CX-3车型 ， 以改善实际燃油耗及整机排放为重点研究目标 ， 将柴油机排量由1.5L增至1.8L ， 采用了具有较高响应性的多喷孔压电型喷油器及单级可变截面涡轮增压器等设备 ， 使柴油机在高速工况区具有较高的扭矩输出 。
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图1马自达公司的S8-DPTS型柴油机
1.2.2五十铃公司
五十铃公司推出了4JZ1型3.0L直列4缸柴油机(图2) 。 该机型配装于Elf车型 ， 研究人员重点对缸体、气缸盖等主要零部件进行了改造 ， 并采用可变排气门及智能喷油精度修正技术 ， 以实现对燃油喷射量的精准控制 。 同时 ， 该机型还采用了柴油机颗粒处理器(DPD)与SCR系统 。 通过上述技术调整 ， 该机型在满足2016年排放法规的同时 ， 相比2015年燃油耗标准要求可超出约10% 。
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图2五十铃公司的4JZ1型柴油机
1.2.3三菱扶桑卡客车公司
三菱扶桑卡客车公司推出了4V20型3.9L直列4缸柴油机(图3) 。 该机型配装于Fighter车型 ， 采用了共轨式燃油喷射系统以改善燃烧效率；通过采用高精度冷却的EGR系统 ， 以降低氮氧化物(NOx) ， 同时还配备有带废气旁通阀的涡轮增压器 ， 以精确地控制增压压力 。 相比重型汽车燃油耗标准的技术要求 ， 该机型的燃油耗可降低5% 。
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图3三菱扶桑卡客车公司的4V20型柴油机
1.2.4丰田公司
丰田公司推出了2GD-FTV型2.4L直列4缸柴油机(图4) ， 该机型配装于Hilux车型 ， 并采用可变喷嘴式涡轮增压器、空冷式内部冷却器、共轨式燃油喷射系统等设备 ， 具有强劲的动力性能 。 此外 ， 研究人员为该机型配装了柴油机颗粒主动还原装置(DPR)及SCR系统 ， 以改善其尾气排放 。 同时 ， 研究人员还通过一系列技术手段降低整机摩擦 ， 从而改善了燃油经济性 。
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图4丰田公司的2GD-FTV型柴油机
2世界各国的汽车市场动向
2.1Jaguar公司
Jaguar公司的AJ200D型柴油机是采用了平衡轴、滚子轴承凸轮轴、电子控制式机油泵及电子控制式水泵等设备的高效率机型(图5) ， 并与2016年上市的AJ200P型汽油机共用了约30%的零部件 。 研究人员在AJ200D型柴油机上配装了两级涡轮增压器 ， 力求兼顾较高的输出功率与较低的燃油耗 。 该机型现已配装于乘用车及运动型多用途车(SUV)并成功上市销售 。
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图5Jaguar公司的AJ200D型柴油机
2.2Cummins公司
Cummins公司的ISBHO型6.7L直列6缸柴油机配装于FCA公司的RAM型客货两用车 。 该机型采用长裙式结构的CGI气缸体 ， 并优化了活塞设计(图6) 。 同时 ， 该机型采用了低摩擦活塞环、锻造连杆 ， 并增大了气缸盖螺栓的直径 ， 通过提高冷却能力及增加机油泵排油量等措施以实现高功率 。 研究人员重新调整了该机型的燃油喷射系统 ， 优化了高压燃油喷射泵与喷油器 ， 从而实现了最高200MPa的喷油压力 。 除此之外 ， 研究人员对该机型的涡轮增压器也进行了小幅改进 。
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图6Cummins公司的ISBHO型柴油机
2.3Ford公司
Ford公司PowerStroke型3.0LV型6缸柴油机采用了CGI气缸体、铝合金气缸盖、锻造连杆及通过压铸方式制造的油底壳 ， 由此可实现良好的静音性(图7) 。 同时 ， 该机型还采用了高效率VGT、冷却式EGR系统 ， 通过压电式喷油器可将最大燃油喷射压力设定为200MPa 。 该款柴油机配装于Ford公司的F-150型客货两用车 ， 并成功上市销售 。
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图7Ford公司的PowerStroke型柴油机
Ford公司Bi-Turbo型2.0L直列4缸柴油机在2.0LEcoBlue机型的基础上配装了两级涡轮增压器 ， 大幅提高了输出功率(图8) 。 同时 ， 该款双涡轮增压型柴油机已配装至轻型客货两用车上 ， 并成功上市销售 。
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图8Ford公司的Bi-Turbo型柴油机
2.4MAN公司
MAN公司发布了配装于城市客车的D15型9.0L直列6缸柴油机(图9) 。 该机型以传统的D20型柴油机为基础 ， 并进行了小型化设计 ， 可满足欧6d级排放法规要求 。 小型化设计可有效改善燃油耗 ， 相应增加了车辆载客人数 。 同时 ， 该机型采用冷却水泵控制技术及可控制油温的热管理技术 。 该款发动机的燃油喷射系统可提供最高250MPa的燃油喷射压力 ， 并采用了无漏油现象的喷油器 。
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图9MAN公司的D15型柴油机
2.5Volvo公司
Volvo公司为满足欧6d级排放的法规要求 ， 对配装于该公司重型货车的D11型柴油机(图10)及D13型柴油机(图11)进行了改良 。 为满足实际排放法规要求 ， 研究人员对D11型柴油机的整机控制软件进行了调整 ， 同时优化了排气后处理装置的涂覆工艺 。 研究人员为D13型柴油机配备了低黏度机油 ， 并对活塞油环进行改进以降低机体内部摩擦 ， 力求改善燃油经济性 。
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图10Volvo公司的D11型柴油机
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图11Volvo公司的D13型柴油机
3柴油机技术开发动向
目前 ， 社会各界对于柴油机降低温室气体(GHG)及尾气排放的要求越来越高 。 为降低GHG排放 ， 按照欧美发达国家的要求 ， 生物燃料已在欧美诸国以外的市场得以畅销 。 此外 ， 在人口老龄化趋势严重的社会背景下 ， 研究人员据此对汽车提出了互联、智能、共享、电动(CASE)的技术要求 。
为了满足社会各界对柴油机的综合要求 ， 研究人员对柴油机本体及零部件进行了进一步优化 ， 由此扩大了柴油机的应用领域 。 同时 ， 为降低GHG及废气排放 ， 须进一步改善燃烧过程 。 研究人员认为 ， 目前应针对以下领域进行重点开发工作：(1)柴油机硬件技术与燃油喷射系统的逐步优化；(2)热管理技术的进一步强化；(3)柴油机控制系统的持续精准化 。
另一方面 ， 柴油机的小型化对于降低GHG排放有着显著功效 ， 而柴油机负荷的逐步提高对于降低GHG排放会产生负面影响 。 针对柴油机本体结构进行的技术开发尤为重要 ， 同时须考虑到热管理技术对润滑系统及冷却系统的影响 ， 进而确保整机可靠性及耐久性 。 此外 ， 为了有效降低实际行驶过程中的尾气排放量 ， 研究人员也应对排气后处理装置进行进一步的优化 。
在商用车柴油机领域 ， 降低用户的初始投资成本及运营费用是1项核心要求 。 同时 ， 研究人员在进行技术开发时 ， 须进一步推进柴油机性能的全面发展 。
注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期
作者：[日]杮原知明
整理：彭惠民
【车用柴油机技术动态回顾】编辑：伍赛特


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