關(guān)于高壓燃料噴射及低壓縮比以提高柴油發(fā)動機(jī)性能研究

柴油機(jī)的熱效率通?？杀绕蜋C(jī)高出30%，因此其在歐洲以及印度等地得以廣泛應(yīng)用。近年來，由于柴油機(jī)的噪音及振動現(xiàn)象有所改善，排放性能有所提升，因此，其在日本國內(nèi)市場的保有量正逐漸增加。本文主要介紹乘用車用柴油機(jī)的相關(guān)技術(shù)特征。

柴油機(jī)向經(jīng)壓縮后的高溫空氣中噴射燃油，并通過壓縮點(diǎn)火方式使其著火燃燒，目前以向氣缸內(nèi)直接噴射燃料的直噴式為主流技術(shù)。

與汽油機(jī)不同，燃燒狀態(tài)下的柴油機(jī)燃燒室內(nèi)只有空氣。而當(dāng)空氣分布于燃燒火焰鋒面與氣缸壁之間時(shí)，其會吸收燃燒熱量并進(jìn)而膨脹，產(chǎn)生向下推動活塞的壓力。同時(shí)，由于其抑制了氣缸壁的熱量釋放，因此與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的熱效率更高。由于具備上述基本特性，柴油機(jī)在商用車領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

早期有一類柴油機(jī)，其向在缸蓋上設(shè)置的副燃燒室內(nèi)噴射燃料，但是該類柴油機(jī)無論是壓縮行程還是膨脹行程，泵氣損失都較高。如要對燃料噴射量進(jìn)行精細(xì)管理，就需要重點(diǎn)改善副燃燒室的技術(shù)劣勢。因此，大型商用車從早期就開始采用向燃燒室內(nèi)直接噴射燃料的方式，以此提升發(fā)動機(jī)的熱效率。

乘用車用柴油機(jī)已在歐洲地區(qū)使用多年，并占有較高市場份額。但是，由于柴油機(jī)在噪聲以及排放性等方面的性能仍有待改善，在日本國內(nèi)市場除了四輪驅(qū)動（4WD）等重視車輛可靠性及通過性的車輛外，在過去較長的一段時(shí)期內(nèi)，客戶對柴油車可謂敬而遠(yuǎn)之。柴油車基本不會被優(yōu)先選用，同時(shí)也幾乎沒有進(jìn)口柴油車進(jìn)入日本國內(nèi)市場。

然而，隨著排放法規(guī)對尾氣排放清潔度要求的不斷升級，日本國內(nèi)市場轉(zhuǎn)而開始重視柴油機(jī)的存在價(jià)值。在高響應(yīng)性及高轉(zhuǎn)速的技術(shù)要求前提下，需盡可能改善柴油機(jī)的排放性能、并進(jìn)一步有效控制整機(jī)的振動問題。經(jīng)相關(guān)改進(jìn)后，日本國內(nèi)的柴油機(jī)產(chǎn)品取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。因此，日本國內(nèi)配裝有柴油機(jī)的乘用車數(shù)量也在穩(wěn)步增加（圖1）。

圖1 直噴柴油發(fā)動機(jī)系統(tǒng)圖

近年來，柴油機(jī)不僅需滿足嚴(yán)苛的排放法規(guī)，還應(yīng)不斷提升其燃燒效率，因此除了柴油機(jī)本體以外，還相應(yīng)配置了渦輪增壓器、EGR、SCR催化劑以及DPF等后處理系統(tǒng)。其中燃料噴射裝置為柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)部件，近期則更多采用共軌式噴油裝置。

最近上市的乘用車用柴油發(fā)動機(jī)主要分為三大類（表1）。

表1 乘用車用柴油發(fā)動機(jī)分類

日本國內(nèi)應(yīng)用于大型車輛及皮卡的柴油機(jī)，其排量為3.0L左右。主要配裝于大型車輛或皮卡車、大型4WD車輛，該類柴油機(jī)不僅氣缸數(shù)量較多，其噴射器、渦輪增壓器、排氣后處理系統(tǒng)均采用了最新技術(shù)（圖2）。同時(shí)中高檔及以上的車輛也會選用V型發(fā)動機(jī)。柴油機(jī)排氣量較大，從而排放氣體中的NOx會相應(yīng)增多，因此普遍的應(yīng)對措施是配裝柴油顆粒捕捉器（DPF），同時(shí)加裝尿素SCR系統(tǒng)。

圖2 豐田汽車的柴油機(jī)“1GD-FTV”

（a）排量2.8L的直列4缸柴油機(jī)（b）活塞頂

日本國內(nèi)應(yīng)用于中型車及SUV的柴油機(jī)保有量近年來也在快速增長。在直列4缸以下、排量為2.0 L左右的柴油機(jī)上組裝可變?nèi)萘繙u輪或二級渦輪，即可達(dá)到與大排量柴油機(jī)相當(dāng)?shù)呐ぞ?。該機(jī)型在歐洲市場多用于C級和D級乘用車（圖3）。排氣后處理除采用SCR技術(shù)以外，還可用還原催化劑吸附NOx。

圖3 瑞典VOLVO公司柴油機(jī)“D4”

該發(fā)動機(jī)排量為2.0 L，擁有與排量3.0 L的直列6缸渦輪增壓汽油機(jī)同等的輸出扭矩，可達(dá)到JC08法規(guī)要求的2倍以上。

應(yīng)用于輕型車的柴油機(jī)，是基于排量小于1.5 L的柴油機(jī)的基礎(chǔ)上使用壓電式噴射器或NOx吸附還原催化劑，使整機(jī)成本有所降低，并可確保車輛具備強(qiáng)勁的動力性能以及出色的燃燒效率（圖4,5）。

圖4 馬自達(dá)的柴油發(fā)動機(jī)“SKYACTIV-D 1.5”

(a)發(fā)動機(jī)本體（b）活塞頂部設(shè)計(jì)

圖5 五十鈴在印度市場使用的

小型柴油發(fā)動機(jī)“E08A型”

該柴油機(jī)排量為0.8 L，配備有直列2缸渦輪增壓器。配裝于五十鈴印度子公司Maruti Szuzuki公司生產(chǎn)的輕型乘用車“Celerio”。該款車型在印度本土的油耗為27.62 km/L。

盡管柴油機(jī)的熱效率較高、二氧化碳排放低于汽油機(jī)，但是如要達(dá)到美國的“Tier2Bin5”、歐洲的“Euro5/6”,日本國內(nèi)的“后新長期排放法規(guī)”所規(guī)定的較為嚴(yán)苛的排放要求，需進(jìn)行精確的燃燒控制。而目前實(shí)現(xiàn)上述要求的核心技術(shù)則是噴射器的噴射控制技術(shù)。與汽油機(jī)不同，柴油機(jī)在燃燒時(shí)無需采用火花塞點(diǎn)火，因此主要通過燃料噴射時(shí)刻以及噴射量來控制柴油機(jī)機(jī)燃燒過程。

直噴式柴油機(jī)有5種燃料噴射方式（圖6）。在進(jìn)氣行程中期到壓縮行程初期進(jìn)行預(yù)噴射，可以提升柴油機(jī)的點(diǎn)火性能。當(dāng)進(jìn)入速燃期之后，NOx的生成量有所增加，當(dāng)達(dá)到一定的高溫條件時(shí)，可通過噴射少量燃料的間隙噴射方式來加速燃燒過程。

圖6 多段燃料噴射圖示

在壓縮行程內(nèi)，為了提升點(diǎn)火性能，需進(jìn)行預(yù)噴射，隨后進(jìn)行間隙噴射，再開始主噴射，并于缸內(nèi)開始進(jìn)行混合氣的燃燒過程。后噴射是使主噴射后燃燒產(chǎn)生的PM進(jìn)行再次燃燒。其噴射目的在于調(diào)整排氣溫度，提高催化劑溫度。

隨后，在壓縮上止點(diǎn)附近才開始進(jìn)行主噴射，使燃燒過程正式開始。此時(shí)如果再噴射大量燃料，會導(dǎo)致部分領(lǐng)域的燃料密度過高，使附近區(qū)域成為產(chǎn)生PM的重要源頭，因此在氣體膨脹行程中所附加的后噴射可有效穩(wěn)定氣體燃燒。

后噴射有著將主噴射產(chǎn)生的PM再次投入燃燒的作用。因此在膨脹行程結(jié)束時(shí)，為了進(jìn)一步促進(jìn)催化劑的排氣凈化性能，需要進(jìn)行少量的后噴射。

通常而言，乘用車用柴油機(jī)，其轉(zhuǎn)數(shù)上限為4 500 r/min，從進(jìn)氣行程到壓縮、膨脹行程，需要在2/100秒內(nèi)完成約5次的燃料噴射，并使每次燃料噴射時(shí)間控制在1/1 000秒內(nèi)。

1關(guān)鍵是燃料噴射的高壓和快速響應(yīng)性

為了實(shí)現(xiàn)少量燃料在短時(shí)間內(nèi)的正確噴射，就需進(jìn)行燃料噴射控制。因此柴油機(jī)的燃料噴射壓力在近10年內(nèi)得到飛速增長。

部分大型商用車也采用噴射單元，而目前主流技術(shù)是使用可一次性供給燃料的共軌系統(tǒng)，并通過共軌將燃料輸送至噴射器（圖7）。

圖7 共軌系統(tǒng)示意圖

通過高壓泵，將加壓至180～240 MPa的燃料送至燃油軌，然后通過各個(gè)噴嘴實(shí)現(xiàn)燃料噴射供給。并且在燃料罐上設(shè)置有低壓側(cè)的燃料泵，可向高壓側(cè)的泵壓送燃料。

為了將噴油器的噴射時(shí)長控制在1/1 000秒內(nèi),就需使得新噴射器比傳統(tǒng)噴射器具備更好的響應(yīng)性。壓電式噴射器的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，自2000年開始在日本國內(nèi)投入使用以來，隨著噴射壓力提高，相應(yīng)產(chǎn)品的性能亦在不斷提升（圖8）。目前噴油器已經(jīng)進(jìn)化到第四代產(chǎn)品，采用層疊的壓電元件單元直接驅(qū)動針型閥的結(jié)構(gòu)。

圖8 壓電式噴油器

利用壓電元件實(shí)現(xiàn)噴嘴開閉運(yùn)動。最新的壓電式噴射器，通過壓電元件的運(yùn)動可直接驅(qū)動噴嘴開閉，因此其具備更高的響應(yīng)性。

直噴汽油機(jī)的燃料噴射壓力可達(dá)30 MPa，比傳統(tǒng)的柴油機(jī)更高，但是直噴柴油機(jī)的噴射壓力則明顯更高，大型商用車用柴油機(jī)的實(shí)際噴射壓力可達(dá)240 MPa。

擁有200 MPa燃料噴射壓力的第四代壓電式噴射柴油機(jī)，其在單次燃燒過程中最多可噴射9次，反應(yīng)速度僅有0.1 ms，也就是說其噴射間隔時(shí)間可控制在萬分之一秒內(nèi)。

近年來，電磁式噴射器也在不斷進(jìn)行改良及優(yōu)化，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高響應(yīng)性的技術(shù)要求，并可以200 MPa的噴射壓力進(jìn)行工作，在每次燃燒過程中可進(jìn)行5次燃料噴射，柴油機(jī)燃燒噴射壓力增高是因?yàn)椴捎昧硕嗫讎娮?，以此可使得燃料霧化效果更佳。

為了提高壓縮比，傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機(jī)的活塞頭頂部比較平坦。與此不同，當(dāng)前的主流技術(shù)是充分利用活塞頂部的內(nèi)側(cè)空間。隨著直噴技術(shù)的發(fā)展，活塞頂部的凹坑型燃燒室已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的副燃燒室，并可在壓縮上止點(diǎn)位置形成較小的燃燒室，同時(shí)可調(diào)整被燃料霧化顆粒的分布范圍。

活塞材料一般選用輕量的鋁合金，不過目前也開始使用具有高強(qiáng)韌度、高耐熱性和厚度較薄的鋼制活塞。

2必須采用渦輪與EGR的組合方式

最初，排氣壓力較高的柴油機(jī)通常會與渦輪增壓器相匹配。但是為了降低NOx排放并減少泵氣損失，對于當(dāng)前追求低壓縮比的柴油發(fā)動機(jī)而言，渦輪增壓技術(shù)可謂必不可少。因此，日本國內(nèi)近年來生產(chǎn)的柴油機(jī)都會配裝有可變?nèi)萘繙u輪、可變噴嘴渦輪、二級增壓等相關(guān)技術(shù)設(shè)備。

廢氣再循環(huán)（EGR）是柴油機(jī)提升排氣性能和燃燒效率所不可或缺的機(jī)構(gòu)設(shè)備。在EGR過程中，進(jìn)入燃燒室的惰性氣體越多，燃燒效率則越高；但是，如果燃燒室內(nèi)排氣濃度過高，也會產(chǎn)生PM，對噴射的燃料與氧氣的結(jié)合造成負(fù)面影響。

高效率柴油機(jī)與輕量化及高轉(zhuǎn)速關(guān)系密切。由于輕質(zhì)燃油的著火點(diǎn)在250 ℃左右，即使不采用20以上的壓縮比，輕油也可自行著火燃燒。但是，如果壓縮比下降，則會對冷機(jī)狀態(tài)下燃燒的穩(wěn)定性造成影響，針對上述問題，普遍選擇采用內(nèi)部EGR或火花塞等輔助熱源。

壓縮比的機(jī)械性降低與活塞的行程減小有關(guān)，作為往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，該方式對降低摩擦損失具有一定的提升效果。目前也有該類技術(shù)訴求，即通過柴油機(jī)低壓縮比化實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的加速需求。

對于乘用車用柴油機(jī)來而言，利用低壓縮比和低振動化處理實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的案例不在少數(shù)。為了解決振動問題，采用平衡軸以及可吸收振動的自適應(yīng)液壓式發(fā)動機(jī)支架，以此消除高轉(zhuǎn)速區(qū)域的共振現(xiàn)象。

為了在低壓縮比狀態(tài)下進(jìn)行高效燃燒，還有效利用了燃燒室內(nèi)的空氣流動。例如：在低轉(zhuǎn)速時(shí)，提高空氣流速，燃燒室內(nèi)形成滾流及渦流等氣流運(yùn)動，為了加快燃燒速度，部分柴油機(jī)在進(jìn)氣口采用渦流閥或者單個(gè)閥門關(guān)閉的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，乘用車用柴油機(jī)的壓縮比通常設(shè)定為16左右，但是在高負(fù)荷工況下利用渦輪增壓技術(shù)，可有效提升實(shí)際壓縮比。此外，在高負(fù)荷時(shí)通過增壓方式以增加空氣量并增噴燃料，該措施會造成排氣成分的暫時(shí)性增加，而NOx吸附催化劑和DPF能夠吸收上述氣體，以此可降低廢氣排放。