回顧柴油機的開發(fā)過程

回顧了全球與日本的卡車、公共汽車及轎車用柴油機的技術(shù)開發(fā)歷史，對支撐柴油機發(fā)展的各項重要技術(shù)，如核心技術(shù)、計測技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)等進行了評價。在柴油機上百年的技術(shù)發(fā)展歷程中，通過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，改善了柴油機噪聲大、排放高的情況，成為了更清潔、油耗更低、動力更強勁的車用動力裝置。

論述了全球與日本的卡車、公共汽車及轎車用柴油機的技術(shù)開發(fā)歷史，介紹了支撐柴油機技術(shù)開發(fā)的核心技術(shù)、計測技術(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)、學校聯(lián)合研究院等情況。

1卡車、公共汽車用柴油機

1.1柴油機的誕生與開發(fā)

1892 年，Rudolf Diesel 發(fā)明了柴油機，并在絕熱環(huán)境下，壓縮到20 MPa 的氣缸中，于上止點后吹入粉煤，進而膨脹到大氣壓的“熱機的工作原理與式樣”申請了德國專利。1893 年，MAN 公司制成缸徑150 mm、行程400 mm 的單缸發(fā)動機的樣機，1897 年將缸徑擴大為250 mm，制成了2 號樣機，在轉(zhuǎn)速172 r /min 時，輸出功率為14.7 kW，燃油消耗率為336 g /kW，實現(xiàn)了25.2%熱效率( 在1/2 負載時熱效率為22.6%) ，但因故障率較高，會導致整機停止運轉(zhuǎn)，經(jīng)過MAN 公司幾次改進后，于1923 年開發(fā)出功率29.4 kW，轉(zhuǎn)速為900r /min 的直接噴射(DI) 式車用發(fā)動機，并于1924 年配裝到了載重質(zhì)量為4 t 的卡車上。1924 年，Benz 公司首次將預燃燒室間接噴射(IDI) 式，最大功率為36.75kW，最大轉(zhuǎn)速為1 000 r /min 的柴油機配裝到卡車上并上市銷售。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)動機配裝于公共汽車上。Bosch 公司從1922 年開發(fā)了能夠精確地噴射微量燃油的噴油泵與噴油嘴。為了適應行業(yè)發(fā)展，進行柴油機排放控制，各發(fā)動機制造商為柴油機廣泛配裝于商用車作出了貢獻。

圖1 日本的柴油車排放法規(guī)以及

降低燃油中含硫成分的經(jīng)過

1935 年，日本將由三菱重工業(yè)公司( 以下稱三菱重工) 開發(fā)的IDI 式功率51． 45 kW 的柴油發(fā)動機配裝到公共汽車上，并移交至鐵道部。1931 年，三菱飛機公司研究、試制出直噴式發(fā)動機。東京瓦斯電氣公司( 現(xiàn)在的日野汽車公司) 、東京汽車工業(yè)公司( 現(xiàn)在的五十鈴汽車公司) ，以及開發(fā)了雙循環(huán)發(fā)動機的日本柴油機公司( 現(xiàn)在的UD 卡車公司) 等許多企業(yè)相繼完成了柴油機的研發(fā)。1939 年成立的Chizar 機器公司( 現(xiàn)在的Bosch 公司) 成功推動了燃油噴射泵的技術(shù)引進。第二次世界大戰(zhàn)后，柴油機的生產(chǎn)數(shù)量增加，開始配裝到小型卡車上，柴油機獲得了快速發(fā)展。

1964 年，東京舉辦奧林匹克運動會，1970 年舉辦萬國博覽會，日本的經(jīng)濟隨之持續(xù)發(fā)展。隨著名神高速公路和東名高速公路開通，對于商用車數(shù)量和動力性能的需求都大幅提高。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，物流與汽車的普及化，導致城市的大氣污染狀況日益嚴重，1974 年日本出臺了針對柴油車的排放法規(guī)。不僅如此，2 次石油危機后，全球各國對于環(huán)保節(jié)能的呼聲高漲，各汽車公司同時推進針對大氣污染的防治對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，以實現(xiàn)燃油的高壓噴射(約70 MPa) 。為了避免卡車、公共汽車發(fā)生爆燃現(xiàn)象，必須降低各氣缸燃油噴射量的偏差(波動) ，并提高燃油噴射的響應性，因此對燃油噴射泵及調(diào)速器進行優(yōu)化。同時，采用了2 次噴射燃油的雙彈簧噴油嘴，可以有效降低噪聲?？紤]到成本，小型卡車以采用過流室式間接噴射發(fā)動機為市場主流。圖2 示出了卡車、公共汽車用柴油機的比功率、最大熱效率及其對應技術(shù)的演變過程。

圖2 卡車、公共汽車用柴油機的功率、

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，推進增壓技術(shù)，增強發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)，開發(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)動機。1981 年，主流的12 L 的大型卡車用發(fā)動機上安裝慣性增壓器，以滿足小型化、高增壓、高制動平均有效壓力的需求。同時，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)動機上市了。之后，卡車、公共汽車用帶中冷器的增壓柴油機成為主流，日本的增壓技術(shù)開始快速發(fā)展。

同一時期，由于排放法規(guī)的收緊以及要求發(fā)動機具備多種功能，開發(fā)了電子計時器及電子調(diào)速器，并投放到市場，配裝TICS的柴油機卡車也上市了。利用電子控制，應對低溫起動及高寒地區(qū)補償增壓等方式控制發(fā)動機，提高進、排氣效率，同時采用四氣門技術(shù)在中心布置噴油嘴以達到改善燃燒的目的，開展了兼顧降低排放與燃油耗的技術(shù)研發(fā)。這些技術(shù)對于降低PM 中的可溶有機物(SOF) 成分，以及面向配裝DPF 車型的低灰分潤滑油的開發(fā)作出了貢獻。也對以下挑戰(zhàn)性技術(shù)進行了研究開發(fā)，包括以降低排放為目標的燃用甲醇的發(fā)動機、水噴射系統(tǒng)、以改善燃油經(jīng)濟性為目標的絕熱發(fā)動機，以及配裝可變氣門并采用米勒循環(huán)的渦輪組合式發(fā)動機等，不過這些技術(shù)均尚未達到上市銷售水平。

1.3滿足排放法規(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，強調(diào)NOx排放限值，也引進了PM 限值法規(guī)。日本電裝公司(現(xiàn)為Denso) 開發(fā)了可以設(shè)定柴油定時與噴油壓力的CRS、VGT、EGR 裝置及氧化催化器。當燃油中含硫量為0.05%時，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，考慮到可靠性，這些技術(shù)要投放市場尚需時日。

1999 年，日本開始抵制柴油車，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投放市場了，但柴油機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)的應用成為可能。還原NOx的尿素選擇性催化還原(SCR) 系統(tǒng)也開始配裝在卡車、公共汽車上。為了滿足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預混合壓縮著火(PCI)燃燒的引進

追求同時降低NOx、PM 的均質(zhì)充量壓燃(HCCI)是在PCI 方式基礎(chǔ)上進行研究開發(fā)的。在柴油機低負荷工況下，部分機型實現(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)，應用了WHTC，也引進了循環(huán)外法規(guī)，還考慮滿足實際行駛排放法規(guī)(RDE) 限值，以及降低顆粒物數(shù)量(PN) ，以期進一步發(fā)展的燃燒技術(shù)、排氣后處理技術(shù)，以及車輛的統(tǒng)一控制技術(shù)。

1997 年于京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架組織條約第三屆締約國會議后，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、公共汽車的燃油耗基礎(chǔ)上研究的相關(guān)法規(guī)。目前，最高熱效率也在按照45%的目標逐步提升，尚未達到最初熱效率25.2% 的2 倍。今后，要在降低發(fā)動機熱損失、排氣損失、泵氣損失的同時，推進降低車輛損失，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)，推進發(fā)動機及結(jié)構(gòu)的最佳化以及各要素的可變性、車輛的電動化，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，柴油機仍會作為物流業(yè)及運輸?shù)闹髁C型，期待柴油機更加高效化、低排放和低噪聲。

2轎車用柴油機

2.1轎車用柴油機的誕生

1936 年，Mercedes Benz 公司將260 型柴油機(水冷4 缸，排量2.5 L，33.56 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r /min) 首次配裝在轎車上，柴油機開始投入使用。1959 年，日本首次將當時世界上最小的C 型柴油機(4 缸，1.49 L，29.83 kW，轉(zhuǎn)速4 000 r /min) 配裝在市售的ToyoupedCrown 車上。之后，由各公司陸續(xù)開發(fā)出配裝柴油機的轎車，并上市銷售。日本在1962 年以后柴油機轎車相繼投放市場，1983 年出現(xiàn)了3 缸柴油機(排量1.0 L) 。當時，日本柴油轎車的銷售份額超過5%。

但在上世紀80 年代末期之后，柴油機轎車的發(fā)展在日本與歐洲大為不同。在歐洲，由于柴油機的CO2排放少，環(huán)保性及燃油經(jīng)濟性優(yōu)異，具備強勁的動力性能，柴油車的市場份額在持續(xù)增加(圖3) 。

圖3 柴油機轎車的銷售份額的演變

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

2.2關(guān)鍵技術(shù)

技術(shù)開發(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) 的問世、排氣后處理裝置的開發(fā)、預混合壓縮著火(PCCI) 燃燒的問世、高增壓技術(shù)的進展，并且還有各種低損失化、輕量化技術(shù)也在進一步發(fā)展( 圖4) 。

圖4 轎車用直噴柴油機技術(shù)發(fā)展趨勢

2.2.1燃燒系統(tǒng)的直噴化

至上世紀80 年代中期，轎車用柴油機采用了間接噴射式的燃燒系統(tǒng)。利用預燃燒室導致強烈氣體流動，可使燃料和空氣充分混合，以低噴射壓力的噴油系統(tǒng)實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)。但是，由于預燃燒室的存在以及激烈的氣體流動導致熱損失和燃油經(jīng)濟性差，排放也難以滿足嚴格的排放法規(guī)要求。因此，從上世紀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)問世

1995 年，由電裝公司采用實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，為柴油機帶來了技術(shù)革新。尤其是多次噴油功能，顯著地改善了排放、振動、噪聲、燃油耗等諸多性能，這也是歐洲自上世紀90 年代后半期柴油機小轎車市場份額劇增(圖3) 的原因。

2.2.3排氣后處理裝置的開發(fā)

在上世紀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)動機排放，就無法滿足2005 年以后嚴格的NOx、PM 排放法規(guī)(如歐4、日本新長期排放法規(guī)等) 的情況，開發(fā)了綜合的排氣后處理裝置。具體而言，根據(jù)車型，組合應用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，是中小型車為滿足排放的最優(yōu)選擇。另外，由于2003 年以后的輕油低含硫量化，低硫問題得到了解決。

2.2.4PCCI 燃燒方式創(chuàng)新

上世紀90 年代中期以后，探索可以同時降低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混合(UNIBUS) 燃燒，日產(chǎn)汽車公司建議的低溫預混合(MK) 燃燒方式，部分被實用化后產(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，由于存在超低負荷時失火、高負荷工況時過早著火、燃燒率過大等問題，工作區(qū)域被限定于中、低負荷工況。要實現(xiàn)PCCI 燃燒的實用化，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，主要被廣泛應用于早期噴射燃燒。

2.2.5高增壓技術(shù)的進展

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，為動力性能的顯著提高(圖4) 及排放改善作出了貢獻。從其頂部葉輪的功率/扭矩比來看，在2000 年中期，利用兩級渦輪增壓，上述比值為67/18，并在寬廣范圍獲得最大扭矩。2012 年，利用兩級增壓、3 個渦輪的增壓技術(shù)，功率與扭矩比值達到了93 /247，2008 年以后的發(fā)動機升功率超過70 kW 并在小型化方面取得進展。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)，以彌補起動性能，尤其是防止低溫下起動性能的惡化，近年來，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現(xiàn)高升功率，從1995 年時陸續(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，相關(guān)研發(fā)工作發(fā)展迅速。如利用鋁合金機體實現(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摩擦等。圖4 示出了技術(shù)發(fā)展的具體實例。

另外，利用上述革新技術(shù)應用排放對策、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，為進一步兼顧降低燃油耗和RDE 法規(guī)，并提高動力性能，PCCI 燃燒開始廣泛使用，優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，包括絕熱的熱管理等技術(shù)發(fā)展，同時最佳排氣量( 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50 年代，日本國內(nèi)的大型柴油機使用分開式燃燒室，1967 年，著力開發(fā)直噴式柴油機，1974 年開始實施大型柴油機排放法規(guī)，1981 年從自然吸氣發(fā)展到帶中冷器渦輪增壓。上世紀90 年代，進、排氣門采用四氣門技術(shù)，1995 年采用共軌式噴油系統(tǒng)。此外，近年來由于各種排氣后處理裝置的安裝，實現(xiàn)了柴油機的清潔化與熱效率提高(圖5) 。2000 年歐洲的柴油機轎車完成了技術(shù)開發(fā)。

圖5 大型柴油機排放的清潔化

與高熱效率化技術(shù)的演變

3.1柴油機燃燒與燃燒方式

3.1.1分開式燃燒室

上世紀50 年代，大型柴油機是預燃燒室方式，小型柴油機是渦流室式。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，向預燃燒室內(nèi)噴射燃油，使燃油與空氣混合后著火燃燒，由預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，也利用預燃燒室完成燃燒。

3.1.2直噴式燃燒室

1967 年，在大型柴油機上采用了向氣缸內(nèi)直接噴射燃油的直噴式燃燒技術(shù)，主力型發(fā)動機在上世紀70年代初期由分開式燃燒量向直噴式快速過渡。這是由于相比分開式燃燒室方式，直噴式?jīng)]有主室與副室的流動阻力，而且由于熱量散逸表面積少，所以熱損失少，燃油經(jīng)濟性優(yōu)異。但是，由于直噴式應該在燃油噴射的同時形成混合氣，所以需要更高的噴油壓力，形成渦流與擠氣等空氣流動，進氣道的形狀和燃燒室的形狀等要有超過傳統(tǒng)裝置的先進燃燒技術(shù)。高壓噴油減少碳煙，同時改善了燃油耗。從最高噴油壓力來看，柴油機脈動式噴油泵為60 MPa。美國在柴油機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上使用，當時的最高噴油壓力達到120 MPa。共軌式噴油系統(tǒng)將來自供油泵的高壓燃油儲存在共軌中，根據(jù)電子信號，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存在共軌中，所以燃油壓力不依賴于柴油機轉(zhuǎn)速，可以在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速范圍實現(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期實施噴油，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年達到250 MPa。

3.2增壓、進、排氣系統(tǒng)

3.2.1進、排氣門的四氣門技術(shù)

上世紀60 年代，每個氣缸裝配四氣門的技術(shù)就存在了，但只有非常少的機型使用。上世紀90 年代，各汽車制造商推進了四氣門技術(shù)的開發(fā)。四氣門技術(shù)提高發(fā)動機體積效率，降低進、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，采用了對燃燒更有利的發(fā)動機四氣門技術(shù)?；谒臍忾T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)在預燃燒室時代已經(jīng)在小部分機型上得以應用了，而日本由于山坡地段多，道路坡度大，所以，無增壓發(fā)動機更受歡迎。待到日本全國高速公路網(wǎng)建立和完善后，1981 年日本首次銷售了方便長途行駛卡車用的配渦輪增壓發(fā)動機，并且這種渦輪增壓發(fā)動機的市場銷售份額逐年增加。渦輪增壓發(fā)動機與不帶中冷器的增壓發(fā)動機相比，能夠向氣缸內(nèi)引入大量空氣，可以同時提高功率與扭矩，屬于高性能的發(fā)動機。并且，排放的碳煙及NOx少，同時燃料消耗率也低。1981 年卡車用的大型無增壓發(fā)動機的排量為15.0 L，而新渦輪增壓發(fā)動機排量減少至8.8 L。目前，增壓壓力從1981 年的大氣壓的2.5 倍達到大氣壓的3 倍。2015 年，大型柴油機上的兩級增壓已實用化，今后增壓壓力還會增加，制動平均有效壓力(BMEP) 也呈現(xiàn)增加趨勢。由于渦輪增壓發(fā)動機零部件價格偏高，所以降低成本也是急待解決的問題。

3.2.3渦輪增壓發(fā)動機的EGR 系統(tǒng)

在渦輪增壓發(fā)動機中冷卻的EGR 不會增加排放的碳煙，能夠大幅度降低排放中的NOx。如果從渦輪前位取出EGR 氣體，只依賴于高壓回路EGR，則通過排氣渦輪的排放氣體量減少，進入空氣量減少，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)零件的強化

渦輪增壓發(fā)動機由于向氣缸內(nèi)引進較多空氣進而實現(xiàn)燃燒，所以氣缸內(nèi)的最大壓力(pmax) 高，約為無增壓發(fā)動機pmax 的2 倍。因此，需要根據(jù)pmax提高氣缸蓋、機體、氣缸蓋螺栓、進、排氣門，活塞與活塞環(huán)組、活塞銷、連桿、曲軸、缸蓋密封墊片等零件的強度與耐用性，提高軸承、軸瓦(滑動軸承) 的屈服強度，尤其要提升活塞強度，因為在高增壓化條件下pmax 與熱負荷高。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度材料。歐美國家的眾多大型發(fā)動機制造商已經(jīng)向鋼制活塞過渡了。

3.4排氣后處理系統(tǒng)

在執(zhí)行2005 年的排放法規(guī)時，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，NOx限值也被調(diào)低，并出現(xiàn)了在大型柴油機上安裝SCR 的企業(yè)。此外，在中型卡車方面，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一步提高。

4測試技術(shù)

4.1空氣流動、燃油噴射、氣缸內(nèi)壓力

圖6 示出影響柴油機燃燒和性能的各個因素。其中，空氣流動與燃油噴射對柴油機燃燒性能影響最大。隨著共軌式燃油噴射系統(tǒng)及多次噴射的普及，燃油噴射率的計測方法正在從Bosch 方式向Zeuch 方式過渡。為把握燃燒狀態(tài)，必須測量氣缸內(nèi)壓力。上世紀70 年代，開發(fā)了應變儀、真空管式指示器(示壓器) 等。其中，響應性與耐用性優(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，計算熱釋放系數(shù)。

圖6 與柴油機燃燒有關(guān)的各因素

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

4.2碳煙、PM、NOx

用激光作為光源，對發(fā)動機柴油火焰內(nèi)的碳煙濃度，以及羥基(OH) 濃度等進行了圖像計測，進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70 年代開始執(zhí)行柴油機排放法規(guī)，根據(jù)氣體抽樣法與雙色法，能夠定量地測量氣缸內(nèi)的碳煙與NOx的生成與清除的過程(圖7) 。隨著排放法規(guī)的強化，廢氣排放測量精度與可靠性飛速發(fā)展。按試驗工況運轉(zhuǎn)時，排氣中的氣體成份可依照使用了稀釋風道的抽樣袋方式進行測量。DPF 中捕集的顆粒物要稱量測量。在歐洲，規(guī)定了按個數(shù)計測顆粒物的法規(guī)，顆粒物個數(shù)計量裝置成為了標準裝備。

圖7 基于氣體抽樣法與雙色法的

直接噴射式燃燒計測

作為實際行駛時的排放物測量方法，輕便型排放測量裝置(PEMS) 成為其必備的裝置，并且車載型排放測試裝置正在開發(fā)。關(guān)于碳煙測量的PEMS、激光感應音響法、帶電顆粒法、吸收光散射法等已經(jīng)上市銷售。美國加利福尼亞州規(guī)定市場銷售的柴油車要具備車載診斷系統(tǒng)(OBD) 功能，有義務診斷排氣后處理裝置發(fā)生故障的情況，并對小型傳感器件進行研發(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)象為初始應用，作為各因素對于功率、熱效率，及排放特性影響的分析，基于這些分析進行發(fā)動機設(shè)計，進而開展廣泛的應用。通過數(shù)值分析技術(shù)，可以減輕由于發(fā)動機樣機試制及反復試驗產(chǎn)生的人力及成本的負擔，能夠進行更迅速、合理的開發(fā)。

以往，根據(jù)試驗的燃油噴射及油霧顆?；?，利用噴霧熱傳遞方式等分析手段。隨著上世紀70 年代電子計算機的廣泛應用及其性能的飛躍性提高，至今，與燃燒有關(guān)的數(shù)值計算方法的優(yōu)化已取得很大進展。此外，以激光等光學計測為首的各種計測方法的進步，被有效地運用于分析結(jié)果的驗證。

5.1熱力學模型及現(xiàn)象論模型

發(fā)動機的燃燒分析的最重要目的是預測熱釋放系數(shù)( 或者燃燒率) 及燃燒壓力，從而可以求出熱效率及BMEP、振動、噪聲等性能。在電子計算機發(fā)展的初期階段，通過任意的熱釋放系數(shù)特性曲線以預測性能的“熱力學模型”被廣泛地采用了。然后，從上世紀70 年代后半期到80 年代，提出了將燃油噴霧劃分為多個區(qū)域，非穩(wěn)態(tài)地模擬了多個區(qū)域引入空氣的各種“現(xiàn)象論的模型”。由此，進氣與燃油噴射系統(tǒng)的因素，可以初步地進行各種運轉(zhuǎn)和設(shè)計條件的評價。

5.2三維計算流體動力學(CFD)燃燒模型

大多數(shù)現(xiàn)象論模型應用了在穩(wěn)態(tài)噴射中所得到的經(jīng)驗，由于物理、化學理象的描述并不充分，以至于上世紀80 年代初期，CFD 模型問世了。在此模型中，以工作氣體為對象，在歐拉坐標(系) 中，設(shè)置適當尺度的網(wǎng)格，并離散求解質(zhì)量、運動量、能量的守恒方程式的方法。而且，通常是運用適當?shù)氐奈闪髂Ｐ?，利用能夠容許的計算速度，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、排氣系統(tǒng)及氣缸內(nèi)的氣體流動特性，在如今的設(shè)計階段被作為有用的工具廣泛使用。

另外，噴射燃料顆?；?、進而分散噴霧的運動，用拉格朗日運動方程式描述，該運動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)生化學反應過程的燃燒仿真法，并獲得有效驗證。

5.3今后的發(fā)展

對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的大型渦流仿真(LES) 方法，以及最終不運用紊流模型求解的直接數(shù)值仿真方法也在嘗試之中。

利用模型試驗進行更詳細的研究，作為必要的子模型的研究對象實例，諸如由顆粒群組成的燃油噴霧的動態(tài)特性，與噴霧及氣體流動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，還有諸如與復雜的燃料成份有關(guān)的詳細反應的特定與簡化，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)動機開發(fā)現(xiàn)場看，也迫切期待通過上述模型的簡單化及高速化建模，實施綜合性能評價，并應用于發(fā)動機的匹配與控制的模型庫方法的開發(fā)。

綜上所述，如圖8 所示，預計今后會追求滿足以上需求的多種可行方法。此外，在此省略了包括發(fā)動機動力學的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及關(guān)于摩擦學領(lǐng)域的說明。不過，在這些領(lǐng)域，也可看到數(shù)值解析技術(shù)的大幅進展。

圖8 柴油機燃燒系統(tǒng)的模型試驗

的應用與作用

6企業(yè)、學校、政府聯(lián)合研究體制

作為全球的校企聯(lián)合研究的典型實例，于1956 年以德國為中心設(shè)立的FVV，引領(lǐng)了全球內(nèi)燃機的研究潮流。因此，歐洲的研究院及研究顧問(咨詢) 公司的內(nèi)燃機研究技術(shù)水平較高。另一方面，日本的汽車企業(yè)向歐洲、美國的研究機構(gòu)及企業(yè)財務投入大量資金，維持了其技術(shù)水平。不過，日本的研究院所只是單獨進行零碎的研發(fā)及接受委托研究。在此，主要考察了與柴油機有關(guān)的日本的企業(yè)、學校、政府聯(lián)合研究機構(gòu)的發(fā)展。

6.1新燃燒系統(tǒng)研究所(新ACE)

1987 年，在當時的通產(chǎn)省主持下，在日本汽車研究所(JARI) 內(nèi)，設(shè)立了新ACE(NACE) ，其目的主要是實現(xiàn)日本的大型柴油機商用車的高效率和清潔化。日本國內(nèi)的柴油車企業(yè)、零件生產(chǎn)商、政府分別投入資金，通過燃油噴射系統(tǒng)的改良(高壓化及小直徑噴油孔等) ，實現(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，以包括小型轎車用柴油機的進一步高效化與清潔化為目標，于1992 年設(shè)立了NACE，其研究工作延續(xù)至今。

6.2汽車用內(nèi)燃機技術(shù)組合(AICE)

AICE 于2014 年4 月設(shè)立，參與成員由日本9 家汽車企業(yè)與2 家研究機構(gòu)組成，日本國內(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，主要是日本國內(nèi)的研究院所。

2009 年，在汽車技術(shù)會內(nèi)的汽車企業(yè)由于對歐洲發(fā)展態(tài)勢普遍具有危機感，致使非競爭領(lǐng)域的企業(yè)財團開始了討論并形成2 大流派，一個是柴油機排氣后處理流派，另一個是汽油機設(shè)計標準流派，將這兩個流派歸結(jié)為一個流派，是AICE 的建立的初衷。目前，受到經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的補助金資助項目名為“關(guān)于清潔型柴油機技術(shù)的深入研究開發(fā)”的委托，作為柴油機排氣后處理技術(shù)的高端研究，AICE 正在推進6 個研究課題的研究。

SIP 創(chuàng)新燃燒設(shè)置有汽油機燃燒、柴油機燃燒、控制、降低損失等4 個研究小組。此外，作為眾多研究人員可以有效利用的共用研究基地，即開放實驗室的建立也在推進中，柴油機燃燒研究小組用開放實驗室設(shè)置在堀場制作所場地內(nèi)，準備工作正在進行中。

7結(jié)語

縱觀汽車用動力源近百年的發(fā)展史，今天的柴油機是技術(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)燃機技術(shù)仍有開發(fā)潛力。