轿车柴油机
第3期(总第127期) 车 用 发 动 机No. 3(Serial No. 127)
2000年6月 VE HIC LE ENGINE Jun. 2000
#综合评述#
轿车柴油机
Diesel Engine for Passenger Car
吴建全 任继文 (山西车用发动机研究所) 卜晓明 (黑龙江财政厅汽修管理中心)
摘要 概述了轿车柴油机的发展历史和技术现状, 介绍了国外典型产品的特点和技术参数以及轿车柴油机在国外的市场销售状况, 预测了轿车柴油机的发展趋势, 提出了我国发展轿车柴油机的策略建议。 关键词:轿车柴油机 发展历史 技术现状 发展趋势 对策 中图分类号:TK42
随着城市车辆的增多, 废气排放对大气环境的污染越来越严重, 特别是CO 2排放产生的温室效应使全球变暖的趋势日益明显。世界各国为了保护环境, 相继制定了严格的排放法规, 并日渐强化。为了满足苛刻的排放法规要求和有效地减少CO 2排放, 欧美及日本等发达国家正在大力发展燃油经济性较好、有害气体和C O 2排放较少的柴油机轿车, 并竭力挖掘柴油机的潜力, 最大限度地降低油耗。90年代初, 在欧洲出现了/3L 轿车0热, 即平均车速为90km /h 时, 轿车的100km 体积油耗仅为3L 。1992年, 美国成立了一个新一代车辆联合体(PNGV), 其目标是推动经济轿车的开发, 每4. 55L (一加仑) 燃油行驶128km 。
目前, 轿车柴油机已经具备了与汽油机相抗衡的实力, 功率更高, 性能更好, 噪声更低, 排放更少, 成为满足未来排放法规的杀手锏。轿车柴油机正以前所未有的气势席卷欧洲大陆, 吞噬着轿车汽油机的市场份额。轿车柴油机化正在成为世界潮流。
斯) 苯茨公司和Hanomag 公司开始研制轿车柴油机; 1935年初, 雪铁龙公司率先推出了Rosalie 牌柴油机轿车; 次年, 梅塞德斯) 苯茨公司和Hanoma g 公司也分别推出了Mercedes 260D 柴油机轿车和Hanomag 1. 6柴油机轿车。
尽管初期柴油机轿车的功率输出很差, 如雪铁龙公司的1. 7L 柴油机的功率输出只有20kW, 苯茨公司的2. 6L 柴油机的功率输出也不过是33. 6kW, 但人们还是认可它具有的高效率和低燃油消耗。在50年代末和60年代初, 对石油储量下降的担忧又一次掀起了轿车柴油机的开发热。奥斯汀公司、菲亚特公司和标致公司分别推出了以柴油机为动力的轿车。70年代的两次/能源危机0导致柴油机轿车的市场销量激增, 也促成更多的厂家从事轿车柴油机的研究开发。美国的汽车制造商起步较晚, 在1973年后才开始研究轿车柴油机。70年代末, VM 公司推出了2. 4L 轿车用涡轮增压柴油机。由于非直喷式柴油机噪声小, 运行平稳, 制造成本较低, 所以当时的轿车柴油机基本上采用非直喷式。尽管人们已经认识到直喷式柴油机较非直喷式柴油机有更高的效率, 但由于缺乏合适的喷油系统, 加之在升功率输出和烟度排放方面还不如人意, 因此, 直喷式柴油机在轿车上的应用相对较晚。
随着燃油喷射研究的进展和相关产品的出现, 直喷式柴油机开始步入轿车领域。1986年, 菲亚特公司率先在其克罗马(Croma) 轿车上采用了1. 9L 、4缸直喷式柴油机, 罗孚(Rover) 公司也同时在其奥斯汀#蒙泰哥(AustinMontogo ) 轿车上采用了珀金斯公司的2. 0L 直喷式柴油机。正是从那时起, 直喷
1 轿车柴油机的发展史
世界上第一台柴油机是1893年8月10日诞生
的。由于柴油机在扭矩和油耗方面比汽油机具有明显的优势, 所以, 30多年后在卡车运输领域里得到了广泛的应用。随着车辆的迅速增加, 石油资源的消耗也迅速增长, 这就迫使人们不得不关注全球的石油储量和节能问题, 并由此激发了对柴油机的进一步开发应用。1922年, 标致公司用一台11kW 的二行程柴油机在标致156型轿车上进行了装车试验; 1932年, 法国雪铁龙公司以及德国的梅塞德
收稿日期:2000-04-18
:,
# 2 # 车 用 发 动 机 2000年第3期
式柴油机才真正体现了其良好的燃油经济性。但是, 与非直喷式柴油机相比, 直喷式柴油机还存在噪声大、颗粒和NO x 排放高的问题。为了提高轿车柴油机的市场竞争能力, 在提高升功率、降低振动和噪声、减少排放等方面进行了不断的改进。具体措施包括研制具有高喷射压力的电控喷油系统, 采用4气门技术和喷油器垂直中置的燃烧系统, 匹配涡轮增压器和中冷器等。由此, 轿车柴油机进入了蓬勃发展时期。1991年, 德国大众公司推出了最具现代特色的1. 9L 涡轮增压中冷直喷式轿车柴油机(TDI)。随后, 梅塞德斯) 苯茨公司、欧宝公司和雷诺集团也先后推出了各自的轿车用直喷式柴油机。1997年, 菲亚特公司在世界上首次推出了采用共轨式燃油系统的1. 9JTD 直喷式柴油机, 昭示轿车柴油机已经跨入了一个新的时代。
子控制、废气再循环和排气后处理等技术, 可以明显改善颗粒和NO x 排放。
2. 4 噪声
非直喷式柴油机的噪声已降低到同档功率汽油机的水平; 直喷式柴油机通过电子控制喷油正时和废气再循环, 采用双弹簧喷油器进行预喷等手段可大幅度降低噪声, 达到可比汽油机的噪声水平。2. 5 使用性能与寿命
最新的欧洲柴油机轿车与汽油机轿车相比已没有多少区别, 起动一样快, 加速性相同甚至更好。柴油机的使用寿命一般是汽油机的1. 5倍。
3 现代轿车柴油机的特点
Ó升功率基本上达到33kW/L~43kW/L, 接近现代汽油机的水平。现代涡轮增压中冷直喷式柴油机升功率已超过40kW/L,采用4气门技术后可逼近甚至超过50kW /L 。如奥迪公司的2. 5L V6和3. 3L V8直喷式柴油机的升功率分别达到53. 6kW/L 和50. 5kW/L 。
Ó扭矩储备系数普遍达到了0. 15~0. 35, 最大超过0. 40, 而且产生高扭矩的转速范围越来越宽, 特别是可变谐振进气技术的应用(如苯茨公司的OM606) , 使高扭矩转速范围达到工作转速的50%以上。
Ó标定转速高, 直喷式轿车柴油机基本在4000r/min 以上; 大众公司采用泵喷嘴的1. 9L TDI 柴油机的标定转速达到了5000r/min 。
Ó强化程度高, 最大平均有效压力已经达到1. 7MPa 。如AVL 公司研制的2L 、直列4缸、低排放涡轮增压柴油机最大平均有效压力达到1. 7MPa 。
Ó喷油压力高, 目前的共轨式燃油系统喷油压力为135MPa, 最新电控径向柱塞式分配泵(如Bosch VP44) 可达到185MPa 。
Ó噪声低, 基本满足欧洲关于轿车的噪声法规。如福特公司的DIATA 柴油机在机外1m 处的噪声不到86dB, 装在车上的驶过噪声不超过74dB 。Ó燃油耗低, 最低燃油消耗率达到198g/(kW #h) , 标定功率时的油耗为204g/(kW #h) 。
Ó排放少, 90年代初的轿车柴油机都达到了欧Ò排放标准, 90年代中后期的轿车柴油机接近或达到了欧Ó排放标准。
2 柴油机轿车与汽油机轿车的性能比较
2. 1 经济性
尽管柴油机轿车的初置费用较高, 但其燃油经济性比汽油机高30%左右(见图1) , Audi V6TDI 柴油机一次加油可以行驶1000km 以上; 加之柴油的价格也比汽油便宜, 因此, 经过一定里程的使用后, 柴油机轿车加初置费在内的成本费用就会明显
低于汽油机轿车。
图1 欧洲轿车燃油耗
2. 2 可靠性
由于柴油机没有点火系统和分电器, 减少了故障发生概率, 因而具有比汽油机更高的使用可靠性。2. 3 排放
柴油机的CO 2排放比汽油机低20%, HC 和CO 排放约是汽油机的10%~17%, 只是颗粒和NO x 排放比汽油机严重。现代轿车柴油机通过优化燃烧4 轿车柴油机的排放限值
2000年6月 吴建全等:轿车柴油机 # 3# 表1 美国联邦和加州柴油机轿车按FTP 循环测试的排放限值1) g/mile
5a /5@104mile
排 放 级 别
实施年份
NO x 1. 00. 42)
CO
NMHC 或NMOG
联 邦
Tier 0Tier 1Tier 2Tier 0Tier 1加 州
TLEV (过渡低排放汽车) LEV (低排放汽车) ULEV (超低排放汽车) ZEV (零排放汽车)
1991~19971994~20032003~~19961993~20031994~1997~1997~2003~
1. 00. 40. 40. 20. 20. 0
3. 43. 43. 48. 33. 43. 43. 41. 70. 0
) 0. 250. 1250. 460. 250. 1250. 0750. 040. 0
0. 080. 08) ) ) 0. 0
1. 00. 60. 30. 30. 0
4. 24. 24. 22. 1
0. 310. 1560. 0900. 0550. 0
0. 080. 080. 080. 040. 0
0. 20. 08
0. 63) 0. 2
4. 21. 7
0. 310. 125
0. 100. 08
P M
NO x
CO
10a /105mile
N MHC 或N MOG
P M
1) 由于是美国标准, 原文引用, 采用了非法定计量单位。 2) 2003年前为1. 0。 3) 2003年前为1. 25。
表2 欧洲和日本柴油机轿车排放限值标准
标 准
欧Ò
欧 洲
欧Ó欧Ô
日本 注
1欧洲按MVEG 试验测试。 2日本按10/15工况试验测试。
实施年份[***********]00
NO x ) 0. 500. 250. 600. 40
CO 1. 00. 60. 52. 12. 1
HC+NO x
0. 900. 560. 30) )
0. 070. 400. 40HC
g/km
PM 0. 10. 050. 025 0. 20 0. 08
排放法规最严格的国家; 其中, 加利福尼亚州的排放法规最为严厉。欧洲和日本排放法规中的许多内容是借鉴美国排放法规制定的。
美国现行有两种排放法规, 即联邦排放法规和加州排放法规。排放控制指标包括:THC(总碳氢) 、THC E(总碳氢当量) 、NMHC(非甲烷碳氢) 、NMHCE (非甲烷碳氢当量) 、NMOG(非甲烷有机气体) 、CO 、NO x 、PM(颗粒) 和HCHO(甲醛) 等。以8@10km 和16@10km 行驶里程为限, 规定了两个档次的限值指标。行驶8@104km 后的排放限值与新车相同, 行驶16@104km 后的排放限值略宽松。
1992年, 欧洲共同体首次规定了颗粒排放限值, 此后又制定了控制CO 2排放的指导方针草案(, 24
4
量降为120g/km 。
此外, 对轿车噪声也有严格要求。目前, 欧共体、美国和日本现行的轿车噪声A 声级限值分别为76dB 、82dB 和78dB 。
5 轿车柴油机的技术现状
现代轿车柴油机普遍采用了直喷式燃烧室、4气门、高压喷射、涡轮增压和中冷、电控、废气再循环和氧化催化器等先进技术, 有的甚至采用了柔性空气控制(可变几何涡轮) 和动态调谐E GR, 使燃烧更完全, 燃油经济性更好, 排放更低, 噪声、振动和行驶不平顺性(NVH)得到明显的改善。图2为高速直喷式柴油机技术演变与欧洲各阶段排放法规之间的关系。
# 4 # 车 用 发 动 机 2000年第3期
5. 1 电子控制
轿车柴油机电控技术的发展始于80年代初期。1982年, 丰田公司为皇冠轿车开发的2L ) TE 柴油机就采用了电控分配泵。随着对柴油机轿车舒适性、燃油耗及环境保护要求的不断提高, 电控技术的应用范围进一步扩大, 并有了长足的进步。目前, 50%~80%的喷油系统采用了电控技术。
换成机械信号, 控制排气再循环阀、螺旋式进气压力阀、输油调节器、断油阀以及起动喷油阀。5. 2 燃烧室
轿车柴油机所采用的燃烧室型式有涡流室式、
预燃室式和直喷式等3种, 这几种燃烧室各有所长。涡流室式和预燃室式具有较低的NO x 排放和燃烧噪声, 直喷式则具有较好的燃油经济性。与涡流室式和预燃室式相比, 直喷式的燃油消耗率降低15%~20%, C O 2排放减少21%。
早期的轿车柴油机较多采用涡流室式或预燃室式燃烧室。但随着现代电控技术和直喷燃烧技术的迅猛发展, 直喷式柴油机的NO x 排放和噪声得到了妥善解决, 更加坚定了直喷式燃烧技术的优越地位。采用直喷式燃烧室已经成为现代轿车柴油机的重要标志, 也是4行程柴油机达到欧Ó、欧Ô标准的必备手段。
国外各厂家推出轿车柴油机时, 在燃烧室选型方面综合考虑了排放、噪声和价格因素。在欧Ñ阶段, 为了避免采用昂贵的电子控制系统和复杂的机内外净化技术, 采用了涡流室式燃烧室或预燃室式燃烧室, 以牺牲部分燃油经济性来换取较低的造价。随着排放法规的日趋严格和世界各国对CO 2排放的重视, 对轿车柴油机的燃油经济性提出了更高的要求, 采用直喷式燃烧室也就成了轿车柴油机的必然途径。从西欧轿车柴油机市场来看, 直喷式柴油机所占的比例在1994年和1997年分别达到了26%和44%, 预计2000年将达到72%, 而2003年将会达到82%(见图3) 。
第二代:2气门/缸、较简单的EGR 、标准分配泵、电控、氧化催化器
第三代:2或4气门/缸、动态调谐EGR 、高喷射压力、质量流量控制(放气阀) 、电控、氧化催化器
第四代:4气门/缸、新型喷油装置、冷却EGR 、氧化催化器
图2 欧洲排放法规和高速直喷式柴油机的发展潜力
现代轿车柴油机电子控制的内容主要有最佳喷油量控制、最佳喷油正时控制、喷油压力控制、喷油率曲线类型控制、排气再循环控制、增压压力控制、电热塞通电时间控制和自诊断等。其中, 最重要的是燃油系统的控制。目前最先进的电子控制系统是共轨式燃油系统。
在欧洲排放法规的演变过程中, 轿车柴油机的电控内容也不断发生着变化。对直喷式柴油机来说, 最初仅对喷油量、喷油正时和喷射压力进行电控; 此后, 随着排放限值的日趋严格, 逐步开始对增压压力和废气再循环以及氧化催化器等进行电子控制, 最终实现了直喷式柴油机的全电子控制。
德国大众公司在90年代初推出的1. 9L 涡轮增压直喷式柴油机(TDI) 就是现代电控轿车柴油机的杰出典范, 其电控系统能够实时监测轿车柴油机的转速波动并选择性地校正各缸喷油量, 降低转速的波动性, 实现平稳和低噪声运转, 提高车辆的驾驶舒适性; 数字处理器依据约25条特性曲线和图表,
, 图3 西欧轿车柴油机的发展情况
在众多产品中, 中间凸起的浅盆式X 型燃烧室
最为常用。此外, 许多厂家在开发新产品时对直喷式燃烧室进行了进一步优化, 推出了颇具特色的燃烧室结构, 如马自达公司的FR 直喷式柴油机采用了/双反向卷流燃烧室(VOD)0(见图4) 。
2000年6月 吴建全等:轿车柴油机 # 5#
泵。该泵采用高速高压电磁阀控制, 喷油量调节非常迅速; 同时, 该泵具有很高的液压效率, 提高了喷油嘴端的燃油雾化能量。与其前身相比, VP30型分配泵的嘴端压力提高了38%。专为满足欧Ó排放
标准而研制的福特Focus 轿车用1. 8L 4缸涡轮增压中冷柴油机上就首先采用了VP30型分配泵。
图4 双反向卷流燃烧室(DOV)
共轨式燃油系统是最近几年才发展起来的第3代燃油系统, 其喷油压力与喷油量无关, 也不受发动机负荷和转速的影响, 能根据要求任意改变压力水平, 使NO x 和颗粒排放都大大降低。该系统通过快速电磁阀实现对预喷油量、主喷油量、预喷间隔、喷油正时和喷油速率的柔性控制和精确控制。喷油压力调节范围为15MPa~135MPa, 最小预喷油量为1mm /循环~2m m /循环。共轨式燃油系统与4气门技术和涡轮增压技术相结合, 能满足欧Ó排放标准。
泵喷嘴系统是一个带电磁阀控制组件的单体系统。通过机械) 液压蓄压阀的控制, 可实现分段式预喷射。该系统的最高喷射压力目前达到了205MPa 。最新的1. 9L TDI 柴油机采用泵喷嘴系统后, 功率从81kW 提高到86kW 。
双弹簧喷油器可以降低初期喷油速率, 抑制了气缸压力升高率, 是降低低速、低负荷时燃烧噪声的有效方案。利用双弹簧喷油器可在低速区降低燃烧噪声8dB 左右。
5. 5 增压及增压中冷
采用涡轮增压和涡轮增压中冷技术可以增加进气量, 改善燃烧, 提高升功率, 降低碳烟颗粒和NO x 排放。同时, 由于增压后充量温度提高, 使滞燃期缩短, 降低了燃烧噪声。
增压技术可以显著改善柴油机在中、低速下的扭矩特性。将直喷式柴油机由自然吸气式改成增压中冷后, 最大功率和最大扭矩均可提高50%左右。1994年, 奥迪公司91%的轿车柴油机采用了涡轮增压中冷技术。1997年, 在所有直喷式轿车柴油机中涡轮增压机型所占的比例达到44%。
目前越来越多的轿车柴油机采用了可变截面涡轮增压器。这种增压器能根据发动机工况的变化实时调节导向叶片角度, 改变涡轮喷嘴环横截面积, 从而实现进气量的动态调节。采用可变截面涡轮增压器不仅可以改进发动机额定工况点附近的效率, 而且还可以改进发动机整个特性曲线范围内的增压压力, 提高低速区的扭矩, 改善起动性能和低速区域的3
3
5. 3 4气门技术
采用4气门结构不仅可以减少换气损失, 提高充气效率, 还可以将燃烧室设计成对称布置, 把喷油器垂直布置在气缸中央, 使多孔油束分布均匀, 促进燃油和空气的良好混合, 有助于燃油的充分燃烧。同时, 在4气门气缸盖上可以将进气道设计成两个独立的具有不同形状的结构, 以实现可变涡流。所有这些因素的协调配合, 可以极大地提高混合气品质, 改善燃烧过程, 提高升功率, 有效地降低颗粒、HC 和NO x 排放。此外, 中心布置的燃烧室可以使活塞的热负荷均匀分布。
4气门直喷式柴油机能实现较高的强化水平, 其平均有效压力可达到1. 7MPa, 而涡流室式柴油机仅为0. 8MPa~1. 2MPa 。与2气门直喷式柴油机相比, 4气门直喷式可以显著地降低HC 、NO x 和颗粒排放。
5. 4 燃油系统
提高燃油喷射压力, 可以改善直喷式柴油机的燃油雾化效果, 促进混合气的形成和充分燃烧, 降低油耗和排放。十几年来, 提高喷油压力一直被作为直喷式柴油机降低排放的制胜法宝。目前的高压燃油系统主要有电控径向柱塞式分配泵、共轨式燃油系统和泵喷嘴系统等3种。从总体来看, 这几种燃油系统都具备了预喷射能力。
预喷射可以缩短滞燃期, 减缓燃烧室内的温度和压力上升速率, 从而降低柴油机燃烧噪声和NO x 排放。预喷射可降低燃烧噪声达5. 5dB~6. 5dB 。
目前应用较广是电控分配泵, 借助于双弹簧喷油器进行预喷射, 属第二代燃油系统。1996年开始投入使用的B osch VP44型径向柱塞式分配泵采用电磁阀控制燃油喷射, 其泵端压力达到100MPa, 嘴端喷油压力达到了180MPa, 日产公司的YD25DDT 柴油机就采用了这种泵。最新Audi V62. 5L 增压直喷式柴油机采用的Bosch VP44型喷油泵喷油压力达到了185MPa 。1998年, Bosch 公司推出了VP37
# 6 # 车 用 发 动 机 2000年第3期
5. 6 喷油嘴
现代直喷式轿车柴油机普遍采用了5孔或6孔喷油嘴, 喷孔直径日趋减小。其目的是为了有利于燃油雾化, 使燃油颗粒更细小, 分布更均匀, 进而改善燃烧。目前最小喷孔直径可以达到0. 124m m 。5. 7 进气道
通过进气道涡流的可变调节, 可以使柴油机在整个转速范围内都可获得与其工作过程相匹配的涡流强度, 明显改善直喷式柴油机的燃烧和排放。现代直喷式轿车柴油机越来越多地采用了可变涡流进气道, 如福特公司的DI ATA 柴油机、GME 公司的E -COTEC 系列柴油机、AVL 公司的LEADER 柴油机和日产公司的YD 系列柴油机。其结构型式是每缸具有一个长的螺旋进气道和一个短的切向进气道, 通过切向进气道内控制阀的开/闭来调节涡流强弱(见图5) 。在柴油机低速运行时, 控制阀关闭, 只从螺旋进气道进气, 涡流强度大幅度提高; 高速运行时, 控制阀开启, 两个气道同时供气, 既增大了进气量又
降低了涡流强度。
净化的效率受燃油含S 量的影响, 因为废气中的S 分会促使催化剂老化。
采用氧化催化器降低有害排放量的多少取决于所能达到的催化器涂层技术, 也就是催化剂的温度水平。采用最新技术的氧化催化器能降低HC 排放50%~80%, 降低CO 排放40%~70%, 降低NO x 排放10%~20%, 降低颗粒排放30%~40%。5. 10 碳烟过滤器
采用碳烟过滤器可以有效地减少轿车柴油机的烟度和颗粒排放, 是满足欧Ó以上排放法规的重要手段。碳烟过滤器一般用陶瓷材料制成, 使用一段时间后会产生积碳, 从而降低净化效率, 所以需要加热再生。常用的加热方法有两种, 即电加热和油加热。
5. 11 燃油品质
柴油的十六烷值直接影响到柴油机的碳烟和NO x 排放, 并对柴油机的冷起动性能有着重要影响。减少柴油中的多环芳烃和含S 量可以降低颗粒与有毒的多环芳烃的排放, 同时, 还可以减少废气中的S 对氧化催化器的损坏, 提高净化效率, 延长氧化催化器的使用寿命。此外, 低品质的燃油可能会造成小孔径喷油嘴堵塞, 影响燃油雾化效果。
在一台涡轮增压中冷柴油机上的试验表明, 采用低芳烃(体积浓度小于5%) 和低S(质量浓度小于0. 003%) 的燃油替代现有基准燃油, HC 、CO 和NO x 排放可降低10%左右, 颗粒排放降低约40%。
(未完待续)
图5 可变涡流进气道
(编辑 李建新)
5. 8 废气再循环
将排气管排出的废气的一部分送回气缸, 可有效地降低燃烧温度, 减少NO x 的形成。同时, 废气再循环使进气温度提高, 滞燃期缩短, 也具有降低燃烧噪声的作用。废气再循环已成为轿车柴油机降低NO x 排放的最常用的技术。为了更有效地降低NO x 排放, 有的产品还对废气再循环采取了冷却措施, 如BMW 公司的V 8柴油机对再循环废气进行了水冷却。
5. 9 排气后处理技术
采用氧化催化器是降低轿车柴油机HC 和CO 排放的有效措施。目前所使用的氧化催化器多为整体式催化器, 其陶瓷载体上涂有一层Al 2O 3中间层, 中间层上又涂上金属Pt 。通过气态HC 、CO 的氧化下期要目预告
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