满足欧Ⅴ排放标准的轿车

第５期（总第１６５期）

２００６年ｌｏ月

车用发动机

ＶＥＨＩＣＩ．ＥＥＮＧＩＮＥ

Ｎｏ．５（ＳｅｒｉａｌＮｏ．１６５）

Ｏｃｔ．２００６

满足欧Ｖ排放标准的轿车主流动力

孙割萍，汤兆平

（华东交通走学机电工程学院，江西南昌

３３００１３）

摘要：通过对汽油机、柴油机厦其他新型轿车动力作最新动态的分析和比较，预测满足未来欧Ｖ排放标准的轿

车主流动力为新型高清洁罐色柴油机ｌ井从燃油喷射枝木、着火技术、中冷技术、燃烧过程咀覆后处理技术等方面

论述丁新型睾油机的先进性｝随着排最法规的不断严格以聂世界石油危机的加剧，预测混合毒力和Ｈ。燃井电池将

套在适当的时期成为轿车主流动力。

关键词：柴油机；汽油机；混合动力；欧Ｖ；排放标准中围分类号：ＴＫ４２１．５

文献标志码：Ａ

文章编号：１００１—２２２２（２００６）０５

００１２—０４

２００５年７月，欧盟委员会就新的汽车尾气排放劣势是耗油较高。与柴油机轿车相比，同等排量的汽油机轿车每行驶１００ｋｍ多耗燃油２Ｉ，～３Ｌ＿１“。通过技术改造（如采用缸内直喷），其燃油效率只能

标准——欧Ｖ标准征询意见。酝酿中的欧Ｖ标准将

于２００８年实施。据此，柴油机汽车尾气排放的ＰＭ须限制在５ｍｇ／ｋｍ以内，比欧Ⅳ标准降低了８０％，ＮＯ。的排放量也较欧Ⅳ降低了２０％；同时，该标准还将汽油机汽车的ＮＯ，和ＨＣ排放量降低了２５％。

提高１２％～１５％，仅为柴油机提高量的ｌ／２～１／３。高油耗将是汽油机技术进一步发展的致命缺陷，未来它不可能像预期的那样兴旺起来。

１．２柴油机

目前，柴油机轿车有６大优点，即节能、经济、环保、动力性好、安全性较好及耐用。相同情况下，柴油机比汽油机节油１５％～３０％；柴油机的热效率为

２００５年２月，旨在遏制全球变暖的《京都议定书》正式生效，其中规定，附件中的３８个发达国家必须在

２００８年至２０１２年间。将温室气体的排放量在１９９０年的基础上降低５．２％。

当前世界能源短缺，以目前的年消费需求计，现有储量仅可满足４１年。谁在未来拥有能源，谁将掌握工业的主动权；谁在节约能源方面有所创新，谁将主宰未来的广阔市场。

２１世纪的汽车工业直接牵系着环境和能源两大主题，汽油机、柴油机以及以压缩天然气（ＣＮＧ）

３５％～４５％，其燃料能量密度在日常燃料中最高，比液化天然气高出近ｌ倍，比汽油高出１０蹦以上。柴油机的ＣＯｔ排放平均比汽油机低３０％～３５％；ＣＯ

的排放为汽油机的１％，为液化气发动机的２％，ＨＣ排放也相对较少，ＮＯ。排放量与汽油机差不

多，排出的ＰＭ则相对较多。相同标定功率的柴油机扭矩大，最大功率时的转速低，为汽车提供

了更好的使用性能。柴油机大修里程可达

５０×１０４ｋｍ以上，而汽油机只有其一半。“绿色柴

等为代表的新型动力究竟谁能执耳今后ｌｏ年汽车

工业的发展方向，引起了世界汽车行业的广泛争论。

１典型轿车动力的比较

目前，轿车动力中的汽油机、柴油机、气体燃料发动机、混合动力及燃料电池等典型动力的优劣倍

受关注。

１．１

油机”副主席兼中国ＡＶＬ公司总裁ＭｉｃｈａｅｌＬａｓｋｅ

先生说：“当今柴油机技术的进步使其变得前所未有

的平滑、低噪声且更加干净。在降噪和制造工艺方面，柴油机和汽油机驱动的小汽车几乎无明显区别”。

汽油机

汽油机的优点在于体积小，质量轻，起动性好，

欧洲是轿车柴油化程度较高的区域。据欧盟的统计，２００３年欧洲柴油机轿车的销量增加到６３０万

台，几乎是ｌ９９８年的２倍，占新车销量的４４％｝柴

提速和速度特性优于柴油机，最大功率时的转速高，

工作中振动及噪声小，驾驶舒适，价格便宜；其最大

收稿日期：２００６一０４—１８；惨回日期：２００６一。８—１４

作者藩介：孙剑萍（１９７１）＇女，江西省南昌市人，副教授．在读硕士．丰要从事柴油机燃烧过程及排放控制研究

２００６年１０月孙剑萍，等：满足欧Ｖ排放标准轿车的主流动力

油机轿车在奥地利的市场占有率已达７２．２％，法国为６７．３％，德国为５０％。目前，欧洲９０％以上的出租车和租赁车辆都采用柴油机为动力。美国近年也在大力推广柴油机轿车，到２０１０年柴油机轿车比例力争达到欧洲同等水平。１．３其他动力

以ＣＮＧ、液化石油气、醇、醚、生物燃料、混台动

力、Ｈ。燃料电池等为代表的新型动力虽然发展前景很好，能解决世界石油危机问题，但目前或多或少都存在一些难以解决的的技术性问题０１，如ＣＮＧ汽车排放的超微ＰＭ对人体健康影响很大，也会大大增加ＣＯｚ的排放量，并有更多的甲烷泄漏到大气中去；混合动力轿车构造复杂，成本较高，目前，每辆混合动力轿车约比同类普通轿车成本高出４０００美元至

５

０００美元｝Ｈｚ燃料电池轿车的电池能量密度与柴油

相比差上百倍，电池技术问题阻碍了电动轿车的应

用。短期内，其他动力系统还不可能替代内燃机。

世界性石油危机和环保方匿的要求极大地促进

了非汽油能源车的发展。全世界柴油机轿车销售数量，从２００３年的１２５０万辆预计将增长到２０１５年的２７００万辆。国际权威咨询机构Ｊ・Ｄ・Ｐｏｗｅｒ预

测，２１世纪初是柴油机轿车的年代；满足未来欧Ｖ排放标准轿车的主流动力应该是新型高清洁绿色柴

油机。２

未来新型高清洁柴油机技术

随着直喷技术的突破性进展，柴油机在功率密

度和噪声方面可与汽油机相媲美，从而为轿车柴油

机化奠定了基础。柴油机能源消耗仅为汽油机的４５％～６０％，ＣＯ。的排放量为汽油机的６５％～７０％。良好的燃油经济性和环境效益，又为柴油机

轿车进一步扩大市场份额提供了保证。尤其是近年

来，直喷式柴油机、先进的涡轮增压技术、共轨喷射

技术、废气再循环（ＥＧＲ）技术以及柴油机的尾气后处理技术的快速发展与成功应用，将使柴油机成为未来更清洁、更经济轿车的主流动力。

２．１先进的燃油喷射技术

高压共轨柴油直喷技术（ＣＲＤＩ）是继涡轮增压

直喷（ＴＤＩ）、自然吸气直喷（ＳＤＩ）技术之后，柴油机研发史上的又一创新。压力放大活塞共轨系统

（ＡＰＣＲＳ）和压电式（Ｐｉｅｚｏ）喷油嘴是共轨技术的发

展方向”。５Ｊ。

２．１．１

ＡＰＣＲＳ

１９９７年，梅赛德斯一奔驰采用博世的共轨直喷技术（ＣＤＩ）开创了轿车柴油机技术的新纪元。２００２

年、２００４年博世又相继推出ｒ第２代和第３代共轨

直喷技术，使轿车的驾驶性能、燃油消耗量和排放得到了进一步改进。

目前，正在研制的第４代共轨系统——ＡＰＣＲＳ，

也称电控液力放大共轨系统。这种新式燃油系统把单体泵／泵喷嘴的最大喷射压力与共轨系统的供油精

确调节喷射过程有机地结合起来，其主要技术在于采用了先进的阶梯活塞式液力加压器，能将共轨系统中

不高于１００ＭＰａ的压力转化成高达２４０ＭＰａ左右的

喷嘴压力。普通共轨系统要达到如此高的喷油嘴压

力，则必须要求蓄压器内始终保持２４０ＭＰａ的高压，且在不同工况下，无法作出调整。

ＡＰＣＲＳ则具有随工况变化自动调整压力的功能，如在大多数低速低负荷、预喷射、靴形主喷射初

期及远后喷射时压力放大器不工作（处于旁通状态），喷油器接收到的是小于１００ＭＰａ的压力；而在

需要其工作时，如靴形主喷射、近后喷射时，传感器

（监控发动机速度／负荷条件）发出指令，安装在每个

喷油器上部的线圈便产生动作，转换油路，使压力放

大器开始工作，从而产生一个作用于阶梯活塞上部的推力，由于活塞Ｆ部的横截面积约为上部的

４０％，因此，压力约放大２．５倍。这种具有高度柔性

的燃油喷射系统，可与柴油机的运转工况达到最佳

的匹配．从而降低了排放和燃油消耗量。

２００４年，德尔福公司推出了双电磁阀一电子

单体泵喷嘴系统（Ｅ３一ＥｕＩ），其可变性与博世公司的ＡＰＣＲＳ系统相类似。此外，西门子公司、电装公

司、ＶＤＯ公司和玛格纳一马瑞利公司也是全球主要

的共轨燃油喷射系统供应商。

２．１．２

Ｐｉｅｚｏ喷油嘴

研发性能优异的喷油嘴是汽车工业开发的重点，好的喷油嘴可大大增加汽车行驶里程，降低排污量。

２００４年，巴黎车展中的ＴｏｙｏｔａＤ一４Ｔ）１８０超低污柴油新动力概念车采用新式Ｐｉｅｚｏ喷油嘴，排

放量低于欧Ⅳ标准规定限值的５０％～８０％。

２００５年春季，戴姆勒一克莱斯勒发布的新型Ｖ６柴油机，使用了Ｐｉｅｚｏ喷油嘴组件激励器，喷射

器的喷射压力为１８０ＭＰａ，压缩比为１８：１，最大输出功率为１６５ｋＷ，最大扭矩为５１０Ｎ・ｍ。最大输出功率提高了３８％，即使不配备ＤＰＦ（柴油机ＰＭ过滤器）也可达到欧Ｉｖ标准。

目前，Ｐｉｅｚｏ喷油嘴在欧｛Ｉ｝ｌ已广泛用于柴油机。奥迪Ａ８

４．２

ＴＤＩｑｕａｔｔｒｏ采用Ｐｉｅｚｏ直列喷油嘴，

车用发动机

２００６年第５期

其电激励压电晶体起着驱动喷油嘴的功能。当对这种晶体加载电压时，晶体收缩并在液压组件的辅助下打开喷油嘴，燃料通过８孔喷油嘴均匀喷人燃烧室，减少了废气排放。每个燃烧循环的喷油过程几乎可以随心所欲地调节。与传统的螺线管阀相比，Ｐｉｅｚｏ直列喷油嘴运动部件质量减少了７５跖，喷油嘴质量从１６ｇ减为４ｇ。这样，有利于精确输送少量的燃油，也加快了喷嘴针阀运动的速度。

博世公司正在开发响应速度更快、喷孔直径更小的Ｐｉｅｚｏ共轨系统喷油嘴，能使发动机排放再降低２０％，满足未来的欧Ｖ排放标准。２．２均质充■压缩点燃（ＨＣＣＩ）

ＨｃＣＩ是燃烧技术领域的一个热门话题，均匀的稀混合气可以减少Ｎｑ的形成。如果燃烧过程优化之后，柴油燃烧时根本不产生Ｎｑ和ＰＭ，那将为柴油机的发展打开一扇光明的大门”－。２００５年６月，法国ｓＰＡＣＥ＿一ｕＧＨＴ项目组研制出了一种新的ＨＣＣｌ燃烧程序。在稳定工况下，通过在不同的单气缸运转检测显示，排放的ＰＭ极少，Ｎｑ的排放接近于０，而且还保留了柴油机的高效性。也许真的会有一日，ＨＣＣＩ将会让全部后处理系统变得多余。２．３电控中冷ＥＧＲ技术

ＥＧＲ是降低ＮＯ。排放最有效的措施之一，在轿车柴油机上的应用已经是非常成熟了，一般与ＰＭ捕集器配合使用。中冷ＥＧＲ技术不仅能降低ＮＯ：的排放，而且还能保持其他污染物的低排放水平。目前，为了满足欧Ⅲ以上的排放法规，无论是汽油机还是柴油机都采用电子控制的ＥＧＲ技术；要达到欧Ｖ排放法规要求，应根据发动机的温度及负荷大小，更精确地控制再循环的废气量，进一步改善中冷技术。

２．４各种后处理装置

为达到欧Ｖ的排放标准，现代柴油机还须通过选择性催化还原（ＳＣＲ）、陶瓷ＰＭ捕集、氧化器静电ＰＭ捕集器等多种后处理装置改善ＰＭ和Ｎｑ等排放。

２．４．１陶瓷ＰＭ捕集氧化器

陶瓷ＰＭ捕集氧化器是目前研究最多的一种ＰＭ后处理技术，一般由耐高温的过滤器和可消除沉积于过滤器中ＰＭ的再生系统组成。因而，ＰＭ捕集器技术包括过滤器、再生系统和控制系统３部分‘…。

福特公司自１９８２年以来一直参与ＤＰＦ系统的开发，但过滤器在汽车行驶时的再生问题一直没有

很好地解决。２００３年，福特宣布新款福克斯ｃ—

ＭＡＸＴＤＣｉ车型采用与标致雪铁龙公司合作开发

的碳化硅ＰＭ过滤器。这种新型陶瓷滤清器已能成功解决再生问题，将减少ＰＭ排放９８％以上。

德国汽车制造商将分几个阶段对柴油机轿车全面加装ＰＭ过滤器，到２００６年，德国２５％的柴油机轿车将装上ＰＭ过滤器，到２００７年时这一比例将提高到７５％，而到２００８年将达到ｌｏｏ％。大众公司和奔驰公司宣布，２００６年年内可为所有新出厂的柴油机轿车配置ＰＭ过滤器。

博世公司认为，发动机要满足欧Ｖ排放标准，１００％要装ＰＭ捕集器。这将不可避免地要对在马路上行驶的柴油机轿车进行补装ＰＭ过滤器。

２．４．２

ＳＣＲ

三元催化技术能有效去除汽油机的Ｎｑ污染物，但不能去除处于富ｏ：燃烧的柴油机尾气中的Ｎｑ。因此，通常的方法是采用ＳＣＲ方法，向高温废气加入氨水（ＮＨ。）等还原剂来还原柴油机尾气中的Ｎｑ，但由于ＮＨ。的毒性和储存问题，安装和维护复杂，花费昂贵。目前，仅用于ＮＯ，排放要求很高的车用柴油机。

ＳｃＲ通常安装在静电ＰＭ捕集器或袋滤器静电除尘器或布袋除尘器之前烟尘比较集中的地方，与低ＮＯ：燃烧器一起使用，它能使Ｎ旺的排放降

为２１．５ｒｉｇ／Ｊ～８６．０ｎｇ／Ｊ。

目前，大多数制造商坚信，采用ＳＣＲ技术可实现欧Ｖ排放标准。戴姆勒一克莱斯勒、达夫、依维柯、梅赛德斯奔驰和沃尔沃等公司决定采用较昂贵的ＳＣＲ系统，最大限度地改善排放。２．４．３稀燃ＮＯ．的催化转化

稀燃时Ｎｑ的催化转化主要采用ＮＨ。、三聚氰

酸（ＨＮＣＯ）或其他ＨＣ作为催化剂，但如果从柴油机的燃料中获取较多的ＨＣ，就会降低燃油经济性ｏ］。稀燃ＮＯ。催化转化器已经在欧洲的轿车上应用，其ＮＯＴ的控制效率为ｌ５％。一种高效的

Ｎ魄控制技术（控制效率为５０％～７０％）还处于发

展阶段，福特公司正在优化其标定程序，以获得类似于汽油机的性能。２．４．４静电ＰＭ捕集器

排气中有７０％～８０％的ＰＭ带有电荷。因此，多个国家正在尝试利用附加电场捕集ＰＭ。一些静电试验研究已取得一定成果，但离实用尚有差距。

３未来轿车动力发展趋势

高压燃油喷射、涡轮增压器和其他先进的发动

２００６年１０月孙剑萍，等：满足欧Ｖ排放标准轿车的主流动力

机技术，尤其是电控技术的迅速发展，极大地改善了柴油机性能，最终推动日趋流行的柴油技术的广泛应用。预计到２０１０年，新车中６５％会由柴油机驱动，成为满足未来欧Ｖ排放标准轿车的主流动力。

车报，２００５０６—２７．

嗍

王

志，王建昕，帅石仓，等．基于２阶段喷射的缸内

直喷ｉ气油机ＨＣＣＩ燃烧的研究［Ｊ］．汽车工程，２００３，

２７（５）：５３Ｉ－５３６．

然而随着欧盟２０１５年颁布欧Ⅵ排放标准．各家汽车厂商还将为此投入更大的技术改造；世界能源

危机也将是日甚一日，汽车业界预测，２０１５年后柴

嘲嘲哪

ＷａｌｚｅｒＰ．未来轿车用发动机［刀．是新潮，译．国外内燃机，２００３，３５（５）：３－６．

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油机市场将逐步萎缩。

随着混合动力技术难关的攻克，成本的下降，混

合动力轿车将显示良好的发展潜力。２００５年７月

丰田总裁宣布，丰田汽车完全可能通过取得技术上的突破，将混合动力技术给每辆车额外增加的成本降低一半。预计，混合动力车在未来３年里，所占市场份额将增至目前的３倍～４倍；到２０１５年左右，

将逐步成为轿车的动力主流。随着Ｈ。燃料电池的先进技术难关的攻克和成本的不断降低，预计２０２５年，又将步人Ｈ。燃料电池时代。

嘲

姚春德，李云强，王银山．用扩散噩准均质混合气压燃

的组舍燃烧降低柴油机碳蛔与Ｎｑ排放的研究［Ｊ］．

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ＰｏｗｅｒＦｏｒｃｅｏｆｔｈｅＣａｒｔｏ

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［编辑：张玉花］

・信息・

福特公司的Ｈ２燃料发动机

日前，蔓国福特汽车公司宣布，已开始生产带机械增压器的Ｈｚ燃料崽动机，谅机排量为６．８Ｉ。，Ｖ型１０缸机。谊机以普通汽油车上配备酌模睫式发动机为原型＋以Ｈ，燃料的规格为前提进行了优化。由于Ｈｔ燃料的润滑性比汽油差ｔ气门厦气门垫专门采用了硬质材料。此外，还为配合Ｈ。燃料的燃闻改进了火花塞、燃料喷射系统、曲柄阻尼嚣、活塞、曲柄连杆机构、活塞环以及气缸盖垫片等。该机将配置在“Ｅ－－４５０”车上于２００６下半年在佛罗里达州上市。之后还将依次在其他北蔓地区锖售。

新型生物乙醇发动机

日前，瑞典坤宝发布了一款可采用台有由植物制成的乙醇燃料的新机型。按比例（汽油１５％，生物乙醇燃料８５％）混合的“Ｅ８５”，由于其辛烷值高达１０４，可加快点火时间，与仅燃用汽油的机型相比．最太输出功率为１５７ｋＷ，比蜞用汽油的提高了１４％．最大扭矩达到３１０Ｎ・ｍ，比燃用汽油的增加了１１％。另外，Ｅ８５与ｉ气油相比，可将Ｃ０２排教量最大削减７０％。采用谊机的９—５款轿车从ｏｋｍ／ｈ加速到１００ｋｍ／ｈ的时间为７．９ｓ，燃用汽油时的为８．５

ｓ。

［张玉花供稿］

满足欧Ⅴ排放标准的轿车主流动力

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

孙剑萍， 汤兆平， SUN Jian-ping， TANG Zhao-ping华东交通大学机电工程学院,江西,南昌,330013车用发动机VEHICLE ENGINE2006(5)1次

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引证文献(1条)

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