【日經(jīng)BP社報(bào)道】“冒黑煙”、“噪聲大”——過去給人這種印象的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)如今正在發(fā)生改變。柴油車以比肩混合動(dòng)力車的燃效為賣點(diǎn)，在日本國內(nèi)人氣急升。那么，柴油車是如何突破技術(shù)極限的呢？下面就來為大家揭開其中的奧秘。

       PM（顆粒狀物質(zhì)）及NOx（氮氧化物）排放量少、符合全球最嚴(yán)排放規(guī)定的“清潔柴油車”開始博得越來越高的人氣。

       2013年日本國內(nèi)柴油車銷量達(dá)到7.5484萬輛。而2011年還僅為8638輛，兩年間就擴(kuò)大了約9倍。繼德國梅賽德斯·奔馳及寶馬等在日本投放清潔柴油車之后，日本汽車廠商也開始銷售環(huán)保性能出色的新車型，柴油車“冒黑煙”、“噪聲大”的印象正逐漸改變。

       在日本國內(nèi)廠商中，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)表現(xiàn)最積極的是馬自達(dá)。在2013年日本清潔柴油車銷量中，約6成為馬自達(dá)車。今年9月開始銷售的新款“德米歐”在上市1個(gè)半月后訂單量累計(jì)達(dá)到1.9233萬輛，其中柴油車就占到了63％。

       清潔柴油車人氣如此高的原因在于，其既保持了在低轉(zhuǎn)速區(qū)也可產(chǎn)生大扭矩的以往柴油車的強(qiáng)勁動(dòng)力，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了與HV（混合動(dòng)力車）為同等水平的價(jià)格和運(yùn)行成本。另外，以前柴油車會(huì)產(chǎn)生特有的巨大發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及振動(dòng)，一提到這些，有些消費(fèi)者就會(huì)敬而遠(yuǎn)之，而清潔柴油車還克服了這些缺點(diǎn)。

       從德米歐的情況來看，JC08模式的燃效性能達(dá)到了26.4km/L（6速自動(dòng)變速箱款）。雖然燃效趕不上HEV，但柴油比汽油便宜2成，因此燃料費(fèi)基本相同。

       柴油乘用車以前僅限于排量在一定數(shù)值以上的車型級(jí)別。其原因在于，構(gòu)造上成本比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高，很難向小型車擴(kuò)展。

       德米歐柴油款的價(jià)格約從165萬日元起，與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車的價(jià)格差達(dá)到40萬日元。在日本國內(nèi)柴油車中，首次將價(jià)格降到了200萬日元以下，實(shí)現(xiàn)了與豐田“Aqua”等HEV基本相同的價(jià)格，為消費(fèi)者提供了新的選擇。

       那么，成本高這一長(zhǎng)年的課題又是如何解決的呢？德米歐配備的是排量1.5L的“SKYACTIV-D1.5”發(fā)動(dòng)機(jī)。其特點(diǎn)是壓縮比低。壓縮比表示將氣缸內(nèi)的空氣壓縮到何種程度。原來壓縮比一般為16～18，而德米歐降到了14.8，實(shí)現(xiàn)了全球最低水平。

       汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣與燃料混合的狀態(tài)下點(diǎn)火，使混合氣體燃燒。而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則向壓縮后的空氣噴射柴油，將其點(diǎn)燃。這樣一來，如果提高壓縮比、使氣缸內(nèi)形成高壓高溫狀態(tài)，燃料就會(huì)更容易燃燒。不過，這需要發(fā)動(dòng)機(jī)及周邊部件具備足夠的堅(jiān)固程度，因此勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致成本升高。

       降低壓縮比后，爆震時(shí)的壓力就會(huì)下降，可防止柴油車的振動(dòng)及噪聲等缺點(diǎn)。另外，活塞及曲柄軸等部件受到的負(fù)荷也會(huì)減小，可降低因部件小型輕量化及部件間的摩擦而導(dǎo)致的損失。得益于這些效果，新型發(fā)動(dòng)機(jī)比老式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了大幅輕量化。

實(shí)現(xiàn)低壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)

       另外，降低壓縮比還有其他好處。壓縮比高時(shí)，在空氣與燃料充分混合前會(huì)開始不均勻燃燒，導(dǎo)致雜質(zhì)排放量增加。為了防止這種情況，就需要等到活塞下降、空氣與燃料混合之后再點(diǎn)火，因此無法將全部熱能轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)能量，造成發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率變差。

       所以，降低壓縮比可使很多缺點(diǎn)得以消除。不過，以前要想實(shí)現(xiàn)低壓縮比卻很難，原因是氣缸內(nèi)的空氣溫度下降過低，容易使發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)出現(xiàn)問 題。在低溫環(huán)境下，往往會(huì)發(fā)生不能充分燃燒的“半失火”狀態(tài)。尤其在排量小的發(fā)動(dòng)機(jī)中，與燃燒室的體積相比，氣缸的表面積較大。因此，冷卻損失會(huì)增加，導(dǎo) 致問題解決難度加大。

       馬自達(dá)為了解決這一問題，開發(fā)了可極細(xì)噴射的噴油器，保證了點(diǎn)火的成功。另外還改變了活塞形狀，抑制了內(nèi)部空氣的冷卻，并通過對(duì)噴油器噴嘴的形狀下工夫，使燃料可在燃燒室的中心燃燒。后一手段是為了在離缸壁面盡量遠(yuǎn)的中心部引發(fā)燃燒。

       通過以上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了低壓縮比，與馬自達(dá)原來的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃效提高了約20％。

       上述技術(shù)以2012年上市的SUV（多功能運(yùn)動(dòng)車）“CX-5”等配備的2.2L排量柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)。馬自達(dá)新柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在日本成車廠商中首次采用了使用大小兩個(gè)馬達(dá)的“二級(jí)渦輪增壓器”。

       這種渦輪增壓器在不需要大量空氣的低轉(zhuǎn)速區(qū)使用小的渦輪增壓器來加快反應(yīng)，而在中高轉(zhuǎn)速區(qū)則使用大的渦輪增壓器來向缸內(nèi)輸送更多的空氣，提高輸出功率。

       在德米歐這樣的小型車中，送入的空氣量減少，渦輪增壓器的響應(yīng)變慢。因此，新型發(fā)動(dòng)機(jī)新增加了一條氣流流路，使轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪增壓器后的排氣返回 到向發(fā)動(dòng)機(jī)輸入空氣的壓縮機(jī)跟前。另外，還采用了稱為“可變?nèi)~片”的技術(shù)，可根據(jù)送入的空氣量來調(diào)節(jié)氣流與渦輪增壓器的渦輪接觸的部位，從而將配備的渦輪 增壓器減少為了1個(gè)。

       隨著低壓縮比的實(shí)現(xiàn)，馬自達(dá)新柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使尾氣中的NOx得以減少，因此省去了NOx后處理裝置。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件也實(shí)現(xiàn)了小型輕量化，再加上使用了新原理的渦輪增壓器，從而最終實(shí)現(xiàn)了在小型車上的配備。
 

還蘊(yùn)藏著取得更大進(jìn)步的潛力

      由此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在未借助馬達(dá)及電池的力量的情況下，依靠燃燒及構(gòu)造的改善取得了進(jìn)步。并且其中還蘊(yùn)藏著取得更大進(jìn)步的潛力。

       有望激發(fā)這一潛力的就是由日本8家車企和1家團(tuán)體共同設(shè)立的“汽車內(nèi)燃機(jī)研究協(xié)會(huì)（AICE）”。其目標(biāo)是開發(fā)僅靠廠商難以推進(jìn)的基礎(chǔ)技術(shù)。

       AICE設(shè)立了“提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)的研究項(xiàng)目”。該研究項(xiàng)目有6項(xiàng)主題，具體包括“EGR（尾氣再循環(huán)）堆積物抑制技術(shù)”、“DPF（柴油顆粒過濾器）再生功能提高技術(shù)”、“白煙抑制技術(shù)”、“降低NOx的創(chuàng)新性催化劑技術(shù)”等。

       EGR系統(tǒng)的作用是將尾氣與空氣混合后送入燃燒室內(nèi)，通過降低燃燒室內(nèi)的氧濃度來防止不均勻燃燒，從而降低NOx。

       其中，在尾氣通路中設(shè)有冷卻裝置（EGR冷卻器）的系統(tǒng)稱為“冷卻EGR系統(tǒng)”。通過用冷卻器冷卻尾氣來進(jìn)一步降低燃燒溫度，便可實(shí)現(xiàn)NOx和CO₂的削減。

       不過，冷卻器冷卻尾氣后，內(nèi)部會(huì)附著碳?xì)浠衔锏亩逊e物，導(dǎo)致冷卻器的冷卻效率下降，或者閥門關(guān)閉不嚴(yán)。為了防止柴油車容易發(fā)生的這些問題，AICE將開發(fā)有助于抑制堆積物產(chǎn)生的基礎(chǔ)技術(shù)。

       另外，AICE還將推進(jìn)對(duì)DPF的改進(jìn)，用以過濾器去除尾氣中的PM，達(dá)到不向大氣中排放微粒的效果。為了防止過濾器堵塞，必須要定期向DPF中噴射燃料，燃燒聚集的煙塵。AICE將模擬煙塵是如何燃燒的，開發(fā)可提高燃燒效率的基礎(chǔ)技術(shù)。

       AICE的目標(biāo)是：通過開發(fā)上述基礎(chǔ)技術(shù)，致力于削減柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放，2020年使CO₂排放量比2010年減少30％。

       此外，AICE還將致力于旨在提高燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)研究，將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)目前約為42％的最高熱效率提高至50％。熱效率表示在燃燒燃料獲得的熱量中，有多少轉(zhuǎn)換成了工作量。

       AICE理事長(zhǎng)大津啟司（本田技術(shù)研究所常務(wù)執(zhí)行董事）表示，“通過研究協(xié)會(huì)的努力，將強(qiáng)化日本廠商在開發(fā)高環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)方面的國際競(jìng)爭(zhēng)力”。另外，AICE還將通過活動(dòng)與各廠商的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)人員加強(qiáng)合作，培養(yǎng)肩負(fù)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的技術(shù)人員。

       另外，德國大眾還計(jì)劃在2015年以后向日本投放配備柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車型。毫無疑問的是，作為HEV的新勁敵，柴油車的存在感將不斷提高。