柴油发动机轿车的未来

1、柴油发动机轿车的未来发布：2009-3-2012:37|作者：沉沙河|来源：江苏省内燃机学会§a近年来，汽车新能源技术发展迅猛，燃料电池、混合动力、电动车、醇类汽车等新技术、新概念，不断冲击人们的头脑，并且随着先进柴油机技术的发展，柴油车在许多国家得到大量应用。欧洲出现了越来越明显的轿车柴油化趋势，2004年欧盟新增乘用车（主要是轿车）中50%为柴油车，法国、意大利、德国柴油轿车占当年轿车市场的比例分别为72%、66%、43%。美国柴油汽车比重尽管不高，但在过去的5年中销量增长56%。根据国外有关机构预测，2001年至2014年的15年间，全球汽车市场总规模将增长39%,其中汽油车增

2、长23%,柴油车增长97%。然而，目前，先进柴油机技术还未能被我国消费者认同，消费者还停留在老”柴油机冒黑烟、振动大、噪声大的怪圈。由于消费者对先进柴油机技术认识的缺乏，致使我国柴油发动机汽车很难得到推广。目前，我国柴油车在汽车保有量中的比重为23.7%,在轿车保有量的比重仅为0.2%;2005年一季度柴油车占新注册乘用车的比重为1.3%,远低于欧盟50%的水平。2 .柴油发动机的优越性从动力性、燃油经济性、可靠性和环保性等方面来看，与汽油发动机相比，柴油发动机都有较强的优越性。2.1 动力性方面柴油发动机具有功率大、动力性能好等特点。其压缩比一般为1622,而汽油机的压缩比一般为611;如果

3、采用增压技术柴油发动机的功率还可以进一步增大。如美国康明斯柴油发动机功率高达448kW,这对于汽油机来说是不可思议的。2.2 燃油经济性方面柴油机的燃烧方式决定了它具有优越的燃油经济性。汽油机的热效率一般为2030%，而柴油机的热效率可达3040%。有资料表明，以质量为0.81.5t的轿车百公里油耗比较：汽油车约为58.2L,非直喷式柴油车约为4.68L,直喷式柴油车约为56L,柴油车比汽油车低30%左右。2.3 耐久可靠性方面柴油机的工作可靠性强、耐久性好。柴油机由于没有复杂的点火系统，它避免了油、电路共存的麻烦，只要喷油压力达到规定，起动转矩足够，就能顺利起动并进入正常工作。国际上先进的柴

4、油机大修里程一般约为50万公里，相比之下汽油机只有30万公里。2.4 环保方面柴油车与汽油车各有千秋，柴油车处于过量空气的情况下工作，燃料燃烧充分，而且柴油车的燃料是在燃烧前高压喷入燃烧室，雾化良好，因此柴油车排放的一氧化碳和碳氢化合物的量要比汽油车少得多；由于氮氧化合物是在高温条件下产生的，而汽油发动机燃料燃烧环境温度要比柴油发动机高得多，因此产生的氮氧化合物的量也要多得多。但是，柴油机也有其不足之处，柴油车排放的主要问题是颗粒物，由于燃料与空气混合不均匀，易产生大而多的排放颗粒物，直观表现为排气冒黑烟，而且柴油发动机本身体积、重量都比较大，运转产生的噪声也比汽油发动机大得多。但随着柴油机排

5、放技术水平的不断提高，以及先进柴油机技术的应用，这些问题逐渐得以改善，除了微粒排放外，柴油机轿车的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物等污染物排放量已远低于汽油机轿车，尤其在CO2排放方面具有明显优势，可减少45%以上的温室气体排放。3 .柴油发动机轿车在我国的应用现状分析目前，我国柴油车在汽车保有量中的比重为23.7%，在轿车保有量白比重仅为0.2%;2005年一季度柴油车占新注册乘用车的比重为1.3%,远低于欧盟50%的水平。我认为柴油发动机在我国没有得到推广应用的原因主要有以下几个方面。3.1 国产柴油质量不高柴油品质应与柴油发动机技术同步发展，而我国柴油的品质已严重制约了柴油发动机技术发展

6、。我国柴油中硫、芳香烧化合物以及十六烷等的含量都不能满足先进柴油发动机技术的要求。我国轻柴油含硫量800ppm,而北京于2005年12月30日正式实施欧出标准，北京市欧出柴油地方标准规定含硫量w350Ppm,由石化系统单独供货，轿车出城市就供应不到含硫量w350Ppm柴油，柴油品质明显滞后于柴油机技术的发展。3.2 柴油发动机的固有属性柴油发动机由于采用压燃式点火方式，工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；柴油机工作粗暴，振动噪声大，产生噪声污染；另外，柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。以上柴油发动机

7、本身固有的缺点制约着它在轿车中的应用。3.3 柴油发动机的污染柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和NOX是排放中两种最主要的污染物。由于燃料与空气混合不均匀，柴油车易产生大而多的排放颗粒物，直观表现为排气冒黑烟；碳氢化合物和一氧化碳的量虽然与汽油发动机相比要少得多，但是也是不可忽视的。另外，有些地区和城市以柴油车排放氮氧化物和颗粒多为由，采用行政手段限制柴油机轿车的销售和上牌照，也妨碍了我国柴油机的健康发展。因此，柴油轿车市场是否会快速发展起来，还要看国家的政策，需要有国家明确的政策引导。4 .柴油发动机先进技术的改进4.1 柴油品质的提高4.1.1 提高柴油机十六烷值十六烷值在柴油机燃料参数

8、中对NOX排放影响最大。十六烷值较高时，使其稳定性变差，极易裂解为碳烟。虽然柴油机排气烟度较高，但其发火性能好，柴油机点火延迟期缩短，缸内温度与压力降低，NOX排放亦降低。当十六烷值从40提高到50时，NOX排放可降低10%左右。4.1.2 降低燃油中的含S量。在燃烧过程中柴油中的S有1%-3%转化为硫酸盐排出；其余的主要转化为SO2,VanBeckhoven研究发现：在直喷柴油机中，燃油中S份从0.30降低0.05wt%,微粒排放量将降低10%30%。Bartlett报道说在所有轻型柴油机中，燃油中硫份从0.30wt%降低0.05wt%,微粒排放量将降低大约7%。4.1.3 使用柴油添加剂在

9、柴油中添加适量的硝酸盐、亚硝酸盐和各种过氧化物，可以提高燃料的十六烷值，缩短着火延迟期，使得NOX排放减少。4.1.4 使用代用燃料可以采用醇类和生物柴油等代替柴油。柴油机使用醇类燃料时，基本可以实现无烟排放，在中、低负荷时NOX的排量也很低。近年来可以作为内燃机代用的醇类燃料很多，其中甲醇是目前应用较广的内燃机代用燃料。生物柴油具有优良的环保特性、较好的低温发动机启动性能和较好的润滑性能，而且生物柴油具有可再生性能，是可再生资源。随着生物柴油生产工艺的改进，使用生物柴油的发动机即可使用普通柴油的发动机，无需作任何改动，而且生物柴油可与普通柴油在油箱中以任何比例相混。生物柴油所用原料随着规模种

10、植价格日趋低廉，使生物柴油的生产成本逐步下降，与常规柴油的价格正在缩小，如美国生物柴油的价格已从每升1.06美元降到0.330.59美元，这个价格与普通柴油的价格差不多。因此生物柴油可以大规模地进行应用，能够解决柴油车能量供应不足的问题。4.2 新技术在柴油发动机上的应用4.2.1 高压共轨电子控制燃油喷射技术共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分别送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧空燃比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。柴

11、油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：(1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；(2)采用共轨方式供油；(3)高速电磁开关阀频响高，控制灵活；(4)系统结构移植方便，适应范围宽。共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能。4.2.2 采用多气门技术在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使

12、混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOX排放，但增加了成本和结构的复杂性。在燃用汽油的大、中、小型轿车上，多气门技术已经作为成熟技术得到了应用。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国外内燃机的气门最多时已达到5个，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐开始在小型柴油机上应用，国内在这方面的研究尚未成熟。4.2.3 增压中冷技术柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，NOX的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增压中冷技术可使柴油机NOX的排

13、放降低。目前，柴油机增压中冷技术在中型柴油机上应用日益广泛，小型柴油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。4.2.4 微粒捕集器微粒捕集器由微粒过滤器和再生装置组成。微粒捕集器通过其中有极小孔隙的过滤介质(滤芯)捕集柴油机排气中的固态碳粒和吸附可溶性有机成分的碳烟。微粒捕集器的工作主体是滤芯，目前常用的过滤材料有：金属丝网、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和壁流式蜂窝陶瓷等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标：具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积耐热冲击性好，具有较强的机械性能指标，热稳定性好，能承受较高的热负荷，具有较小的热

14、膨胀系数，通过性好，流通阻力小。在外形尺寸相同的情况下，背压小，背压增长率低，适应再生能力强、质量轻。目前，最常使用的过滤材料为堇青石（其主要成分为MgO.AlO.SiO）和碳化硅晶体SiC。微粒捕集器对碳的过滤效率较高，可达到60%。4.2.5 三元催化器的应用三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于这种催化器可同时将废气中的三种主要有害物质转化为无害物质，故称三元。三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活

15、性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水（H20）和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。4.2.6 采用废气再循环技术采用废气再循环（EGR）是降低NOX排放的一项极为有效的措施，目前只是在汽油机上得到了较为成熟的应用。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOX排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOX的生成。大约60%-70%的NO

16、X是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOX是很有效的。废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOX排放可减少80%以上。利用废气再循环（EGR）来降低NOx的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR时机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中NOx的排放。5 .未来应用展望柴油机的大功率、低排放、良好的电子控制等显著优点将使柴油发动机在新时代有长足的发展。现在全球各大厂商正致力于新型绿色环保柴油机的研发，在氮氧化合物和颗粒物的排放方面将得到近一步改善，关键是在燃油的精确配置和废气的后置处理，将有更