日本计划开发小型柴油发动机

2019-09-14 07:50:36 来源: 许昌信息港

  日本计划开发小型柴油发动机

  前不久参加博世在昆明举行的柴油SUV试驾会,在聊天时听到日本的柴油车发展迅猛这句话,觉得很有意思。在笔者印象中,日本只在玩汽油机、混合动力,再深入就是燃料电池汽车。柴油车,全球只在欧洲盛行,与日本无关。

  然而翻开日本的新能源汽车规划发现,清洁柴油汽车却位列其中。近几年,日本市场的柴油发动机装车比例也在悄然增长,2013年日本国内的柴油车销量达到了7.5万辆,2011年还仅为8638辆,两年间就扩大了约9倍。虽然从数量和占比上都不上欧洲的占据半壁江山,但是其增长速度着实令人瞩目。

  更值得我们关注的是,柴油发动机在日本正在以小型化的路线逐步向小型车市场推进,这是一条完全不同于欧洲柴油动力发展的路线,这一细节上的变化恐怕将在不久之后对汽车市场产生深远的影响。

  技术进步让柴油机优势凸显

  传统的柴油动力留给人直观的印象莫过于浓浓的黑烟,剧烈的震动,极差的高转速表现等等。当然,这些传统的认知是基于普通柴油的传统重型柴油发动机的。事实上,欧洲市场上清洁柴油的运用和高压共轨技术的普及已经极大改善了传统柴油发动机冒黑烟和噪音大的现象。而柴油发动机的优势,也因为新技术的应用而更加光彩。

  柴油发动机的优点主要集中在高效节能、碳氧化物排放量低这两个方面。因为燃烧特性的差异,柴油发动机的热效率相比于汽油发动机要高30%左右,油耗方面自然也要平均低上30%。由于柴油机的燃烧是在富氧状态下,因此CO、HC化合物的排放浓度相对较低,颗粒物和NO化合物的浓度较高。而近年来,尿素和柴油微粒过滤等柴油排放后处理技术的运用,使得颗粒物和NO化合物的排放极大降低。

  也正是基于这样的原因,对温室效应倍加关注的欧洲市场,柴油车的这种特性得到了重视并得以广泛运用。那么,日本汽车市场在小排量汽油发动机技术和混合动力技术都取得长足进步的时候,为什么又会对柴油发动机感兴趣呢?笔者认为至少有以下两个方面:

  是日本的JC08测试法规。大家都知道,目前世界上集中主流油耗测试规程中,日本的JC08是为严苛的之一。之所以严苛,主要是因为它对冷启动排放、加减速工况等的考核更为重视,在JC08模式下测试得出的油耗表现要远高于其他测试规程下的成绩。依照经验,同一款车型在JC08测试规程下所得到的油耗要比欧洲NEDC规程下的油耗要多上L。

  与此同时,日本全新的汽车油耗管理办法将在2020年开始实施,根据新的管理办法,每家汽车企业的所有车型油耗的加权平均值必须达到JC08测试循环下的20.3Km/L,约合4.9L/100Km。一边是贴近日常生活的苛刻测试,另一边又是同样苛刻的排放标准。很显然,日本汽车企业在面对油耗限制上的压力并不比中国企业小。

  第二则是成本因素。虽然日本汽车厂商在混合动力技术方面取得了长足的进步,然而在成本上,混合动力必然要高于传统的内燃机。且在日本市场中,小型车甚至是K-Car占据着更大的市场份额,这些车型的售价和利润都很低,难以普及混合动力系统进一步降低油耗。那么在这种情况下,日本汽车企业将柴油发动机小型化作为另外一个新能源的方向,就变得顺利成章。

  如何搬开柴油机小型化道路上的绊脚石

  那么,柴油发动机小型化面临哪些技术上的困难呢?

  首先是尺寸。相比于同排量的汽油发动机,由于柴油发动机所承受的缸压较大,且活塞行程较长,在整体尺寸和重量方面柴油发动机都要更大更高。一方面要满足机械性能的要求,另一方面又要满足小型车的紧凑性要求,所以在柴油机缸体的设计上就要花费更多的精力去平衡这两方面的需求。

  其次是小排量柴油发动机缸体技术参数的设定。柴油机压燃的方式决定了其必须拥有更大的压缩比以获得更大的缸内压力。但是压缩比的增加又不可避免的带来振动以及噪音等问题,且活塞和曲轴所承受的负荷也要相应的增加。如果按照传统柴油机的压缩比设计经验,那么小排量柴油发动机不可避免的要在这些方面存在短板。所以要把柴油柴油发动机做小,压缩比一定要降下去。

  但是问题又来了,一旦压缩比降低下去,又会导致柴油燃烧不完全甚至失火缺缸。在这个过程中必然要涉及稀薄燃烧技术的运用,一般来说乘用车柴油发动机的压缩比在之间,但是如果要做到一点几升的小排量,压缩比应该更低一些,目前日本的小排量柴油发动机的压缩比,已经做到了14.8。

  那么如何来保证压缩比降低后对于小排量柴油发动机燃烧性能的影响,或者说如何实现更加稀薄的燃烧?日系企业给出了这样的解决方案。

  首先,提前将雾化柴油送入气缸。传统的柴油发动机在压缩行程终了时向气缸内供给雾化柴油,以达到压燃的目的。在压缩比降低的情况下

  ,压缩行程终了时缸内压力较小,可燃气燃烧不太充分。为了解决问题,通过在压缩行程终了之前向气缸内供给少量的雾化柴油,利用缸内有组织的气流运动来实现气流的引导,在气缸局部实现较浓的混合气浓度,实现均匀混合气的分层燃烧,极大的改善了缸内燃烧特性。

  柴油机高压共轨部件

  而这种分层燃烧对于柴油发动机的优势还在于,由于延长了柴油喷雾与空气的混合时间,所以燃料和空气的混合更加均匀,避免了传统柴油机发火初期的高温火焰区和高温过浓区,使得局部火焰温度低于利于氮氧化物形成的温度,降低氮氧化物排放。另一方面,由于柴油混合气在气缸内更加均匀,由于缺氧所产生的浓烟也得以避免。所以即便是没有采用尿素等减排方式,低压缩比的柴油发动机同样可以获得较优异的排放表现。

  问题还存在于,由于小排量柴油发动机压缩比的降低,活塞负压对于进气压力的贡献也要小上一些,极容易出现进气压力不足的问题。日系通过变截面的涡轮增压技术,解决了这个问题。

  压缩比降低供油压力必然就要提升,如果不是近年来柴油共轨喷射技术的普及,传统的柱塞式燃油泵无论如何也保证不了小排量柴油发动机的供油压力。换句话说,近年来共轨技术的普及为柴油发动机的小型化铺平了道路。其实这一系列的变化可以归结为近年来柴油发动机和汽油发动机技术相互融合的产物。汽油发动机的柴油化以及柴油发动机的汽油化必将在未来成为内燃机发展的主流。

  随着柴油机的小型化,对喷油嘴等燃油供给系统零件的精密程度也提出了更高的要求。如果油油品不过关,小排量柴油机的整个燃油供给系统都会变得很差。所以,在柴油机的前面,必须要加上清洁二字。

  车云小结:

  很显然,随着发动机技术的进步以及清洁柴油的普及,小排量柴油发动机的发展开始成为可能。当小型车遇上小排量柴油发动机之后,这二者的结合必然是一次优势结合的过程,当全球的汽车企业都在面临严苛的排放和油耗法规的时候,入门级的小型车搭载小排量柴油动力无疑是在成本和法规间取得平衡的方式。日本在大肆宣传混合动力和燃料电池动力的同时,又在潜心发展小型柴油动力,这是非常值得我们注意的。

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