柴油车东山再起,变为混动车劲敌
柴油车东山再起,变为混动车劲敌
2015-2-5

       “冒黑烟噪声大”——过去给人这种印象的柴油发动机如今正在发生改变。柴油车以比肩混合动力车的燃效为卖点,在日本国内人气急升。
       PM(颗粒状物质)及NOx(氮氧化物)排放量少、符合全球最严排放规定的“清洁柴油车”开始博得越来越高的人气。2013年日本国内柴油车销量达到7.5484万辆。而2011年还仅为8638辆,两年间就扩大了约9倍。继德国梅赛德斯·奔驰及宝马等在日本投放清洁柴油车之后,日本汽车厂商也开始销售环保性能出色的新车型,柴油车“冒黑烟”、“噪声大”的印象正逐渐改变。
       在日本国内厂商中,对柴油发动机的开发表现最积极的是马自达。在2013年日本清洁柴油车销量中,约6成为马自达车。今年9月开始销售的新款“德米欧”在上市1个半月后订单量累计达到1.9233万辆,其中柴油车就占到了63%。
       清洁柴油车人气如此高的原因在于,其既保持了在低转速区也可产生大扭矩的以往柴油车的强劲动力,同时又实现了与HV(混合动力车)为同等水平的价格和运行成本。另外,以前柴油车会产生特有的巨大发动机噪声及振动,而清洁柴油车还克服了这些缺点。

       从德米欧的情况来看,JC08模式的燃效性能达到了26.4km/L(6速自动变速箱款)。虽然燃效赶不上HEV,但柴油比汽油便宜2成,因此燃料费基本相同。柴油乘用车以前仅限于排量在一定数值以上的车型级别。其原因在于,构造上成本比汽油发动机高,很难向小型车扩展。 德米欧柴油款的价格约从165万日元起,与汽油发动机车的价格差达到40万日元。在日本国内柴油车中,首次将价格降到了200万日元以下,实现了与丰田“Aqua”等HEV基本相同的价格,为消费者提供了新的选择。
       那么,成本高这一长年的课题又是如何解决的呢?德米欧配备的是排量1.5L的“SKYACTIV-D1.5”发动机。其特点是压缩比低。压缩比表示将气缸内的空气压缩到何种程度。原来压缩比一般为16~18,而德米欧降到了14.8,实现了全球最低水平。
       汽油发动机在空气与燃料混合的状态下点火,使混合气体燃烧。而柴油发动机则向压缩后的空气喷射柴油,将其点燃。这样一来,如果提高压缩比、使气缸内形成高压高温状态,燃料就会更容易燃烧。不过,这需要发动机及周边部件具备足够的坚固程度,因此势必会导致成本升高。
       降低压缩比后,爆震时的压力就会下降,可防止柴油车的振动及噪声等缺点。另外,活塞及曲柄轴等部件受到的负荷也会减小,可降低因部件小型轻量化及部件间的摩擦而导致的损失。得益于这些效果,新型发动机比老式柴油发动机实现了大幅轻量化。

 

实现低压缩比发动机

 

    另外,降低压缩比还有其他好处。压缩比高时,在空气与燃料充分混合前会开始不均匀燃烧,导致杂质排放量增加。为了防止这种情况,就需要等到活塞下降、空气与燃料混合之后再点火,因此无法将全部热能转换为运动能量,造成发动机热效率变差。
       所以,降低压缩比可使很多缺点得以消除。不过,以前要想实现低压缩比却很难,原因是气缸内的空气温度下降过低,容易使发动机的起动出现问题。在低温环境下,往往会发生不能充分燃烧的“半失火”状态。尤其在排量小的发动机中,与燃烧室的体积相比,气缸的表面积较大。因此,冷却损失会增加,导致问题解决难度加大。

       马自达为了解决这一问题,开发了可极细喷射的喷油器,保证了点火的成功。另外还改变了活塞形状,抑制了内部空气的冷却,并通过对喷油器喷嘴的形状下工夫,使燃料可在燃烧室的中心燃烧。后一手段是为了在离缸壁面尽量远的中心部引发燃烧。通过以上改进实现了低压缩比,与马自达原来的柴油发动机相比,燃效提高了约20%。

       上述技术以2012年上市的SUV(多功能运动车)“CX-5”等配备的2.2L排量柴油发动机为基础。马自达新柴油发动机在日本成车厂商中首次采用了使用大小两个马达的“二级涡轮增压器”。 这种涡轮增压器在不需要大量空气的低转速区使用小的涡轮增压器来加快反应,而在中高转速区则使用大的涡轮增压器来向缸内输送更多的空气,提高输出功率。在德米欧这样的小型车中,送入的空气量减少,涡轮增压器的响应变慢。因此,新型发动机新增加了一条气流流路,使转动涡轮增压器后的排气返回到向发动机输入空气的压缩机跟前。另外,还采用了称为“可变叶片”的技术,可根据送入的空气量来调节气流与涡轮增压器的涡轮接触的部位,从而将配备的涡轮增压器减少为了1个。
       随着低压缩比的实现,马自达新柴油发动机使尾气中的NOx得以减少,因此省去了NOx后处理装置。另外,发动机各部件也实现了小型轻量化,再加上使用了新原理的涡轮增压器,从而最终实现了在小型车上的配备。

 

 

还蕴藏着取得更大进步的潜力

 

       由此,柴油发动机在未借助马达及电池的力量的情况下,依靠燃烧及构造的改善取得了进步。并且其中还蕴藏着取得更大进步的潜力。 有望激发这一潜力的就是由日本8家车企和1家团体共同设立的“汽车内燃机研究协会(AICE)”。其目标是开发仅靠厂商难以推进的基础技术。
       AICE设立了“提高柴油发动机后处理技术的研究项目”。该研究项目有6项主题,具体包括“EGR(尾气再循环)堆积物抑制技术”、“DPF(柴油颗粒过滤器)再生功能提高技术”、“白烟抑制技术”、“降低NOx的创新性催化剂技术”等。
       EGR系统的作用是将尾气与空气混合后送入燃烧室内,通过降低燃烧室内的氧浓度来防止不均匀燃烧,从而降低NOx。 其中,在尾气通路中设有冷却装置(EGR冷却器)的系统称为“冷却EGR系统”。通过用冷却器冷却尾气来进一步降低燃烧温度,便可实现NOx和CO2的削减。不过,冷却器冷却尾气后,内部会附着碳氢化合物的堆积物,导致冷却器的冷却效率下降,或者阀门关闭不严。为了防止柴油车容易发生的这些问题,AICE将开发有助于抑制堆积物产生的基础技术。另外,AICE还将推进对DPF的改进,用以过滤器去除尾气中的PM,达到不向大气中排放微粒的效果。为了防止过滤器堵塞,必须要定期向DPF中喷射燃料,燃烧聚集的烟尘。AICE将模拟烟尘是如何燃烧的,开发可提高燃烧效率的基础技术。
       AICE的目标是:通过开发上述基础技术,致力于削减柴油发动机尾气排放,2020年使CO2排放量比2010年减少30%。 此外,AICE还将致力于旨在提高燃烧技术的基础研究,将柴油发动机目前约为42%的最高热效率提高至50%。热效率表示在燃烧燃料获得的热量中,有多少转换成了工作量。

   

2014/12/19 【日经BP社报道】

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