1、收稿日期2009-07-20基金項目國家高技術研究發展計劃(“八六三”計劃項目(2008AA 11A 116作者簡介韓志玉(1962-,男,美籍華人,湖南大學機械與運載工程學院教授,博士,主要研究方向為內燃機燃燒、節能與排放控制;E -mail :hanzhiyu yahoo .com現代乘用車柴油機技術韓志玉,陳征,劉敬平,劉云(湖南大學先進動力總成技術研究中心,長沙410082摘要市場需求、排放法規、燃油經濟性、客戶滿意度和成本是影響車用發動機技術發展的主要因素。與汽油機相比,現代柴油機在上述方面大都具有一定的優勢,因此現代柴油機技術已成為乘用車發動機技術發展的一個重要方向。目前我國乘用車

2、柴油機與國際先進水平仍存在很大的差距,亟需突破包括高效清潔燃燒技術、電子控制燃油噴射系統、發動機管理及標定技術等技術難點。建議自主開發低油耗、低污染物排放的高效清潔乘用車柴油動力,以滿足我國未來乘用車大市場的需求。關鍵詞乘用車;柴油機;節能;環保;技術難點中圖分類號U 464文獻標識碼A 文章編號1009-1742(200911-0030-071前言近年來,全球汽車保有量呈快速上升趨勢,據預測,2010年全球汽車保有量將突破10億輛,2015年將增至11.2億輛左右,屆時我國汽車保有量也將超過1億輛1。按2008年我國乘用車銷量所占汽車總銷量比例(72%計算,我國乘用車市場占有量將達到7000

3、萬輛以上。面對未來龐大的乘用車市場,發展先進的乘用車發動機技術變得日益迫切。由于現代柴油機在動力、節能和CO 2排放方面的優勢,柴油機動力將是近、中期節能環保汽車的現實技術選擇。2影響發動機技術發展的主要因素2.1市場需求在汽車誕生和發展的百年歷史中,全球逐步形成了北美、歐洲、日本等老牌乘用車市場和以中國為代表的新興市場。北美,以美國為主導,一直以來,都追求大排量車,這既是傳統文化的繼承,也是政策導向決定的。二戰后,美國經濟高速發展,生產力水平高,大批量生產的汽車成本低廉,更重要的是同樣廉價而且持續不變的汽油價格,以及寬松的汽車政策和良好的道路環境,造就了20世紀50年代后美國乘用車設計對豪華

4、氣派、大功率、大排量V 型發動機的追求。歐洲作為汽車的發源地,工業化水平和文明程度較高,在歐洲人的觀念中,汽車不僅僅是一種代步工具,更是娛樂和享受的象征,同時,歐洲人對能源和環境也極為重視,因此具有優良動力性和駕駛性能的渦輪增壓發動機和燃油經濟性更好的節能環保柴油機更符合歐洲市場的需求。日本作為島國,土地和能源極其缺乏,因而日本本土乘用車市場需求更偏愛小型、小排量的節能型發動機。近幾年,隨著國際石油價格的暴漲,世界乘用車市場需求逐步向省油、環境破壞力小的環保型車輛轉變,于是日本廠商生產的節能型汽車受到了世界各國消費者的青睞。同樣的,隨著燃油價格的不斷攀升和美國消費者興趣的轉移,而美國本土汽車企

5、業在發動機節能方面的技術研究動力和開發水平遠不如日本和歐洲的汽車企業,直接導致了美國乘用車市場被日本企業占領和美國三大汽車公司的沒落。由此可見,市場需求是決定汽車和發動機技術發展的主要因素和直接推動力。在國內,隨著我國經濟持續多年的快速增長,汽車行業也得到了長足發展,并已逐漸成為全球最大03中國工程科學的汽車市場。但在當前,我國仍處在發展階段,大多數消費者的收入水平仍不高,低成本、燃油經濟性更好的小排量汽車將更符合大眾市場的需求。2.2排放限制迫于龐大的汽車數量對全球能源和環境的雙重壓力,世界各國政府都先后通過各種法律法規對汽車市場進行規范,積極鼓勵高效、清潔汽車的使用,禁止高能耗、高污染汽車

6、的繼續生產和銷售。圖1顯示了歐盟各國統一的汽油乘用車和柴油乘用車排放法規。從法規上看,從2000年開始的歐3標準到2014年預計實施的歐6標準,汽油乘用車主要排放物HC 和NO x 的排放限值分別降低了50%和60%;柴油乘用車主要排放物HC 和NO x 總量的排放限值降低了69.4%,顆粒(PM 排放降低了90%。為了滿足這些日益嚴格的排放法規要求,一些先進技術,如增壓中冷、廢氣再循環(exhaust gas recircu -lation ,EGR 、電控共軌燃油噴射、排放后處理等將成為未來發動機的標準配置。由此可見,排放法規已成為影響發動機技術發展的另一重要因素。 圖1歐盟乘用車排放法規

7、Fig .1Emission regulations of passengercars in the Europe Union我國于1999年1月率先在北京、同年7月在上海實施相當于歐的輕型車國排放標準,從2001年在全國范圍內開始實施國標準,2005年開始實施國標準(等同于歐,2007年開始實施國標準(等同于歐,并將于2010年實施國標準(等同于歐,雖然比歐洲實施時間分別晚了9年、9年、7年和5年,但可以看到我國與國際發達國家的差距在逐漸縮小,這對我國乘用車發動機技術發展也提出了巨大的挑戰。相比之下,發展小排量乘用車在滿足排放法規方面具有更明顯的優勢。2.3燃油經濟性汽車燃油經濟性與節能減排

8、密切相關,在汽車保有量快速發展的今天,燃油經濟性變得尤為重要。因此,基于控制交通領域石油需求和溫室氣體排放的目的,世界一些國家,如美國、歐盟、日本等均制定了汽車燃油經濟性和CO 2排放標準,其中以歐盟和日本標準最為嚴格。我國也于2004年發布了枟乘用車燃油消耗量限值枠的強制性國家標準(見圖2,第一階段于2005年7月1日開始實施,第二階段的執行日期為2008年1月1日。這些標準的出臺使大排量、高油耗乘用車受到了限制,而對小排量節能型乘用車的發展具有明顯的促進作用。盡管如此,我國乘用車燃油消耗的整體水平還很高,與發達國家的差距還很大,這可以從圖2法規的比較中看到。圖2中國燃油消耗量標準及與日本的

9、比較Fig .2Chinese fuel consumption regulationand its comparison with Japanese2.4客戶滿意度隨著人們駕車時間越來越長,對乘用車的性能、NVH (舒適性、振動和噪聲、安全性以及駕駛性等各方面有了更高要求。在汽車產業市場競爭日益加劇的環境下,乘用車發動機技術的發展對客戶滿意度的重視日益增加,客戶滿意度也成為衡量乘用車市場競爭力的重要因素。2.5成本成本是汽車產業發展最直接、最活躍的推動力之一。在消費者和生產者、經銷者的搏弈中,高效能低成本的產品才是產業發展的趨勢。顯然,乘用車發動機技術發展的方向必然是滿132009年第11卷

10、第11期足市場需求的節能、環保、客戶滿意度高且成本較低的先進技術。3現代乘用車柴油機優勢及技術發展水平3.1現代乘用車柴油機優點1市場需求優勢:為開發滿足市場需求的節能、環保、客戶滿意度高且成本較低的先進乘用車發動機技術,以降低能源與環境的雙重壓力,世界汽車界不停地在尋找實現汽車乃至發動機工業可持續發展的解決辦法。在不斷的技術發展中,柴油機以低燃油消耗、低CO 2排放及良好的動力性和耐久性等優點逐漸受到世界各國的關注,特別在采用高壓共軌等先進技術之后,其動力性、經濟性、排放及振動噪聲水平都有了很大改善,柴油機已逐漸得到世界的認同和普及。到l 995年柴油車在轎車中的保有量法國占到26%,德國1

11、5%,意大利和荷蘭12%,英國11%,北歐國家在3%7%之間,相比之下,在新車市場中柴油車的比重還要高得多;1995年歐盟15國22.6%的新增轎車為柴油車,2005年已接近50%,如圖3所示。法、意、德、荷、英等國柴油轎車占當年轎車市場的比例分別為69.1%,58.3%,42%,26.8%,36.8%2。在日本及北美,柴油轎車的普及正方興未艾。據日本實野經濟所預測3,到2010年,歐洲50%以上的轎車將采用柴油機,在日本、美國轎車柴油機的比例也將分別達到10%和5.7%以上。可見,國際汽車市場正呈現出一股強 勁的乘用車柴油化潮流。圖3歐洲乘用車發動機發展趨勢Fig .3Development

12、 trend of passengercar engines in Europe2經濟優勢:與汽油機相比,柴油機具有更好的燃油經濟性。由于柴油的能量密度比汽油高,柴油機采用一系列先進技術后,熱效率最高可達45%,比同排量汽油機高50%,因此油耗遠低于汽油機,現代柴油轎車比普通汽油車節油30%以上。3排放優勢:目前歐盟等發達國家乘用車柴油機已達到歐排放水平,采用共軌技術的柴油機顆粒排放物比20世紀90年代初降低了96%,而HC 和CO 排放相比汽油機要低得多。另外,柴油機還有比汽油機更低的溫室氣體排放。圖4顯示了2001年德國認證轎車的CO 2排放量,柴油車比汽油車CO 2排放降低了20%25%

13、。由圖4可見,現 代柴油機的排放更加環保。圖42001年德國認證轎車汽油機和柴油機CO 2排放狀況Fig .4CO 2emission status for Germancertified cars in 20014性能及可靠性優勢:柴油機具有低速大扭矩輸出,柴油乘用車加速性能和動力性能上領先于汽油車,可給駕駛人員以很大的車輛操縱快感。在采用先進的燃燒技術后,柴油機振動和噪音明顯降低,柴油乘用車的舒適性得到極大改善。柴油發動機轉速較低,氣缸燃燒溫度相對較低,其相關零部件磨損就較少,不易老化,且由于柴油發動機通過壓燃著火,無須高壓線、火花塞、分電器、點火系統等零部件,柴油發動機故障率遠低于汽油發

14、動機。在歐洲,大眾集團柴油發動機的無故障里程為85萬公里(1公里=1km ,而汽油發動機無障礙里程僅為40萬45萬公里。柴油轎車整車壽命至少比汽油車長20%以上。同時,柴油不易揮發,著火點較高,不易因偶然情況被點燃而發生爆炸,所以柴油機乘用車安全性更高。因此,柴油機乘用車的動力性能、駕駛性和可靠性等方面的客戶滿意度高于汽油機乘用車。5成本優勢:盡管柴油機的制造成本高于汽油機,但由于政策及法規的引導和較低的燃油消耗量,實際柴油機運行成本低于汽油機,并且柴油機的故障率遠低于汽油機,柴油機乘用車的養護成本比汽油機乘用車低得多。國際上現代化的柴油車技術已經十分成熟,很多生產廠商都能夠實現規模化生產和銷

15、售。以歐洲汽車廠商為首,國際汽車集團已經積累了相當豐富的柴油轎車生產經驗,對于柴油轎23中國工程科學車的售后服務、維修等也有充分的準備,因此其轉化為乘用車成本的比例越來越低。可見,與汽油機相比,現代乘用車柴油機無論從市場需求角度還是在排放法規、燃油經濟性、客戶滿意度和成本方面均具有一定的優勢,現代乘用車柴油機技術已成為未來發動機技術發展的一個重要方向。3.2國外乘用車柴油機技術發展現狀 近20年來,國外現代乘用車柴油機廣泛采用了增壓中冷、電控共軌燃油噴射、廢氣再循環、排氣后處理等先進技術,如圖5所示。在這些技術的耦合作用下,現代柴油機與20世紀90年代前的傳統柴油機有了質的差別:一是現代柴油機

16、的污染物排放大為減少,由于現代柴油機在減少污染物排放上取得的巨大進步,國際上將現代柴油機稱為清潔柴油機(cleandiesel 或綠色柴油機(green diesel ;二是現代柴油機解決了噪音、振動以及小型化的問題,使得現代柴油機動力技術不僅能夠用于大型的商用車上,而且也能用于乘用車(包括轎車上。現代柴油機技術使傳統柴油機功率密度低、冒黑煙、噪聲大和冷起動困難的缺點得以克服,并使節能環保的現代柴油動力乘用車作為未來乘用車發展趨勢成為現實。 圖5乘用車柴油機技術發展趨勢Fig .5Technology development trendof passenger car diesel engin

17、es3.2.1現代乘用車柴油機升功率水平提高柴油機升功率是國外實現柴油機節能減排目的的主線之一。升功率的提高可減小柴油機設計排量,這樣既可以滿足整車動力性(功率要求,又可使柴油機的常用工作點落在大負荷、低油耗區,從而達到節能的目的。由于柴油機有害排放和CO 2排放是燃油燃燒的副產物,節能本身就是減排。柴油機升功率的提高是通過提高柴油機工作轉速和增壓壓力來實現的。國外乘用車柴油機外特性平均有效壓力與升功率的發展趨勢可以從圖6中看出,在1997年,最高水平的柴油機最大平均有效壓力在1.5MPa 左右,對應的升功率在44kW /h 左右,從1997年到至今的十年里,最大平均有效壓力增加到了2.5MP

18、a ,對應的升功率提升到了65kW /L ,個別機型(如BMW 公司Alpina D 3柴油機的升功率已經接近80kW /L 。由于增壓壓力的不斷提高,柴油機的最高爆發壓力和熱負荷均在升高,對零部件,尤其是缸體、缸蓋、活塞、連桿、曲軸的設計和制造水平提出了更高的要求。圖6國外乘用車柴油機升功率發展趨勢Fig .6Development trend of power density for foreign passenger car diesel engines3.2.2高壓共軌燃油噴射系統在1997年,博世與奔馳公司聯合開發了共軌柴油噴射系統。目前,共軌系統在歐洲乘用車上已經得到普遍應用,如德

19、國戴姆勒-奔馳公司C 系列轎車、標致公司的HDI 共軌柴油發動機,菲亞特公司的JTD 發動機等。采用壓電執行器的第三代共軌系統,共軌壓力可以在20200MPa 間彈性調節,噴射控制更加精確,能實現5次以上分段噴射,最小噴射量可控制在0.5mm 3。通過共軌系統實現的燃油預噴可以優化柴油機燃燒過程,降低噪音和NO x 排放,后噴射可以降低碳煙顆粒的排放。與同類燃油噴射汽油機相比,裝配有共軌系統的現代柴油機可以降低25%30%的油耗,減少至少20%的CO 2排放。3.2.3燃燒技術燃燒技術是柴油機節能和排放控制技術的核心。柴油機的燃燒系統主要由空氣系統、燃油噴射系統、燃燒室三大部分組成,涉及電控燃

20、油噴射系統、增壓器、廢氣再循環(exhaust gas recirculation ,EGR 、進氣渦流、燃燒室等主要零部件的結構參數和噴油壓力、噴孔直徑、噴油規律、增壓壓力、EGR 率、進氣渦流比等多個控制參數。乘用車柴油機的燃燒技術與其他車用柴油機燃燒技術的主要區別在于轉速更高,從而要求油氣混合更快;缸徑更小,從而要求噴霧更短;振動和噪聲要求更低,從而要求壓332009年第11卷第11期力升高率更小,最好采用多次噴射。并且,國外柴油機在采用新型燃燒方式來實現缸內有害排放物生成控制方面也進行了一些嘗試,如預混合氣均質壓燃(homogeneous charge compres-sion ign

21、ition,HCCI燃燒、低溫燃燒等。由于NO x是在富氧高溫區形成,而碳煙顆粒物是在缺氧低溫區形成,如果采用低溫、富氧燃燒過程,即可在缸內同時達到控制NO x和碳煙顆粒物的目的。基于該思想的HCCI燃燒方式在豐田的UNIBUS(uniform bulky combustion system柴油系統、日產的MK (modulated kinetics柴油系統上都得到了應用并實現了商業化,但由于稀薄混合氣燃燒導致運行范圍有限,因此HCCI燃燒方式并沒有獲得廣泛的應用。與之相比,低溫燃燒的概念更為先進,它通過應用大比例冷卻EGR降低燃燒溫度來避開NO x和碳煙顆粒物的生成區域,可以實現濃混合氣燃燒

22、,也具有未來更大的應用前景。3.2.4排氣后處理系統柴油機的主要排放物是NO x和顆粒物。對于乘用車柴油機來說,NO x排放主要通過推遲噴油時刻,提高冷卻EGR比例來降低,但同時會增加顆粒物排放,通常采用柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF來消除,轉換效率可以達到90%以上。DPF面臨的核心問題是捕集器的再生,在全工況范圍內實現再生具有相當大的難度。另外,燃油中的含硫量對DPF有明顯的影響,硫燃燒后轉化為硫酸鹽,會導致有貴金屬涂層的顆粒物后處理系統被鈍化,轉換效率急劇下降。因此裝備DPF系統的發動機對燃油的硫含量的控制比較苛刻(要求含硫量低于50ppm(1

23、ppm=10-6。總結現代柴油機的先進技術,可以說,當前國際先進水平的乘用車柴油機大多數均采用電控高壓噴射+多孔數小孔徑噴孔噴油器+四氣門+淺盆型縮口燃燒室+渦輪增壓+(冷卻EGR+排氣后處理系統的技術組合。3.3國內乘用車柴油機技術發展現狀中國現有的車用柴油機絕大多數采用傳統的柴油機技術,與當今世界上廣泛應用的現代柴油機技術有很大的差距。技術水平相當于20世紀90年代前的國際水平,部分柴油車比如農用柴油機的技術水平甚至還達不到。柴油車仍普遍冒黑煙,有明顯的噪音和振動。從我國柴油機燃油經濟性與國際先進水平之間的差距即可見一斑。如圖2所示,以整車整備質量大于1090kg而小于1205kg的乘用車

24、為例,我國燃油消耗量第一階段限值是8.9L/100km,第二階段限值是8.1L/100km,而日本2002年的油耗量水平是在7.2L/100km,2010年標準定為6.9L/100km,我國第二階段限值相比日本2002年的油耗水平還高了12.5%,比日本2010年標準高了17.4%。目前實現柴油機乘用車節能減排的核心先進技術仍然被國外公司高度壟斷。近10年來國內基本上是通過產業引進和國外公司聯合開發等方式來獲得先進技術。昆明云內動力股份有限公司、玉林柴油機廠和長城汽車有限公司等單位陸續開發出滿足國3、國4排放標準的乘用車柴油機,但尚未實現批量化生產。在燃燒技術方面,天津大學、上海交通大學等在新

25、型燃燒系統領域已經取得一定的成果,但目前國內在乘用車柴油機燃燒系統開發方面還沒有成熟的應用。而在柴油機管理系統(engine manage-ment system,EMS、電控高壓共軌燃油噴射系統等關鍵零部件技術方面,國內一些高校如北京理工大學、清華大學、上海交通大學等也在積極開展研究工作,有的已經取得階段性成果。無錫油泵油嘴研究所在電控高壓共軌噴射技術方面已經取得相當的成果。目前這些成果沒有產業化,而且試驗應用對象還沒有轎車柴油機。我國企業和研究單位在柴油動力的開發過程中,由于沒有掌握如高效清潔燃燒技術、電控高壓燃油噴射技術、柴油機電控管理技術、柴油機及整車標定等關鍵技術,只能花費高昂的代價

26、以技術合作的方式向國外企業購買,而通過這種方式獲得的技術存在很多問題。一方面,外方提供的技術往往不是最新技術,等到技術被消化時已經不具備先進性;另一方面,由于不掌握核心技術,使得引進的技術不具備繼承性和成長性,行業產品陷入落后引進再落后再引進的怪圈。因此,國內乘用車動力行業亟需加快柴油動力的創新發展,開發出具有自主知識產權的乘用車柴油機技術,縮短與國際先進水平的差距,以滿足國民經濟發展的需要。4我國發展乘用車柴油機面臨的技術難點針對我國乘用車柴油機技術發展現狀以及未來廣大的市場需求,我們亟需突破以下乘用車柴油動力技術難點,掌握包括清潔燃燒技術、電控高壓共軌電控及標定技術等清潔節能的現代柴油機先

27、進技43中國工程科學術，實現自主開發低油耗、低污染物排放的高效清潔 乘用車柴油機。 ） 高效 清潔 燃 燒系 統。 柴 油 機 缸 內 燃 燒 過 程 凸輪軸制造的先進加工工藝和材料，如采用鋁合金 氣缸體和缸蓋、整體鍛鋼曲軸和組合式空心凸輪軸 等，在保證質量和足夠的強度、剛度要求的同時，盡 可能地降低重量和制造成本，提高成品率，以滿足乘 用車柴油機輕量化和批量化的要求。 ） 發動機排放后處理控制技術、后處理系統的 與燃油消耗率和有害污染物排放有直接的關系。 傳 統柴油機非均質擴散燃燒的固有特性使柴油機存在 碳煙和 x ，碳煙和燃油消耗率間的平衡關系。 開 發高效清潔燃燒系統就是為了打破這些平衡

28、，達到 最大限度地減少缸內有害排放物生成，且不惡化燃 油消耗率，最小化廢氣后處理系統的目的。 擬采用 的解決方案為：應用低溫燃燒的新概念。 采用大 比例廢氣再循環降低燃燒溫度和局部含氧量以降低 制混合氣的形成和分布，實現局部的預混合燃燒，以 x 生成，采用高壓分段燃油噴射在燃燒過程中控 集成和抗劣化及耐久性控制技術。 重點開發的主要 內容包括：微粒捕集器捕集及復合再生技術：建立 微粒捕集器捕集過程多工況多參數耦合數值仿真與 混沌粒子群優化模型，研究通流式微粒捕集器噴油助 燃與催化復合再生技術；后處理系統抗劣化及耐 久性控制技術：建立復合再生系統的壽命預測模型， 利用熵理論對催化劑抗劣化進行評價

29、，采用模糊理論 與支持向量機對催化劑抗中毒抗老化壽命進行預測， 及系統耐久性的智能診斷與控制研究；柴油機后 處理系統優化設計及集成技術：在建立本系統多學科 代理模型的基礎上，采用混沌粒子群優化算法對本系 統各部、組件進行多學科優化設計及集成。 ） 整車的匹配、標定與評價技術。 在整車的匹 降低碳煙生成；采用基于計算流體力學（ ，） 的燃燒系統優化設計方 碳煙和 x 的生成機理進行三維模擬分析，對影響 法，對缸內氣流運動、燃油噴霧、混合氣形成與燃燒、 上述過程的氣道、燃燒室、油束噴孔數量的設計參數 進行分析和優化，同時考慮增壓壓力、廢氣再循環、 分段噴射的影響，以提高對清潔燃燒機理的認識，指 導

30、研發工作，減少開發周期；研究快速可靠的控 制策略和算法，對包括噴油壓力、噴油定時、噴射次 數、噴油量、增壓壓力、廢氣再循環率、進氣流量等多 參數進行精確控制，以達到在降低有害排放物生成 的同時，不惡化燃油消耗率的目標。 ） 電控 燃油 噴 射系 統。 重 點 開 發 集 成 電 控 高 力總成懸置 的設計方法；開發結合循環熱力計 配方面，重點研究開發變速器匹配、機艙熱管理和動 算、發動機臺架自動精細標定和室內整車道路模擬 試驗的數字化標定技術，以替代部分整車道路標定， 減少整車道路標定的時間和對自然環境的依賴度； 開發發動機匹配標定系統、算法和軟件。 5結語 度和成本是影響車用發動機技術發展的主要因素。 ） 市場需求、排放法規、燃油經濟性、客戶滿意 壓供油泵、電磁驅動噴油器、高壓共軌管等一系列部 件的，能實現 以上噴油壓力和至少 次以 上多段噴射 滿足 國 以 上排 放 標 準 的 燃 油 系 統 總 ） 電控控制器 （ ，） 軟 成，以滿足國內批量化生成的需要，打破國外公司的 技術壟斷。 場需求還是在排放法規、燃油經濟性、客戶滿意度和 成本方面均具有一定優勢。 現代柴油機技術已成為 乘用車發動機技術近、中期發展的一個重要