兼顧駕駛愉悅性與環(huán)保性能的清潔型柴油機(jī)

【日】 片岡一司 鐵野雅之 林原寛 山田薫 旗生篤弘

0 前言

近年來，隨著汽車用戶對降低燃油耗的意識不斷增強(qiáng)，各汽車制造商陸續(xù)在汽油機(jī)上應(yīng)用稀燃、渦輪增壓、小型化等發(fā)動機(jī)技術(shù)，以改善其燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)不斷推進(jìn)混合動力車的低成本化研究。另一方面，對柴油機(jī)的燃燒過程也在不斷進(jìn)行改進(jìn)，但為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，一直以來所采用的高性能噴油系統(tǒng)及排氣后處理系統(tǒng)等技術(shù)均存在成本偏高的問題。為此，馬自達(dá)公司推出了清潔型柴油機(jī)Skyactiv-D 2.2L機(jī)型，配裝車輛后，除了具有高熱效率、良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，以及理想的駕駛性能外，還能在不采用氮氧化物（NOx）后處理裝置的前提下，滿足當(dāng)前嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，達(dá)到降低成本的開發(fā)目標(biāo)。

1 技術(shù)理念

所謂“提高內(nèi)燃機(jī)的效率”，就是降低發(fā)動機(jī)排氣損失、冷卻損失、泵氣損失，以及摩擦損失等各項(xiàng)損失。降低這些損失的可控因素可歸納為壓縮比、比熱比、燃燒持續(xù)期、燃燒定時(shí)、氣缸壁面熱傳遞、進(jìn)排氣行程壓力差及機(jī)械阻力，而使這些可控因素接近于理論值將直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)效率的改善。

馬自達(dá)公司的新一代清潔型柴油機(jī)（即Skyactiv-D 2.2L柴油機(jī)）的開發(fā)重點(diǎn)就是著力改善上述可控因素中明顯偏離理想狀態(tài)的燃燒持續(xù)期、燃燒定時(shí)，以及機(jī)械阻力（摩擦損失）。為此，研究人員選擇低壓縮比與高效率渦輪增壓相結(jié)合的技術(shù)理念（圖1）。由于首次在柴油機(jī)上應(yīng)用14.0的低壓縮比，改善了燃油與空氣的混合，并且，高效率的渦輪增壓系統(tǒng)在確保大流量廢氣再循環(huán)（EGR）與空氣量的同時(shí)，利用低溫稀薄燃燒，大幅降低了NOx排放，從而可在不使用高成本NOx后處理裝置的前提下，滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。此外，由于采用低壓縮比，降低了燃燒壓力，實(shí)現(xiàn)了輕量、低剛性的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，大幅降低了摩擦損失。這些措施與燃燒定時(shí)優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合后，使新機(jī)型的燃油經(jīng)濟(jì)性相比傳統(tǒng)機(jī)型改善約20%（圖2）。同時(shí)，相比傳統(tǒng)柴油機(jī)，新機(jī)型實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速，最終使車輛兼顧了強(qiáng)勁的加速性能與愉悅的駕駛性能（圖3）。

2 實(shí)現(xiàn)低壓縮比的技術(shù)

降低柴油機(jī)壓縮比的最大障礙是在極寒冷環(huán)境下的起動性能與著火性能。在開發(fā)Skyactiv-D柴油機(jī)時(shí)，利用以下技術(shù)解決了上述課題：（1）運(yùn)用高性能的壓電式噴油器，實(shí)現(xiàn)噴射間隔極短的多次預(yù)噴射，增加了可燃混合氣；（2）采用兩級渦輪增壓系統(tǒng)，改善低排氣能量條件下的增壓性能；（3）采用2次開啟排氣門的方式，使部分高溫排氣向缸內(nèi)回流，從而提高壓縮終了溫度。

3 其他應(yīng)用技術(shù)

3.1 新型預(yù)混合燃燒概念

傳統(tǒng)的預(yù)混合壓縮著火（PCI）燃燒方式是利用大流量EGR確保較長的著火延遲期，使預(yù)混合氣稀化，以抑制碳煙的生成。本次開發(fā)應(yīng)用低壓縮比的進(jìn)氣溫度及噴油可控的預(yù)混合壓縮著火（ITIC-PCI）燃燒方式，可以在不過度依賴于EGR的條件下確保著火延遲期，利用剩余的氧幫助著火后的碳煙氧化。因此，即使在預(yù)混合時(shí)間較短的上止點(diǎn)附近噴油，也能實(shí)現(xiàn)不生成碳煙的燃燒，使基于噴油定時(shí)控制著火定時(shí)的PCI燃燒成為可能（圖4）。

3.2 蛋形燃燒室

采用蛋形燃燒室，以充分利用因低壓縮比而擴(kuò)大的燃燒室空間，改善燃油與空氣的混合，降低中高負(fù)荷工況下的碳煙排放，并縮短燃燒持續(xù)期（圖5）。

4 結(jié)語

為了獲得接近于理想狀態(tài)的發(fā)動機(jī)燃燒，Skyactiv-D 2.2L柴油機(jī)以低壓縮比14.0為關(guān)鍵技術(shù)，解決了傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒中無法克服的技術(shù)難題，在降低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了車輛行駛性能、燃油經(jīng)濟(jì)性，以及排放性能之間的高度平衡。該新機(jī)型從2012年起配裝于馬自達(dá)公司新車型后陸續(xù)進(jìn)入日本、歐洲各國及其他市場。