轿车柴油机

逼近甚 至 超 过 50 kW / L 。如 奥 迪 公 司 的 2. 5 L V6
和
3.
3
L
V8
直 喷 式 柴 油 机 的 升 功 率 分 别 达 到 53. 6 kW/ L
和 50. 5 kW/ L。
Ó 扭矩储备系数普遍达到了 0. 15~ 0. 35, 最大
超过 0. 40, 而且产生高扭矩的 转速范围越来越宽,
目前, 轿车柴油机已经具备了与汽油机相抗衡 的实力, 功率更高, 性能更好, 噪声更低, 排放更少, 成为满足未来排放法规的杀手锏。轿车柴油机正以 前所未有的气势席卷欧洲大陆, 吞噬着轿车汽油机 的市场份额。轿车柴油机化正在成为世界潮流。
1 轿车柴油机的发展史
世界上第一台柴油机是 1893 年 8 月 10 日诞生 的。由于柴油机在扭矩和油耗方面比汽油机具有明 显的优势, 所以, 30 多年后在卡车运输领域 里得到 了广泛的应用。随着车辆的迅速增加, 石油资源的 消耗也迅速增长, 这就迫使人们不得不关注全球的 石油储量和节能问题, 并由此激发了对柴油机的进 一步开发应用。1922 年, 标致公司用一台 11 kW 的 二行程柴油机 在标致 156 型轿车上进 行了装车 试 验; 1932年, 法国雪铁龙公司以及德国的梅塞德
1992 年, 欧洲 共同体 首次 规定 了颗 粒 排放 限 值, 此后 又制 定了控 制 CO2 排 放的指 导方 针草 案 ( 93/ 116/ EC) , 并提出在 2005 年/ 2010 年时 CO2 排放
量降为 120 g/ km。 此外, 对轿车噪声也有严格要求。目前, 欧共
最新的欧洲柴油机轿车与汽油机轿车相比已没 有多少区别, 起动一样快, 加速性相同甚至更好。柴 油机的使用寿命一般是汽油机的 1. 5 倍。
3 现代轿车柴油机的特点
Ó 升功率基本上达到 33 kW/ L ~ 43 kW/ L, 接
近现代汽油机的水平。现代涡轮增压中冷直喷式柴
油机升功率已超过 40 kW/ L , 采用 4 气门技术后可
斯 ) 苯茨公司和 Hanomag 公司 开始研 制轿车 柴油 机; 1935 年初, 雪铁龙公司率先推出了 Rosalie 牌柴 油机轿车; 次年, 梅塞德斯 ) 苯茨公司和 Hanomag 公 司也 分 别 推 出 了 Mercedes 260D 柴 油 机 轿 车 和 Hanomag 1. 6 柴油机轿车。
0. 31 0. 08
4. 2
0. 156 0. 08
4. 2
0. 090 0. 08
2. 1
0. 055 0. 04
0. 0
0. 0
表 2 欧洲和日本柴油机 轿车排放限值标准
标准
实施年份
NOx
欧Ò
1996
)
欧
欧Ó
2000
0. 50
洲
欧Ô
2005
0. 25
CO
HC+ NOx
1. 0
0. 90
0. 6
到了欧 Ó排放标准。
4 轿车柴油机的排放限值
美国是世界上最早执行排放法规的国家, 也是
2000 年 6 月
吴建全等: 轿车柴油机
# 3#
表 1 美国联邦和加州柴油机轿车按 FTP 循环测试的排放限值1)
排放级别
Tier 0 联
Tier 1 邦
Tier 2
实施年份
1991~ 1997 1994~ 2003
0. 56
0. 5
0. 30
日
1997
0. 60
2. 1
)
本
2000
0. 40
2. 1
)
注
1 欧洲按 MVEG 试验测试。 2 日本按 10/ 15 工况试验测试。
g/ km
HC
PM
0. 1
0. 05
0. 07
0. 025
0. 40
0. 20
0. 40
0. 08
排放法规最严格的国家; 其中, 加利福尼亚州的排放 法规最为严厉。欧洲和日本排放法规中的许多内容 是借鉴美国排放法规制定的。
美国现行有两种排放法规, 即联邦排放法规和 加州排放法规。排放控制指标包括: THC( 总碳氢) 、 THCE( 总碳 氢当量) 、NMHC( 非甲烷碳 氢) 、NMHCE ( 非甲烷碳氢当量) 、NMOG( 非甲烷有机气体) 、CO、 NOx 、PM( 颗粒) 和 HCHO( 甲醛) 等。以 8 @ 104 km 和 16 @ 104 km 行驶里程为限, 规定了两个档次的限值 指标。行驶 8 @ 104 km 后的排放限值与新车相同, 行驶 16 @ 104 km 后的排放限值略宽松。
2 柴油机轿车与汽油机轿车的性能比较
2. 1 经济性 尽管柴油机轿车的初置费用较高, 但其燃油经
济性比汽油机高 30 % 左右( 见图 1) , Audi V6 TDI 柴油机一次加油可以行驶 1 000 km 以上; 加之柴油 的价格也比汽油便宜, 因此, 经 过一定里程的 使用 后, 柴油机轿车加初置费在内的成本费用就会明显 低于汽油机轿车。
由于非直喷式柴油机噪声小, 运行平稳, 制造成 本较低, 所以当时的轿车柴油机基本上采用非直喷 式。尽管人们已经认识到直喷式柴油机较非直喷式 柴油机有更高的效率, 但由于缺乏合适的喷油系统, 加之在升功率输出和烟度排放方面还不如人意, 因 此, 直喷式柴油机在轿车上的应用相对较晚。
随着燃油喷射研究的进展和相关产品的出现, 直喷式柴油机开始步入轿车领域。1986 年, 菲亚特 公 司率先在其克罗马( Croma) 轿车上采用了1. 9L、 4 缸直喷式柴油机, 罗孚( Rover) 公司也同时在其奥 斯汀#蒙泰哥 ( Austin Montogo ) 轿车上采用了珀金斯 公 司的2. 0L 直喷 式柴 油机 。正是 从那 时起 , 直喷
规。如福特公司的 DIATA 柴油机在机外 1 m 处的噪
声不到 86 dB, 装在车上的驶过噪声不超过 74 dB。
Ó 燃油耗低, 最低燃油消耗率达到
198 g/ ( kW#h) , 标定功率时的油耗为 204 g/ ( kW#h) 。
Ó 排放少, 90 年代初的轿车柴油机都达到了欧
Ò排放标准, 90 年代中后期的轿车柴油机接近或达
2003~
5 a / 5 @ 104 mile
NMHC
NO x
CO
或
NMOG
1. 0
3. 4
)
0. 42) 3. 4
0. 25
3. 4
0. 125
PM
NOx
0. 2 0. 08 0. 63)
0. 2
Tier 0
~ 1996
1. 0
8. 3
0. 46
0. 08
Tier 1 加 TLEV ( 过渡低排放汽车)
图 1 欧洲 轿车燃油耗
2. 2 可靠性 由于柴油机没有点火系统和分电器, 减少了故
障发生概率, 因而具有比汽油机更高的使用可靠性。 2. 3 排放
柴油机的 CO2 排放比汽油机低 20 % , HC 和 CO 排放约是汽油机的 10 % ~ 17 % , 只是颗粒和 NOx 排放比汽油机严重。现代轿车柴油机通过优化燃烧 室形状, 采用多气门、涡轮增压和中冷、高压喷射、电
尽管初期柴油机轿车的功率输出很差, 如雪铁 龙公司的 1. 7 L 柴油机的功率输出只有 20 kW, 苯茨 公司的 2. 6 L 柴油机的功率输出也不过是 33. 6 kW, 但人们还是认可它具有的高效率和低燃油消耗。在 50 年代末和 60 年代初, 对石油储量下降的担忧又 一次掀起了轿车柴油机的开发热。奥斯汀公司、菲 亚特公司和标致公司分别推出了以柴油机为动力的 轿车。70 年代的两次/ 能源危机0 导致柴油机轿车 的市场销量激增, 也促成更多的厂家从事轿车柴油 机的研 究开 发。美 国的 汽车 制造商 起步 较晚, 在 1973 年后才开始研究 轿车柴油机。70 年代末, VM 公司推出了 2. 4 L 轿车用涡轮增压柴油机。
1. 7 MPa。如 AVL 公司研制的 2 L、直列 4 缸、低排放
涡轮增压柴油机最大平均有效压力达到 1. 7 MPa。
Ó 喷油压力高, 目前的共轨式燃油系统喷油压
力为 135 MPa, 最新电控径向柱塞式分配泵( 如 Bosch
VP44) 可达到 185 MPa。
Ó 噪声低, 基本 满足欧洲 关于轿 车的噪 声法
特别是可 变谐振 进气 技术的 应用( 如 苯茨公 司的
OM606) , 使高扭矩转速范围达到工作转速 的 50 %
以上。
Ó 标定转速高, 直喷式轿车柴油机基本在
4 000 r/ min 以上; 大众公司采用泵喷嘴的 1. 9 L TDI
柴油机的标定转速达到了 5 000 r/ min。
Ó 强化程度高, 最大平均有效压力已经达到
收稿日期: 2000-04-18 第一作者简介: 吴建全, 男, 1965 年生, 1987 年毕业于华东工学院, 工程师, 037036, 山西车用发动机研究所。
# 2#
车用发动机
2000 年第 3 期
式柴油机才真正体 现了其良好的 燃油经济性。但 是, 与非直喷式柴油机相比, 直喷式柴油机还存在噪 声大、颗粒和 NOx 排放高的问题。为了提高轿车柴 油机的市场竞争能力, 在提高升功率、降低振动和噪 声、减少排放等方面进行了不断的改进。具体措施 包括研制具有高喷射压力的电控喷油系统, 采 用 4 气门技术和喷油器垂直中置的燃烧系统, 匹配涡轮 增压器和中冷器等。由此, 轿车柴油机进入了蓬勃 发展时期。1991 年, 德国大众公司推出了最具现代 特色的 1. 9 L 涡 轮 增压 中 冷直 喷 式 轿车 柴 油 机 ( TDI) 。随后, 梅塞德斯 ) 苯茨公司、欧宝公司和雷 诺集团也先后推出了各自的轿车用直喷式柴油机。 1997 年, 菲亚特公司在世界上首次推出了采用共轨 式燃油系统的 1. 9 JTD 直喷式柴油机, 昭示轿车柴 油机已经跨入了一个新的时代。
摘要 概述了轿车柴油机的发展历史和技术现状, 介绍了国外典型产品的特点和技术 参数以及 轿车柴油机 在 国外的市场销售状况, 预测了轿车柴油机的发展 趋势, 提出了我国发展轿车柴油机的策略建议。
关键词: 轿车柴油机 发展历史 技术现状 发展趋势 对策 中图分类号: TK42
随着城市车辆的增多, 废气排放对大气环境的 污染越来越严重, 特别是 CO2 排放产生的温室效应 使全球变暖的趋势日益明显。世界各国为了保护环 境, 相继制定了严格的排放法规, 并日渐强化。为了 满足苛刻的排放法规要求和有效地减少 CO2 排放, 欧美及日本等发达国家正在大力发展燃油经济性较 好、有害气体和 CO2 排放较少的柴油机轿车, 并竭力 挖掘柴 油机的 潜力, 最大 限度地 降低油 耗。90 年 代 初, 在欧洲出现了/ 3L轿车0热, 即平均车速为 9 0 km / h 时 , 轿 车 的 10 0 km 体 积 油 耗 仅 为 3 L 。 1992 年, 美 国 成 立 了 一 个 新 一 代 车 辆 联 合 体 ( PNGV) , 其目标是推动经济轿车的开发, 每 4. 55 L ( 一加仑) 燃油行驶 128 km。
州 LEV ( 低排放汽车) ULEV ( 超低排放汽车)
ZEV ( 零排放汽车)
1993~ 2003 0. 4
3. 4
1994~
0. 4
3. 4
1997~
0. 2
3. 4
1997~
0. 2
1. 7
2003~
0. 0
0. 0
0. 25
0. 08 1. 0
0. 125
)
0. 6
0. 075
)
0. 3
0. 04
第 3 期( 总第 127 期) 2000 年 6 月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No. 3( Serial No. 127) Jun. 2000
#综合评述#
轿车柴油机
Diesel Engine for Passenger Car
吴建全 任继文 ( 山西车用发动机研究所) 卜晓明 ( 黑龙江财政厅汽修管理中心)
)
0. 3
0. 0
0. 0
0. 0
1) 由于是美国标准, 原文引用, 采用了非法定计量单位。 2) 2003 年前为 1. 0。 3) 2003 年前为 1. 25。
g/ mile
10 a / 105 mile
NMHC
CO
Βιβλιοθήκη Baidu
或
PM
NMOG
4. 2
0. 31 0. 10
1. 7
0. 125 0. 08
4. 2
子控制、废气再循环和排气后处理等技术, 可以明显 改善颗粒和 NO x 排放。 2. 4 噪声
非直喷式柴油机的噪声已降低到同档功率汽油 机的水平; 直喷式柴油机通过电子控制喷油正时和 废气再循环, 采用双弹簧喷油器进行预喷等手段可 大幅度降低噪声, 达到可比汽油机的噪声水平。 2. 5 使用性能与寿命