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新能源之外,日本计划开发小型柴油发动机

发布时间:2019-11-26 19:31编辑:介绍浏览(66)

    去年,笔者应邀曾写过一篇关于日系柴油发动机发展的文章《你知道日本在做小型柴油机吗?》。在文中笔者就曾指出,小排量涡轮增压柴油发动机将在未来成为小型车用动力发展的一片新蓝海。近日,在工信部下发的《中国制造2025》详解版中正式提出,中国制造2025规划要“促进柴油机高压共轨技术的自主开发,推动柴油发动机在乘用车上的应用”。这也意味着,柴油动力特别是小型车用柴油动力将成为除新能源战略之外未来中国品牌汽车实现技术追赶世界先进水平的另一条发展道路。

    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。

    好,接下来不妨先来聊一聊小型车用柴油发动机到底都会有那些优势。

    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。最近几年,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。

    众所周知的,柴油发动机在经济型以及碳氧化物排放方面有着汽油发动机无法比拟的优势,采用压燃式点火的柴油发动机通过扩散的方式燃烧,这种方式下燃烧的速度取决于燃料和空气的混合速度,可以在稳定的状态实现稀薄燃烧。而汽油发动机是以预混合的方式进行燃烧,燃烧的速度取决于化学反应的速度,所以汽油机难以实现稀薄燃烧。也正是因为燃烧特性的差异,所以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个30%左右。

    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。

    柴油发动机排放产生的温室气体也要比汽油发动机少上45%左右。由于柴油较难挥发,因此柴油发动机的排放中像碳氢化合物这种源自燃料挥发的排放物成份就要比汽油发动机少上很多。因此柴油车排放中一氧化碳和碳氢化合物的比例要比汽油发动机少上不少。这种优势是柴油车特性所决定的优势。

    技术进步让柴油机优势凸显

    而柴油车最大的劣势在于颗粒物排放以及氮氧化物的排放,原因也与柴油发动机独特的运作原理有关,因为柴油发动机的燃烧是富氧燃烧,因此颗粒物排放和氮氧化物排放较高。

    传统的柴油动力留给人最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。

    那么从技术的角度来看,提升柴油发动机燃料和空气混合速度自然也要比提升汽油发动机的化学反应速度要简单得多。所以,伴随着高压共轨技术的成熟运用,柴油发动机在最近几年里实现的技术提升效果非常明显。另外,随着柴油发动机尾气后处理工艺的进步,传统意义上柴油发动机冒着黑烟污染空气的情况也得到了很大程度的改观。

    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。

    一方面是伴随着技术进步带来的固有特性的优化带来的柴油发动机性能优势的提升,另一方面则是后处理工艺技术进步带来的劣势的被填补,所以一来二去,柴油发动机的小型化就成为了一个与新能源车形成互补的低成本经济性动力解决方案。

    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:

    毫无疑问的,新能源车时代的到来将引导汽车社会进入一个全新的发展阶段。但是,作为新兴产品的新能源车无论是从市场层面上还是从产业层面上均没有达到一个绝对成熟的状态。所以,在很长一段时间内,新能源车的成本会一直居高不下,即便是插电式混合动力车型。对于低成本的入门级车型而言,高成本的新能源技术以及仍未放开的新能源市场是不足以在现阶段支持搭载新能源动力的。而受困于国内2020年平均5L每百公里的油耗限制,小排量柴油发动机也就迎来了生存的空间和发展的需要。这是国内的诉求。

    第一是日本的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是最为严苛的之一。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1-2L。

    另一方面,从市场的角度来看,《中国制造2025》的精髓就在于中国装备的走向世界,对于汽车产业而言,最终的发展目标当然是进军发达国家市场。放眼世界市场,柴油动力特别是小型车用柴油动力已经开始成为新宠,除了传统意义上的乘用车柴油机大户欧洲市场之外。在此前笔者针对日本小排量柴油发动机研发动向的调查中也不难发现,以马自达为代表的日系车企业也在潜心研发小型车用的小排量柴油发动机。而且从小型化的程度来看先进性已经远远超过欧洲的竞争对手。可以预见的是,未来日本国内的小型车市场也将是一片小型柴油发动机的天下。对于中国品牌走向世界构成重要依托的第三世界国家而言,乘用车用柴油发动机在欧洲车企和日本车企的产品输入下也呈现出上升的趋势。以最近一段时间在东南亚亮相的几款硬派SUV来看,均搭载了柴油发动机。所以,在这样的国际市场环境下,中国汽车产业要走出去,乘用车用柴油发动机就必须要列入重点关注项。

    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。

    说完了美好愿景,接下来就要放眼当下,要解决中国品牌乘用车用柴油发动机的研发推广,笔者认为至少需要推进两方面的建设。

    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。

    第一当然是柴油发动机本身的研发。乘用车用柴油发动机,特别是小型车用的柴油发动机。首要解决的问题就是发动机的小型化。柴油发动机的小型化是目前汽车业界一个算得上高精尖的研发领域。由于柴油发动机相对较高的缸内压力以及较长的活塞行程等固有特性决定的结构,所以柴油发动机的小型化过程中涉及到的不仅仅是改变柴油发动机的原理设计,还包括材料工艺、制造工艺等全方位的升级。另外,乘用车对于NVH性能以及高转速动力输出的要求要远高于商用车,于是这也为小型乘用车柴油发动机的性能标定提出了更高的要求。简单点说,小型乘用车用柴油发动机的设计限制条件过多。所以传统的设计制造方法完全不满足小排量乘用车柴油发动机的需求,必须改进研发思路。在这一点上,日系汽车企业给出的解决方案是分层燃烧,欧洲汽车企业给出的解决方案则是减少气缸数量。那么中国汽车企业该怎么选择呢?

    如何搬开柴油机小型化道路上的绊脚石

    第二是亘古不变的柴油油品问题。从欧洲国家柴油发动机技术的普及来看,柴油发动机的技术进步往往都是伴随着柴油油品的升级进行的。而中国的清洁柴油技术距离欧洲还有着较大的差距,最大的指标区别就是含硫量超标。随着柴油发动机技术的进步,特别是高压共轨技术的运用以及即将到来的柴油分层燃烧,柴油发动机早就不是过去大卡车上那种皮实耐操的产品,越来越精贵的柴油发动机对于柴油油品的品质需求也越来越高。对于小型车用柴油发动机而言,较差的油品质量极易造成喷油嘴的堵塞,继而弱化柴油发动机的性能表现。所以,中国品牌小型车用柴油发动机的发展问题不仅仅是汽车企业一家的责任,还包括石化企业的责任。

    那么,柴油发动机小型化面临哪些技术上的困难呢?

    不管怎么说,中国品牌的汽车要借《中国制造2025》的东风实现走向世界,与世界接轨的动力技术就不可或缺。而在相关政策的扶持下,小型车用柴油发动机必然成为中国汽车市场上的一片新蓝海。

    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16-18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最低压缩比,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。

    图片 1 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最好方式。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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