柴油发动机在现代轿车中应用的分析与展望

摘要:本文根据柴油发动机和汽油发动机的各自特点，总结了柴油发动机的优越性；对柴油发动机技术提出了改进建议，给出了解决柴油机燃料品质问题的方法，列举了有关柴油发动机应用方面的先进技术，使柴油发动机在轿车中的应用的可行性得到了论证；指出了柴油发动机在轿车中应用的未来发展走向。

关键词:柴油机；柴油；轿车；环保

前言

近年来，汽车新能源技术发展迅猛，燃料电池、混合动力、电动车、醇类汽车等新技术、新概念，不断冲击人们的头脑，并且随着先进柴油机技术的发展，柴油车在许多国家得到大量应用。欧洲出现了越来越明显的轿车柴油化趋势，2004年欧盟新增乘用车（主要是轿车）中50%为柴油车，法国、意大利、德国柴油轿车占当年轿车市场的比例分别为72%、66%、43%。美国柴油汽车比重尽管不高，但在过去的5年中销量增长56%。根据国外有关机构预测，2001年至2014年的15年间，全球汽车市场总规模将增长39%，其中汽油车增长23%，柴油车增长97%。

一、柴油发动机的优越性

从动力性、燃油经济性和环保性等方面来看，与汽油发动机相比，柴油发动机都有较强的优越性。

（一）动力性方面

柴油发动机具有功率大、动力性能好等特点。其压缩比一般为16～22，而汽油机的压缩比一般为6～11；如果采用增压技术柴油发动机的功率还可以进一步增大。如美国康明斯柴油发动机功率高达448kW，这对于汽油机来说是不可思议的。

（二）燃油经济性方面

柴油机的燃烧方式决定了它具有优越的燃油经济性。汽油机的热效率一般为20～30%，而柴油机的热效率可达30～40%。有资料表明，以质量为0.8～1.5t的轿车百公里油耗比较：汽油车约为5～8.2L，非直喷式柴油车约为4.6～8L，直喷式柴油车约为5～6L，柴油车比汽油车低30%左右。

（三）环保方面

由于柴油车处于过量空气的情况下工作，燃料燃烧充分，而且柴油车的燃料是在燃烧前高压喷入燃烧室，雾化良好，而且柴油发动机燃烧室温度与汽油机相比要低得多，只是柴油发动机的排放污染要少得多，而且随着柴油机排放技术水平的不断提高，以及先进柴油机技术的应用，排放问题逐渐得以改善，除了微粒排放外，柴油机轿车的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物等污染物排放量已远低于汽油机轿车，尤其在CO2排放方面具有明显优势，可减少45%以上的温室气体排放。

二、柴油发动机技术的改进

从以上分析可以看出，尽管柴油发动机在动力性、燃油经济性及环保方面都具有较轻的优越性，但其在轿车上还没有得到广泛的应用。这就需要我们考虑在柴油发动机技术上有所改进。

（一）柴油品质的提高

由于我国柴油的质量严重影响了柴油发动机技术的发展，从而制约了柴油机轿车的广泛应用，因此石化行业应加大柴油品质的投资力度，提供高品质的柴油。我认为提高柴油质量的方法有以下几种：

1、提高柴油机十六烷值，使其稳定性变差，易裂解为碳烟；

2、降低柴油中的含S量；

3、使用柴油添加剂，从而提高燃料的十六烷值；

4、使用代用燃料，可以采用醇类和生物柴油等代替柴油。

（二）新技术在柴油发动机上的应用

1、高压共轨电子控制燃油喷射技术

共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分别送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达到最佳的燃烧空燃比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少的污染排放。

柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：

（1）采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；

（2）采用共轨方式供油；

（3）高速电磁开关阀频响高，控制灵活；

（4）系统结构移植方便，适应范围宽。

共轨式燃油喷射技术有助于减少柴油机的尾气排放量，以及改善噪声、燃油消耗等方面的综合性能。

2、采用多气门技术

在柴油机上采用多气门技术是满足更严格排放指标的有效途径。由于缸盖上的喷油嘴和活塞上的燃烧室凹坑布置在气缸中央，从而优化了进气涡流和油雾分布以及活塞与喷油器的冷却条件，并可实现涡流比在不同转速下的变化，这使混和气的形成进一步优化，因而在提高动力性和经济性的同时减少了NOX排放，但增加了成本和结构的复杂性。在燃用汽油的大、中、小型轿车上，多气门技术已经作为成熟技术得到了应用。在柴油机上应用多气门技术是国际学术界研究热点之一，国外内燃机的气门最多时已达到5个，目前已在大型柴油机应用的基础上，逐渐开始在小型柴油机上应用，国内在这方面的研究尚未成熟。

3、增压中冷技术

废气涡轮增压可提高进气压力、增大空气的供给量，提高了气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度，使燃油燃烧完全，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低50%左右，并减少了CO和HC的排放。

柴油机采用进气增压技术后，由于压缩温度升高，在动力性与经济性提高的同时，NOX的排量也必然增加。但增压柴油机在采用中冷技术以后，增压空气在进入气缸以前被冷却，在一定程度上可以抑制NOX的排放。因此，采用增压中冷技术可使柴油机NOX的排放降低。目前，柴油机增压中冷技术在中型柴油机上应用日益广泛，小型柴油机上也逐渐在采用。一些新研制的轿车柴油机上也开始采用。

4、采用废气再循环技术

采用废气再循环(EGR)是降低NOX排放的一项极为有效的措施，目前只是在汽油机上得到了较为成熟的应用。EGR在所有负荷条件下都可以有效减少NOX排放。将定量废气引入柴油机进气系统中，再循环到燃烧室内，有利于点火延迟，增加了参与反应物质的热容量以及CO2、H2O、N2等惰性气体的对氧气的稀释作用，从而可降低燃烧最高温度，减少NOX的生成。大约60%-70%的NOX是在高负荷时产生的，此时采用合适的废气再循环率对于减少NOX是很有效的。废气再循环率为15%时，NOX排放可以减少50%以上，而废气再循环率为25%时，NOX排放可减少80%以上。

利用废气再循环（EGR）来降低NOx的排放，需要与电子控制结合，根据柴油机负荷、转速、冷却水温度传感器及启动开关信号，由ECU对EGR率和EGR时机进行控制，保证在对柴油机性能影响不大的条件下，降低尾气中NOx的排放。

由于本人知识水平有限，仅列举并分析了以上几种柴油发动机技术的改进，还有一些新技术，比如，涡轮增压技术、电控燃油喷射技术、微粒捕集器技术及机外催化处理技术等的应用，相信能够解决现有柴油发动机存在问题，使柴油发动机在轿车上能够得到广泛应用。

三、应用展望

柴油机的大功率、低排放、良好的电子控制等显著优点将使柴油发动机在新时代有长足的发展。现在全球各大厂商正致力于新型绿色环保柴油机的研发，在氮氧化合物和颗粒物的排放方面将得到近一步改善，关键是在燃油的精确配置和废气的后置处理，将有更多的电子新科技运用到新一带柴油机上。而且在代用燃料方面柴油机也有其应用特点，醇类燃料和生物柴油的应用，将能够解决未来柴油能源的短缺这一难题。而且随着柴油机先进技术的开发和发展，柴油机噪声大以及排放污染物等问题将会得到很好地解决。由此可见，轿车柴油化将是一种很不错的选择。

另外，随着我国柴油品质的提高，能够满足先进柴油机技术的发展的需求，相信柴油轿车能够在我国打开一个新市场。“节能+环保+先进技术柴油机+高品质柴油”，相信随着时间的推移，国内环保节能的先进柴油车将如同欧洲般普及，让我们一起等待这一天的到来。

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