杉原啓之

自2019年起，日本國內對總質量超過3.5 t的全部新款重型汽車開始執(zhí)行于2016年制定的廢氣排放法規(guī)。在歐洲地區(qū)，各國政府針對2020年及以后生產的新車型制定了CO2減排標準。就重型汽車而言，自2018年開始執(zhí)行的實際道路行駛排放（RDE）限值要求正在逐步收緊。在該背景條件下，未來柴油機技術的開發(fā)重點是進一步改善燃燒過程，以此降低廢氣排放及燃油耗。在開發(fā)廢氣后處理技術的過程中，采用了集成式高壓及低壓廢氣再循環(huán)（EGR）管路技術，并進一步改善了帶尿素噴射的選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，同時推進了針對發(fā)動機小型化與低燃油耗技術的開發(fā)進程。以2019年日本國內市場的新型柴油機研發(fā)成果為例，論述了柴油機的市場發(fā)展趨勢及技術動向。

柴油機;市場趨勢;技術動向;CO2排放;燃油耗

0 前言

在日本國內，研究人員針對乘用車制定了全新的燃油耗標準：至2030年，要求整車燃油耗相比2016年改善32.4%。就重型柴油車而言，自2016年起，日本國內已開始執(zhí)行于同年制定的廢氣排放法規(guī)。自2019年起，日本國內針對總質量超過3 500 kg的全部新款重型汽車執(zhí)行了于2016年制定的廢氣排放法規(guī)。此外，研究人員還制定了針對重型汽車的全新燃油耗標準：貨車燃油耗需要改善13.4%，客車燃油耗需要改善143%。

自2017年起，歐洲地區(qū)的乘用車已采用了實際道路行駛排放（RDE）法規(guī)。研究人員基于該法規(guī)，設定了針對氮氧化物（NOx）的排放標準限值。至2019年，據(jù)相關設定，法規(guī)限值應為臺架試驗限值的2.1倍以下。從2020年起，研究人員將限值設定為臺架試驗法規(guī)限值的1.5倍以下。此外，研究人員還設定了2020年及以后的新車CO2減排目標，該目標主要針對乘用車與廂式貨車。至2025年，CO2總排放量相比2021年應降低15.0%。至2030年，乘用車的排放量相比2021年應減少37.5%，廂式貨車的排放量應比2021年減少31.0%。在從2018年開始執(zhí)行的RDE試驗中，針對重型車的要求正在逐步加嚴。為此，研究人員也制定了針對重型車的CO2減排目標。至2025年，CO2排放應比2019年減少15.0%。至2030年，CO2 排放應比2019年減少30.0%。

在美國，加利福尼亞空氣資源局（CARB）針對至2024—2027年重型車的NOx排放法規(guī)限值要求進行了研究，同時也對美國環(huán)境保護局（EPA）在2027年時應統(tǒng)一執(zhí)行的排放標準進行了研究。加利福尼亞州政府對溫室氣體（GHG）排放法規(guī)進行了研究，并從2021年起將開始執(zhí)行被稱為階段2（Phase II）的法規(guī)。

1 日本國內柴油機市場動向

1.1 市場概況

1.1.1 乘用車柴油機

2019年，三菱汽車公司銷售了配裝于運動型多功能車（SUV）的4N14型柴油機。該款發(fā)動機的排量為2.2 L。目前，部分由歐洲汽車制造商生產的柴油機已在日本國內市場正式推出。

1.1.2 商用車柴油機

2019年，UD卡車公司開始銷售排量為7.7 L的GH8型柴油機，并意圖將該款柴油機配裝于重型柴油車。此外，根據(jù)政府規(guī)定，重型柴油車需要滿足2016年制定的廢氣排放法規(guī)要求。

1.2 新型柴油機的技術特征

2019年在日本國內發(fā)布并銷售的柴油機及其技術參數(shù)如表1所示。

1.2.1 三菱汽車公司

三菱汽車公司推出的4N14型柴油機（圖1）可充分滿足歐六d-TEMP排放法規(guī)要求，并適用于日本國內汽車市場。由于研究人員采用了相關技術，可有效降低活塞曲軸系的慣性質量與滑動阻力。除此以外，研究人員還為其配備了減壓機構。該機構可對發(fā)動機液壓系統(tǒng)進行調節(jié)，最多可減少約27%的摩擦損失。在轉速為1 500 r/min的條件下，最多可減少約6%的燃油耗。在2 000 r/min的轉速下，最多可降低燃油耗11%。同時，研究人員為該款發(fā)動機的排氣后處理裝置配備了帶尿素噴射的SCR系統(tǒng)。

1.2.2 UD卡車公司

2019年，UD卡車公司推出了GH8型柴油機（圖2）。該機型是1款與Volvo公司共同開發(fā)的7.7 L發(fā)動機，并可同時滿足日本國內市場的燃油耗限值與廢氣排放法規(guī)要求。相比重型車燃油耗標準，該款機型的燃油耗改善了5%。配裝了該款發(fā)動機的全部車型均采用12檔電子控制式自動變速器（ESCOT-VI），其駕駛性能與配裝了排量為11.0 L發(fā)動機的車型處于同一水平。此外，隨著小型化技術的不斷推行，配裝有該款機型的重型貨車的底盤質量減輕了約320 kg。

2 世界各國的汽車市場發(fā)展動向

2.1 市場概況

2.1.1 乘用車柴油機

在歐洲地區(qū)，為滿足歐六d-TEMP排放法規(guī)而開展的相關工作目前已告一段落。為滿足自2020年開始執(zhí)行的歐六d排放法規(guī)的柴油機也開始陸續(xù)投放市場。Mercedes-Benz公司上市銷售了可滿足歐六d排放法規(guī)的OM654q型柴油機（圖3），該機型的排量為2.0 L。同時，VolksWagen公司也銷售了可以滿足歐六d排放法規(guī)的EA288 2.0 TDI Evo型柴油機，其排量同樣為2.0 L。為了滿足在RDE排放法規(guī)要求下逐步加嚴的NOx標準限值要求，研究人員為該類機型配裝了SCR系統(tǒng)。在美國，GM公司推出了Duramax型直列6缸柴油機。該款機型排量為3.0 L，可配裝于具有高功率、大扭矩及低燃油耗要求的全尺寸輕型客貨兩用車。FCA公司銷售的Eco Diesel V型6缸柴油機，其排量為3.0 L。

2.1.2 商用車柴油機

2019年，MAN公司推出了可配裝于重型貨車的D15型9.0 L柴油機，相比傳統(tǒng)的D20型10.5 L柴油機，該款機型的尺寸小型化趨勢非常明顯。Volvo卡車北美總部旗下的研究人員對計劃發(fā)售于北美市場的D13TC型13.0 L渦輪復合式柴油機進行了優(yōu)化，進而改善了其燃油經濟性。Scania公司推出了DC13 166型柴油機，相比原排量為13.0 L的DC13型柴油機，該機型的輸出功率得以明顯提升，達到了397 kW。

2.2 新型柴油機技術特征

2.2.1 Mercedes-Benz公司

2019年，Mercedes-Benz公司推出的OM654q型柴油機采用了諸多先進技術。在機體上集成了高壓EGR及低壓EGR管路，同時還配備有DOC和帶SCR的SDPF，同時在車體下方布設了ASC（圖4）。因此，該款機型除了可滿足歐六d-TEMP廢氣排放法規(guī)要求以外，也能滿足于2020年起開始實施的歐六d排放法規(guī)要求。

2.2.2 VolksWagen公司

2019年 ，VolksWagen公司推出了EA288 2.0 TDI Evo型柴油機（圖5）。該款發(fā)動機采用新型雙催化劑系統(tǒng)，并可從直列布置的2款SCR系統(tǒng)的上游添加尿素水溶液。該款機型除了能滿足歐六d-TEMP排放法規(guī)之外，同樣也能滿足自2020年開始實施的歐六d排放法規(guī)。研究人員在機體上配裝了1款SCR系統(tǒng)，并在車體下方則配裝了另1款SCR系統(tǒng)。第1款SCR系統(tǒng)的布置位置由于距柴油機較近，所以即使在冷起動時，也可使催化器溫度得以迅速上升，進而可獲得較高的NOx轉化率。第2款SCR系統(tǒng)雖然離柴油機較遠，但在500 ℃的高溫排氣影響下，也能獲得較高的NOx轉化率。

2.2.3 GM公司

2019年，GM公司推出了Duramax 3.0 L柴油機（圖6）。該款機型具有較高的動力性能及較低的燃油耗。研究人員為該款機型配備了長裙式的氣缸體，并使整機通過鋁材制造，使其質量相比鑄鐵氣缸體減輕了約25%。同時，研究人員為該款機型選用了鐵制氣缸套，以確保整機具有較高的耐久性，曲軸與連桿則采用鍛鋼制造。不僅如此，該款發(fā)動機還采用了水冷式VGT，配備水冷式中冷器，其最大氣壓可達0.3 MPa，并配備了集成的高壓EGR及低壓EGR管路。由于研究人員為該款機型配備了電子控制式片狀止回閥，以切換通往各氣缸的不同進氣通道，此系統(tǒng)還可根據(jù)柴油機轉速變化而對進氣量進行調整。除此以外，該款發(fā)動機還采用了供油量可變的葉片式油泵等技術。

2.2.4 FCA公司

FCA公司的EcoDiesel V6型3.0 L柴油機是該機型系列的第3代產品，其扭矩相比第1代機型增加約14%，功率提高約8%（圖7）。研究人員對進氣道的渦流與流量系數(shù)進行了優(yōu)化，并通過高強度球墨鑄鐵（CGI）來制造氣缸體，曲軸與連桿則通過鍛鋼制造。同時，研究人員為其選用了水冷式VGT，并配備了集成的高壓EGR及低壓EGR管路。研究人員對該款機型的壓縮比進行了調整，使壓縮比由16.5降至16.0。

2.2.5 MAN公司

2019年，MAN公司推出了D15型柴油機（圖8）。該款機型的最大燃燒壓力為23 MPa，取消了帶有冷卻功能的EGR系統(tǒng)，并采用了配備有尿素噴射的SCR系統(tǒng)與連續(xù)再生式DPF。研究人員通過技術優(yōu)化，改善了該機型的暖機過程，并使其具有較高的排氣溫度。同時，研究人員還為其配備了能連續(xù)改變轉速的冷卻水泵等多種先進部件。研究人員可通過調節(jié)發(fā)動機與輔助設備的熱管理系統(tǒng)來實現(xiàn)整機的高效化工作。此外，研究人員利用由MAN公司獨創(chuàng)的發(fā)動機制動系統(tǒng)Turbo EVBec，可使整機的最高功率達到340 kW。由于該機型的尺寸相比第1代D20型柴油機有所減小，因此在實際運用過程中，能使整車的載貨量增加230 kg。

2.2.6 Volvo卡車北美總部

2019年，Volvo卡車北美總部推出了D13TC型柴油機（圖9），其旗下的研究人員對2017年投放至北美市場的D13TC型渦輪復合發(fā)動機的燃油經濟性進行了優(yōu)化，并使該款機型于2020年2月底開始正式投產。該款機型可選用3種驅動模式，可根據(jù)整車質量、道路坡度及道路條件，自動地設定發(fā)動機的動態(tài)扭矩，同時也能使氣缸內的混合氣分布更均勻。研究人員為其采用了能實現(xiàn)可靠燃燒的改良型活塞，并使整機壓縮比由17.0增加到了18.0。新款帶復合渦輪的發(fā)動機的燃油耗相比傳統(tǒng)的D13TC型發(fā)動機改善了3%，整車燃油經濟性相比2015年款機型改善了11%。

2.2.7 Scania公司

2019年，Scania公司推出了DC13 166型柴油機（圖10），該款機型的最高功率為397 kW。相比排量為16.0 L且功率為382 kW的DC16型柴油機，DC13 166機型具有更強的動力性能。該款機型的開發(fā)理念是為了降低整車質量及前后軸配重平衡等問題，相應可使整車燃油耗降低2%。該款機型的技術標準與同系列功率為368 kW機型發(fā)動機基本相同。

3 柴油機技術動向

在歐洲地區(qū)，由車輛排放的NOx、顆粒物（PM2.5）等大氣污染物的濃度目前尚無法滿足由世界衛(wèi)生組織（WHO）制定的大氣環(huán)保標準要求。為了改善此類狀況，歐洲各國采用了如上文所述的RDE法規(guī)，并且正在逐步收緊該法規(guī)限值。在日本國內，政府決定自

2022年起對柴油乘用車統(tǒng)一執(zhí)行RDE法規(guī)。在美國，加利福尼亞州政府通過調整政策，進一步收緊針對重型車的廢氣排放法規(guī)限值，同時相關研究人員也對低負荷工況循環(huán)試驗開展了重點研究，并對EPA執(zhí)行統(tǒng)一標準的事宜進行了技術研討。此外，隨著發(fā)動機燃油耗的降低及其與混合動力技術的組合，柴油機排氣溫度總體上呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。

為了滿足相關廢氣排放法規(guī)的強化需求，并應對發(fā)動機排氣溫度降低等情況，研究人員應重點提高尿素噴射SCR系統(tǒng)對NOx的轉化率。除了提高催化器自身的性能及增大載體單元密度等要求之外，研究人員還需要對以下技術開展研究。研究主要包括：SCR催化劑的推廣，SCR系統(tǒng)及噴射器的優(yōu)化，排氣管及催化器的外殼保溫技術，以及使催化器升溫或保溫的控制技術。此外，為了進一步降低燃油耗，研究人員認為控制催化器的數(shù)量與排氣背壓也是1項重要課題。

另一方面，為了應對全球暖化問題，各國應降低以CO2為代表的溫室氣體的排放量。為進一步降低CO2排放，研究人員可針對以下領域開展重點研究：使發(fā)動機進一步實現(xiàn)小型化，使發(fā)動機扭矩特性曲線得以最優(yōu)化，使發(fā)動機常用工況區(qū)域實現(xiàn)低轉速化，改善燃燒和渦輪增壓器效率，降低冷卻損失、排氣損失及摩擦損失，提高排氣后處理系統(tǒng)的性能，對發(fā)動機及排氣后處理系統(tǒng)進行合理控制。未來，相關技術將會得到進一步發(fā)展，研究人員也需要對降低燃油耗的技術開展深入研究。