【五十铃4钢柴油机】汽车柴油机技术动态评述

受温室气体排放减少和汽车燃料消耗改善要求的影响，日本国内从2018年开始对总质量为3.5~7.5吨的中型汽车实施废气排放法规。近年来，对柴油机的技术开发工作重点是改善燃烧过程，同时采用新的燃烧方式，减少废气排放和燃料消耗。除了开发新型柴油机及废气后处理技术外，对后处理装置的优化也是必不可少的。以2018年日本国内市场新型柴油机研究成果为例，说明了汽车用柴油机市场的发展趋势和技术动向。

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日本国内从2016年开始对总质量超过3.5吨的重型货车实施同年制定的废气排放法规。从2018年开始，总质量为3.5~7.5 t的重型货车也开始逐步实施2016年制定的排放法规。目前，日本国内市场已经推出了新型柴油发动机。该新型机型采用小型化等先进技术，在满足排放法规要求的同时，充分满足了2015年重型汽车燃料消耗标准。研究人员利用全球统一轻型汽车试验周期(WLTC)工程方法，对轿车进行了排放试验。同时，马自达还销售了能够充分满足WLTC排放标准的新型柴油机。在欧洲地区，汽车制造商发布了多种能够满足欧洲6d排放标准的商用车柴油机，但目前很少出现新型轿车柴油机。

在北美，柴油发动机制造商关于2017年联邦温室气体排放法(GHG17)的研发ampd操作成功完成。

1日本国内柴油机市长/市场趋势

1.1市长/市场概述

1.1.1轿车柴油机

马自达公司公布并销售了S8-DPTS型1.8 L柴油机。该型号安装在CX-3车型上，以取代现有的1.5 L柴油发动机。

1.1.2商用车柴油机

随着质量为3.5~7.5 t的重型货车于2016年开始实施排放法规，50种公司向市场公布了安装在Elf车型上的4JZ1型柴油机。三菱胡山汽车推出了安装在Fighter车型上的4V20型柴油机。

1.2新型柴油机的技术特点

2018年日本国内销售的新型柴油及技术参数见表1。

表1 2018年日本销售的新型柴油和技术参数

1.2.1马自达

马自达推出了S8-DPTS型1.8 L直列四缸柴油机(图1)。该模型安装在马自达CX-3车型上，旨在改善实际燃料消耗和整机排放，将柴油机排放从1.5 L增加到1.8 L，采用反应性高的多喷雾压电型喷油器和单级变截面涡轮增压器等设备，使柴油机在高速工作条件下具有高扭矩输出。

图1马自达的S8-DPTS柴油机

1.2.2 50贝尔公司

ISS公司推出了4JZ1型3.0 L直列四缸柴油机(图2)。该模型安装在Elf模型上，研究人员重点对气缸体、气缸盖等主要部件进行改造，采用可变排气门和智能喷雾精度补偿技术，可以准确控制燃油喷射量。此外，该型号还使用柴油机微粒处理器(DPD)和SCR系统。通过这种技术调整，该模式在遵守2016年排放规定的同时，可能比2015年燃料消耗标准要求高出约10%。

图250贝尔公司的4JZ1柴油机

1.2.3三菱胡桑卡巴士公司

三菱胡山卡客车推出了4V20型3.9 L直列4缸柴油机(图3)。该机型安装在Fighter车型上，采用共轨式燃油喷射系统提高了燃烧效率。使用高精度冷却EGR系统，可以减少氮氧化物(NOx)，安装带有排气旁通阀的涡轮增压器，从而精确控制加压压力。与重型燃料消耗标准的技术要求相比，该机型的燃料消耗可能减少5%。

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图3 三菱扶桑卡客车公司的4V20型柴油机

1.2.4 丰田公司

丰田公司推出了2GD-FTV 型2.4 L直列4缸柴油机(图4)，该机型配装于Hilux车型，并采用可变喷嘴式涡轮增压器、空冷式内部冷却器、共轨式燃油喷射系统等设备，具有强劲的动力性能。此外，研究人员为该机型配装了柴油机颗粒主动还原装置(DPR)及SCR系统，以改善其尾气排放。同时，研究人员还通过一系列技术手段降低整机摩擦，从而改善了燃油经济性。

图4 丰田公司的2GD-FTV型柴油机

2 世界各国的汽车市场动向

2018年在日本海外销售的新型柴油机及技术参数如表2所示。

表2 2018年在日本海外销售的新型柴油机及技术参数

2.1 Jaguar公司

Jaguar公司的AJ200D型柴油机是采用了平衡轴、滚子轴承凸轮轴、电子控制式机油泵及电子控制式水泵等设备的高效率机型(图5)，并与2016 年上市的AJ200P型汽油机共用了约30%的零部件。研究人员在AJ200D型柴油机上配装了两级涡轮增压器，力求兼顾较高的输出功率与较低的燃油耗。该机型现已配装于乘用车及运动型多用途车(SUV)并成功上市销售。

图5 Jaguar公司的AJ200D型柴油机

2.2 Cummins公司

Cummins公司的ISBHO型6.7 L 直列6缸柴油机配装于FCA 公司的RAM 型客货两用车。该机型采用长裙式结构的CGI气缸体，并优化了活塞设计(图6)。同时，该机型采用了低摩擦活塞环、锻造连杆，并增大了气缸盖螺栓的直径，通过提高冷却能力及增加机油泵排油量等措施以实现高功率。研究人员重新调整了该机型的燃油喷射系统，优化了高压燃油喷射泵与喷油器，从而实现了最高200 MPa的喷油压力。除此之外，研究人员对该机型的涡轮增压器也进行了小幅改进。

图6 Cummins公司的ISBHO型柴油机

2.3 Ford公司

Ford公司PowerStroke型3.0 L V 型6缸柴油机采用了CGI气缸体、铝合金气缸盖、锻造连杆及通过压铸方式制造的油底壳，由此可实现良好的静音性(图7)。同时，该机型还采用了高效率VGT、冷却式EGR系统，通过压电式喷油器可将最大燃油喷射压力设定为200 MPa。该款柴油机配装于Ford公司的F-150型客货两用车，并成功上市销售。

图7 Ford公司的PowerStroke型柴油机

Ford公司Bi-Turbo型2.0 L 直列4缸柴油机在2.0 L EcoBlue机型的基础上配装了两级涡轮增压器，大幅提高了输出功率(图8)。同时，该款双涡轮增压型柴油机已配装至轻型客货两用车上，并成功上市销售。

图8 Ford公司的Bi-Turbo型柴油机

2.4 MAN 公司

MAN 公司发布了配装于城市客车的D15型9.0 L直列6缸柴油机(图9)。该机型以传统的D20型柴油机为基础，并进行了小型化设计，可满足欧6d级排放法规要求。小型化设计可有效改善燃油耗，相应增加了车辆载客人数。同时，该机型采用冷却水泵控制技术及可控制油温的热管理技术。该款发动机的燃油喷射系统可提供最高250 MPa的燃油喷射压力，并采用了无漏油现象的喷油器。

图9 MAN公司的D15型柴油机

2.5 Volvo公司

Volvo公司为满足欧6d级排放的法规要求，对配装于该公司重型货车的D11型柴油机(图10)及D13型柴油机(图11)进行了改良。为满足实际排放法规要求，研究人员对D11型柴油机的整机控制软件进行了调整，同时优化了排气后处理装置的涂覆工艺。研究人员为D13型柴油机配备了低黏度机油，并对活塞油环进行改进以降低机体内部摩擦，力求改善燃油经济性。

图10 Volvo公司的D11型柴油机

图11 Volvo公司的D13型柴油机

3 柴油机技术开发动向

目前，社会各界对于柴油机降低温室气体(GHG)及尾气排放的要求越来越高。为降低GHG 排放，按照欧美发达国家的要求，生物燃料已在欧美诸国以外的市场得以畅销。此外，在人口老龄化趋势严重的社会背景下，研究人员据此对汽车提出了互联、智能、共享、电动(CASE)的技术要求。

为了满足社会各界对柴油机的综合要求，研究人员对柴油机本体及零部件进行了进一步优化，由此扩大了柴油机的应用领域。同时，为降低GHG 及废气排放，须进一步改善燃烧过程。研究人员认为，目前应针对以下领域进行重点开发工作：(1)柴油机硬件技术与燃油喷射系统的逐步优化；(2)热管理技术的进一步强化；(3)柴油机控制系统的持续精准化。

另一方面，柴油机的小型化对于降低GHG 排放有着显著功效，而柴油机负荷的逐步提高对于降低GHG排放会产生负面影响。针对柴油机本体结构进行的技术开发尤为重要，同时须考虑到热管理技术对润滑系统及冷却系统的影响，进而确保整机可靠性及耐久性。此外，为了有效降低实际行驶过程中的尾气排放量，研究人员也应对排气后处理装置进行进一步的优化。

在商用车柴油机领域，降低用户的初始投资成本及运营费用是1项核心要求。同时，研究人员在进行技术开发时，须进一步推进柴油机性能的全面发展。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期

作者：[日] 杮原知明

整理：彭惠民

编辑：伍赛特