现代先进的轿车用柴油发动机及柴油轿车在中国的发展前景

现代先进的轿车用柴油发动机及柴油轿车在中国的发展前景

现代轿车柴油机采用了电子控制高压共轨直喷技术、涡轮增压中冷技术、尾气排气后处理等技术，在重量、性能、废气排放、振动噪声等技术方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。目前欧洲轿车市场柴油机占的比重是70%。

柴油发动机与汽油发动机的燃烧方式不同

柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它是由德国发明家鲁道夫·狄塞尔（RudolfDiesel）于1892年发明的，为了纪念这位发明家，柴油就是用他的姓Diesel来表示，而柴油发动机也称为狄塞尔发动机。

柴油和汽油都是石油的提取物，而且都用于车用内燃机，但是它们之间却有着巨大的特性差异。汽油是一种非常易燃的油品，一个小小的火星就可以将一大桶汽油引燃。而柴油则不行，甚至用明火去点，在没有引火物的情况下，柴油自身并不会被引燃。这就是二者发火性之间的差异。

也是基于柴油的这种发火特性，使得柴油在抗爆性方面比汽油有着很大的优势。通常柴油发动机的压缩比要比汽油发动机的高一倍以上，就是得益于柴油的抗爆性好。高压缩比的好处显而易见，它可以让燃烧更为充分。普通燃烧方式的汽油发动机有11以上的压缩比就很不错了，而柴油发动机的这个数字常常能够超过20。这无疑有利于充分燃烧，柴油发动机普遍比汽油发动机更省油的主要原因也在于此。

柴油的挥发性也要比汽油慢，因此它不能像汽油发动机那样通过进气负压来吸进混合气，而是需要通过高压油泵来将雾化的柴油压人汽缸内，才能与空气充分混合。

所有以上这些柴油与汽油的特性差异，导致柴油发动机的整体设计与汽油发动机完全不一样，它们的性能特点也有着很大的区别。传统的柴油发动机扭矩很大，可靠性也非常高，但功率小、响应差、低温点火困难、污染严重等等，而且其震动噪音大，因此常常只能被一些载货汽车采用。

原几乎所有的柴油发动机都是采用机械泵喷射的，它分为总泵和分泵两部分，目的也是为了获得足够的泵油压力。这种活塞往复式的机械泵是靠凸轮来驱动的，凸轮的能量则源自曲轴。每个汽缸会有一个喷油器，每个喷油器又必须匹配一个油泵，这使得整台发动机的油泵数量很多。这种机械油泵不仅供油压力有限，而且它们都是纯机械式的，在往复运动以及与凸轮发生作用的时候，会产生巨大的噪音，这是传统柴油发动机噪音大的原因之一。

柴油发动机是靠压燃式的，也就是在压缩行程的末端，被压缩的空气产生高温高压以后，油泵将柴油以雾状喷人汽缸内自燃。这种“点火”方式如果发生在汽油发动机上，就相当于爆震。事实上，柴油发动机的爆震是

不可避免的，它需要靠这种方式来实现混合物的点燃。柴油发动机之所以震动和噪音明显大于汽油发动机，主要就是基于这个原因。

对于爆震本身任何内燃机都是不希望看到的。对于柴油发动机而言，它的点火依靠爆震，爆震控制能够点火的临界点即可。多余的爆震自然会增加震动和噪音，乃至影响工作效率。传统柴油机纯机械式的泵油方式，很难做到精准控制，所以这类发动机的震动和噪音都异常强烈。排放加剧以及燃烧效率下降也就很自然了。

柴油机的电子控制高压共轨直喷技术

普通的柴油发动机每个喷油器要对应一个油泵。共轨技术就是用一个油泵就可以实现整个发动机的供油。

共轨技术与汽油发动机上的多点电喷类似，在一根“共轨”上安装四个(对应四缸发动机)喷油器，然后有一个油泵向“共轨”中供油。而喷油器的开启和关闭，则是靠电脑来控制的，这个原理与电喷汽油发动机类似。

电子泵的供油压力要比机械泵大得多，这使得缸内直喷得以实现。柴油发动机的压缩比很高，压缩冲程的压力比汽油发动机大很多，这需要超高的喷油压力，这在之前的机械泵是无法实现的。传统柴油发动机的喷油器是被动工作的，也就是油泵在有压力的时候，就会因压力而将柴油喷入汽缸。这种完全由油泵控制的喷油过程。自然无法实现电脑控制喷油，这种方式从某种程度上说，和采用化油器的汽油发动机类似，因为它们都无法实现对于喷油量的精确控制。

电子控制高压共轨直喷技术是指高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统。高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化。电控柴油喷射系统由传感器、ECU（计算机）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与巳储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对喷油泵、废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。

涡轮增压中冷技术

增压可使柴油机在排量不变，重量增加不大的情况下达到增加输出功率的目的。与相同功率的非增压柴油机相比，增压柴油机不仅体积小，重量轻，功率大，而且还降低了单位功率的成本。因此，增压技术不仅广泛应用在柴油机上，而且还推广到汽油机，是改善内燃发动机的重要技术手段。

空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%－5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。

柴油机中间冷却技术的类型分两种，一种是利用柴油机的循环冷却水对中冷器进行冷却，另一种是利用散热器冷却，也就是用外界空气冷却。当利用冷却水冷却时，需要添置一个独立循环水的辅助系统才能达到较好的冷却效果，这种方式成本较高而且机构复杂。因此，汽车柴油机大都采用空气冷却式中冷器。

空气冷却式中冷器利用管道将压缩空气通到一个散热器中，利用风扇提供的冷却空气强行冷却。空气冷却

式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上，它的波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高，可将增压空气的温度冷却到50至60摄氏度。

中间冷却技术不是一项简单的技术，过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙。因此要将中冷器和涡轮增压器进行精确的匹配，使得压缩空气达到要求的冷却温度。

尾气排气后处理技术

柴油机排放的有害废气成份主要是微粒物质和NOX。采用先进的喷射系统可以减少微粒物质的排放，而废气再循环则是有效控制NOX的最有效途径。

为满足越来越严厉的排放法规，柴油机在全面采用电子控制的基础上，不断改进废气再处理技术。氧化催化器在这方面起着举足轻重的作用，该装置是基于单体陶瓷式结构发展而来的，能够对废气进行较为充分的再处理，以降低废气中HC、CO和NOX等的浓度。研究结果显示，采用先进涂覆技术的氧化催化器可将废气中的CO、HC和NOX分别减少50%～80%、40%～70%、10%～20%，减少微粒物质排放30%～40%。

现在欧、美、日各国正在从事催化还原理论与氧化催化剂的研究，以解决柴油机使用催化剂不能实现排气特别是NOX大幅度降低和催化剂耐久性的问题。

新技术的运用减少了震动噪音

通过这些新技术的采用，使得柴油发动机。虽然它的震动噪音仍然会比同技术含量的汽油发动机大一些，现代先进柴油机通过采用MK（modulated kinetics）燃烧模式、新型喷嘴、优化喷射泵凸轮轮廓和喷嘴涡轮等措施，降低了燃烧噪声；通过减小运动部件的质量降低振动和磨擦，从而降低了噪声，并通过采用摇臂罩链条罩软支架及带阶梯架的缸体等措施,降低了车辆噪声。在降低振动方面，采用了主动式发动机减振支架（ACM）及平衡轴。通过采取以上技术措施，使柴油机的噪声、振动水平可与汽油机相媲美。

柴油轿车在中国的发展前景

目前中国乘用车市场上柴油机的应用仅有1%，与欧洲轿车市场柴油机70%的比重相比还有很大发展空间；柴油轿车由于进入中国市场时间短和政策等方面问题，所以主要推广阻力来自政策，用户认知和油品问题。

国家放弃轿车用柴油发动机改为鼓励混合动力

国家发改委在2007年公布《产业结构调整指导目录(2007年本)》中将2005年版《征求意见稿》中汽车鼓励类的“先进的轿车用柴油发动机开发制造”一项内容删除了。在2011年公布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》中汽车鼓励类的也没有“先进的轿车用柴油发动机开发制造”这项内容，鼓励只提到了“电控内燃机及关键零部件技术开发与制造”。

为什么国家政策不鼓励先进的轿车用柴油发动机开发制造

燃油结构失衡决定柴油轿车难受政府推崇

目前我国石油企业石油提炼水平比国际先进水平还有一段距离

中石化：1吨原油提炼汽油0.177吨、柴油0.383吨。成品油率60.8%。

中石油：1吨原油提炼汽油0.215吨、柴油0.394吨。成品油率63.7%。

国际先进水平：1吨原油提炼汽油0.29吨、柴油0.49吨。出油率80%。

我国生产柴油与汽油的比约为1.8。从2005年开始，中国的柴油消耗已经是汽油消耗的2.25倍左右。而公认柴油轿车占有率很高的欧洲市场，2005年的消费柴汽比仅为1.7：1，近年来逐步上升至2：1左右，同时欧洲消费柴汽比的快速增长也引起了欧盟各国的忧虑。

目前柴油轿车占有率不足1%的中国市场，如果柴油轿车占有率大幅提升至40%时，国内炼油企业所需要承受的生产柴汽比压力可想而知。另一方面，我国的农业生产、海运和内河航运、发电、铁路、高速公路运输等使用的柴油量很大是造成消费柴汽比已经居高不下的主要原因。所以现阶段政策上将有限的柴油资源优先供应给用于物流和客运用途的商用车。

如果政府大力推进柴油轿车发展，必然挤占承担物流命脉的商用车的油品消费，增加社会物流成本。

国产柴油质量的局限

我国目前柴油的质量还不能满足要求，按国标GB252-94生产的优等品柴油含硫量为2000ppm，是世界2类柴油标准300ppm的近7倍，同时十六烷值45也低于世界2类标准53，柴油的灰尘和其他杂质含量也都很高。

超高的含硫量将损害废气净化装置，大大增加排气中的碳烟含量，在大负荷工况下，很容易冒黑烟。这样的话，国外高性能的环保柴油轿车在中国使用后，也无法达到环保要求。

从现实情况来看，我国柴油质量要想普遍提高，达到柴油轿车正常运行所需要的世界2类柴油标准绝非易事，也绝非短时间可以达到。提高柴油品质，需要投入大量资金对炼油设备进行技术改造或引进新的技术与装备，普遍提高柴油质量绝非短时间可以实现。

中国现行排放标准难以约束柴油车

与很多行业“环保让路，为经济发展保驾护航”的做法一样，我国商用柴油车的排放限制也一直非常宽松。直至2008年7月1日开始才将全面停止国II排放标准，正式升格为国III排放（相当于欧三）。

2011年底，国家环境保护部发布一项很无奈的公告。这则公告之所以无奈，是因为环保部在一开始就提出了无奈的理由：鉴于目前满足国四标准需求的车用柴油供应仍不到位，严重制约国四标准实施进度。为保证标准实施效果，根据车用燃料供应实际，决定分车型、分区域实施国四标准。

尽管柴油机和汽油机都将燃料的热能经由燃烧过程转换为动能，但是由于使用油料不同，发动机结构、混合气形成方式和燃烧方式不同，它们的污染物排放规律也有不同。

汽油机排放物中有较多的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)，氮氧化合物(NOx)和颗粒物（PM）排放量却很

低。

柴油车的排放特点可以总结为颗粒物和氮氧化物(NOx)排放量多，而一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放量少。

不能被忽视的颗粒物和氮氧化物排放，欧洲和美国的众多研究证明：空气中颗粒物浓度与婴儿的早死亡、医院入住率、哮喘发生率等指标之间存在密切的关系。而氮氧化物不仅是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因，它还会刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病。对儿童来说，氮氧化物会造成肺部发育受损，这些研究成果也推动美国、欧洲更加重视颗粒物和氮氧化物对健康与环境的影响问题。从而出现要求柴油机与汽油机排放限值一致的美国Tier2Bin5排放标准，以及今年将在欧洲实施的欧5排放标准。其中欧5标准要求轻型柴油车在欧4标准的基础上再削减80%颗粒物排放以及消减28%氮氧化物排放，并且要求所有轻型柴油车都必须标配DPF柴油颗粒捕集器。

当然现在汽车厂家一些新技术的运用，例如采用涡轮增压器，EGR废气再循环，DPF柴油颗粒过滤器，SCR触媒转化器等等来满足排放限制。在应用数量众多的尾气净化措施之后，柴油机在控制氮氧化物和颗粒物排放方面逐步接近传统汽油发动机，但增加了柴油机的成本，同时柴油机的燃效也相应的降低，达不到省油的效果。

这也是目前美国和日本为什么对发展柴油车技术持谨慎态度的真正原因。

混合动力是我国发展的大趋势

美国环保署EPA油耗测试早已证明即便达到目前最严格的排放标准的柴油轿车在二氧化碳排放和节油性能方面仍然不是混合动力车型的对手。

根据美国环保署EPA油耗测试的结果，我们可以看到柴油动力的大众速腾较汽油动力版本车型的确可以节省25%左右的燃油。如果按照EPA估算的每年燃油使用成本（设定每年行驶里程24135公里，45%里程为高速工况，55%里程为城市工况），同一车型的柴油版本将为车主每年节省564美元的燃油支出，同时还可以减少0.9吨的二氧化碳排放。但是需要看到的是，混合动力技术的代表丰田普锐斯则可以较柴油动力车型节省更多的燃油，并且实现更少的二氧化碳排放，每公里二氧化碳排放量为149克，而2.0TDI柴油发动机这一排放量则为240克/公里（EPA估算值）。

另外，由于混合动力车型在道路拥堵时可以自动关闭发动机，依靠电动机行驶，因此道路越拥堵，混合动力车型则更能体现节能与减排的优势。近年来，随着插电式混合动力车的出现，电力驱动这一技术优势将被进一步放大。其实欧洲的汽车制造商也早已意识到混合动力技术的优势所在。近些年国际车展上，包括宝马，奔驰，标致，大众等众多欧洲厂商展出不少的油电混合动力概念车和柴电混合动力概念车正预示着混合动力技术将成为它们未来产品的动力配置。

科技必然将会推动人类社会的进步。从蒸汽机车到内燃机车再到电力机车的演变已经预示了未来汽车的发展方向，从石油能源到新能源的过渡并不是因为石油枯竭，而是因为在很大程度上人们有了更好更廉价的替代选择，而混合动力是现阶段推动这一进程的主力。