車用柴油機的市場發展趨勢與技術動向

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行于2016年制定的廢氣排放法規。在歐洲地區，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（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，同時推進了針對發動機小型化與低燃油耗技術的開發進程。以2019年日本國內市場的新型柴油機研發成果為例，論述了柴油機的市場發展趨勢及技術動向。

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，日本國內已開始執行于同年制定的廢氣排放法規。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行了于2016年制定的廢氣排放法規。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，歐洲地區的乘用車已采用了實際道路行駛排放（RDE）法規。研究人員基于該法規，設定了針對氮氧化物（NOx）的排放標準限值。至2019年，據相關設定，法規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排放法規限值要求進行了研究，同時也對美國環境保護局（EPA）在2027年時應統一執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）排放法規進行了研究，并從2021年起將開始執行被稱為階段2（Phase II）的法規。

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，根據政府規定，重型柴油車需要滿足2016年制定的廢氣排放法規要求。

1.2 新型柴油機的技術特征

2019年在日本國內發布并銷售的柴油機及其技術參數如表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。該機構可對發動機液壓系統進行調節，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，研究人員為該款發動機的排氣后處理裝置配備了帶尿素噴射的SCR系統。

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公司共同開發的7.7 L發動機，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展動向

2.1 市場概況

2.1.1 乘用車柴油機

在歐洲地區，為滿足歐六d-TEMP排放法規而開展的相關工作目前已告一段落。為滿足自2020年開始執行的歐六d排放法規的柴油機也開始陸續投放市場。Mercedes-Benz公司上市銷售了可滿足歐六d排放法規的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。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售于北美市場的D13TC型13.0 L渦輪復合式柴油機進行了優化，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廢氣排放法規要求以外，也能滿足于2020年起開始實施的歐六d排放法規要求。

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）。該款發動機采用新型雙催化劑系統，并可從直列布置的2款SCR系統的上游添加尿素水溶液。該款機型除了能滿足歐六d-TEMP排放法規之外，同樣也能滿足自2020年開始實施的歐六d排放法規。研究人員在機體上配裝了1款SCR系統，并在車體下方則配裝了另1款SCR系統。第1款SCR系統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，此系統還可根據柴油機轉速變化而對進氣量進行調整。除此以外，該款發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進行了優化，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，并采用了配備有尿素噴射的SCR系統與連續再生式DPF。研究人員通過技術優化，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發動機與輔助設備的熱管理系統來實現整機的高效化工作。此外，研究人員利用由MAN公司獨創的發動機制動系統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型渦輪復合發動機的燃油經濟性進行了優化，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，可根據整車質量、道路坡度及道路條件，自動地設定發動機的動態扭矩，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動機的燃油耗相比傳統的D13TC型發動機改善了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機型發動機基本相同。

3 柴油機技術動向

在歐洲地區，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生組織（WHO）制定的大氣環保標準要求。為了改善此類狀況，歐洲各國采用了如上文所述的RDE法規，并且正在逐步收緊該法規限值。在日本國內，政府決定自

2022年起對柴油乘用車統一執行RDE法規。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限值，同時相關研究人員也對低負荷工況循環試驗開展了重點研究，并對EPA執行統一標準的事宜進行了技術研討。此外，隨著發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逐步降低的趨勢。

為了滿足相關廢氣排放法規的強化需求，并應對發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系統及噴射器的優化，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：使發動機進一步實現小型化，使發動機扭矩特性曲線得以最優化，使發動機常用工況區域實現低轉速化，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的性能，對發動機及排氣后處理系統進行合理控制。未來，相關技術將會得到進一步發展，研究人員也需要對降低燃油耗的技術開展深入研究。