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降低压缩比兼顾尾气和燃效,清洁柴油车迅速重返市场

2013年03月19日09:31    来源:人民网-财经频道

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自马自达“CX-5”上市以来,清洁柴油车在日本国内迅速普及。通过解决大气污染及噪声问题,以前几近消失的柴油乘用车又重返市场。

以前因“脏、臭、吵”而被敬而远之的柴油乘用车在重新得到认识。

引发这一趋势的是2012年2月马自达公司上市的多功能运动车(SUV)“CX-5”。该车在12月之前销售了35438辆,位居2012年日本国内SUV销量首位。CX-5有汽油车和清洁柴油车两种,其中清洁柴油车的销量为26835辆,占8成,相当于2011年日本国内销售的柴油乘用车的3倍左右。

配备马自达新款清洁柴油发动机“SKYACTIV-D”(左)的多功能运动车“CX-5”(下)。在上市不到1年时间内,销量达到上年柴油乘用车注册量的3倍。

2012年11月上市的中型车“新款ATENZA” 非常畅销,在不到2个月时间内,日本国内销量就达到了9000辆,远远超过了1000辆的月销售目标。其中7成多也是清洁柴油车。

动力传动系统开发本部发动机性能开发部部长中井英二说:“本公司清洁柴油发动机SKYACTIV-D的最大特点在于低压缩比。”

低压缩比──为了帮助大家理解这个不常见的词汇,首先为大家介绍一下柴油车的工作原理。

因尾气规制强化而丧失竞争力

柴油车作为燃料使用的是比汽油便宜的柴油。而且燃效也很好。日本在1980年代流行多功能房车(RV),柴油车由此而普及开来,到1995年已经占日本国内汽车保有量的11%。

不过,以1993年实施《汽车NOx法》为开端,日本的柴油车尾气规制变得严格起来。东京都从1999年起开展了“柴油NO作战”,以环境负荷高为由,呼吁大家不要使用柴油乘用车。为了满足规制,企业成本负担增加,另一方面,柴油乘用车的人气也逐渐降低,基本上从日本国内汽车市场上消失了。

由于尾气规制强化,柴油车曾一度销声匿迹。

虽然柴油车在日本不受欢迎,但在欧洲,柴油车占新车销量的一半。其原因主要在于,日本优先削减氮氧化物(NOx)及颗粒物(PM)排放,首先强化了尾气规定,而欧洲则把重点放在二氧化碳减排方面,强化了燃效规制。

柴油发动机的工作分为4个冲程。第一个是降低活塞、将空气吸入汽缸的“吸入冲程”。第二个是将活塞推到最高处(上止点)、压缩空气的“压缩冲程”。第三个是“燃烧冲程”,向压缩并达到高温状态的空气喷射燃料,借助空气的热量,燃料自行点火燃烧,利用燃烧产生的膨胀力下压活塞。最后一个就是利用惯性,活塞上升,排出燃烧后的气体的“排气冲程”。

汽油发动机是将空气和燃料的混合气体吸入汽缸中,而柴油发动机则仅吸入空气。两者主要的不同之处也在于柴油发动机没有汽油发动机的点火装置。如果在空气和燃料充分混合前自行点火,便会出现局部燃烧,并且燃烧不均匀。因此,柴油车易于产生氮氧化物和颗粒物。

为了符合日美欧日益严格的尾气规制要求,汽车厂商作出了努力,柴油发动机在燃效性能方面已经与汽油发动机没有太大差距。柴油发动机在活塞抵达上止点附近时,燃烧效率最高。不过,由于温度和压力很高,会在空气和燃料没有充分混合的状态下点火,因而容易产生氮氧化物和颗粒物。然而,如果在压力和温度下降后喷射燃料,燃效又会下降。

在这种形势下,1990年代后期,名为“共轨”的柴油发动机燃料喷射装置被开发出来。该装置是先在蓄压管(共轨)中存储高压燃料,利用喷嘴控制喷射量及时间。1个循环可进行多次喷射。

进行高压喷射时,燃料会更易于与空气混合,因此可减少颗粒物的产生。另一方面,氮氧化物容易在高温条件下产生。因此,通过在空气压缩阶段喷射微量燃料缓慢燃烧,可避免温度迅速上升。

共轨可大幅减少尾气中的有害物质。不过,由于装置价格较高,而且随着规制的强化,还需要追加在排气冲程中处理氮氧化物的“尿素选择性催化还原系统”(尿素SCR系统)等多种装置,导致成本一步增加。

解决噪声问题

马自达通过柴油发动机的“低压缩比化”,解决了上述问题。一般情况下,柴油发动机的压缩比为16到18左右。也就是将吸入汽缸内的空气压缩至原先的16到18分之1。而马自达新款柴油的压缩比为14,属于全球最低水平。

通过低压缩比改善燃效

如果降低压缩比,空气和燃料更易于混合,燃效就会得到改善。

通过降低压缩比,活塞上止点的压力和温度会下降。即便在上止点附近喷射燃料,也不会立即被点燃,此时燃料会和空气混合。

如果能够在上止点附近喷射燃料,之后的空气膨胀比会变大,因此燃烧效率也会上升。借助低压缩比,可降低汽缸内的强度,也有助于实现发动机轻量化。通过上述一系列效果,燃效比原先改善了20%。

除了削减尾气中所含的有害物质及提高燃效外,还可减少噪声。这是因为,与压缩比较高时相比,燃料点燃、空气膨胀时的冲击较小。

以前降低压缩比未能取得进展,是因为汽车会因天气等的影响而置于各种环境下。中井部长回顾道:“当时常受到质疑,在低压缩比下真的能点火吗?”尤其是在天气寒冷时,由于压缩时的空气温度比高压缩比发动机还要低,因此担心能否顺利点火。

为了解决这一问题,进行了改进,增加了共轨的燃料喷射模式,以能够更精细地改变喷射量及时间。1次燃烧循环最多可喷射9次。通过根据具体使用环境适当进行燃料喷射,在低温时也能够顺利启动发动机。

刚刚启动发动机后,有可能出现压力及温度不足、燃烧不充分的“半失火(不点火)状态”。马自达通过在吸入过程中微开排气阀,使燃烧达到高温状态的尾气逆流回汽缸内,以促进压缩时的温度上升。将空气强行送入发动机的增压器分大小两个,根据低速行驶及高速行驶等情况区分使用。马自达称,这样还可在尾气再循环时确保充足的空气。

2030年实现5%到10%的市场份额

三菱汽车公司于1月上市了休旅车“德利卡D:5”的清洁柴油车型。德利卡D:5的月销售目标为700辆,而2月11日之前,仅清洁柴油车就销售了1900辆。降低比汽油车高的柴油车价格开始取得成效。

“德利卡”8成以上为柴油车,因尾气规制强化而停止销售。由于热心车迷的要求,“德利卡D:5”(下)恢复了柴油车型。

三菱汽车于2010年上市了多动能运动车“帕杰罗”的清洁柴油车型,汽油车和柴油车的价格差约为44万日元。德利卡D:5大约缩减到了30万日元。如果使用国家补贴,其价格差会降到8万日元左右。通过使用柴油降低使用成本,从这一点来考虑,会有更多人加以采用。

为了削减成本,德利卡D:5废除了原先采用的排气喷嘴。后处理工序是利用催化剂及过滤器吸附氮氧化物及颗粒物,积累到一定量之后,会从排气喷嘴喷射燃料并燃烧。通过将压缩比降低到14.9,可大幅削减氮氧化物及颗粒物,因此后处理装置也得以简化。

本田于2012年年底,在面向欧洲市场的“思域”产品阵容中,追加了排量为1.6升的清洁柴油车。原先只有排量为2.2升的柴油发动机。

本田为在欧洲销售的“思域”(右)配备了柴油发动机(下)。

1.6升柴油发动机的压缩比较高,达到16。本田技术研究所第2技术开发室第1组主任研究员池上则次说:“在欧洲,除了尾气中的有害物质,还需要减排二氧化碳。我们首先通过缩小发动机,提高了燃效。并没有只顾降低压缩比,而是设定了适合该发动机的最佳压缩比。”

前车轴承受的重量与排量2.2升的车型相比,轻50公斤,操作性能接近汽油车。继欧洲之后,预定于4月开始在印度上市配备该清洁柴油发动机的车型。

2008年举行北海道洞爷湖峰会时,作为环保车,日本政府开始关注清洁柴油车,公布了普及促进战略。柴油车再次受到关注。政府提出了目标,要在2030年之前,使清洁柴油车在新车销量中所占的比率提高到5%到10%。

混合动力车适合用于交通拥堵情况较多的地区,纯电动汽车适合用于近距离行驶,环保车各有擅长的行驶领域,据称清洁柴油车适合用于长距离行驶。为了实现低碳社会,清洁柴油车将成为新一代汽车的重要成员。(日经能源环境网 供稿) 

(责任编辑:值班编辑、庄红韬)

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