國外輕型車用柴油機(jī)近年來取得了很大的發(fā)展，具體表現(xiàn)在功率增長、轉(zhuǎn)速下降、增壓和增壓中冷比例上升，還包括多氣門和中置縮口燃燒室、高壓噴射和小孔徑多噴孔、小壓力室或VCO油嘴、廢氣再循環(huán)、電子控制等新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)的應(yīng)用上。

功率增長

由于國外發(fā)達(dá)國家公路網(wǎng)絡(luò)的迅速擴(kuò)展，用戶要求車用柴油機(jī)具有越來越高的功率，以提升車輛的行駛速度和加速性能，從而提高汽車的運輸效益,同時,為提高汽車的行駛舒適性和安全性，就要帶更多的附件，如空調(diào)壓縮機(jī)、大容量發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)向油泵、排氣制動閥等,這些附件增加了發(fā)動機(jī)功率消耗，使發(fā)動機(jī)功率增長。

提高功率的途徑不外乎擴(kuò)大缸徑、增加排放量或者增壓等，但采用大缸徑、大排放量自然吸氣機(jī)型可能會帶來一些不利影響，如增加整機(jī)的外型尺寸、重量從而增加燃油消耗，而采取合適的技術(shù)措施可將這些不利因素的影響減少到最低程度。

轉(zhuǎn)速呈下降趨勢

降低轉(zhuǎn)速對發(fā)動機(jī)的排放、噪聲、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性、壽命都有利，所以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速呈下降的趨勢。近幾年，日本主要廠商生產(chǎn)的3～5L四缸車用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速都在3000r/min以上，活塞的平均速度在12m/s以上，而歐美的這一檔機(jī)型的轉(zhuǎn)速卻降到了2600r/min以下，活塞的平均速度在11.5m/s以下。最為典型的是奔馳OM904LA發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速僅為2300r/min，但該機(jī)采用增壓中冷，所以達(dá)到了較高的升功率。為了獲得較高的車速和較寬的車速范圍，該機(jī)還配用了六速變速器。由于轉(zhuǎn)速較低以及缸孔采用感應(yīng)淬火處理，發(fā)動機(jī)的使用壽命可達(dá)100萬公里。

增壓及增壓中冷比例上升

增壓不僅可以提高功率、改善燃油經(jīng)濟(jì)性，而且也是降低排放和噪聲的主要措施之一。所以當(dāng)今輕型車采用柴油機(jī)增壓機(jī)型所占比例逐年上升。

由于各國的排放法規(guī)不同，自然吸氣直噴式機(jī)型若采用EGR等技術(shù)也可以滿足目前的排放法規(guī)要求。增壓機(jī)型在價格、低速扭矩特性、加速響應(yīng)性能等方面與自然吸氣機(jī)型相比仍稍顯遜色，但直噴式柴油機(jī)在增壓中冷的基礎(chǔ)上附加其他措施，性能則大為改善，所以原先自然吸氣機(jī)型都發(fā)展了增壓、增壓中冷機(jī)型。最新開發(fā)的產(chǎn)品已沒有自然吸氣，如奔馳OM900系列、斯太爾M1等系列柴油機(jī)都是增壓或增壓中冷機(jī)型。由于輕型車柴油機(jī)轉(zhuǎn)速有一定跨度，為了兼顧高低速性能，特別是改善發(fā)動機(jī)低速區(qū)域的煙度與油耗，往往使用帶放氣閥的增壓器。近年來電控可變截面/可變噴嘴（VGT/VNT）增壓器的問世使低速區(qū)域的扭矩、煙度和都油耗得到了進(jìn)一步改善。

多氣門結(jié)構(gòu)

在小缸徑柴油機(jī)中采用多氣門技術(shù)是20世紀(jì)90年代才興起的。當(dāng)時有的用三氣門，如雪鐵龍的XUD11；也有的采用四氣門，如道依茨的BF4M1010柴油機(jī)、福特的2.5L柴油機(jī)、豐田的15BF、AVL開發(fā)的LEADER2和LEADER3柴油機(jī)。近年新開發(fā)的機(jī)型主要采用四氣門，如日野的J05C、里卡多公司的CERES2.2L直噴式柴油機(jī)等。在未來5～10年內(nèi)，多氣門技術(shù)還將繼續(xù)發(fā)展和普及。

四氣門的主要優(yōu)點有：第一，油嘴垂直且中心布置，使油線分布均勻，相應(yīng)的燃燒室也可以中心布置，中心燃燒室與偏置燃燒室相比，進(jìn)氣渦流動能的衰減要明顯小得多，另外，中置油嘴加中置燃燒室可以改善混合氣的形成，提高燃燒質(zhì)量，獲得低的排放和高的扭矩功率；第二，四氣門增加了氣門的流通面積和流通能力，進(jìn)氣面積可提高11%以上，排氣面積可提高25%以上，從而降低了泵氣損失，提高了充氣系數(shù)，有助于降低燃油消耗率；第三，中置燃燒室使活塞頂上的熱負(fù)荷趨于均勻，便于冷卻油腔的布置，采用冷卻油腔的活塞能承受更高的熱負(fù)荷；第四，四氣門采用兩個獨立的進(jìn)氣道，便于實現(xiàn)可變進(jìn)氣渦流，高轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時兩個進(jìn)氣道都打開，而在低速時只開一個進(jìn)氣道，從而提高了渦流比；最后，中置且垂直的油嘴安裝位置可使用一種新概念的油嘴——可變流道面積噴嘴（VRD），有助于減少排放，特別是低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷的顆粒排放。

噴油系統(tǒng)不斷發(fā)展

1、傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的直列泵和VE轉(zhuǎn)子泵在提高噴射壓力和可調(diào)性方面均取得了很大的進(jìn)展，AS泵的嘴端噴射壓力達(dá)到80bar，P型泵達(dá)100～120 bar，電控VE泵也達(dá)到了100 bar，同時，可變噴油定時和噴油率的電控技術(shù)具有可變預(yù)行程、最大噴油率高的特點，初期噴油率低的凹面凸輪、適應(yīng)高壓噴射而避免二次噴射的等壓出油閥等新技術(shù)的應(yīng)用也促進(jìn)了傳統(tǒng)直列泵的發(fā)展。

電控技術(shù)的采用可實現(xiàn)對噴油量、噴油定時、噴油率以及噴油壓力的調(diào)整，并可根據(jù)外界條件，如發(fā)動機(jī)及車輛運轉(zhuǎn)情況，對噴油系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。

隨著排放法規(guī)的嚴(yán)格，必然要提高噴射壓力。多孔小孔徑油嘴的噴孔數(shù)量增加了，噴孔直徑減小了，進(jìn)氣渦流比降低了，燃燒室的口徑比也加大，這些改進(jìn)都有利于提高噴射壓力，而且隨著氣缸排放量的加大，這些趨勢會越來越明顯。

此外，小壓力室油嘴和VCO油嘴的應(yīng)用可以降低HC排放。雙彈簧油嘴的應(yīng)用可減少初期噴油率并降低NOX的排放量和燃燒噪聲。

2、新型噴油系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

提高噴射壓力是降低煙度和顆粒的主要技術(shù)。隨著平均噴油壓力的提高，煙度和顆粒排放直接下降。為了進(jìn)一步提高噴射壓力，世界主要廠家相繼開發(fā)了一些新型燃油噴射系統(tǒng)，如高壓電子轉(zhuǎn)子泵、徑向泵式燃料供給系統(tǒng)（最大噴油壓力為1750bar，已裝用在大眾V6Tdi發(fā)動機(jī)中）和共軌式噴射系統(tǒng)（最大噴油壓力大約為1500 bar，目前已成為直噴式柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的主流）。

近年德國博世公司和英國盧卡斯公司還開發(fā)調(diào)試出了一種新型燃油噴射技術(shù)——泵式噴油器，該系統(tǒng)的噴射壓力大約高達(dá)2000 bar，在某些工況下甚至超過了2000 bar。

采用泵式噴油器后，柴油機(jī)上再不用安裝噴油泵和與噴油器相連的高壓油管，布置在缸蓋內(nèi)的油路直接給泵式噴油器供給燃料。

泵式噴油器主要由搖臂、柱塞和燃油控制電磁閥構(gòu)成。柱塞由凸輪軸上的一個專用凸輪帶動，其功能如同噴油器內(nèi)的小活塞，當(dāng)柱塞往下時，壓力增大，可達(dá)到大約2000 bar。由于驅(qū)動凸輪形狀特殊，所以增壓速度特別快，而且壓力越大，瞬間噴油量就越多，噴射時間不超過千分之幾秒（甚至達(dá)每秒250次）。

一旦凸輪不與柱塞接觸，有一根回位彈簧會把柱塞拉回到常態(tài)位置。為確保噴注效果最佳且無氣泡，凸輪的斜面設(shè)計得特別平緩，柱塞的上升也是一個漸進(jìn)的過程。

泵式噴油器靠一電磁閥增力，并由一ECU控制，這樣可確保燃油的準(zhǔn)確供給，特別是噴射的干脆利索。

采用泵式噴油器后，柴油機(jī)在柱塞每次上升時均有1～2mm3的燃油預(yù)噴，燃燒溫度也得以大大降低，同時，發(fā)動機(jī)的工作噪聲和NOX的生成量也得以減少。

此泵式噴油系統(tǒng)需要一種特定的發(fā)動機(jī)缸蓋與之匹配，它與每缸四氣門缸蓋不相容，因為它們的尺寸與牢固度皆不相同。與配備常規(guī)噴油器的同檔次柴油機(jī)相比，采用泵式噴油系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)即使在低轉(zhuǎn)速工況下的功率亦可增大5%，扭矩可增大20%，在大約1500r/min時就可獲得最大扭矩。

表 泵式噴油器與共軌系統(tǒng)的優(yōu)劣勢比較

優(yōu)勢

泵式噴油器

1、燃油噴射壓力特別高，燃油霧化效果好，噴射的油粒非常細(xì)小，有利于和空氣的混合，這樣，燃燒效果得到改善，減少了排放積炭與顆粒。

2、取消了噴油泵與高壓油管，無需擔(dān)心密封性問題。

3、低轉(zhuǎn)速時輸出的扭矩也較大，1500～1700 r/min均可輸出大扭矩。

4、駕駛時發(fā)動機(jī)工況更穩(wěn)定

共軌系統(tǒng)

1、制造成本相對來講不高，因為此系統(tǒng)可與任何柴油機(jī)“簡便”匹配。

2、無論發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)至哪一階段，燃油噴射都控制得非常準(zhǔn)確。

3、無論何時，都有預(yù)噴、噴射、后噴“三步曲”，有條不紊。

劣勢

泵式噴油器

1、從經(jīng)濟(jì)角度看，很難將此技術(shù)運用到當(dāng)前的柴油機(jī)上，因為它要求采用與常規(guī)發(fā)動機(jī)缸蓋不同的特殊缸蓋，并且還要求加強(qiáng)發(fā)動機(jī)的某些零部件（如連桿、曲軸等）的強(qiáng)度，成本太高。

2、加大了發(fā)動機(jī)的尺寸（由于缸蓋高度加大）。

3、無法實現(xiàn)每缸四氣門式缸蓋。

共軌系統(tǒng)

1、燃油霧化效果不如泵式噴油器，因為噴射壓力相對低了不少，所以黑煙與顆粒排放量以及NOX生成量均較多。

2、油耗比泵式噴油器的要高。

電控廢氣再循環(huán)

柴油機(jī)排放控制技術(shù)的難點是既要降低NOX的排放量，又要減少顆粒。NOX大多是在預(yù)混合燃燒階段產(chǎn)生的，而顆粒主要是擴(kuò)散燃燒階段產(chǎn)生的，這就要求減小預(yù)混合燃燒，同時加速擴(kuò)散燃燒，但往往采取降低NOX的措施會增加油耗，而減少顆粒排放的措施往往又會引起最大燃燒壓力和燃燒強(qiáng)度的增加，反過來使NOX排放量增加。NOX是在高溫富氧的情況下產(chǎn)生的，所以降低缸內(nèi)燃燒溫度和降低氧的含量是控制NOX的有效措施。目前主要四通過提高噴射壓力來降低顆粒，再采取延遲噴油和使用廢氣再循環(huán)（EGR）等措施來降低NOX，因GER減少了進(jìn)氣量中的含氧量，故它只宜在低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷或空燃比足夠大的工況下采用，這樣不會使煙度、HC和顆粒排放量明顯增加。過高的廢氣再循環(huán)率可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)腐蝕和磨損，影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。通?？梢酝瑫r采取延遲噴油定時來降低NOX，這樣只要較小的廢氣再循環(huán)率就能達(dá)到NOX的排放法規(guī)。另外，可對氣缸套活塞環(huán)進(jìn)行表面處理，以防過度磨損，確保發(fā)動機(jī)高的使用壽命；對廢氣再循環(huán)的關(guān)閉、開啟大小也都必須進(jìn)行有效控制，也就是根據(jù)發(fā)動機(jī)運行工況對廢氣再循環(huán)率實施電子控制。

縮口環(huán)形燃燒室

為了適應(yīng)更嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，AVL公司開發(fā)的縮口環(huán)形燃燒室現(xiàn)在逐步在小缸徑高速直噴式柴油機(jī)上被采用。著名的四角形燃燒室一直是五十鈴公司的專利，從B系列到J系列都保留了這一特色?？s口環(huán)形燃燒室后來又發(fā)展成為縮口四角形燃燒室，但，為了適應(yīng)日本的排放法規(guī)，20世紀(jì)90年代開發(fā)的H系列柴油機(jī)采有了縮口環(huán)形燃燒室。縮口環(huán)形燃燒室的特點是燃燒室中心有較大較高的錐形凸臺，燃燒室大部分容積分布在四周圓形內(nèi)，并帶收口。由于燃燒室中部燃油分布較少，且進(jìn)氣渦流的切向速度和擠流都較小，四周環(huán)形內(nèi)燃油發(fā)布較多，渦流速度較高，有利于提高空氣利用率和油氣混合質(zhì)量。中間凸臺對擠流起導(dǎo)向作用，在膨脹行程形成逆擠流時對噴油嘴的熱沖刷還起到一定的屏蔽作用?？s口燃燒室除切向的進(jìn)氣渦流外，還形成軸向的較大擠流，因此，縮口燃燒室與直口燃燒室相比，在相同的進(jìn)氣渦流比和燃燒室口徑下，燃油分布較多的燃燒室壁面和底部氣流速度要高出50%左右，這對于促進(jìn)油氣混合、加速燃燒是十分有利的。在上止點后，縮口環(huán)形燃燒室比直口W型燃燒室的渦流保持性要好得多，所以縮口燃燒室比直口燃燒室的顆粒排放以及全負(fù)荷煙度和自由加速煙度都有較大的改善。

電子控制技術(shù)

微電子、傳感器、執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代推出的新型柴油機(jī)均不同程度地應(yīng)用了很多電子控制系統(tǒng)，如五十鈴4HG1的廢氣再循環(huán)電子控制、OM904LA的單體泵的電子控制、Sprint發(fā)動機(jī)對轉(zhuǎn)子噴油泵和可變進(jìn)氣渦流的電子控制、奔馳公司的C250柴油機(jī)的全電子控制等。

電控柴油機(jī)的主要優(yōu)點有：改善了發(fā)動機(jī)的性能，如提高了柴油機(jī)煙度限制下的功率，降低排放和燃油消耗率，提高發(fā)動機(jī)的冷起動性能；改善了車輛的驅(qū)動性能，如平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的控制、顫動的控制等；最后，通過自動診斷、監(jiān)控、自動關(guān)閉裝置，提高了車輛的耐用性和安全性。

（轉(zhuǎn)載）