车用柴油机的市场发展趋势与技术动向

杉原啓之

自2019年起，日本国内对总质量超过3.5 t的全部新款重型汽车开始执行于2016年制定的废气排放法规。在欧洲地区，各国政府针对2020年及以后生产的新车型制定了CO2减排标准。就重型汽车而言，自2018年开始执行的实际道路行驶排放（RDE）限值要求正在逐步收紧。在该背景条件下，未来柴油机技术的开发重点是进一步改善燃烧过程，以此降低废气排放及燃油耗。在开发废气后处理技术的过程中，采用了集成式高压及低压废气再循环（EGR）管路技术，并进一步改善了带尿素喷射的选择性催化还原（SCR）系统，同时推进了针对发动机小型化与低燃油耗技术的开发进程。以2019年日本国内市场的新型柴油机研发成果为例，论述了柴油机的市场发展趋势及技术动向。

柴油机;市场趋势;技术动向;CO2排放;燃油耗

0 前言

在日本国内，研究人员针对乘用车制定了全新的燃油耗标准：至2030年，要求整车燃油耗相比2016年改善32.4%。就重型柴油车而言，自2016年起，日本国内已开始执行于同年制定的废气排放法规。自2019年起，日本国内针对总质量超过3 500 kg的全部新款重型汽车执行了于2016年制定的废气排放法规。此外，研究人员还制定了针对重型汽车的全新燃油耗标准：货车燃油耗需要改善13.4%，客车燃油耗需要改善143%。

自2017年起，欧洲地区的乘用车已采用了实际道路行驶排放（RDE）法规。研究人员基于该法规，设定了针对氮氧化物（NOx）的排放标准限值。至2019年，据相关设定，法规限值应为台架试验限值的2.1倍以下。从2020年起，研究人员将限值设定为台架试验法规限值的1.5倍以下。此外，研究人员还设定了2020年及以后的新车CO2减排目标，该目标主要针对乘用车与厢式货车。至2025年，CO2总排放量相比2021年应降低15.0%。至2030年，乘用車的排放量相比2021年应减少37.5%，厢式货车的排放量应比2021年减少31.0%。在从2018年开始执行的RDE试验中，针对重型车的要求正在逐步加严。为此，研究人员也制定了针对重型车的CO2减排目标。至2025年，CO2排放应比2019年减少15.0%。至2030年，CO2 排放应比2019年减少30.0%。

在美国，加利福尼亚空气资源局（CARB）针对至2024—2027年重型车的NOx排放法规限值要求进行了研究，同时也对美国环境保护局（EPA）在2027年时应统一执行的排放标准进行了研究。加利福尼亚州政府对温室气体（GHG）排放法规进行了研究，并从2021年起将开始执行被称为阶段2（Phase II）的法规。

1 日本国内柴油机市场动向

1.1 市场概况

1.1.1 乘用车柴油机

2019年，三菱汽车公司销售了配装于运动型多功能车（SUV）的4N14型柴油机。该款发动机的排量为2.2 L。目前，部分由欧洲汽车制造商生产的柴油机已在日本国内市场正式推出。

1.1.2 商用车柴油机

2019年，UD卡车公司开始销售排量为7.7 L的GH8型柴油机，并意图将该款柴油机配装于重型柴油车。此外，根据政府规定，重型柴油车需要满足2016年制定的废气排放法规要求。

1.2 新型柴油机的技术特征

2019年在日本国内发布并销售的柴油机及其技术参数如表1所示。

1.2.1 三菱汽车公司

三菱汽车公司推出的4N14型柴油机（图1）可充分满足欧六d-TEMP排放法规要求，并适用于日本国内汽车市场。由于研究人员采用了相关技术，可有效降低活塞曲轴系的惯性质量与滑动阻力。除此以外，研究人员还为其配备了减压机构。该机构可对发动机液压系统进行调节，最多可减少约27%的摩擦损失。在转速为1 500 r/min的条件下，最多可减少约6%的燃油耗。在2 000 r/min的转速下，最多可降低燃油耗11%。同时，研究人员为该款发动机的排气后处理装置配备了带尿素喷射的SCR系统。

1.2.2 UD卡车公司

2019年，UD卡车公司推出了GH8型柴油机（图2）。该机型是1款与Volvo公司共同开发的7.7 L发动机，并可同时满足日本国内市场的燃油耗限值与废气排放法规要求。相比重型车燃油耗标准，该款机型的燃油耗改善了5%。配装了该款发动机的全部车型均采用12档电子控制式自动变速器（ESCOT-VI），其驾驶性能与配装了排量为11.0 L发动机的车型处于同一水平。此外，随着小型化技术的不断推行，配装有该款机型的重型货车的底盘质量减轻了约320 kg。

2 世界各国的汽车市场发展动向

2.1 市场概况

2.1.1 乘用车柴油机

在欧洲地区，为满足欧六d-TEMP排放法规而开展的相关工作目前已告一段落。为满足自2020年开始执行的欧六d排放法规的柴油机也开始陆续投放市场。Mercedes-Benz公司上市销售了可满足欧六d排放法规的OM654q型柴油机（图3），该机型的排量为2.0 L。同时，VolksWagen公司也销售了可以满足欧六d排放法规的EA288 2.0 TDI Evo型柴油机，其排量同样为2.0 L。为了满足在RDE排放法规要求下逐步加严的NOx标准限值要求，研究人员为该类机型配装了SCR系统。在美国，GM公司推出了Duramax型直列6缸柴油机。该款机型排量为3.0 L，可配装于具有高功率、大扭矩及低燃油耗要求的全尺寸轻型客货两用车。FCA公司销售的Eco Diesel V型6缸柴油机，其排量为3.0 L。

2.1.2 商用车柴油机

2019年，MAN公司推出了可配装于重型货车的D15型9.0 L柴油机，相比传统的D20型10.5 L柴油机，该款机型的尺寸小型化趋势非常明显。Volvo卡车北美总部旗下的研究人员对计划发售于北美市场的D13TC型13.0 L涡轮复合式柴油机进行了优化，进而改善了其燃油经济性。Scania公司推出了DC13 166型柴油机，相比原排量为13.0 L的DC13型柴油机，该机型的输出功率得以明显提升，达到了397 kW。

2.2 新型柴油机技术特征

2.2.1 Mercedes-Benz公司

2019年，Mercedes-Benz公司推出的OM654q型柴油机采用了诸多先进技术。在机体上集成了高压EGR及低压EGR管路，同时还配备有DOC和带SCR的SDPF，同时在车体下方布设了ASC（图4）。因此，该款机型除了可满足欧六d-TEMP废气排放法规要求以外，也能满足于2020年起开始实施的欧六d排放法规要求。

2.2.2 VolksWagen公司

2019年 ，VolksWagen公司推出了EA288 2.0 TDI Evo型柴油机（图5）。该款发动机采用新型双催化剂系统，并可从直列布置的2款SCR系统的上游添加尿素水溶液。该款机型除了能满足欧六d-TEMP排放法规之外，同样也能满足自2020年开始实施的欧六d排放法规。研究人员在机体上配装了1款SCR系统，并在车体下方则配装了另1款SCR系统。第1款SCR系统的布置位置由于距柴油机较近，所以即使在冷起动时，也可使催化器温度得以迅速上升，进而可获得较高的NOx转化率。第2款SCR系统虽然离柴油机较远，但在500 ℃的高温排气影响下，也能获得较高的NOx转化率。

2.2.3 GM公司

2019年，GM公司推出了Duramax 3.0 L柴油机（图6）。该款机型具有较高的动力性能及较低的燃油耗。研究人员为该款机型配备了长裙式的气缸体，并使整机通过铝材制造，使其质量相比铸铁气缸体减轻了约25%。同时，研究人员为该款机型选用了铁制气缸套，以确保整机具有较高的耐久性，曲轴与连杆则采用锻钢制造。不仅如此，该款发动机还采用了水冷式VGT，配备水冷式中冷器，其最大气压可达0.3 MPa，并配备了集成的高压EGR及低压EGR管路。由于研究人员为该款机型配备了电子控制式片状止回阀，以切换通往各气缸的不同进气通道，此系統还可根据柴油机转速变化而对进气量进行调整。除此以外，该款发动机还采用了供油量可变的叶片式油泵等技术。

2.2.4 FCA公司

FCA公司的EcoDiesel V6型3.0 L柴油机是该机型系列的第3代产品，其扭矩相比第1代机型增加约14%，功率提高约8%（图7）。研究人员对进气道的涡流与流量系数进行了优化，并通过高强度球墨铸铁（CGI）来制造气缸体，曲轴与连杆则通过锻钢制造。同时，研究人员为其选用了水冷式VGT，并配备了集成的高压EGR及低压EGR管路。研究人员对该款机型的压缩比进行了调整，使压缩比由16.5降至16.0。

2.2.5 MAN公司

2019年，MAN公司推出了D15型柴油机（图8）。该款机型的最大燃烧压力为23 MPa，取消了带有冷却功能的EGR系统，并采用了配备有尿素喷射的SCR系统与连续再生式DPF。研究人员通过技术优化，改善了该机型的暖机过程，并使其具有较高的排气温度。同时，研究人员还为其配备了能连续改变转速的冷却水泵等多种先进部件。研究人员可通过调节发动机与辅助设备的热管理系统来实现整机的高效化工作。此外，研究人员利用由MAN公司独创的发动机制动系统Turbo EVBec，可使整机的最高功率达到340 kW。由于该机型的尺寸相比第1代D20型柴油机有所减小，因此在实际运用过程中，能使整车的载货量增加230 kg。

2.2.6 Volvo卡车北美总部

2019年，Volvo卡车北美总部推出了D13TC型柴油机（图9），其旗下的研究人员对2017年投放至北美市场的D13TC型涡轮复合发动机的燃油经济性进行了优化，并使该款机型于2020年2月底开始正式投产。该款机型可选用3种驱动模式，可根据整车质量、道路坡度及道路条件，自动地设定发动机的动态扭矩，同时也能使气缸内的混合气分布更均匀。研究人员为其采用了能实现可靠燃烧的改良型活塞，并使整机压缩比由17.0增加到了18.0。新款带复合涡轮的发动机的燃油耗相比传统的D13TC型发动机改善了3%，整车燃油经济性相比2015年款机型改善了11%。

2.2.7 Scania公司

2019年，Scania公司推出了DC13 166型柴油机（图10），该款机型的最高功率为397 kW。相比排量为16.0 L且功率为382 kW的DC16型柴油机，DC13 166机型具有更强的动力性能。该款机型的开发理念是为了降低整车质量及前后轴配重平衡等问题，相应可使整车燃油耗降低2%。该款机型的技术标准与同系列功率为368 kW机型发动机基本相同。

3 柴油机技术动向

在欧洲地区，由车辆排放的NOx、颗粒物（PM2.5）等大气污染物的浓度目前尚无法满足由世界卫生组织（WHO）制定的大气环保标准要求。为了改善此类状况，欧洲各国采用了如上文所述的RDE法规，并且正在逐步收紧该法规限值。在日本国内，政府决定自

2022年起对柴油乘用车统一执行RDE法规。在美国，加利福尼亚州政府通过调整政策，进一步收紧针对重型车的废气排放法规限值，同时相关研究人员也对低负荷工况循环试验开展了重点研究，并对EPA执行统一标准的事宜进行了技术研讨。此外，随着发动机燃油耗的降低及其与混合动力技术的组合，柴油机排气温度总体上呈现逐步降低的趋势。

为了满足相关废气排放法规的强化需求，并应对发动机排气温度降低等情况，研究人员应重点提高尿素喷射SCR系统对NOx的转化率。除了提高催化器自身的性能及增大载体单元密度等要求之外，研究人员还需要对以下技术开展研究。研究主要包括：SCR催化剂的推广，SCR系统及喷射器的优化，排气管及催化器的外壳保温技术，以及使催化器升温或保温的控制技术。此外，为了进一步降低燃油耗，研究人员认为控制催化器的数量与排气背压也是1项重要课题。

另一方面，为了应对全球暖化问题，各国应降低以CO2为代表的温室气体的排放量。为进一步降低CO2排放，研究人员可针对以下领域开展重点研究：使发动机进一步实现小型化，使发动机扭矩特性曲线得以最优化，使发动机常用工况区域实现低转速化，改善燃烧和涡轮增压器效率，降低冷却损失、排气损失及摩擦损失，提高排气后处理系统的性能，对发动机及排气后处理系统进行合理控制。未来，相关技术将会得到进一步发展，研究人员也需要对降低燃油耗的技术开展深入研究。