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日本的柴油机技术中田辉男　　1 前言　　1894年，鲁道夫发明的压缩着火柴油机运转成功，20世纪20年代柴油机在欧洲开始普及，而日本车用柴油机正式使用是在20世纪30年代。其后日本车用柴油机的发展史在山冈的著作中作了详细叙述。　　柴油机经过这样的历史过程发展起来，本文特别着眼于与欧美不同的方面，结合日本特有的道路和交通状况以及排放法规对策，从技术方面对现代车用柴油机加以叙述。　　2 从商品看日本柴油机的特点　　2.1 非增压柴油机　　为使柴油机功率大，燃油经济性好，采用了直喷式燃烧室、涡轮增压和中冷以及电子控制等技术作为相应的措施。图1为从日本发动机手册中摘录的车用柴油机机种数，按增压和非增压分类。对必威体育精装版的2002年版和10年前的1992年版[，]的数据进行了比较。在这10年间，非增压柴油机机种数减少了约40%，而增压柴油机机种数几乎不变。发展趋势基本上是提高功率和提高燃油经济性，而同一发动机与多种车型配套的机种数则减少了。　　图2a为2002年日本商用车发动机最大扭矩时的平均有效压力(BMEP)与排量的关系，显示了非增压发动机与增压发动机的差别。当然，非增压发动机的平均有效压力限于IMPa以下，但增压发动机的平均有效压力有的甚至已超过2MPa。图2b为以Ricardo公司资料为依据的欧洲商用车发动机数据。增压和非增压的区别不大，平均有效压力至少在1MPa以上，即90%以上的发动机是增压发动机，其平均有效压力水平很高。图2 最大扭矩时的平均有效压力　　对于提高发动机功率和提高燃油经济性，采用增压是有效的，而日本非增压发动机依然很多的原因之一是要求的低速扭矩特性不同。图3是最大扭矩大致相同而排量不同的两种发动机的全负荷功率特性比较。一台是排量约3L的增压发动机，另一台是排量为5L的非增压发动机。小排量发动机提高转速后其最大功率就提高，而在2000r/rain以下的低速范围内，大排量非增压发动机能保持高的扭矩。综上所述，即使是商用车，特别是在城市内低速运行频率高的车辆，也需重视起动、加速时的运转特性，这也是大排量非增压发动机受欢迎的原因。图3 全负荷功率特性的比较　　但是，考虑到今后排放法规的对策，因为非增压发动机过量空气系数(λ)低，难以降低烟度，所以存在迅速发展增压发动机的可能性。在这种情况下，确保对运转性能影响较大的低速扭矩成为今后课题之一。　　2.2 共轨式燃油喷射装置　　对柴油机而盲，燃油喷射装置是心脏，依靠Bosch式等喷油泵的开发，使发动机真正能够付诸实用。之后，一直在使用依靠机械式燃油泵和面对燃烧室定压开启喷油嘴喷油的机构，基本上没有变化。与此相反，在共轨式喷油装置中，燃油一直以高压保持在被称为共轨的蓄压室内，依靠电子阀进行喷射控制，对柴油机而官，这是革命性的变化。　　特别是在欧洲，轿车用柴油机正在迅速增加，而其中60%以上是装有共轨式喷油装置的发动机。在为提高功率而采用涡轮增压的同时，共轨式喷油装置正在成为欧洲柴油轿车迅速增加的原动力。　　另外，世界上商用车用柴油机由于要求更长的寿命和高.的可靠性，，因此共轨的普及程度比轿车柴油机迟后。图4表示在从发动机手册摘录的直喷式柴油机所有机种中，燃油喷射系统使用比例的变化。在2002年，大部分依然是原来的宜列式或分配式喷油泵，共轨式约占1/3。适用对象不管是轿车或商用车，由大型到小型机种都一样。另外，可以看出欧洲的商用车与日本有明显的不同，在2002年，共轨式还不到10%。与直列式泵和分配泵不同的电子泵喷嘴(EUI：ElectronicUnit Injector)和电子单体泵(EUP：Elec-tronicUnitPump)等是主流，而基本的燃油加压和喷射机构还是原来喷油泵的延续，与共轨式是不同的。图4 燃油喷射装置的使用比例　　之所以产生这样的差异，共轨式喷射装置从低速起就能产生高压喷射的特征是关键如上节所述，日本的行驶条件特别重视低速区的扭矩特性。在低速区能实现高压喷射，就可以降低烟度，结果使低速时增加扭矩成为可能。作为实例，有报告“’称，在增压发动机上有效利用共轨喷射装置的特性，以求提高柴油机低速扭矩，使之适应日本城市的交通。另外，欧洲商用车发动机主要用于高速公路行驶，追求高功率和低油耗，故应选择在额定点能产生高压喷射的泵喷嘴等技术。　　2.3 发动机噪声　　柴油机是压缩着火，因而柴油机与汽油机相比，在噪声及振动方面肯定是不利的，这也成为研究开发的起因。在全球，柴油机振动噪声研究开发取得了丰硕成果。尤其对怠速时的发动机噪声或车外噪声进行了广泛研究，这可以说是日本柴油机研究的特点，反映了在日本城市中使用时频繁起动、停车的交通环境。　　图5是记录每2转为一个循环的柴油车怠速车外噪声的实例。图中上部为记录到的噪声波形，下部是通过A特性滤波器除去低频噪声后的波形。除去低频噪