柴油機的熱效率通常可比汽油機高出30%，因此其在歐洲以及印度等地得以廣泛應用。近年來，由于柴油機的噪音及振動現象有所改善，排放性能有所提升，因此，其在日本國內市場的保有量正逐漸增加。本文主要介紹乘用車用柴油機的相關技術特征。

柴油機向經壓縮后的高溫空氣中噴射燃油，并通過壓縮點火方式使其著火燃燒，目前以向氣缸內直接噴射燃料的直噴式為主流技術。

與汽油機不同，燃燒狀態下的柴油機燃燒室內只有空氣。而當空氣分布于燃燒火焰鋒面與氣缸壁之間時，其會吸收燃燒熱量并進而膨脹，產生向下推動活塞的壓力。同時，由于其抑制了氣缸壁的熱量釋放，因此與汽油機相比，柴油機的熱效率更高。由于具備上述基本特性，柴油機在商用車領域得以廣泛應用。

早期有一類柴油機，其向在缸蓋上設置的副燃燒室內噴射燃料，但是該類柴油機無論是壓縮行程還是膨脹行程，泵氣損失都較高。如要對燃料噴射量進行精細管理，就需要重點改善副燃燒室的技術劣勢。因此，大型商用車從早期就開始采用向燃燒室內直接噴射燃料的方式，以此提升發動機的熱效率。

乘用車用柴油機已在歐洲地區使用多年，并占有較高市場份額。但是，由于柴油機在噪聲以及排放性等方面的性能仍有待改善，在日本國內市場除了四輪驅動（4WD）等重視車輛可靠性及通過性的車輛外，在過去較長的一段時期內，客戶對柴油車可謂敬而遠之。柴油車基本不會被優先選用，同時也幾乎沒有進口柴油車進入日本國內市場。

然而，隨著排放法規對尾氣排放清潔度要求的不斷升級，日本國內市場轉而開始重視柴油機的存在價值。在高響應性及高轉速的技術要求前提下，需盡可能改善柴油機的排放性能、并進一步有效控制整機的振動問題。經相關改進后，日本國內的柴油機產品取得了顯著的技術進步。因此，日本國內配裝有柴油機的乘用車數量也在穩步增加（圖1）。

圖1 直噴柴油發動機系統圖

近年來，柴油機不僅需滿足嚴苛的排放法規，還應不斷提升其燃燒效率，因此除了柴油機本體以外，還相應配置了渦輪增壓器、EGR、SCR催化劑以及DPF等后處理系統。其中燃料噴射裝置為柴油機的關鍵技術部件，近期則更多采用共軌式噴油裝置。

最近上市的乘用車用柴油發動機主要分為三大類（表1）。

表1 乘用車用柴油發動機分類

日本國內應用于大型車輛及皮卡的柴油機，其排量為3.0L左右。主要配裝于大型車輛或皮卡車、大型4WD車輛，該類柴油機不僅氣缸數量較多，其噴射器、渦輪增壓器、排氣后處理系統均采用了最新技術（圖2）。同時中高檔及以上的車輛也會選用V型發動機。柴油機排氣量較大，從而排放氣體中的NOx會相應增多，因此普遍的應對措施是配裝柴油顆粒捕捉器（DPF），同時加裝尿素SCR系統。

圖2 豐田汽車的柴油機“1GD-FTV”

（a）排量2.8L的直列4缸柴油機（b）活塞頂

日本國內應用于中型車及SUV的柴油機保有量近年來也在快速增長。在直列4缸以下、排量為2.0 L左右的柴油機上組裝可變容量渦輪或二級渦輪，即可達到與大排量柴油機相當的扭矩。該機型在歐洲市場多用于C級和D級乘用車（圖3）。排氣后處理除采用SCR技術以外，還可用還原催化劑吸附NOx。

圖3 瑞典VOLVO公司柴油機“D4”

該發動機排量為2.0 L，擁有與排量3.0 L的直列6缸渦輪增壓汽油機同等的輸出扭矩，可達到JC08法規要求的2倍以上。

應用于輕型車的柴油機，是基于排量小于1.5 L的柴油機的基礎上使用壓電式噴射器或NOx吸附還原催化劑，使整機成本有所降低，并可確保車輛具備強勁的動力性能以及出色的燃燒效率（圖4,5）。

圖4 馬自達的柴油發動機“SKYACTIV-D 1.5”

(a)發動機本體（b）活塞頂部設計

圖5 五十鈴在印度市場使用的

小型柴油發動機“E08A型”

該柴油機排量為0.8 L，配備有直列2缸渦輪增壓器。配裝于五十鈴印度子公司Maruti Szuzuki公司生產的輕型乘用車“Celerio”。該款車型在印度本土的油耗為27.62 km/L。

盡管柴油機的熱效率較高、二氧化碳排放低于汽油機，但是如要達到美國的“Tier2Bin5”、歐洲的“Euro5/6”,日本國內的“后新長期排放法規”所規定的較為嚴苛的排放要求，需進行精確的燃燒控制。而目前實現上述要求的核心技術則是噴射器的噴射控制技術。與汽油機不同，柴油機在燃燒時無需采用火花塞點火，因此主要通過燃料噴射時刻以及噴射量來控制柴油機機燃燒過程。

直噴式柴油機有5種燃料噴射方式（圖6）。在進氣行程中期到壓縮行程初期進行預噴射，可以提升柴油機的點火性能。當進入速燃期之后，NOx的生成量有所增加，當達到一定的高溫條件時，可通過噴射少量燃料的間隙噴射方式來加速燃燒過程。

圖6 多段燃料噴射圖示

在壓縮行程內，為了提升點火性能，需進行預噴射，隨后進行間隙噴射，再開始主噴射，并于缸內開始進行混合氣的燃燒過程。后噴射是使主噴射后燃燒產生的PM進行再次燃燒。其噴射目的在于調整排氣溫度，提高催化劑溫度。

隨后，在壓縮上止點附近才開始進行主噴射，使燃燒過程正式開始。此時如果再噴射大量燃料，會導致部分領域的燃料密度過高，使附近區域成為產生PM的重要源頭，因此在氣體膨脹行程中所附加的后噴射可有效穩定氣體燃燒。

后噴射有著將主噴射產生的PM再次投入燃燒的作用。因此在膨脹行程結束時，為了進一步促進催化劑的排氣凈化性能，需要進行少量的后噴射。

通常而言，乘用車用柴油機，其轉數上限為4 500 r/min，從進氣行程到壓縮、膨脹行程，需要在2/100秒內完成約5次的燃料噴射，并使每次燃料噴射時間控制在1/1 000秒內。

1關鍵是燃料噴射的高壓和快速響應性

為了實現少量燃料在短時間內的正確噴射，就需進行燃料噴射控制。因此柴油機的燃料噴射壓力在近10年內得到飛速增長。

部分大型商用車也采用噴射單元，而目前主流技術是使用可一次性供給燃料的共軌系統，并通過共軌將燃料輸送至噴射器（圖7）。

圖7 共軌系統示意圖

通過高壓泵，將加壓至180～240 MPa的燃料送至燃油軌，然后通過各個噴嘴實現燃料噴射供給。并且在燃料罐上設置有低壓側的燃料泵，可向高壓側的泵壓送燃料。

為了將噴油器的噴射時長控制在1/1 000秒內,就需使得新噴射器比傳統噴射器具備更好的響應性。壓電式噴射器的特點是響應速度快，自2000年開始在日本國內投入使用以來，隨著噴射壓力提高，相應產品的性能亦在不斷提升（圖8）。目前噴油器已經進化到第四代產品，采用層疊的壓電元件單元直接驅動針型閥的結構。

圖8 壓電式噴油器

利用壓電元件實現噴嘴開閉運動。最新的壓電式噴射器，通過壓電元件的運動可直接驅動噴嘴開閉，因此其具備更高的響應性。

直噴汽油機的燃料噴射壓力可達30 MPa，比傳統的柴油機更高，但是直噴柴油機的噴射壓力則明顯更高，大型商用車用柴油機的實際噴射壓力可達240 MPa。

擁有200 MPa燃料噴射壓力的第四代壓電式噴射柴油機，其在單次燃燒過程中最多可噴射9次，反應速度僅有0.1 ms，也就是說其噴射間隔時間可控制在萬分之一秒內。

近年來，電磁式噴射器也在不斷進行改良及優化，目前已經實現了高響應性的技術要求，并可以200 MPa的噴射壓力進行工作，在每次燃燒過程中可進行5次燃料噴射，柴油機燃燒噴射壓力增高是因為采用了多孔噴嘴，以此可使得燃料霧化效果更佳。

為了提高壓縮比，傳統的柴油發動機的活塞頭頂部比較平坦。與此不同，當前的主流技術是充分利用活塞頂部的內側空間。隨著直噴技術的發展，活塞頂部的凹坑型燃燒室已經取代了傳統的副燃燒室，并可在壓縮上止點位置形成較小的燃燒室，同時可調整被燃料霧化顆粒的分布范圍。

活塞材料一般選用輕量的鋁合金，不過目前也開始使用具有高強韌度、高耐熱性和厚度較薄的鋼制活塞。

2必須采用渦輪與EGR的組合方式

最初，排氣壓力較高的柴油機通常會與渦輪增壓器相匹配。但是為了降低NOx排放并減少泵氣損失，對于當前追求低壓縮比的柴油發動機而言，渦輪增壓技術可謂必不可少。因此，日本國內近年來生產的柴油機都會配裝有可變容量渦輪、可變噴嘴渦輪、二級增壓等相關技術設備。

廢氣再循環（EGR）是柴油機提升排氣性能和燃燒效率所不可或缺的機構設備。在EGR過程中，進入燃燒室的惰性氣體越多，燃燒效率則越高；但是，如果燃燒室內排氣濃度過高，也會產生PM，對噴射的燃料與氧氣的結合造成負面影響。

高效率柴油機與輕量化及高轉速關系密切。由于輕質燃油的著火點在250 ℃左右，即使不采用20以上的壓縮比，輕油也可自行著火燃燒。但是，如果壓縮比下降，則會對冷機狀態下燃燒的穩定性造成影響，針對上述問題，普遍選擇采用內部EGR或火花塞等輔助熱源。

壓縮比的機械性降低與活塞的行程減小有關，作為往復運動機構，該方式對降低摩擦損失具有一定的提升效果。目前也有該類技術訴求，即通過柴油機低壓縮比化實現快速響應的加速需求。

對于乘用車用柴油機來而言，利用低壓縮比和低振動化處理實現高轉速的案例不在少數。為了解決振動問題，采用平衡軸以及可吸收振動的自適應液壓式發動機支架，以此消除高轉速區域的共振現象。

為了在低壓縮比狀態下進行高效燃燒，還有效利用了燃燒室內的空氣流動。例如：在低轉速時，提高空氣流速，燃燒室內形成滾流及渦流等氣流運動，為了加快燃燒速度，部分柴油機在進氣口采用渦流閥或者單個閥門關閉的結構。

當前，乘用車用柴油機的壓縮比通常設定為16左右，但是在高負荷工況下利用渦輪增壓技術，可有效提升實際壓縮比。此外，在高負荷時通過增壓方式以增加空氣量并增噴燃料，該措施會造成排氣成分的暫時性增加，而NOx吸附催化劑和DPF能夠吸收上述氣體，以此可降低廢氣排放。