重要性一如既往

为什么我们仍然需要柴油发动机

到今年,广泛应用于乘用车的柴油发动机已经有 80 年的历史了。这项技术在未来很长时间里仍不会过时。柴油机的批评者也不得不承认:如果没有柴油发动机,欧盟范围内所规定的汽车二氧化碳排放量到 2020年达到每公里95克的目标几乎是不可能实现的。此外,我们目前也具备了符合时代要求的、可降低柴油发动机氮氧化物排放量的所有技术。

柴油发动机的发展其实是一部成功史:1893 年,鲁道夫·迪塞尔(Rudolf Diesel)在奥格斯堡机械工厂研制了采用自燃点火燃烧过程的实验型发动机,这种过程后来被人们称作为“柴油燃烧过程”,这项技术也变得广为人知。1897 年,第一个成熟量产的柴油发动机下线。从那以后,很多工业领域将柴油发动机用作动力系统。但在乘用车领域,柴油发动机的进展却十分缓慢。八十年前,梅赛德斯奔驰大胆地开始在乘用车上批量装配柴油发动机,这在全世界尚属首次。1936 年推出的奔驰260D型轿车比配备汽油发动机的同等车型耗油量降低了三分之一。但由于功率和运行平稳性没有达到同样水平,这款柴油发动机车型并没有取得成功。直到上世纪八十年代,柴油发动机在燃油效率、使用寿命和可靠性方面一直堪称典范,但同时也被视为迟缓和不具备运动激情的车型。本文介绍了涡轮增压和柴油直喷技术,这两项技术使柴油发动机在省油的同时还能保证必要的动态性能。这也是柴油发动机汽车如今在市场上大获成功的关键所在。 

实现气候保护目标过程中必不可少的组成部分

直至今日,柴油发动机在油耗量方面相对于汽油发动机仍保持优势。这主要是由于柴油在燃烧时产生的缸内压力更高。柴油发动机相对于汽油发动机节油最多可达25%。油耗量是与二氧化碳(CO2)排放量紧密相关。因为无论柴油还是汽油都是含碳燃料,在燃烧时必定会产生二氧化碳。燃料中的碳原子与空气中的两个氧原子结合,形成二氧化碳。1升柴油会释放 2.64 克二氧化碳。使用柴油发动机可降低25%的油耗量,从而使得二氧化碳排放量减幅高达15%;这两个数值之间的差异是因为柴油中的含碳量更高。二氧化碳排放量的大幅降低使柴油发动机汽车成为实现欧盟气候保护目标过程中必不可少的组成部分。

在发动机内部避免排放

众所周知,有光的地方也就会有阴影,很多情况都是有利有弊:柴油发动机所面临的巨大挑战是其相对较高的污染排放量。除了颗粒物之外,排放主体是氮氧化物 (NOx)。和油耗量降低的原因一样,颗粒物和氮氧化物排放也是因为燃烧时柴油发动机气缸内所产生的较高压力。通过发动机内部的优化措施,我们可以减少燃烧过程所产生的有害物质。但是,这个过程中出现了典型的目标冲突:降低二氧化碳排放量的措施经常会导致氮氧化物的排放量增加,优化后可降低氮氧化物排放的燃烧过程又会增加二氧化碳的排放量。此外,氮氧化物和颗粒物的形成具有明显的相关性。如果我们为降低氮氧化物排放对燃烧过程进行优化,那么这个过程中的颗粒物排放相反会有所升高,反之亦然。在减少发动机内部有害物质产生的过程中,我们必须始终在两个发展目标之间寻求妥协。目前已经发展成熟的一个降低氮氧化物排放量的方法是废气再循环技术 (EGR)。在这个过程中,废气通过废气管路分流出去,经过冷却之后重新输回气缸。废气尽管充满了燃烧室,但由于其含氧量很低,并不会参加气缸内的燃烧反应。这样一来,燃烧过程在整体上就趋于平缓,同时也降低了燃烧室内的峰值温度。通过此法我们可以大幅减少氮氧化物的产生量:燃烧室内的温度降低100℃,氮氧化物的排放量相应降低50%。但我们必须精确地计量气缸内的废气量,从而使碳烟排放量不会大幅增加。在发动机处于任何运行状态时,气动或者电动的废气再循环阀都能凭借很高的调节精度和优异的动态响应性能控制回流的废气量。不少先进的乘用车柴油发动机中使用了不同类型的废气再循环系统:高压废气再循环、低压废气再循环或者是两者的组合模式。在高压废气再循环系统中,废气在涡轮增压器的涡轮机前面吸出,输送到压缩机后面的吸气侧。该系统的工作压力相当于由涡轮增压器产生的增压压力。而在低压废气再循环系统中,废气在涡轮增压器的涡轮机后面吸出,输送到压缩机前面,压力水平基本上等于环境压力。在这里,我们使用废气阀产生必要的压差。

废气再处理清除有害物质

废气再循环技术可将氮氧化物排放量降低约40%。但为了满足现行的法律标准,这样的减排量仍然是不够的。先进柴油发动机汽车的废气处理整体方案结合了一系列的废气再处理系统,可以在发动机外部降低污染排放量。废气回路中的第一级是氧化催化转换器。碳氢化合物、一氧化碳和颗粒物在其中相互发生反应,获得中和。后一级的柴油颗粒滤清器从废气中清除剩余的碳烟。借助柴油颗粒滤清器,先进柴油发动机汽车所产生的废气如今已经基本上不含碳烟。为了降低氮氧化物的排放量,汽车生产商使用了两个不同的系统:氮氧化物存储式催化转换器和SCR(选择性催化还原)催化转换器。氮氧化物存储式催化转换器将废气中的氮氧化物存储起来,直到达到最大吸收容量。存储的氮氧化物在再生过程中转化为无毒的成分。待完成后,系统就可以重新吸收氮氧化物。氮氧化物存储式催化转换器的最大工作效率约为 80%。SCR催化转换器可持续地降低氮氧化物的排放量。我们可以根据需要向废气流中喷入无毒无味的还原剂 AdBlue。AdBlue在SCR催化转换器中分解出氨,然后氨再转化为排放的氮氧化物。发动机和废气系统达到运行温度后,SCR催化转换器可以从废气中清除最多90%的氮氧化物。现如今的废气再处理技术有着较高的工作效率,能够解决废气排放问题,让柴油发动机拥有更加清洁的潜力,符合时代所提出的要求。

实现“零排放”之前的过渡技术

经过80年的风雨之后,鲁道夫·迪塞尔发明的柴油发动机比以往任何时候更适合应用在乘用车领域中:现代技术将发动机内外部降低污染物排放的各种创新系统与新的排放测试方法相结合,使柴油发动机的污染排放问题成为过去。柴油发动机在油耗和二氧化碳排放量方面具有显著的优点。对于实现气候变化和减排雄心勃勃的目标而言,柴油发动机是必不可少的一项技术。电动汽车和可再生能源的“零排放”是道路交通的发展愿景,作为这条发展道路上的过渡技术,柴油发动机是面向未来的一种具有重要意义的、前景光明的机动车技术。

避免损失:莱茵金属汽车致力于实现二氧化碳排放量低于每公里95克的目标

2020年起,欧盟规定新车二氧化碳排放量不得超过每公里 95克。巨大的压力之下,汽车生厂商和零配件供应商共同致力于降低汽车的二氧化碳排放量,使其低于允许的极限值。莱茵金属汽车集团很早就开始行动起来,并将一系列相应的减排措施归为“Road to 95”(通向95之路)项目的范畴。通过研发,集团为二氧化碳排放量更低的柴油和汽油发动机提出了新的设计方案和创新的组件,其中就包括经过优化的汽缸系统和发动机本体中的支承点。莱茵金属汽车集团通过使用新的材料和改良涂层大幅降低了摩擦功率。电控的废气再循环系统、气道阀、气道阀片和莱茵金属汽车的废气阀改善了发动机内部的燃烧过程,从而降低了油耗量和污染排放量。除此之外,公司致力于发动机辅助系统的研究,例如油泵、冷媒泵和真空泵,避免了在发动机运行过程中损失能量。莱茵金属汽车集团为废气增压器提供电动空气转流阀、废气阀和压力调节阀,通过减小发动机排量和配备涡轮增压器来提高燃油效率,促进了发动机小排量化的发展趋势。此外,莱茵金属汽车集团还研制了一款电动压缩机,该设备可自发提高涡轮增压发动机的增压压力,从而克服涡轮增压发动机起动疲软的缺点,即众所周知的“涡轮迟滞”问题。

采用减少增压循环节流损失的系统和节流阀后,我们能够降低汽缸内换气过程中的损失。莱茵金属汽车集团利用变速箱的滑动轴承和电动机油泵,优化了变速箱。集团专门为乘用车柴油发动机研制了钢制活塞,用以取代铝制活塞。钢制活塞降低了摩擦力,为发动机的设计提供了更大的灵活度。这些优点叠加之后,我们可以降低3%的二氧化碳排放量。钢制活塞是一款全世界首创并获得钢铁产品创新奖的产品。2015 年,莱茵金属汽车集团在一款乘用车柴油发动机上实现了钢制活塞的量产。针对柴油发动机中的特定条件所设计的产品还包括用于废气再循环模块的新型电控旁通阀。该阀一般为真空操作。但由于操作环境中必须产生压力,所以在这个过程中就会产生二氧化碳。莱茵金属汽车研制的电子执行器实际上只有在进行调节时才需要能量。

理查德·巴克豪斯 (Richard Backhaus),汽车和发动机专业记者

访谈

现在有越多有关柴油发动机的负面新闻,我们今后是否还需要这种驱动方式?

柴油发动机如今经常遭到不公正的诟病,被人们错误地当作环境污染的源头。先进的柴油发动机兼具排放低和二氧化碳排放量少的优点。这一点不仅得到了理论的证明,我们在日常道路交通中也能切切实实的感受到。柴油发动机主要用于驱动大型、也就是重型的载重车,这些车的耗油量当然比小型乘用车要高,而且柴油驱动的大车每年行驶里程也高于比平均水平。这两个因素都表明了柴油发动机二氧化碳排放量低的情况下所能带来的优势。因此,柴油发动机本身并不是个问题,而是机动车面临环保挑战时的一大解决方案。众所周知,距离电动汽车为市场广泛接受还需要一定的时间。