大中型城市客车发动机的发展趋势

改革开放以来，随着我国现代化建设的持续发展，城市面貌日新月异。我国城市化程度的提高和大中型城市规模的扩大，极大的刺激了城市公交事业的发展和需求的增加。据调查，我国每年对大型城市客车的需求量约6500辆，对中型客车的需求量达2万辆。城市客车数量的增加使长期以来积累下来的乘车难的问题得到缓解。同时，市场对城市客车的需求已从数量的增加向现代化、人性化的目标发展，而中高档城市客车数量的陆续增加又将使城市面貌更加靓丽、出行更方便、乘坐更舒适。

近年来，城市客车的发展特点是高比功率、高可靠性、高舒适性和低地板、低油耗、低排放。城市客车要求的不断提高，促进了与客车配套的发动机技术的进步，同时，也推动了客车水平的提高。

第一节 客车的发展对发动机配套的要求

一、现代城市客车的发展对发动机动力性的要求

近几年来，城市客车大容量化已经成为发展趋势之一。目前，大城市的干线公交线路已普遍用11～12m的城市客车和大型双层客车代替9～10m的城市客车，支线公交线路则以8～10m的城市客车代替8m以下城市客车。有的城市甚至明文规定7m以下的"面包"车退出公交客运市场。车辆的大容量化要求有相应功率的发动机与之匹配。

另一方面，为了提高乘坐的舒适性，安装空调的城市客车逐渐增加，这就需要提高配套动力源的功率，以保证整车的动力性。

城市客车运营的特点是平均车速不高，但起步、停车频繁。在一些城市还需要通过大桥、隧道和高架道路。因此，需要发动机有转矩储备和良好的中低速动力性。

根据以上要求，可将城市客车对发动机动力性要求量化为比功率、比转矩指标。由国家建设部发布的CJ/T162-2002《城市客车分等级技术要求与配置》规定了各种类型、等级城市客车的比功率指标。

大中型城市客车的比功率要求

单位：kW/t

有的特大型城市则在建设部标准的基础上，又进一步提高对城市客车的比功率要求，而且把比转矩放在第一位。

可见，大中型城市客车要满足以上动力性要求，必须更多的采用柴油机，而且柴油机仍需进一步提高功率。

二、治理城市大气环境的要求

随着经济建设的发展和人民生活水平的提高，机动车的保有量不断增加。机动车尾气排放对城市大气环境的污染也日益严重。在北京、上海、广州等特大型城市，机动车尾气已经成为城市大气环境的主要污染源之一。公交车辆在城市机动车保有量中所占的比例虽然不高，但由于其出行率高且又分布在城市的四面八方，对大气污染的贡献率却大于其它车辆。因此，改善公交城市客车的尾气排放已成为治理城市大气环境污染的重点工作之一。

国家对机动车尾气排放的标准正逐步提高。目前的排气污染物限值相当于欧Ⅰ标准，而北京、上海则已先后开始实行相当于欧Ⅱ的限值标准。北京市已有满足欧Ⅲ标准的柴油机用于18m铰接式城市客车并投入运营。

随着2008年奥运会和2010年上海世博会的临近，京沪两地的机动车尾气排放标准将与国际接轨。因此，国内主要柴油机厂陆续开始 研究 和开发符合欧Ⅲ限值标准的柴油发动机。

三、优化能源结构对大中型城市客车发动机的要求

为了减少对石油资源的依赖，国家十分重视发展汽车的代用燃料。CNG、LPG、LNG等气体燃料由于在资源、环保和技术上的优势，发展的较快。特别是城市客车，由于其运营路线比较固定，而公交车辆又相对集中、易便于管理，在燃气资源丰富的地区还可降低运营成本，故应用较多。目前，国内燃气汽车的保有量约12万辆。气体燃料与发动机吸入的空气能充分混合，燃烧也比较完全，有清洁汽车燃料之称。但实践也证明，使用清洁燃料的汽车只有采用了先进的技术来保障，才能成为真正的清洁汽车。

为了让使用清洁燃料的汽车成为真正的清洁汽车,需要根据气体燃料的特性开发专用的气体发动机,以在动力性、经济性、可靠性和尾气排放等方面满足城市客车对发动机的要求。

四、节 能、降低噪声对客车发动机的要求

减少燃料消耗不仅可以降低城市客车的运营成本、提高经济效益，还可以节约能源。由于城市客车的运行条件限制，车速一般不高，因此，要求发动机的万有特性要有宽广的低油耗区，特别是在中低速范围内既要有较大的转矩，又要有较好的经济性。

降低机动车辆的车外噪声是保护环境的另一个方面。而降低车内噪声又是提高城市客车乘坐舒适性的要求。国家对降低机动车噪声污染也有具体的标准。目前大部分国产城市客车还不能达到标准对车外加速噪声的要求，满足车内噪声要求也有相当大的差距。发动机作为主要噪声源之一，需要从提高结构件的刚性和改善动态特性、减少振动传递途径等方面加以改进。

第二节 车用柴油机技术的发展

要求日益严格的标准法规的出台和市场的需求大大推动了发动机技术的进步。近年来，许多国际著名厂商如康明斯、奔驰、道依茨、曼、依维柯和沃尔沃等公司已通过各种途径进军中国客车市场。国产车用柴油机通过国际合作，消化吸收国外技术，产品的技术水平不断提高，基本上满足了大中型客车市场的需求。国内车用柴油机技术的发展主要体现在以下几个方面。

一、应对EPA的柴油机排放技术

为了满足新公路汽车排放标准，并为在用的汽车发动机提供改造方案，降低排放的技术不断得到开发和应用（如后表）。大部分制造商和用户都希望能够将这些技术结合起来运用，一些采取了高废气循环率和排放后处理等技术的设备，经过EPA和加州空气资源协会检验后，证实经其改进过的发动机，确实能减少氮氧化物和颗粒物的排放量。

自从发动机排放标准颁布以来，许多基于改进发动机的排放控制手段就在持续的 研究 开发之中。这些手段包括硬件的细微改进；包括主要发动机部件的重新设计，如气缸；包括燃油喷射系统电控装置的运用。另一种常用的、成本较低的发动机改进技术是废气再循环系统（EGR）。虽然EGR中使用的废气冷却系统和先进的燃油喷射系统，能提供更高的喷射油压和灵活的燃油喷射定时，但还需解决冷凝、布置、发动机系统集成等问题。此外，还需要升级燃油及空气管理系统，以控制EGR系统所带来的更多的颗粒物。

然而，上述或其他的发动机改进手段，能否满足2007年及2010年的EPA排放标准，答案并不确定。看来，要满足2007年的EPA标准，仅仅在EGR系统上花点心思，是远远不够的。而如果要达到2010年的EPA要求，还需综合运用后处理技术，或诸如选择性催化还原系统（SCR）和氮氧化合物吸附器等废气控制手段。

在降低氮氧化物排放量上，SCR的有效性已经广为人知。但氮氧化物吸附器技术目前还无法达到减少90％氮氧化物排放的效果。

氮氧化物吸附器要求发动机组件的整体配合，并需要额外的燃油喷射装置。其通过两种方法减少氮氧化物的生成。首先，催化剂捕捉并储存氮氧化物。直至催化剂的活性部分饱和后，再启动第二个阶段，即再生。此阶段，燃料和其他碳氢化合物将被注入到废气中。人工合成的富含碳氢化物的气体环境，引发了氧气的释放，并促成氮氧化物转化成为说氮气和水。不利的是，再生过程极大地降低了燃油经济性（需将5％的汽车燃油喷入废气当中）。吸附器十分容易为硫所损害，就算硫含量非常低，其吸附效率也将大大受到损害。

SCR则是通过将一种尿素水溶剂注入已加进SCR催化剂的废气中，来减少氮氧化物的排放。虽然这种尿素溶剂必须储存在随车的容罐中，但对比其他技术，使用SCR有可能实现更高的燃油经济性以及较低的运行成本。经证实，在不同的发动机工作环境下，SCR能降低氮氧化物排放65％～99％。SCR技术已经在发电机组上运用达15年之久。然而，作为车用的SCR技术必须实现更小的体积，更为持久耐用，并能满足不同卡车发动机的功能需求。此外，设计系统时需要考虑防止未反应的氨气从排气管中排出，发生氨气泄漏。

二、增压和增压中冷技术普遍应用

增压和增压中冷技术是在发动机排量不变的情况下增加进气量，从而提高发动机的动力性并改善发动机的经济性，避免了传统的扩缸、加大行程和提高转速等做法带来的负面影响，大大增加了基本机型的功率覆盖面。增压器的小型、高效、灵敏为增压技术的推广创造了条件。而采用中冷(特别是空-空中冷)技术则降低了进气温度，是柴油机减少NOx排放达到欧Ⅱ标准的主要措施之一。目前，增压和增压中冷技术在国产大中型城市客车发动机中的应用已越来越普遍。可充分利用废气能量、低速性能更佳的变截面涡轮增压器也已在国产大型城市客车上得到应用。

三、柴油机的机内净化技术

柴油机的机内净化是降低排气污染物排放的基本措施。对不同的实施阶段，其措施也不同。

1、满足欧Ⅰ标准的主要措施是：废气涡轮增压、水-空中冷；进气温度不高于65℃；

●喷油压力不低于110MPa；

●推迟喷油定时。

2、满足欧Ⅱ标准的主要措施是：

●废气涡轮增压、空-空中冷；

●进气温度不高于52℃；

●喷油压力高于120MPa；

●减小喷油器的喷孔直径和压力室容积；

●减少气缸内不能参与燃料混合的无效容积(如活塞火力岸与缸套之间的容积等)；

●采用缩口型燃烧室；

●减少缸体变形，加强气门杆密封，降低机油消耗率。

3、满足欧Ⅲ标准的主要措施是：

●可变截面废气涡轮增压、空-空中冷；

●采用共轨喷油系统或泵喷嘴，喷油压力提高到138MPa以上。对共轨喷油系统可利用电控技术优化供油系统；

●多气门，喷油器布置在燃烧室中央；

●采用缩口型燃烧室、低涡流和可变涡流技术；

●采用低硫柴油。

四、其他技术

车用柴油机技术的进一步发展将更多的采用电控技术，使发动机的工作过程得到更加全面的优化，如可变配气定时技术、废气再循环技术(EGR)、排气后处理(催化转换器、颗粒捕集器)等技术。发动机还将广泛采用替代钢铁的替代材料，使质量减轻。

目前，欧、美、日等技术水平较高的国家柴油机的最低燃油耗可达180g/kW·h，热效率达43%。今后的目标是最低燃油消耗率达到或低于160g/kW·h，热效率超过50%，同时，排放、噪声、可靠性、寿命和发动机质量等各项指标能更好地满足城市客车的要求。

第三节 客车燃气发动机的发展

燃气发动机的发展有数十年的历史。燃气发动机大致有三种。

第一种是在化油器式汽油机的基础上改装的两用燃料发动机。发动机的结构不变，仅在化油器的空气入口处增加一个与燃气混合的混合器，燃料供给系统中增加一个燃料转换装置，混合气的浓度通过发动机进气形成的真空度控制。此种燃气发动机的改装费用低，改装技术简单，可方便地实现两种燃料的转换，是CNG、LPG推广初期普遍采用的技术。这种发动机的不足之处是在采用气体燃料时，发动机的功率有一定的下降，影响车辆的动力性；CNG、LPG的燃烧特性与汽油不同，要求发动机的压缩比、点火正时也有所不同，改装技术不能兼顾；空燃比的控制不甚精确，尾气污染物排放也达不到现行标准的要求等。

第二种是柴油-天然气双燃料发动机。这种双燃料发动机仍采用预混合进气的方式，但为了避免发动机的功率下降，采用了废气涡轮增压，其空燃比则根据发动机的转速和负荷实行开环电控。这种发动机的优点是发动机内部结构无须改变，可保持原发动机的动力性，车辆加速无黑烟，其尾气排放水平与原发动机相同；其不足是：为了保证供油系统的可靠性，发动机在最高转速时气体燃料的替代率只有70%～80%，城市客车常用工况下的替代率则更低；进一步提高尾气排放水平困难。

第三种是由发动机厂在汽油机或柴油机的基础上，根据气体燃料的特点而开发的单一燃料气体发动机。这种发动机的压缩比一般为10.5～12，高于汽油机；燃料供给采用单点喷射或多点喷射；空燃比采用闭环电控。因此，这种发动机具有良好的综合性能。目前在北京公交大量使用的B5.9-195G、B5.9-230G电控增压中冷天然气发动机和上海公交大量使用的M906LAG电控增压中冷多点喷射天然气发动机，均属于这一类型的发动机。国产单一燃料天然气发动机的开发工作起步较晚，但样机台架试验已经完成，即将进入装车的配套试验阶段。

 

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