【日】森一俊等
【譯】彭惠民
回顧了全球與日本的卡車、公共汽車及轎車用柴油機的技術開發歷史，對支撐柴油機發展的各項重要技術，如核心技術、計測技術、數值分析技術等進行了評價。在柴油機上百年的技術發展歷程中，通過採用高壓共軌噴油等一系列新技術、新裝備，並與柴油顆粒捕集器、稀氮氧化物(NOx) 捕集器、選擇性催化還原系統等後處理裝置相結合，改善了柴油機噪聲大、排放高的情況，成為了更清潔、油耗更低、動力更強勁的車用動力裝置。
關鍵詞:技術發展 共軌噴油系統 排放法規 計測技術 數值分析技術
0 前言
論述了全球與日本的卡車、公共汽車及轎車用柴油機的技術開發歷史，介紹了支撐柴油機技術開發的核心技術、計測技術、數值分析技術，並闡述近幾年，日本快速發展的企業、學校聯合研究院等情況。
1 卡車、公共汽車用柴油機
1.1 柴油機的誕生與開發
1892 年，Rudolf Diesel 發明了柴油機，並在絕熱環境下，壓縮到20 MPa 的氣缸中，於上止點後吹入粉煤，進而膨脹到大氣壓的“熱機的工作原理與式樣”申請了德國專利。1893 年，MAN 公司製成缸徑150 mm、行程400 mm 的單缸發動機的樣機，1897 年將缸徑擴大為250 mm，製成了2 號樣機，在轉速172 r /min 時，輸出功率為14.7 kW，燃油消耗率為336 g /kW，實現了25.2%熱效率( 在1/2 負載時熱效率為22.6%) ，但因故障率較高，會導致整機停止運轉，經過MAN 公司幾次改進後，於1923 年開發出功率29.4 kW，轉速為900r /min 的直接噴射(DI) 式車用發動機，並於1924 年配裝到了載重質量為4 t 的卡車上。1924 年，Benz 公司首次將預燃燒室間接噴射(IDI) 式，最大功率為36.75kW，最大轉速為1 000 r /min 的柴油機配裝到卡車上並上市銷售。Daimler 公司也將功率為29.4 kW，最大轉速為1 000 r /min 的空氣噴射式發動機配裝於公共汽車上。Bosch 公司從1922 年開發了能夠精確地噴射微量燃油的噴油泵與噴油嘴。為了適應行業發展，進行柴油機排放控制，各發動機制造商為柴油機廣泛配裝於商用車作出了貢獻。
圖1 日本的柴油車排放法規以及降低燃油中含硫成分的經過
1935 年，日本將由三菱重工業公司( 以下稱三菱重工) 開發的IDI 式功率51． 45 kW 的柴油發動機配裝到公共汽車上，並移交至鐵道部。1931 年，三菱飛機公司研究、試製出直噴式發動機。東京瓦斯電氣公司( 現在的日野汽車公司) 、東京汽車工業公司( 現在的五十鈴汽車公司) ，以及開發了雙循環發動機的日本柴油機公司( 現在的UD 卡車公司) 等許多企業相繼完成了柴油機的研發。1939 年成立的Chizar 機器公司( 現在的Bosch 公司) 成功推動了燃油噴射泵的技術引進。第二次世界大戰後，柴油機的生產數量增加，開始配裝到小型卡車上，柴油機獲得了快速發展。
1964 年，東京舉辦奧林匹克運動會，1970 年舉辦萬國博覽會，日本的經濟隨之持續發展。隨著名神高速公路和東名高速公路開通，對於商用車數量和動力性能的需求都大幅提高。隨著經濟的快速發展，物流與汽車的普及化，導致城市的大氣汙染狀況日益嚴重，1974 年日本出臺了針對柴油車的排放法規。不僅如此，2 次石油危機後，全球各國對於環保節能的呼聲高漲，各汽車公司同時推進針對大氣汙染的防治對策以及降低燃油耗的相關研發工作，這也決定了柴油機由間接噴射式向直接噴射式的發展之路。
1.2 高輸出功率與增壓技術
利用直噴化，以實現燃油的高壓噴射(約70 MPa) 。為了避免卡車、公共汽車發生爆燃現象，必須降低各氣缸燃油噴射量的偏差(波動) ，並提高燃油噴射的響應性，因此對燃油噴射泵及調速器進行優化。同時，採用了2 次噴射燃油的雙彈簧噴油嘴，可以有效降低噪聲。考慮到成本，小型卡車以採用過流室式間接噴射發動機為市場主流。圖2 示出了卡車、公共汽車用柴油機的比功率、最大熱效率及其對應技術的演變過程。
圖2 卡車、公共汽車用柴油機的功率、最大熱效率以及相關技術的演變
在直噴化之後，為繼續增大功率，推進增壓技術，增強發動機本體結構，開發了帶有可降低排放及改善燃油耗的空氣冷卻式中冷器的增壓發動機。1981 年，主流的12 L 的大型卡車用發動機上安裝慣性增壓器，以滿足小型化、高增壓、高制動平均有效壓力的需求。同時，排量為8.8 L，功率206 kW，轉速為2 300 r /min的帶中冷器的低燃油耗增壓發動機上市了。之後，卡車、公共汽車用帶中冷器的增壓柴油機成為主流，日本的增壓技術開始快速發展。
同一時期，由於排放法規的收緊以及要求發動機具備多種功能，開發了電子計時器及電子調速器，並投放到市場，配裝TICS的柴油機卡車也上市了。利用電子控制，應對低溫起動及高寒地區補償增壓等方式控制發動機，提高進、排氣效率，同時採用四氣門技術在中心佈置噴油嘴以達到改善燃燒的目的，開展了兼顧降低排放與燃油耗的技術研發。這些技術對於降低PM 中的可溶有機物(SOF) 成分，以及面向配裝DPF 車型的低灰分潤滑油的開發作出了貢獻。也對以下挑戰性技術進行了研究開發，包括以降低排放為目標的燃用甲醇的發動機、水噴射系統、以改善燃油經濟性為目標的絕熱發動機，以及配裝可變氣門並採用米勒循環的渦輪組合式發動機等，不過這些技術均尚未達到上市銷售水平。
1.3 滿足排放法規要求
1994 年，排放法規由濃度法規限值替換為質量限值，強調NOx排放限值，也引進了PM 限值法規。日本電裝公司(現為Denso) 開發了可以設定柴油定時與噴油壓力的CRS、VGT、EGR 裝置及氧化催化器。當燃油中含硫量為0.05%時，將EGR 與氧化催化器技術作為技術支撐。另外，為降低PM，開發了捕集併除去PM 的DPF，也研究了反洗式、電加熱器式及燃燒器式等再生方式。不過，考慮到可靠性，這些技術要投放市場尚需時日。
1999 年，日本開始抵制柴油車，在低渦流與冷卻的EGR 中組合高壓噴油，試圖兼顧降低排放與低燃油耗的MIQCS投放市場了，但柴油機必須安裝排氣後處理裝置。部分連續再生式DPF及NOx的吸附還原催化器技術的應用成為可能。還原NOx的尿素選擇性催化還原(SCR) 系統也開始配裝在卡車、公共汽車上。為了滿足2009 年排放法規，組合DPF，採用硫含量較低的燃油，可大幅降低排放。
1.4 預混合壓縮著火(PCI)燃燒的引進
追求同時降低NOx、PM 的均質充量壓燃(HCCI)是在PCI 方式基礎上進行研究開發的。在柴油機低負荷工況下，部分機型實現了這種燃燒方式。2016 年的排放法規限值是NOx為0.4 g /(kW·h)，PM 為0.01 g /(kW·h)，應用了WHTC，也引進了循環外法規，還考慮滿足實際行駛排放法規(RDE) 限值，以及降低顆粒物數量(PN) ，以期進一步發展的燃燒技術、排氣後處理技術，以及車輛的統一控制技術。
1997 年於京都召開的聯合國氣候變化框架組織條約第三屆締約國會議後，迫切要求降低CO2 的排放，即降低燃油耗。日本自2015 年起研究更高目標的燃油耗、CO2 排放法規，這是繼日本在全球率先執行卡車、公共汽車的燃油耗基礎上研究的相關法規。目前，最高熱效率也在按照45%的目標逐步提升，尚未達到最初熱效率25.2% 的2 倍。今後，要在降低發動機熱損失、排氣損失、泵氣損失的同時，推進降低車輛損失，以及構建能量再生(回收利用) 及排氣的系統。借鑑以往的絕熱化及餘熱回收技術，推進發動機及結構的最佳化以及各要素的可變性、車輛的電動化，也必須構建組合上述技術要素的統一的系統。
未來，柴油機仍會作為物流業及運輸的主力機型，期待柴油機更加高效化、低排放和低噪聲。
2 轎車用柴油機
2.1 轎車用柴油機的誕生
1936 年，Mercedes Benz 公司將260 型柴油機(水冷4 缸，排量2.5 L，33.56 kW，轉速3 000 r /min) 首次配裝在轎車上，柴油機開始投入使用。1959 年，日本首次將當時世界上最小的C 型柴油機(4 缸，1.49 L，29.83 kW，轉速4 000 r /min) 配裝在市售的ToyoupedCrown 車上。之後，由各公司陸續開發出配裝柴油機的轎車，並上市銷售。日本在1962 年以後柴油機轎車相繼投放市場，1983 年出現了3 缸柴油機(排量1.0 L) 。當時，日本柴油轎車的銷售份額超過5%。
但在上世紀80 年代末期之後，柴油機轎車的發展在日本與歐洲大為不同。在歐洲，由於柴油機的CO2排放少，環保性及燃油經濟性優異，具備強勁的動力性能，柴油車的市場份額在持續增加(圖3) 。
圖3 柴油機轎車的銷售份額的演變
而在日本，由於1989 年以後的稅費修改等法規變更，柴油車經濟上的優越性降低，並在1978 年頒佈了嚴格的柴油機尾氣排放法規，2001 年制定了車NOx、PM 排放法規。同時又受到2000 年尼崎公害訴訟判決的影響，加之反對柴油車的的東京都條例的行政干預，促使柴油機小轎車悄然退出日本市場。但近年來，高性能環保型柴油車從日本、歐洲各公司投放了市場，並從2013 年以後漸漸地重現生機與活力。
2.2 關鍵技術
技術開發的關鍵因素，包括燃燒系統的直噴化、共軌噴油系統(CR) 的問世、排氣後處理裝置的開發、預混合壓縮著火(PCCI) 燃燒的問世、高增壓技術的進展，並且還有各種低損失化、輕量化技術也在進一步發展( 圖4) 。
圖4 轎車用直噴柴油機技術發展趨勢
2.2.1 燃燒系統的直噴化
至上世紀80 年代中期，轎車用柴油機採用了間接噴射式的燃燒系統。利用預燃燒室導致強烈氣體流動，可使燃料和空氣充分混合，以低噴射壓力的噴油系統實現高速運轉。但是，由於預燃燒室的存在以及激烈的氣體流動導致熱損失和燃油經濟性差，排放也難以滿足嚴格的排放法規要求。因此，從上世紀80 年代末期IDI 式噴油系統的高壓化及小型渦輪增壓器也有所發展，從此燃燒系統的直噴化得以高速發展。
2.2.2 共軌噴油系統問世
1995 年，由電裝公司採用實用化的共軌噴油系統，由於其設定噴油壓力的靈活不受拘束，且具有多次噴油功能，為柴油機帶來了技術革新。尤其是多次噴油功能，顯著地改善了排放、振動、噪聲、燃油耗等諸多性能，這也是歐洲自上世紀90 年代後半期柴油機小轎車市場份額劇增(圖3) 的原因。
2.2.3 排氣後處理裝置的開發
在上世紀90 年代，利用氧化催化器(DOC) ，廢氣排放得到了淨化，但到了90 年代後半期，只降低發動機排放，就無法滿足2005 年以後嚴格的NOx、PM 排放法規(如歐4、日本新長期排放法規等) 的情況，開發了綜合的排氣後處理裝置。具體而言，根據車型，組合應用DPF、稀NOx捕集器(LNT) 、尿素SCR 系統，以及DOC 等後處理裝置。LNT 由於不需要尿素，是中小型車為滿足排放的最優選擇。另外，由於2003 年以後的輕油低含硫量化，低硫問題得到了解決。
2.2.4 PCCI 燃燒方式創新
上世紀90 年代中期以後，探索可以同時降低NOx和PM 的新燃燒方式，其代表是PCCI 燃燒方式。PCCI是豐田公司建議採用稀薄預混合(UNIBUS) 燃燒，日產汽車公司建議的低溫預混合(MK) 燃燒方式，部分被實用化後產生的。PCCI 燃燒具有兼顧使NOx和PM 排放接近於零，以及降低燃油耗的潛能。另一方面，由於存在超低負荷時失火、高負荷工況時過早著火、燃燒率過大等問題，工作區域被限定於中、低負荷工況。要實現PCCI 燃燒的實用化，必須根據工作區域實施與普通燃燒的切換。所以，其中關鍵的控制技術是瞬時切換2種燃燒方式(PCCI 與普通燃燒) 、不同的EGR 率，以及缸內狀態量的要求值。目前，主要被廣泛應用於早期噴射燃燒。
2.2.5 高增壓技術的進展
提高渦輪增壓器的效率及可變參數，隨著共軌噴油系統的高壓化，為動力性能的顯著提高(圖4) 及排放改善作出了貢獻。從其頂部葉輪的功率/扭矩比來看，在2000 年中期，利用兩級渦輪增壓，上述比值為67/18，並在寬廣範圍獲得最大扭矩。2012 年，利用兩級增壓、3 個渦輪的增壓技術，功率與扭矩比值達到了93 /247，2008 年以後的發動機升功率超過70 kW 並在小型化方面取得進展。此外，為抑制高比值引起的氣缸內最高壓力增大，以及為了降低摩擦損失，採用持續降低壓縮比的技術手段。利用多次噴油、熱管理技術，以彌補起動性能，尤其是防止低溫下起動性能的惡化，近年來，壓縮比大致降低至15～16。在排放方面，由於組合高增壓、高EGR 率、高壓噴油，高負荷工況下降低排放成為了可能。
2.2.6 低損失化、輕量化技術
為了更好的兼顧降低燃油耗及實現高升功率，從1995 年時陸續採用了降低摩擦、熱損失與輕量化技術，尤其是2000 年以來，相關研發工作發展迅速。如利用鋁合金機體實現升功率93 kW 的錨定繫緊螺栓連接(錨栓) 結構、利用降低活塞壓縮高度增大連桿比以降低滑動摩擦等。圖4 示出了技術發展的具體實例。
另外，利用上述革新技術應用排放對策、高升功率化等引起效率惡化，使燃燒系統直噴化之後的最高熱效率大約在40%～43%之間。今後，為進一步兼顧降低燃油耗和RDE 法規，並提高動力性能，PCCI 燃燒開始廣泛使用，優化發動機結構，包括絕熱的熱管理等技術發展，同時最佳排氣量( 升功率) 所採用的系統方案也有所發展。
3 核心技術
上世紀50 年代，日本國內的大型柴油機使用分開式燃燒室，1967 年，著力開發直噴式柴油機，1974 年開始實施大型柴油機排放法規，1981 年從自然吸氣發展到帶中冷器渦輪增壓。上世紀90 年代，進、排氣門採用四氣門技術，1995 年採用共軌式噴油系統。此外，近年來由於各種排氣後處理裝置的安裝，實現了柴油機的清潔化與熱效率提高(圖5) 。2000 年歐洲的柴油機轎車完成了技術開發。
圖5 大型柴油機排放的清潔化與高熱效率化技術的演變
3.1 柴油機燃燒與燃燒方式
3.1.1 分開式燃燒室
上世紀50 年代，大型柴油機是預燃燒室方式，小型柴油機是渦流室式。噴油嘴是節流閥及針閥等形式的單噴孔噴油嘴，噴油壓力30 MPa 的衝擊式A型單列式泵，向預燃燒室內噴射燃油，使燃油與空氣混合後著火燃燒，由預燃燒室向活塞頂部的淺(盆) 燃燒室噴射濃的燃料燃燒氣體，使燃燒氣體再次燃燒而產生熱量，即使是在低噴油壓力的條件下，也利用預燃燒室完成燃燒。
3.1.2 直噴式燃燒室
1967 年，在大型柴油機上採用了向氣缸內直接噴射燃油的直噴式燃燒技術，主力型發動機在上世紀70年代初期由分開式燃燒量向直噴式快速過渡。這是由於相比分開式燃燒室方式，直噴式沒有主室與副室的流動阻力，而且由於熱量散逸表面積少，所以熱損失少，燃油經濟性優異。但是，由於直噴式應該在燃油噴射的同時形成混合氣，所以需要更高的噴油壓力，形成渦流與擠氣等空氣流動，進氣道的形狀和燃燒室的形狀等要有超過傳統裝置的先進燃燒技術。高壓噴油減少碳煙，同時改善了燃油耗。從最高噴油壓力來看，柴油機脈動式噴油泵為60 MPa。美國在柴油機上採用噴油嘴與燃油噴射泵一體化的組合式噴油器，噴油壓力最高值達到了100 MPa，減少了碳煙排放。
3.1.3 共軌式噴油系統
作為新型噴油系統，共軌式噴油系統於1995 年首次在日本的大中型卡車上使用，當時的最高噴油壓力達到120 MPa。共軌式噴油系統將來自供油泵的高壓燃油儲存在共軌中，根據電子信號，利用電子控制噴油器向氣缸內噴射燃油。與傳統的單列式噴油泵方式不同，共軌式噴油系統中燃油一直被高壓儲存在共軌中，所以燃油壓力不依賴於柴油機轉速，可以在發動機低轉速範圍實現高壓燃油噴射，能夠顯著地減少碳煙排放。此外，利用電子控制在任一時期實施噴油，也能減少NOx排放，而且利用多次噴油，能夠降低燃燒噪聲。共軌噴油系統最高噴油壓力在2015年達到250 MPa。
3.2 增壓、進、排氣系統
3.2.1 進、排氣門的四氣門技術
上世紀60 年代，每個氣缸裝配四氣門的技術就存在了，但只有非常少的機型使用。上世紀90 年代，各汽車製造商推進了四氣門技術的開發。四氣門技術提高發動機體積效率，降低進、排氣的泵氣損失，噴油器面向氣缸中央佈置。從2000 年起，為了追求更低的排放和削減CO2排放，採用了對燃燒更有利的發動機四氣門技術。基於四氣門技術的噴油器在氣缸中央佈置，試圖使氣缸內燃燒均勻化，就能減少碳煙和NOx排放。
3.2.2 帶中冷器的渦輪增壓
渦輪增壓技術在預燃燒室時代已經在小部分機型上得以應用了，而日本由於山坡地段多，道路坡度大，所以，無增壓發動機更受歡迎。待到日本全國高速公路網建立和完善後，1981 年日本首次銷售了方便長途行駛卡車用的配渦輪增壓發動機，並且這種渦輪增壓發動機的市場銷售份額逐年增加。渦輪增壓發動機與不帶中冷器的增壓發動機相比，能夠向氣缸內引入大量空氣，可以同時提高功率與扭矩，屬於高性能的發動機。並且，排放的碳煙及NOx少，同時燃料消耗率也低。1981 年卡車用的大型無增壓發動機的排量為15.0 L，而新渦輪增壓發動機排量減少至8.8 L。目前，增壓壓力從1981 年的大氣壓的2.5 倍達到大氣壓的3 倍。2015 年，大型柴油機上的兩級增壓已實用化，今後增壓壓力還會增加，制動平均有效壓力(BMEP) 也呈現增加趨勢。由於渦輪增壓發動機零部件價格偏高，所以降低成本也是急待解決的問題。
3.2.3 渦輪增壓發動機的EGR 系統
在渦輪增壓發動機中冷卻的EGR 不會增加排放的碳煙，能夠大幅度降低排放中的NOx。如果從渦輪前位取出EGR 氣體，只依賴於高壓回路EGR，則通過排氣渦輪的排放氣體量減少，進入空氣量減少，不能有效利用EGR 氣體。因此，如果從渦輪後位取出EGR氣體，迴流到壓氣機前的低壓回路與EGR 並用，則能確保EGR 的氣體量，降低燃油消耗率，從而大幅度降低排放中的NOx。
3.3 結構零件的強化
渦輪增壓發動機由於向氣缸內引進較多空氣進而實現燃燒，所以氣缸內的最大壓力(pmax) 高，約為無增壓發動機pmax 的2 倍。因此，需要根據pmax提高氣缸蓋、機體、氣缸蓋螺栓、進、排氣門，活塞與活塞環組、活塞銷、連桿、曲軸、缸蓋密封墊片等零件的強度與耐用性，提高軸承、軸瓦(滑動軸承) 的屈服強度，尤其要提升活塞強度，因為在高增壓化條件下pmax 與熱負荷高。所以，有必要將其材質由鋁合金變更為鋼材及球墨鑄鐵等高強度材料。歐美國家的眾多大型發動機製造商已經向鋼製活塞過渡了。
3.4 排氣後處理系統
在執行2005 年的排放法規時，PM 限值從0.18g /(kW·h) 降低至0.027 g /(kW·h) 。各企業也安裝了DPF。與此同時，NOx限值也被調低，並出現了在大型柴油機上安裝SCR 的企業。此外，在中型卡車方面，也有采用燃料SCR 的企業。2016 年的排放法規限值中規定PM 為0.01 g /(kW·h) ，NOx為0.4 g /(kW·h) ，這時的排氣後處理裝置，必須安裝DOC 及DPF。作為降低NOx催化器，必須安裝尿素SCR，燃料SCR，NOx吸附還原催化器或LNT 等。今後的排氣後處理裝置性能還要進一步提高。
4 測試技術
4.1 空氣流動、燃油噴射、氣缸內壓力
圖6 示出影響柴油機燃燒和性能的各個因素。其中，空氣流動與燃油噴射對柴油機燃燒性能影響最大。隨著共軌式燃油噴射系統及多次噴射的普及，燃油噴射率的計測方法正在從Bosch 方式向Zeuch 方式過渡。為把握燃燒狀態，必須測量氣缸內壓力。上世紀70 年代，開發了應變儀、真空管式指示器(示壓器) 等。其中，響應性與耐用性優異的壓電式成為了主流。主要是在W-T Lyn 的研究基礎上，根據示功圖，計算熱釋放係數。
圖6 與柴油機燃燒有關的各因素
上世紀70 年代，開發了適用激光作為光源的各種噴霧特性(燃油霧化) 的測試方法。開發了測試噴霧周邊區域的粒子直徑及速度的光散射法，以及根據瞬時攝影照片的分析，測量油霧內全部粒子的平均直徑。此外，根據雙相誘導熒光法(Exciplex 法) ，分離蒸發油霧內的液相與氣相，從而進行測量。
4.2 碳煙、PM、NOx
用激光作為光源，對發動機柴油火焰內的碳煙濃度，以及羥基(OH) 濃度等進行了圖像計測，進行了碳煙的生成及氧化的相關研究。此外，根據由火焰內的熱遷移採樣顆粒的電子顯微鏡圖像的分析，碳煙的各種尺寸與形態已經定量化了。
上世紀70 年代開始執行柴油機排放法規，根據氣體抽樣法與雙色法，能夠定量地測量氣缸內的碳煙與NOx的生成與清除的過程(圖7) 。隨著排放法規的強化，廢氣排放測量精度與可靠性飛速發展。按試驗工況運轉時，排氣中的氣體成份可依照使用了稀釋風道的抽樣袋方式進行測量。DPF 中捕集的顆粒物要稱量測量。在歐洲，規定了按個數計測顆粒物的法規，顆粒物個數計量裝置成為了標準裝備。
圖7 基於氣體抽樣法與雙色法的直接噴射式燃燒計測
作為實際行駛時的排放物測量方法，輕便型排放測量裝置(PEMS) 成為其必備的裝置，並且車載型排放測試裝置正在開發。關於碳煙測量的PEMS、激光感應音響法、帶電顆粒法、吸收光散射法等已經上市銷售。美國加利福尼亞州規定市場銷售的柴油車要具備車載診斷系統(OBD) 功能，有義務診斷排氣後處理裝置發生故障的情況，並對小型傳感器件進行研發。
5 數值分析技術
圖6 所示的數值分析技術中關於燃燒性能的各種現象為初始應用，作為各因素對於功率、熱效率，及排放特性影響的分析，基於這些分析進行發動機設計，進而開展廣泛的應用。通過數值分析技術，可以減輕由於發動機樣機試製及反覆試驗產生的人力及成本的負擔，能夠進行更迅速、合理的開發。
以往，根據試驗的燃油噴射及油霧顆粒化，利用噴霧熱傳遞方式等分析手段。隨著上世紀70 年代電子計算機的廣泛應用及其性能的飛躍性提高，至今，與燃燒有關的數值計算方法的優化已取得很大進展。此外，以激光等光學計測為首的各種計測方法的進步，被有效地運用於分析結果的驗證。
5.1 熱力學模型及現象論模型
發動機的燃燒分析的最重要目的是預測熱釋放係數( 或者燃燒率) 及燃燒壓力，從而可以求出熱效率及BMEP、振動、噪聲等性能。在電子計算機發展的初期階段，通過任意的熱釋放係數特性曲線以預測性能的“熱力學模型”被廣泛地採用了。然後，從上世紀70 年代後半期到80 年代，提出了將燃油噴霧劃分為多個區域，非穩態地模擬了多個區域引入空氣的各種“現象論的模型”。由此，進氣與燃油噴射系統的因素，可以初步地進行各種運轉和設計條件的評價。
5.2 三維計算流體動力學(CFD)燃燒模型
大多數現象論模型應用了在穩態噴射中所得到的經驗，由於物理、化學理象的描述並不充分，以至於上世紀80 年代初期，CFD 模型問世了。在此模型中，以工作氣體為對象，在歐拉座標(系) 中，設置適當尺度的網格，並離散求解質量、運動量、能量的守恆方程式的方法。而且，通常是運用適當地的紊流模型，利用能夠容許的計算速度，求出整體平均化的解的方法。在這種CFD 模型中，由於能夠定量地再現進、排氣系統及氣缸內的氣體流動特性，在如今的設計階段被作為有用的工具廣泛使用。
另外，噴射燃料顆粒化、進而分散噴霧的運動，用拉格朗日運動方程式描述，該運動方程式是採用了在上述各網格內蒸發後，與氣體混合產生化學反應過程的燃燒仿真法，並獲得有效驗證。
5.3 今後的發展
對於上述的守恆方程式，由於網格條件的制約原因，表徵隨著時間變化的紊流而產生的某種規模以上的渦流及週期性變動的大型渦流仿真(LES) 方法，以及最終不運用紊流模型求解的直接數值仿真方法也在嘗試之中。
利用模型試驗進行更詳細的研究，作為必要的子模型的研究對象實例，諸如由顆粒群組成的燃油噴霧的動態特性，與噴霧及氣體流動接近的燃燒室壁面的邊界層以及非穩定傳熱特性，受傳熱特性支配的熱損失解析。此外，還有諸如與複雜的燃料成份有關的詳細反應的特定與簡化，產物前身及晶核形成、凝聚，包括氧化的碳煙顆粒的生成等。而且，有必要追求包括超高壓分散噴射以及預混合燃燒的新型燃燒理念的可行性研究。
另一方面，從發動機開發現場看，也迫切期待通過上述模型的簡單化及高速化建模，實施綜合性能評價，並應用於發動機的匹配與控制的模型庫方法的開發。
綜上所述，如圖8 所示，預計今後會追求滿足以上需求的多種可行方法。此外，在此省略了包括髮動機動力學的結構設計以及關於摩擦學領域的說明。不過，在這些領域，也可看到數值解析技術的大幅進展。
圖8 柴油機燃燒系統的模型試驗的應用與作用
6 企業、學校、政府聯合研究體制
作為全球的校企聯合研究的典型實例，於1956 年以德國為中心設立的FVV，引領了全球內燃機的研究潮流。因此，歐洲的研究院及研究顧問(諮詢) 公司的內燃機研究技術水平較高。另一方面，日本的汽車企業向歐洲、美國的研究機構及企業財務投入大量資金，維持了其技術水平。不過，日本的研究院所只是單獨進行零碎的研發及接受委託研究。在此，主要考察了與柴油機有關的日本的企業、學校、政府聯合研究機構的發展。
6.1 新燃燒系統研究所(新ACE)
1987 年，在當時的通產省主持下，在日本汽車研究所(JARI) 內，設立了新ACE(NACE) ，其目的主要是實現日本的大型柴油機商用車的高效率和清潔化。日本國內的柴油車企業、零件生產商、政府分別投入資金，通過燃油噴射系統的改良(高壓化及小直徑噴油孔等) ，實現燃油耗的大幅降低及清潔化的推廣。為了繼承其研究成果，以包括小型轎車用柴油機的進一步高效化與清潔化為目標，於1992 年設立了NACE，其研究工作延續至今。
6.2 汽車用內燃機技術組合(AICE)
AICE 於2014 年4 月設立，參與成員由日本9 家汽車企業與2 家研究機構組成，日本國內零部件製造商也作為贊助成員。目前，約有40 家公司參與研發工作，研究委託方與FVV 一樣，主要是日本國內的研究院所。
2009 年，在汽車技術會內的汽車企業由於對歐洲發展態勢普遍具有危機感，致使非競爭領域的企業財團開始了討論並形成2 大流派，一個是柴油機排氣後處理流派，另一個是汽油機設計標準流派，將這兩個流派歸結為一個流派，是AICE 的建立的初衷。目前，受到經濟產業省的補助金資助項目名為“關於清潔型柴油機技術的深入研究開發”的委託，作為柴油機排氣後處理技術的高端研究，AICE 正在推進6 個研究課題的研究。
SIP 創新燃燒設置有汽油機燃燒、柴油機燃燒、控制、降低損失等4 個研究小組。此外，作為眾多研究人員可以有效利用的共用研究基地，即開放實驗室的建立也在推進中，柴油機燃燒研究小組用開放實驗室設置在堀場製作所場地內，準備工作正在進行中。
7結語
縱觀汽車用動力源近百年的發展史，今天的柴油機是技術研發中產生的優良技術與最近努力相結合的產物，但內燃機技術仍有開發潛力。
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