國Ⅳ排放重型車用P型柴油機(jī)的開發(fā)

趙華

（上海日野發(fā)動機(jī)有限公司，上海201401）

國Ⅳ排放重型車用P型柴油機(jī)的開發(fā)

趙華

（上海日野發(fā)動機(jī)有限公司，上海201401）

為了滿足國Ⅳ和以后更高排放法規(guī)的要求，在現(xiàn)已批量生產(chǎn)的國Ⅲ排放重型車用A型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，對氣缸蓋、活塞、燃油噴射系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和渦輪增壓器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，同時增加了SCR后處理系統(tǒng)，研制開發(fā)出了可滿足國Ⅳ排放法規(guī)的重型車用P型柴油機(jī)。試驗結(jié)果表明，該柴油機(jī)的電控高壓共軌系統(tǒng)和SCR后處理系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用適應(yīng)性，滿足國Ⅳ排放法規(guī)。

柴油機(jī)SCR系統(tǒng)國Ⅳ排放開發(fā)

1 前言

隨著國Ⅳ排放法規(guī)的全面實施，國內(nèi)各主要柴油機(jī)制造商也都積極應(yīng)對。從國Ⅱ升級到國Ⅲ，只需對柴油機(jī)采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)即可達(dá)到國Ⅲ排放要求，如采取單體泵、泵噴嘴、電控高壓共軌和增壓中冷等技術(shù)；但是從國Ⅲ升級到國Ⅳ，除了機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)外，還必須采取機(jī)外凈化技術(shù)。

從機(jī)外凈化的角度看，由于柴油機(jī)國Ⅳ階段面臨的首要問題是同時降低NOx和PM排放，主要技術(shù)路線有兩條：（1）改變柴油機(jī)控制策略，以增大NOx的原始排放為代價，降低PM原始排放，然后采用SCR后處理系統(tǒng)處理掉過多的NOx，從而達(dá)到排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)；（2）采用EGR技術(shù)，控制燃燒溫度和含氧量，以增大PM的原始排放為代價，降低NOx原始排放，然后采用DOC、POC和DPF后處理裝置中的一種或某兩種組合，處理掉過多的PM，從而達(dá)到排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

2 開發(fā)目標(biāo)和總體布置

國Ⅳ柴油的含硫量上限是50 mg/kg，而現(xiàn)階段在我國還很難實現(xiàn)國Ⅳ柴油的全國供應(yīng)，采用EGR技術(shù)的柴油機(jī)，含硫量較高的廢氣再循環(huán)會加劇腐蝕氣缸及相關(guān)零部件，并且硫被DOC和POC氧化形成的SOF本身就是柴油機(jī)排放污染物PM的重要組成部分；而且裝備EGR系統(tǒng)柴油機(jī)的整車比SCR系統(tǒng)柴油機(jī)的整車油耗高5%左右?？紤]以后國Ⅴ和更高排放法規(guī)的實施，采用EGR的柴油機(jī)升級難度較大，而SCR后處理系統(tǒng)對燃油中的含硫量不敏感，后續(xù)再升級難度小，燃油經(jīng)濟(jì)性足以彌補(bǔ)增加的尿素溶液的成本?？紤]到上述2個因素，我公司采用了SCR后處理路線，在目前已經(jīng)批量生產(chǎn)、國Ⅲ排放A型柴油機(jī)的平臺上，不改變現(xiàn)行的生產(chǎn)工藝和主要零部件，僅對發(fā)動機(jī)本體做出局部更改，增加SCR后處理系統(tǒng)，研制開發(fā)出排放可達(dá)國Ⅳ法規(guī)的重型車用P型柴油機(jī)。既滿足了國家排放法規(guī)的要求，為企業(yè)增加了效益，又為國家國民經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出了積極的貢獻(xiàn)。

A型和P型柴油機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及P型柴油機(jī)的開發(fā)目標(biāo)見表1。

表1 A型和P型柴油機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

國Ⅳ排放P型柴油機(jī)是以現(xiàn)在已批量生產(chǎn)的國Ⅲ排放A型柴油機(jī)為基礎(chǔ)，僅對發(fā)動機(jī)本體做出局部更改，增加SCR后處理系統(tǒng)等開發(fā)而成。發(fā)動機(jī)外圍零部件和整車的搭載不做較大調(diào)整，以便整車和升級后的P型柴油機(jī)搭載盡可能地與A型柴油機(jī)通用，實現(xiàn)整車滿足國Ⅳ排放法規(guī)；同時可縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本。電控單元（DCU）安裝在車輛上，也可安裝在發(fā)動機(jī)本體上。P型國Ⅳ排放柴油機(jī)的總體布置如圖1所示。

圖1 P型柴油機(jī)外形圖

3 零部件設(shè)計開發(fā)

3.1 氣缸蓋

降低氣缸蓋進(jìn)氣道的渦流比，這樣可使預(yù)混合氣更加均勻稀薄，可降低燃燒溫度，從而降低排放物中的NOx；同時由于氣缸內(nèi)混合氣均勻，無局部過濃混合氣，可使PM排放有所降低。

3.2 活塞

重新設(shè)計活塞，壓縮比由17降低到16，更改燃燒室形狀，使燃燒室凹坑內(nèi)產(chǎn)生較大渦流，減少渦流死區(qū)，有利于降低PM。

3.3 燃油噴射系統(tǒng)

應(yīng)對國Ⅳ排放法規(guī)對高壓燃油泵提出了更高的要求，燃油噴射壓力由現(xiàn)在的160 MPa提高到180 MPa。采用高軌壓和小孔徑噴嘴，在爆壓限值條件下調(diào)整噴油定時。噴油器高速電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)改為壓電陶瓷執(zhí)行器，以減小執(zhí)行器響應(yīng)時間，可實現(xiàn)缸內(nèi)多次噴射，優(yōu)化缸內(nèi)燃燒。

3.4 潤滑系統(tǒng)

柴油機(jī)尾氣排放中的PM除了燃油燃燒產(chǎn)生以外，機(jī)油產(chǎn)生的PM也占相當(dāng)部分。竄入燃燒室中不完全燃燒的機(jī)油隨尾氣排出，是形成柴油機(jī)排放冒藍(lán)煙的重要組成部分。為了防止和減少機(jī)油竄入燃燒室，通過改進(jìn)潤滑油系統(tǒng)設(shè)計、減少活塞裙部間隙、優(yōu)化活塞、活塞環(huán)和氣缸表面的設(shè)計、提高氣缸套圓度、改進(jìn)氣門桿部密封性能等措施，來減少機(jī)油竄入燃燒室。

3.5 渦輪增壓器

更改增壓器，增大空氣供給量，提高氣缸內(nèi)平均有效壓力、過量空氣系數(shù)和整個循環(huán)的平均溫度；從而改善了發(fā)動機(jī)碳煙排放和燃油消耗率，可使柴油機(jī)顆粒狀物質(zhì)的排放量降低10%左右，并減少了CO和HC的排放。

3.6 SCR后處理系統(tǒng)

SCR后處理系統(tǒng)由催化消聲器、噴嘴、計量噴射泵、尿素罐、電控單元及相應(yīng)管路和線束組成，如圖2所示。催化消聲器內(nèi)裝有SCR催化器芯子和消聲管路，主要作用是催化氮氧化物的還原反應(yīng)，防止氨氣泄漏和降低發(fā)動機(jī)的排氣噪聲。噴嘴作用是將計量噴射泵送來的尿素溶液和空氣混合物順流噴入排氣管，并使噴出的尿素水溶液均勻霧化。計量噴射泵作用是將尿素溶液按照需求量送到噴嘴，然后噴入排氣管。尿素罐主要用于盛裝尿素，安裝有液位傳感器和溫度傳感器，可感應(yīng)尿素液面高度和溫度。電控單元（DCU）控制整個后處理系統(tǒng)的工作，包括傳感器信號的處理，尿素溶液噴射量的計算和各種執(zhí)行器的控制；并通過CAN總線與發(fā)動機(jī)ECU通訊，獲取發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)；根據(jù)催化器的溫度信號，計算出尿素溶液噴射量，控制噴嘴噴射適量的尿素溶液到發(fā)動機(jī)排氣管中。

圖2 SCR系統(tǒng)的構(gòu)成

圖3是電控單元（DCU）外觀，安裝布置時要考慮周圍溫度、振動條件需要達(dá)到要求，而且需要防水。

4 P型國Ⅳ柴油機(jī)性能試驗

4.1 動力性和經(jīng)濟(jì)性

從圖4的柴油機(jī)外特性試驗曲線可以看到，P型柴油機(jī)標(biāo)定功率可以達(dá)到259 kW，最大扭矩可達(dá)到1 488 N·m，標(biāo)定工況1 900 r/min時的燃油消耗率小于215 g/(kW·h)。各項性能指標(biāo)完全符合當(dāng)初的設(shè)計值。

隨機(jī)選擇了4臺樣機(jī)，在試驗臺架上進(jìn)行外特性試驗。整個試驗臺架、環(huán)境狀況和試驗工況均相同，具有可比性。測定了樣機(jī)的功率、扭矩、燃油消耗率等參數(shù)。4臺樣機(jī)的試驗結(jié)果完全符合圖4外特性曲線，偏差都在設(shè)計允許值內(nèi)。

圖3 電控單元（DCU）外形圖

圖4 國Ⅳ排放P型柴油機(jī)外特性曲線

4.2 發(fā)動機(jī)排放

在天津汽車檢測中心對P型柴油機(jī)進(jìn)行了ESC和ETC排放認(rèn)證檢測試驗，試驗結(jié)果如表2和表3所示。由表2和表3可見，開發(fā)結(jié)果完全滿足國Ⅳ排放法規(guī)（GB 17691－2005）。

4.3 整機(jī)可靠性試驗

隨機(jī)選擇了2臺國Ⅳ排放P型柴油機(jī)樣機(jī)，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了1 500 h發(fā)動機(jī)可靠性試驗，試驗內(nèi)容如表4所示。試驗結(jié)果表明，P型柴油機(jī)主要零部件和獨(dú)立總成經(jīng)受住了嚴(yán)格而苛刻的可靠性考核，可靠性滿足設(shè)計要求。

表2 P型柴油機(jī)ESC排放試驗結(jié)果

表3 P型柴油機(jī)ETC排放試驗結(jié)果

表4 可靠性試驗內(nèi)容

國Ⅳ排放P型柴油機(jī)所有重要主部件都經(jīng)過FMEA分析。懸置的零部件及管路都布置有支撐。燃油管路和機(jī)油管路的支撐具有減小振動和避免磨損的功能，并進(jìn)行了整機(jī)的應(yīng)力試驗。整機(jī)應(yīng)力試驗圖如圖5所示。

圖5 整機(jī)應(yīng)力試驗圖

4.4 發(fā)動機(jī)搭載整車后的“三高”試驗

4.4.1 高寒試驗

P型柴油機(jī)搭載在廣汽日野12 m客車上。車輛按照額定載荷滿載，在黑龍江黑河地區(qū)進(jìn)行低溫試驗。試驗環(huán)境的最低溫度為-36.5℃，主要考察后處理系統(tǒng)解凍功能及發(fā)動機(jī)和整車匹配后在低溫條件下能否正常工作。試驗結(jié)果表明尿素箱和尿素供給單元可以成功解凍，后處理系統(tǒng)工作正常，整車可在高寒地區(qū)持續(xù)正常工作。

4.4.2 高溫試驗

P型柴油機(jī)搭載在三一重工的一輛12 m3水泥攪拌車上。車輛按照額定載荷滿載，在海南三亞五指山進(jìn)行高溫試驗。試驗環(huán)境的最高溫度為42℃，主要考察高溫條件下后處理系統(tǒng)能否正常工作，性能能否滿足設(shè)計要求。試驗結(jié)果表明發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)能夠在高熱地區(qū)正常工作。

4.4.3 高原試驗

P型柴油機(jī)搭載在三一重工的一輛12 m3水泥攪拌車上。車輛按照額定載荷滿載，在云南香格里拉進(jìn)行高原試驗。試驗車中最高海拔為4 600 m，主要考察高海拔條件下發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)的功能是否正常，發(fā)動機(jī)各項指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求。試驗結(jié)果表明發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)能在高海拔條件下正常工作。

5 結(jié)論

在已批量生產(chǎn)的國Ⅲ排放重型車用A型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，不需要做太大的改動就可以成功研制出國Ⅳ排放重型車用P型柴油機(jī)；且高壓共軌系統(tǒng)和SCR后處理系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用適應(yīng)性。柴油機(jī)零部件不需要做大的改動，便可以實現(xiàn)共線生產(chǎn)。既節(jié)約了設(shè)備投資，加快了研制周期，又為快速推向市場，為實現(xiàn)批量化奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)動機(jī)經(jīng)過性能試驗、排放試驗、可靠性試驗以及發(fā)動機(jī)搭載整車后的“三高”試驗。試驗結(jié)果表明，國Ⅳ排放重型車用P型柴油機(jī)達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)，滿足國Ⅳ排放法規(guī)要求；動力性和經(jīng)濟(jì)性滿足設(shè)計要求；排氣煙度較低，耐久試驗后性能穩(wěn)定可靠，后處理系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

隨著我國排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，國Ⅳ重型車用P型柴油機(jī)的應(yīng)用將更加寬廣，可以升級滿足更高排放法規(guī)的要求。既為公司產(chǎn)品技術(shù)升級儲備奠定了基礎(chǔ)，又為國家節(jié)能減排和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)協(xié)調(diào)健康快速發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

Development of ChinaⅠⅤHeavy-DutyⅤehicle Diesel Engine of Model P

Zhao Hua
（Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China）

To meet the requirements of ChinaⅠⅤand higher emission legislation in the future,ChinaⅠⅤheave-duty vehicle diesel engine of model P has been developed based on ChinaⅠⅠⅠcompliant heave-duty vehicle diesel engine of model A produced on volume basis by optimizing cylinder head,piston,fuel injection system,lubrication system and turbocharger,and adding SCR system.The development result shows that the electronically controlled common rail system and SCR system have good suitability in application and improve the performance of the new engine,making it meet the China-ⅠⅤemission legislation.

diesel engine,SCR system,ChinaⅠⅤemission,development

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.001

來稿日期：2013-12-12

趙華（1975-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機(jī)設(shè)計與試驗。