效率最高的重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)
——MAN新一代15.2L柴油機(jī)

【德】　N.Schatz　U.Wiebicke

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產(chǎn)品介紹

效率最高的重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)
——MAN新一代15.2L柴油機(jī)

【德】N.SchatzU.Wiebicke

MAN公司為商用車開發(fā)了1款全新高功率D38柴油機(jī)。這款15.2L的直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)可提供520hp①為符號(hào)原著本意，本文仍沿用原文中的非法定單位——編注。和560hp的動(dòng)力，也可為重型牽引車提供640hp的動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)理念包括極高的爆發(fā)壓力、帶級(jí)間中冷的雙級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)、噴射壓力高達(dá)250MPa的共軌燃油噴射系統(tǒng)、雙級(jí)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，以及1種更加強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器“TurboEVBec”。D38柴油機(jī)替代了老一代的D28 V8柴油機(jī)，且結(jié)構(gòu)更緊湊，并優(yōu)化了各項(xiàng)性能。該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載歐6選擇性催化還原轉(zhuǎn)化后處理系統(tǒng)，與MAN D26柴油機(jī)應(yīng)用的后處理系統(tǒng)一樣布置緊湊，在整車底盤上允許安裝更大體積的油箱。

柴油機(jī)兩級(jí)渦輪增壓兩級(jí)廢氣再循環(huán)后處理系統(tǒng)

0　前言

近年來(lái)，重型商用車朝著更高的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和更大的扭矩發(fā)展，其主要原因有： (1) 提高復(fù)雜地形應(yīng)用環(huán)境下的平均車速；(2) 歐洲市場(chǎng)現(xiàn)在已經(jīng)允許60t的總車輛質(zhì)量或者更高速度的車輛行駛。

為了進(jìn)一步滿足排放法規(guī)的要求，MAN公司決定開發(fā)1款功率在500hp以上的全新發(fā)動(dòng)機(jī)。目標(biāo)是研發(fā)1款能夠滿足現(xiàn)在和未來(lái)市場(chǎng)需求、高功率輸出、高效和高可靠性的發(fā)動(dòng)機(jī)，并為該功率段的發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　開發(fā)目標(biāo)

盡管排放限值會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格，使用成本仍然是客戶滿意度和市場(chǎng)接受度的決定性因素。因此，從一開始的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)目標(biāo)就非常明確： (1) 新的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油及尿素消耗至少要和同等歐5選擇性催化還原(SCR)機(jī)型相當(dāng)或者更好；(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量要盡可能輕。

1.1滿足歐6排放法規(guī)的D38柴油機(jī)系統(tǒng)

MAN公司的歐6發(fā)動(dòng)機(jī)采用冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)[1]和后處理系統(tǒng)的排放理念，其中后處理系統(tǒng)包括柴油機(jī)顆粒過濾器(DPF)和SCR催化轉(zhuǎn)化器(SCRT)。結(jié)合這一理念的直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)特別有利于整車總布置和降低制造成本。此外，從機(jī)械動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，6缸發(fā)動(dòng)機(jī)比8缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。為了滿足歐6排放，MAN公司開發(fā)的直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)成為滿足大功率商用車要求的最佳發(fā)展方向。其發(fā)展目標(biāo)是： 非常好的燃油消耗、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、可靠性好、部分組件與D26系列共用，以及功率和扭矩具有升級(jí)的潛力。表1列出了當(dāng)前MAN歐6載貨車車用D38柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格。

表1　D3876 LF柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

由于D38柴油機(jī)安裝在已經(jīng)投產(chǎn)的TGX車型上，因此TGX車型相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的主要特性與D26柴油機(jī)系列相同。這適用于車輛進(jìn)氣和排氣歧管的連接，以及采用低溫理念的增壓空氣冷卻回路。同樣，電子結(jié)構(gòu)和機(jī)電元件與其他發(fā)動(dòng)機(jī)系列相同，也是模塊化系統(tǒng)的構(gòu)件。圖1所示為D38系列中D3876 LF發(fā)動(dòng)機(jī)的外形圖。

圖1　D3876 LF發(fā)動(dòng)機(jī)外形圖

2　原型機(jī)

2.1軸系和曲軸箱

D3876柴油機(jī)的曲軸箱和缸蓋采用高強(qiáng)度蠕墨鑄鐵(GJV450)，通過關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得曲軸箱的質(zhì)量比使用GJL250材料的其他機(jī)型要輕。鑄鋁飛輪殼及塑料的油底殼和氣缸蓋罩蓋也是該機(jī)型減重的重要措施。D3876柴油機(jī)比之前歐5/歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)的D2868 V8共軌型柴油機(jī)減重160kg，同時(shí)強(qiáng)度有所提高。相比之下，D3876柴油是同等功率的發(fā)動(dòng)機(jī)中最輕的。對(duì)于載貨車來(lái)說，質(zhì)量輕意味著更高的載貨能力，效率也會(huì)提高。圖2所示為曲軸箱在最高爆發(fā)壓力下的橫截面應(yīng)力圖。

圖2　最高爆發(fā)壓力下曲軸箱應(yīng)力分布

設(shè)計(jì)目標(biāo)是使負(fù)荷均勻分散在隔板上，并避免應(yīng)力集中以便實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。結(jié)果，使用最少的材料實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度開發(fā)目標(biāo)。

另外，采用彎曲的曲軸箱裙部設(shè)計(jì)，以及混合材料應(yīng)用保證了優(yōu)良的聲學(xué)性能。

2.2氣缸單元設(shè)計(jì)

D3876柴油機(jī)爆發(fā)壓力較高，因此采用全鋼活塞。較高的強(qiáng)度和硬度使得該發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用較低的活塞高度和壓縮高度，且能夠使用較長(zhǎng)的連桿、減小連桿比，使得活塞的側(cè)向力減小。同時(shí)，由于活塞和缸套接觸面積減少而使得摩擦力減少。上述2點(diǎn)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失比常規(guī)鋁制活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的要小，并且有利于燃油消耗率。

圖3所示是D38柴油機(jī)活塞的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)。摩擦焊接的鋼制活塞有2個(gè)冷卻室，使用中間體增加了1個(gè)內(nèi)部冷卻室。來(lái)自冷卻噴嘴的潤(rùn)滑油通過1個(gè)進(jìn)油口進(jìn)入外部的冷卻環(huán)槽。部分潤(rùn)滑油通過相連的油孔進(jìn)入內(nèi)部冷卻室，然后通過連桿上面的出油孔流出，潤(rùn)滑連桿小端和銷孔。

圖3　帶有2個(gè)冷卻室的鋼制活塞

這種措施明顯減少了竄氣。燃燒室的表面溫度也因此大幅度降低，同時(shí)也有利于提高潤(rùn)滑油的使用壽命。

為了實(shí)現(xiàn)低的燃油消耗和提高耐久性，通過綜合性能和耐久性試驗(yàn)開發(fā)了活塞環(huán)組件和平頂珩磨的缸套。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，缸套上的刮炭環(huán)起了很大的作用： 在活塞的每個(gè)上行沖程中刮掉活塞火力岸的機(jī)油積炭，從而防止在氣缸形成摩擦點(diǎn)。

剛性非常好的曲軸箱使缸套的金屬密封不需要采用O型密封圈，這就意味著冷卻液可以到達(dá)缸套凸緣，熱量被很好的分散，缸套和活塞環(huán)的使用壽命由此提高。

2.3氣缸蓋

該機(jī)型采用整體式氣缸蓋，氣門采用45°間隔布置，以便獲得最佳進(jìn)氣，可以更好的防止氣門連接處的裂紋發(fā)展。

該機(jī)型每個(gè)氣缸均具有8個(gè)氣缸蓋螺栓，保證負(fù)荷能夠均勻的分配到氣缸蓋和缸套上。這一設(shè)計(jì)使缸套變形非常小，傳到密封件上的集中負(fù)荷小，氣缸蓋墊片的壓縮變形小，有利于減少機(jī)油消耗，提高氣缸蓋墊的使用壽命，減少因發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油，顆粒物進(jìn)入到顆粒過濾器的幾率。圖4為D38柴油機(jī)缸蓋的階梯式剖面圖。

圖4　D38柴油機(jī)缸蓋的階梯式剖面圖

氣門由凸輪軸通過滾子搖臂軸和氣門搖臂控制，這有利于薄壁氣缸的設(shè)計(jì)。TGX車型駕駛室的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)完備，可以配置更大型的D38柴油機(jī)。

D38柴油機(jī)首次將圓弧形氣門(圖5(b))應(yīng)用在卡車柴油機(jī)上。氣門盤中部的弧形加強(qiáng)部分可以消除在運(yùn)動(dòng)過程中在氣門座圈范圍造成的氣門變形，使得氣門和氣門座之間的滑動(dòng)和摩擦減小，并可以延長(zhǎng)檢測(cè)氣門間隙的時(shí)間。

圖5　傳統(tǒng)氣門(a)與圓弧形氣門(b)的對(duì)比

2.4逆向冷卻系統(tǒng)

D3876柴油機(jī)缸蓋采用逆向冷卻系統(tǒng)，上邊的冷卻水套被用來(lái)當(dāng)作收集腔，冷卻液沿著氣缸蓋上邊的冷卻水套縱向分布，自上而下流向熱負(fù)荷比較高的位置，如噴油器噴嘴、排氣門及座圈和燃燒室底部。借助于氣缸蓋密封墊上冷卻液管路的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，冷卻液均勻的流向6個(gè)氣缸，然后流向后面的管道中。

這種冷卻液的流動(dòng)方式能夠使全部的冷卻液流經(jīng)氣缸蓋。由于冷卻液在氣缸蓋的內(nèi)部進(jìn)行分配流動(dòng)，可以省掉額外的導(dǎo)流冷卻液零件和一些密封點(diǎn)。圖6為氣缸蓋上部和下部冷卻水套的冷卻液流動(dòng)和由此引起的對(duì)流換熱系數(shù)的分布。

圖6　逆向冷卻系統(tǒng)

從圖中可以看出，逆向冷卻可以保證各缸都有較高且均勻的冷卻性。流動(dòng)橫截面的協(xié)調(diào)允許在特別高的熱負(fù)荷點(diǎn)產(chǎn)生高的傳熱系數(shù)，如進(jìn)排氣門之間的鼻梁區(qū)及燃燒室底部。

2.5發(fā)動(dòng)機(jī)外圍件

D38柴油機(jī)是MAN公司首臺(tái)裝配帶有專利螺紋模制塑料油底殼的發(fā)動(dòng)機(jī)。油底殼通過蜘蛛網(wǎng)狀底部結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到道路表面，對(duì)聲波進(jìn)行漫反射來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。更重要的是，塑料油底殼質(zhì)量極輕，同時(shí)穩(wěn)定性高、且有很高的耐石材的沖擊能力。

在開發(fā)D3876柴油機(jī)過程中，MAN公司借用了部分來(lái)自D2X機(jī)型的成熟組件，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)和維修更便捷，同時(shí)也使得備件的物流配送更加優(yōu)化。

為了減少摩擦損失，D38柴油機(jī)采用了帶離合的雙缸空壓機(jī)。該空壓機(jī)響應(yīng)非常迅速，并且能夠?qū)⑤^高的空氣壓力迅速傳遞。該空壓機(jī)比D2X型發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的單缸空壓機(jī)的排量增加了大約40%。不帶離合的雙缸空壓機(jī)的排量是720mL，可以壓縮更多的空氣。

3　熱力學(xué)

3.1帶中冷的兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)

D3876LF柴油機(jī)都采用了帶級(jí)間冷卻的渦輪增壓設(shè)計(jì)理念，來(lái)滿足大功率商用車對(duì)高效渦輪增壓系統(tǒng)的要求(圖7)。

圖7　帶增壓和中冷的空氣系統(tǒng)

將2個(gè)大小不同的廢氣渦輪增壓器串聯(lián)安裝在排氣側(cè)。小尺寸的高壓級(jí)增壓器在轉(zhuǎn)速較低時(shí)開始響應(yīng)。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的提高，大尺寸低壓級(jí)增壓器會(huì)為其提供越來(lái)越多的能量。在發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖的上邊區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)的增壓壓力控制系統(tǒng)會(huì)打開高壓級(jí)增壓器的廢氣旁通閥，這時(shí)大尺寸的低壓級(jí)增壓器會(huì)承擔(dān)主要增壓作用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在這些工況點(diǎn)下工作更平穩(wěn)。發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的空氣是由工況點(diǎn)決定的，系統(tǒng)通過該工況點(diǎn)所需的空氣流量使用不同增壓器達(dá)到最優(yōu)的匹配效率。兩級(jí)增壓的優(yōu)點(diǎn)在于級(jí)間中冷導(dǎo)致的壓力損失較小，且工作范圍非常寬，因此可以實(shí)現(xiàn)較高的增壓效率。同時(shí)，壓氣機(jī)出口溫度相對(duì)較低，可以改善由于竄氣導(dǎo)致的壓氣機(jī)結(jié)焦問題。

事實(shí)證明，兩級(jí)增壓比使用1個(gè)可變幾何截面渦輪增壓器(VTG)要好。兩級(jí)增壓技術(shù)更簡(jiǎn)單，并且強(qiáng)度更高，這主要是因?yàn)樵诮o定的壓縮比及主要的工作范圍內(nèi)，每個(gè)增壓器的負(fù)荷都較低，并且兩級(jí)增壓不需要VTG復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

從熱力學(xué)的角度來(lái)看，冷卻液冷卻低溫級(jí)間中冷器的作用相當(dāng)于傳統(tǒng)空氣冷卻中冷器。中冷器緊湊的集成到發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷卻回路上，并提供高效的冷卻效率。與傳統(tǒng)的中冷器相比，該中冷器最低限度的控制了進(jìn)氣道空氣的體積，使發(fā)動(dòng)機(jī)具備良好的動(dòng)態(tài)性能。中冷器工作時(shí)冷卻液采用逆流的方式，并且冷卻液和增壓空氣側(cè)都有肋筋，這些都保證了較高的換熱性能。同時(shí)，由于冷卻液具有較高的吸熱能力，因此與傳統(tǒng)的空氣冷卻中冷器相比，在瞬態(tài)工況下會(huì)使進(jìn)氣溫度波動(dòng)較小，這有利于降低燃油消耗和改善排放。

為了避免小負(fù)荷工況下低壓級(jí)間中冷器過度冷卻空氣，采用1個(gè)開關(guān)閥來(lái)阻止冷卻液流入中冷器。在冷起動(dòng)期間，閥門經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后打開，使低溫冷卻液流動(dòng)，由此可以迅速實(shí)現(xiàn)所需的溫度。

電子節(jié)氣門安裝在高壓中冷器和廢氣再循環(huán)(EGR)混合器之間，其主要功能是實(shí)現(xiàn)熱管理，防止廢氣系統(tǒng)在超速工況下被冷卻。電子節(jié)氣門也被應(yīng)用在EGR率的控制中。在常規(guī)工況下，電子節(jié)氣門完全打開，對(duì)EGR率沒有任何影響。在某些工況下，電子節(jié)氣門可以稍微關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)壓差，增大該工況的EGR率。

3.2兩級(jí)冷卻EGR系統(tǒng)

在D38機(jī)型的熱力學(xué)設(shè)計(jì)理念中，EGR是實(shí)現(xiàn)排放和油耗目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，最主要的參數(shù)是EGR率和EGR冷卻器出口溫度。

冷卻EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物(NOx)排放影響非常大。為了盡可能的降低EGR冷卻器出口溫度，D38柴油機(jī)采用了高溫和低溫EGR冷卻器。

D38柴油機(jī)采用高壓EGR，其中廢氣從排氣管引出，通過2個(gè)EGR冷卻器進(jìn)行冷卻，然后與增壓空氣混合并進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。電控EGR閥安裝在EGR冷卻器的上游較熱的一側(cè)，以此來(lái)控制再循環(huán)廢氣的量，也可以實(shí)現(xiàn)定位且定位時(shí)間短。

圖8所示為D38柴油機(jī)帶高低溫冷卻回路的冷卻系統(tǒng)。

圖8　高溫和低溫冷卻系統(tǒng)

D38柴油機(jī)采用兩級(jí)冷卻的EGR系統(tǒng)。高溫EGR冷卻器和低溫冷卻器串聯(lián)使用。在流動(dòng)方向上，先流經(jīng)高溫冷卻器并被發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冷卻。下游的低溫冷卻器由來(lái)自低溫冷卻回路的低溫冷卻液冷卻。這種布置可以保證在任何時(shí)候都能進(jìn)行高效的熱交換。圖9所示為D38柴油機(jī)EGR的布置。

圖9　帶兩級(jí)冷卻EGR的D38柴油機(jī)

第一個(gè)廢氣冷卻器通過翼管來(lái)優(yōu)化壓力損失，因?yàn)檩^大的溫差可以保證高溫氣體在這里得到有高效的熱傳遞。為了避免沸騰，該冷卻器采用平行流。第二個(gè)冷卻器優(yōu)化了翅片熱交換性能，保證廢氣冷卻。設(shè)計(jì)的2個(gè)冷卻器的翅片都對(duì)碳煙和碳?xì)浠衔?HC)敏感度較低。

對(duì)供給低溫EGR冷卻器的低溫冷卻液進(jìn)行恒溫控制，幾乎可以完全防止在小負(fù)荷工況下廢氣(含水)被冷卻到露點(diǎn)以下。為了設(shè)定不同工況下低溫EGR冷卻器的許用入口溫度，采用了全面的放射性核素測(cè)量來(lái)檢測(cè)設(shè)計(jì)冷凝累積的磨損情況。圖10為發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖上低溫EGR冷卻器出口溫度。

圖10　發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖上低溫EGR冷卻器出口溫度

3.3高壓噴射系統(tǒng)

D38柴油機(jī)配備了噴射壓力高達(dá)250MPa的共軌噴射系統(tǒng)(圖11)。新的噴射系統(tǒng)的發(fā)展著眼于： 液壓效率的提高、更好的穩(wěn)定性和更高的可靠度。

與上一代180MPa系統(tǒng)的噴油器相比，驅(qū)動(dòng)概念發(fā)生了改變，但是它的外形尺寸卻被保留下來(lái)?，F(xiàn)在噴油器內(nèi)部的高壓、低壓部分被分開，可以完全解決永久性泄漏的問題。觸發(fā)時(shí)形成的控制量很小，這導(dǎo)致了高壓下所需要的燃油量大幅度下降，也就意味著需要的驅(qū)動(dòng)輸出減少。

噴油器內(nèi)溫度的降低會(huì)導(dǎo)致燃料中敏感性沉積物大量的減少。同時(shí)，通過減少燃油流量可以使效能顯著的提高。噴油器材料的選擇和進(jìn)一步的發(fā)展使得熱穩(wěn)定性變得更好，比如，它使高效制動(dòng)成為可能。

壓力控制閥可以保證在動(dòng)態(tài)操作時(shí)軌壓迅速降低，另外，也具有集成的跛行模式功能和診斷功能。

新設(shè)計(jì)的低壓回路結(jié)合1個(gè)更強(qiáng)勁的預(yù)噴供油泵，可以使起動(dòng)時(shí)間比之前系統(tǒng)更短。采用局部加熱燃油的回路，可以給直接返回到過濾器的供油上游的燃油提供一部分熱量，減少了柴油燃油在極寒條件下產(chǎn)生結(jié)蠟的風(fēng)險(xiǎn)，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷條件下的適應(yīng)性。

3.4燃燒過程和標(biāo)定

為了滿足法規(guī)要求，在歐6階段把EGR、SCR及DPF等技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用。這就對(duì)燃燒系統(tǒng)的標(biāo)定有了更高的要求： 原始顆粒物排放低，顆粒過濾器的負(fù)荷小，并使排氣溫度足夠高，SCR在大部分工況下都可以高效運(yùn)行。

熱力學(xué)的發(fā)展主要集中在主要運(yùn)行范圍內(nèi)較好的燃油消耗率。當(dāng)采用EGR時(shí)，在循環(huán)的范圍之內(nèi)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx原始排放可以減少燃油和尿素的消耗。

圖12所示為選定工況點(diǎn)等效柴油的綜合消耗(柴油和尿素)與NOx原始排放(由于EGR的變化)的函數(shù)變化關(guān)系。

圖12　柴油和尿素組合消耗(轉(zhuǎn)速1200r/min，扭矩1000N·m)

為了進(jìn)一步減小流動(dòng)損失，該機(jī)型的進(jìn)氣渦流水平比之前的相比明顯降低。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的1個(gè)重要的條件是較高的噴射壓力： 對(duì)于給定的燃油噴射持續(xù)期，允許選擇更低的流量，這使得低顆粒排放成為可能。

由于D38柴油機(jī)在熱力學(xué)方面的改進(jìn)，使它成為高效的重型商用車動(dòng)力裝置。其燃油耗脈譜圖顯示了2個(gè)決定其效率的特征： 在脈譜圖的大部分區(qū)域，燃油消耗率小于200g/(kW·h)；最好的工況點(diǎn)及更好的消耗區(qū)域在高速運(yùn)行工況。

圖13　D3876LF01柴油機(jī)燃油耗脈譜圖(車速為89km/h)

4　發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)

D38柴油機(jī)搭載MAN發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器(EVB)，以及更加強(qiáng)勁的“TurboEVB”制動(dòng)器。這2種高端持續(xù)制動(dòng)器在較低的行駛速度下也能提供很高的制動(dòng)力。

D38柴油機(jī)的排氣背壓由氣動(dòng)蝶閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。EVB能夠在2400r/min轉(zhuǎn)速下提供340kW的最大制動(dòng)功率(圖14)。

TurboEVB通過發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)適當(dāng)增壓來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效率的顯著提高。TurboEVB在2300r/min時(shí)制動(dòng)功率達(dá)600kW，其最重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于高壓渦輪之前的氣動(dòng)控制閥(圖15)。

在這種布置形式中，排氣背壓首先經(jīng)閥門減到適合渦輪的需求，接下來(lái)進(jìn)入膨脹階段，即使是在發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)階段，渦輪也可以產(chǎn)生較高的增壓壓力。

以這種方式獲得的氣體可以獲得充分的散熱，這樣即使使用這種更加強(qiáng)勁的制動(dòng)系統(tǒng)，熱負(fù)荷限制也非?？煽?圖16)。

圖17所示為EVB和TurboEVB 2種制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)過程中氣缸壓力狀態(tài)的比較。

圖14　發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)功率輸出

圖15　TurboEVB系統(tǒng)

圖16　2種發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的排氣溫度

圖17　EVB和TurboEVB 2種發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的p-V圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)過程中，高壓和低壓部分的工作循環(huán)都是按照逆時(shí)針方向進(jìn)行的，2個(gè)循環(huán)包含的總面積表示對(duì)應(yīng)制動(dòng)功率。

TurboEVB的高增壓意味著氣缸中有更多的空氣用來(lái)提供制動(dòng)功率。這主要體現(xiàn)在負(fù)高壓循環(huán)的擴(kuò)大。除了使制動(dòng)功率輸出增大，TurboEVB還可以降低排放噪聲。

與緩速系統(tǒng)不同，使用TurboEVB制動(dòng)器時(shí)只有少量制動(dòng)能量被發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)耗散，同時(shí)，即使在制動(dòng)要求很高的長(zhǎng)、下坡時(shí)也不需要減少制動(dòng)功率。因?yàn)槿菀渍{(diào)節(jié)，TurboEVB可以配合現(xiàn)代持續(xù)制動(dòng)系統(tǒng)管理系統(tǒng)的要求及有效結(jié)合第二緩速裝置。

5　D38柴油機(jī)歐6排放理念

為了滿足歐6排放要求，MAN D3876柴油機(jī)采用了冷卻EGR和尾氣后處理系統(tǒng)結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部措施。尾氣后處理系統(tǒng)被牢固的安裝到車輛上，系統(tǒng)包含氧化催化轉(zhuǎn)換器(DOC)(通常用于歐6)，閉式柴油顆粒過濾器，尿素水解系統(tǒng)和安裝在最后的氨泄漏催化轉(zhuǎn)換器(AMOX)[2]，這些部件都串聯(lián)在一起。

盡管排氣體積流量更大，D3876柴油機(jī)的消聲器和D20/26發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在結(jié)構(gòu)和體積[3]上是相當(dāng)?shù)?，在同類產(chǎn)品中是最緊湊的。圖18所示為MAN TGX長(zhǎng)途車的排氣系統(tǒng)和消音器內(nèi)的尾氣流動(dòng)。

圖18　MAN TGX卡車的尾氣后處理系統(tǒng)

6　發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的工作表現(xiàn)

在TGX卡車上，D38柴油機(jī)與優(yōu)化的MAN TipMatic變速器結(jié)合使用。即使在最低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

下仍擁有最大的扭矩，因此長(zhǎng)途車輛可以使用i=2.5的主減速比，這使得在典型高速公路工況下低速、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為可能。在參考路線上進(jìn)行的比較運(yùn)行和壓力測(cè)試[4]證實(shí)了這種設(shè)計(jì)是合理的。

7　總結(jié)

MAN公司在2014年推出了商用車用15.2L 6缸D3876LF大功率柴油機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)可提供 520hp，560hp和640hp的動(dòng)力，以及2 500～3000N·m的扭矩。較好的燃油經(jīng)濟(jì)性、極好的輕量化設(shè)計(jì)、較少的安裝要求及較高的強(qiáng)度是該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)。

D38柴油機(jī)重要的熱力學(xué)理念是采用兩級(jí)廢氣渦輪增壓、兩級(jí)冷卻EGR，以及使用250MPa噴射壓力的共軌噴射系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，一直遵循最低燃油和最低尿素消耗的理念，展現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，尤其是在典型的長(zhǎng)途運(yùn)輸工作狀況下。全新開發(fā)的高效發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器TurboEVB首次被應(yīng)用到D38柴油機(jī)上。

對(duì)用戶而言，另一個(gè)好處是，較低的駕駛室入口高度被保留，這是因?yàn)镈38柴油機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)不需要額外的空間。由于排氣系統(tǒng)非常緊湊，可使油箱容積保持不變，由此運(yùn)行范圍可保持不變。

[1] Held W, Raab G, Schaller K-V, u.a. Innovative MAN Euro V motorisierung ohne abgasnachbehandlung[C]. 30. Internationales Wiener Motorensymposium, 2009.

[2] Kamm S. Partikel-und NOx-minderung durch Euro VI-nutzfahrzeuge[C]. Luftreinhalteplanung-Ma?nahmen gegen Feinstaub und Stickoxide, Augsburg, 2012.

[3] D?bereiner R, Kamm S, Neumayr K, u.a. Neue generation baufahrzeuge für abgasstandard Euro VI[J]. Sonderausgabe ATZ offhighway, 2013： 40-49.

[4] Rasantes Sparschwein[J]. Trucker, Oktober, 2014： 30-39.

2016-05-26)