新型6R20和6S10商用車發(fā)動機的開發(fā)

【日】 松本祐介 田中敦 藤野豊 小林弘晃 加藤利治

0 前言

近年，隨著全球商業(yè)化進程加快，大型貨物運輸量也在逐年增加，為此多國政府部門致力于提高大型商用車的運輸效率。由于經濟活動及日常生活所需貨物多通過貨車進行運輸，因此社會各界對于提高貨車燃油經濟性及環(huán)保性能的需求也日益強烈。

在該背景下，2017年5月，三菱扶桑卡客車公司為應對2016年頒布的排放法規(guī)，推出了Super Great及Aero Queen 2款車型。研究人員對原有的12.8 L發(fā)動機進行小型化改良后，推出了排量分別為10.7 L及7.7 L的2款機型，并使2款發(fā)動機質量分別減少150 kg與500 kg。研究人員通過采用新技術，使2款新機型在具有較高環(huán)保性能的基礎上，同時實現了同級別機型中的最高動力性能和最佳燃油經濟性(圖1)。

圖1 新型發(fā)動機所采用的技術

本文介紹了新開發(fā)的6R20機型及6S10機型中所采用的新技術。

1 機型介紹

為適應全球化發(fā)展進程，發(fā)動機基本結構應通過設計優(yōu)化，從而可與各種車型進行匹配。除滿足歐6及EPA10排放法規(guī)外，研究人員還通過日本國內及全球各種環(huán)境下的行駛條件對車輛進行評估，從而使車輛獲得了較高的可靠性(圖2)。根據配套用途不同，6R20機型共有4種不同功率的設計方案。6S10機型則針對貨車、拖拉機及城市客車等不同用途，共有2種不同功率的設計方案(圖3)。

圖2 同一款發(fā)動機配套車型的情況

圖3 發(fā)動機輸出功率的變化

2款發(fā)動機的主要參數對比如表1所示，發(fā)動機性能曲線如圖4所示，發(fā)動機性能對比如圖5所示。2臺發(fā)動機都沿用了原機型的高增壓及高EGR技術理念。6R20發(fā)動機通過采用新型噴油系統(tǒng)和新型專用增壓器，成為日本國內大型商用車發(fā)動機中平均有效壓力數值最高的機型。另外，該機型通過采用新型EGR系統(tǒng)，取消了廢氣閥，簡化了結構，實現了輕量化，并有效提高了整機可靠性。6S10發(fā)動機通過采用兩級渦輪增壓器，同時實現了發(fā)動機的快速響應性與工作區(qū)域內平穩(wěn)的扭矩特性，并使升功率指標超過了6R20機型。通過以上措施，使發(fā)動機在實現小型化的同時，也有著優(yōu)越的動力性能。

表1 6R20機型與6S10機型的參數對比

圖4 發(fā)動機性能曲線

圖5 發(fā)動機性能對比

2 6R20機型采用的新技術

2.1 新型噴油器“第2代X-Pulse”

研究人員可通過改變X-Pulse噴油器的噴油壓力，進而改變噴油過程中的噴油率(圖6)。新型噴油器噴嘴頂端的最高壓力可以達到270 MPa，通過對燃油噴霧的細化處理并縮短燃燒時間，可有效提高燃燒效率。增壓活塞能在每個噴油循環(huán)中對增壓率進行精確控制，使其具有優(yōu)異的瞬態(tài)響應性，并可有效改善高負荷工況下的燃燒效率，抑制低空燃比燃燒時的碳煙排放過程。由于減少了噴油器積垢，也改善了噴油器的可靠性和耐久性。

圖6 新型“第2代X-Pluse”噴油器

2.2 非對稱渦輪增壓器

非對稱渦輪增壓器的特征是采用了非對稱渦殼，配合新型專用EGR系統(tǒng)，可同時實現高增壓和高EGR率。研究人員通過優(yōu)化渦輪容積，取消廢氣門，并簡化結構的同時，提高了發(fā)動機可靠性，并實現了發(fā)動機的輕量化目標(圖7)。

圖7 非對稱渦輪增壓器

2.3 采用新型EGR系統(tǒng)

該款新型EGR系統(tǒng)可在EGR閥全開時，將1～3缸的排氣全部回流至進氣側(圖8)。通過這1功能，同時實現了高增壓與高EGR率。另外，通過修改EGR閥安裝位置，減少排氣歧管無效容積，可降低壓力損失，并改善其控制性能。

圖8 新型EGR系統(tǒng)

2.4 利用不對稱噴油控制排氣溫度

不對稱噴油是通過改變發(fā)動機1～3氣缸及4～6氣缸的噴油率，改變泵氣損失，從而控制排氣能量的方法。一般情況下，改變噴油正時延遲時間并采用后噴油等策略都可有效增加排氣能量，但是可能導致油耗增加。研究人員通過采用不對稱噴油方式，可在抑制油耗的同時，進一步增加排氣能量。

圖9給出了針對不對稱噴油現象的控制方法。在發(fā)動機的6個氣缸中，減少1～3缸的噴油量，增加4～6缸的噴油量，配合應用新型EGR閥，可在控制排氣流量且抑制油耗的同時，增加排氣能量。

圖10給出了進行不對稱噴油時的噴油分配比例與相應的排氣溫度增加效果，以及在過渡工況下排氣溫度增加的效果。不對稱噴油可應用于寬廣的工況范圍內，在過渡運行工況下，也可使排氣溫度穩(wěn)定升高。

圖9 不對稱噴油控制方法

圖10 不對稱噴油控制范圍及排氣溫度增加效果

2.5 新型后處理裝置

為改善低溫工況下NOx的凈化效率，采用了Cu-Fe沸石SCR系統(tǒng)。通過改變DPF涂層，改善了碳煙的連續(xù)再生性能[1]。

研究人員將后處理系統(tǒng)設計為催化劑與濾清器并存的2個系統(tǒng)，可大幅降低后處理裝置中的壓力損失，同時新采用了不通風的AdBlue噴射裝置。因此，在實現高NOx凈化率的同時，由于降低了排氣阻力，燃油消耗率也得到了較大改善(圖11)。

圖11 6R20機型專用后處理系統(tǒng)

3 6S10機型采用的新技術

3.1 采用新型共軌系統(tǒng)

6S10機型采用了最大噴油壓力為240 MPa的共軌噴油系統(tǒng)。電磁閥機構可實現最多5次的獨立噴油過程。通過多次噴油，在外界溫度極低的情況下，也可在無進氣預熱的情況下順利起動。新開發(fā)的燃燒系統(tǒng)，可在大幅改善燃燒效率的同時，降低廢氣排放。

3.2 采用兩級渦輪增壓器

針對該兩級渦輪增壓系統(tǒng)，研究人員通過優(yōu)化高壓級及低壓級壓氣機設計，取消了高壓級及低壓級之間的中冷器。同時，研究人員在高壓級渦殼中設置了廢氣閥，根據發(fā)動機負荷狀態(tài)快速控制增壓壓力，使發(fā)動機可在廣闊工作范圍內實現穩(wěn)定運行(圖12)。

圖12 兩級渦輪增壓器

3.3 可變氣門正時系統(tǒng)

在日本國內，日本三菱扶?？蛙嚬臼状沃匦略谏逃貌裼蜋C中采用了可變氣門正時系統(tǒng)。通過在排氣凸輪軸上安裝液壓調節(jié)器，使氣門最大角度可達到65°。因此，在DPF進行再生處理時，前期催化劑活性氧化時間得以大幅縮短。

3.4 采用結構緊湊的發(fā)動機制動系統(tǒng)

研究人員通過采用壓縮釋放制動器，可有效確保車輛的制動要求(圖13)。發(fā)動機制動裝置結構緊湊，對進排氣門尺寸及布置不會產生不良影響，并且降低了發(fā)動機總體高度。研究人員通過設計優(yōu)化，使發(fā)動機制動系統(tǒng)能與增壓器廢氣閥及EGR閥實現反饋聯(lián)合控制，從而可向駕駛人員提供穩(wěn)定而合適的制動力。

圖13 發(fā)動機制動系統(tǒng)

3.5 新型后處理裝置

與6R20機型后處理裝置一樣，為提高低溫活性，采用了Cu-Fe沸石SCR系統(tǒng)。為實現該系統(tǒng)的輕量化，研究人員將DPF和SCR合并為同一個系統(tǒng)，并對性能和質量進行了優(yōu)化(圖14)。

圖14 6S10機型專用后處理系統(tǒng)

4 結語

本文介紹了可滿足2016年排放法規(guī)的2種新機型。相比傳統(tǒng)機型，這2種新機型均采用了小型化技術，并大幅提高了車輛運輸效率，而一系列新技術的應用，不僅提高了車輛環(huán)保性能，同時改良了整機動力性與燃油經濟性。根據“2015年重型車燃油經濟性標準”，貨車燃油經濟性提高了10%，城市客車燃油經濟性提高了15%，為顧客提供了大幅降低油耗及稅費的便利。

今后，面向全球市場，三菱扶?？蛙嚬具€將進一步利用規(guī)模優(yōu)勢，針對日本國內而開發(fā)全新對標產品，持續(xù)推進車輛及發(fā)動機技術的發(fā)展進程。

張冬梅 譯自 自動車技術,2019，73(9)

伍賽特 編輯

(收稿時間：2020-03-26)