輕型貨車用3.0 L柴油機的開發(fā)

早崎綱記 松崎智美 亀井孝彥

2018年，ISUZU 發(fā)動機股份有限公司開發(fā)出了4JZ1型柴油機，用于替換自2007年開始配裝于ELF系列貨車的4JJ1機型。新款4JZ1機型可有效滿足2016年的日本國內(nèi)排放法規(guī)及燃油耗標(biāo)準(zhǔn)，并且可滿足市場對新型發(fā)動機的各種要求。除沿用了4JJ1機型的尺寸，4JZ1型發(fā)動機在性能、結(jié)構(gòu)、布局設(shè)計，以及緊耦合后處理系統(tǒng)等方面都有所改進。介紹了該款發(fā)動機所采用的主要技術(shù)及相關(guān)特點。

熱力發(fā)動機;柴油機;性能;燃油經(jīng)濟性;效率

0?前言

近年，在汽車動力系統(tǒng)中，混合動力汽車（HEV）及純電動汽車（EV）等新能源汽車所占市場份額正與日俱增。但是對于貨車而言，仍面臨著提升續(xù)航里程、改善電池質(zhì)量及優(yōu)化貨架安裝空間等多項問題，因此，部分研究人員認為今后貨車所采用的動力裝置仍將以具有優(yōu)異環(huán)保性能的高效率柴油機為主。

五十鈴汽車公司所開發(fā)的4JZ1型發(fā)動機，以五十鈴公司新一代柴油機“D-CORE”開發(fā)理念為基礎(chǔ)，進一步追求高效率化，力求實現(xiàn)更高的環(huán)保性和經(jīng)濟性。另外，研究人員通過全面優(yōu)化基本結(jié)構(gòu)部件，并在發(fā)動機上安裝柴油機顆粒凈化裝置（DPD），同時利用廢氣再循環(huán)（EGR）控制及選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，滿足了2016年排放法規(guī)的要求，大幅提高了產(chǎn)品競爭力。本文將對這些技術(shù)進行重點介紹。

1?開發(fā)目標(biāo)

為全面滿足貨車需求，研究人員對4JZ1型發(fā)動機進行了以下幾方面的改良。

（1）同時實現(xiàn)低排放與高燃油經(jīng)濟性;

（2）實現(xiàn)貨車最佳封裝設(shè)計;

（3）在提高耐久性和可靠性的同時，確保整機工作性能;

（4）提高整機可維修性，并降低運行成本。

2?發(fā)動機主要部件

圖1為4JZ1型發(fā)動機的外觀，圖2為其性能曲線。4JZ1型發(fā)動機主要部件與配套車型及動力性能無關(guān)，均采用了通用性較高的參數(shù)。表1對比了4JJ1型發(fā)動機和4JZ1型發(fā)動機的主要部件。

4JZ1型發(fā)動機的輸出功率目前已提升至129 kW，相比4JJ1型發(fā)動機有所增加。同時，4JZ1型發(fā)動機在1 450～2 860 r/min轉(zhuǎn)速工況下可輸出較為均勻的扭矩，從而改善了操作便捷性和整機加速性，可滿足大部分高負荷及高速運行工況下的動力需求。

4JZ1型發(fā)動機在實現(xiàn)了低速化的同時，引入了起動輔助控制裝置。研究人員通過對起動性能及低速工況進行改善，相應(yīng)提高了整機燃油經(jīng)濟性，并采用了電控可變噴嘴渦輪增壓器。

3?采用技術(shù)

3.1?同時滿足低排放與高燃油經(jīng)濟性

4JZ1型發(fā)動機為滿足2016年排放法規(guī)，采用了SCR系統(tǒng)。研究人員修正了其排放優(yōu)化策略，又通過調(diào)整壓縮比，改善燃燒室形狀（圖3）、噴油嘴樣式及噴油系統(tǒng)，從而使該機型實現(xiàn)了少量多次噴油及高壓噴油過程，同時縮短了噴油間隔，并通過計算機輔助工程（CAE）和臺架試驗進行了雙重驗證。

為適應(yīng)缸內(nèi)壓力，提高燃燒效率，并改善整機耐久性、可靠性和振動噪聲性能，研究人員對氣缸體、氣缸蓋、曲軸等發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)件進行了改進，同時采用了可滿足未來基本性能需求，并兼具高可靠性和高耐久性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。面對缸內(nèi)高壓化后摩擦現(xiàn)象發(fā)生頻次的不斷增加，研究人員分別對運動機構(gòu)、氣門機構(gòu)及相關(guān)附屬機構(gòu)進行了摩擦測定，同時采用了可降低摩擦的最佳方案。該方案包括：優(yōu)化凸輪軸軸承尺寸，在活塞裙部鍍覆涂層，以及在暖機時采用可提高油溫的恒溫器等。研究人員通過測量單個部件及系統(tǒng)的摩擦，對所采取的措施及相應(yīng)效果進行了驗證。其他降低油耗的措施還包括：（1）在活塞頂面采用耐蝕鋁進行隔熱處理以降低熱損失;（2）改良凸輪型線以提高中、低轉(zhuǎn)速工況下的體積效率。

4JZ1型發(fā)動機的噴油系統(tǒng)首次采用了i-ART系統(tǒng)。如圖4所示，研究人員通過在噴油器中設(shè)置油壓傳感器，可實現(xiàn)對單個噴油器噴油時間及噴油量的精確測量，并進行實時反饋修正。利用這個系統(tǒng)，4JZ1型發(fā)動機可實現(xiàn)多次噴油并提高噴油精度，同時改善了發(fā)動機性能，如圖5所示。另外，通過使發(fā)動機在冷卻狀態(tài)下進行后噴油，實現(xiàn)了SCR系統(tǒng)的早期升溫過程（圖6）。

排氣后處理系統(tǒng)外觀如圖7所示。為滿足最新的排放法規(guī)要求，研究人員采用了SCR系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)設(shè)置在車箱下部空間中。同時，研究人員通過采用低溫時活性優(yōu)異的Cu SCR催化劑，提高了冷機工況下氮氧化物（NOx）的凈化效率。為確保尿素均勻擴散并提高NOx凈化率，研究人員在排氣管內(nèi)布設(shè)了配備有碰撞板的混合管，通過碰撞板可使尿素水溶液微?；瑢崿F(xiàn)了氨氣的高效生成過程。與4JJ1型發(fā)動機后處理裝置所配備的尿素水溶液混合室相比，4JZ1型發(fā)動機在具有較好擴散性的同時，體積縮小了約50%，同時確保了安裝的便利性。下文將會對DPD進行詳細介紹。

為提高發(fā)動機運行狀態(tài)及環(huán)境條件變化時NOx排放的穩(wěn)定性，在EGR系統(tǒng)控制方面，研究人員采用了模型基控制方法。該控制方法具有以下2種功能：

（1）利用模型推算發(fā)動機狀態(tài)量（NOx濃度、缸內(nèi)O2濃度、EGR流量等）;

（2）利用傳感器測量值，修正（1）中所推算出的狀態(tài)量，并對差分學(xué)習(xí)的功能進行研究。

相對于以往利用目標(biāo)進氣量以反饋修正EGR流量的控制方法，功能（1）利用推算出的NOx排放量作為直接控制對象，并決定了EGR流量，因此發(fā)動機在處于變化工況時，NOx排放穩(wěn)定性更為優(yōu)異。在功能（2）中，研究人員利用傳感器測量值修正狀態(tài)量精度，當(dāng)傳感器出現(xiàn)響應(yīng)延遲時，則利用學(xué)習(xí)值修正過的狀態(tài)量實現(xiàn)相互補充，通過這種循環(huán)以維持穩(wěn)定的排放性能。

另外，初次在小型商用車上應(yīng)用排氣門正時相位可變機構(gòu)時，研究人員通過在冷卻狀態(tài)下設(shè)置排氣門正時進角（提前打開，提前關(guān)閉），并利用殘留廢氣實現(xiàn)內(nèi)部EGR，降低CO及碳氫化合物（HC）排放，同時通過早期暖機以提高加熱器性能。通過以上技術(shù)，有效提高了“2015年重型車燃油耗基準(zhǔn)”的達標(biāo)率。根據(jù)內(nèi)部的評估模型，并結(jié)合車輛在市內(nèi)運行的聯(lián)合行駛模式，使整車實際燃油耗可降低約8%（圖8）。

3.2?最適合小型商用車的封裝設(shè)計

當(dāng)貨車采用SCR系統(tǒng)時，往往會面臨系統(tǒng)安裝位置侵占貨架安裝空間的問題。一直以來，在搭載SCR系統(tǒng)的ELF型貨車中，DPD和SCR系統(tǒng)以S型形成一體化裝置，并布置于車架右側(cè)。當(dāng)該系統(tǒng)在車體較小，結(jié)構(gòu)變化較多的日本國內(nèi)貨車中進行推廣時，由于配備了橫梁車架等構(gòu)件而無法正常安裝貨架的車型，約占特殊貨架車型的50%以上。為解決該問題，研究人員從維持整車性能的角度出發(fā)，在小型商用車中首次采用了將DPD布置于發(fā)動機附近的技術(shù)方案。通過該布置方式，可以在不降低貨架安裝性能的同時，使排氣后處理裝置充分發(fā)揮功用。

研究人員如需貼近發(fā)動機安裝DPD，應(yīng)保證發(fā)動機右側(cè)排氣側(cè)具有足夠的空間。在以往車型中，此處多用于安裝以渦輪增壓器為主的排氣系統(tǒng)部件、交流發(fā)電機及冷卻風(fēng)扇等大型輔助機械設(shè)備。4JZ1型發(fā)動機的交流發(fā)電機及冷卻風(fēng)扇則被移至左側(cè)進行安裝。同樣，以往布設(shè)于發(fā)動機左前方的供油泵、動力轉(zhuǎn)向泵等附屬機構(gòu)與正時機構(gòu)一起移至發(fā)動機后側(cè)進行安裝。該類方案徹底改變了發(fā)動機附屬機構(gòu)的布置方式，并確保了DPD的布置效果和貨架的可安裝性（圖9）。

為使DPD可充分貼近發(fā)動機進行安裝，研究人員為其選用了扁平式截面結(jié)構(gòu) ，并將過濾器材料從堇青石換成了形狀自由度較高的SiC，同時保持其體積不變。研究人員在對其進行布置時，除對提高結(jié)構(gòu)強度及降低噪聲等方面進行了充分研究之外，還逐步提高了其可維修性，并對DPD裝卸路徑的固定位置及固定方法進行了優(yōu)化。

3.3?提高可靠性、耐久性并確保工作性能

與轎車相比，商用車的運行環(huán)境更為嚴苛，因此要求發(fā)動機具有更長的使用壽命。此次改良不僅要最大限度保證車輛工作性能，還要求其在同級別車輛中具有更為優(yōu)異的可靠性和耐久性。

氣缸體采用了具有較高剛度、且噪聲-振動-平順性（NVH）較為優(yōu)異的長活塞裙結(jié)構(gòu)。研究人員將缸體周邊的部件數(shù)量從原來的6個減為4個，減少了部件數(shù)量（圖10），并通過CAE工具，充分實現(xiàn)了高強度及輕量化的設(shè)計目標(biāo)，強度分析示例如圖11所示。同時，研究人員通過增加氣缸蓋螺栓尺寸，提高軸向力，以應(yīng)對較高的缸內(nèi)壓力。由于軸向力的提高使缸套面臨著變形的風(fēng)險，若不增加活塞環(huán)數(shù)量，可能進一步導(dǎo)致竄氣現(xiàn)象的發(fā)生。研究人員通過更改氣缸蓋螺栓配置，并將氣缸蓋螺栓的螺母從缸套壁分離，同時在氣缸體上進行了一些處理，使缸套不易發(fā)生變形，從而使缸套高級變形量降低約35%（圖12）。

傳統(tǒng)氣缸蓋通常采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，4JZ1型發(fā)動機則改用了具有更高剛度及更長使用壽命的鑄鐵材料。另外，研究人員考慮到缸蓋底面的冷卻性能、可靠性及耐久性，從而采用了兩級水套結(jié)構(gòu)（圖13）。從缸體流入缸蓋的冷卻水，流經(jīng)溫度較高的排氣側(cè)，可實現(xiàn)對缸蓋的高效冷卻。下段水套則獨立布置在各氣缸之間，從排氣側(cè)橫向流經(jīng)進氣側(cè)，可實現(xiàn)對氣缸下部的有效冷卻（圖14）。研究人員的設(shè)計理念是在減小熱損失的同時，使其對燃油耗的影響降至最低。同時，研究人員還利用CAE工具調(diào)整發(fā)動機規(guī)格參數(shù)并進行驗證，可大幅減少實機試制次數(shù)及更改設(shè)計工序，從而有助于提高開發(fā)效率。

在活塞開發(fā)過程中，研究人員通過改善冷卻回路冷卻液流動過程并優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，以此降低活塞溫度。在對活塞進行溫度測量時，真實再現(xiàn)了實車運行時的油溫和水溫，驗證了其降溫效果。根據(jù)上文所述，為使DPD安裝位置更靠近發(fā)動機，研究人員將正時鏈從發(fā)動機前方移到了后方，并替換了之前的齒鏈驅(qū)動系統(tǒng)，從而采用了具有更高可靠性及耐久性的齒輪驅(qū)動系統(tǒng)（圖15）。

由于噴油器及DPD等功能部件的性能惡化對DPD再生性能穩(wěn)定性影響較大，因此利用上文所述的噴油反饋系統(tǒng)，消除了噴油量隨時間惡化的影響。研究人員通過在貼近發(fā)動機的位置安裝DPD，可以提高DOC的進口溫度。抑制碳煙堆積往往會導(dǎo)致DOC的堵塞現(xiàn)象，通過采用該方式，即使部件性能惡化，也能實現(xiàn)與新產(chǎn)品相同的DPD再生性能。研究人員通過采用SiC濾清器材料，增加了顆粒物（PM）過濾量，延長了再生間隔，并改善了應(yīng)用效果。

3.4?提高可維修性，降低運行成本

研究人員的開發(fā)目標(biāo)之一是通過控制維修費用以降低運行成本，并為此采用了新技術(shù)。為延長機油更換周期，研究人員設(shè)定了機油劣化預(yù)估邏輯（圖16）。該邏輯即為利用發(fā)動機控制器計算行駛距離和行駛時間對潤滑油劣化的影響值，并在得出機油劣化結(jié)論后，及時通知駕駛?cè)藛T。利用這一功能，可根據(jù)機油劣化程度，使機油更換周期從以前的20 000 km（固定值，嚴苛工作條件除外），延長到了40 000 km。在輔助皮帶驅(qū)動系統(tǒng)中，研究人員通過采用彎曲式輔助驅(qū)動系統(tǒng)，并采用自動張力器，將以往的2根皮帶替換為1根皮帶，縮短了皮帶尺寸，并去掉了重新張緊步驟。由于皮帶始終處于恰當(dāng)?shù)膹埩l件下，在免維修的同時，還有助于確保穩(wěn)定的使用壽命。以往機型可根據(jù)配套車輛的驅(qū)動方式，通過曲軸箱及油底殼等大型部件對發(fā)動機規(guī)格參數(shù)進行劃分。在新機型中，研究人員通過改良發(fā)動機布置方式，并統(tǒng)一發(fā)動機規(guī)格參數(shù)，從而實現(xiàn)了進一步優(yōu)化。

4?生產(chǎn)能力及管理方式介紹

4JZ1型發(fā)動機在五十鈴公司的櫪木新工廠內(nèi)進行生產(chǎn)（圖17）。該工廠為智能化工廠，研究人員通過靈活應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，實現(xiàn)了完善的品質(zhì)管理及群組管理的生產(chǎn)方式。該生產(chǎn)方式在提高了生產(chǎn)效率的同時，也可改善工作人員的作業(yè)環(huán)境。不僅如此，研究人員還有效強化了追蹤管理，可根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的運行信息對內(nèi)部產(chǎn)品可能發(fā)生的故障進行有效預(yù)測，從而實現(xiàn)集中管理。

5?結(jié)論

4JZ1型發(fā)動機已于近期開始量產(chǎn)，其作為ELF型貨車的核心部件，目前仍有進一步優(yōu)化的空間。今后，研究人員將對整車排放進行進一步改良，以此滿足未來的重型車油耗基準(zhǔn)。