一種重型貨車用新型柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)

【日】 菅野哲也 茨木邦和 清水隆治 安部栄一 堀內(nèi)裕史 佐野貴弘 山崎敏明

0 前言

近年來(lái)，為了滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，以及不斷降低燃油耗與提升駕駛性能的技術(shù)要求，針對(duì)重型貨車用柴油機(jī)而開(kāi)展的研發(fā)工作主要包括減少高速行駛工況所占的時(shí)間比例及采用發(fā)動(dòng)機(jī)小型化技術(shù)。而且，為了卓有成效地滿足上述要求，必須進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化及高功率化。圖1示出了日本本土大型貨車用柴油機(jī)的平均有效壓力（BMEP）的逐年變化。

圖1 日本重型貨車用柴油機(jī)小型化的發(fā)展趨勢(shì)

本文介紹了由日野汽車公司新開(kāi)發(fā)的可滿足2016年日本排放法規(guī)要求的重型貨車用全新A09C型柴油機(jī)設(shè)計(jì)理念及其采用的相關(guān)技術(shù)。

1 新型發(fā)動(dòng)機(jī)概況

表1示出了新型A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格，圖2示出了該型發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀。

表1 新型A09C發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

圖2 全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)

2 設(shè)計(jì)理念

2．1 兼顧低排放與高燃油經(jīng)濟(jì)性

為了充分滿足日本、美國(guó)、歐洲等地的最新排放法規(guī)要求，并實(shí)現(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，專門設(shè)計(jì)了能耐受較高燃燒壓力及較高熱負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

2．2 兼顧多樣性需求并提高生產(chǎn)率

作為發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，為了最大限度地實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，同時(shí)為了滿足各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的排放法規(guī)要求，燃油噴射系統(tǒng)、增壓器、EGR裝置、排放后處理系統(tǒng)等排放模塊零件均采用了更易于變更的結(jié)構(gòu)。

2．3 提高可靠性

為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)在各種使用工況下的可靠性并提升機(jī)油泵及水泵的流量穩(wěn)定性等，需著力改善其可靠性。

3 輸出功率及燃油耗

全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)型相比，其最大扭矩提高13%，而且由于改善了中、高轉(zhuǎn)速區(qū)的動(dòng)力性能，從而進(jìn)一步使扭矩提高6%（圖3）。

圖3 全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)與原A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線對(duì)比

并且，選用的差速器齒輪減速比較為合適，確保了與配裝有E13C型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型相比毫不遜色的動(dòng)力性能（圖4）。

圖4 配裝全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)與E13C發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛運(yùn)行性能比較

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的一大弊端是起動(dòng)性能較差，通過(guò)變速器的變速比以及差速器齒輪減速比的選定，確保其起動(dòng)性能得以顯著改善。

關(guān)于燃油耗，配裝有A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型，由于與具有12檔變速功能的自動(dòng)機(jī)械式變速器（AMT）相組合，其燃油耗比2015年度重型車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)改善達(dá)10%，配裝有A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型被列為了減少稅費(fèi)的車型之一，其汽車購(gòu)置稅、汽車質(zhì)量稅均減少達(dá)75%（圖5）。

圖5 燃油效率的比較

4 采用的技術(shù)

4．1 兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)

為力求提高BMEP，新型A09C發(fā)動(dòng)機(jī)采用了兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)（圖6），可以使發(fā)動(dòng)機(jī)從低轉(zhuǎn)速區(qū)域到高轉(zhuǎn)速區(qū)域均獲得較高的增壓壓力。

圖6 兩級(jí)渦輪增壓及旁通閥結(jié)構(gòu)

由于在高壓級(jí)、低壓級(jí)均采用了通用型渦輪，相比傳統(tǒng)的可變噴嘴式渦輪，削減了高溫下處于滑動(dòng)狀態(tài)的零件數(shù)量，隨著B(niǎo)MEP的提高，力求提高其耐受熱負(fù)荷的能力。此外，作為控制排氣流量的裝置，在高壓級(jí)與低壓級(jí)的渦輪之間，通過(guò)電子控制方式對(duì)旁通閥進(jìn)行無(wú)級(jí)控制。圖7示出了系統(tǒng)的示意圖。

圖7 全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)示意圖

高壓級(jí)、低壓級(jí)渦輪及其壓氣機(jī)的容量并不完全相同。如圖8所示，通過(guò)旁通閥的切換控制，壓氣機(jī)的壓力比在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域的高壓級(jí)和發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)域的低壓級(jí)的比例有所提高。相比單級(jí)渦輪的增壓方式，該切換控制能在更廣泛的轉(zhuǎn)速區(qū)域有效增加空氣量，使得利用負(fù)荷分散方式以提高可靠性成為了可能。

圖8 在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷中低壓級(jí)和高壓級(jí)的壓力比

排氣歧管與高壓級(jí)渦輪機(jī)殼的連接部分被設(shè)定為分離了1～3號(hào)氣缸與4～6號(hào)氣缸的雙入口結(jié)構(gòu)。如圖9所示，渦輪機(jī)殼內(nèi)的旁通回路也是在旁通閥前端進(jìn)行分離，因此，氣缸之間通常不會(huì)發(fā)生干涉，為此可回收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道的脈沖能，主要對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)低速工作區(qū)域的渦輪效率有較好的改善效果。

而且，在低壓級(jí)與高壓級(jí)之間，采用了全新的中冷器，隨著高壓級(jí)壓氣機(jī)入口溫度的降低，力求提高渦輪的可靠性與增壓系統(tǒng)的效率（圖10）。

圖9 高壓級(jí)渦輪機(jī)殼體

圖10 用于高壓級(jí)壓氣機(jī)的中冷器所起的作用

旁通閥（圖11）主要在工作氣體流量增加的發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速工況下工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)的中、低負(fù)荷工況下及發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況下處于完全關(guān)閉的狀態(tài)。在完全關(guān)閉狀態(tài)下所占的工作時(shí)長(zhǎng)比例較高（圖12）。這時(shí)來(lái)自旁通閥的泄漏量直接關(guān)系到渦輪工作氣體流量以及EGR率的降低，因此，減少泄漏量已成為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素。

圖11 旁通閥結(jié)構(gòu)

旁通閥由于可對(duì)大流量氣體進(jìn)行分流處理，因此通常會(huì)采用蝶式結(jié)構(gòu)。然而在復(fù)雜多變的使用環(huán)境下，由于熱膨脹導(dǎo)致密封部件之間的間隙變化較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)區(qū)域?qū)⑿孤┝恳种圃谧钚∠薅葍?nèi)通常是較為困難的。

圖12 旁通閥控制圖

因此，在使密封部件間隙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的同時(shí)，通過(guò)采用圖13所示的在機(jī)座面上裝入閥門的截?cái)嗫刂品绞剑瑢?shí)現(xiàn)了旁通閥的完全關(guān)閉，整個(gè)區(qū)域的泄漏量有所降低。

圖13 旁通閥全關(guān)閉控制

4．2 帶表面微凹網(wǎng)紋處理結(jié)構(gòu)的氣缸套

為了力求降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦損失，A05C型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)率先在氣缸套的內(nèi)圓面內(nèi)采用了微凹網(wǎng)紋處理工藝，新開(kāi)發(fā)的A09C發(fā)動(dòng)機(jī)上也采用了該工藝。由此，減少流體潤(rùn)滑區(qū)域的滑動(dòng)面積，緩解了由于機(jī)油的分散流動(dòng)而導(dǎo)致的摩擦現(xiàn)象（圖14）。

4．3 提高水泵的冷卻水量

為適應(yīng)高功率化，在不改變水泵外徑尺寸的前提下，通過(guò)使水泵葉片形狀最佳化，在提高帶輪傳動(dòng)比的同時(shí)，冷卻水量提高達(dá)10%左右（圖15）。

4．4 排氣后處理裝置

繼續(xù)采用柴油機(jī)排氣微粒減少裝置（DPR）＋帶尿素噴射的選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR），由于SCR的容量提升及其催化劑的改良，使尿素消耗量被抑制在最小限度以內(nèi)，并且力求提高氮氧化物（NOx）的處理效果，滿足了相關(guān)排放法規(guī)要求。圖16示出了DPR＋帶尿素噴射SCR消聲器的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖14 微凹網(wǎng)紋處理的詳細(xì)說(shuō)明［1］

圖15 現(xiàn)有水泵與全新水泵之間葉片形狀的比較

圖16 DPR及SCR消聲器的布置

在不改變消聲器外觀形狀的條件下可使催化劑的配置最佳化，相比于以往SCR的容量得到了相應(yīng)提升。

在SCR催化劑的改良過(guò)程中，由于傳統(tǒng)型催化劑在高溫區(qū)域的凈化效果較差，因此，采用了從低溫區(qū)域到高溫區(qū)域可以獲得具有較高凈化性能的新型催化劑（圖17）。

圖17 SCR催化劑的特性曲線

5 結(jié)語(yǔ)

全新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的A09C型柴油機(jī)已配裝于日野汽車公司開(kāi)發(fā)的名為“Profia”的重型貨車上。今后仍將持續(xù)開(kāi)展市場(chǎng)調(diào)研，征求客戶的意見(jiàn)與建議，謀求進(jìn)一步提高該款發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及可靠性。