關(guān)于小型卡車用高效、清潔型柴油機的開發(fā)方案設(shè)計

近年來，溫室(效應(yīng))氣體排放造成的危害被廣泛關(guān)注，其中CO2是溫室氣體的主要成分。此外，礦物燃料資源有限且供應(yīng)及價格受世界政治形勢影響，對于商用車而言，燃油對于運輸費用的影響極大。包括日本在內(nèi)的先進(jìn)國家，混合動力車(HEV)、電動汽車等高價商用車仍未廣泛普及，柴油機依然是主要的商用車發(fā)動機。在此背景下，五十鈴汽車公司針對柴油機的進(jìn)一步高效化展開研究，致力于開發(fā)兼顧環(huán)境性能與經(jīng)濟(jì)性能的柴油機，為低碳社會做出貢獻(xiàn)。為滿足2007年的新長期排放法規(guī)要求，小型卡車用發(fā)動機總排量由4.8 L降為3.0 L，實現(xiàn)了小型化，用于2～3 t的裝載車輛，燃油耗等級首次達(dá)到了2015年度大型車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。今后可在不損害使用方便性的前提下，達(dá)到后新長期排放法規(guī)(PNLT)要求，且無需使用氮氧化物(NOx)后處理裝置。相比于傳統(tǒng)型發(fā)動機，新型發(fā)動機改善了排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，本文介紹了其采用的先進(jìn)技術(shù)及概況。

1開發(fā)目標(biāo)

相比傳統(tǒng)型發(fā)動機，新型4JJ1-TCS發(fā)動機以燃燒優(yōu)化技術(shù)、電子控制技術(shù)和后處理技術(shù)為核心，進(jìn)一步發(fā)展了五十鈴公司獨有的“D-CORE”技術(shù)，并圍繞以下幾個目標(biāo)進(jìn)行了開發(fā)：(1)頂級水平的低燃油耗；(2)全車型用發(fā)動機系列取得低排放車輛認(rèn)證；(3)頂級水平的靜音性。

2發(fā)動機概況

發(fā)動機外觀如圖1所示。新型發(fā)動機采用了較低的壓縮比和新型燃油噴射裝置，并改進(jìn)了排氣后處理裝置，降低了摩擦并試圖大幅度改善燃油經(jīng)濟(jì)性及降低排放。表1列出代表車輛(排氣為T2類型)的主要技術(shù)規(guī)格，其性能曲線見圖2。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1 壓縮比的最佳值

為了獲得全車型用發(fā)動機系列的低排放認(rèn)證NOx和顆粒物(PM)排放比PNLT法規(guī)限值低10%)，以進(jìn)一步降低NOx排放為目標(biāo)改進(jìn)了活塞壓縮比。

通過計算流體動力學(xué)(CFD)計算，根據(jù)燃燒形態(tài)采取了多種對策，以同時降低NOx和PM排放，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，采用了比原機型更低的壓縮比(圖3)，由此實現(xiàn)稀薄燃燒，同時降低燃燒溫度以降低NOx排放量。另外，得益于噴射時刻及多次噴射優(yōu)化，以及與燃燒室形狀的匹配，同時達(dá)到了改善燃油經(jīng)濟(jì)性的要求。

關(guān)于低溫起動性，得益于火花塞的改進(jìn)及引導(dǎo)噴射的優(yōu)化，確保了更佳的低溫起動性。

3.2 燃油噴射系統(tǒng)

為改善燃油經(jīng)濟(jì)性，采用了新的電磁閥式噴油器(G4S)。G4S得益于電磁閥的小型化，在噴油嘴正上方配置控制腔，從而取消了指令活塞，大幅度地削減了滑動部位面積。而且，由于控制腔的控制閥結(jié)構(gòu)的改變(由雙通閥→改為三通閥)，G4S噴油器的理論靜態(tài)燃油泄漏量為零，使大幅降低噴油器的燃油泄漏量成為可能(圖4、圖5)。

其結(jié)果使供油泵的平均驅(qū)動扭矩降低約40%，極大地促進(jìn)了對發(fā)動機燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。同時也可防止沉積物或雜質(zhì)混入系統(tǒng)滑動部位，提高了噴油系統(tǒng)零件的可靠性。

3.3 降低摩擦

為降低摩擦以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行了活塞環(huán)與動力轉(zhuǎn)向泵的改良?；钊h(huán)方面，將第2道環(huán)變更為沉割環(huán)(外階梯形環(huán))，緩解了潤滑油缺乏問題，由此使油環(huán)的張力降低25%，避免了機油消耗惡化現(xiàn)象，實現(xiàn)了燃油經(jīng)濟(jì)性的改善(圖6)。

另外，采用可變?nèi)萘啃蛣恿D(zhuǎn)向泵，在中速和高速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無浪費供油，以降低燃油耗。

3.4 排氣后處理裝置

為了進(jìn)一步降低燃油耗，增加DPD的容量，以延長DPD過濾器的再生周期。考慮車輛上DPD的配裝空間，設(shè)定了過濾器容量最小限度的增加量(表1)。另一方面，改進(jìn)了過濾器基體材料結(jié)構(gòu)，增加了過濾器每單位體積的PM堆積量。過濾器基體材料結(jié)構(gòu)具體的變更內(nèi)容見圖7。由于將過濾器基體材料結(jié)構(gòu)設(shè)定為非對稱網(wǎng)格，在PM的捕集中，伴隨運行時間延長及排氣壓力上升，發(fā)動機油燃燒灰分的積累抑制了排氣壓力的上升，能夠確保長時間內(nèi)穩(wěn)定的再生周期。另外，由于PM堆積量增加導(dǎo)致強迫再生時的熱應(yīng)力上升，采用了分散應(yīng)力的結(jié)構(gòu)以確保更優(yōu)異的可靠性。

在市區(qū)內(nèi)的零星貨物運送(行駛距離短，且發(fā)動機頻繁起動和停止)方面，由于排氣溫度低，再生時間長，容易導(dǎo)致燃油耗惡化。另外，過濾器的再生時間一般隨PM堆積量增加而延長。而新型DPD過濾器不是單純地增加符合DPD基體材料結(jié)構(gòu)能力的PM堆積量，而且通過以下優(yōu)化確保了其更佳的方便性和可靠性：(1)提高DPD本體的再生性能，并結(jié)合再生升溫控制改良，以維持穩(wěn)定的再生溫度(圖8)。(2)合理設(shè)定PM堆積量，保證即便在排氣溫度低的狀況下再生時間也不會延長。

結(jié)果表明，雖然每一次的再生的時間和燃油消耗有所增加，但由于再生間隔延長，單位里程的再生燃油消耗量改善了30%(圖9～10)。

3.5 增壓系統(tǒng)

本發(fā)動機配裝包括2臺渦輪增壓器的轉(zhuǎn)換式兩級渦輪增壓系統(tǒng)。系統(tǒng)由小容量的高壓級渦輪與大容量的低壓級渦輪構(gòu)成。為控制二級渦輪增壓器，進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)分別設(shè)置旁通閥。該系統(tǒng)在低速-中速運行區(qū)域轉(zhuǎn)換為二級增壓，而在中速-高速運行區(qū)域則轉(zhuǎn)換為單級增壓。在發(fā)動機整個運行區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高增壓化。由此，使在整個運行區(qū)域采用高廢氣再循環(huán)(EGR)率成為可能，提高了發(fā)動機的原機排放性能。增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及動作狀態(tài)見圖11和圖12。對高壓級渦輪及低壓級渦輪的規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化，使其工作點處在渦輪高效運轉(zhuǎn)區(qū)域。

而且，新型增壓系統(tǒng)改進(jìn)了渦輪容量，改善了響應(yīng)性，并重新評價了增壓特性。結(jié)果表明在二級增壓區(qū)域增壓壓力上升，具有提高燃油經(jīng)濟(jì)性及利用高EGR率進(jìn)一步降低NOx排放的潛力?？勺?nèi)~輪單渦輪增壓器規(guī)格發(fā)動機(滿足新長期排放法規(guī))、原兩級渦輪增壓器規(guī)格發(fā)動機和新型發(fā)動機的排放代表點的性能差異見圖13。

3.6 靜音性能

對發(fā)動機進(jìn)行了低噪聲改進(jìn)。相比原發(fā)動機，新型發(fā)動機采用了低壓縮比活塞，利用優(yōu)化的噴射控制降低燃燒噪聲，并改進(jìn)了隔音罩形狀等，使其在噪聲特別大的怠速及低速行駛工況下噪聲級得到了明顯的改善(圖14)。

噪聲性能與排放和燃油耗存在矛盾，恰當(dāng)?shù)仄胶膺@一矛盾能夠減輕發(fā)動機的環(huán)境負(fù)荷。關(guān)于怠速運轉(zhuǎn)噪聲，在噪聲級的評價及五十鈴公司獨有的描述柴油機音質(zhì)的評價指數(shù)均表明，怠速運轉(zhuǎn)音質(zhì)也得到了改善，獲得高的評價(圖15)。

利用上述改進(jìn)技術(shù)，使新開發(fā)的柴油機在全車型用發(fā)動機型譜(系列)范圍獲得低排放認(rèn)證，同時在發(fā)動機整個運行區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。尤其是在實用運轉(zhuǎn)區(qū)域(低、中負(fù)荷)下，燃油耗可改善4%～6%(圖16)。這種燃油耗的改善，可使2015年大型車燃油耗基準(zhǔn)值比以往提高1個等級，而對于采用怠速停止系統(tǒng)(ISS)的車輛，燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)一步提高1個等級(改善10%)。

綜上所述，新開發(fā)的柴油機通過降低排放和噪聲以提升其“環(huán)境性能”，大幅度降低燃油耗以改善“經(jīng)濟(jì)性能”，充分滿足商用車需求，能夠投放到全球市場。

4結(jié)語

隨著對環(huán)境性能要求的提升及礦物燃料價格持續(xù)上升，對商用車發(fā)動機性能的要求會越來越高。特別是小型卡車用發(fā)動機為滿足多種多樣的規(guī)格要求及降低成本的需求，進(jìn)一步提高柴油機效率是必然的。