關(guān)于MAN新一代15.2 L柴油機性能分析

摘要 MAN公司為商用車開發(fā)了1款全新高功率D38柴油機。這款15.2 L的直列6缸發(fā)動機可提供520 hp 和560 hp的動力，也可為重型牽引車提供640 hp的動力。該發(fā)動機主要設(shè)計理念包括極高的爆發(fā)壓力、帶級間中冷的雙級渦輪增壓系統(tǒng)、噴射壓力高達250 MPa的共軌燃油噴射系統(tǒng)、雙級廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，以及1種更加強勁的發(fā)動機制動器“TurboEVBec”。D38柴油機替代了老一代的D28 V8柴油機，且結(jié)構(gòu)更緊湊，并優(yōu)化了各項性能。該發(fā)動機搭載歐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。

近年來，重型商用車朝著更高的發(fā)動機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）歐洲市場現(xiàn)在已經(jīng)允許60 t的總車輛質(zhì)量或者更高速度的車輛行駛。

為了進一步滿足排放法規(guī)的要求，MAN公司決定開發(fā)1款功率在500 hp以上的全新發(fā)動機。目標是研發(fā)1款能夠滿足現(xiàn)在和未來市場需求、高功率輸出、高效和高可靠性的發(fā)動機，并為該功率段的發(fā)動機市場打下堅實的基礎(chǔ)。

1 開發(fā)目標

盡管排放限值會越來越嚴格，使用成本仍然是客戶滿意度和市場接受度的決定性因素。因此，從一開始的發(fā)動機開發(fā)目標就非常明確：（1）新的發(fā)動機的燃油及尿素消耗至少要和同等歐5選擇性催化還原（SCR）機型相當或者更好；（2）發(fā)動機質(zhì)量要盡可能輕。

1.1 滿足歐6排放法規(guī)的D38柴油機系統(tǒng)

MAN公司的歐6發(fā)動機采用冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）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)動機特別有利于整車總布置和降低制造成本。此外，從機械動力學(xué)的角度來看，6缸發(fā)動機比8缸發(fā)動機運轉(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)動機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的潛力。表1列出了當前MAN歐6載貨車車用D38柴油機的主要技術(shù)規(guī)格。

表1 D3876 LF柴油機主要技術(shù)規(guī)格

由于D38柴油機安裝在已經(jīng)投產(chǎn)的TGX車型上，因此TGX車型相關(guān)的發(fā)動機安裝的主要特性與D26柴油機系列相同。這適用于車輛進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)和機電元件與其他發(fā)動機系列相同，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)動機的外形圖。

2 原型機

2.1 軸系和曲軸箱

D3876柴油機的曲軸箱和缸蓋采用高強度蠕墨鑄鐵(GJV450)，通過關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計，使得曲軸箱的質(zhì)量比使用GJL250材料的其他機型要輕。鑄鋁飛輪殼及塑料的油底殼和氣缸蓋罩蓋也是該機型減重的重要措施。D3876柴油機比之前歐5/歐盟排放標準的D2868 V8共軌型柴油機減重160 kg，同時強度有所提高。相比之下，D3876柴油是同等功率的發(fā)動機中最輕的。對于載貨車來說，質(zhì)量輕意味著更高的載貨能力，效率也會提高。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。設(shè)計目標是使負荷均勻分散在隔板上，并避免應(yīng)力集中以便實現(xiàn)減重目標。結(jié)果，使用最少的材料實現(xiàn)了高強度開發(fā)目標。另外，采用彎曲的曲軸箱裙部設(shè)計，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

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

圖3所示是D38柴油機活塞的主要設(shè)計特點。摩擦焊接的鋼制活塞有2個冷卻室，使用中間體增加了1個內(nèi)部冷卻室。來自冷卻噴嘴的潤滑油通過1個進油口進入外部的冷卻環(huán)槽。部分潤滑油通過相連的油孔進入內(nèi)部冷卻室，然后通過連桿上面的出油孔流出，潤滑連桿小端和銷孔。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，同時也有利于提高潤滑油的使用壽命。

為了實現(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開發(fā)了活塞環(huán)組件和平頂珩磨的缸套。為了實現(xiàn)這一目標，缸套上的刮炭環(huán)起了很大的作用：在活塞的每個上行沖程中刮掉活塞火力岸的機油積炭，從而防止在氣缸形成摩擦點。

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，以便獲得最佳進氣，可以更好的防止氣門連接處的裂紋發(fā)展。

該機型每個氣缸均具有8個氣缸蓋螺栓，保證負荷能夠均勻的分配到氣缸蓋和缸套上。這一設(shè)計使缸套變形非常小，傳到密封件上的集中負荷小，氣缸蓋墊片的壓縮變形小，有利于減少機油消耗，提高氣缸蓋墊的使用壽命，減少因發(fā)動機燒機油，顆粒物進入到顆粒過濾器的幾率。圖4為D38柴油機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。TGX車型駕駛室的人體工程學(xué)設(shè)計已經(jīng)完備，可以配置更大型的D38柴油機。

D38柴油機首次將圓弧形氣門(圖5（b）)應(yīng)用在卡車柴油機上。氣門盤中部的弧形加強部分可以消除在運動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和摩擦減小，并可以延長檢測氣門間隙的時間。

2.4 逆向冷卻系統(tǒng)

D3876柴油機缸蓋采用逆向冷卻系統(tǒng)，上邊的冷卻水套被用來當作收集腔，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，冷卻液均勻的流向6個氣缸，然后流向后面的管道中。

這種冷卻液的流動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)部進行分配流動，可以省掉額外的導(dǎo)流冷卻液零件和一些密封點。圖6為氣缸蓋上部和下部冷卻水套的冷卻液流動和由此引起的對流換熱系數(shù)的分布。

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。流動橫截面的協(xié)調(diào)允許在特別高的熱負荷點產(chǎn)生高的傳熱系數(shù)，如進排氣門之間的鼻梁區(qū)及燃燒室底部。

2.5 發(fā)動機外圍件

D38柴油機是MAN公司首臺裝配帶有專利螺紋模制塑料油底殼的發(fā)動機。油底殼通過蜘蛛網(wǎng)狀底部結(jié)構(gòu)擴散到道路表面，對聲波進行漫反射來降低發(fā)動機噪聲。更重要的是，塑料油底殼質(zhì)量極輕，同時穩(wěn)定性高、且有很高的耐石材的沖擊能力。

在開發(fā)D3876柴油機過程中，MAN公司借用了部分來自D2X機型的成熟組件，使得發(fā)動機的保養(yǎng)和維修更便捷，同時也使得備件的物流配送更加優(yōu)化。

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

3 熱力學(xué)

3.1 帶中冷的兩級渦輪增壓系統(tǒng)

D3876LF柴油機都采用了帶級間冷卻的渦輪增壓設(shè)計理念，來滿足大功率商用車對高效渦輪增壓系統(tǒng)的要求（圖7）。

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

事實證明，兩級增壓比使用1個可變幾何截面渦輪增壓器（VTG）要好。兩級增壓技術(shù)更簡單，并且強度更高，這主要是因為在給定的壓縮比及主要的工作范圍內(nèi)，每個增壓器的負荷都較低，并且兩級增壓不需要VTG復(fù)雜的執(zhí)行機構(gòu)。

從熱力學(xué)的角度來看，冷卻液冷卻低溫級間中冷器的作用相當于傳統(tǒng)空氣冷卻中冷器。中冷器緊湊的集成到發(fā)動機的低溫冷卻回路上，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氣道空氣的體積，使發(fā)動機具備良好的動態(tài)性能。中冷器工作時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，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)工況下會使進氣溫度波動較小，這有利于降低燃油消耗和改善排放。

為了避免小負荷工況下低壓級間中冷器過度冷卻空氣，采用1個開關(guān)閥來阻止冷卻液流入中冷器。在冷起動期間，閥門經(jīng)過一段時間的延遲后打開，使低溫冷卻液流動，由此可以迅速實現(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)閉來實現(xiàn)壓差，增大該工況的EGR率。

3.2 兩級冷卻EGR系統(tǒng)

在D38機型的熱力學(xué)設(shè)計理念中，EGR是實現(xiàn)排放和油耗目標的關(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對發(fā)動機氮氧化物（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柴油機采用了高溫和低溫EGR冷卻器。

D38柴油機采用高壓EGR，其中廢氣從排氣管引出，通過2個EGR冷卻器進行冷卻，然后與增壓空氣混合并進入發(fā)動機。電控EGR閥安裝在EGR冷卻器的上游較熱的一側(cè)，以此來控制再循環(huán)廢氣的量，也可以實現(xiàn)定位且定位時間短。圖8所示為D38柴油機帶高低溫冷卻回路的冷卻系統(tǒng)。

D38柴油機采用兩級冷卻的EGR系統(tǒng)。高溫EGR冷卻器和低溫冷卻器串聯(lián)使用。在流動方向上，先流經(jīng)高溫冷卻器并被發(fā)動機冷卻液冷卻。下游的低溫冷卻器由來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候都能進行高效的熱交換。圖9所示為D38柴油機EGR的布置。

第一個廢氣冷卻器通過翼管來優(yōu)化壓力損失，因為較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。第二個冷卻器優(yōu)化了翅片熱交換性能，保證廢氣冷卻。設(shè)計的2個冷卻器的翅片都對碳煙和碳氫化合物（HC）敏感度較低。

對供給低溫EGR冷卻器的低溫冷卻液進行恒溫控制，幾乎可以完全防止在小負荷工況下廢氣（含水）被冷卻到露點以下。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量來檢測設(shè)計冷凝累積的磨損情況。圖10為發(fā)動機脈譜圖上低溫EGR冷卻器出口溫度。

3.3 高壓噴射系統(tǒng)

D38柴油機配備了噴射壓力高達250 MPa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180 MPa系統(tǒng)的噴油器相比，驅(qū)動概念發(fā)生了改變，但是它的外形尺寸卻被保留下來。現(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)動輸出減少。

噴油器內(nèi)溫度的降低會導(dǎo)致燃料中敏感性沉積物大量的減少。同時，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，它使高效制動成為可能。

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

新設(shè)計的低壓回路結(jié)合1個更強勁的預(yù)噴供油泵，可以使起動時間比之前系統(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，并提高發(fā)動機在寒冷條件下的適應(yīng)性。

3.4 燃燒過程和標定

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)合起來使用。這就對燃燒系統(tǒng)的標定有了更高的要求： 原始顆粒物排放低，顆粒過濾器的負荷小，并使排氣溫度足夠高，SCR在大部分工況下都可以高效運行。

熱力學(xué)的發(fā)展主要集中在主要運行范圍內(nèi)較好的燃油消耗率。當采用EGR時，在循環(huán)的范圍之內(nèi)，減少發(fā)動機的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。

為了進一步減小流動損失，該機型的進氣渦流水平比之前的相比明顯降低。實現(xiàn)這個目標的1個重要的條件是較高的噴射壓力：對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柴油機在熱力學(xué)方面的改進，使它成為高效的重型商用車動力裝置。其燃油耗脈譜圖顯示了2個決定其效率的特征：在脈譜圖的大部分區(qū)域，燃油消耗率小于200 g/（kW·h）；最好的工況點及更好的消耗區(qū)域在高速運行工況。

4 發(fā)動機制動系統(tǒng)

D38柴油機搭載MAN發(fā)動機制動器（EVB），以及更加強勁的“TurboEVB”制動器。這2種高端持續(xù)制動器在較低的行駛速度下也能提供很高的制動力。

D38柴油機的排氣背壓由氣動蝶閥進行調(diào)節(jié)。EVB能夠在2 400 r/min轉(zhuǎn)速下提供340 kW的最大制動功率（圖14）。

TurboEVB通過發(fā)動機制動時適當增壓來實現(xiàn)制動效率的顯著提高。TurboEVB在2 300 r/min時制動功率達600 kW，其最重要的設(shè)計特點在于高壓渦輪之前的氣動控制閥（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，接下來進入膨脹階段，即使是在發(fā)動機的制動階段，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勁的制動系統(tǒng)，熱負荷限制也非?？煽浚▓D16）。

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

在發(fā)動機制動過程中，高壓和低壓部分的工作循環(huán)都是按照逆時針方向進行的，2個循環(huán)包含的總面積表示對應(yīng)制動功率。

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

與緩速系統(tǒng)不同，使用TurboEVB制動器時只有少量制動能量被發(fā)動機冷卻循環(huán)耗散，同時，即使在制動要求很高的長、下坡時也不需要減少制動功率。因為容易調(diào)節(jié)，TurboEVB可以配合現(xiàn)代持續(xù)制動系統(tǒng)管理系統(tǒng)的要求及有效結(jié)合第二緩速裝置。

5 D38柴油機歐6排放理念

為了滿足歐6排放要求，MAND3876柴油機采用了冷卻EGR和尾氣后處理系統(tǒng)結(jié)合的發(fā)動機內(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），這些部件都串聯(lián)在一起。

盡管排氣體積流量更大，D3876柴油機的消聲器和D20/26發(fā)動機相比，在結(jié)構(gòu)和體積上是相當?shù)模谕?a target="_blank">產(chǎn)品中是最緊湊的。圖18所示為MAN TGX長途車的排氣系統(tǒng)和消音器內(nèi)的尾氣流動。

6 發(fā)動機和車輛的工作表現(xiàn)

在TGX卡車上，D38柴油機與優(yōu)化的MANTipMatic變速器結(jié)合使用。即使在最低發(fā)動機轉(zhuǎn)速下仍擁有最大的扭矩，因此長途車輛可以使用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)濟運行成為可能。在參考路線上進行的比較運行和壓力測試，證實了這種設(shè)計是合理的。

7 總結(jié)

MAN公司在2014年推出了商用車用15.2 L 6缸D3876LF大功率柴油機。該發(fā)動機可提供520 hp，560 hp和640 hp的動力，以及2 500～3 000 N·m的扭矩。較好的燃油經(jīng)濟性、極好的輕量化設(shè)計、較少的安裝要求及較高的強度是該發(fā)動機的主要特點。

D38柴油機重要的熱力學(xué)理念是采用兩級廢氣渦輪增壓、兩級冷卻EGR，以及使用250 MPa噴射壓力的共軌噴射系統(tǒng)。在發(fā)動機設(shè)計過程中，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)濟價值，尤其是在典型的長途運輸工作狀況下。全新開發(fā)的高效發(fā)動機制動器TurboEVB首次被應(yīng)用到D38柴油機上。

對用戶而言，另一個好處是，較低的駕駛室入口高度被保留，這是因為D38柴油機的傳動系統(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，由此運行范圍可保持不變。