日歐新時代的清潔柴油機

【日】 福長聡 長田英朗 岡本毅 島田一昭 內(nèi)田登

介紹日本市場的Volvo乘用車采用的新型柴油機和豐田公司采用新型燃燒方式的新一代清潔柴油機。

清潔柴油機 低排放 高效率

1 Volvo公司的D4204T型柴油機

1.1 開發(fā)背景

Volvo公司在時隔32年后，再次將柴油乘用車投放日本市場。目前，在全世界范圍內(nèi)最新銷售的Volvo公司的乘用車采用柴油機占比90%，其實力和人氣的程度可見一斑。Volvo公司開發(fā)的新型發(fā)動機D4204T為2.0L直列4缸新一代柴油機，一般被稱為D4型發(fā)動機。裝備該型發(fā)動機投放日本市場的車型有V40轎車和旅行車、S60、V60和XC60共5種。

在瑞典Volvo Skovde工廠中，D4型柴油機和汽油機采用同樣的設(shè)備進行生產(chǎn)，其基本結(jié)構(gòu)相同，25%的零部件通用，50%的零部件相近。因此，T5型汽油機和D4型柴油機的質(zhì)量差縮小到30kg左右，柴油機的質(zhì)量得到大幅度的降低。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

D4型柴油機采用的直列4缸、雙頂置凸輪軸(DOHC)、16氣門的渦輪增壓式結(jié)構(gòu)，排量為1.968L，壓縮比為15.8(圖1)。該型柴油機的主要技術(shù)規(guī)格如表1所列，性能曲線如圖2所示。該發(fā)動機的特點之一是噴油系統(tǒng)采用日本電裝公司的最新技術(shù)，在不噴射尿素溶液的情況下就可以滿足當前的排放法規(guī)。

圖1 新一代清潔柴油機(D4204T型)

項目參數(shù)發(fā)動機型號D4204T發(fā)動機類型直列4缸+DOHC+16氣門+渦輪增壓排量/L1.968缸徑/mm82.0行程/mm93.2壓縮比15.8最大功率/kW140(4250r/min)最大扭矩/(N·m)400(1750～2500r/min)氣門控制連續(xù)可變氣門定時

圖2 D4204T型發(fā)動機的性能曲線

柴油機缸體的基本結(jié)構(gòu)和汽油機相同。但是，柴油機缸體的頂平面較高，缸體兩側(cè)面的大部分都配置了成型吸音墊，目的在于降低氣缸體燃燒噪聲(圖3)。

柴油機和汽油機的活塞、連桿和抑制振動的平衡軸各不相同，沒有互換性。柴油機連桿比汽油機長1.3mm，活塞銷直徑大8mm，質(zhì)量大50g，在氣缸下面安裝平衡軸，具有更大的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，用以抵消連桿和活塞增加的質(zhì)量(圖4～6)。

圖3 為了提高燃燒安靜性、兩側(cè)安裝成型吸音墊

圖4 柴油機活塞頭部設(shè)置了凹陷部分

圖5 柴油機用連桿各個部位進行了改進

圖6 與活塞連桿質(zhì)量相配的專用平衡軸

水泵采用新開發(fā)的電動泵，可以控制只在必要的時候才工作，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速無關(guān)。這對改善燃油經(jīng)濟性也是有利的(圖7)。恒溫器的工作溫度在90～150℃之間切換，更加容易控制發(fā)動機的環(huán)境溫度和使用狀況趨于一致，不僅可以降低油耗，暖機時間也可以縮短。

圖7 新開發(fā)的電動水泵有助于降低油耗

D4型發(fā)動機的重要零部件中有渦輪增壓器和廢氣凈化催化器。其中，渦輪增壓器是由博格華納公司生產(chǎn)的，由大小兩個渦輪構(gòu)成的兩級增壓系統(tǒng)(圖8)。為了防止廢氣中的氮氧化物(NOx)在催化劑中發(fā)生氧化，而采用硝酸鹽的方式進行捕捉、吸收和排出，催化轉(zhuǎn)化器采用低濃度NOx分離器(LNT)催化器。在運行過程中定期地在幾秒鐘的時間內(nèi)使混合氣變濃,使催化器捕捉到的NOx和碳氫化合物(HC)及CO反應(yīng)，使之還原凈化。

圖8 采用博格華納生產(chǎn)的雙增壓器

此外，布置在LNT催化器的后端，能夠捕捉排氣中的顆粒狀物質(zhì)(PM)，起到濾清器作用的柴油機顆粒過濾器(DPF)能防止PM排出(圖9)。當DPF中的PM累存到一定的量以后，濾清器溫度上升，從而將PM燃燒掉。這已是最近柴油機中常用的處理方法。

另外，在D4型發(fā)動機中值得關(guān)注的是新采用的油位傳感器和潤滑油。當發(fā)動機停止運行時，該油位傳感器在鍵位Ⅱ儀表面板處顯示油位的柱狀圖，可通過觀察油位柱狀圖來完成油位的管理(圖10)。發(fā)動機使用的潤滑油是和嘉實多公司共同開發(fā)的，粘度為0W-20的低粘度專用合成潤滑油。

1.3 燃油噴射系統(tǒng)

采用共軌系統(tǒng)的高壓柴油機已是發(fā)展主流趨勢。但是，在D4發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)中高壓燃油存儲在油軌的帶有壓力傳感器的蓄壓腔中，計算機控制供油泵。噴油器在各自的計算機的控制下將燃油噴射到氣缸內(nèi)。和原柴油機不同，共軌式柴油機的噴油量和噴油時間可進行直接控制，不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響。

圖9 配置了LNT和DPF的氧化催化器

圖10 采用的油位傳感器可通過數(shù)據(jù)表讀取

采用共軌系統(tǒng)的柴油機的燃油噴射壓力一般為180～200MPa。但是，D4型發(fā)動機噴油壓力達到250MPa的超高壓。產(chǎn)生這樣的高壓供油泵是單缸活塞式供油泵。通過正時皮帶驅(qū)動，最高壓力達到250MPa，在怠速轉(zhuǎn)速下壓力約為350MPa，通常運行時約為100MPa(圖11)。

圖11 250MPa的超高壓供油泵

在原共軌式柴油機中，利用設(shè)置在蓄壓室內(nèi)的1組壓力傳感器的數(shù)據(jù)，由計算機控制燃油的噴油量。在D4型發(fā)動機中，在各個氣缸的噴油器內(nèi)設(shè)置了壓力傳感器，用于實時測量噴油壓力。每1次燃油噴射時通過布置在噴油器內(nèi)部的傳感器，不僅通過測量噴油器對應(yīng)的壓力來決定噴油定時,同時還可以控制噴油量,這也是該發(fā)動機的特點之一。該系統(tǒng)被日本電裝公司命名為智能噴油精度修正技術(shù)(i-ART)。將配置了電裝公司的i-ART技術(shù)的柴油機應(yīng)用于乘用車，這在全世界都是首次(圖12～13)。

圖12 電裝公司開發(fā)的共軌系統(tǒng)i-ART

圖13 i-ART專門開發(fā)的噴油器

在i-ART燃油噴射系統(tǒng)中，噴油嘴有8個。根據(jù)行駛狀態(tài)，在1個噴油循環(huán)中可以分成5次噴射。(1) 先導(dǎo)噴射： 在轉(zhuǎn)速3000r/min以下運行時，在預(yù)噴射之前首先進行先導(dǎo)噴射。先導(dǎo)噴射的目的是為了降低燃燒噪聲，并使其后噴射的燃油容易燃燒。(2) 預(yù)噴射： 其作用在于使混合氣開始點火，使少量燃油著火燃燒，氣缸內(nèi)的壓力上升，但不過分激烈,這樣可以減少燃燒時的噪聲。(3) 主噴射: 用于燃燒的最重要的噴油。(4) 后噴射: 在主燃燒完成之后進行的噴射，其作用是將氣缸內(nèi)的碳煙燒掉。一般地說，在轉(zhuǎn)速3000r/min以下的部分負荷的工況下進行后噴射。(5) 遠后噴射: 這是為了排氣處理而進行的燃油噴射。通過遠后噴射，使排氣溫度上升，將DPF內(nèi)的PM燒掉。此外，也還可以為了將NOx和硫的氧化物(SOx)除去而噴射燃油。

這樣，為了瞬間處理大量的數(shù)據(jù)，要求發(fā)動機管理系統(tǒng)用的計算機必須是高性能的。D4發(fā)動機采用的處理器具有每秒鐘可以處理4億條命令的能力，這是世界上最高水準的高性能處理器。

1.4 變速箱

該發(fā)動機配置的變速箱是和愛信AW公司共同開發(fā)的橫置8AT的AWF8F45型，前進8檔所有的齒輪都能鎖緊，即使在1000r/min的轉(zhuǎn)速下鎖緊也是可能的，對降低油耗非常有效(圖14)。該變速箱也可以設(shè)置成運動模式。如果選擇運動模式，腳踩油門后，車輛行駛更加動力十足。從低轉(zhuǎn)速開始具有足夠扭矩的發(fā)動機就可以實現(xiàn)具有動感的駕駛。

如前所述，配裝新一代D4型柴油機的車輛，其動力傳動系統(tǒng)采用日本商家的最新技術(shù)。這也使新上市的Volvo車型成為市場關(guān)注的焦點。

圖14 與愛信AW公司共同開發(fā)的手自一體8速變速箱

2 豐田公司1GD-FTV型柴油機

2.1 開發(fā)背景

日本豐田從1968年開始銷售“Hilux”汽車。2015年，該車型完成了第八代變型。Hilux已在全世界160多個國家/地區(qū)銷售1600多萬輛。但是，Hilux在日本本土沒有銷售過。而在Hilux上裝備的新開發(fā)的1GD柴油機將成為豐田公司的主流發(fā)動機(圖15)。

2015年6月，豐田在日本發(fā)布了新一代陸地巡洋艦普拉多(Land CruiserPrado)車型，主要是裝備了1GD型新型發(fā)動機。陸地巡洋艦普拉多車型一直裝備排量4L的 1GR-FE 型和排量為2.7L的2TR-FE型2種汽油機。但是，這次取而代之的是剛剛推出的排量為2.8L的1GD-FTV型柴油機。這次普拉多車型的發(fā)動機排量從4L降低為2.8L，發(fā)動機小型化是最大的變化。此外，迄至為止從未配置過的柴油機作為新的配置也特別引人注目。

圖15 豐田公司核心產(chǎn)品1GD-FTV型清潔柴油機

豐田公司從2007年開始在日本國內(nèi)停止銷售裝備柴油機的普拉多車型。對豐田公司來說，這款裝備著新型清潔柴油機的汽車，不僅在日本國內(nèi)市場，而且在世界各地都有著巨大的市場前景。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

新開發(fā)的1GD型柴油機瞄準降低油耗，排量從2.982L降低到2.754L，與1KD型發(fā)動機相比，燃油經(jīng)濟性大約提高15%，最大扭矩大約提高25%(圖16)。

圖16 1GD-FTV型柴油機的性能曲線圖

在1GD型發(fā)動機的系統(tǒng)構(gòu)成中，為了保證燃燒能量的高效率采取了多種對策：

(1) 修改了進氣道形狀，空氣可以更加順暢地流入到氣缸內(nèi)；

(2) 更加精細地控制燃油噴射，從而控制燃燒溫度；

(3) 活塞頂部涂上一層硅多孔膜，以減少經(jīng)由活塞的冷卻損失；

(4) 采用新開發(fā)的、可變幾何形狀的渦輪增壓器(豐田公司內(nèi)部生產(chǎn))，提高了響應(yīng)性；

(5) 最值得注意的是，此款發(fā)動機還引入了尿素噴射式排氣后處理系統(tǒng)，處理排氣中的NOx(圖17)。

圖17 1GD-FTV型柴油機的系統(tǒng)構(gòu)成

1GD型柴油機采用直列4缸鑄鐵合金氣缸體，鏈傳動DOHC，16氣門，并具有交叉流動型進排氣系統(tǒng)的氣缸蓋的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。排氣量2.755L、缸徑92.0mm,行程為103.6mm,壓縮比15.6。為了減小發(fā)動機振動，2根帶有配重的平衡軸設(shè)置在曲軸的下方，通過鏈條由曲軸驅(qū)動(圖18)。

發(fā)動機氣缸蓋的進氣道形狀已得到重新優(yōu)化。與以前的形狀相比，進氣時氣缸內(nèi)的渦流降低了?？諝饪梢愿禹槙车亓鬟M氣缸內(nèi)，增加了流入氣缸內(nèi)的空氣量(圖19)。

圖19 空氣流入新開發(fā)的高效率低流動進氣道

2.3 增壓器

高效率地將空氣吸入氣缸是增壓器的重要功能。在1GD型發(fā)動機中采用豐田公司內(nèi)部生產(chǎn)的新開發(fā)的增壓器(圖20)。與以前的增壓器相比，渦輪尺寸減小了30%，在可變噴嘴葉片式增壓器中發(fā)動機控制計算機通過子單元使可變噴嘴的執(zhí)行器動作，從而實現(xiàn)可變控制噴嘴葉片位置。

圖20 豐田內(nèi)部生產(chǎn)的新開發(fā)的增壓器全范圍內(nèi)響應(yīng)性高，燃油效率最大化

低負荷區(qū)域或低速范圍內(nèi)執(zhí)行器使渦輪進口的葉片(葉翼)向關(guān)閉的方向動作。這樣，流入渦輪中排氣橫向吹向渦輪葉片，使得渦輪的轉(zhuǎn)速上升，進氣的增壓度得到提高。在高負荷區(qū)域或在中高速范圍內(nèi)，執(zhí)行器使渦輪進口的葉片(葉翼)向開啟的方向動作。這樣，渦輪排出氣體的流動方向變成向著渦輪軸的方向，增壓壓力維持不變，排氣的背壓降低了(圖21)。

圖21 低負荷工況(a)和高負荷工況(b)下高響應(yīng)執(zhí)行器的動作說明

2.4 燃油噴射裝置

燃料供給方式采用共軌系統(tǒng)，供油泵出口壓力最大達到220MPa，噴油器采用電磁螺線圈式。在1個循環(huán)中進行精細分割燃油噴射，可以提高燃燒效率(圖22)。

為了抑制主噴射時缸內(nèi)溫度急劇上升，最初的先導(dǎo)噴射只在燃燒室的中心部位燃燒，可以起到抑制燃燒噪聲的效果(圖23)。

主噴射燃料噴向包括活塞頂部凹坑周圍的燃燒室的外緣方向。燃料噴射到燃燒室外側(cè)的上下空間，在上層部位燃燒的同時，利用吸入氣缸內(nèi)的空氣渦流，活塞頂部的凹坑部位也在燃燒，可以有效地利用燃燒室外側(cè)的空間進行燃燒(圖24)。

圖22 共軌系統(tǒng)的部件

圖23 抑制燃燒噪聲的先導(dǎo)噴射

圖24 充分利用燃燒室外側(cè)空間的主噴射

其后，后噴射將微量燃料噴射到燃燒室中心部位，充分利用燃燒室中央的空間(圖25)。

圖25 向燃燒室中央沒有燃料的空間噴射微 量燃料的遠后噴射的示意圖

為了使上述燃燒連續(xù)地、高效地進行，在活塞頂部涂覆被稱之為“熱搖擺壁膜絕熱”(TSWIN)技術(shù)的二氧化硅多孔膜涂層，從活塞散逸的冷卻損失最大可以減少30%。這種絕熱涂層使燃燒熱能不向外界散逸，具有提高進氣量的效果(圖26)。

圖26 避免燃燒能量損失提高進氣量的活塞涂層

5 催化器系統(tǒng)

豐田公司新推出的陸地巡洋艦普拉多不僅提高了發(fā)動機本身排放氣體的凈化性能，而且排氣后處理系統(tǒng)也很有特色。面向日本和歐洲市場的汽車配置的后處理系統(tǒng)是在氧化催化器和柴油機顆粒物有效減少的催化器基礎(chǔ)上，又加上了選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，通過噴射尿素凈化NOx；而面向澳大利亞和俄羅斯市場的后處理系統(tǒng)是氧化催化器和DPF催化器。面向亞洲、中東和南美市場的則配置柴油機氧化催化器(DOC)排氣后處理系統(tǒng)等。對不同目標地區(qū)分別配置各自最合適的排氣后處理系統(tǒng)(圖27)。

圖27 適應(yīng)不同地域使用方法或環(huán)境負荷開發(fā)的催化劑系統(tǒng)

氧化催化器和DPF催化器以整體單元形式、非常緊湊地配置在排氣歧管后面的渦輪出口部分，其后的排氣歧管部分配置SCR催化器(圖28)。豐田

公司這是初次采用SCR催化器，但是在日本國內(nèi)大型卡車上早就采用該項技術(shù)了。通過該催化器最大可以去除99% NOx，可以滿足歐洲的歐6及日本國內(nèi)后新長期(2010年)排放法規(guī)(圖29)。采用SCR催化劑必然增加了補充尿素的消耗量和費用。但是即使考慮到這一點，能夠適應(yīng)嚴格的排放法規(guī)，從低速開始扭矩就比較充足的發(fā)動機，今后在日本國內(nèi)配置1GD型發(fā)動機的車型將會陸續(xù)增加。若干年以后，估計市場將會對1GD型發(fā)動機給予很高的評價。

圖28 1GD-FTV型柴油機的排氣系統(tǒng)

圖29 99% NOx凈化率及高穩(wěn)定性兼?zhèn)涞腟CR系統(tǒng)

徐家龍 褚云舟 荒井 一嘉 譯自 自動車工學(xué)，2015，11

何丹妮 編輯

2016-01-22)