【德】 B.Nielsen W.Sladek M.Müller F.Eberle

設(shè) 計(jì) 開 發(fā)

Mercedes-Benz最新一代大型載貨車用柴油機(jī)第1部分：目標(biāo)設(shè)定和設(shè)計(jì)方案

【德】 B.Nielsen W.Sladek M.Müller F.Eberle

在歐洲推廣OM47X發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)4年之后，Daimler公司公開推出了被稱為“最新一代”的排量為12.8 L的OM471歐6發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)版，其技術(shù)特點(diǎn)將逐步推廣到Daimler公司全球產(chǎn)品型譜中的其他排量機(jī)型上。分兩部分介紹其改善的產(chǎn)品性能，第1部分主要介紹發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，第2部分將介紹發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)和廢氣后處理。

柴油機(jī) 高效率 廢氣再循環(huán) 不對(duì)稱流道

1 優(yōu)化基本方案

OM471柴油機(jī)從2011年以來的產(chǎn)量已超過270 000臺(tái)，對(duì)Daimler公司具有特殊的意義，對(duì)其載貨車也起著重要的作用。其進(jìn)一步開發(fā)的重要任務(wù)是在降低產(chǎn)品復(fù)雜性和成本，以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率和最大扭矩。同時(shí)，進(jìn)一步降低燃油耗和CO2排放。開發(fā)結(jié)果在行駛道路工況下燃油耗降低多達(dá)3%。

在進(jìn)一步開發(fā)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本尺寸保持不變，重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括諸如雙頂置凸輪軸、被稱為“X-Pulse”的獨(dú)特的共軌噴油系統(tǒng)、工作能力強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)等。同樣，諸如冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)與不對(duì)稱流道分配廢氣的渦輪增壓器也頗具特色。

OM471柴油機(jī)的進(jìn)一步開發(fā)的還包括1種新穎EGR閥結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)采用了Daimler公司開發(fā)和生產(chǎn)的廢氣渦輪增壓器，以及經(jīng)過改進(jìn)后提高了噴油壓力和優(yōu)化了細(xì)節(jié)的噴油系統(tǒng)等。表1歸納列出了與原機(jī)型相比的最重要的數(shù)據(jù)和特點(diǎn)。下面詳細(xì)介紹最新一代OM471柴油機(jī)具有決定性意義的技術(shù)改進(jìn)。

2 基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

最新一代大型載貨車用柴油機(jī)通過重新設(shè)計(jì)的冷卻方案提高了功率和扭矩。氣缸蓋中冷卻通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)通過提高冷卻液的流速改善了燃燒室頂板高熱負(fù)荷范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)，而冷卻系統(tǒng)總的壓力損失和冷卻液泵的驅(qū)動(dòng)功率卻保持恒定不變，再加上燃燒優(yōu)化，無論是模擬計(jì)算還是試驗(yàn)結(jié)果均表明，出現(xiàn)的溫度峰值更低，并且整個(gè)氣缸蓋上的溫度分布也更為均勻(圖1)。

表1 OM471柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)比較

圖1 排氣歧管、EGR閥和不對(duì)稱流道渦輪增壓器

3 摩擦功率

通過活塞裙部涂層的進(jìn)一步開發(fā)，并同時(shí)將油環(huán)的預(yù)張力減小了30%，活塞組在主要行駛范圍內(nèi)的制動(dòng)扭矩降低了7%(圖2)。同時(shí)，通過降低氣門機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)油的要求，采用高溫粘度(HTHS)值最大2.9 mPa·s，低的機(jī)油能進(jìn)一步降低摩擦功率。與第一代發(fā)動(dòng)機(jī)相比，最新一代柴油機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)中的機(jī)械摩擦總共能降低24%。

圖2 燃燒室頂板溫度分布和冷卻液流速

4 創(chuàng)新的廢氣再循環(huán)閥

廢氣再循環(huán)改進(jìn)的關(guān)鍵是新型的EGR閥(圖3)，它被集成在排氣歧管的中間部分，將第1和第3氣缸的廢氣在EGR和增壓器渦輪之間進(jìn)行了分配，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)總的空氣管理開辟了廣泛的可能性，有關(guān)這方面的內(nèi)容將在第二部分中進(jìn)一步詳細(xì)探討。

圖3 采用新的活塞環(huán)組優(yōu)化制動(dòng)扭矩

鑒于結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱機(jī)械負(fù)荷、密封性和裝配等方面的情況，EGR閥新的布置位置意味著對(duì)其構(gòu)件提出了更高的要求。借助于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、有限元法(FEM)和熱機(jī)械疲勞(TMF)分析，在好幾個(gè)步驟中對(duì)排氣歧管和EGR閥進(jìn)行了優(yōu)化，以致于至今仍能保留原有的排氣歧管材料。之后，通過在部件試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上的試驗(yàn)已成功證實(shí)了對(duì)其熱機(jī)械壽命的鑒定和驗(yàn)證(圖4)。

圖4 EGR閥剖視圖(包括TMF計(jì)算與有針對(duì)性的熱負(fù)荷過載后形成裂縫的熱氣體試驗(yàn)的相互關(guān)系)

5 具有不對(duì)稱流道的廢氣渦輪增壓器

2013年，首次將Daimler公司開發(fā)和生產(chǎn)的廢氣渦輪增壓器批量應(yīng)用于底特律生產(chǎn)的用于北美市場(chǎng)的DD15型OM472柴油機(jī)上。在生產(chǎn)的120 000臺(tái)增壓器并經(jīng)野外使用證實(shí)其具有出色的可靠性后，批量應(yīng)用于最新一代的OM471柴油機(jī)上，這款廢氣渦輪增壓器現(xiàn)在也在歐洲推廣使用。由于在公司內(nèi)部開發(fā)和生產(chǎn)，廢氣渦輪增壓器的每個(gè)部件都與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件相匹配。此外，由于對(duì)系統(tǒng)的了解，發(fā)動(dòng)機(jī)又能調(diào)整得使整個(gè)系統(tǒng)更為完善，因而通過這種整體考量，采用創(chuàng)新的EGR閥和增壓調(diào)節(jié)而放棄用于使廢氣繞過渦輪流動(dòng)的廢氣閥。

為了改善廢氣向EGR的輸送，新的廢氣渦輪增壓器具有不對(duì)稱的渦輪流道，與新的EGR閥相結(jié)合，渦輪的2個(gè)流道橫截面的不對(duì)稱性使廢氣的分配比以往使用的增壓器更為均勻。

廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸的支承由傳統(tǒng)的雙浮動(dòng)軸套徑向軸承組成(圖5)，通過轉(zhuǎn)子組件的優(yōu)化平衡，使用低粘度機(jī)油也能確保可靠運(yùn)行。無論是壓氣機(jī)還是渦輪的流動(dòng)路徑都通過各種不同的計(jì)算方法針對(duì)其效率、特性曲線場(chǎng)寬度和噪聲排放進(jìn)行了優(yōu)化。為了提高駕駛室的舒適性和降低噪聲排放，壓氣機(jī)應(yīng)用了1個(gè)噪聲反射器。

6 噴油系統(tǒng)

經(jīng)改進(jìn)的共軌噴油系統(tǒng)的噴油器中有1個(gè)噴油壓力倍增器(圖6)，這種噴油系統(tǒng)的第二代也能自由地調(diào)控噴油規(guī)律。其共軌壓力被提高到116 MPa，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)270 MPa的最大噴油壓力。上述措施和新的8孔噴油嘴有助于降低燃油耗。

為了保證低負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)顆粒捕集器再生，應(yīng)用了1種不對(duì)稱的噴油。EGR廢氣通過3個(gè)氣缸，并與具有不對(duì)稱流道渦輪殼的廢氣渦輪增壓器和新的EGR閥相結(jié)合就能實(shí)現(xiàn)這種創(chuàng)新的措施。為了提高廢氣溫度，第1～3氣缸的噴油量被減少，而第4～6氣缸的噴油量增大。在EGR閥調(diào)節(jié)再循環(huán)空氣量期間，由這種不對(duì)稱噴油調(diào)節(jié)其品質(zhì)，因而在EGR閥開大位置情況下，在低負(fù)荷時(shí)3個(gè)氣缸就能在準(zhǔn)全負(fù)荷下運(yùn)行。

7 降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和減輕質(zhì)量

降低零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步的開發(fā)目標(biāo)。通過采用新的EGR閥和基于模型的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集方法，不僅能取消渦輪側(cè)的廢氣放氣閥，而且還能取消測(cè)量EGR率的差壓傳感器，這不僅有助于降低制造成本，而且也能大大降低用戶長(zhǎng)期維護(hù)和修理費(fèi)用。

同時(shí)，在進(jìn)一步開發(fā)過程中，通過持續(xù)不斷的控制質(zhì)量，新機(jī)型的總質(zhì)量比原機(jī)型減輕了約20 kg，從而進(jìn)一步增加了載貨車的有效載質(zhì)量。

8 全球試驗(yàn)

除了低的燃油耗之外，已經(jīng)證實(shí)OM47X柴油機(jī)的可靠性是其成功的決定性因素，因此為了確定進(jìn)一步開發(fā)的范圍，就要分析開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并將其集成到試驗(yàn)計(jì)劃中去，其中下列因素起著重要的作用：

(1)在開發(fā)遍及全球的OM47X柴油機(jī)平臺(tái)時(shí)重視通用件，因此市場(chǎng)的傳播性很好。

(2)這種發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)是歐洲、北美和亞洲地區(qū)工程師們國(guó)際合作的結(jié)果，共同協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)使得局部地區(qū)取得的經(jīng)驗(yàn)也可以被全球利用和解釋。

(3)全球各地點(diǎn)之間的定期經(jīng)驗(yàn)交流可確保試驗(yàn)和認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)能不斷地改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展。

因此，為了確保產(chǎn)品的品質(zhì)，將美國(guó)和歐洲野外長(zhǎng)時(shí)間行駛的用戶發(fā)動(dòng)機(jī)回購(gòu)，并精確地分析各個(gè)部件。發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)估按照國(guó)際規(guī)定進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)定，因而可以將美國(guó)、德國(guó)或日本的結(jié)果進(jìn)行比較。

為了確保從第一代到最新一代柴油機(jī)的可靠性，特別是確保新零部件及其功能方面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體考察。

試驗(yàn)按照國(guó)內(nèi)外各種不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以便盡可能充分利用各自的現(xiàn)有資源，也盡可能考慮到各個(gè)局部地區(qū)邊界條件的特殊性。在汽車上的可靠性考核大部分在南非和阿聯(lián)酋的阿布扎比進(jìn)行，在質(zhì)量高達(dá)100 t的汽車和高的外界溫度行駛，而按美國(guó)、德國(guó)和日本標(biāo)準(zhǔn)則在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行性能和耐久性試驗(yàn)。

9 結(jié)語和展望

在歐洲實(shí)施OM47X發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)之后4年進(jìn)行了首次進(jìn)一步開發(fā)，推出的最新一代OM471柴油機(jī)。為柴油機(jī)等級(jí)樹立了衡量燃油耗的標(biāo)準(zhǔn)，新型燃油耗比與原機(jī)型降低了3%，同時(shí)成功地將發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高到了390 kW，并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，質(zhì)量減輕了20 kg。這種進(jìn)一步開發(fā)的關(guān)鍵是由Daimler公司自己開發(fā)和享有專利權(quán)的空氣管理技術(shù)，有關(guān)這方面的內(nèi)容還將在第二部分中詳細(xì)探討。

范明強(qiáng) 譯自 MTZ， 2016， 77(6)

何丹妮 編輯

2016-07-13)