【日】 松崎智美 酒井二 池田卓史 飯村崇介

小型卡車(chē)用高效、清潔型柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)

五十鈴公司正致力于進(jìn)一步提高柴油機(jī)的效率及環(huán)保車(chē)輛的開(kāi)發(fā)，研制高效環(huán)保的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。此次推出小型卡車(chē)用高效清潔柴油機(jī)不僅能滿足日本后新長(zhǎng)期排放法規(guī)，而且獲得了低排放車(chē)輛的認(rèn)證。介紹了新發(fā)動(dòng)機(jī)在改善排放性能及燃油經(jīng)濟(jì)性方面采用的先進(jìn)技術(shù)及其概況。

排放法規(guī) 小型卡車(chē) 柴油機(jī) 排氣后處理 燃油經(jīng)濟(jì)性

0 前言

近年來(lái)，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(jià)格受世界政治形勢(shì)影響，對(duì)于商用車(chē)而言，燃油對(duì)于運(yùn)輸費(fèi)用的影響極大。包括日本在內(nèi)的先進(jìn)國(guó)家，混合動(dòng)力車(chē)(HEV)、電動(dòng)汽車(chē)等高價(jià)商用車(chē)仍未廣泛普及，柴油機(jī)依然是主要的商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。在此背景下，五十鈴汽車(chē)公司針對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)一步高效化展開(kāi)研究，致力于開(kāi)發(fā)兼顧環(huán)境性能與經(jīng)濟(jì)性能的柴油機(jī)，為低碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

為滿足2007年的新長(zhǎng)期排放法規(guī)要求，小型卡車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)總排量由4.8 L降為3.0 L，實(shí)現(xiàn)了小型化，用于2～3 t的裝載車(chē)輛，燃油耗等級(jí)首次達(dá)到了2015年度大型車(chē)燃油耗標(biāo)準(zhǔn)[1]。今后可在不損害使用方便性的前提下，達(dá)到后新長(zhǎng)期排放法規(guī)(PNLT)要求，且無(wú)需使用氮氧化物(NOx)后處理裝置[2]。相比于傳統(tǒng)型發(fā)動(dòng)機(jī)，新型發(fā)動(dòng)機(jī)改善了排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，本文介紹了其采用的技術(shù)及概況。

1 開(kāi)發(fā)的目標(biāo)

相比傳統(tǒng)型發(fā)動(dòng)機(jī)，新型4JJ1-TCS發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)有的“D-CORE”技術(shù)，并圍繞以下幾個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)：(1)頂級(jí)水平的低燃油耗；(2)全車(chē)型用發(fā)動(dòng)機(jī)系列取得低排放車(chē)輛認(rèn)證；(3)頂級(jí)水平的靜音性。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)概況

發(fā)動(dòng)機(jī)外觀如圖1所示。新型發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)輛(排氣為T(mén)2類(lèi)型)的主要技術(shù)規(guī)格，其性能曲線見(jiàn)圖2。

圖1 4JJ1-TCS發(fā)動(dòng)機(jī)外觀

項(xiàng)目傳統(tǒng)型發(fā)動(dòng)機(jī)新型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)型式4JJ1-JCS種類(lèi)、氣缸數(shù)、布置4沖程柴油機(jī),直列4缸,立式燃燒室形式直接噴射式總排量/L2.999缸徑/mm95.4行程/mm104.9最大功率(凈功率)/kW110(2800r/min)最大扭矩(凈扭矩)/(N·m)375(1400～2800r/min)壓縮比17.515.8配氣機(jī)構(gòu)雙頂置凸輪軸(DOHC)齒輪+鏈條驅(qū)動(dòng)2進(jìn)氣門(mén),2排氣門(mén)增壓系統(tǒng)帶中間冷卻器,2級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)共軌式噴油器規(guī)格(電磁閥式)G3S(柴油機(jī)顆粒捕集器)G4S柴油機(jī)氧化催化器排氣后處理裝置柴油機(jī)顆粒捕集器(DPD)+排氣管燃料噴射系統(tǒng)柴油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器(DOC)容量比(與原裝置比)1.01.4催化顆粒濾清器(CSF)容量比(與原裝置比)1.01.1排放水平滿足日本后新長(zhǎng)期(2010年)排放法規(guī)要求;獲得低排放車(chē)認(rèn)證(2009年);獲9個(gè)都縣市的指定低公害車(chē)“2009年優(yōu)秀低公害車(chē)”稱(chēng)號(hào)

圖2 4JJ1-TCS發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 壓縮比的最佳化

為了獲得全車(chē)型用發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算，根據(jù)燃燒形態(tài)采取了多種對(duì)策，以同時(shí)降低NOx和PM排放，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，采用了比原機(jī)型更低的壓縮比(圖3)，由此實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒[3]，同時(shí)降低燃燒溫度以降低NOx排放量。另外，得益于噴射時(shí)刻及多次噴射優(yōu)化，以及與燃燒室形狀的匹配，同時(shí)達(dá)到了改善燃油經(jīng)濟(jì)性的要求。

關(guān)于低溫起動(dòng)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(dòng)性。

圖3 由于壓縮比不同，NOx發(fā)生量比較(CFD解析)

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)[4]。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(dòng)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)。

圖4 噴油器結(jié)構(gòu)比較

圖5 滑動(dòng)面積和滑動(dòng)部位通過(guò)燃油比較

其結(jié)果使供油泵的平均驅(qū)動(dòng)扭矩降低約40%，極大地促進(jìn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。同時(shí)也可防止沉積物或雜質(zhì)混入系統(tǒng)滑動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向泵的改良[5]。活塞環(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(rùn)滑油缺乏問(wèn)題，由此使油環(huán)的張力降低25%，避免了機(jī)油消耗惡化現(xiàn)象，實(shí)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?dòng)力轉(zhuǎn)向泵，在中速和高速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無(wú)浪費(fèi)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(zhǎng)DPD過(guò)濾器的再生周期?？紤]車(chē)輛上DPD的配裝空間，設(shè)定了過(guò)濾器容量最小限度的增加量(表1)。另一方面，改進(jìn)了過(guò)濾器基體材料結(jié)構(gòu)，增加了過(guò)濾器每單位體積的PM堆積量。過(guò)濾器基體材料結(jié)構(gòu)具體的變更內(nèi)容見(jiàn)圖7。由于將過(guò)濾器基體材料結(jié)構(gòu)設(shè)定為非對(duì)稱(chēng)網(wǎng)格，在PM的捕集中，伴隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)及排氣壓力上升，發(fā)動(dòng)機(jī)油燃燒灰分的積累抑制了排氣壓力的上升，能夠確保長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)迫再生時(shí)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。

圖7 陶瓷過(guò)濾器結(jié)構(gòu)比較

在市區(qū)內(nèi)的零星貨物運(yùn)送(行駛距離短，且發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)和停止)方面，由于排氣溫度低，再生時(shí)間長(zhǎng)，容易導(dǎo)致燃油耗惡化。另外，過(guò)濾器的再生時(shí)間一般隨PM堆積量增加而延長(zhǎng)。而新型DPD過(guò)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(guò)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(shí)間也不會(huì)延長(zhǎng)。

圖8 新型DPD結(jié)構(gòu)說(shuō)明

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

圖9 再生周期的比較

圖10 再生時(shí)間與再生時(shí)燃油耗比較

3.5 增壓系統(tǒng)

本發(fā)動(dòng)機(jī)配裝包括2臺(tái)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)換式兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。系統(tǒng)由小容量的高壓級(jí)渦輪與大容量的低壓級(jí)渦輪構(gòu)成。為控制二級(jí)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(yùn)行區(qū)域轉(zhuǎn)換為二級(jí)增壓，而在中速-高速運(yùn)行區(qū)域則轉(zhuǎn)換為單級(jí)增壓。在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高增壓化。由此，使在整個(gè)運(yùn)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(dòng)機(jī)的原機(jī)排放性能。增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作狀態(tài)見(jiàn)圖11和圖12。對(duì)高壓級(jí)渦輪及低壓級(jí)渦輪的規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化，使其工作點(diǎn)處在渦輪高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域。

圖11 增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)

圖12 2級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(píng)價(jià)了增壓特性。結(jié)果表明在二級(jí)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。可變?nèi)~輪單渦輪增壓器規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)(滿足新長(zhǎng)期排放法規(guī))、原兩級(jí)渦輪增壓器規(guī)格發(fā)動(dòng)機(jī)和新型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放代表點(diǎn)的性能差異見(jiàn)圖13。

圖13 各發(fā)動(dòng)機(jī)的排放代表點(diǎn)的性能比較

3.6 靜音性能

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了低噪聲改進(jìn)。相比原發(fā)動(dòng)機(jī)，新型發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)得到了明顯的改善(圖14)。

圖14 原發(fā)動(dòng)機(jī)、新型發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲級(jí)的比較

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(dòng)機(jī)的環(huán)境負(fù)荷。關(guān)于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，在噪聲級(jí)的評(píng)價(jià)及五十鈴公司獨(dú)有的描述柴油機(jī)音質(zhì)的評(píng)價(jià)指數(shù)均表明，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)音質(zhì)也得到了改善，獲得高的評(píng)價(jià)(圖15)。

圖15 怠速運(yùn)轉(zhuǎn)音質(zhì)比較

3.7 小結(jié)

圖16 原發(fā)動(dòng)機(jī)、新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗改善率比較

利用上述改進(jìn)技術(shù)，使新開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)在全車(chē)型用發(fā)動(dòng)機(jī)型譜(系列)范圍獲得低排放認(rèn)證，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。尤其是在實(shí)用運(yùn)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(chē)燃油耗基準(zhǔn)值比以往提高1個(gè)等級(jí)，而對(duì)于采用怠速停止系統(tǒng)(ISS)的車(chē)輛，燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)一步提高1個(gè)等級(jí)(改善10%)。

綜上所述，新開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)通過(guò)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(chē)需求，能夠投放到全球市場(chǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)環(huán)境性能要求的提升及礦物燃料價(jià)格持續(xù)上升，對(duì)商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求會(huì)越來(lái)越高。特別是小型卡車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)效率是必然的。

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[2] 龜井孝彥ほか.いすべ11型エルフ搭載4JJ1-TC型デイゼルエソジソの紹介[J].いすべ技報(bào)，123：10-16.

[3] Minami T. Study for reduction of exhaust emission of direct injection diesel engine[C]. 25th ISATA Silver Jubilee International Symposium on Automotive Technology and Automation, 1992.

[5] 齋藤晴輝ほか.音質(zhì)メトリクスマツビソグによるイセヅェゾシゾ音の改善の試み[C].自動(dòng)車(chē)技術(shù)會(huì)論文集，2012，43(6)：1313-1319.

彭惠民 譯自 自動(dòng)車(chē)技術(shù)， 2015， 69(9)

許 蕾 編輯

《國(guó)外內(nèi)燃機(jī)》改刊聲明

為適應(yīng)市場(chǎng)變化，滿足廣大讀者和科技工作者的需求，以提供更好的服務(wù)，《國(guó)外內(nèi)燃機(jī)》將于2018年正式更名為《汽車(chē)與新動(dòng)力》。

《國(guó)外內(nèi)燃機(jī)》自1969年創(chuàng)刊以來(lái)，幾經(jīng)整合發(fā)展已近50載，為我國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)引進(jìn)、消化并吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，提高企業(yè)的自主研發(fā)能力作出了積極貢獻(xiàn)。隨著汽車(chē)行業(yè)高速式發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)與本刊創(chuàng)刊之初相比也發(fā)生了巨變，經(jīng)慎重考慮，本刊于2015年決定啟動(dòng)改刊更名計(jì)劃，已獲得國(guó)家新聞出版廣電總局的批準(zhǔn)，2018年將正式更名為《汽車(chē)與新動(dòng)力》。

《汽車(chē)與新動(dòng)力》雜志將繼續(xù)保持為廣大讀者和科技工作者提供更好服務(wù)為宗旨，以刊登更實(shí)用、更專(zhuān)業(yè)、更前沿的整車(chē)、整機(jī)及相關(guān)零部件的技術(shù)和應(yīng)用為主要內(nèi)容。同時(shí)，還將增加對(duì)行業(yè)的關(guān)注度，報(bào)道國(guó)內(nèi)外整車(chē)、整機(jī)及相關(guān)零部件技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)動(dòng)向。隨著雜志內(nèi)容擴(kuò)展調(diào)整，雜志欄目也相應(yīng)增加，主要分為新聞動(dòng)態(tài)、專(zhuān)題報(bào)道、前沿技術(shù)、原創(chuàng)論文等欄目，圍繞市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深入報(bào)道解析，并將市場(chǎng)應(yīng)用的前沿技術(shù)進(jìn)行及時(shí)分享，有助于讀者提前掌握技術(shù)市場(chǎng)信息，做出先于市場(chǎng)的技術(shù)判斷。

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2016-08-04)