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        車用柴油機(jī)的市場(chǎng)趨勢(shì)與技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

        2019-01-03 06:17:24小林弘晃
        汽車與新動(dòng)力 2018年6期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        【日】 小林弘晃

        0 前言

        日本自2016年10月起對(duì)重型貨車(總質(zhì)量超過3.5t)實(shí)施嚴(yán)格的排放法規(guī)。此后由各汽車制造商研制的滿足最新排放法規(guī)要求的新型發(fā)動(dòng)機(jī)也陸續(xù)投放市場(chǎng)(表1)。

        表1 2016年日本汽車制造商發(fā)布、銷售的柴油機(jī)技術(shù)規(guī)格

        在當(dāng)前背景下,五十鈴汽車公司發(fā)布并銷售了一款新型的7.8L柴油機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)滿足日本最新排放法規(guī)要求與2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)作為一款大型卡車用發(fā)動(dòng)機(jī),也在不斷追求小型化。

        在北美市場(chǎng),新型發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)布及銷售情況呈增長(zhǎng)趨勢(shì),如輕型貨車用的高功率柴油機(jī)。此外,在中型、重型貨車、城市客車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,為滿足2017年聯(lián)邦溫室氣體排放法規(guī)(GHG17),正在開發(fā)降低CO2排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性的新機(jī)型。

        1 日本柴油機(jī)市場(chǎng)動(dòng)向

        1.1 市場(chǎng)概況

        (1)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)

        近年來,由歐洲各乘用車制造商面向日本汽車市場(chǎng)投放的柴油機(jī)數(shù)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。而在2016年,日本國(guó)內(nèi)的汽車制造商沒有公布或銷售新型柴油機(jī)。

        (2)商用車發(fā)動(dòng)機(jī)

        五十鈴汽車公司于2015年在東京汽車展覽會(huì)上展出的樣機(jī)是一款大型卡車用柴油機(jī)。該公司上市并銷售了7.8L的6NX1-TCS發(fā)動(dòng)機(jī)。

        1.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)的特征

        五十鈴汽車公司推出的6NX1-TCS發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1),應(yīng)用于重型貨車“Giga”上。該機(jī)型以6HK1發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型,是一款全新研制出的輕量化、布置緊湊的小型發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)型除了滿足日本最新排放法規(guī)與2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)之外,相比傳統(tǒng)的大型卡車用發(fā)動(dòng)機(jī)仍具備一定的優(yōu)勢(shì)。采用小排量的同時(shí),采用兩級(jí)渦輪增壓器,在2 000r/min的轉(zhuǎn)速下達(dá)到250kW的最大功率,在1 300r/min的轉(zhuǎn)速下達(dá)到1 422N·m 的最大扭矩。該機(jī)型在從低速到高速的寬廣旋轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了平穩(wěn)的扭矩特性。另一方面,為了避免由于排量小而引起發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)問題,采用了具有專用凸輪型線的發(fā)動(dòng)機(jī)減速器。此外,為削減怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃油耗,該機(jī)型配備了怠速停止-起動(dòng)系統(tǒng)Ecostop,以及柴油顆粒過濾器(DPF),并采用了排氣管噴射的碳?xì)浠衔铮℉C)清除裝置等技術(shù)。同時(shí)采用了與已經(jīng)上市銷售的9.8L6UZ1發(fā)動(dòng)機(jī)相同的配件。

        圖1 五十鈴公司6NX1-TCS柴油機(jī)

        2 國(guó)外汽車市場(chǎng)動(dòng)向

        2.1 市場(chǎng)概況

        (1)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)

        歐洲乘用車制造商已向市場(chǎng)推出滿足歐6排放法規(guī)要求的產(chǎn)品。2016年發(fā)布了新機(jī)型,銷量較為可觀。就面向東南亞及北美市場(chǎng)銷售的小型貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)而言,制造商發(fā)布并銷售了多款滿足市場(chǎng)需求,同時(shí)力求改善燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的新機(jī)型。

        (2)商用車發(fā)動(dòng)機(jī)

        在北美汽車市場(chǎng),為滿足GHG17法規(guī)要求,參考原機(jī)型,重新評(píng)審增壓器以及超高壓燃油噴射的應(yīng)用。而且,采用裝備了電控可變機(jī)構(gòu)的機(jī)油泵及水泵,通過降低摩擦來改善燃油經(jīng)濟(jì)性。制造商已公布并銷售了多款大中型卡車用的改良機(jī)型(表2)。

        2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)特征

        2.2.1 五十鈴公司RZ4E-TC發(fā)動(dòng)機(jī)

        圖2 五十鈴公司RZ4E-TC發(fā)動(dòng)機(jī)

        該款發(fā)動(dòng)機(jī)是面向日本海外市場(chǎng)推出的作為小型貨車“D-MAX”用的新機(jī)型。這是一款1.9L,4缸雙頂置凸輪軸(DOHC)發(fā)動(dòng)機(jī)(圖2)。該機(jī)型在轉(zhuǎn)速3 600r/min下最大功率為112kW,在轉(zhuǎn)速1 800~2 600r/min時(shí)最大扭矩達(dá)350N·m。作為4JK1 2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)機(jī)型,利用小型化以實(shí)現(xiàn)輕量化,同時(shí)通過提高平均有效壓力力求改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

        2.2.2 美國(guó)通用汽車公司(GM)Duramax L5P發(fā)動(dòng)機(jī)

        這款發(fā)動(dòng)機(jī)作為北美市場(chǎng)的GMC及Chevrolet等輕型貨車用發(fā)動(dòng)機(jī),以LML發(fā)動(dòng)機(jī)為原機(jī)型,進(jìn)而重新設(shè)計(jì)的V型8缸、頂置氣門(OHV)的6.6L發(fā)動(dòng)機(jī)(圖3)。設(shè)計(jì)過程中重新測(cè)量了曲軸軸頸直徑以及曲軸銷的直徑。并采用4根螺栓牢固連接主軸承蓋,同時(shí)利用立體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化及噴嘴可變截面(VG)渦輪增壓器的參數(shù)優(yōu)化以提高增壓壓力。該機(jī)型在轉(zhuǎn)速1 600r/min下最大扭矩達(dá)1 234N·m,(相比原機(jī)型增加了19%的扭矩)。另一方面,在柜罩上部用泡沫橡膠進(jìn)行隔噪,怠速運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲相比原有樣車降低了38%。

        表2 2016年國(guó)外市場(chǎng)上發(fā)布、銷售的柴油機(jī)技術(shù)規(guī)格

        圖3 GM Duramax L5P柴油機(jī)

        2.2.3 Cummins 5.0LV8Turbo Diesel發(fā)動(dòng)機(jī)

        “TITAN DX”車用發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)由Cummins公司研制,并配裝于日產(chǎn)汽車公司的輕型貨車。該機(jī)型是以原有的ISV 5.0L發(fā)動(dòng)機(jī)為原機(jī)型并全新設(shè)計(jì)的V型8缸DOHC 32氣門發(fā)動(dòng)機(jī),由于采用了高壓共軌噴油系統(tǒng)(HPCR)以及重新采用了Cummins公司的兩級(jí)渦輪增壓器等技術(shù),在轉(zhuǎn)速3 200r/min下達(dá)到最高功率231kW。此外,采用了兩級(jí)燃油濾清系統(tǒng),同時(shí)濾除燃油中的污染物,力求提高共軌噴油系統(tǒng)的可靠性。

        圖4 Cummins公司5.0LV8Turbo Diesel發(fā)動(dòng)機(jī)

        2.2.4 Cummins L9發(fā)動(dòng)機(jī)

        該機(jī)型為北美市場(chǎng)的中型貨車用發(fā)動(dòng)機(jī),和原機(jī)型ISL9一樣,采用Cummins公司制造的VG渦輪增壓器及高壓共軌噴油系統(tǒng)(XPI),同時(shí)滿足GHG17法規(guī)要求。此外,采用了配備有電信與信息處理裝置的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)(CDS),力求提高運(yùn)行管理及服務(wù)水平。

        2.2.5 Cummins X15發(fā)動(dòng)機(jī)

        該機(jī)型是用作北美市場(chǎng)大型貨車用發(fā)動(dòng)機(jī),涵蓋功率及扭矩特性不同的兩種型譜:Performance系列及Efficiency系列(圖5)。與原機(jī)型ISX15相比,由于優(yōu)化了壓縮比、凸輪型線、VG渦輪增壓器,以及燃油噴射壓力等技術(shù),進(jìn)而可以滿足GHG17法規(guī)要求。與L9柴油機(jī)相同,該機(jī)型采用了遠(yuǎn)距離診斷系統(tǒng)。

        圖5 Cummins X15柴油機(jī)

        2.2.6 Detroit Diesel DD5發(fā)動(dòng)機(jī)

        該機(jī)型為Freightliner公司供給北美市場(chǎng)的中型貨車M2用發(fā)動(dòng)機(jī),原機(jī)型為 Mercedes-Benz公司的OM934發(fā)動(dòng)機(jī),并力求滿足GHG17法規(guī)要求,是一款4缸DOHC 16氣門的5.1L發(fā)動(dòng)機(jī)(圖6)。由于采用了小排量結(jié)構(gòu),同時(shí)使用兩級(jí)渦輪增壓器,可在2 200 r/min轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大功率172kW,在1 400r/min轉(zhuǎn)速下達(dá)到扭矩895N·m。此外,與OM934發(fā)動(dòng)機(jī)相似,作為DPF再生時(shí)的排氣升溫裝置,采用了可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)、壓縮式發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)裝置,以及遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng),力求提高運(yùn)行管理及服務(wù)質(zhì)量。

        圖6 Detroit Diesel DD5柴油機(jī)

        2.2.7 Mercedes-Benz OM470發(fā)動(dòng)機(jī)

        該機(jī)型于2015年生產(chǎn)并配裝于Second Genera-tion車(圖7),同時(shí)滿足歐6排放法規(guī)要求,與排量可達(dá)12.8L的OM471發(fā)動(dòng)機(jī)相似,均采用增壓式共軌噴油系統(tǒng)(X-Pulse),其最高噴油壓力可達(dá)270MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置非對(duì)稱式渦輪增壓器,并重新評(píng)估擋板式廢氣再循環(huán)(EGR)閥的位置。此外,由于壓縮比增大及燃燒室形狀的優(yōu)化,進(jìn)一步改善了燃油耗。另外,取消了EGR壓差傳感器,以及DPF再生時(shí)的非對(duì)稱噴射等設(shè)定,力求提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

        圖7 Mercedes-Benz OM470發(fā)動(dòng)機(jī)

        2.2.8 Volvo D11、D13及 Mack MP7發(fā)動(dòng)機(jī)

        這幾款發(fā)動(dòng)機(jī)作為北美市場(chǎng)的大型貨車用發(fā)動(dòng)機(jī),在原機(jī)型上增加采用了組合式噴油器的燃油泵,同時(shí)采用最高噴油壓力為240MPa的共軌噴油系統(tǒng)(圖8)、波形圖案的燃燒室(圖9)、雙速水泵及調(diào)速風(fēng)扇等設(shè)備,可有效改善燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)上還配備有復(fù)合渦輪增壓器,功率提高了37kW,燃油耗改善了6.5%。

        圖8 Volvo Trucks公司D11柴油機(jī)

        2.2.9 Paccar MX-11和 MX-13柴油機(jī)

        這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變?nèi)萘啃蜋C(jī)油泵、調(diào)速水泵、新型單缸壓氣機(jī)及低速工況下的高扭矩等技術(shù),對(duì)燃油耗進(jìn)行改善(圖10)。同時(shí),使MX-13發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率提高到380kW,MX-11發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩提高到2 237N·m,同時(shí)采用遠(yuǎn)程診斷功能,力求提高運(yùn)行管理與服務(wù)性能。

        圖9 波形圖案的燃燒室

        圖10 Paccar MX-11柴油機(jī)

        3 柴油機(jī)開發(fā)動(dòng)向

        針對(duì)進(jìn)一步改善大氣污染的目標(biāo),日本國(guó)內(nèi)的柴油車排放法規(guī)也在向歐美國(guó)家逐年趨近。同時(shí)開始實(shí)施2016年排放法規(guī),氮氧化物(NOx)的法規(guī)限值在逐漸收緊。

        另一方面,為達(dá)到原有的燃油耗標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性,這對(duì)于配裝柴油機(jī)的車輛會(huì)要求更加嚴(yán)格。

        為滿足上述要求,如增大燃油噴射壓力,提高增壓器性能,以及利用兩級(jí)渦輪增壓以達(dá)到高增壓壓力,重新評(píng)估燃燒室形狀及EGR參數(shù)的優(yōu)化。利用銅-選擇性催化還原系統(tǒng)(Cu-SCR)以提高NOx轉(zhuǎn)化率,通過裝備了電控可變機(jī)構(gòu)的輔機(jī)以降低摩擦。另外,可以預(yù)測(cè)與多級(jí)變速器相配套的發(fā)動(dòng)機(jī)通過低轉(zhuǎn)速化、小型化等技術(shù),使低燃油耗技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展。

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