【日】 菅野哲也 茨木邦和 清水隆治 安部栄一 堀內(nèi)裕史 佐野貴弘 山崎敏明
近年來(lái),為了滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,以及不斷降低燃油耗與提升駕駛性能的技術(shù)要求,針對(duì)重型貨車用柴油機(jī)而開(kāi)展的研發(fā)工作主要包括減少高速行駛工況所占的時(shí)間比例及采用發(fā)動(dòng)機(jī)小型化技術(shù)。而且,為了卓有成效地滿足上述要求,必須進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化及高功率化。圖1示出了日本本土大型貨車用柴油機(jī)的平均有效壓力(BMEP)的逐年變化。
圖1 日本重型貨車用柴油機(jī)小型化的發(fā)展趨勢(shì)
本文介紹了由日野汽車公司新開(kāi)發(fā)的可滿足2016年日本排放法規(guī)要求的重型貨車用全新A09C型柴油機(jī)設(shè)計(jì)理念及其采用的相關(guān)技術(shù)。
表1示出了新型A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格,圖2示出了該型發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀。
表1 新型A09C發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格
圖2 全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)
為了充分滿足日本、美國(guó)、歐洲等地的最新排放法規(guī)要求,并實(shí)現(xiàn)較高的燃油經(jīng)濟(jì)性,專門設(shè)計(jì)了能耐受較高燃燒壓力及較高熱負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。
作為發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu),為了最大限度地實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),同時(shí)為了滿足各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的排放法規(guī)要求,燃油噴射系統(tǒng)、增壓器、EGR裝置、排放后處理系統(tǒng)等排放模塊零件均采用了更易于變更的結(jié)構(gòu)。
為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)在各種使用工況下的可靠性并提升機(jī)油泵及水泵的流量穩(wěn)定性等,需著力改善其可靠性。
全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)型相比,其最大扭矩提高13%,而且由于改善了中、高轉(zhuǎn)速區(qū)的動(dòng)力性能,從而進(jìn)一步使扭矩提高6%(圖3)。
圖3 全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)與原A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線對(duì)比
并且,選用的差速器齒輪減速比較為合適,確保了與配裝有E13C型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型相比毫不遜色的動(dòng)力性能(圖4)。
圖4 配裝全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)與E13C發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛運(yùn)行性能比較
發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的一大弊端是起動(dòng)性能較差,通過(guò)變速器的變速比以及差速器齒輪減速比的選定,確保其起動(dòng)性能得以顯著改善。
關(guān)于燃油耗,配裝有A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型,由于與具有12檔變速功能的自動(dòng)機(jī)械式變速器(AMT)相組合,其燃油耗比2015年度重型車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)改善達(dá)10%,配裝有A09C型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型被列為了減少稅費(fèi)的車型之一,其汽車購(gòu)置稅、汽車質(zhì)量稅均減少達(dá)75%(圖5)。
圖5 燃油效率的比較
為力求提高BMEP,新型A09C發(fā)動(dòng)機(jī)采用了兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)(圖6),可以使發(fā)動(dòng)機(jī)從低轉(zhuǎn)速區(qū)域到高轉(zhuǎn)速區(qū)域均獲得較高的增壓壓力。
圖6 兩級(jí)渦輪增壓及旁通閥結(jié)構(gòu)
由于在高壓級(jí)、低壓級(jí)均采用了通用型渦輪,相比傳統(tǒng)的可變噴嘴式渦輪,削減了高溫下處于滑動(dòng)狀態(tài)的零件數(shù)量,隨著B(niǎo)MEP的提高,力求提高其耐受熱負(fù)荷的能力。此外,作為控制排氣流量的裝置,在高壓級(jí)與低壓級(jí)的渦輪之間,通過(guò)電子控制方式對(duì)旁通閥進(jìn)行無(wú)級(jí)控制。圖7示出了系統(tǒng)的示意圖。
圖7 全新A09C發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)示意圖
高壓級(jí)、低壓級(jí)渦輪及其壓氣機(jī)的容量并不完全相同。如圖8所示,通過(guò)旁通閥的切換控制,壓氣機(jī)的壓力比在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域的高壓級(jí)和發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)域的低壓級(jí)的比例有所提高。相比單級(jí)渦輪的增壓方式,該切換控制能在更廣泛的轉(zhuǎn)速區(qū)域有效增加空氣量,使得利用負(fù)荷分散方式以提高可靠性成為了可能。
圖8 在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷中低壓級(jí)和高壓級(jí)的壓力比
排氣歧管與高壓級(jí)渦輪機(jī)殼的連接部分被設(shè)定為分離了1~3號(hào)氣缸與4~6號(hào)氣缸的雙入口結(jié)構(gòu)。如圖9所示,渦輪機(jī)殼內(nèi)的旁通回路也是在旁通閥前端進(jìn)行分離,因此,氣缸之間通常不會(huì)發(fā)生干涉,為此可回收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道的脈沖能,主要對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)低速工作區(qū)域的渦輪效率有較好的改善效果。
而且,在低壓級(jí)與高壓級(jí)之間,采用了全新的中冷器,隨著高壓級(jí)壓氣機(jī)入口溫度的降低,力求提高渦輪的可靠性與增壓系統(tǒng)的效率(圖10)。
圖9 高壓級(jí)渦輪機(jī)殼體
圖10 用于高壓級(jí)壓氣機(jī)的中冷器所起的作用
旁通閥(圖11)主要在工作氣體流量增加的發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷及高轉(zhuǎn)速工況下工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)的中、低負(fù)荷工況下及發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況下處于完全關(guān)閉的狀態(tài)。在完全關(guān)閉狀態(tài)下所占的工作時(shí)長(zhǎng)比例較高(圖12)。這時(shí)來(lái)自旁通閥的泄漏量直接關(guān)系到渦輪工作氣體流量以及EGR率的降低,因此,減少泄漏量已成為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素。
圖11 旁通閥結(jié)構(gòu)
旁通閥由于可對(duì)大流量氣體進(jìn)行分流處理,因此通常會(huì)采用蝶式結(jié)構(gòu)。然而在復(fù)雜多變的使用環(huán)境下,由于熱膨脹導(dǎo)致密封部件之間的間隙變化較大,在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)區(qū)域?qū)⑿孤┝恳种圃谧钚∠薅葍?nèi)通常是較為困難的。
圖12 旁通閥控制圖
因此,在使密封部件間隙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的同時(shí),通過(guò)采用圖13所示的在機(jī)座面上裝入閥門的截?cái)嗫刂品绞剑瑢?shí)現(xiàn)了旁通閥的完全關(guān)閉,整個(gè)區(qū)域的泄漏量有所降低。
圖13 旁通閥全關(guān)閉控制
為了力求降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦損失,A05C型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)率先在氣缸套的內(nèi)圓面內(nèi)采用了微凹網(wǎng)紋處理工藝,新開(kāi)發(fā)的A09C發(fā)動(dòng)機(jī)上也采用了該工藝。由此,減少流體潤(rùn)滑區(qū)域的滑動(dòng)面積,緩解了由于機(jī)油的分散流動(dòng)而導(dǎo)致的摩擦現(xiàn)象(圖14)。
為適應(yīng)高功率化,在不改變水泵外徑尺寸的前提下,通過(guò)使水泵葉片形狀最佳化,在提高帶輪傳動(dòng)比的同時(shí),冷卻水量提高達(dá)10%左右(圖15)。
繼續(xù)采用柴油機(jī)排氣微粒減少裝置(DPR)+帶尿素噴射的選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR),由于SCR的容量提升及其催化劑的改良,使尿素消耗量被抑制在最小限度以內(nèi),并且力求提高氮氧化物(NOx)的處理效果,滿足了相關(guān)排放法規(guī)要求。圖16示出了DPR+帶尿素噴射SCR消聲器的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖14 微凹網(wǎng)紋處理的詳細(xì)說(shuō)明[1]
圖15 現(xiàn)有水泵與全新水泵之間葉片形狀的比較
圖16 DPR及SCR消聲器的布置
在不改變消聲器外觀形狀的條件下可使催化劑的配置最佳化,相比于以往SCR的容量得到了相應(yīng)提升。
在SCR催化劑的改良過(guò)程中,由于傳統(tǒng)型催化劑在高溫區(qū)域的凈化效果較差,因此,采用了從低溫區(qū)域到高溫區(qū)域可以獲得具有較高凈化性能的新型催化劑(圖17)。
圖17 SCR催化劑的特性曲線
全新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的A09C型柴油機(jī)已配裝于日野汽車公司開(kāi)發(fā)的名為“Profia”的重型貨車上。今后仍將持續(xù)開(kāi)展市場(chǎng)調(diào)研,征求客戶的意見(jiàn)與建議,謀求進(jìn)一步提高該款發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及可靠性。