國Ⅳ排放重型車用P型柴油機的開發

趙華

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

國Ⅳ排放重型車用P型柴油機的開發

趙華

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

為了滿足國Ⅳ和以后更高排放法規的要求，在現已批量生產的國Ⅲ排放重型車用A型柴油機的基礎上，對氣缸蓋、活塞、燃油噴射系統、潤滑系統和渦輪增壓器進行了優化改進，同時增加了SCR后處理系統，研制開發出了可滿足國Ⅳ排放法規的重型車用P型柴油機。試驗結果表明，該柴油機的電控高壓共軌系統和SCR后處理系統具有較好的應用適應性，滿足國Ⅳ排放法規。

柴油機SCR系統國Ⅳ排放開發

1 前言

隨著國Ⅳ排放法規的全面實施，國內各主要柴油機制造商也都積極應對。從國Ⅱ升級到國Ⅲ，只需對柴油機采用機內凈化技術即可達到國Ⅲ排放要求，如采取單體泵、泵噴嘴、電控高壓共軌和增壓中冷等技術；但是從國Ⅲ升級到國Ⅳ，除了機內凈化技術外，還必須采取機外凈化技術。

從機外凈化的角度看，由于柴油機國Ⅳ階段面臨的首要問題是同時降低NOx和PM排放，主要技術路線有兩條：（1）改變柴油機控制策略，以增大NOx的原始排放為代價，降低PM原始排放，然后采用SCR后處理系統處理掉過多的NOx，從而達到排放法規標準；（2）采用EGR技術，控制燃燒溫度和含氧量，以增大PM的原始排放為代價，降低NOx原始排放，然后采用DOC、POC和DPF后處理裝置中的一種或某兩種組合，處理掉過多的PM，從而達到排放法規標準。

2 開發目標和總體布置

國Ⅳ柴油的含硫量上限是50 mg/kg，而現階段在我國還很難實現國Ⅳ柴油的全國供應，采用EGR技術的柴油機，含硫量較高的廢氣再循環會加劇腐蝕氣缸及相關零部件，并且硫被DOC和POC氧化形成的SOF本身就是柴油機排放污染物PM的重要組成部分；而且裝備EGR系統柴油機的整車比SCR系統柴油機的整車油耗高5%左右?？紤]以后國Ⅴ和更高排放法規的實施，采用EGR的柴油機升級難度較大，而SCR后處理系統對燃油中的含硫量不敏感，后續再升級難度小，燃油經濟性足以彌補增加的尿素溶液的成本?？紤]到上述2個因素，我公司采用了SCR后處理路線，在目前已經批量生產、國Ⅲ排放A型柴油機的平臺上，不改變現行的生產工藝和主要零部件，僅對發動機本體做出局部更改，增加SCR后處理系統，研制開發出排放可達國Ⅳ法規的重型車用P型柴油機。既滿足了國家排放法規的要求，為企業增加了效益，又為國家國民經濟協調發展和環境保護做出了積極的貢獻。

A型和P型柴油機的主要技術指標及P型柴油機的開發目標見表1。

表1 A型和P型柴油機的主要技術指標

國Ⅳ排放P型柴油機是以現在已批量生產的國Ⅲ排放A型柴油機為基礎，僅對發動機本體做出局部更改，增加SCR后處理系統等開發而成。發動機外圍零部件和整車的搭載不做較大調整，以便整車和升級后的P型柴油機搭載盡可能地與A型柴油機通用，實現整車滿足國Ⅳ排放法規；同時可縮短研制周期，降低生產成本。電控單元（DCU）安裝在車輛上，也可安裝在發動機本體上。P型國Ⅳ排放柴油機的總體布置如圖1所示。

圖1 P型柴油機外形圖

3 零部件設計開發

3.1 氣缸蓋

降低氣缸蓋進氣道的渦流比，這樣可使預混合氣更加均勻稀薄，可降低燃燒溫度，從而降低排放物中的NOx；同時由于氣缸內混合氣均勻，無局部過濃混合氣，可使PM排放有所降低。

3.2 活塞

重新設計活塞，壓縮比由17降低到16，更改燃燒室形狀，使燃燒室凹坑內產生較大渦流，減少渦流死區，有利于降低PM。

3.3 燃油噴射系統

應對國Ⅳ排放法規對高壓燃油泵提出了更高的要求，燃油噴射壓力由現在的160 MPa提高到180 MPa。采用高軌壓和小孔徑噴嘴，在爆壓限值條件下調整噴油定時。噴油器高速電磁閥執行機構改為壓電陶瓷執行器，以減小執行器響應時間，可實現缸內多次噴射，優化缸內燃燒。

3.4 潤滑系統

柴油機尾氣排放中的PM除了燃油燃燒產生以外，機油產生的PM也占相當部分。竄入燃燒室中不完全燃燒的機油隨尾氣排出，是形成柴油機排放冒藍煙的重要組成部分。為了防止和減少機油竄入燃燒室，通過改進潤滑油系統設計、減少活塞裙部間隙、優化活塞、活塞環和氣缸表面的設計、提高氣缸套圓度、改進氣門桿部密封性能等措施，來減少機油竄入燃燒室。

3.5 渦輪增壓器

更改增壓器，增大空氣供給量，提高氣缸內平均有效壓力、過量空氣系數和整個循環的平均溫度；從而改善了發動機碳煙排放和燃油消耗率，可使柴油機顆粒狀物質的排放量降低10%左右，并減少了CO和HC的排放。

3.6 SCR后處理系統

SCR后處理系統由催化消聲器、噴嘴、計量噴射泵、尿素罐、電控單元及相應管路和線束組成，如圖2所示。催化消聲器內裝有SCR催化器芯子和消聲管路，主要作用是催化氮氧化物的還原反應，防止氨氣泄漏和降低發動機的排氣噪聲。噴嘴作用是將計量噴射泵送來的尿素溶液和空氣混合物順流噴入排氣管，并使噴出的尿素水溶液均勻霧化。計量噴射泵作用是將尿素溶液按照需求量送到噴嘴，然后噴入排氣管。尿素罐主要用于盛裝尿素，安裝有液位傳感器和溫度傳感器，可感應尿素液面高度和溫度。電控單元（DCU）控制整個后處理系統的工作，包括傳感器信號的處理，尿素溶液噴射量的計算和各種執行器的控制；并通過CAN總線與發動機ECU通訊，獲取發動機運行參數；根據催化器的溫度信號，計算出尿素溶液噴射量，控制噴嘴噴射適量的尿素溶液到發動機排氣管中。

圖2 SCR系統的構成

圖3是電控單元（DCU）外觀，安裝布置時要考慮周圍溫度、振動條件需要達到要求，而且需要防水。

4 P型國Ⅳ柴油機性能試驗

4.1 動力性和經濟性

從圖4的柴油機外特性試驗曲線可以看到，P型柴油機標定功率可以達到259 kW，最大扭矩可達到1 488 N·m，標定工況1 900 r/min時的燃油消耗率小于215 g/(kW·h)。各項性能指標完全符合當初的設計值。

隨機選擇了4臺樣機，在試驗臺架上進行外特性試驗。整個試驗臺架、環境狀況和試驗工況均相同，具有可比性。測定了樣機的功率、扭矩、燃油消耗率等參數。4臺樣機的試驗結果完全符合圖4外特性曲線，偏差都在設計允許值內。

圖3 電控單元（DCU）外形圖

圖4 國Ⅳ排放P型柴油機外特性曲線

4.2 發動機排放

在天津汽車檢測中心對P型柴油機進行了ESC和ETC排放認證檢測試驗，試驗結果如表2和表3所示。由表2和表3可見，開發結果完全滿足國Ⅳ排放法規（GB 17691－2005）。

4.3 整機可靠性試驗

隨機選擇了2臺國Ⅳ排放P型柴油機樣機，按照企業標準，進行了1 500 h發動機可靠性試驗，試驗內容如表4所示。試驗結果表明，P型柴油機主要零部件和獨立總成經受住了嚴格而苛刻的可靠性考核，可靠性滿足設計要求。

表2 P型柴油機ESC排放試驗結果

表3 P型柴油機ETC排放試驗結果

表4 可靠性試驗內容

國Ⅳ排放P型柴油機所有重要主部件都經過FMEA分析。懸置的零部件及管路都布置有支撐。燃油管路和機油管路的支撐具有減小振動和避免磨損的功能，并進行了整機的應力試驗。整機應力試驗圖如圖5所示。

圖5 整機應力試驗圖

4.4 發動機搭載整車后的“三高”試驗

4.4.1 高寒試驗

P型柴油機搭載在廣汽日野12 m客車上。車輛按照額定載荷滿載，在黑龍江黑河地區進行低溫試驗。試驗環境的最低溫度為-36.5℃，主要考察后處理系統解凍功能及發動機和整車匹配后在低溫條件下能否正常工作。試驗結果表明尿素箱和尿素供給單元可以成功解凍，后處理系統工作正常，整車可在高寒地區持續正常工作。

4.4.2 高溫試驗

P型柴油機搭載在三一重工的一輛12 m3水泥攪拌車上。車輛按照額定載荷滿載，在海南三亞五指山進行高溫試驗。試驗環境的最高溫度為42℃，主要考察高溫條件下后處理系統能否正常工作，性能能否滿足設計要求。試驗結果表明發動機及后處理系統能夠在高熱地區正常工作。

4.4.3 高原試驗

P型柴油機搭載在三一重工的一輛12 m3水泥攪拌車上。車輛按照額定載荷滿載，在云南香格里拉進行高原試驗。試驗車中最高海拔為4 600 m，主要考察高海拔條件下發動機及后處理系統的功能是否正常，發動機各項指標是否滿足設計要求。試驗結果表明發動機及后處理系統能在高海拔條件下正常工作。

5 結論

在已批量生產的國Ⅲ排放重型車用A型柴油機的基礎上，不需要做太大的改動就可以成功研制出國Ⅳ排放重型車用P型柴油機；且高壓共軌系統和SCR后處理系統具有良好的應用適應性。柴油機零部件不需要做大的改動，便可以實現共線生產。既節約了設備投資，加快了研制周期，又為快速推向市場，為實現批量化奠定了基礎。

發動機經過性能試驗、排放試驗、可靠性試驗以及發動機搭載整車后的“三高”試驗。試驗結果表明，國Ⅳ排放重型車用P型柴油機達到了預定的設計目標，滿足國Ⅳ排放法規要求；動力性和經濟性滿足設計要求；排氣煙度較低，耐久試驗后性能穩定可靠，后處理系統性能穩定。

隨著我國排放法規日趨嚴格，國Ⅳ重型車用P型柴油機的應用將更加寬廣，可以升級滿足更高排放法規的要求。既為公司產品技術升級儲備奠定了基礎，又為國家節能減排和促進國民經濟持續協調健康快速發展做出應有的貢獻。

Development of ChinaⅠⅤHeavy-DutyⅤehicle Diesel Engine of Model P

Zhao Hua
（Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China）

To meet the requirements of ChinaⅠⅤand higher emission legislation in the future,ChinaⅠⅤheave-duty vehicle diesel engine of model P has been developed based on ChinaⅠⅠⅠcompliant heave-duty vehicle diesel engine of model A produced on volume basis by optimizing cylinder head,piston,fuel injection system,lubrication system and turbocharger,and adding SCR system.The development result shows that the electronically controlled common rail system and SCR system have good suitability in application and improve the performance of the new engine,making it meet the China-ⅠⅤemission legislation.

diesel engine,SCR system,ChinaⅠⅤemission,development

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.001

來稿日期：2013-12-12

趙華（1975-），男，工程師，主要研究方向為發動機設計與試驗。