五十鈴小型商用車用柴油機的開發

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0 前言

五十鈴汽車公司進行了小型商用車用新型1.9 L RZ4E型柴油機的開發。該款發動機為五十鈴公司下一代小型商用車的基本發動機。為提高燃油經濟性，對該機型進行了縮缸強化，排量從原來的2.5 L減小到1.9 L。在深入調查了市場需求和客戶使用要求后，對包括發動機缸心距在內的總體結構進行了重新設計。為滿足各國排放法規，從降低燃油耗著手，重新進行了開發。并首次將該發動機配裝在輕型貨車D-MAX上[1-2](圖1)，以及運動型多功能車MU-X上，相比以往車型CO2排放量削減了19%。

本文介紹了新開發的RZ4E發動機的技術概況，以及滿足歐4排放法規要求的技術概況。

圖1 輕型貨車D-MAX

1 RZ4E發動機開發目標

新款RZ4E發動機的開發目標如下：

(1) 頂級的燃油經濟性能，并有效降低CO2排放量；

(2) 在確保起步和加速性能的同時，實現發動機高可靠性的目標；

(3) 改善噪聲，達到頂級靜音水平；

(4) 基于模塊化設計，采用局部裝配(預裝配)的方式，削減裝配工時；

(5) 利用基于模型的產品開發(MBD)理念以提高開發效率；

(6) 設計中需考慮到保障運轉的可維修性。

2 發動機主要技術規格

表1列出了供應泰國市場的新款RZ4E型發動機與原機型的主要技術規格的比較。

3 發動機概況

圖2示出了RZ4E型發動機的概況，圖3示出了RZ4E型發動機性能曲線。

表1 RZ4E型發動機與原機型主要技術規格

圖3 RZ4E型發動機性能曲線

3.1 兼顧提高熱效率與排放性能

圖4 燃燒室形狀

為了更好的提高熱效率并改善排放性能，需要使燃燒室形狀達到最佳化。圖4示出了RZ4E型發動機的燃燒室形狀。

從壓縮比看，新款發動機在抑制最高燃燒壓力的同時，需要實現與原機型相等或比原機型更優越的功率特性。而且，考慮到實際的熱效率和排放性能，選擇的最佳壓縮比為16.5。要使混合氣形成的燃油噴霧距離，可以順利地擴展到燃燒室的唇口，在燃燒室唇口部設置了階梯差，這樣可以充分地利用擠氣區的空間。

為確定燃燒室的具體形狀，利用計算流體動力學(CFD)進行了分析。在原機型上采用的燃燒室凹坑形狀，噴霧混合氣滯留于燃燒室底部的球形腔，形成局部的濃混合氣。對RZ4E型發動機進行了設計優化，在燃燒室底部球形腔及燃燒室中央頂部設定為圓滑連接的輻射螺旋線(回旋曲線)，通過抑制噴霧混合氣的失速，以提高氣缸中央部的空氣利用率(圖5)。

圖5 按燃燒室不同形狀的CFD分析

圖6 降低機械損失采用的技術措施

利用減少排量的方法來降低機械損失，并通過RZ4E型發動機零件單體試驗，以及與發動機的摩擦測試，進行效果驗證，并采用了其他降低機械損失的附加措施(圖6)。

在確保各組件必要流量下，考慮到冷卻回路的最優化與降低各零件的壓力損失，并削減水泵的流量，實現了水泵驅動力的降低。結果表明，這種方法確保了水泵的耐久性和可靠性，同時與原機型相比，在轉速2 000 r/min范圍內，機械損失降低了37%(圖7)。

圖7 與原機型的機械損失比較

此外，要降低氮氧化物(NOx)的排放，EGR是必不可少的措施，而對于小排量的發動機而言，配置有足夠容量的EGR冷卻器，以及縮短由EGR氣體引入氣缸的通路，形成EGR內部氣體均勻混合是有待解決的課題。RZ4E型發動機的EGR的冷卻系統如圖8所示。廢氣由排氣口返回進氣口的路徑上，通過氣缸蓋內部的水套進行1次冷卻，實現了外置EGR冷卻器的小型化。

圖8 氣缸蓋組裝EGR冷卻器

從改善EGR氣體混合來看，在進氣歧管入口處的進氣配管外布置了狹縫狀EGR進氣口。廢氣由進氣配管的外側向內側回轉，流入EGR氣體。由EGR入口到氣缸的通路較短，可以有效促進EGR內部氣體的均勻混合(圖9)。

圖9 環形狹縫式EGR引入口

除了采用上述措施來降低發動機內部的機械損失之外，由于燃燒室形狀的改變，還能同時改善排放性能和燃油經濟性能。車輛按新歐洲行駛循環(NEDC)行駛中，CO2排放量為161 g/km，百公里燃油耗為6.2 L。

3.2 確保起步加速性能

為了確保與原機型相同的起步加速性能，并使燃油耗最少，RZ4E型發動機的排量為1.9 L。利用渦輪增壓器以實現高增壓壓力，能夠確保穩定運轉的扭矩與原機型相同或超過原機型。另一方面，起步加速增壓壓力上升的響應延遲，從開發初期就被列為了待解決課題。為確保起步加速性能，進、排氣凸輪軸的輪廓(斷面)形狀選定在低速區域，可以獲得高容積效率的斷面形狀，并且最大限度地提高在無增壓狀態下的輸出扭矩。與新型變速器的應用相結合，確保了驅動力與原機型相同甚至超過原機型(圖10)。而且，車輛起步時要使駕駛員可以輕松操作離合器且順利完成起步，并增加輔助的發動機控制。

圖10 無增壓狀態下起步階段驅動力的比較

3.3 耐久性、可靠性

為保證日本車輛在泰國市場占有較高的份額，五十鈴公司分析了世界上132個國家(2014年)獲得好評的傳統車輛的使用需求。圖11示出了使用需求分類實例，圖12示出了假定車輛使用頻度分析。根據分析結果以及各國不同的燃油使用情況，開始進行新車試驗，確保了其耐久性和可靠性。

圖11 使用需求的分類實例

圖12 假定車輛的使用頻度分析

3.4 靜音性

RZ4E型發動機的機體，采用了其他公司的基準，設計了高剛度的長裙形結構。此外，利用計算機輔助工程(CAE)制成最佳機體形狀，相比原機型大幅度降低了質量。并在設計中考慮到降低質量與噪聲，優化了其基本性能(圖13)。

圖13 質量與噪聲性能比較

在其他主要結構零件方面，不但借助于CAE，并利用基于試驗的聲源與振動分析，在整個頻域的結構減振性能相比原機型有所提高，也研發出了具備高潛力的抗爆燃結構(圖14)。

圖14 結構減振量比較

由于噴射控制的優化，使得在高水平的兼顧燃油經濟性與排放性能的同時，降低了燃燒噪聲。即使未在發動機周圍進行鄰近屏蔽，即未對輻射噪聲采取隔聲對策，相比原機型，新型RZ4E仍降低了噪聲。RZ4E型發動機由于改進了加速行駛時的燃燒噪聲水平和線性特性，不僅改善了噪聲水平，而且直接關系到了噪聲的主觀評價。圖15示出了依據五十鈴公司特有的噪聲評價指數[3]進行評價后的結果。

圖15 噪聲評價指數比較

3.5 模塊設計，局部裝配方式

五十鈴公司力圖將本公司產品與技術推向國際市場，為了制作出可以適應各國不同需求，靈活通用的發動機技術平臺，采用了一系列措施。首先，根據各國市場的要求安排了不同的裝置，并進行了各種裝置的最佳方案研究。圖16示出了滿足泰國市場并設置冷卻壓縮機的設計方案，主要結構零件考慮了各種規格不同的裝置后再進行的設計。由于裝置的分組不同，構建了能向各國市場輸出的模塊化設計。

圖16 模塊設計

圖17 開發流程概念圖

圖18 分析流程概念圖

此外，在發動機裝配中，為了能與傳統的4J系列發動機在同一裝配生產線上進行組裝，需解決工時的差異。為了將工時的差異控制在最小限度，RZ4E型發動機制造采用了局部裝配(組件)的方式。局部裝配首先是在輔助裝配線上按小規模組裝零部件，以達到削減主裝配生產線作業工時的目的。由此，實現了與4J發動機系列裝配生產線的通用化。從局部裝配的方法來看，生產部門與研發部門同時進行產品的設計與施工(方案)設計[4]，從開發初期階段就使生產率及抗變換性最佳化。結果表明，相比于以往的4J系列發動機，局部裝配削減了裝配線上約30%左右的工時。

3.6 MBD的應用

以往的產品開發是用試驗設備評價試件，如不能達到目標性能則反復進行設計和評價，進而按照目標值進行產品開發。這種方法在零件試制和評價時耗費了許多時間。但是，為滿足更為嚴格的排放法規限值和燃油耗要求，模型開發系統追求高功能化和大規?；?，但有可能會導致開發周期延長。

因此，在RZ4E型發動機的開發過程中，按“MBD型”開發模式全面地實施了開發。從方案規劃階段應用了MBD，在虛擬發動機上實施零件評價，有效縮短了試制周期。此外，通過組合虛擬發動機與試驗設計法，能從龐大的系統組合中找出達到目標值的多數解，并將設計返工控制在最低限度(圖17)。

圖18表示實施了排量選定時的分析流程，在規劃階段，運用大量仿真[5]技術，在短時間內采用最佳的發動機組合系統。一方面解決排量減小(縮缸強化)的問題，如提高增壓壓力、增強起步性能等，另一方面采用了使燃油耗最小的排量1.9 L。

4 結語

根據前文闡述的技術應用及開發內容，已將同時具備高耐久性、高可靠性、低燃油耗、低噪聲的新型RZ4E發動機投放到泰國市場。新型RZ4E發動機，按照NEDC行駛中，相比于原車型的CO2排放量削減了19%，實現CO2排放量161 g/km，百公里燃油耗6.2 L，獲得裝載1 t的輕型貨車頂級水平的燃油經濟性能，同時兼顧了耐久性、可靠性和低噪聲。由于采用模塊設計，局部裝配方法，制成低成本發動機，并以整車進入泰國市場為開端，將小型商用車用發動機產品投放到國際市場。