車用柴油機的市場趨勢與技術(shù)發(fā)展動向

【日】 小林弘晃

0 前言

日本自2016年10月起對重型貨車（總質(zhì)量超過3.5t）實施嚴(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)動機也陸續(xù)投放市場（表1）。

表1 2016年日本汽車制造商發(fā)布、銷售的柴油機技術(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。該發(fā)動機滿足日本最新排放法規(guī)要求與2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)，同時作為一款大型卡車用發(fā)動機，也在不斷追求小型化。

在北美市場，新型發(fā)動機的發(fā)布及銷售情況呈增長趨勢，如輕型貨車用的高功率柴油機。此外，在中型、重型貨車、城市客車用發(fā)動機領(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)性的新機型。

1 日本柴油機市場動向

1.1 市場概況

（1）乘用車發(fā)動機

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

（2）商用車發(fā)動機

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

1.2 新型發(fā)動機的特征

五十鈴汽車公司推出的6NX1-TCS發(fā)動機（圖1），應(yīng)用于重型貨車“Giga”上。該機型以6HK1發(fā)動機為基礎(chǔ)機型，是一款全新研制出的輕量化、布置緊湊的小型發(fā)動機。該機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)動機仍具備一定的優(yōu)勢。采用小排量的同時，采用兩級渦輪增壓器，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)動機制動問題，采用了具有專用凸輪型線的發(fā)動機減速器。此外，為削減怠速運轉(zhuǎn)時的燃油耗，該機型配備了怠速停止-起動系統(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)。同時采用了與已經(jīng)上市銷售的9.8L6UZ1發(fā)動機相同的配件。

圖1 五十鈴公司6NX1-TCS柴油機

2 國外汽車市場動向

2.1 市場概況

（1）乘用車發(fā)動機

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

（2）商用車發(fā)動機

在北美汽車市場，為滿足GHG17法規(guī)要求，參考原機型，重新評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構(gòu)的機油泵及水泵，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型（表2）。

2.2 新型發(fā)動機特征

2.2.1 五十鈴公司RZ4E-TC發(fā)動機

圖2 五十鈴公司RZ4E-TC發(fā)動機

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

2.2.2 美國通用汽車公司（GM）Duramax L5P發(fā)動機

這款發(fā)動機作為北美市場的GMC及Chevrolet等輕型貨車用發(fā)動機，以LML發(fā)動機為原機型，進(jìn)而重新設(shè)計的V型8缸、頂置氣門（OHV）的6.6L發(fā)動機（圖3）。設(shè)計過程中重新測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，同時利用立體結(jié)構(gòu)的強化及噴嘴可變截面（VG）渦輪增壓器的參數(shù)優(yōu)化以提高增壓壓力。該機型在轉(zhuǎn)速1 600r／min下最大扭矩達(dá)1 234N·m，（相比原機型增加了19%的扭矩）。另一方面，在柜罩上部用泡沫橡膠進(jìn)行隔噪，怠速運轉(zhuǎn)噪聲相比原有樣車降低了38%。

表2 2016年國外市場上發(fā)布、銷售的柴油機技術(shù)規(guī)格

圖3 GM Duramax L5P柴油機

2.2.3 Cummins 5.0LV8Turbo Diesel發(fā)動機

“TITAN DX”車用發(fā)動機（圖4）由Cummins公司研制，并配裝于日產(chǎn)汽車公司的輕型貨車。該機型是以原有的ISV 5.0L發(fā)動機為原機型并全新設(shè)計的V型8缸DOHC 32氣門發(fā)動機，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，采用了兩級燃油濾清系統(tǒng)，同時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)動機

2.2.4 Cummins L9發(fā)動機

該機型為北美市場的中型貨車用發(fā)動機，和原機型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），力求提高運行管理及服務(wù)水平。

2.2.5 Cummins X15發(fā)動機

該機型是用作北美市場大型貨車用發(fā)動機，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柴油機相同，該機型采用了遠(yuǎn)距離診斷系統(tǒng)。

圖5 Cummins X15柴油機

2.2.6 Detroit Diesel DD5發(fā)動機

該機型為Freightliner公司供給北美市場的中型貨車M2用發(fā)動機，原機型為 Mercedes-Benz公司的OM934發(fā)動機，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)動機（圖6）。由于采用了小排量結(jié)構(gòu)，同時使用兩級渦輪增壓器，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)動機相似，作為DPF再生時的排氣升溫裝置，采用了可變配氣正時機構(gòu)、壓縮式發(fā)動機制動裝置，以及遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，力求提高運行管理及服務(wù)質(zhì)量。

圖6 Detroit Diesel DD5柴油機

2.2.7 Mercedes-Benz OM470發(fā)動機

該機型于2015年生產(chǎn)并配裝于Second Genera-tion車（圖7），同時滿足歐6排放法規(guī)要求，與排量可達(dá)12.8L的OM471發(fā)動機相似，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)動機內(nèi)置非對稱式渦輪增壓器，并重新評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再生時的非對稱噴射等設(shè)定，力求提高發(fā)動機的可靠性。

圖7 Mercedes-Benz OM470發(fā)動機

2.2.8 Volvo D11、D13及 Mack MP7發(fā)動機

這幾款發(fā)動機作為北美市場的大型貨車用發(fā)動機，在原機型上增加采用了組合式噴油器的燃油泵，同時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)動機上還配備有復(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

2.2.9 Paccar MX-11和 MX-13柴油機

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

圖9 波形圖案的燃燒室

圖10 Paccar MX-11柴油機

3 柴油機開發(fā)動向

針對進(jìn)一步改善大氣污染的目標(biāo)，日本國內(nèi)的柴油車排放法規(guī)也在向歐美國家逐年趨近。同時開始實施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，這對于配裝柴油機的車輛會要求更加嚴(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，以及利用兩級渦輪增壓以達(dá)到高增壓壓力，重新評估燃燒室形狀及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構(gòu)的輔機以降低摩擦。另外，可以預(yù)測與多級變速器相配套的發(fā)動機通過低轉(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。