一种重型货车用新型柴油机的开发

2020-01-06菅野哲也茨木邦和清水隆治安部栄一堀内裕史佐野貴弘山崎敏明

汽车与新动力 2019年6期

【日】菅野哲也茨木邦和清水隆治安部栄一堀内裕史佐野貴弘山崎敏明

0 前言

近年来，为了满足日趋严格的排放法规要求，以及不断降低燃油耗与提升驾驶性能的技术要求，针对重型货车用柴油机而开展的研发工作主要包括减少高速行驶工况所占的时间比例及采用发动机小型化技术。而且，为了卓有成效地满足上述要求，必须进一步实现发动机的小型化及高功率化。图1示出了日本本土大型货车用柴油机的平均有效压力（BMEP）的逐年变化。

图1 日本重型货车用柴油机小型化的发展趋势

本文介绍了由日野汽车公司新开发的可满足2016年日本排放法规要求的重型货车用全新A09C型柴油机设计理念及其采用的相关技术。

1 新型发动机概况

表1示出了新型A09C型发动机的主要技术规格，图2示出了该型发动机的外观。

表1 新型A09C发动机技术规格

图2 全新A09C发动机

2 设计理念

2．1 兼顾低排放与高燃油经济性

为了充分满足日本、美国、欧洲等地的最新排放法规要求，并实现较高的燃油经济性，专门设计了能耐受较高燃烧压力及较高热负荷的发动机结构。

2．2 兼顾多样性需求并提高生产率

作为发动机的基本结构，为了最大限度地实现批量生产，同时为了满足各个国家或地区的排放法规要求，燃油喷射系统、增压器、EGR装置、排放后处理系统等排放模块零件均采用了更易于变更的结构。

2．3 提高可靠性

为了确保发动机在各种使用工况下的可靠性并提升机油泵及水泵的流量稳定性等，需着力改善其可靠性。

3 输出功率及燃油耗

全新A09C发动机与原机型相比，其最大扭矩提高13%，而且由于改善了中、高转速区的动力性能，从而进一步使扭矩提高6%（图3）。

图3 全新A09C发动机与原A09C型发动机扭矩曲线对比

并且，选用的差速器齿轮减速比较为合适，确保了与配装有E13C型发动机的车型相比毫不逊色的动力性能（图4）。

图4 配装全新A09C发动机与E13C发动机的车辆运行性能比较

发动机小型化的一大弊端是起动性能较差，通过变速器的变速比以及差速器齿轮减速比的选定，确保其起动性能得以显著改善。

关于燃油耗，配装有A09C型发动机的车型，由于与具有12档变速功能的自动机械式变速器（AMT）相组合，其燃油耗比2015年度重型车燃油耗标准改善达10%，配装有A09C型发动机的车型被列为了减少税费的车型之一，其汽车购置税、汽车质量税均减少达75%（图5）。

图5 燃油效率的比较

4 采用的技术

4．1 两级涡轮增压系统

为力求提高BMEP，新型A09C发动机采用了两级涡轮增压系统（图6），可以使发动机从低转速区域到高转速区域均获得较高的增压压力。

图6 两级涡轮增压及旁通阀结构

由于在高压级、低压级均采用了通用型涡轮，相比传统的可变喷嘴式涡轮，削减了高温下处于滑动状态的零件数量，随着BMEP的提高，力求提高其耐受热负荷的能力。此外，作为控制排气流量的装置，在高压级与低压级的涡轮之间，通过电子控制方式对旁通阀进行无级控制。图7示出了系统的示意图。

图7 全新A09C发动机两级涡轮增压系统示意图

高压级、低压级涡轮及其压气机的容量并不完全相同。如图8所示，通过旁通阀的切换控制，压气机的压力比在发动机低转速区域的高压级和发动机高转速区域的低压级的比例有所提高。相比单级涡轮的增压方式，该切换控制能在更广泛的转速区域有效增加空气量，使得利用负荷分散方式以提高可靠性成为了可能。

图8 在发动机全负荷中低压级和高压级的压力比

排气歧管与高压级涡轮机壳的连接部分被设定为分离了1～3号气缸与4～6号气缸的双入口结构。如图9所示，涡轮机壳内的旁通回路也是在旁通阀前端进行分离，因此，气缸之间通常不会发生干涉，为此可回收来自发动机排气道的脉冲能，主要对于发动机低速工作区域的涡轮效率有较好的改善效果。

而且，在低压级与高压级之间，采用了全新的中冷器，随着高压级压气机入口温度的降低，力求提高涡轮的可靠性与增压系统的效率（图10）。

图9 高压级涡轮机壳体

图10 用于高压级压气机的中冷器所起的作用

旁通阀（图11）主要在工作气体流量增加的发动机高负荷及高转速工况下工作。在发动机的中、低负荷工况下及发动机高负荷、低转速工况下处于完全关闭的状态。在完全关闭状态下所占的工作时长比例较高（图12）。这时来自旁通阀的泄漏量直接关系到涡轮工作气体流量以及EGR率的降低，因此，减少泄漏量已成为影响发动机性能的重要因素。