早崎綱記 松崎智美 亀井孝彦

2018年，ISUZU 发动机股份有限公司开发出了4JZ1型柴油机，用于替换自2007年开始配装于ELF系列货车的4JJ1机型。新款4JZ1机型可有效满足2016年的日本国内排放法规及燃油耗标准，并且可满足市场对新型发动机的各种要求。除沿用了4JJ1机型的尺寸，4JZ1型发动机在性能、结构、布局设计，以及紧耦合后处理系统等方面都有所改进。介绍了该款发动机所采用的主要技术及相关特点。

热力发动机;柴油机;性能;燃油经济性;效率

0 前言

近年，在汽车动力系统中，混合动力汽车（HEV）及纯电动汽车（EV）等新能源汽车所占市场份额正与日俱增。但是对于货车而言，仍面临着提升续航里程、改善电池质量及优化货架安装空间等多项问题，因此，部分研究人员认为今后货车所采用的动力装置仍将以具有优异环保性能的高效率柴油机为主。

五十铃汽车公司所开发的4JZ1型发动机，以五十铃公司新一代柴油机“D-CORE”开发理念为基础，进一步追求高效率化，力求实现更高的环保性和经济性。另外，研究人员通过全面优化基本结构部件，并在发动机上安装柴油机颗粒净化装置（DPD），同时利用废气再循环（EGR）控制及选择性催化还原（SCR）技术，满足了2016年排放法规的要求，大幅提高了产品竞争力。本文将对这些技术进行重点介绍。

1 开发目标

为全面满足货车需求，研究人员对4JZ1型发动机进行了以下几方面的改良。

（1）同时实现低排放与高燃油经济性;

（2）实现货车最佳封装设计;

（3）在提高耐久性和可靠性的同时，确保整机工作性能;

（4）提高整机可维修性，并降低运行成本。

2 发动机主要部件

图1为4JZ1型发动机的外观，图2为其性能曲线。4JZ1型发动机主要部件与配套车型及动力性能无关，均采用了通用性较高的参数。表1对比了4JJ1型发动机和4JZ1型发动机的主要部件。

4JZ1型发动机的输出功率目前已提升至129 kW，相比4JJ1型发动机有所增加。同时，4JZ1型发动机在1 450～2 860 r/min转速工况下可输出较为均匀的扭矩，从而改善了操作便捷性和整机加速性，可满足大部分高负荷及高速运行工况下的动力需求。

4JZ1型发动机在实现了低速化的同时，引入了起动辅助控制装置。研究人员通过对起动性能及低速工况进行改善，相应提高了整机燃油经济性，并采用了电控可变喷嘴涡轮增压器。

3 采用技术

3.1 同时满足低排放与高燃油经济性

4JZ1型发动机为满足2016年排放法规，采用了SCR系统。研究人员修正了其排放优化策略，又通过调整压缩比，改善燃烧室形状（图3）、喷油嘴样式及喷油系统，从而使该机型实现了少量多次喷油及高压喷油过程，同时缩短了喷油间隔，并通过计算机辅助工程（CAE）和台架试验进行了双重验证。

为适应缸内压力，提高燃烧效率，并改善整机耐久性、可靠性和振动噪声性能，研究人员对气缸体、气缸盖、曲轴等发动机主要结构件进行了改进，同时采用了可满足未来基本性能需求，并兼具高可靠性和高耐久性的结构设计方案。面对缸内高压化后摩擦现象发生频次的不断增加，研究人员分别对运动机构、气门机构及相关附属机构进行了摩擦测定，同时采用了可降低摩擦的最佳方案。该方案包括：优化凸轮轴轴承尺寸，在活塞裙部镀覆涂层，以及在暖机时采用可提高油温的恒温器等。研究人员通过测量单个部件及系统的摩擦，对所采取的措施及相应效果进行了验证。其他降低油耗的措施还包括：（1）在活塞顶面采用耐蚀铝进行隔热处理以降低热损失;（2）改良凸轮型线以提高中、低转速工况下的体积效率。

4JZ1型发动机的喷油系统首次采用了i-ART系统。如图4所示，研究人员通过在喷油器中设置油压传感器，可实现对单个喷油器喷油时间及喷油量的精确测量，并进行实时反馈修正。利用这个系统，4JZ1型发动机可实现多次喷油并提高喷油精度，同时改善了发动机性能，如图5所示。另外，通过使发动机在冷却状态下进行后喷油，实现了SCR系统的早期升温过程（图6）。

排气后处理系统外观如图7所示。为满足最新的排放法规要求，研究人员采用了SCR系统，并将该系统设置在车箱下部空间中。同时，研究人员通过采用低温时活性优异的Cu SCR催化剂，提高了冷机工况下氮氧化物（NOx）的净化效率。为确保尿素均匀扩散并提高NOx净化率，研究人员在排气管内布设了配备有碰撞板的混合管，通过碰撞板可使尿素水溶液微粒化，实现了氨气的高效生成过程。与4JJ1型发动机后处理装置所配备的尿素水溶液混合室相比，4JZ1型发动机在具有较好扩散性的同时，体积缩小了约50%，同时确保了安装的便利性。下文将会对DPD进行详细介绍。

为提高发动机运行状态及环境条件变化时NOx排放的稳定性，在EGR系统控制方面，研究人员采用了模型基控制方法。該控制方法具有以下2种功能：

（1）利用模型推算发动机状态量（NOx浓度、缸内O2浓度、EGR流量等）;

（2）利用传感器测量值，修正（1）中所推算出的状态量，并对差分学习的功能进行研究。

相对于以往利用目标进气量以反馈修正EGR流量的控制方法，功能（1）利用推算出的NOx排放量作为直接控制对象，并决定了EGR流量，因此发动机在处于变化工况时，NOx排放稳定性更为优异。在功能（2）中，研究人员利用传感器测量值修正状态量精度，当传感器出现响应延迟时，则利用学习值修正过的状态量实现相互补充，通过这种循环以维持稳定的排放性能。

另外，初次在小型商用车上应用排气门正时相位可变机构时，研究人员通过在冷却状态下设置排气门正时进角（提前打开，提前关闭），并利用残留废气实现内部EGR，降低CO及碳氢化合物（HC）排放，同时通过早期暖机以提高加热器性能。通过以上技术，有效提高了“2015年重型车燃油耗基准”的达标率。根据内部的评估模型，并结合车辆在市内运行的联合行驶模式，使整车实际燃油耗可降低约8%（图8）。

3.2 最适合小型商用车的封装设计

当货车采用SCR系统时，往往会面临系统安装位置侵占货架安装空间的问题。一直以来，在搭载SCR系统的ELF型货车中，DPD和SCR系统以S型形成一体化装置，并布置于车架右侧。当该系统在车体较小，结构变化较多的日本国内货车中进行推广时，由于配备了横梁车架等构件而无法正常安装货架的车型，约占特殊货架车型的50%以上。为解决该问题，研究人员从维持整车性能的角度出发，在小型商用车中首次采用了将DPD布置于发动机附近的技术方案。通过该布置方式，可以在不降低货架安装性能的同时，使排气后处理装置充分发挥功用。

研究人员如需贴近发动机安装DPD，应保证发动机右侧排气侧具有足够的空间。在以往车型中，此处多用于安装以涡轮增压器为主的排气系统部件、交流发电机及冷却风扇等大型辅助机械设备。4JZ1型发动机的交流发电机及冷却风扇则被移至左侧进行安装。同样，以往布设于发动机左前方的供油泵、动力转向泵等附属机构与正时机构一起移至发动机后侧进行安装。该类方案彻底改变了发动机附属机构的布置方式，并确保了DPD的布置效果和货架的可安装性（图9）。

为使DPD可充分贴近发动机进行安装，研究人员为其选用了扁平式截面结构 ，并将过滤器材料从堇青石换成了形状自由度较高的SiC，同时保持其体积不变。研究人员在对其进行布置时，除对提高结构强度及降低噪声等方面进行了充分研究之外，还逐步提高了其可维修性，并对DPD装卸路径的固定位置及固定方法进行了优化。

3.3 提高可靠性、耐久性并确保工作性能

与轿车相比，商用车的运行环境更为严苛，因此要求发动机具有更长的使用寿命。此次改良不仅要最大限度保证车辆工作性能，还要求其在同级别车辆中具有更为优异的可靠性和耐久性。

气缸体采用了具有较高刚度、且噪声-振动-平顺性（NVH）较为优异的长活塞裙结构。研究人员将缸体周边的部件数量从原来的6个减为4个，减少了部件数量（图10），并通过CAE工具，充分实现了高强度及轻量化的设计目标，强度分析示例如图11所示。同时，研究人员通过增加气缸盖螺栓尺寸，提高轴向力，以应对较高的缸内压力。由于轴向力的提高使缸套面临着变形的风险，若不增加活塞环数量，可能进一步导致窜气现象的发生。研究人员通过更改气缸盖螺栓配置，并将气缸盖螺栓的螺母从缸套壁分离，同时在气缸体上进行了一些处理，使缸套不易发生变形，从而使缸套高级变形量降低约35%（图12）。

传统气缸盖通常采用铸铝结构，4JZ1型发动机则改用了具有更高刚度及更长使用寿命的铸铁材料。另外，研究人员考虑到缸盖底面的冷却性能、可靠性及耐久性，从而采用了两级水套结构（图13）。从缸体流入缸盖的冷却水，流经温度较高的排气侧，可实现对缸盖的高效冷却。下段水套则独立布置在各气缸之间，从排气侧横向流经进气侧，可实现对气缸下部的有效冷却（图14）。研究人员的设计理念是在减小热损失的同时，使其对燃油耗的影响降至最低。同时，研究人员还利用CAE工具调整发动机规格参数并进行验证，可大幅减少实机试制次数及更改设计工序，从而有助于提高开发效率。

在活塞开发过程中，研究人员通过改善冷却回路冷却液流动过程并优化燃烧室结构，以此降低活塞温度。在对活塞进行温度测量时，真实再现了实车运行时的油温和水温，验证了其降温效果。根据上文所述，为使DPD安装位置更靠近发动机，研究人员将正时链从发动机前方移到了后方，并替换了之前的齿链驱动系统，从而采用了具有更高可靠性及耐久性的齿轮驱动系统（图15）。

由于喷油器及DPD等功能部件的性能恶化对DPD再生性能稳定性影响较大，因此利用上文所述的喷油反馈系统，消除了喷油量随时间恶化的影响。研究人员通过在贴近发动机的位置安装DPD，可以提高DOC的进口温度。抑制碳烟堆积往往会导致DOC的堵塞现象，通过采用该方式，即使部件性能恶化，也能实现与新产品相同的DPD再生性能。研究人员通过采用SiC滤清器材料，增加了颗粒物（PM）过滤量，延长了再生间隔，并改善了应用效果。

3.4 提高可维修性，降低运行成本

研究人员的开发目标之一是通过控制维修费用以降低运行成本，并为此采用了新技术。为延长机油更换周期，研究人员设定了机油劣化预估逻辑（图16）。该逻辑即为利用发动机控制器计算行驶距离和行驶时间对润滑油劣化的影响值，并在得出机油劣化结论后，及时通知驾驶人员。利用这一功能，可根据机油劣化程度，使机油更换周期从以前的20 000 km（固定值，严苛工作条件除外），延长到了40 000 km。在辅助皮带驱动系统中，研究人员通过采用弯曲式辅助驱动系统，并采用自动张力器，将以往的2根皮带替换为1根皮带，缩短了皮帶尺寸，并去掉了重新张紧步骤。由于皮带始终处于恰当的张力条件下，在免维修的同时，还有助于确保稳定的使用寿命。以往机型可根据配套车辆的驱动方式，通过曲轴箱及油底壳等大型部件对发动机规格参数进行划分。在新机型中，研究人员通过改良发动机布置方式，并统一发动机规格参数，从而实现了进一步优化。

4 生产能力及管理方式介绍

4JZ1型发动机在五十铃公司的枥木新工厂内进行生产（图17）。该工厂为智能化工厂，研究人员通过灵活应用物联网（IoT）技术，实现了完善的品质管理及群组管理的生产方式。该生产方式在提高了生产效率的同时，也可改善工作人员的作业环境。不仅如此，研究人员还有效强化了追踪管理，可根据生产设备的运行信息对内部产品可能发生的故障进行有效预测，从而实现集中管理。

5 结论

4JZ1型发动机已于近期开始量产，其作为ELF型货车的核心部件，目前仍有进一步优化的空间。今后，研究人员将对整车排放进行进一步改良，以此满足未来的重型车油耗基准。