新型Quon車用大型柴油機(jī)與動力傳動系統(tǒng)的開發(fā)

【日】 根岸武志

新型Quon車用大型柴油機(jī)與動力傳動系統(tǒng)的開發(fā)

【日】 根岸武志

日本UD卡車公司對Quon卡車進(jìn)行了改款，配裝了新開發(fā)的GH11發(fā)動機(jī)。該大型柴油機(jī)運(yùn)用了眾多新技術(shù)以降低排放與燃油耗，如利用燃油的超高壓噴射以降低顆粒物排放，采用大容量廢氣再循環(huán)冷卻器及機(jī)械電子控制變速裝置，并優(yōu)化了驅(qū)動系統(tǒng)。著重介紹了新型發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格與動力傳動系統(tǒng)概況。

大型柴油機(jī) 排放 燃油耗 動力傳動系

1 概述

近年來，為抑制溫室氣體排放，迫切需求改善發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

UD卡車公司為改善燃油耗的同時針對提高車輛操控性等市場需求，對Quon卡車進(jìn)行了改款(圖1)。

圖1 Quon卡車

新型Quon卡車上配裝了新開發(fā)的GH11發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)采用了組合環(huán)境技術(shù)UD顆粒捕集器(UDPC)，以及帶尿素噴射的選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)，滿足2009年日本的排放法規(guī)(后新長期排放法規(guī))，也滿足2015年大型車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。另外，得益于機(jī)械式電子控制變速裝置(ESCOT)等驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化，具有實(shí)現(xiàn)下一代卡車環(huán)境性能與經(jīng)濟(jì)性能的潛力。

下面介紹新型Quon上配裝的動力傳動系統(tǒng)的概況。發(fā)動機(jī)外觀圖和ESCOT外觀圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 GH11發(fā)動機(jī)外觀

圖3 ESCOT外觀

2 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

為實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)境性、燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性，新發(fā)動機(jī)在小排量、低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)區(qū)域的進(jìn)行了大扭矩化、高輸出功率化的研發(fā)。表1列出了GH11發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格。

表1 GH11發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

3 采用的技術(shù)

為滿足后新長期排放法規(guī)要求及實(shí)現(xiàn)低燃油耗，采用了噴油泵-噴油器組合、大容量EGR冷卻器、高效率高增壓可變幾何截面渦輪增壓器(VGT)、UDPC、碳?xì)浠衔锖筇幚韲娚溲b置(AHI)，并利用電子控制實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)控制最佳化。由此，降低了摩擦，提高了發(fā)動機(jī)的有效熱效率。

3.1 噴油泵-噴油器

相比于共軌系統(tǒng)，這次采用的噴油泵-噴油器系統(tǒng)在燃油噴射初期可進(jìn)行平穩(wěn)的噴射，抑制急劇的預(yù)混合燃燒，并可抑制氮氧化物(NOx)的生成。圖4為噴射波形。另外，由于最大噴油壓力由200 MPa提高到240 MPa,使發(fā)動機(jī)具有通過降低顆粒物(PM)排放來提高燃燒效率，從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性的潛力。

圖4 噴射波形

3.2 大容量冷卻的EGR系統(tǒng)

圖5表示EGR系統(tǒng)。為達(dá)到最佳的燃燒溫度以控制和降低NOx排放，采用了大容量的冷卻EGR系統(tǒng)。為了利用排氣脈動以提高渦輪效率，在高溫側(cè)布置了EGR閥。另外，利用文丘里流量計高精度地進(jìn)行EGR氣體流量的測量，根據(jù)反饋控制EGR氣體的流量，有效降低排放。

圖5 EGR系統(tǒng)

3.3 高效率、高增壓VGT

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

相比于傳統(tǒng)型可變噴嘴渦輪增壓器，新發(fā)動機(jī)采用了VGT(圖6)。滑動葉輪利用電子執(zhí)行器工作。另外，該VGT具有排氣閘門的功能和作為排氣制動的功能。

由此可降低質(zhì)量，并且由于滑動葉輪使結(jié)構(gòu)簡單化，也提高了可靠性。VGT與大容量冷卻的EGR組合，進(jìn)行精準(zhǔn)的流量控制，可以在低速旋轉(zhuǎn)下獲得大扭矩及高功率，同時降低了排放和燃油耗。

圖6 VGT系統(tǒng)

3.4 提高低速扭矩

對新發(fā)動機(jī)進(jìn)行了小排量化改進(jìn)，由于增加低速旋轉(zhuǎn)工況下的扭矩，從而改善了運(yùn)轉(zhuǎn)性能。圖7表示行駛性能曲線。由于提高了低速旋轉(zhuǎn)工況的扭矩，即便在低車速時也無需降低變速檔位，相比于原車型可在更陡的坡道上行駛。

圖7 行駛性能線圖

3.5 低摩擦油環(huán)及缸套的應(yīng)用

主運(yùn)動系統(tǒng)的摩擦影響有效熱效率，為此，對油環(huán)和缸套進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)工作降低油環(huán)的張力，改善缸套的表面粗糙度，力求降低摩擦。表2列出油環(huán)張力的降低量，表3列出了缸套的表面粗糙度的降低程度。在各種轉(zhuǎn)速下的摩擦試驗結(jié)果及低摩擦油環(huán)與缸套組合后的摩擦試驗結(jié)果見圖8。

表2 油環(huán)張力的降低量

表3 缸套表面粗糙度的降低

圖8 摩擦試驗結(jié)果

3.6 符合于日本的發(fā)動機(jī)的技術(shù)應(yīng)用

該發(fā)動機(jī)運(yùn)用了UD卡車公司及Volvo的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合優(yōu)異的基本性能與日本精細(xì)的品質(zhì)技術(shù)。Volvo 公司的全球性標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)符合歐洲、北美地區(qū)的需求，其設(shè)計時假定城市間的移動為長距離且以恒定速度行駛。相比之下，日本行駛工況的起步、停車多，在低速工況區(qū)域的運(yùn)轉(zhuǎn)多。因此，在低速工況下可能需要適當(dāng)提高排氣溫度。圖9為試驗的工況的比較。

圖9 認(rèn)證試驗工況比較

3.7 機(jī)械式電子控制變速裝置(ESCOT)

ESCOT可瞬時自動選擇最佳的齒輪傳動，任何人均可以與熟練司機(jī)一樣順暢駕駛。ESCOT與發(fā)動機(jī)通訊，以調(diào)整轉(zhuǎn)速及制動，能迅速且恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行齒輪變速以改善燃油經(jīng)濟(jì)性，此外，追加了經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動模式，與通常情況相比可更迅速地進(jìn)行檔位上移，使車輛可在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速下行駛，力求改善燃油耗。

3.7.1 柔性巡航功能

自動巡航即以恒定車速行駛，在高速公路上可以實(shí)現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。配裝了ESCOT的車輛，根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷選擇最佳檔位定時，采用平穩(wěn)加速的柔性巡航功能，由此避免過高的燃油耗，以改善燃油耗經(jīng)濟(jì)性。

3.7.2 ESCOT循環(huán)運(yùn)行功能

ESCOT循環(huán)運(yùn)行功能利用車輛的慣性運(yùn)行。自動巡航行駛及經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動模式行駛時，利用慣性運(yùn)行，并自動地使檔位移動位置處于空檔。由于控制速度降低，可抑制再加速時燃油耗的增加，由此可以實(shí)現(xiàn)低燃油耗運(yùn)行。圖10示出了ESCOT循環(huán)運(yùn)行功能。

圖10 ESCOT循環(huán)運(yùn)行功能

3.7.3 動力傳動系統(tǒng)的最佳化

以改善燃油經(jīng)濟(jì)性為目的，對動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。采用了高速傳動以減小變速器的旋轉(zhuǎn)阻力，以此改善燃油耗。為提高操作性，稍調(diào)整了低速齒輪組的齒輪比。

3.7.4 加速限制

加速限制功能可限制發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)的加速度，即便猛踩加速踏板，車輛也不會過分急劇地加速，而是進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性良好的緩慢加速。由此，不受司機(jī)的駕駛技術(shù)影響，均能恒定地加速，可以實(shí)現(xiàn)低燃油耗運(yùn)轉(zhuǎn)。這種加速限制功能在改變指令使用時，可獲得必要的加速度。

3.8 排氣后處理裝置

圖11為排氣后處理裝置。2004年，UD卡車公司對世界上首款在卡車上實(shí)用化的帶尿素噴射SCR催化器加以改良，同時，優(yōu)化尿素溶液的添加策略，以提高NOx凈化效率。另外，采用了UDPC以有效地除去PM。

3.8.1 帶尿素噴射SCR 系統(tǒng)

帶尿素噴射SCR系統(tǒng)，以濃度32.5%的尿素溶液作為還原劑，向SCR催化器上游的排氣中噴射。尿素溶液分解產(chǎn)生的NH3與NOx反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)換為無害的N2與H2O。

日本國內(nèi)的行駛中，低速、低負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)較多，排氣溫度低，要求SCR系統(tǒng)在低溫下具有較高的NOx凈化率。NOx還原反應(yīng)可用式(1)～(3)表示。其中NO∶NO2體積比為1∶1的反應(yīng)式(3)的反應(yīng)速度最快，為提高低溫下的凈化率，應(yīng)盡量在催化器內(nèi)發(fā)生該反應(yīng)[1-2]。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(2)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(3)

針對2004年的技術(shù)，將位于SCR系統(tǒng)前的氧化催化器(DOC)進(jìn)行改良，優(yōu)化流入SCR催化器的NO/NO2比例，以提高低溫區(qū)域的NOx凈化率，在JEO5工況下可獲得更高的NOx凈化率。

3.8.2 尿素噴射量控制

由安裝在發(fā)動機(jī)上的控制單元預(yù)測NOx排放量，由此選擇恰當(dāng)?shù)哪蛩靥砑恿浚苊膺^量的尿素溶液添加，可降低尿素溶液消耗量。

圖11 EATS排氣后處理裝

3.8.3 UDPC

提高最大燃燒噴射壓力以降低PM排放，同時用UDPC捕集發(fā)動機(jī)側(cè)未完全除去的PM，捕集的PM堆積到一定程度后在行駛中自動再生或在停車時進(jìn)行手動再生。自動再生是在精細(xì)的發(fā)動機(jī)控制下在較低溫度下進(jìn)行PM再生，能夠抑制異常燃燒的危險并防止催化劑老化。

3.8.4 排氣管噴射(AHI)

為了輔助堆積在UDPC上的PM再生，在渦輪出口后方增加AHI。缸內(nèi)噴射方式是在氣缸內(nèi)添加燃料，而不是在活塞的燃燒室，有可能導(dǎo)致燃油稀釋發(fā)動機(jī)油，而AHI向排氣管直接噴射燃油，燃油不會對機(jī)油產(chǎn)生稀釋。結(jié)果表明，相比缸內(nèi)噴射方式，AHI可以延長機(jī)油更換周期。

4 大型發(fā)動機(jī)和動力傳動系統(tǒng)的開發(fā)

上文介紹了動力傳動系統(tǒng)的主要技術(shù)項目，使用這些技術(shù)有利于降低排放燃油耗。針對現(xiàn)行車輛執(zhí)行的日本新長期排放法規(guī)，NOx排放不超過2.0 g/(kW·h),PM 排放不超過0.02 g/(kW·h)，利用燃油的超高壓噴射以降低PM排放，優(yōu)化氣體流量控制最配備大容量冷卻器的EGR系統(tǒng)，并與VGT適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來，同時優(yōu)化了機(jī)械式電子控制變速裝置和驅(qū)動系燃油耗，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)燃油耗及NOx排放的降低。利用帶尿素噴射的SCR系統(tǒng)及UDPC以降低NOx和PM排放，能夠具有裕度地滿足日本后新長期排放法規(guī)要求，NOx排放不超過0.7 g/(kW·h)，PM排放不超過0.010 g/(kW·h)。

另外，發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了完全電子控制化，并完善了發(fā)動機(jī)細(xì)節(jié)技術(shù)以降低摩擦等。經(jīng)驗證，發(fā)動機(jī)可滿足日本2015年大型車燃油耗法規(guī)要求(部分車型除外)，實(shí)現(xiàn)了較高的環(huán)境性能和經(jīng)濟(jì)性能。

5 結(jié)語

本文介紹了新型“Quon”卡車上配裝的動力傳動系統(tǒng)采用的技術(shù)。

柴油機(jī)應(yīng)面向環(huán)境問題進(jìn)行先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)，同時進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性。這款新型Quon卡車以UD卡車公司原有技術(shù)為基礎(chǔ)，采用了新技術(shù)，具有滿足下一代卡車用發(fā)動機(jī)需求的潛力。為滿足今后越來越嚴(yán)苛的環(huán)境法規(guī)要求，應(yīng)持續(xù)地開展技術(shù)創(chuàng)新。

[1] 平田公信ほか.大型商用車用尿素SCRシステムの開發(fā)(第1報)一新長期排出ガス規(guī)制ヘの適合一[R].自動車技術(shù)會秋季大會，2004，20045683.

[2] 正木信彥ほか.大型商用車用尿素SCRシステムの開發(fā)(第2報).一實(shí)用性に關(guān)する檢討一[R].自動車技術(shù)會秋季大會，2004.20045687.

彭惠民 譯自 自動車技術(shù)， 2015， 69(9)

許 蕾 編輯

2016-07-30)