GM公司開發(fā)的新型3.0 L Duramax柴油機

G.BORETTO V.VERDINO A.VASSALLO M.UMIERSKI

全新的3.0 L Duramax直列6缸柴油機是專門為GM公司新的全尺寸系列卡車平臺開發(fā)設(shè)計的，它將用于下一代雪佛蘭 Silverado、GMC Sierra及其他車型。為了確保這種動力系統(tǒng)能與車輛平臺最佳地集成，選擇了高度集成的全鋁柴油機結(jié)構(gòu)，打破了皮卡常用的V形發(fā)動機的布置模式。在這種情況下，整車布置對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)長度要求很高，但直列式布置為發(fā)動機提供了所必要的性能優(yōu)勢，可滿足最低的燃油耗和苛刻的舒適性要求。

發(fā)動機結(jié)構(gòu);技術(shù)參數(shù);開發(fā)設(shè)計

0 前言

2018年，包括輕型卡車、轎車、輕型和中型皮卡、運動型多功能車（SUV）及輕型運貨車在內(nèi)的整個汽車市場，北美地區(qū)（美國、加拿大和墨西哥）的柴油機份額約為4%，與歐洲地區(qū)約35%的市場份額相比差距較大[1]。在已簽訂了北美自由貿(mào)易協(xié)定（NAFTA）的地區(qū)，柴油機的需求量達到了70萬臺。因此，盡快開發(fā)出新型的現(xiàn)代6缸柴油發(fā)動機并投放市場，是GM公司在2014年作出的戰(zhàn)略性決策。這款發(fā)動機主要是針對輕型皮卡和大型SUV的性能、工作效率、耐久性來設(shè)計的。

本文將介紹GM公司設(shè)計該款新型發(fā)動機的開發(fā)步驟。這款發(fā)動機除了需要滿足更嚴苛的排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)外，還需要滿足北美皮卡用戶對燃油耗、功率、牽引負荷和舒適性等方面更高的期望。同時，本文還將介紹該款發(fā)動機在熱力學(xué)、力學(xué)、空氣系統(tǒng)及減排技術(shù)等方面的主要技術(shù)特點。

1 開發(fā)目標(biāo)

選擇發(fā)動機結(jié)構(gòu)型式是開發(fā)工作的第一步。 GM公司的研究人員對發(fā)動機的各種結(jié)構(gòu)型式進行了比較研究，并對優(yōu)先目標(biāo)屬性的選項進行了全面比較和評價（表1）。

發(fā)動機的直列布置型式相較于V形布置型式在燃油耗、功率、噪聲-振動-平順性（NVH）和成本（包括3缸和4缸變型機模塊化）方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢?？s短發(fā)動機的長度是1項挑戰(zhàn)，這要求發(fā)動機在鑄鋁氣缸體的曲軸箱內(nèi)必須保持盡可能小的氣缸間距，同時又不能損害其可靠性和耐久性。因此，研究人員在設(shè)計發(fā)動機結(jié)構(gòu)時，所選擇的峰值壓力和壓縮比規(guī)定值要滿足較低的摩擦要求。GM公司開發(fā)的3.0 L Duramax柴油機的基本參數(shù)如表2所示。研究人員將確定的新的高效能燃燒過程與經(jīng)過優(yōu)化的進氣系統(tǒng)相結(jié)合，獲得了令人信服的功率和扭矩特性曲線（根據(jù)SAE J1349標(biāo)準(zhǔn)進行測量）。

圖1示出了目前3.0 L皮卡目標(biāo)市場主要競爭機型的技術(shù)指標(biāo)。從數(shù)據(jù)中可以看到，該款柴油機不僅具有較高的低速扭矩（對掛車的行駛和靈活性很重要），而且在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可提供較高的功率輸出。

2 燃燒設(shè)計

新型柴油機的開發(fā)核心是其燃燒過程。研究人員的開發(fā)目標(biāo)是優(yōu)化發(fā)動機的性能、原始排放、燃油耗和燃燒噪聲，同時實現(xiàn)發(fā)動機的最低燃油耗值，并符合美國Tier 3廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求。研究人員對燃燒過程的基本參數(shù)，如行程/缸徑比、壓縮比、燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)、負荷運動、噴射參數(shù)等進行了優(yōu)化（圖2）。研究人員對發(fā)動機進行改進的目標(biāo)之一，就是使發(fā)動機在轉(zhuǎn)速較低，且扭矩和負荷發(fā)生突變時，具備實現(xiàn)快速響應(yīng)的能力，同時依然保有較高的升功率（高達74 kW[2]）。具有高功率密度的輕型發(fā)動機力求采用較低的壓縮比，這樣將有助于改善廢氣排放。因此，為了滿足發(fā)動機的額定功率、排放和冷起動之間的最佳平衡，研究人員將壓縮比的值設(shè)定為15.0。

螺旋進氣道產(chǎn)生的渦流比相對較小，其值為1.4，這表示發(fā)動機在額定功率時獲得了高的進氣空氣流量。為了增加氣缸部分負荷區(qū)域內(nèi)空氣的渦流運動，研究人員應(yīng)用了渦流控制閥板（VSA），可在必要時將渦流比提高到2.5。

燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)對確定燃燒系統(tǒng)總體性能起到了重要作用。研究人員在對單缸機和多缸機進行試驗和優(yōu)化前，通過詳細的三維計算流體動力學(xué)（3D-CFD）軟件模擬分析了各種設(shè)計方案，最終選擇了1種空氣利用效果特別出色的設(shè)計方案[3]。

該柴油機選用了9孔噴油器，其每30 s的流量為0.38 L，噴霧錐角為155 °，噴油嘴凸出氣缸蓋火力面為2.0 mm。這種噴油器設(shè)計已被證實了可在部分負荷和全負荷情況下滿足所有指標(biāo)（如炭煙、碳氫（HC）、CO、有效燃油耗）。這種噴油嘴方案因其噴孔的直徑僅為0.116 mm，發(fā)動機即使在高功率運轉(zhuǎn)下也能滿足皮卡用戶所期望的燃燒抗結(jié)焦性能的要求。

3 潤滑和主動熱管理

機油循環(huán)回路的設(shè)計要求確保最佳冷卻和潤滑效果，同時有利于減小發(fā)動機的機械摩擦。為此，研究人員在機油循環(huán)回路中配備了供油量可變的機油泵（cVDOP），并由1個電磁閥根據(jù)特性曲線場需求來控制其機油的供油量。

該柴油機配備了主動熱管理系統(tǒng)（ATM），發(fā)動機能在所有的運行工況下快速達到燃油耗的最佳運行溫度。為降低熱損失和機油粘度，發(fā)動機要保持盡可能高的燃燒室溫度。氣缸體與氣缸蓋之間的冷卻液循環(huán)回路是分開的，由機械式冷卻液泵供應(yīng)的冷卻液流量借助集成在發(fā)動機出口的冷卻液控制模塊（MRV）按需分配到每個部件。冷卻液通過集成在鑄件中的通道進入循環(huán)回路，并經(jīng)分配裝置控制流入氣缸蓋和氣缸體的流量。冷卻液循環(huán)回路在氣缸蓋和氣缸體內(nèi)的流動方向是橫向交錯的，因此氣缸體冷端的另1個通道收集了冷卻液并將其引導(dǎo)回冷卻液控制閥（圖3）。

4 增壓和廢氣再循環(huán)

空氣系統(tǒng)開發(fā)的主要目標(biāo)是在保持高額定功率和高EGR兼容性的同時實現(xiàn)高起動轉(zhuǎn)速。蓋瑞特（Garrett）公司提供的可變幾何截面渦輪增壓器（VTG）是電動控制的，并具有滾動軸承減摩技術(shù)，可在瞬態(tài)和冷機運行時實現(xiàn)快速響應(yīng)。為了獲得可靠的耐久性和使用壽命，該渦輪增壓器采用了冷卻液冷卻，即使在最嚴苛的行駛循環(huán)也能安全可靠地運行。在優(yōu)化NVH性能方面，研究人員一方面對發(fā)動機進行了精確平衡，另一方面在冷凝器和出口處使用了諧振器。為了在所有發(fā)動機工況下都能最佳地利用EGR，研究人員為EGR系統(tǒng)設(shè)置了高壓（HP）和低壓（LP）管路。冷卻液冷卻的緊湊型EGR閥控制高壓系統(tǒng)，主要用于發(fā)動機的加熱階段和排放后處理（圖4）。

5 廢氣后處理

廢氣后處理系統(tǒng)基于1種新的結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，集成了各種專門開發(fā)的部件[4-5]。1個靠近發(fā)動機安裝的DOC可用于氧化HC，并將氮氧化物（NO x ）轉(zhuǎn)化為更容易降低后續(xù)脫硝系統(tǒng)排放量的形式，然后沿著新建的混合器管路進行稀釋并與還原劑（DEF）混合（圖5）。

研究人員首次將SCRF應(yīng)用于GM公司的柴油機。研究人員將這2種功能集中在緊湊型部件內(nèi)，減少了廢氣后處理部件的數(shù)量，并允許系統(tǒng)具有較低的反壓力。第2層SCR系統(tǒng)使得NO x 轉(zhuǎn)換的總效率最大化，特別是在高負荷工況條件下。研究人員在SCR系統(tǒng)后布置了1個ASC，以減少可能出現(xiàn)的氨排放。

美國對車載診斷的要求是非常嚴苛的，為滿足這樣的要求，汽車制造商需要承擔(dān)高額成本。排氣傳感器的數(shù)量說明了任務(wù)的復(fù)雜性：總共使用了4個溫度傳感器、3個NO x 傳感器、1個壓差傳感器和1個顆粒物（PM）傳感器（圖5（a））。

6 摩擦和燃油耗

嚴苛的燃油耗值要求研究人員在開發(fā)熱力學(xué)和發(fā)動機機械結(jié)構(gòu)時，需要進一步優(yōu)化旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動部件的尺寸。這些優(yōu)化后的部件與電控輔助設(shè)備（如無級可變機油泵、可開關(guān)的冷卻活塞機油噴嘴和冷卻液調(diào)節(jié)閥）一起運行，可實現(xiàn)極低的發(fā)動機摩擦。值得注意的是，這種極低的摩擦使發(fā)動機同時實現(xiàn)了高升功率、大扭矩及高可靠性。

圖6示出了目前轎車和輕型載貨車平均摩擦壓力的分散帶。由于熱力學(xué)效率和機械效率很高，發(fā)動機獲得了極其扁平的燃油耗特性曲線場（圖7）。美國認證的城市循環(huán)（FTP-75）、高速公路循環(huán)（HWY）及高速高加速度工作循環(huán)（US06）中的大多數(shù)運行工況點處于最佳有效燃油耗10%的范圍內(nèi)。在具有代表性的低負荷運行工況點（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，平均有效壓力 p me為0.2 MPa）時，3.0 L Duramax柴油機的燃油耗為256 g/（kW·h），明顯低于競爭機型的燃油耗值（圖8）。圖9示出了歷年來柴油機在輕負荷范圍內(nèi)的效率數(shù)據(jù)。盡管重點市場中的汽車尾管NO x 排放限值逐年下調(diào)，但因柴油機技術(shù)的進步，其效率也得到了明顯改善。圖9示出了在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力 p me為0.2 MPa運行工況下發(fā)動機的效率，以及柴油機在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）下的NO x 歷年排放數(shù)據(jù)。圖中顯示了降低摩擦和優(yōu)化燃燒的結(jié)果，這也導(dǎo)致了實際行駛中的燃油耗顯著提高。

7 NVH特性

開發(fā)團隊從一系列結(jié)構(gòu)型式中識別出NVH特性的方案，并將其作為首選方案進行研究。與V6發(fā)動機相比，直列式6缸發(fā)動機的次級慣性力是完全平衡的，主要歸功于曲柄臂曲軸轉(zhuǎn)角在上止點后120 °CA的功率切換。即使沒有平衡軸運轉(zhuǎn)，發(fā)動機運行起來也非常平穩(wěn)，并且在質(zhì)量、效率和成本方面更具優(yōu)勢。此外，高壓縮多孔性塑料隔噪裝置可以確保氣門驅(qū)動裝置和噴油器的最佳封裝。由于氣缸蓋完全絕緣，這也大大降低了噪聲的傳遞（發(fā)動機側(cè)面上部麥克風(fēng)測量聲壓級降低了2.5 dB）。為優(yōu)化空氣管路的聲學(xué)性能，研究人員除了采用低壓和高壓諧振器（在三階倍頻帶、頻率為2 500 Hz時，降低的噪聲為12 dB）外，在緊湊的輕型進氣歧管處還采用了1個整體式泡沫進行隔噪（部分負荷時降低的噪聲為1.5 dB）。此外，研究人員還選用了全部加罩封裝的排氣系統(tǒng)，以減少噪聲的廣泛輻射，并改善發(fā)動機的噪聲品質(zhì)。最后，研究人員對燃燒噪聲本身進行了優(yōu)化，從而實現(xiàn)廢氣排放與燃油耗的均衡折中。直列式6缸發(fā)動機固有的優(yōu)點與上述所采取的優(yōu)化方案相結(jié)合，使發(fā)動機實現(xiàn)了優(yōu)異的聲學(xué)特性（圖10）。

8 汽車行駛試驗結(jié)果

研究人員開發(fā)的該款新型發(fā)動機的運行方式包括2種不同模式。燃燒運行模式在80%的運行工況條件均適用，而加熱運行模式則適用于顆粒捕集器再生、柔和暖機和強烈暖機2個等級的預(yù)熱廢氣后處理系統(tǒng)。

這2種模式之間的切換邏輯經(jīng)過了全面優(yōu)化，可以最大限度地提高廢氣凈化系統(tǒng)在所有駕駛環(huán)境下的轉(zhuǎn)換效率，并為用戶帶來低燃油耗、高舒適度的直接利益。為了實現(xiàn)燃油耗、NVH和廢氣排放目標(biāo)，研究人員采用了新穎的統(tǒng)計學(xué)方法和整體試驗設(shè)計（DOE）模型進行優(yōu)化，將燃油耗、排放和燃燒噪聲的DOE模型的輸入量作為噴射過程、主噴射始點、油軌壓力等噴射參數(shù)和增壓壓力、EGR率等氣道參數(shù)。

①為了符合本行業(yè)計量習(xí)慣，本文仍沿用部分非法定單位——編注。

發(fā)動機的低噪聲排放可使車輛在市郊交通行駛中的SCRF再生間隔達到500 mile①。在所有行駛和環(huán)境條件下，DPF的再生是通過多次后噴射進行的，每個循環(huán)多達9次噴射，這在發(fā)動機標(biāo)定時要進行優(yōu)化。發(fā)動機在標(biāo)定期間優(yōu)化的低機油稀釋率、低粗糙度及高再生效率，使得實現(xiàn)高油回收時間成為可能，達到用戶期望的實際標(biāo)準(zhǔn)（7 500 mile）。研究人員應(yīng)用了1種精確設(shè)定的排氣后處理系統(tǒng)預(yù)熱策略，幾乎獨立于發(fā)動機的運行狀況來提高后處理系統(tǒng)的溫度，并保持在最佳的溫度范圍內(nèi)，使汽車尾管排放降低到最低程度。在冷起動后，發(fā)動機采用強暖機燃燒模式，通過多次后噴射，很快達到DOC起燃溫度，然后啟用柔和暖機方式保持最佳的SCR系統(tǒng)溫度范圍。發(fā)動機通過強烈暖機方式的快速放熱與靈活的ATM方案相結(jié)合，即使在極端環(huán)境條件下也能滿足對車內(nèi)采暖設(shè)備的舒適性要求。圖11示出了采取這樣的策略在FTP-75行駛循環(huán)中所達到的效果，從中可以非常清晰地看出ATM的工作能力。ATM在每1種運行條件下都能迅速和精確地控制發(fā)動機的暖機過程，并使溫度穩(wěn)定在最佳水平，這對于廢氣后處理系統(tǒng)同樣如此。在發(fā)動機冷起動后約180? s，HC和NO x 的轉(zhuǎn)化率就已達到了100%。ATM和廢氣后處理系統(tǒng)的高效能，可使燃燒過程獲得最佳的重心位置（MFB5）。該位置在上止點后8 °CA過程。

9 結(jié)語

GM公司推出的新型3.0 L Duramax柴油發(fā)動機機是1款專為新一代皮卡設(shè)計的高度現(xiàn)代化的動力裝置。該款發(fā)動機集動力性能、駕駛樂趣、極低的實際排放及未來對燃油耗的高要求于一體。

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范明強 譯自 MTZ，2021，82（1）

吳 玲 編輯

（收稿時間：2021-01-12）