新型Quon車用大型柴油機與動力傳動系統的開發

【日】 根岸武志

新型Quon車用大型柴油機與動力傳動系統的開發

【日】 根岸武志

日本UD卡車公司對Quon卡車進行了改款，配裝了新開發的GH11發動機。該大型柴油機運用了眾多新技術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冷卻器及機械電子控制變速裝置，并優化了驅動系統。著重介紹了新型發動機技術規格與動力傳動系統概況。

大型柴油機 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，迫切需求改善發動機的燃油經濟性。

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卡車進行了改款(圖1)。

圖1 Quon卡車

新型Quon卡車上配裝了新開發的GH11發動機。該發動機采用了組合環境技術UD顆粒捕集器(UDPC)，以及帶尿素噴射的選擇性催化還原系統(SCR)，滿足2009年日本的排放法規(后新長期排放法規)，也滿足2015年大型車燃油耗標準。另外，得益于機械式電子控制變速裝置(ESCOT)等驅動系統的優化，具有實現下一代卡車環境性能與經濟性能的潛力。

下面介紹新型Quon上配裝的動力傳動系統的概況。發動機外觀圖和ESCOT外觀圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 GH11發動機外觀

圖3 ESCOT外觀

2 發動機主要技術規格

為實現更高的環境性、燃油經濟性和動力性，新發動機在小排量、低轉速回轉區域的進行了大扭矩化、高輸出功率化的研發。表1列出了GH11發動機的主要技術規格。

表1 GH11發動機主要技術規格

3 采用的技術

為滿足后新長期排放法規要求及實現低燃油耗，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、碳氫化合物后處理噴射裝置(AHI)，并利用電子控制實現了發動機控制最佳化。由此，降低了摩擦，提高了發動機的有效熱效率。

3.1 噴油泵-噴油器

相比于共軌系統，這次采用的噴油泵-噴油器系統在燃油噴射初期可進行平穩的噴射，抑制急劇的預混合燃燒，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,使發動機具有通過降低顆粒物(PM)排放來提高燃燒效率，從而改善燃油經濟性的潛力。

圖4 噴射波形

3.2 大容量冷卻的EGR系統

圖5表示EGR系統。為達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。為了利用排氣脈動以提高渦輪效率，在高溫側布置了EGR閥。另外，利用文丘里流量計高精度地進行EGR氣體流量的測量，根據反饋控制EGR氣體的流量，有效降低排放。

圖5 EGR系統

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。

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

由此可降低質量，并且由于滑動葉輪使結構簡單化，也提高了可靠性。VGT與大容量冷卻的EGR組合，進行精準的流量控制，可以在低速旋轉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

3.4 提高低速扭矩

對新發動機進行了小排量化改進，由于增加低速旋轉工況下的扭矩，從而改善了運轉性能。圖7表示行駛性能曲線。由于提高了低速旋轉工況的扭矩，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 低摩擦油環及缸套的應用

主運動系統的摩擦影響有效熱效率，為此，對油環和缸套進行了改進。改進工作降低油環的張力，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。在各種轉速下的摩擦試驗結果及低摩擦油環與缸套組合后的摩擦試驗結果見圖8。

表2 油環張力的降低量

表3 缸套表面粗糙度的降低

圖8 摩擦試驗結果

3.6 符合于日本的發動機的技術應用

該發動機運用了UD卡車公司及Volvo的先進技術，結合優異的基本性能與日本精細的品質技術。Volvo 公司的全球性標準發動機符合歐洲、北美地區的需求，其設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，在低速工況區域的運轉多。因此，在低速工況下可能需要適當提高排氣溫度。圖9為試驗的工況的比較。

圖9 認證試驗工況比較

3.7 機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一樣順暢駕駛。ESCOT與發動機通訊，以調整轉速及制動，能迅速且恰當地進行齒輪變速以改善燃油經濟性，此外，追加了經濟型驅動模式，與通常情況相比可更迅速地進行檔位上移，使車輛可在發動機低轉速下行駛，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現良好的燃油經濟性。配裝了ESCOT的車輛，根據發動機負荷選擇最佳檔位定時，采用平穩加速的柔性巡航功能，由此避免過高的燃油耗，以改善燃油耗經濟性。

3.7.2 ESCOT循環運行功能

ESCOT循環運行功能利用車輛的慣性運行。自動巡航行駛及經濟型驅動模式行駛時，利用慣性運行，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，由此可以實現低燃油耗運行。圖10示出了ESCOT循環運行功能。

圖10 ESCOT循環運行功能

3.7.3 動力傳動系統的最佳化

以改善燃油經濟性為目的，對動力傳動系統進行了優化。采用了高速傳動以減小變速器的旋轉阻力，以此改善燃油耗。為提高操作性，稍調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動機旋轉的加速度，即便猛踩加速踏板，車輛也不會過分急劇地加速，而是進行燃油經濟性良好的緩慢加速。由此，不受司機的駕駛技術影響，均能恒定地加速，可以實現低燃油耗運轉。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用化的帶尿素噴射SCR催化器加以改良，同時，優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

帶尿素噴射SCR系統，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。尿素溶液分解產生的NH3與NOx反應，將NOx轉換為無害的N2與H2O。

日本國內的行駛中，低速、低負荷工況運轉較多，排氣溫度低，要求SCR系統在低溫下具有較高的NOx凈化率。NOx還原反應可用式(1)～(3)表示。其中NO∶NO2體積比為1∶1的反應式(3)的反應速度最快，為提高低溫下的凈化率，應盡量在催化器內發生該反應[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，將位于SCR系統前的氧化催化器(DOC)進行改良，優化流入SCR催化器的NO/NO2比例，以提高低溫區域的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

由安裝在發動機上的控制單元預測NOx排放量，由此選擇恰當的尿素添加量，避免過量的尿素溶液添加，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捕集發動機側未完全除去的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行手動再生。自動再生是在精細的發動機控制下在較低溫度下進行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。缸內噴射方式是在氣缸內添加燃料，而不是在活塞的燃燒室，有可能導致燃油稀釋發動機油，而AHI向排氣管直接噴射燃油，燃油不會對機油產生稀釋。結果表明，相比缸內噴射方式，AHI可以延長機油更換周期。

4 大型發動機和動力傳動系統的開發

上文介紹了動力傳動系統的主要技術項目，使用這些技術有利于降低排放燃油耗。針對現行車輛執行的日本新長期排放法規，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，優化氣體流量控制最配備大容量冷卻器的EGR系統，并與VGT適當地結合起來，同時優化了機械式電子控制變速裝置和驅動系燃油耗，實現了發動機燃油耗及NOx排放的降低。利用帶尿素噴射的SCR系統及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，發動機實現了完全電子控制化，并完善了發動機細節技術以降低摩擦等。經驗證，發動機可滿足日本2015年大型車燃油耗法規要求(部分車型除外)，實現了較高的環境性能和經濟性能。

5 結語

本文介紹了新型“Quon”卡車上配裝的動力傳動系統采用的技術。

柴油機應面向環境問題進行先進技術的開發，同時進一步提高經濟性。這款新型Quon卡車以UD卡車公司原有技術為基礎，采用了新技術，具有滿足下一代卡車用發動機需求的潛力。為滿足今后越來越嚴苛的環境法規要求，應持續地開展技術創新。

[1] 平田公信ほか.大型商用車用尿素SCRシステムの開發(第1報)一新長期排出ガス規制ヘの適合一[R].自動車技術會秋季大會，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(第2報).一實用性に關する檢討一[R].自動車技術會秋季大會，2004.20045687.

彭惠民 譯自 自動車技術， 2015， 69(9)

許 蕾 編輯

2016-07-30)