現(xiàn)代商用車發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢

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0 前言

歐洲商用車市場是全球最成熟的商用車市場之一,也是商用車制造技術(shù)最頂尖的地區(qū)之一，歐洲商用車動力代表了行業(yè)的發(fā)展趨勢。日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對柴油機(jī)排放技術(shù)提出了日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也是推動發(fā)動機(jī)技術(shù)革新的重要驅(qū)動力(表1)。

表1 歐洲商用車發(fā)動機(jī)排放法規(guī)執(zhí)行表

歐洲于2013年開始?xì)W6a/b排放標(biāo)準(zhǔn)，2017年開始執(zhí)行歐6c標(biāo)準(zhǔn)。為了應(yīng)對排放升級及滿足用戶對較高燃油經(jīng)濟(jì)性的要求，歐洲各大汽車制造商(OEM)均對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了歐6排放的升級開發(fā)，以適應(yīng)排放法規(guī)和市場的需求。

本文首先對歐洲商用車市場的格局進(jìn)行了分析，然后重點(diǎn)分析了關(guān)鍵市場的發(fā)動機(jī)發(fā)展特點(diǎn)，總結(jié)了歐洲重型發(fā)動機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)和趨勢，為我國重型柴油機(jī)的發(fā)展提供思路。

1 市場數(shù)據(jù)分析

歐洲的商用車市場正在逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐誀恳嚍橹鳎d貨車為輔的市場格局。其中牽引車增幅明顯，2005到2014年期間增幅達(dá)到了23%，每年增加2%～3%。載貨車發(fā)展趨勢正好相反，2005到2014年期間跌幅達(dá)到了35%，每年跌幅約2%～3%(圖1)。

圖1 歐盟國家近10年商用車市場分布

歐洲的牽引車市場增幅明顯，而且還有進(jìn)一步增加的趨勢，歐洲的牽引車以柴油機(jī)為主，柴油機(jī)占據(jù)了97%以上的市場份額，以下將重點(diǎn)討論牽引車車用動力及對其車用柴油機(jī)平臺數(shù)據(jù)的分析。

歐洲牽引車市場主要有SCANIA和MAN、DAF 和IVECO等品牌，它們占據(jù)了近99%的市場份額(圖2)，后續(xù)將重點(diǎn)分析汽車制造廠家的柴油機(jī)動力特點(diǎn)。由于VOLVO在歐洲并沒有投放歐6c階段柴油機(jī)，故不列入分析。

圖2 歐洲牽引車市場占有率分析

歐洲的牽引車車用發(fā)動機(jī)排量以11.0 L和13.0 L為主，其中11.0 L的市場占有率下降明顯，2005年到2014年下降了近50%，平均每年下降4%～5%。13.0 L柴油機(jī)的市場占有率上升明顯，2005年到2014年上升了80%，平均每年上升7%～8%(圖3)。

圖3 歐洲近10年?duì)恳噭恿ε帕糠植?/p>

2 競品數(shù)據(jù)分析

2.1 Daimler

Daimler的重型柴油機(jī)有3款機(jī)型，分別是OM470(11.0 L)、OM471(13.0 L)和OM473(16.0 L)。這三款發(fā)動機(jī)均采用高爆壓技術(shù)設(shè)計，工作爆壓達(dá)到23 MPa，其技術(shù)規(guī)格如下(表2)。

表2 Daimler OM471發(fā)動機(jī)分析

Daimler全系列第一代和第二代發(fā)動機(jī)均采用非對稱增壓、冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)和高噴射壓力(270 MPa)的技術(shù)路線，結(jié)合柴油機(jī)后處理方案的氧化催化器+柴油機(jī)顆粒捕集器+選擇性催化還原(DOC+DPF+SCR)技術(shù)滿足歐6排放法規(guī)。

在排放技術(shù)方面，相比于第一代，發(fā)動機(jī)氮氧化物(NOx)原始排放有所上升，NOx排放量有所上升，對應(yīng)的額定工況點(diǎn)EGR率有所下降。尿素消耗有所上升，綜合油耗改善達(dá)2.5%。

在節(jié)油技術(shù)上，其最高熱效率處于全球領(lǐng)先水平，采用的雙卷流燃燒技術(shù)充分發(fā)揮了270 MPa高噴射壓力的技術(shù)優(yōu)勢，既節(jié)能又降低了顆粒物的排放，使得DPF的保養(yǎng)里程達(dá)到了88萬km。使用高壓縮比技術(shù)、采用了更加高效的非對稱增壓技術(shù)，以及改進(jìn)的EGR通道，降低了流動損失。缸內(nèi)的工作爆壓進(jìn)一步升高，達(dá)到23～24 MPa，是經(jīng)濟(jì)性改善的主要原因。采用了減摩涂層，進(jìn)一步改善了摩擦功，另外改進(jìn)的機(jī)油泵進(jìn)一步減少了附件消耗。

在動力性技術(shù)上，在轉(zhuǎn)速900 r/min時基本達(dá)到了95%的峰值扭矩，完全體現(xiàn)了低速扭矩特點(diǎn)，配合2.6的速比，從而進(jìn)一步降低了整車的油耗。在輕量化方面，采用材料為46MnVS6的連桿進(jìn)一步降低了自身質(zhì)量，同時減小了減振器的直徑，優(yōu)化了軸系設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了減重并能夠保持較好的可靠性。

2.2 SCANIA

SCANIA的重型柴油機(jī)有3款機(jī)型，分別是DC9(9.0 L)、DC13(13.0 L)、DC16(16.0 L)，其技術(shù)規(guī)格見表3。

表3 SCANIA DC13發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

為了滿足排放要求，第二代歐6 SCANIA機(jī)型重點(diǎn)突破了排氣后處理技術(shù)。SCANIA DC9和DC13機(jī)型的技術(shù)路線由冷卻EGR全面轉(zhuǎn)為純SCR技術(shù)。在節(jié)油技術(shù)上，為進(jìn)一步改善油耗，首次使用了米勒循環(huán)技術(shù)，由于采用的固定米勒循環(huán)技術(shù)，導(dǎo)致動力性有所下降，13.0 L發(fā)動機(jī)只有在276 kW的動力規(guī)格上應(yīng)用該技術(shù)。

在動力性技術(shù)上，在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時基本達(dá)到峰值扭矩，完全體現(xiàn)了低速扭矩特點(diǎn)，配合小速比，能夠進(jìn)一步降低整車的油耗。由于不采用EGR技術(shù)，使得發(fā)動機(jī)顆粒原始排放有所改善，DPF保養(yǎng)里程明顯上升。

2.3 MAN

MAN的重型柴油機(jī)有3款機(jī)型，分別是D20(11.0 L)、D26(13.0 L)和D38(16.0 L)。這三款發(fā)動機(jī)均采用了高爆壓設(shè)計，工作爆壓達(dá)到22～24 MPa，其技術(shù)規(guī)格見表4，表5。

表4 MAN D26發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

表5 MAN D38發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

MAN全面采用了冷卻EGR、兩級增壓、高噴射壓力(250 MPa)和DOC+DPF+SCR。第二代歐6 EGR率有所下降，由30%降為25%，有利于改善顆粒物排放，并且提升了DPF保養(yǎng)里程。在節(jié)油技術(shù)上，采用雙卷流燃燒技術(shù)，充分發(fā)揮了高噴射壓力(250 MPa)的技術(shù)優(yōu)勢，既節(jié)能又降低了排放，另外采用了高壓縮比技術(shù)，以及更加高效的兩級增壓技術(shù)，以適應(yīng)高增壓和高EGR率的需求。缸內(nèi)的工作壓力進(jìn)一步升高，達(dá)到了22～24 MPa，這是經(jīng)濟(jì)性改善的主要原因。采用了減摩涂層，進(jìn)一步改善了摩擦功，通過電控離合器空壓機(jī)進(jìn)一步減少了附件消耗。

在動力性技術(shù)上，在轉(zhuǎn)速為930 r/min時達(dá)到了峰值扭矩，完全體現(xiàn)了低速大扭矩的特點(diǎn)，配合2.5小速比，進(jìn)一步降低了整車的油耗。

在輕量化方面，采用蠕鐵缸體和缸蓋，在質(zhì)量減小的同時又提升了可靠性。在可靠性上 ，缸蓋使用了“TOPDOWN”冷卻技術(shù)、弧形氣閥技術(shù)、雙冷卻通道活塞技術(shù)等，保證了柴油機(jī)可以達(dá)到較高的壽命。在發(fā)動機(jī)制動方面，出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，一種配備替代緩速器的制動方式已經(jīng)出現(xiàn)，MAN D38機(jī)型采用了增壓器制動技術(shù)，制動升功率可以達(dá)到40 kW。

2.4 PACCAR

PACCAR的重型柴油機(jī)有兩款機(jī)型，分別是MX11(11.0 L)和MX13(13.0 L)。這兩款發(fā)動機(jī)跟其他介紹的發(fā)動機(jī)一樣均采用高爆壓設(shè)計，工作爆壓達(dá)到22～24 MPa，其技術(shù)規(guī)格見表6。

表6 DAF MX11發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

PACCAR采取的技術(shù)路線依然是冷卻EGR、可變幾何渦輪增壓器(VGT)、高噴射壓力(250 MPa)、DOC+DPF+SCR。第二代歐6機(jī)型EGR率有所下降，改善了顆粒物排放，提升了DPF保養(yǎng)里程。

另外，該機(jī)型采用雙卷流燃燒技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能又降低了排放。使用了高壓縮比技術(shù)，以及更加高效的VGT技術(shù)，以適應(yīng)高增壓和高EGR率的需求。缸內(nèi)的工作爆壓進(jìn)一步升高，是經(jīng)濟(jì)性改善的主要原因。

在動力性技術(shù)上，在轉(zhuǎn)速1 000 r/min時達(dá)到了峰值扭矩，完全體現(xiàn)了低速大扭矩特點(diǎn)，配合小速比，進(jìn)一步降低整車的油耗。采用蠕鐵缸體和缸蓋以實(shí)現(xiàn)輕量化需求，既減重又提升了可靠性。缸蓋同樣使用了“TOPDOWN”冷卻技術(shù)，保證了柴油機(jī)較高的使用壽命。

2.5 IVECO

IVECO的重型柴油機(jī)有3款機(jī)型，分別是CURSOR9(9.0 L)、CURSOR11(11.0 L)和CURSOR13 (13.0 L)，其技術(shù)規(guī)格如表7。

表7 IVECO CURSOR13發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

IVECO采用了兩種技術(shù)路線來滿足排放要求，第一種路線采用了低壓冷卻EGR(10%)、VGT、高噴射壓力(220 MPa)、DOC+DPF+SCR，第二種采用純SCR技術(shù)，這兩種路線被用于不同的車輛用途。由于使用低壓冷卻EGR技術(shù)，顆粒物排放并沒有明顯惡化，依然保持較好的DPF保養(yǎng)里程。

與前面幾款發(fā)動機(jī)一樣，為達(dá)到節(jié)油目標(biāo)，采用了雙卷流燃燒技術(shù)，充分發(fā)揮了220 MPa高噴射壓力的技術(shù)優(yōu)勢，既節(jié)能又降低了排放。采用了更加高效的VGT技術(shù)，以適應(yīng)高增壓和高EGR率的需求。缸內(nèi)的工作爆壓進(jìn)一步升高，對經(jīng)濟(jì)性改善起到了關(guān)鍵作用。在動力性技術(shù)上，轉(zhuǎn)速1 000 r/min時達(dá)到了峰值扭矩，完全體現(xiàn)了發(fā)動機(jī)的低速扭矩特點(diǎn)，配合小速比，進(jìn)一步降低整車的油耗。缸蓋使用了燃油直噴(CGI)發(fā)動機(jī)技術(shù)，保障了柴油機(jī)能夠達(dá)到較高的壽命。

在發(fā)動機(jī)制動方面，出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，一種替代緩速器的制動技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，IVECO公司的全系列發(fā)動機(jī)采用的超級制動技術(shù)，可以達(dá)到40 kW/L的制動效率，在行車安全性能上，具有顯著的優(yōu)勢。

2.6 總體分析

2.6.1技術(shù)路線分析

歐洲第二代歐6技術(shù)路線較第一代技術(shù)路線相比，仍以EGR路線為主。SCANIA全平臺轉(zhuǎn)向了純SCR路線。為了彌補(bǔ)經(jīng)濟(jì)性損失，首次采用了米勒循環(huán)燃燒技術(shù)。IVECO由純SCR技術(shù)路線轉(zhuǎn)向雙路線，供不同用戶選擇使用。其中增加了10%的EGR率可以適度降低排放，重點(diǎn)改善燃油經(jīng)濟(jì)性。EGR路線仍然占主導(dǎo)地位，低EGR率(<20%)成為了第二代歐6機(jī)型主流。

2.6.2總體特征分析

主流發(fā)動機(jī)工作爆壓正在朝著更高的方向發(fā)展，驅(qū)動因素主要受經(jīng)濟(jì)性和動力性影響。歐洲主流OEM正處于從第二代歐6發(fā)動機(jī)過渡到第三代發(fā)動機(jī)的全面爆發(fā)期。基于當(dāng)前現(xiàn)狀分析，歐洲的產(chǎn)品總體領(lǐng)先國內(nèi)1～2代左右。從傳統(tǒng)柴油機(jī)發(fā)展路線分析，應(yīng)大力發(fā)展柴油機(jī)技術(shù)，盡快開展三代機(jī)的研制，縮短和歐洲的差距。

圖4 歐洲重型發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢分析

2.6.3技術(shù)特性分析

在經(jīng)濟(jì)性方面，相比11.0 L和13.0 L的重型機(jī)油耗，第二代比第一代要節(jié)油1%～2%，經(jīng)濟(jì)性明顯改善。最高燃油熱效率已經(jīng)到達(dá)46.5%，主流發(fā)動機(jī)正在朝著更高的熱效率發(fā)展(圖5)。在動力性方面，11.0 L最大功率和平均功率基本不變，最大扭矩和平均扭矩分別上升了2%和3%(圖6(a))。

圖5 歐洲重型柴油機(jī)最高發(fā)動機(jī)熱效率發(fā)展趨勢分析

13.0 L發(fā)動機(jī)最大功率和平均功率分別上升了2%和4%，最大扭矩和平均扭矩均上升了4%(圖6(b))。歐洲第二代歐6機(jī)型較第一代動力性小幅提升，發(fā)動機(jī)降速趨勢明顯，低速扭矩增加趨勢明顯。

圖6 歐洲重型柴油機(jī)動力性發(fā)展趨勢分析—最大功率(a)和最大扭矩(b)

11.0 L和13.0 L柴油機(jī)第二代歐6機(jī)型相比第一代機(jī)型平均B10壽命提升了23%～25%，這是因?yàn)榈诙鷼W6機(jī)型各汽車制造商均升級或全新開發(fā)了新機(jī)型(圖7)。

①為了符合作者本意，本文仍沿用部分非法定單位——編注。

圖7 歐洲重型柴油機(jī)耐久性發(fā)展趨勢分析

歐洲第二代歐6較第一代發(fā)動機(jī)制動功率變化不大(除IVECO),但整體制功率水平處于世界領(lǐng)先，發(fā)動機(jī)最高制動升功率已經(jīng)到達(dá)40 kW(圖8)。

圖8 歐洲重型柴油機(jī)制動功率發(fā)展趨勢分析

歐洲第二代歐6較第一代DPF保養(yǎng)里程有明顯上升的趨勢，重型機(jī)DPF保養(yǎng)里程最高已達(dá)98萬km，正在朝著免維護(hù)的趨勢發(fā)展(圖9)。

圖9 歐洲重型柴油機(jī)DPF保養(yǎng)里程發(fā)展趨勢分析

3 結(jié)論

通過上文的研究分析，得出結(jié)論如下：(1)柴油機(jī)仍然具有很強(qiáng)的提升潛力；(2)重型柴油機(jī)主流歐6c技術(shù)路線為低壓冷卻EGR技術(shù)(<20%的EGR率)、DOC+DPF+SCR技術(shù)；(3)主流重型柴油機(jī)正在朝著更高熱效率(>46.5%)、更好的低速動力性(轉(zhuǎn)速<1 000 r/min時達(dá)到峰值扭矩，升功率>32 kW)、更高爆壓(工作爆壓22～25 MPa)、更高的噴射壓力(>250 MPa)、更高效的增壓(可變增壓、兩級增壓等)方向發(fā)展；(4)高效發(fā)動機(jī)制動技術(shù)成為主流發(fā)展趨勢，一種可能在部分車型替代緩速器的發(fā)動機(jī)制動技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，可以有效提升車輛的安全性和降低成本；(5)DPF正朝著免維護(hù)的方向發(fā)展，有利于提升用戶維護(hù)便利性和降低使用成本；(6)當(dāng)前歐洲市場正在進(jìn)入三代機(jī)爆發(fā)期，我國整體仍然處于二代機(jī)的水平，應(yīng)積極發(fā)展柴油機(jī)基礎(chǔ)機(jī)型技術(shù)和后處理技術(shù)，縮短與歐洲地區(qū)的差距。