五十鈴小型商用車用柴油機的開發(fā)

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0 前言

五十鈴汽車公司進行了小型商用車用新型1.9 L RZ4E型柴油機的開發(fā)。該款發(fā)動機為五十鈴公司下一代小型商用車的基本發(fā)動機。為提高燃油經(jīng)濟性，對該機型進行了縮缸強化，排量從原來的2.5 L減小到1.9 L。在深入調(diào)查了市場需求和客戶使用要求后，對包括發(fā)動機缸心距在內(nèi)的總體結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計。為滿足各國排放法規(guī)，從降低燃油耗著手，重新進行了開發(fā)。并首次將該發(fā)動機配裝在輕型貨車D-MAX上[1-2](圖1)，以及運動型多功能車MU-X上，相比以往車型CO2排放量削減了19%。

本文介紹了新開發(fā)的RZ4E發(fā)動機的技術(shù)概況，以及滿足歐4排放法規(guī)要求的技術(shù)概況。

圖1 輕型貨車D-MAX

1 RZ4E發(fā)動機開發(fā)目標

新款RZ4E發(fā)動機的開發(fā)目標如下：

(1) 頂級的燃油經(jīng)濟性能，并有效降低CO2排放量；

(2) 在確保起步和加速性能的同時，實現(xiàn)發(fā)動機高可靠性的目標；

(3) 改善噪聲，達到頂級靜音水平；

(4) 基于模塊化設(shè)計，采用局部裝配(預(yù)裝配)的方式，削減裝配工時；

(5) 利用基于模型的產(chǎn)品開發(fā)(MBD)理念以提高開發(fā)效率；

(6) 設(shè)計中需考慮到保障運轉(zhuǎn)的可維修性。

2 發(fā)動機主要技術(shù)規(guī)格

表1列出了供應(yīng)泰國市場的新款RZ4E型發(fā)動機與原機型的主要技術(shù)規(guī)格的比較。

3 發(fā)動機概況

圖2示出了RZ4E型發(fā)動機的概況，圖3示出了RZ4E型發(fā)動機性能曲線。

表1 RZ4E型發(fā)動機與原機型主要技術(shù)規(guī)格

圖3 RZ4E型發(fā)動機性能曲線

3.1 兼顧提高熱效率與排放性能

圖4 燃燒室形狀

為了更好的提高熱效率并改善排放性能，需要使燃燒室形狀達到最佳化。圖4示出了RZ4E型發(fā)動機的燃燒室形狀。

從壓縮比看，新款發(fā)動機在抑制最高燃燒壓力的同時，需要實現(xiàn)與原機型相等或比原機型更優(yōu)越的功率特性。而且，考慮到實際的熱效率和排放性能，選擇的最佳壓縮比為16.5。要使混合氣形成的燃油噴霧距離，可以順利地擴展到燃燒室的唇口，在燃燒室唇口部設(shè)置了階梯差，這樣可以充分地利用擠氣區(qū)的空間。

為確定燃燒室的具體形狀，利用計算流體動力學(CFD)進行了分析。在原機型上采用的燃燒室凹坑形狀，噴霧混合氣滯留于燃燒室底部的球形腔，形成局部的濃混合氣。對RZ4E型發(fā)動機進行了設(shè)計優(yōu)化，在燃燒室底部球形腔及燃燒室中央頂部設(shè)定為圓滑連接的輻射螺旋線(回旋曲線)，通過抑制噴霧混合氣的失速，以提高氣缸中央部的空氣利用率(圖5)。

圖5 按燃燒室不同形狀的CFD分析

圖6 降低機械損失采用的技術(shù)措施

利用減少排量的方法來降低機械損失，并通過RZ4E型發(fā)動機零件單體試驗，以及與發(fā)動機的摩擦測試，進行效果驗證，并采用了其他降低機械損失的附加措施(圖6)。

在確保各組件必要流量下，考慮到冷卻回路的最優(yōu)化與降低各零件的壓力損失，并削減水泵的流量，實現(xiàn)了水泵驅(qū)動力的降低。結(jié)果表明，這種方法確保了水泵的耐久性和可靠性，同時與原機型相比，在轉(zhuǎn)速2 000 r/min范圍內(nèi)，機械損失降低了37%(圖7)。

圖7 與原機型的機械損失比較

此外，要降低氮氧化物(NOx)的排放，EGR是必不可少的措施，而對于小排量的發(fā)動機而言，配置有足夠容量的EGR冷卻器，以及縮短由EGR氣體引入氣缸的通路，形成EGR內(nèi)部氣體均勻混合是有待解決的課題。RZ4E型發(fā)動機的EGR的冷卻系統(tǒng)如圖8所示。廢氣由排氣口返回進氣口的路徑上，通過氣缸蓋內(nèi)部的水套進行1次冷卻，實現(xiàn)了外置EGR冷卻器的小型化。

圖8 氣缸蓋組裝EGR冷卻器

從改善EGR氣體混合來看，在進氣歧管入口處的進氣配管外布置了狹縫狀EGR進氣口。廢氣由進氣配管的外側(cè)向內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)，流入EGR氣體。由EGR入口到氣缸的通路較短，可以有效促進EGR內(nèi)部氣體的均勻混合(圖9)。

圖9 環(huán)形狹縫式EGR引入口

除了采用上述措施來降低發(fā)動機內(nèi)部的機械損失之外，由于燃燒室形狀的改變，還能同時改善排放性能和燃油經(jīng)濟性能。車輛按新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)行駛中，CO2排放量為161 g/km，百公里燃油耗為6.2 L。

3.2 確保起步加速性能

為了確保與原機型相同的起步加速性能，并使燃油耗最少，RZ4E型發(fā)動機的排量為1.9 L。利用渦輪增壓器以實現(xiàn)高增壓壓力，能夠確保穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的扭矩與原機型相同或超過原機型。另一方面，起步加速增壓壓力上升的響應(yīng)延遲，從開發(fā)初期就被列為了待解決課題。為確保起步加速性能，進、排氣凸輪軸的輪廓(斷面)形狀選定在低速區(qū)域，可以獲得高容積效率的斷面形狀，并且最大限度地提高在無增壓狀態(tài)下的輸出扭矩。與新型變速器的應(yīng)用相結(jié)合，確保了驅(qū)動力與原機型相同甚至超過原機型(圖10)。而且，車輛起步時要使駕駛員可以輕松操作離合器且順利完成起步，并增加輔助的發(fā)動機控制。

圖10 無增壓狀態(tài)下起步階段驅(qū)動力的比較

3.3 耐久性、可靠性

為保證日本車輛在泰國市場占有較高的份額，五十鈴公司分析了世界上132個國家(2014年)獲得好評的傳統(tǒng)車輛的使用需求。圖11示出了使用需求分類實例，圖12示出了假定車輛使用頻度分析。根據(jù)分析結(jié)果以及各國不同的燃油使用情況，開始進行新車試驗，確保了其耐久性和可靠性。

圖11 使用需求的分類實例

圖12 假定車輛的使用頻度分析

3.4 靜音性

RZ4E型發(fā)動機的機體，采用了其他公司的基準，設(shè)計了高剛度的長裙形結(jié)構(gòu)。此外，利用計算機輔助工程(CAE)制成最佳機體形狀，相比原機型大幅度降低了質(zhì)量。并在設(shè)計中考慮到降低質(zhì)量與噪聲，優(yōu)化了其基本性能(圖13)。

圖13 質(zhì)量與噪聲性能比較

在其他主要結(jié)構(gòu)零件方面，不但借助于CAE，并利用基于試驗的聲源與振動分析，在整個頻域的結(jié)構(gòu)減振性能相比原機型有所提高，也研發(fā)出了具備高潛力的抗爆燃結(jié)構(gòu)(圖14)。

圖14 結(jié)構(gòu)減振量比較

由于噴射控制的優(yōu)化，使得在高水平的兼顧燃油經(jīng)濟性與排放性能的同時，降低了燃燒噪聲。即使未在發(fā)動機周圍進行鄰近屏蔽，即未對輻射噪聲采取隔聲對策，相比原機型，新型RZ4E仍降低了噪聲。RZ4E型發(fā)動機由于改進了加速行駛時的燃燒噪聲水平和線性特性，不僅改善了噪聲水平，而且直接關(guān)系到了噪聲的主觀評價。圖15示出了依據(jù)五十鈴公司特有的噪聲評價指數(shù)[3]進行評價后的結(jié)果。

圖15 噪聲評價指數(shù)比較

3.5 模塊設(shè)計，局部裝配方式

五十鈴公司力圖將本公司產(chǎn)品與技術(shù)推向國際市場，為了制作出可以適應(yīng)各國不同需求，靈活通用的發(fā)動機技術(shù)平臺，采用了一系列措施。首先，根據(jù)各國市場的要求安排了不同的裝置，并進行了各種裝置的最佳方案研究。圖16示出了滿足泰國市場并設(shè)置冷卻壓縮機的設(shè)計方案，主要結(jié)構(gòu)零件考慮了各種規(guī)格不同的裝置后再進行的設(shè)計。由于裝置的分組不同，構(gòu)建了能向各國市場輸出的模塊化設(shè)計。

圖16 模塊設(shè)計

圖17 開發(fā)流程概念圖

圖18 分析流程概念圖

此外，在發(fā)動機裝配中，為了能與傳統(tǒng)的4J系列發(fā)動機在同一裝配生產(chǎn)線上進行組裝，需解決工時的差異。為了將工時的差異控制在最小限度，RZ4E型發(fā)動機制造采用了局部裝配(組件)的方式。局部裝配首先是在輔助裝配線上按小規(guī)模組裝零部件，以達到削減主裝配生產(chǎn)線作業(yè)工時的目的。由此，實現(xiàn)了與4J發(fā)動機系列裝配生產(chǎn)線的通用化。從局部裝配的方法來看，生產(chǎn)部門與研發(fā)部門同時進行產(chǎn)品的設(shè)計與施工(方案)設(shè)計[4]，從開發(fā)初期階段就使生產(chǎn)率及抗變換性最佳化。結(jié)果表明，相比于以往的4J系列發(fā)動機，局部裝配削減了裝配線上約30%左右的工時。

3.6 MBD的應(yīng)用

以往的產(chǎn)品開發(fā)是用試驗設(shè)備評價試件，如不能達到目標性能則反復(fù)進行設(shè)計和評價，進而按照目標值進行產(chǎn)品開發(fā)。這種方法在零件試制和評價時耗費了許多時間。但是，為滿足更為嚴格的排放法規(guī)限值和燃油耗要求，模型開發(fā)系統(tǒng)追求高功能化和大規(guī)模化，但有可能會導(dǎo)致開發(fā)周期延長。

因此，在RZ4E型發(fā)動機的開發(fā)過程中，按“MBD型”開發(fā)模式全面地實施了開發(fā)。從方案規(guī)劃階段應(yīng)用了MBD，在虛擬發(fā)動機上實施零件評價，有效縮短了試制周期。此外，通過組合虛擬發(fā)動機與試驗設(shè)計法，能從龐大的系統(tǒng)組合中找出達到目標值的多數(shù)解，并將設(shè)計返工控制在最低限度(圖17)。

圖18表示實施了排量選定時的分析流程，在規(guī)劃階段，運用大量仿真[5]技術(shù)，在短時間內(nèi)采用最佳的發(fā)動機組合系統(tǒng)。一方面解決排量減小(縮缸強化)的問題，如提高增壓壓力、增強起步性能等，另一方面采用了使燃油耗最小的排量1.9 L。

4 結(jié)語

根據(jù)前文闡述的技術(shù)應(yīng)用及開發(fā)內(nèi)容，已將同時具備高耐久性、高可靠性、低燃油耗、低噪聲的新型RZ4E發(fā)動機投放到泰國市場。新型RZ4E發(fā)動機，按照NEDC行駛中，相比于原車型的CO2排放量削減了19%，實現(xiàn)CO2排放量161 g/km，百公里燃油耗6.2 L，獲得裝載1 t的輕型貨車頂級水平的燃油經(jīng)濟性能，同時兼顧了耐久性、可靠性和低噪聲。由于采用模塊設(shè)計，局部裝配方法，制成低成本發(fā)動機，并以整車進入泰國市場為開端，將小型商用車用發(fā)動機產(chǎn)品投放到國際市場。