車用柴油機的市場趨勢與技術發展動向

【日】 小林弘晃

0 前言

日本自2016年10月起對重型貨車（總質量超過3.5t）實施嚴格的排放法規。此后由各汽車制造商研制的滿足最新排放法規要求的新型發動機也陸續投放市場（表1）。

表1 2016年日本汽車制造商發布、銷售的柴油機技術規格

在當前背景下，五十鈴汽車公司發布并銷售了一款新型的7.8L柴油機。該發動機滿足日本最新排放法規要求與2015年燃油耗標準，同時作為一款大型卡車用發動機，也在不斷追求小型化。

在北美市場，新型發動機的發布及銷售情況呈增長趨勢，如輕型貨車用的高功率柴油機。此外，在中型、重型貨車、城市客車用發動機領域，為滿足2017年聯邦溫室氣體排放法規（GHG17），正在開發降低CO2排放并提高燃油經濟性的新機型。

1 日本柴油機市場動向

1.1 市場概況

（1）乘用車發動機

近年來，由歐洲各乘用車制造商面向日本汽車市場投放的柴油機數量呈增長趨勢。而在2016年，日本國內的汽車制造商沒有公布或銷售新型柴油機。

（2）商用車發動機

五十鈴汽車公司于2015年在東京汽車展覽會上展出的樣機是一款大型卡車用柴油機。該公司上市并銷售了7.8L的6NX1-TCS發動機。

1.2 新型發動機的特征

五十鈴汽車公司推出的6NX1-TCS發動機（圖1），應用于重型貨車“Giga”上。該機型以6HK1發動機為基礎機型，是一款全新研制出的輕量化、布置緊湊的小型發動機。該機型除了滿足日本最新排放法規與2015年燃油耗標準之外，相比傳統的大型卡車用發動機仍具備一定的優勢。采用小排量的同時，采用兩級渦輪增壓器，在2 000r／min的轉速下達到250kW的最大功率，在1 300r／min的轉速下達到1 422N·m 的最大扭矩。該機型在從低速到高速的寬廣旋轉區域實現了平穩的扭矩特性。另一方面，為了避免由于排量小而引起發動機制動問題，采用了具有專用凸輪型線的發動機減速器。此外，為削減怠速運轉時的燃油耗，該機型配備了怠速停止-起動系統Ecostop，以及柴油顆粒過濾器（DPF），并采用了排氣管噴射的碳氫化合物（HC）清除裝置等技術。同時采用了與已經上市銷售的9.8L6UZ1發動機相同的配件。

圖1 五十鈴公司6NX1-TCS柴油機

2 國外汽車市場動向

2.1 市場概況

（1）乘用車發動機

歐洲乘用車制造商已向市場推出滿足歐6排放法規要求的產品。2016年發布了新機型，銷量較為可觀。就面向東南亞及北美市場銷售的小型貨車用發動機而言，制造商發布并銷售了多款滿足市場需求，同時力求改善燃油經濟性及動力性的新機型。

（2）商用車發動機

在北美汽車市場，為滿足GHG17法規要求，參考原機型，重新評審增壓器以及超高壓燃油噴射的應用。而且，采用裝備了電控可變機構的機油泵及水泵，通過降低摩擦來改善燃油經濟性。制造商已公布并銷售了多款大中型卡車用的改良機型（表2）。

2.2 新型發動機特征

2.2.1 五十鈴公司RZ4E-TC發動機

圖2 五十鈴公司RZ4E-TC發動機

該款發動機是面向日本海外市場推出的作為小型貨車“D-MAX”用的新機型。這是一款1.9L，4缸雙頂置凸輪軸（DOHC）發動機（圖2）。該機型在轉速3 600r／min下最大功率為112kW，在轉速1 800～2 600r／min時最大扭矩達350N·m。作為4JK1 2.5L發動機的后續機型，利用小型化以實現輕量化，同時通過提高平均有效壓力力求改善燃油經濟性。

2.2.2 美國通用汽車公司（GM）Duramax L5P發動機

這款發動機作為北美市場的GMC及Chevrolet等輕型貨車用發動機，以LML發動機為原機型，進而重新設計的V型8缸、頂置氣門（OHV）的6.6L發動機（圖3）。設計過程中重新測量了曲軸軸頸直徑以及曲軸銷的直徑。并采用4根螺栓牢固連接主軸承蓋，同時利用立體結構的強化及噴嘴可變截面（VG）渦輪增壓器的參數優化以提高增壓壓力。該機型在轉速1 600r／min下最大扭矩達1 234N·m，（相比原機型增加了19%的扭矩）。另一方面，在柜罩上部用泡沫橡膠進行隔噪，怠速運轉噪聲相比原有樣車降低了38%。

表2 2016年國外市場上發布、銷售的柴油機技術規格

圖3 GM Duramax L5P柴油機

2.2.3 Cummins 5.0LV8Turbo Diesel發動機

“TITAN DX”車用發動機（圖4）由Cummins公司研制，并配裝于日產汽車公司的輕型貨車。該機型是以原有的ISV 5.0L發動機為原機型并全新設計的V型8缸DOHC 32氣門發動機，由于采用了高壓共軌噴油系統（HPCR）以及重新采用了Cummins公司的兩級渦輪增壓器等技術，在轉速3 200r／min下達到最高功率231kW。此外，采用了兩級燃油濾清系統，同時濾除燃油中的污染物，力求提高共軌噴油系統的可靠性。

圖4 Cummins公司5.0LV8Turbo Diesel發動機

2.2.4 Cummins L9發動機

該機型為北美市場的中型貨車用發動機，和原機型ISL9一樣，采用Cummins公司制造的VG渦輪增壓器及高壓共軌噴油系統（XPI），同時滿足GHG17法規要求。此外，采用了配備有電信與信息處理裝置的遠程診斷系統（CDS），力求提高運行管理及服務水平。

2.2.5 Cummins X15發動機

該機型是用作北美市場大型貨車用發動機，涵蓋功率及扭矩特性不同的兩種型譜：Performance系列及Efficiency系列（圖5）。與原機型ISX15相比，由于優化了壓縮比、凸輪型線、VG渦輪增壓器，以及燃油噴射壓力等技術，進而可以滿足GHG17法規要求。與L9柴油機相同，該機型采用了遠距離診斷系統。

圖5 Cummins X15柴油機

2.2.6 Detroit Diesel DD5發動機

該機型為Freightliner公司供給北美市場的中型貨車M2用發動機，原機型為 Mercedes-Benz公司的OM934發動機，并力求滿足GHG17法規要求，是一款4缸DOHC 16氣門的5.1L發動機（圖6）。由于采用了小排量結構，同時使用兩級渦輪增壓器，可在2 200 r／min轉速下達到最大功率172kW，在1 400r／min轉速下達到扭矩895N·m。此外，與OM934發動機相似，作為DPF再生時的排氣升溫裝置，采用了可變配氣正時機構、壓縮式發動機制動裝置，以及遠程診斷系統，力求提高運行管理及服務質量。

圖6 Detroit Diesel DD5柴油機

2.2.7 Mercedes-Benz OM470發動機

該機型于2015年生產并配裝于Second Genera-tion車（圖7），同時滿足歐6排放法規要求，與排量可達12.8L的OM471發動機相似，均采用增壓式共軌噴油系統（X-Pulse），其最高噴油壓力可達270MPa。發動機內置非對稱式渦輪增壓器，并重新評估擋板式廢氣再循環（EGR）閥的位置。此外，由于壓縮比增大及燃燒室形狀的優化，進一步改善了燃油耗。另外，取消了EGR壓差傳感器，以及DPF再生時的非對稱噴射等設定，力求提高發動機的可靠性。

圖7 Mercedes-Benz OM470發動機

2.2.8 Volvo D11、D13及 Mack MP7發動機

這幾款發動機作為北美市場的大型貨車用發動機，在原機型上增加采用了組合式噴油器的燃油泵，同時采用最高噴油壓力為240MPa的共軌噴油系統（圖8）、波形圖案的燃燒室（圖9）、雙速水泵及調速風扇等設備，可有效改善燃油經濟性。發動機上還配備有復合渦輪增壓器，功率提高了37kW，燃油耗改善了6.5%。

圖8 Volvo Trucks公司D11柴油機

2.2.9 Paccar MX-11和 MX-13柴油機

這兩款發動機采用可變容量型機油泵、調速水泵、新型單缸壓氣機及低速工況下的高扭矩等技術，對燃油耗進行改善（圖10）。同時，使MX-13發動機的最大功率提高到380kW，MX-11發動機的最大扭矩提高到2 237N·m，同時采用遠程診斷功能，力求提高運行管理與服務性能。

圖9 波形圖案的燃燒室

圖10 Paccar MX-11柴油機

3 柴油機開發動向

針對進一步改善大氣污染的目標，日本國內的柴油車排放法規也在向歐美國家逐年趨近。同時開始實施2016年排放法規，氮氧化物（NOx）的法規限值在逐漸收緊。

另一方面，為達到原有的燃油耗標準，需要進一步改善燃油經濟性，這對于配裝柴油機的車輛會要求更加嚴格。

為滿足上述要求，如增大燃油噴射壓力，提高增壓器性能，以及利用兩級渦輪增壓以達到高增壓壓力，重新評估燃燒室形狀及EGR參數的優化。利用銅-選擇性催化還原系統（Cu-SCR）以提高NOx轉化率，通過裝備了電控可變機構的輔機以降低摩擦。另外，可以預測與多級變速器相配套的發動機通過低轉速化、小型化等技術，使低燃油耗技術進一步得到發展。