一種重型貨車用新型柴油機的開發

【日】 菅野哲也 茨木邦和 清水隆治 安部栄一 堀內裕史 佐野貴弘 山崎敏明

0 前言

近年來，為了滿足日趨嚴格的排放法規要求，以及不斷降低燃油耗與提升駕駛性能的技術要求，針對重型貨車用柴油機而開展的研發工作主要包括減少高速行駛工況所占的時間比例及采用發動機小型化技術。而且，為了卓有成效地滿足上述要求，必須進一步實現發動機的小型化及高功率化。圖1示出了日本本土大型貨車用柴油機的平均有效壓力（BMEP）的逐年變化。

圖1 日本重型貨車用柴油機小型化的發展趨勢

本文介紹了由日野汽車公司新開發的可滿足2016年日本排放法規要求的重型貨車用全新A09C型柴油機設計理念及其采用的相關技術。

1 新型發動機概況

表1示出了新型A09C型發動機的主要技術規格，圖2示出了該型發動機的外觀。

表1 新型A09C發動機技術規格

圖2 全新A09C發動機

2 設計理念

2．1 兼顧低排放與高燃油經濟性

為了充分滿足日本、美國、歐洲等地的最新排放法規要求，并實現較高的燃油經濟性，專門設計了能耐受較高燃燒壓力及較高熱負荷的發動機結構。

2．2 兼顧多樣性需求并提高生產率

作為發動機的基本結構，為了最大限度地實現批量生產，同時為了滿足各個國家或地區的排放法規要求，燃油噴射系統、增壓器、EGR裝置、排放后處理系統等排放模塊零件均采用了更易于變更的結構。

2．3 提高可靠性

為了確保發動機在各種使用工況下的可靠性并提升機油泵及水泵的流量穩定性等，需著力改善其可靠性。

3 輸出功率及燃油耗

全新A09C發動機與原機型相比，其最大扭矩提高13%，而且由于改善了中、高轉速區的動力性能，從而進一步使扭矩提高6%（圖3）。

圖3 全新A09C發動機與原A09C型發動機扭矩曲線對比

并且，選用的差速器齒輪減速比較為合適，確保了與配裝有E13C型發動機的車型相比毫不遜色的動力性能（圖4）。

圖4 配裝全新A09C發動機與E13C發動機的車輛運行性能比較

發動機小型化的一大弊端是起動性能較差，通過變速器的變速比以及差速器齒輪減速比的選定，確保其起動性能得以顯著改善。

關于燃油耗，配裝有A09C型發動機的車型，由于與具有12檔變速功能的自動機械式變速器（AMT）相組合，其燃油耗比2015年度重型車燃油耗標準改善達10%，配裝有A09C型發動機的車型被列為了減少稅費的車型之一，其汽車購置稅、汽車質量稅均減少達75%（圖5）。

圖5 燃油效率的比較

4 采用的技術

4．1 兩級渦輪增壓系統

為力求提高BMEP，新型A09C發動機采用了兩級渦輪增壓系統（圖6），可以使發動機從低轉速區域到高轉速區域均獲得較高的增壓壓力。

圖6 兩級渦輪增壓及旁通閥結構

由于在高壓級、低壓級均采用了通用型渦輪，相比傳統的可變噴嘴式渦輪，削減了高溫下處于滑動狀態的零件數量，隨著BMEP的提高，力求提高其耐受熱負荷的能力。此外，作為控制排氣流量的裝置，在高壓級與低壓級的渦輪之間，通過電子控制方式對旁通閥進行無級控制。圖7示出了系統的示意圖。

圖7 全新A09C發動機兩級渦輪增壓系統示意圖

高壓級、低壓級渦輪及其壓氣機的容量并不完全相同。如圖8所示，通過旁通閥的切換控制，壓氣機的壓力比在發動機低轉速區域的高壓級和發動機高轉速區域的低壓級的比例有所提高。相比單級渦輪的增壓方式，該切換控制能在更廣泛的轉速區域有效增加空氣量，使得利用負荷分散方式以提高可靠性成為了可能。

圖8 在發動機全負荷中低壓級和高壓級的壓力比

排氣歧管與高壓級渦輪機殼的連接部分被設定為分離了1～3號氣缸與4～6號氣缸的雙入口結構。如圖9所示，渦輪機殼內的旁通回路也是在旁通閥前端進行分離，因此，氣缸之間通常不會發生干涉，為此可回收來自發動機排氣道的脈沖能，主要對于發動機低速工作區域的渦輪效率有較好的改善效果。

而且，在低壓級與高壓級之間，采用了全新的中冷器，隨著高壓級壓氣機入口溫度的降低，力求提高渦輪的可靠性與增壓系統的效率（圖10）。

圖9 高壓級渦輪機殼體

圖10 用于高壓級壓氣機的中冷器所起的作用

旁通閥（圖11）主要在工作氣體流量增加的發動機高負荷及高轉速工況下工作。在發動機的中、低負荷工況下及發動機高負荷、低轉速工況下處于完全關閉的狀態。在完全關閉狀態下所占的工作時長比例較高（圖12）。這時來自旁通閥的泄漏量直接關系到渦輪工作氣體流量以及EGR率的降低，因此，減少泄漏量已成為影響發動機性能的重要因素。

圖11 旁通閥結構

旁通閥由于可對大流量氣體進行分流處理，因此通常會采用蝶式結構。然而在復雜多變的使用環境下，由于熱膨脹導致密封部件之間的間隙變化較大，在發動機運轉的整個區域將泄漏量抑制在最小限度內通常是較為困難的。

圖12 旁通閥控制圖

因此，在使密封部件間隙設計實現最優化的同時，通過采用圖13所示的在機座面上裝入閥門的截斷控制方式，實現了旁通閥的完全關閉，整個區域的泄漏量有所降低。

圖13 旁通閥全關閉控制

4．2 帶表面微凹網紋處理結構的氣缸套

為了力求降低發動機運動系統的摩擦損失，A05C型發動機已經率先在氣缸套的內圓面內采用了微凹網紋處理工藝，新開發的A09C發動機上也采用了該工藝。由此，減少流體潤滑區域的滑動面積，緩解了由于機油的分散流動而導致的摩擦現象（圖14）。

4．3 提高水泵的冷卻水量

為適應高功率化，在不改變水泵外徑尺寸的前提下，通過使水泵葉片形狀最佳化，在提高帶輪傳動比的同時，冷卻水量提高達10%左右（圖15）。

4．4 排氣后處理裝置

繼續采用柴油機排氣微粒減少裝置（DPR）＋帶尿素噴射的選擇性催化還原系統（SCR），由于SCR的容量提升及其催化劑的改良，使尿素消耗量被抑制在最小限度以內，并且力求提高氮氧化物（NOx）的處理效果，滿足了相關排放法規要求。圖16示出了DPR＋帶尿素噴射SCR消聲器的外觀與內部結構。

圖14 微凹網紋處理的詳細說明［1］

圖15 現有水泵與全新水泵之間葉片形狀的比較

圖16 DPR及SCR消聲器的布置

在不改變消聲器外觀形狀的條件下可使催化劑的配置最佳化，相比于以往SCR的容量得到了相應提升。

在SCR催化劑的改良過程中，由于傳統型催化劑在高溫區域的凈化效果較差，因此，采用了從低溫區域到高溫區域可以獲得具有較高凈化性能的新型催化劑（圖17）。

圖17 SCR催化劑的特性曲線

5 結語

全新設計開發的A09C型柴油機已配裝于日野汽車公司開發的名為“Profia”的重型貨車上。今后仍將持續開展市場調研，征求客戶的意見與建議，謀求進一步提高該款發動機的市場競爭力及可靠性。