GM公司開發的新型3.0 L Duramax柴油機

G.BORETTO V.VERDINO A.VASSALLO M.UMIERSKI

全新的3.0 L Duramax直列6缸柴油機是專門為GM公司新的全尺寸系列卡車平臺開發設計的，它將用于下一代雪佛蘭 Silverado、GMC Sierra及其他車型。為了確保這種動力系統能與車輛平臺最佳地集成，選擇了高度集成的全鋁柴油機結構，打破了皮卡常用的V形發動機的布置模式。在這種情況下，整車布置對發動機的結構長度要求很高，但直列式布置為發動機提供了所必要的性能優勢，可滿足最低的燃油耗和苛刻的舒適性要求。

發動機結構;技術參數;開發設計

0 前言

2018年，包括輕型卡車、轎車、輕型和中型皮卡、運動型多功能車（SUV）及輕型運貨車在內的整個汽車市場，北美地區（美國、加拿大和墨西哥）的柴油機份額約為4%，與歐洲地區約35%的市場份額相比差距較大[1]。在已簽訂了北美自由貿易協定（NAFTA）的地區，柴油機的需求量達到了70萬臺。因此，盡快開發出新型的現代6缸柴油發動機并投放市場，是GM公司在2014年作出的戰略性決策。這款發動機主要是針對輕型皮卡和大型SUV的性能、工作效率、耐久性來設計的。

本文將介紹GM公司設計該款新型發動機的開發步驟。這款發動機除了需要滿足更嚴苛的排放標準法規外，還需要滿足北美皮卡用戶對燃油耗、功率、牽引負荷和舒適性等方面更高的期望。同時，本文還將介紹該款發動機在熱力學、力學、空氣系統及減排技術等方面的主要技術特點。

1 開發目標

選擇發動機結構型式是開發工作的第一步。 GM公司的研究人員對發動機的各種結構型式進行了比較研究，并對優先目標屬性的選項進行了全面比較和評價（表1）。

發動機的直列布置型式相較于V形布置型式在燃油耗、功率、噪聲-振動-平順性（NVH）和成本（包括3缸和4缸變型機模塊化）方面表現出明顯的優勢。縮短發動機的長度是1項挑戰，這要求發動機在鑄鋁氣缸體的曲軸箱內必須保持盡可能小的氣缸間距，同時又不能損害其可靠性和耐久性。因此，研究人員在設計發動機結構時，所選擇的峰值壓力和壓縮比規定值要滿足較低的摩擦要求。GM公司開發的3.0 L Duramax柴油機的基本參數如表2所示。研究人員將確定的新的高效能燃燒過程與經過優化的進氣系統相結合，獲得了令人信服的功率和扭矩特性曲線（根據SAE J1349標準進行測量）。

圖1示出了目前3.0 L皮卡目標市場主要競爭機型的技術指標。從數據中可以看到，該款柴油機不僅具有較高的低速扭矩（對掛車的行駛和靈活性很重要），而且在寬廣的轉速范圍內可提供較高的功率輸出。

2 燃燒設計

新型柴油機的開發核心是其燃燒過程。研究人員的開發目標是優化發動機的性能、原始排放、燃油耗和燃燒噪聲，同時實現發動機的最低燃油耗值，并符合美國Tier 3廢氣排放標準法規的要求。研究人員對燃燒過程的基本參數，如行程/缸徑比、壓縮比、燃燒室幾何結構、負荷運動、噴射參數等進行了優化（圖2）。研究人員對發動機進行改進的目標之一，就是使發動機在轉速較低，且扭矩和負荷發生突變時，具備實現快速響應的能力，同時依然保有較高的升功率（高達74 kW[2]）。具有高功率密度的輕型發動機力求采用較低的壓縮比，這樣將有助于改善廢氣排放。因此，為了滿足發動機的額定功率、排放和冷起動之間的最佳平衡，研究人員將壓縮比的值設定為15.0。

螺旋進氣道產生的渦流比相對較小，其值為1.4，這表示發動機在額定功率時獲得了高的進氣空氣流量。為了增加氣缸部分負荷區域內空氣的渦流運動，研究人員應用了渦流控制閥板（VSA），可在必要時將渦流比提高到2.5。

燃燒室的幾何結構對確定燃燒系統總體性能起到了重要作用。研究人員在對單缸機和多缸機進行試驗和優化前，通過詳細的三維計算流體動力學（3D-CFD）軟件模擬分析了各種設計方案，最終選擇了1種空氣利用效果特別出色的設計方案[3]。

該柴油機選用了9孔噴油器，其每30 s的流量為0.38 L，噴霧錐角為155 °，噴油嘴凸出氣缸蓋火力面為2.0 mm。這種噴油器設計已被證實了可在部分負荷和全負荷情況下滿足所有指標（如炭煙、碳氫（HC）、CO、有效燃油耗）。這種噴油嘴方案因其噴孔的直徑僅為0.116 mm，發動機即使在高功率運轉下也能滿足皮卡用戶所期望的燃燒抗結焦性能的要求。

3 潤滑和主動熱管理

機油循環回路的設計要求確保最佳冷卻和潤滑效果，同時有利于減小發動機的機械摩擦。為此，研究人員在機油循環回路中配備了供油量可變的機油泵（cVDOP），并由1個電磁閥根據特性曲線場需求來控制其機油的供油量。

該柴油機配備了主動熱管理系統（ATM），發動機能在所有的運行工況下快速達到燃油耗的最佳運行溫度。為降低熱損失和機油粘度，發動機要保持盡可能高的燃燒室溫度。氣缸體與氣缸蓋之間的冷卻液循環回路是分開的，由機械式冷卻液泵供應的冷卻液流量借助集成在發動機出口的冷卻液控制模塊（MRV）按需分配到每個部件。冷卻液通過集成在鑄件中的通道進入循環回路，并經分配裝置控制流入氣缸蓋和氣缸體的流量。冷卻液循環回路在氣缸蓋和氣缸體內的流動方向是橫向交錯的，因此氣缸體冷端的另1個通道收集了冷卻液并將其引導回冷卻液控制閥（圖3）。

4 增壓和廢氣再循環

空氣系統開發的主要目標是在保持高額定功率和高EGR兼容性的同時實現高起動轉速。蓋瑞特（Garrett）公司提供的可變幾何截面渦輪增壓器（VTG）是電動控制的，并具有滾動軸承減摩技術，可在瞬態和冷機運行時實現快速響應。為了獲得可靠的耐久性和使用壽命，該渦輪增壓器采用了冷卻液冷卻，即使在最嚴苛的行駛循環也能安全可靠地運行。在優化NVH性能方面，研究人員一方面對發動機進行了精確平衡，另一方面在冷凝器和出口處使用了諧振器。為了在所有發動機工況下都能最佳地利用EGR，研究人員為EGR系統設置了高壓（HP）和低壓（LP）管路。冷卻液冷卻的緊湊型EGR閥控制高壓系統，主要用于發動機的加熱階段和排放后處理（圖4）。

5 廢氣后處理

廢氣后處理系統基于1種新的結構進行開發，集成了各種專門開發的部件[4-5]。1個靠近發動機安裝的DOC可用于氧化HC，并將氮氧化物（NO x ）轉化為更容易降低后續脫硝系統排放量的形式，然后沿著新建的混合器管路進行稀釋并與還原劑（DEF）混合（圖5）。

研究人員首次將SCRF應用于GM公司的柴油機。研究人員將這2種功能集中在緊湊型部件內，減少了廢氣后處理部件的數量，并允許系統具有較低的反壓力。第2層SCR系統使得NO x 轉換的總效率最大化，特別是在高負荷工況條件下。研究人員在SCR系統后布置了1個ASC，以減少可能出現的氨排放。

美國對車載診斷的要求是非常嚴苛的，為滿足這樣的要求，汽車制造商需要承擔高額成本。排氣傳感器的數量說明了任務的復雜性：總共使用了4個溫度傳感器、3個NO x 傳感器、1個壓差傳感器和1個顆粒物（PM）傳感器（圖5（a））。

6 摩擦和燃油耗

嚴苛的燃油耗值要求研究人員在開發熱力學和發動機機械結構時，需要進一步優化旋轉和往復運動部件的尺寸。這些優化后的部件與電控輔助設備（如無級可變機油泵、可開關的冷卻活塞機油噴嘴和冷卻液調節閥）一起運行，可實現極低的發動機摩擦。值得注意的是，這種極低的摩擦使發動機同時實現了高升功率、大扭矩及高可靠性。

圖6示出了目前轎車和輕型載貨車平均摩擦壓力的分散帶。由于熱力學效率和機械效率很高，發動機獲得了極其扁平的燃油耗特性曲線場（圖7）。美國認證的城市循環（FTP-75）、高速公路循環（HWY）及高速高加速度工作循環（US06）中的大多數運行工況點處于最佳有效燃油耗10%的范圍內。在具有代表性的低負荷運行工況點（轉速為2 000 r/min，平均有效壓力 p me為0.2 MPa）時，3.0 L Duramax柴油機的燃油耗為256 g/（kW·h），明顯低于競爭機型的燃油耗值（圖8）。圖9示出了歷年來柴油機在輕負荷范圍內的效率數據。盡管重點市場中的汽車尾管NO x 排放限值逐年下調，但因柴油機技術的進步，其效率也得到了明顯改善。圖9示出了在轉速為2 000 r/min、平均有效壓力 p me為0.2 MPa運行工況下發動機的效率，以及柴油機在新歐洲行駛循環（NEDC）下的NO x 歷年排放數據。圖中顯示了降低摩擦和優化燃燒的結果，這也導致了實際行駛中的燃油耗顯著提高。

7 NVH特性

開發團隊從一系列結構型式中識別出NVH特性的方案，并將其作為首選方案進行研究。與V6發動機相比，直列式6缸發動機的次級慣性力是完全平衡的，主要歸功于曲柄臂曲軸轉角在上止點后120 °CA的功率切換。即使沒有平衡軸運轉，發動機運行起來也非常平穩，并且在質量、效率和成本方面更具優勢。此外，高壓縮多孔性塑料隔噪裝置可以確保氣門驅動裝置和噴油器的最佳封裝。由于氣缸蓋完全絕緣，這也大大降低了噪聲的傳遞（發動機側面上部麥克風測量聲壓級降低了2.5 dB）。為優化空氣管路的聲學性能，研究人員除了采用低壓和高壓諧振器（在三階倍頻帶、頻率為2 500 Hz時，降低的噪聲為12 dB）外，在緊湊的輕型進氣歧管處還采用了1個整體式泡沫進行隔噪（部分負荷時降低的噪聲為1.5 dB）。此外，研究人員還選用了全部加罩封裝的排氣系統，以減少噪聲的廣泛輻射，并改善發動機的噪聲品質。最后，研究人員對燃燒噪聲本身進行了優化，從而實現廢氣排放與燃油耗的均衡折中。直列式6缸發動機固有的優點與上述所采取的優化方案相結合，使發動機實現了優異的聲學特性（圖10）。

8 汽車行駛試驗結果

研究人員開發的該款新型發動機的運行方式包括2種不同模式。燃燒運行模式在80%的運行工況條件均適用，而加熱運行模式則適用于顆粒捕集器再生、柔和暖機和強烈暖機2個等級的預熱廢氣后處理系統。

這2種模式之間的切換邏輯經過了全面優化，可以最大限度地提高廢氣凈化系統在所有駕駛環境下的轉換效率，并為用戶帶來低燃油耗、高舒適度的直接利益。為了實現燃油耗、NVH和廢氣排放目標，研究人員采用了新穎的統計學方法和整體試驗設計（DOE）模型進行優化，將燃油耗、排放和燃燒噪聲的DOE模型的輸入量作為噴射過程、主噴射始點、油軌壓力等噴射參數和增壓壓力、EGR率等氣道參數。

①為了符合本行業計量習慣，本文仍沿用部分非法定單位——編注。

發動機的低噪聲排放可使車輛在市郊交通行駛中的SCRF再生間隔達到500 mile①。在所有行駛和環境條件下，DPF的再生是通過多次后噴射進行的，每個循環多達9次噴射，這在發動機標定時要進行優化。發動機在標定期間優化的低機油稀釋率、低粗糙度及高再生效率，使得實現高油回收時間成為可能，達到用戶期望的實際標準（7 500 mile）。研究人員應用了1種精確設定的排氣后處理系統預熱策略，幾乎獨立于發動機的運行狀況來提高后處理系統的溫度，并保持在最佳的溫度范圍內，使汽車尾管排放降低到最低程度。在冷起動后，發動機采用強暖機燃燒模式，通過多次后噴射，很快達到DOC起燃溫度，然后啟用柔和暖機方式保持最佳的SCR系統溫度范圍。發動機通過強烈暖機方式的快速放熱與靈活的ATM方案相結合，即使在極端環境條件下也能滿足對車內采暖設備的舒適性要求。圖11示出了采取這樣的策略在FTP-75行駛循環中所達到的效果，從中可以非常清晰地看出ATM的工作能力。ATM在每1種運行條件下都能迅速和精確地控制發動機的暖機過程，并使溫度穩定在最佳水平，這對于廢氣后處理系統同樣如此。在發動機冷起動后約180? s，HC和NO x 的轉化率就已達到了100%。ATM和廢氣后處理系統的高效能，可使燃燒過程獲得最佳的重心位置（MFB5）。該位置在上止點后8 °CA過程。

9 結語

GM公司推出的新型3.0 L Duramax柴油發動機機是1款專為新一代皮卡設計的高度現代化的動力裝置。該款發動機集動力性能、駕駛樂趣、極低的實際排放及未來對燃油耗的高要求于一體。

[1]IHS VPaC vehicles US 2019 H1 Database[DB]. IHS Markit Autoinsight，2019.

[2]PESCE F C，VASSALLO A，BEATRICE C，et al. Exceeding 100 kW/l milestone： the next step towards defining high-performance diesel engines[C]. 25th Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik，Aachen，2016.

[3]WICKMAN D，DIWAKAR R，CHANG， S. Low emission diesel piston[P]. US 7389764， 2008.

[4]DEPPENKEMPER K，EHRLY M，SCHOENEN M，et al. Super ultra-low NO x ??emissions under extended RDE conditions-evaluation of light-off strategies of advanced diesel exhaust aftertreatment systems[C]. SAE Paper 2019-01-0742.

[5]MERCURI D，POZZI C，NAT G，et al. Multi-after injection strategy to optimize exhaust gases temperature and combustion stability in diesel engine[C]. 24th Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik，Aachen，2014.

范明強 譯自 MTZ，2021，82（1）

吳 玲 編輯

（收稿時間：2021-01-12）