日歐新時(shí)代的清潔柴油機(jī)

【日】 福長(zhǎng)聡 長(zhǎng)田英朗 岡本毅 島田一昭 內(nèi)田登

介紹日本市場(chǎng)的Volvo乘用車采用的新型柴油機(jī)和豐田公司采用新型燃燒方式的新一代清潔柴油機(jī)。

清潔柴油機(jī) 低排放 高效率

1 Volvo公司的D4204T型柴油機(jī)

1.1 開發(fā)背景

Volvo公司在時(shí)隔32年后，再次將柴油乘用車投放日本市場(chǎng)。目前，在全世界范圍內(nèi)最新銷售的Volvo公司的乘用車采用柴油機(jī)占比90%，其實(shí)力和人氣的程度可見一斑。Volvo公司開發(fā)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)D4204T為2.0L直列4缸新一代柴油機(jī)，一般被稱為D4型發(fā)動(dòng)機(jī)。裝備該型發(fā)動(dòng)機(jī)投放日本市場(chǎng)的車型有V40轎車和旅行車、S60、V60和XC60共5種。

在瑞典Volvo Skovde工廠中，D4型柴油機(jī)和汽油機(jī)采用同樣的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，其基本結(jié)構(gòu)相同，25%的零部件通用，50%的零部件相近。因此，T5型汽油機(jī)和D4型柴油機(jī)的質(zhì)量差縮小到30kg左右，柴油機(jī)的質(zhì)量得到大幅度的降低。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

D4型柴油機(jī)采用的直列4缸、雙頂置凸輪軸(DOHC)、16氣門的渦輪增壓式結(jié)構(gòu)，排量為1.968L，壓縮比為15.8(圖1)。該型柴油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格如表1所列，性能曲線如圖2所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)之一是噴油系統(tǒng)采用日本電裝公司的最新技術(shù)，在不噴射尿素溶液的情況下就可以滿足當(dāng)前的排放法規(guī)。

圖1 新一代清潔柴油機(jī)(D4204T型)

項(xiàng)目參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)D4204T發(fā)動(dòng)機(jī)類型直列4缸+DOHC+16氣門+渦輪增壓排量/L1.968缸徑/mm82.0行程/mm93.2壓縮比15.8最大功率/kW140(4250r/min)最大扭矩/(N·m)400(1750～2500r/min)氣門控制連續(xù)可變氣門定時(shí)

圖2 D4204T型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能曲線

柴油機(jī)缸體的基本結(jié)構(gòu)和汽油機(jī)相同。但是，柴油機(jī)缸體的頂平面較高，缸體兩側(cè)面的大部分都配置了成型吸音墊，目的在于降低氣缸體燃燒噪聲(圖3)。

柴油機(jī)和汽油機(jī)的活塞、連桿和抑制振動(dòng)的平衡軸各不相同，沒有互換性。柴油機(jī)連桿比汽油機(jī)長(zhǎng)1.3mm，活塞銷直徑大8mm，質(zhì)量大50g，在氣缸下面安裝平衡軸，具有更大的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，用以抵消連桿和活塞增加的質(zhì)量(圖4～6)。

圖3 為了提高燃燒安靜性、兩側(cè)安裝成型吸音墊

圖4 柴油機(jī)活塞頭部設(shè)置了凹陷部分

圖5 柴油機(jī)用連桿各個(gè)部位進(jìn)行了改進(jìn)

圖6 與活塞連桿質(zhì)量相配的專用平衡軸

水泵采用新開發(fā)的電動(dòng)泵，可以控制只在必要的時(shí)候才工作，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。這對(duì)改善燃油經(jīng)濟(jì)性也是有利的(圖7)。恒溫器的工作溫度在90～150℃之間切換，更加容易控制發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境溫度和使用狀況趨于一致，不僅可以降低油耗，暖機(jī)時(shí)間也可以縮短。

圖7 新開發(fā)的電動(dòng)水泵有助于降低油耗

D4型發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件中有渦輪增壓器和廢氣凈化催化器。其中，渦輪增壓器是由博格華納公司生產(chǎn)的，由大小兩個(gè)渦輪構(gòu)成的兩級(jí)增壓系統(tǒng)(圖8)。為了防止廢氣中的氮氧化物(NOx)在催化劑中發(fā)生氧化，而采用硝酸鹽的方式進(jìn)行捕捉、吸收和排出，催化轉(zhuǎn)化器采用低濃度NOx分離器(LNT)催化器。在運(yùn)行過程中定期地在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)使混合氣變濃,使催化器捕捉到的NOx和碳?xì)浠衔?HC)及CO反應(yīng)，使之還原凈化。

圖8 采用博格華納生產(chǎn)的雙增壓器

此外，布置在LNT催化器的后端，能夠捕捉排氣中的顆粒狀物質(zhì)(PM)，起到濾清器作用的柴油機(jī)顆粒過濾器(DPF)能防止PM排出(圖9)。當(dāng)DPF中的PM累存到一定的量以后，濾清器溫度上升，從而將PM燃燒掉。這已是最近柴油機(jī)中常用的處理方法。

另外，在D4型發(fā)動(dòng)機(jī)中值得關(guān)注的是新采用的油位傳感器和潤(rùn)滑油。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，該油位傳感器在鍵位Ⅱ儀表面板處顯示油位的柱狀圖，可通過觀察油位柱狀圖來完成油位的管理(圖10)。發(fā)動(dòng)機(jī)使用的潤(rùn)滑油是和嘉實(shí)多公司共同開發(fā)的，粘度為0W-20的低粘度專用合成潤(rùn)滑油。

1.3 燃油噴射系統(tǒng)

采用共軌系統(tǒng)的高壓柴油機(jī)已是發(fā)展主流趨勢(shì)。但是，在D4發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)中高壓燃油存儲(chǔ)在油軌的帶有壓力傳感器的蓄壓腔中，計(jì)算機(jī)控制供油泵。噴油器在各自的計(jì)算機(jī)的控制下將燃油噴射到氣缸內(nèi)。和原柴油機(jī)不同，共軌式柴油機(jī)的噴油量和噴油時(shí)間可進(jìn)行直接控制，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

圖9 配置了LNT和DPF的氧化催化器

圖10 采用的油位傳感器可通過數(shù)據(jù)表讀取

采用共軌系統(tǒng)的柴油機(jī)的燃油噴射壓力一般為180～200MPa。但是，D4型發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力達(dá)到250MPa的超高壓。產(chǎn)生這樣的高壓供油泵是單缸活塞式供油泵。通過正時(shí)皮帶驅(qū)動(dòng)，最高壓力達(dá)到250MPa，在怠速轉(zhuǎn)速下壓力約為350MPa，通常運(yùn)行時(shí)約為100MPa(圖11)。

圖11 250MPa的超高壓供油泵

在原共軌式柴油機(jī)中，利用設(shè)置在蓄壓室內(nèi)的1組壓力傳感器的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)控制燃油的噴油量。在D4型發(fā)動(dòng)機(jī)中，在各個(gè)氣缸的噴油器內(nèi)設(shè)置了壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)測(cè)量噴油壓力。每1次燃油噴射時(shí)通過布置在噴油器內(nèi)部的傳感器，不僅通過測(cè)量噴油器對(duì)應(yīng)的壓力來決定噴油定時(shí),同時(shí)還可以控制噴油量,這也是該發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)之一。該系統(tǒng)被日本電裝公司命名為智能噴油精度修正技術(shù)(i-ART)。將配置了電裝公司的i-ART技術(shù)的柴油機(jī)應(yīng)用于乘用車，這在全世界都是首次(圖12～13)。

圖12 電裝公司開發(fā)的共軌系統(tǒng)i-ART

圖13 i-ART專門開發(fā)的噴油器

在i-ART燃油噴射系統(tǒng)中，噴油嘴有8個(gè)。根據(jù)行駛狀態(tài)，在1個(gè)噴油循環(huán)中可以分成5次噴射。(1) 先導(dǎo)噴射： 在轉(zhuǎn)速3000r/min以下運(yùn)行時(shí)，在預(yù)噴射之前首先進(jìn)行先導(dǎo)噴射。先導(dǎo)噴射的目的是為了降低燃燒噪聲，并使其后噴射的燃油容易燃燒。(2) 預(yù)噴射： 其作用在于使混合氣開始點(diǎn)火，使少量燃油著火燃燒，氣缸內(nèi)的壓力上升，但不過分激烈,這樣可以減少燃燒時(shí)的噪聲。(3) 主噴射: 用于燃燒的最重要的噴油。(4) 后噴射: 在主燃燒完成之后進(jìn)行的噴射，其作用是將氣缸內(nèi)的碳煙燒掉。一般地說，在轉(zhuǎn)速3000r/min以下的部分負(fù)荷的工況下進(jìn)行后噴射。(5) 遠(yuǎn)后噴射: 這是為了排氣處理而進(jìn)行的燃油噴射。通過遠(yuǎn)后噴射，使排氣溫度上升，將DPF內(nèi)的PM燒掉。此外，也還可以為了將NOx和硫的氧化物(SOx)除去而噴射燃油。

這樣，為了瞬間處理大量的數(shù)據(jù)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)用的計(jì)算機(jī)必須是高性能的。D4發(fā)動(dòng)機(jī)采用的處理器具有每秒鐘可以處理4億條命令的能力，這是世界上最高水準(zhǔn)的高性能處理器。

1.4 變速箱

該發(fā)動(dòng)機(jī)配置的變速箱是和愛信AW公司共同開發(fā)的橫置8AT的AWF8F45型，前進(jìn)8檔所有的齒輪都能鎖緊，即使在1000r/min的轉(zhuǎn)速下鎖緊也是可能的，對(duì)降低油耗非常有效(圖14)。該變速箱也可以設(shè)置成運(yùn)動(dòng)模式。如果選擇運(yùn)動(dòng)模式，腳踩油門后，車輛行駛更加動(dòng)力十足。從低轉(zhuǎn)速開始具有足夠扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)具有動(dòng)感的駕駛。

如前所述，配裝新一代D4型柴油機(jī)的車輛，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用日本商家的最新技術(shù)。這也使新上市的Volvo車型成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖14 與愛信AW公司共同開發(fā)的手自一體8速變速箱

2 豐田公司1GD-FTV型柴油機(jī)

2.1 開發(fā)背景

日本豐田從1968年開始銷售“Hilux”汽車。2015年，該車型完成了第八代變型。Hilux已在全世界160多個(gè)國(guó)家/地區(qū)銷售1600多萬輛。但是，Hilux在日本本土沒有銷售過。而在Hilux上裝備的新開發(fā)的1GD柴油機(jī)將成為豐田公司的主流發(fā)動(dòng)機(jī)(圖15)。

2015年6月，豐田在日本發(fā)布了新一代陸地巡洋艦普拉多(Land CruiserPrado)車型，主要是裝備了1GD型新型發(fā)動(dòng)機(jī)。陸地巡洋艦普拉多車型一直裝備排量4L的 1GR-FE 型和排量為2.7L的2TR-FE型2種汽油機(jī)。但是，這次取而代之的是剛剛推出的排量為2.8L的1GD-FTV型柴油機(jī)。這次普拉多車型的發(fā)動(dòng)機(jī)排量從4L降低為2.8L，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是最大的變化。此外，迄至為止從未配置過的柴油機(jī)作為新的配置也特別引人注目。

圖15 豐田公司核心產(chǎn)品1GD-FTV型清潔柴油機(jī)

豐田公司從2007年開始在日本國(guó)內(nèi)停止銷售裝備柴油機(jī)的普拉多車型。對(duì)豐田公司來說，這款裝備著新型清潔柴油機(jī)的汽車，不僅在日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而且在世界各地都有著巨大的市場(chǎng)前景。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

新開發(fā)的1GD型柴油機(jī)瞄準(zhǔn)降低油耗，排量從2.982L降低到2.754L，與1KD型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油經(jīng)濟(jì)性大約提高15%，最大扭矩大約提高25%(圖16)。

圖16 1GD-FTV型柴油機(jī)的性能曲線圖

在1GD型發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成中，為了保證燃燒能量的高效率采取了多種對(duì)策：

(1) 修改了進(jìn)氣道形狀，空氣可以更加順暢地流入到氣缸內(nèi)；

(2) 更加精細(xì)地控制燃油噴射，從而控制燃燒溫度；

(3) 活塞頂部涂上一層硅多孔膜，以減少經(jīng)由活塞的冷卻損失；

(4) 采用新開發(fā)的、可變幾何形狀的渦輪增壓器(豐田公司內(nèi)部生產(chǎn))，提高了響應(yīng)性；

(5) 最值得注意的是，此款發(fā)動(dòng)機(jī)還引入了尿素噴射式排氣后處理系統(tǒng)，處理排氣中的NOx(圖17)。

圖17 1GD-FTV型柴油機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

1GD型柴油機(jī)采用直列4缸鑄鐵合金氣缸體，鏈傳動(dòng)DOHC，16氣門，并具有交叉流動(dòng)型進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣缸蓋的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。排氣量2.755L、缸徑92.0mm,行程為103.6mm,壓縮比15.6。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，2根帶有配重的平衡軸設(shè)置在曲軸的下方，通過鏈條由曲軸驅(qū)動(dòng)(圖18)。

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的進(jìn)氣道形狀已得到重新優(yōu)化。與以前的形狀相比，進(jìn)氣時(shí)氣缸內(nèi)的渦流降低了?？諝饪梢愿禹槙车亓鬟M(jìn)氣缸內(nèi)，增加了流入氣缸內(nèi)的空氣量(圖19)。

圖19 空氣流入新開發(fā)的高效率低流動(dòng)進(jìn)氣道

2.3 增壓器

高效率地將空氣吸入氣缸是增壓器的重要功能。在1GD型發(fā)動(dòng)機(jī)中采用豐田公司內(nèi)部生產(chǎn)的新開發(fā)的增壓器(圖20)。與以前的增壓器相比，渦輪尺寸減小了30%，在可變噴嘴葉片式增壓器中發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)通過子單元使可變噴嘴的執(zhí)行器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)可變控制噴嘴葉片位置。

圖20 豐田內(nèi)部生產(chǎn)的新開發(fā)的增壓器全范圍內(nèi)響應(yīng)性高，燃油效率最大化

低負(fù)荷區(qū)域或低速范圍內(nèi)執(zhí)行器使渦輪進(jìn)口的葉片(葉翼)向關(guān)閉的方向動(dòng)作。這樣，流入渦輪中排氣橫向吹向渦輪葉片，使得渦輪的轉(zhuǎn)速上升，進(jìn)氣的增壓度得到提高。在高負(fù)荷區(qū)域或在中高速范圍內(nèi)，執(zhí)行器使渦輪進(jìn)口的葉片(葉翼)向開啟的方向動(dòng)作。這樣，渦輪排出氣體的流動(dòng)方向變成向著渦輪軸的方向，增壓壓力維持不變，排氣的背壓降低了(圖21)。

圖21 低負(fù)荷工況(a)和高負(fù)荷工況(b)下高響應(yīng)執(zhí)行器的動(dòng)作說明

2.4 燃油噴射裝置

燃料供給方式采用共軌系統(tǒng)，供油泵出口壓力最大達(dá)到220MPa，噴油器采用電磁螺線圈式。在1個(gè)循環(huán)中進(jìn)行精細(xì)分割燃油噴射，可以提高燃燒效率(圖22)。

為了抑制主噴射時(shí)缸內(nèi)溫度急劇上升，最初的先導(dǎo)噴射只在燃燒室的中心部位燃燒，可以起到抑制燃燒噪聲的效果(圖23)。

主噴射燃料噴向包括活塞頂部凹坑周圍的燃燒室的外緣方向。燃料噴射到燃燒室外側(cè)的上下空間，在上層部位燃燒的同時(shí)，利用吸入氣缸內(nèi)的空氣渦流，活塞頂部的凹坑部位也在燃燒，可以有效地利用燃燒室外側(cè)的空間進(jìn)行燃燒(圖24)。

圖22 共軌系統(tǒng)的部件

圖23 抑制燃燒噪聲的先導(dǎo)噴射

圖24 充分利用燃燒室外側(cè)空間的主噴射

其后，后噴射將微量燃料噴射到燃燒室中心部位，充分利用燃燒室中央的空間(圖25)。

圖25 向燃燒室中央沒有燃料的空間噴射微 量燃料的遠(yuǎn)后噴射的示意圖

為了使上述燃燒連續(xù)地、高效地進(jìn)行，在活塞頂部涂覆被稱之為“熱搖擺壁膜絕熱”(TSWIN)技術(shù)的二氧化硅多孔膜涂層，從活塞散逸的冷卻損失最大可以減少30%。這種絕熱涂層使燃燒熱能不向外界散逸，具有提高進(jìn)氣量的效果(圖26)。

圖26 避免燃燒能量損失提高進(jìn)氣量的活塞涂層

5 催化器系統(tǒng)

豐田公司新推出的陸地巡洋艦普拉多不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)本身排放氣體的凈化性能，而且排氣后處理系統(tǒng)也很有特色。面向日本和歐洲市場(chǎng)的汽車配置的后處理系統(tǒng)是在氧化催化器和柴油機(jī)顆粒物有效減少的催化器基礎(chǔ)上，又加上了選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，通過噴射尿素凈化NOx；而面向澳大利亞和俄羅斯市場(chǎng)的后處理系統(tǒng)是氧化催化器和DPF催化器。面向亞洲、中東和南美市場(chǎng)的則配置柴油機(jī)氧化催化器(DOC)排氣后處理系統(tǒng)等。對(duì)不同目標(biāo)地區(qū)分別配置各自最合適的排氣后處理系統(tǒng)(圖27)。

圖27 適應(yīng)不同地域使用方法或環(huán)境負(fù)荷開發(fā)的催化劑系統(tǒng)

氧化催化器和DPF催化器以整體單元形式、非常緊湊地配置在排氣歧管后面的渦輪出口部分，其后的排氣歧管部分配置SCR催化器(圖28)。豐田

公司這是初次采用SCR催化器，但是在日本國(guó)內(nèi)大型卡車上早就采用該項(xiàng)技術(shù)了。通過該催化器最大可以去除99% NOx，可以滿足歐洲的歐6及日本國(guó)內(nèi)后新長(zhǎng)期(2010年)排放法規(guī)(圖29)。采用SCR催化劑必然增加了補(bǔ)充尿素的消耗量和費(fèi)用。但是即使考慮到這一點(diǎn)，能夠適應(yīng)嚴(yán)格的排放法規(guī)，從低速開始扭矩就比較充足的發(fā)動(dòng)機(jī)，今后在日本國(guó)內(nèi)配置1GD型發(fā)動(dòng)機(jī)的車型將會(huì)陸續(xù)增加。若干年以后，估計(jì)市場(chǎng)將會(huì)對(duì)1GD型發(fā)動(dòng)機(jī)給予很高的評(píng)價(jià)。

圖28 1GD-FTV型柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)

圖29 99% NOx凈化率及高穩(wěn)定性兼?zhèn)涞腟CR系統(tǒng)

徐家龍 褚云舟 荒井 一嘉 譯自 自動(dòng)車工學(xué)，2015，11

何丹妮 編輯

2016-01-22)