效率最高的重型卡车发动机——MAN新一代15.2L柴油机

【德】　N.Schatz　U.Wiebicke



产品介绍

效率最高的重型卡车发动机
——MAN新一代15.2L柴油机

【德】N.SchatzU.Wiebicke

MAN公司为商用车开发了1款全新高功率D38柴油机。这款15.2L的直列6缸发动机可提供520hp①为符号原著本意，本文仍沿用原文中的非法定单位——编注。和560hp的动力，也可为重型牵引车提供640hp的动力。该发动机主要设计理念包括极高的爆发压力、带级间中冷的双级涡轮增压系统、喷射压力高达250MPa的共轨燃油喷射系统、双级废气再循环系统，以及1种更加强劲的发动机制动器“TurboEVBec”。D38柴油机替代了老一代的D28 V8柴油机，且结构更紧凑，并优化了各项性能。该发动机搭载欧6选择性催化还原转化后处理系统，与MAN D26柴油机应用的后处理系统一样布置紧凑，在整车底盘上允许安装更大体积的油箱。

柴油机两级涡轮增压两级废气再循环后处理系统

0　前言

近年来，重型商用车朝着更高的发动机功率和更大的扭矩发展，其主要原因有： (1) 提高复杂地形应用环境下的平均车速；(2) 欧洲市场现在已经允许60t的总车辆质量或者更高速度的车辆行驶。

为了进一步满足排放法规的要求，MAN公司决定开发1款功率在500hp以上的全新发动机。目标是研发1款能够满足现在和未来市场需求、高功率输出、高效和高可靠性的发动机，并为该功率段的发动机市场打下坚实的基础。

1　开发目标

尽管排放限值会越来越严格，使用成本仍然是客户满意度和市场接受度的决定性因素。因此，从一开始的发动机开发目标就非常明确： (1) 新的发动机的燃油及尿素消耗至少要和同等欧5选择性催化还原(SCR)机型相当或者更好；(2) 发动机质量要尽可能轻。

1.1满足欧6排放法规的D38柴油机系统

MAN公司的欧6发动机采用冷却废气再循环(EGR)[1]和后处理系统的排放理念，其中后处理系统包括柴油机颗粒过滤器(DPF)和SCR催化转化器(SCRT)。结合这一理念的直列6缸发动机特别有利于整车总布置和降低制造成本。此外，从机械动力学的角度来看，6缸发动机比8缸发动机运转更加平稳。为了满足欧6排放，MAN公司开发的直列6缸发动机成为满足大功率商用车要求的最佳发展方向。其发展目标是： 非常好的燃油消耗、结构紧凑、质量轻、可靠性好、部分组件与D26系列共用，以及功率和扭矩具有升级的潜力。表1列出了当前MAN欧6载货车车用D38柴油机的主要技术规格。

表1　D3876 LF柴油机主要技术规格

由于D38柴油机安装在已经投产的TGX车型上，因此TGX车型相关的发动机安装的主要特性与D26柴油机系列相同。这适用于车辆进气和排气歧管的连接，以及采用低温理念的增压空气冷却回路。同样，电子结构和机电元件与其他发动机系列相同，也是模块化系统的构件。图1所示为D38系列中D3876 LF发动机的外形图。

图1　D3876 LF发动机外形图

2　原型机

2.1轴系和曲轴箱

D3876柴油机的曲轴箱和缸盖采用高强度蠕墨铸铁(GJV450)，通过关键部件的优化设计，使得曲轴箱的质量比使用GJL250材料的其他机型要轻。铸铝飞轮壳及塑料的油底壳和气缸盖罩盖也是该机型减重的重要措施。D3876柴油机比之前欧5/欧盟排放标准的D2868 V8共轨型柴油机减重160kg，同时强度有所提高。相比之下，D3876柴油是同等功率的发动机中最轻的。对于载货车来说，质量轻意味着更高的载货能力，效率也会提高。图2所示为曲轴箱在最高爆发压力下的横截面应力图。

图2　最高爆发压力下曲轴箱应力分布

设计目标是使负荷均匀分散在隔板上，并避免应力集中以便实现减重目标。结果，使用最少的材料实现了高强度开发目标。

另外，采用弯曲的曲轴箱裙部设计，以及混合材料应用保证了优良的声学性能。

2.2气缸单元设计

D3876柴油机爆发压力较高，因此采用全钢活塞。较高的强度和硬度使得该发动机可以采用较低的活塞高度和压缩高度，且能够使用较长的连杆、减小连杆比，使得活塞的侧向力减小。同时，由于活塞和缸套接触面积减少而使得摩擦力减少。上述2点使得发动机的摩擦损失比常规铝制活塞发动机的要小，并且有利于燃油消耗率。

图3所示是D38柴油机活塞的主要设计特点。摩擦焊接的钢制活塞有2个冷却室，使用中间体增加了1个内部冷却室。来自冷却喷嘴的润滑油通过1个进油口进入外部的冷却环槽。部分润滑油通过相连的油孔进入内部冷却室，然后通过连杆上面的出油孔流出，润滑连杆小端和销孔。

图3　带有2个冷却室的钢制活塞

这种措施明显减少了窜气。燃烧室的表面温度也因此大幅度降低，同时也有利于提高润滑油的使用寿命。

为了实现低的燃油消耗和提高耐久性，通过综合性能和耐久性试验开发了活塞环组件和平顶珩磨的缸套。为了实现这一目标，缸套上的刮炭环起了很大的作用： 在活塞的每个上行冲程中刮掉活塞火力岸的机油积炭，从而防止在气缸形成摩擦点。

刚性非常好的曲轴箱使缸套的金属密封不需要采用O型密封圈，这就意味着冷却液可以到达缸套凸缘，热量被很好的分散，缸套和活塞环的使用寿命由此提高。

2.3气缸盖

该机型采用整体式气缸盖，气门采用45°间隔布置，以便获得最佳进气，可以更好的防止气门连接处的裂纹发展。

该机型每个气缸均具有8个气缸盖螺栓，保证负荷能够均匀的分配到气缸盖和缸套上。这一设计使缸套变形非常小，传到密封件上的集中负荷小，气缸盖垫片的压缩变形小，有利于减少机油消耗，提高气缸盖垫的使用寿命，减少因发动机烧机油，颗粒物进入到颗粒过滤器的几率。图4为D38柴油机缸盖的阶梯式剖面图。

图4　D38柴油机缸盖的阶梯式剖面图

气门由凸轮轴通过滚子摇臂轴和气门摇臂控制，这有利于薄壁气缸的设计。TGX车型驾驶室的人体工程学设计已经完备，可以配置更大型的D38柴油机。

D38柴油机首次将圆弧形气门(图5(b))应用在卡车柴油机上。气门盘中部的弧形加强部分可以消除在运动过程中在气门座圈范围造成的气门变形，使得气门和气门座之间的滑动和摩擦减小，并可以延长检测气门间隙的时间。

图5　传统气门(a)与圆弧形气门(b)的对比

2.4逆向冷却系统

D3876柴油机缸盖采用逆向冷却系统，上边的冷却水套被用来当作收集腔，冷却液沿着气缸盖上边的冷却水套纵向分布，自上而下流向热负荷比较高的位置，如喷油器喷嘴、排气门及座圈和燃烧室底部。借助于气缸盖密封垫上冷却液管路的适应性设计，冷却液均匀的流向6个气缸，然后流向后面的管道中。

这种冷却液的流动方式能够使全部的冷却液流经气缸盖。由于冷却液在气缸盖的内部进行分配流动，可以省掉额外的导流冷却液零件和一些密封点。图6为气缸盖上部和下部冷却水套的冷却液流动和由此引起的对流换热系数的分布。

图6　逆向冷却系统

从图中可以看出，逆向冷却可以保证各缸都有较高且均匀的冷却性。流动横截面的协调允许在特别高的热负荷点产生高的传热系数，如进排气门之间的鼻梁区及燃烧室底部。

2.5发动机外围件

D38柴油机是MAN公司首台装配带有专利螺纹模制塑料油底壳的发动机。油底壳通过蜘蛛网状底部结构扩散到道路表面，对声波进行漫反射来降低发动机噪声。更重要的是，塑料油底壳质量极轻，同时稳定性高、且有很高的耐石材的冲击能力。

在开发D3876柴油机过程中，MAN公司借用了部分来自D2X机型的成熟组件，使得发动机的保养和维修更便捷，同时也使得备件的物流配送更加优化。

为了减少摩擦损失，D38柴油机采用了带离合的双缸空压机。该空压机响应非常迅速，并且能够将较高的空气压力迅速传递。该空压机比D2X型发动机上使用的单缸空压机的排量增加了大约40%。不带离合的双缸空压机的排量是720mL，可以压缩更多的空气。

3　热力学

3.1带中冷的两级涡轮增压系统

D3876LF柴油机都采用了带级间冷却的涡轮增压设计理念，来满足大功率商用车对高效涡轮增压系统的要求(图7)。

图7　带增压和中冷的空气系统

将2个大小不同的废气涡轮增压器串联安装在排气侧。小尺寸的高压级增压器在转速较低时开始响应。随着转速和负荷的提高，大尺寸低压级增压器会为其提供越来越多的能量。在发动机脉谱图的上边区域，发动机控制单元(ECU)的增压压力控制系统会打开高压级增压器的废气旁通阀，这时大尺寸的低压级增压器会承担主要增压作用，使得发动机在这些工况点下工作更平稳。发动机所需要的空气是由工况点决定的，系统通过该工况点所需的空气流量使用不同增压器达到最优的匹配效率。两级增压的优点在于级间中冷导致的压力损失较小，且工作范围非常宽，因此可以实现较高的增压效率。同时，压气机出口温度相对较低，可以改善由于窜气导致的压气机结焦问题。

事实证明，两级增压比使用1个可变几何截面涡轮增压器(VTG)要好。两级增压技术更简单，并且强度更高，这主要是因为在给定的压缩比及主要的工作范围内，每个增压器的负荷都较低，并且两级增压不需要VTG复杂的执行机构。

从热力学的角度来看，冷却液冷却低温级间中冷器的作用相当于传统空气冷却中冷器。中冷器紧凑的集成到发动机的低温冷却回路上，并提供高效的冷却效率。与传统的中冷器相比，该中冷器最低限度的控制了进气道空气的体积，使发动机具备良好的动态性能。中冷器工作时冷却液采用逆流的方式，并且冷却液和增压空气侧都有肋筋，这些都保证了较高的换热性能。同时，由于冷却液具有较高的吸热能力，因此与传统的空气冷却中冷器相比，在瞬态工况下会使进气温度波动较小，这有利于降低燃油消耗和改善排放。

为了避免小负荷工况下低压级间中冷器过度冷却空气，采用1个开关阀来阻止冷却液流入中冷器。在冷起动期间，阀门经过一段时间的延迟后打开，使低温冷却液流动，由此可以迅速实现所需的温度。

电子节气门安装在高压中冷器和废气再循环(EGR)混合器之间，其主要功能是实现热管理，防止废气系统在超速工况下被冷却。电子节气门也被应用在EGR率的控制中。在常规工况下，电子节气门完全打开，对EGR率没有任何影响。在某些工况下，电子节气门可以稍微关闭来实现压差，增大该工况的EGR率。

3.2两级冷却EGR系统

在D38机型的热力学设计理念中，EGR是实现排放和油耗目标的关键技术，最主要的参数是EGR率和EGR冷却器出口温度。

冷却EGR对发动机氮氧化物(NOx)排放影响非常大。为了尽可能的降低EGR冷却器出口温度，D38柴油机采用了高温和低温EGR冷却器。

D38柴油机采用高压EGR，其中废气从排气管引出，通过2个EGR冷却器进行冷却，然后与增压空气混合并进入发动机。电控EGR阀安装在EGR冷却器的上游较热的一侧，以此来控制再循环废气的量，也可以实现定位且定位时间短。

图8所示为D38柴油机带高低温冷却回路的冷却系统。

图8　高温和低温冷却系统

D38柴油机采用两级冷却的EGR系统。高温EGR冷却器和低温冷却器串联使用。在流动方向上，先流经高温冷却器并被发动机冷却液冷却。下游的低温冷却器由来自低温冷却回路的低温冷却液冷却。这种布置可以保证在任何时候都能进行高效的热交换。图9所示为D38柴油机EGR的布置。

图9　带两级冷却EGR的D38柴油机

第一个废气冷却器通过翼管来优化压力损失，因为较大的温差可以保证高温气体在这里得到有高效的热传递。为了避免沸腾，该冷却器采用平行流。第二个冷却器优化了翅片热交换性能，保证废气冷却。设计的2个冷却器的翅片都对碳烟和碳氢化合物(HC)敏感度较低。

对供给低温EGR冷却器的低温冷却液进行恒温控制，几乎可以完全防止在小负荷工况下废气(含水)被冷却到露点以下。为了设定不同工况下低温EGR冷却器的许用入口温度，采用了全面的放射性核素测量来检测设计冷凝累积的磨损情况。图10为发动机脉谱图上低温EGR冷却器出口温度。

图10　发动机脉谱图上低温EGR冷却器出口温度

3.3高压喷射系统

D38柴油机配备了喷射压力高达250MPa的共轨喷射系统(图11)。新的喷射系统的发展着眼于： 液压效率的提高、更好的稳定性和更高的可靠度。

与上一代180MPa系统的喷油器相比，驱动概念发生了改变，但是它的外形尺寸却被保留下来。现在喷油器内部的高压、低压部分被分开，可以完全解决永久性泄漏的问题。触发时形成的控制量很小，这导致了高压下所需要的燃油量大幅度下降，也就意味着需要的驱动输出减少。

喷油器内温度的降低会导致燃料中敏感性沉积物大量的减少。同时，通过减少燃油流量可以使效能显著的提高。喷油器材料的选择和进一步的发展使得热稳定性变得更好，比如，它使高效制动成为可能。

压力控制阀可以保证在动态操作时轨压迅速降低，另外，也具有集成的跛行模式功能和诊断功能。

新设计的低压回路结合1个更强劲的预喷供油泵，可以使起动时间比之前系统更短。采用局部加热燃油的回路，可以给直接返回到过滤器的供油上游的燃油提供一部分热量，减少了柴油燃油在极寒条件下产生结蜡的风险，并提高发动机在寒冷条件下的适应性。

3.4燃烧过程和标定

为了满足法规要求，在欧6阶段把EGR、SCR及DPF等技术结合起来使用。这就对燃烧系统的标定有了更高的要求： 原始颗粒物排放低，颗粒过滤器的负荷小，并使排气温度足够高，SCR在大部分工况下都可以高效运行。

热力学的发展主要集中在主要运行范围内较好的燃油消耗率。当采用EGR时，在循环的范围之内，减少发动机的NOx原始排放可以减少燃油和尿素的消耗。

图12所示为选定工况点等效柴油的综合消耗(柴油和尿素)与NOx原始排放(由于EGR的变化)的函数变化关系。

图12　柴油和尿素组合消耗(转速1200r/min，扭矩1000N·m)

为了进一步减小流动损失，该机型的进气涡流水平比之前的相比明显降低。实现这个目标的1个重要的条件是较高的喷射压力： 对于给定的燃油喷射持续期，允许选择更低的流量，这使得低颗粒排放成为可能。

由于D38柴油机在热力学方面的改进，使它成为高效的重型商用车动力装置。其燃油耗脉谱图显示了2个决定其效率的特征： 在脉谱图的大部分区域，燃油消耗率小于200g/(kW·h)；最好的工况点及更好的消耗区域在高速运行工况。

图13　D3876LF01柴油机燃油耗脉谱图(车速为89km/h)

4　发动机制动系统

D38柴油机搭载MAN发动机制动器(EVB)，以及更加强劲的“TurboEVB”制动器。这2种高端持续制动器在较低的行驶速度下也能提供很高的制动力。

D38柴油机的排气背压由气动蝶阀进行调节。EVB能够在2400r/min转速下提供340kW的最大制动功率(图14)。

TurboEVB通过发动机制动时适当增压来实现制动效率的显著提高。TurboEVB在2300r/min时制动功率达600kW，其最重要的设计特点在于高压涡轮之前的气动控制阀(图15)。

在这种布置形式中，排气背压首先经阀门减到适合涡轮的需求，接下来进入膨胀阶段，即使是在发动机的制动阶段，涡轮也可以产生较高的增压压力。

以这种方式获得的气体可以获得充分的散热，这样即使使用这种更加强劲的制动系统，热负荷限制也非常可靠(图16)。

图17所示为EVB和TurboEVB 2种制动系统在制动过程中气缸压力状态的比较。

图14　发动机制动系统的制动功率输出

图15　TurboEVB系统

图16　2种发动机制动系统制动时的排气温度

图17　EVB和TurboEVB 2种发动机制动系统的p-V图

在发动机制动过程中，高压和低压部分的工作循环都是按照逆时针方向进行的，2个循环包含的总面积表示对应制动功率。

TurboEVB的高增压意味着气缸中有更多的空气用来提供制动功率。这主要体现在负高压循环的扩大。除了使制动功率输出增大，TurboEVB还可以降低排放噪声。

与缓速系统不同，使用TurboEVB制动器时只有少量制动能量被发动机冷却循环耗散，同时，即使在制动要求很高的长、下坡时也不需要减少制动功率。因为容易调节，TurboEVB可以配合现代持续制动系统管理系统的要求及有效结合第二缓速装置。

5　D38柴油机欧6排放理念

为了满足欧6排放要求，MAN D3876柴油机采用了冷却EGR和尾气后处理系统结合的发动机内部措施。尾气后处理系统被牢固的安装到车辆上，系统包含氧化催化转换器(DOC)(通常用于欧6)，闭式柴油颗粒过滤器，尿素水解系统和安装在最后的氨泄漏催化转换器(AMOX)[2]，这些部件都串联在一起。

尽管排气体积流量更大，D3876柴油机的消声器和D20/26发动机相比，在结构和体积[3]上是相当的，在同类产品中是最紧凑的。图18所示为MAN TGX长途车的排气系统和消音器内的尾气流动。

图18　MAN TGX卡车的尾气后处理系统

6　发动机和车辆的工作表现

在TGX卡车上，D38柴油机与优化的MAN TipMatic变速器结合使用。即使在最低发动机转速

下仍拥有最大的扭矩，因此长途车辆可以使用i=2.5的主减速比，这使得在典型高速公路工况下低速、经济运行成为可能。在参考路线上进行的比较运行和压力测试[4]证实了这种设计是合理的。

7　总结

MAN公司在2014年推出了商用车用15.2L 6缸D3876LF大功率柴油机。该发动机可提供 520hp，560hp和640hp的动力，以及2 500～3000N·m的扭矩。较好的燃油经济性、极好的轻量化设计、较少的安装要求及较高的强度是该发动机的主要特点。

D38柴油机重要的热力学理念是采用两级废气涡轮增压、两级冷却EGR，以及使用250MPa喷射压力的共轨喷射系统。在发动机设计过程中，一直遵循最低燃油和最低尿素消耗的理念，展现了良好的经济价值，尤其是在典型的长途运输工作状况下。全新开发的高效发动机制动器TurboEVB首次被应用到D38柴油机上。

对用户而言，另一个好处是，较低的驾驶室入口高度被保留，这是因为D38柴油机的传动系统不需要额外的空间。由于排气系统非常紧凑，可使油箱容积保持不变，由此运行范围可保持不变。

[1] Held W, Raab G, Schaller K-V, u.a. Innovative MAN Euro V motorisierung ohne abgasnachbehandlung[C]. 30. Internationales Wiener Motorensymposium, 2009.

[2] Kamm S. Partikel-und NOx-minderung durch Euro VI-nutzfahrzeuge[C]. Luftreinhalteplanung-Maßnahmen gegen Feinstaub und Stickoxide, Augsburg, 2012.

[3] Döbereiner R, Kamm S, Neumayr K, u.a. Neue generation baufahrzeuge für abgasstandard Euro VI[J]. Sonderausgabe ATZ offhighway, 2013： 40-49.

[4] Rasantes Sparschwein[J]. Trucker, Oktober, 2014： 30-39.

2016-05-26)