新型Quon车用大型柴油机与动力传动系统的开发

2017-09-03根岸武志

汽车与新动力 2017年4期

【日】根岸武志

【日】根岸武志

日本UD卡车公司对Quon卡车进行了改款，配装了新开发的GH11发动机。该大型柴油机运用了众多新技术以降低排放与燃油耗，如利用燃油的超高压喷射以降低颗粒物排放，采用大容量废气再循环冷却器及机械电子控制变速装置，并优化了驱动系统。着重介绍了新型发动机技术规格与动力传动系统概况。

大型柴油机排放燃油耗动力传动系

1 概述

近年来，为抑制温室气体排放，迫切需求改善发动机的燃油经济性。

UD卡车公司为改善燃油耗的同时针对提高车辆操控性等市场需求，对Quon卡车进行了改款(图1)。

图1 Quon卡车

新型Quon卡车上配装了新开发的GH11发动机。该发动机采用了组合环境技术UD颗粒捕集器(UDPC)，以及带尿素喷射的选择性催化还原系统(SCR)，满足2009年日本的排放法规(后新长期排放法规)，也满足2015年大型车燃油耗标准。另外，得益于机械式电子控制变速装置(ESCOT)等驱动系统的优化，具有实现下一代卡车环境性能与经济性能的潜力。

下面介绍新型Quon上配装的动力传动系统的概况。发动机外观图和ESCOT外观图分别如图2和图3所示。

图2 GH11发动机外观

图3 ESCOT外观

2 发动机主要技术规格

为实现更高的环境性、燃油经济性和动力性，新发动机在小排量、低转速回转区域的进行了大扭矩化、高输出功率化的研发。表1列出了GH11发动机的主要技术规格。

表1 GH11发动机主要技术规格

3 采用的技术

为满足后新长期排放法规要求及实现低燃油耗，采用了喷油泵-喷油器组合、大容量EGR冷却器、高效率高增压可变几何截面涡轮增压器(VGT)、UDPC、碳氢化合物后处理喷射装置(AHI)，并利用电子控制实现了发动机控制最佳化。由此，降低了摩擦，提高了发动机的有效热效率。

3.1 喷油泵-喷油器

相比于共轨系统，这次采用的喷油泵-喷油器系统在燃油喷射初期可进行平稳的喷射，抑制急剧的预混合燃烧，并可抑制氮氧化物(NOx)的生成。图4为喷射波形。另外，由于最大喷油压力由200 MPa提高到240 MPa,使发动机具有通过降低颗粒物(PM)排放来提高燃烧效率，从而改善燃油经济性的潜力。

图4 喷射波形

3.2 大容量冷却的EGR系统

图5表示EGR系统。为达到最佳的燃烧温度以控制和降低NOx排放，采用了大容量的冷却EGR系统。为了利用排气脉动以提高涡轮效率，在高温侧布置了EGR阀。另外，利用文丘里流量计高精度地进行EGR气体流量的测量，根据反馈控制EGR气体的流量，有效降低排放。

图5 EGR系统

3.3 高效率、高增压VGT

①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

相比于传统型可变喷嘴涡轮增压器，新发动机采用了VGT(图6)。滑动叶轮利用电子执行器工作。另外，该VGT具有排气闸门的功能和作为排气制动的功能。

由此可降低质量，并且由于滑动叶轮使结构简单化，也提高了可靠性。VGT与大容量冷却的EGR组合，进行精准的流量控制，可以在低速旋转下获得大扭矩及高功率，同时降低了排放和燃油耗。

图6 VGT系统

3.4 提高低速扭矩

对新发动机进行了小排量化改进，由于增加低速旋转工况下的扭矩，从而改善了运转性能。图7表示行驶性能曲线。由于提高了低速旋转工况的扭矩，即便在低车速时也无需降低变速档位，相比于原车型可在更陡的坡道上行驶。

图7 行驶性能线图

3.5 低摩擦油环及缸套的应用

主运动系统的摩擦影响有效热效率，为此，对油环和缸套进行了改进。改进工作降低油环的张力，改善缸套的表面粗糙度，力求降低摩擦。表2列出油环张力的降低量，表3列出了缸套的表面粗糙度的降低程度。在各种转速下的摩擦试验结果及低摩擦油环与缸套组合后的摩擦试验结果见图8。

表2 油环张力的降低量

表3 缸套表面粗糙度的降低

图8 摩擦试验结果

3.6 符合于日本的发动机的技术应用

该发动机运用了UD卡车公司及Volvo的先进技术，结合优异的基本性能与日本精细的品质技术。Volvo 公司的全球性标准发动机符合欧洲、北美地区的需求，其设计时假定城市间的移动为长距离且以恒定速度行驶。相比之下，日本行驶工况的起步、停车多，在低速工况区域的运转多。因此，在低速工况下可能需要适当提高排气温度。图9为试验的工况的比较。

图9 认证试验工况比较

3.7 机械式电子控制变速装置(ESCOT)

ESCOT可瞬时自动选择最佳的齿轮传动，任何人均可以与熟练司机一样顺畅驾驶。ESCOT与发动机通讯，以调整转速及制动，能迅速且恰当地进行齿轮变速以改善燃油经济性，此外，追加了经济型驱动模式，与通常情况相比可更迅速地进行档位上移，使车辆可在发动机低转速下行驶，力求改善燃油耗。

3.7.1 柔性巡航功能

自动巡航即以恒定车速行驶，在高速公路上可以实现良好的燃油经济性。配装了ESCOT的车辆，根据发动机负荷选择最佳档位定时，采用平稳加速的柔性巡航功能，由此避免过高的燃油耗，以改善燃油耗经济性。

3.7.2 ESCOT循环运行功能

ESCOT循环运行功能利用车辆的惯性运行。自动巡航行驶及经济型驱动模式行驶时，利用惯性运行，并自动地使档位移动位置处于空档。由于控制速度降低，可抑制再加速时燃油耗的增加，由此可以实现低燃油耗运行。图10示出了ESCOT循环运行功能。

图10 ESCOT循环运行功能

3.7.3 动力传动系统的最佳化

以改善燃油经济性为目的，对动力传动系统进行了优化。采用了高速传动以减小变速器的旋转阻力，以此改善燃油耗。为提高操作性，稍调整了低速齿轮组的齿轮比。

3.7.4 加速限制

加速限制功能可限制发动机旋转的加速度，即便猛踩加速踏板，车辆也不会过分急剧地加速，而是进行燃油经济性良好的缓慢加速。由此，不受司机的驾驶技术影响，均能恒定地加速，可以实现低燃油耗运转。这种加速限制功能在改变指令使用时，可获得必要的加速度。

3.8 排气后处理装置

图11为排气后处理装置。2004年，UD卡车公司对世界上首款在卡车上实用化的带尿素喷射SCR催化器加以改良，同时，优化尿素溶液的添加策略，以提高NOx净化效率。另外，采用了UDPC以有效地除去PM。

3.8.1 带尿素喷射SCR 系统

带尿素喷射SCR系统，以浓度32.5%的尿素溶液作为还原剂，向SCR催化器上游的排气中喷射。尿素溶液分解产生的NH3与NOx反应，将NOx转换为无害的N2与H2O。

日本国内的行驶中，低速、低负荷工况运转较多，排气温度低，要求SCR系统在低温下具有较高的NOx净化率。NOx还原反应可用式(1)～(3)表示。其中NO∶NO2体积比为1∶1的反应式(3)的反应速度最快，为提高低温下的净化率，应尽量在催化器内发生该反应[1-2]。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(2)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(3)

针对2004年的技术，将位于SCR系统前的氧化催化器(DOC)进行改良，优化流入SCR催化器的NO/NO2比例，以提高低温区域的NOx净化率，在JEO5工况下可获得更高的NOx净化率。

3.8.2 尿素喷射量控制

由安装在发动机上的控制单元预测NOx排放量，由此选择恰当的尿素添加量，避免过量的尿素溶液添加，可降低尿素溶液消耗量。

图11 EATS排气后处理装

3.8.3 UDPC

提高最大燃烧喷射压力以降低PM排放，同时用UDPC捕集发动机侧未完全除去的PM，捕集的PM堆积到一定程度后在行驶中自动再生或在停车时进行手动再生。自动再生是在精细的发动机控制下在较低温度下进行PM再生，能够抑制异常燃烧的危险并防止催化剂老化。

3.8.4 排气管喷射(AHI)

为了辅助堆积在UDPC上的PM再生，在涡轮出口后方增加AHI。缸内喷射方式是在气缸内添加燃料，而不是在活塞的燃烧室，有可能导致燃油稀释发动机油，而AHI向排气管直接喷射燃油，燃油不会对机油产生稀释。结果表明，相比缸内喷射方式，AHI可以延长机油更换周期。

4 大型发动机和动力传动系统的开发

上文介绍了动力传动系统的主要技术项目，使用这些技术有利于降低排放燃油耗。针对现行车辆执行的日本新长期排放法规，NOx排放不超过2.0 g/(kW·h),PM 排放不超过0.02 g/(kW·h)，利用燃油的超高压喷射以降低PM排放，优化气体流量控制最配备大容量冷却器的EGR系统，并与VGT适当地结合起来，同时优化了机械式电子控制变速装置和驱动系燃油耗，实现了发动机燃油耗及NOx排放的降低。利用带尿素喷射的SCR系统及UDPC以降低NOx和PM排放，能够具有裕度地满足日本后新长期排放法规要求，NOx排放不超过0.7 g/(kW·h)，PM排放不超过0.010 g/(kW·h)。

另外，发动机实现了完全电子控制化，并完善了发动机细节技术以降低摩擦等。经验证，发动机可满足日本2015年大型车燃油耗法规要求(部分车型除外)，实现了较高的环境性能和经济性能。