现代商用车发动机发展趋势

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0 前言

欧洲商用车市场是全球最成熟的商用车市场之一,也是商用车制造技术最顶尖的地区之一，欧洲商用车动力代表了行业的发展趋势。日益严格的排放法规对柴油机排放技术提出了日益严峻的挑战，也是推动发动机技术革新的重要驱动力(表1)。

表1 欧洲商用车发动机排放法规执行表

欧洲于2013年开始欧6a/b排放标准，2017年开始执行欧6c标准。为了应对排放升级及满足用户对较高燃油经济性的要求，欧洲各大汽车制造商(OEM)均对发动机进行了欧6排放的升级开发，以适应排放法规和市场的需求。

本文首先对欧洲商用车市场的格局进行了分析，然后重点分析了关键市场的发动机发展特点，总结了欧洲重型发动机的发展特点和趋势，为我国重型柴油机的发展提供思路。

1 市场数据分析

欧洲的商用车市场正在逐渐转变为以牵引车为主，载货车为辅的市场格局。其中牵引车增幅明显，2005到2014年期间增幅达到了23%，每年增加2%～3%。载货车发展趋势正好相反，2005到2014年期间跌幅达到了35%，每年跌幅约2%～3%(图1)。

图1 欧盟国家近10年商用车市场分布

欧洲的牵引车市场增幅明显，而且还有进一步增加的趋势，欧洲的牵引车以柴油机为主，柴油机占据了97%以上的市场份额，以下将重点讨论牵引车车用动力及对其车用柴油机平台数据的分析。

欧洲牵引车市场主要有SCANIA和MAN、DAF 和IVECO等品牌，它们占据了近99%的市场份额(图2)，后续将重点分析汽车制造厂家的柴油机动力特点。由于VOLVO在欧洲并没有投放欧6c阶段柴油机，故不列入分析。

图2 欧洲牵引车市场占有率分析

欧洲的牵引车车用发动机排量以11.0 L和13.0 L为主，其中11.0 L的市场占有率下降明显，2005年到2014年下降了近50%，平均每年下降4%～5%。13.0 L柴油机的市场占有率上升明显，2005年到2014年上升了80%，平均每年上升7%～8%(图3)。

图3 欧洲近10年牵引车动力排量分布

2 竞品数据分析

2.1 Daimler

Daimler的重型柴油机有3款机型，分别是OM470(11.0 L)、OM471(13.0 L)和OM473(16.0 L)。这三款发动机均采用高爆压技术设计，工作爆压达到23 MPa，其技术规格如下(表2)。

表2 Daimler OM471发动机分析

Daimler全系列第一代和第二代发动机均采用非对称增压、冷却废气再循环(EGR)和高喷射压力(270 MPa)的技术路线，结合柴油机后处理方案的氧化催化器+柴油机颗粒捕集器+选择性催化还原(DOC+DPF+SCR)技术满足欧6排放法规。

在排放技术方面，相比于第一代，发动机氮氧化物(NOx)原始排放有所上升，NOx排放量有所上升，对应的额定工况点EGR率有所下降。尿素消耗有所上升，综合油耗改善达2.5%。

在节油技术上，其最高热效率处于全球领先水平，采用的双卷流燃烧技术充分发挥了270 MPa高喷射压力的技术优势，既节能又降低了颗粒物的排放，使得DPF的保养里程达到了88万km。使用高压缩比技术、采用了更加高效的非对称增压技术，以及改进的EGR通道，降低了流动损失。缸内的工作爆压进一步升高，达到23～24 MPa，是经济性改善的主要原因。采用了减摩涂层，进一步改善了摩擦功，另外改进的机油泵进一步减少了附件消耗。

在动力性技术上，在转速900 r/min时基本达到了95%的峰值扭矩，完全体现了低速扭矩特点，配合2.6的速比，从而进一步降低了整车的油耗。在轻量化方面，采用材料为46MnVS6的连杆进一步降低了自身质量，同时减小了减振器的直径，优化了轴系设计，实现了减重并能够保持较好的可靠性。

2.2 SCANIA

SCANIA的重型柴油机有3款机型，分别是DC9(9.0 L)、DC13(13.0 L)、DC16(16.0 L)，其技术规格见表3。

表3 SCANIA DC13发动机技术规格

为了满足排放要求，第二代欧6 SCANIA机型重点突破了排气后处理技术。SCANIA DC9和DC13机型的技术路线由冷却EGR全面转为纯SCR技术。在节油技术上，为进一步改善油耗，首次使用了米勒循环技术，由于采用的固定米勒循环技术，导致动力性有所下降，13.0 L发动机只有在276 kW的动力规格上应用该技术。

在动力性技术上，在转速1 000 r/min时基本达到峰值扭矩，完全体现了低速扭矩特点，配合小速比，能够进一步降低整车的油耗。由于不采用EGR技术，使得发动机颗粒原始排放有所改善，DPF保养里程明显上升。

2.3 MAN

MAN的重型柴油机有3款机型，分别是D20(11.0 L)、D26(13.0 L)和D38(16.0 L)。这三款发动机均采用了高爆压设计，工作爆压达到22～24 MPa，其技术规格见表4，表5。

表4 MAN D26发动机技术规格

表5 MAN D38发动机技术规格

MAN全面采用了冷却EGR、两级增压、高喷射压力(250 MPa)和DOC+DPF+SCR。第二代欧6 EGR率有所下降，由30%降为25%，有利于改善颗粒物排放，并且提升了DPF保养里程。在节油技术上，采用双卷流燃烧技术，充分发挥了高喷射压力(250 MPa)的技术优势，既节能又降低了排放，另外采用了高压缩比技术，以及更加高效的两级增压技术，以适应高增压和高EGR率的需求。缸内的工作压力进一步升高，达到了22～24 MPa，这是经济性改善的主要原因。采用了减摩涂层，进一步改善了摩擦功，通过电控离合器空压机进一步减少了附件消耗。

在动力性技术上，在转速为930 r/min时达到了峰值扭矩，完全体现了低速大扭矩的特点，配合2.5小速比，进一步降低了整车的油耗。

在轻量化方面，采用蠕铁缸体和缸盖，在质量减小的同时又提升了可靠性。在可靠性上 ，缸盖使用了“TOPDOWN”冷却技术、弧形气阀技术、双冷却通道活塞技术等，保证了柴油机可以达到较高的寿命。在发动机制动方面，出现了新的发展趋势，一种配备替代缓速器的制动方式已经出现，MAN D38机型采用了增压器制动技术，制动升功率可以达到40 kW。

2.4 PACCAR

PACCAR的重型柴油机有两款机型，分别是MX11(11.0 L)和MX13(13.0 L)。这两款发动机跟其他介绍的发动机一样均采用高爆压设计，工作爆压达到22～24 MPa，其技术规格见表6。

表6 DAF MX11发动机技术规格

PACCAR采取的技术路线依然是冷却EGR、可变几何涡轮增压器(VGT)、高喷射压力(250 MPa)、DOC+DPF+SCR。第二代欧6机型EGR率有所下降，改善了颗粒物排放，提升了DPF保养里程。

另外，该机型采用双卷流燃烧技术，既实现了节能又降低了排放。使用了高压缩比技术，以及更加高效的VGT技术，以适应高增压和高EGR率的需求。缸内的工作爆压进一步升高，是经济性改善的主要原因。

在动力性技术上，在转速1 000 r/min时达到了峰值扭矩，完全体现了低速大扭矩特点，配合小速比，进一步降低整车的油耗。采用蠕铁缸体和缸盖以实现轻量化需求，既减重又提升了可靠性。缸盖同样使用了“TOPDOWN”冷却技术，保证了柴油机较高的使用寿命。

2.5 IVECO

IVECO的重型柴油机有3款机型，分别是CURSOR9(9.0 L)、CURSOR11(11.0 L)和CURSOR13 (13.0 L)，其技术规格如表7。

表7 IVECO CURSOR13发动机技术规格

IVECO采用了两种技术路线来满足排放要求，第一种路线采用了低压冷却EGR(10%)、VGT、高喷射压力(220 MPa)、DOC+DPF+SCR，第二种采用纯SCR技术，这两种路线被用于不同的车辆用途。由于使用低压冷却EGR技术，颗粒物排放并没有明显恶化，依然保持较好的DPF保养里程。

与前面几款发动机一样，为达到节油目标，采用了双卷流燃烧技术，充分发挥了220 MPa高喷射压力的技术优势，既节能又降低了排放。采用了更加高效的VGT技术，以适应高增压和高EGR率的需求。缸内的工作爆压进一步升高，对经济性改善起到了关键作用。在动力性技术上，转速1 000 r/min时达到了峰值扭矩，完全体现了发动机的低速扭矩特点，配合小速比，进一步降低整车的油耗。缸盖使用了燃油直喷(CGI)发动机技术，保障了柴油机能够达到较高的寿命。

在发动机制动方面，出现了新的发展趋势，一种替代缓速器的制动技术已经出现，IVECO公司的全系列发动机采用的超级制动技术，可以达到40 kW/L的制动效率，在行车安全性能上，具有显著的优势。

2.6 总体分析

2.6.1技术路线分析

欧洲第二代欧6技术路线较第一代技术路线相比，仍以EGR路线为主。SCANIA全平台转向了纯SCR路线。为了弥补经济性损失，首次采用了米勒循环燃烧技术。IVECO由纯SCR技术路线转向双路线，供不同用户选择使用。其中增加了10%的EGR率可以适度降低排放，重点改善燃油经济性。EGR路线仍然占主导地位，低EGR率(<20%)成为了第二代欧6机型主流。

2.6.2总体特征分析

主流发动机工作爆压正在朝着更高的方向发展，驱动因素主要受经济性和动力性影响。欧洲主流OEM正处于从第二代欧6发动机过渡到第三代发动机的全面爆发期。基于当前现状分析，欧洲的产品总体领先国内1～2代左右。从传统柴油机发展路线分析，应大力发展柴油机技术，尽快开展三代机的研制，缩短和欧洲的差距。

图4 欧洲重型发动机发展趋势分析

2.6.3技术特性分析

在经济性方面，相比11.0 L和13.0 L的重型机油耗，第二代比第一代要节油1%～2%，经济性明显改善。最高燃油热效率已经到达46.5%，主流发动机正在朝着更高的热效率发展(图5)。在动力性方面，11.0 L最大功率和平均功率基本不变，最大扭矩和平均扭矩分别上升了2%和3%(图6(a))。

图5 欧洲重型柴油机最高发动机热效率发展趋势分析

13.0 L发动机最大功率和平均功率分别上升了2%和4%，最大扭矩和平均扭矩均上升了4%(图6(b))。欧洲第二代欧6机型较第一代动力性小幅提升，发动机降速趋势明显，低速扭矩增加趋势明显。

图6 欧洲重型柴油机动力性发展趋势分析—最大功率(a)和最大扭矩(b)

11.0 L和13.0 L柴油机第二代欧6机型相比第一代机型平均B10寿命提升了23%～25%，这是因为第二代欧6机型各汽车制造商均升级或全新开发了新机型(图7)。

①为了符合作者本意，本文仍沿用部分非法定单位——编注。

图7 欧洲重型柴油机耐久性发展趋势分析

欧洲第二代欧6较第一代发动机制动功率变化不大(除IVECO),但整体制功率水平处于世界领先，发动机最高制动升功率已经到达40 kW(图8)。

图8 欧洲重型柴油机制动功率发展趋势分析

欧洲第二代欧6较第一代DPF保养里程有明显上升的趋势，重型机DPF保养里程最高已达98万km，正在朝着免维护的趋势发展(图9)。

图9 欧洲重型柴油机DPF保养里程发展趋势分析

3 结论

通过上文的研究分析，得出结论如下：(1)柴油机仍然具有很强的提升潜力；(2)重型柴油机主流欧6c技术路线为低压冷却EGR技术(<20%的EGR率)、DOC+DPF+SCR技术；(3)主流重型柴油机正在朝着更高热效率(>46.5%)、更好的低速动力性(转速<1 000 r/min时达到峰值扭矩，升功率>32 kW)、更高爆压(工作爆压22～25 MPa)、更高的喷射压力(>250 MPa)、更高效的增压(可变增压、两级增压等)方向发展；(4)高效发动机制动技术成为主流发展趋势，一种可能在部分车型替代缓速器的发动机制动技术已经出现，可以有效提升车辆的安全性和降低成本；(5)DPF正朝着免维护的方向发展，有利于提升用户维护便利性和降低使用成本；(6)当前欧洲市场正在进入三代机爆发期，我国整体仍然处于二代机的水平，应积极发展柴油机基础机型技术和后处理技术，缩短与欧洲地区的差距。