五十铃小型商用车用柴油机的开发

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0 前言

五十铃汽车公司进行了小型商用车用新型1.9 L RZ4E型柴油机的开发。该款发动机为五十铃公司下一代小型商用车的基本发动机。为提高燃油经济性，对该机型进行了缩缸强化，排量从原来的2.5 L减小到1.9 L。在深入调查了市场需求和客户使用要求后，对包括发动机缸心距在内的总体结构进行了重新设计。为满足各国排放法规，从降低燃油耗着手，重新进行了开发。并首次将该发动机配装在轻型货车D-MAX上[1-2](图1)，以及运动型多功能车MU-X上，相比以往车型CO2排放量削减了19%。

本文介绍了新开发的RZ4E发动机的技术概况，以及满足欧4排放法规要求的技术概况。

图1 轻型货车D-MAX

1 RZ4E发动机开发目标

新款RZ4E发动机的开发目标如下：

(1) 顶级的燃油经济性能，并有效降低CO2排放量；

(2) 在确保起步和加速性能的同时，实现发动机高可靠性的目标；

(3) 改善噪声，达到顶级静音水平；

(4) 基于模块化设计，采用局部装配(预装配)的方式，削减装配工时；

(5) 利用基于模型的产品开发(MBD)理念以提高开发效率；

(6) 设计中需考虑到保障运转的可维修性。

2 发动机主要技术规格

表1列出了供应泰国市场的新款RZ4E型发动机与原机型的主要技术规格的比较。

3 发动机概况

图2示出了RZ4E型发动机的概况，图3示出了RZ4E型发动机性能曲线。

表1 RZ4E型发动机与原机型主要技术规格

图3 RZ4E型发动机性能曲线

3.1 兼顾提高热效率与排放性能

图4 燃烧室形状

为了更好的提高热效率并改善排放性能，需要使燃烧室形状达到最佳化。图4示出了RZ4E型发动机的燃烧室形状。

从压缩比看，新款发动机在抑制最高燃烧压力的同时，需要实现与原机型相等或比原机型更优越的功率特性。而且，考虑到实际的热效率和排放性能，选择的最佳压缩比为16.5。要使混合气形成的燃油喷雾距离，可以顺利地扩展到燃烧室的唇口，在燃烧室唇口部设置了阶梯差，这样可以充分地利用挤气区的空间。

为确定燃烧室的具体形状，利用计算流体动力学(CFD)进行了分析。在原机型上采用的燃烧室凹坑形状，喷雾混合气滞留于燃烧室底部的球形腔，形成局部的浓混合气。对RZ4E型发动机进行了设计优化，在燃烧室底部球形腔及燃烧室中央顶部设定为圆滑连接的辐射螺旋线(回旋曲线)，通过抑制喷雾混合气的失速，以提高气缸中央部的空气利用率(图5)。

图5 按燃烧室不同形状的CFD分析

图6 降低机械损失采用的技术措施

利用减少排量的方法来降低机械损失，并通过RZ4E型发动机零件单体试验，以及与发动机的摩擦测试，进行效果验证，并采用了其他降低机械损失的附加措施(图6)。

在确保各组件必要流量下，考虑到冷却回路的最优化与降低各零件的压力损失，并削减水泵的流量，实现了水泵驱动力的降低。结果表明，这种方法确保了水泵的耐久性和可靠性，同时与原机型相比，在转速2 000 r/min范围内，机械损失降低了37%(图7)。

图7 与原机型的机械损失比较

此外，要降低氮氧化物(NOx)的排放，EGR是必不可少的措施，而对于小排量的发动机而言，配置有足够容量的EGR冷却器，以及缩短由EGR气体引入气缸的通路，形成EGR内部气体均匀混合是有待解决的课题。RZ4E型发动机的EGR的冷却系统如图8所示。废气由排气口返回进气口的路径上，通过气缸盖内部的水套进行1次冷却，实现了外置EGR冷却器的小型化。

图8 气缸盖组装EGR冷却器

从改善EGR气体混合来看，在进气歧管入口处的进气配管外布置了狭缝状EGR进气口。废气由进气配管的外侧向内侧回转，流入EGR气体。由EGR入口到气缸的通路较短，可以有效促进EGR内部气体的均匀混合(图9)。

图9 环形狭缝式EGR引入口

除了采用上述措施来降低发动机内部的机械损失之外，由于燃烧室形状的改变，还能同时改善排放性能和燃油经济性能。车辆按新欧洲行驶循环(NEDC)行驶中，CO2排放量为161 g/km，百公里燃油耗为6.2 L。

3.2 确保起步加速性能

为了确保与原机型相同的起步加速性能，并使燃油耗最少，RZ4E型发动机的排量为1.9 L。利用涡轮增压器以实现高增压压力，能够确保稳定运转的扭矩与原机型相同或超过原机型。另一方面，起步加速增压压力上升的响应延迟，从开发初期就被列为了待解决课题。为确保起步加速性能，进、排气凸轮轴的轮廓(断面)形状选定在低速区域，可以获得高容积效率的断面形状，并且最大限度地提高在无增压状态下的输出扭矩。与新型变速器的应用相结合，确保了驱动力与原机型相同甚至超过原机型(图10)。而且，车辆起步时要使驾驶员可以轻松操作离合器且顺利完成起步，并增加辅助的发动机控制。

图10 无增压状态下起步阶段驱动力的比较

3.3 耐久性、可靠性

为保证日本车辆在泰国市场占有较高的份额，五十铃公司分析了世界上132个国家(2014年)获得好评的传统车辆的使用需求。图11示出了使用需求分类实例，图12示出了假定车辆使用频度分析。根据分析结果以及各国不同的燃油使用情况，开始进行新车试验，确保了其耐久性和可靠性。

图11 使用需求的分类实例

图12 假定车辆的使用频度分析

3.4 静音性

RZ4E型发动机的机体，采用了其他公司的基准，设计了高刚度的长裙形结构。此外，利用计算机辅助工程(CAE)制成最佳机体形状，相比原机型大幅度降低了质量。并在设计中考虑到降低质量与噪声，优化了其基本性能(图13)。

图13 质量与噪声性能比较

在其他主要结构零件方面，不但借助于CAE，并利用基于试验的声源与振动分析，在整个频域的结构减振性能相比原机型有所提高，也研发出了具备高潜力的抗爆燃结构(图14)。

图14 结构减振量比较

由于喷射控制的优化，使得在高水平的兼顾燃油经济性与排放性能的同时，降低了燃烧噪声。即使未在发动机周围进行邻近屏蔽，即未对辐射噪声采取隔声对策，相比原机型，新型RZ4E仍降低了噪声。RZ4E型发动机由于改进了加速行驶时的燃烧噪声水平和线性特性，不仅改善了噪声水平，而且直接关系到了噪声的主观评价。图15示出了依据五十铃公司特有的噪声评价指数[3]进行评价后的结果。

图15 噪声评价指数比较

3.5 模块设计，局部装配方式

五十铃公司力图将本公司产品与技术推向国际市场，为了制作出可以适应各国不同需求，灵活通用的发动机技术平台，采用了一系列措施。首先，根据各国市场的要求安排了不同的装置，并进行了各种装置的最佳方案研究。图16示出了满足泰国市场并设置冷却压缩机的设计方案，主要结构零件考虑了各种规格不同的装置后再进行的设计。由于装置的分组不同，构建了能向各国市场输出的模块化设计。

图16 模块设计

图17 开发流程概念图

图18 分析流程概念图

此外，在发动机装配中，为了能与传统的4J系列发动机在同一装配生产线上进行组装，需解决工时的差异。为了将工时的差异控制在最小限度，RZ4E型发动机制造采用了局部装配(组件)的方式。局部装配首先是在辅助装配线上按小规模组装零部件，以达到削减主装配生产线作业工时的目的。由此，实现了与4J发动机系列装配生产线的通用化。从局部装配的方法来看，生产部门与研发部门同时进行产品的设计与施工(方案)设计[4]，从开发初期阶段就使生产率及抗变换性最佳化。结果表明，相比于以往的4J系列发动机，局部装配削减了装配线上约30%左右的工时。

3.6 MBD的应用

以往的产品开发是用试验设备评价试件，如不能达到目标性能则反复进行设计和评价，进而按照目标值进行产品开发。这种方法在零件试制和评价时耗费了许多时间。但是，为满足更为严格的排放法规限值和燃油耗要求，模型开发系统追求高功能化和大规模化，但有可能会导致开发周期延长。

因此，在RZ4E型发动机的开发过程中，按“MBD型”开发模式全面地实施了开发。从方案规划阶段应用了MBD，在虚拟发动机上实施零件评价，有效缩短了试制周期。此外，通过组合虚拟发动机与试验设计法，能从庞大的系统组合中找出达到目标值的多数解，并将设计返工控制在最低限度(图17)。

图18表示实施了排量选定时的分析流程，在规划阶段，运用大量仿真[5]技术，在短时间内采用最佳的发动机组合系统。一方面解决排量减小(缩缸强化)的问题，如提高增压压力、增强起步性能等，另一方面采用了使燃油耗最小的排量1.9 L。

4 结语

根据前文阐述的技术应用及开发内容，已将同时具备高耐久性、高可靠性、低燃油耗、低噪声的新型RZ4E发动机投放到泰国市场。新型RZ4E发动机，按照NEDC行驶中，相比于原车型的CO2排放量削减了19%，实现CO2排放量161 g/km，百公里燃油耗6.2 L，获得装载1 t的轻型货车顶级水平的燃油经济性能，同时兼顾了耐久性、可靠性和低噪声。由于采用模块设计，局部装配方法，制成低成本发动机，并以整车进入泰国市场为开端，将小型商用车用发动机产品投放到国际市场。