簡(jiǎn)述商用和工業(yè)用發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

摘要：未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是優(yōu)化基型機(jī)，滿足未來(lái)的排放法規(guī)（包括CO2）要求，通過(guò)優(yōu)化基型機(jī)彌補(bǔ)附件增加帶來(lái)的尺寸、質(zhì)量和成本的增加。發(fā)動(dòng)機(jī)縮缸強(qiáng)化、新材料、減小摩擦、先進(jìn)增壓和燃油噴射系統(tǒng)技術(shù)等方面已在輕型車輛領(lǐng)域顯示出潛力并已處于具體實(shí)施階段。介紹未來(lái)商用和工業(yè)用發(fā)動(dòng)機(jī)基型機(jī)的改進(jìn)方案及潛力，描述這些技術(shù)如何改善商用和工業(yè)用基型發(fā)動(dòng)機(jī)，以滿足未來(lái)排放法規(guī)及燃油效率要求。

近20年內(nèi)，商用車輛柴油機(jī)污染物排放限值要求愈加嚴(yán)苛，這已成為發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展最根本的推動(dòng)力。柴油機(jī)的主要排放物為氮氧化物（NOx）及顆粒物（PM），而這兩者的控制是相互沖突的。目前商用車輛上重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)要求降低發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍（包括高負(fù)荷點(diǎn)）的NOx和PM排放。一種有效降低高負(fù)荷工況原始NOx排放的措施是在發(fā)動(dòng)機(jī)上提高廢氣再循環(huán)（EGR）率，并保持空燃比恒定，可使PM排放處于限值以下。此外，提高噴油壓力也有助于降低PM排放。基型機(jī)不僅要滿足未來(lái)排放法規(guī)要求，還保持甚至提高比扭矩及功率輸出，這為設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。增加EGR率和增壓壓力導(dǎo)致缸內(nèi)峰值壓力提高到25MPa，增加了氣缸蓋、曲軸箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等部件的受力，需改進(jìn)基型機(jī)設(shè)計(jì)和材料。較高的噴油壓力要求燃油泵及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠承受較大的扭矩和壓力。

未來(lái)，排放標(biāo)準(zhǔn)將更加關(guān)注于引起全球變暖的排放物，如CO2、N2O和CH4等。因CO2為石油類燃料燃燒的自然產(chǎn)物，研究關(guān)注點(diǎn)在于通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)部件摩擦及其他功率損失，改善內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。即使某些開(kāi)發(fā)將由車輛技術(shù)負(fù)擔(dān)，但內(nèi)燃機(jī)仍需繼續(xù)開(kāi)發(fā)及優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)性能、排放和燃油經(jīng)濟(jì)性之間的最佳平衡。

圖1 柴油機(jī)降低排放和CO2的技術(shù)演變

圖1為過(guò)去幾十年中道路用重型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。從2014年到2017/2018年這一階段，道路用載貨車的CO2/燃油消耗率將降低20%，2020年或之后將進(jìn)一步降低。為滿足CO2排放限值，將在現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上增加新的基型機(jī)技術(shù)。圖1列出的某些或所有技術(shù)將與減小摩擦和增加熱效率技術(shù)一起使用。本文介紹基型機(jī)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，探討基型機(jī)如何滿足排放和燃油經(jīng)濟(jì)性限值。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)縮缸強(qiáng)化

縮缸強(qiáng)化是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，要求在較低排量條件下產(chǎn)生相同功率。然而在不減少發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)，僅減小排量的情況下未必能夠顯著降低摩擦。表1對(duì)比1款中型載貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)的2種設(shè)計(jì)變型。圖2為縮缸強(qiáng)化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦的影響。

表1 1款中型載貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)2種設(shè)計(jì)變型的技術(shù)規(guī)格

圖2 縮缸強(qiáng)化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦的影響（轉(zhuǎn)速1000r/min）

如按比例減小缸徑和行程以保持行程/缸徑比不變的縮缸強(qiáng)化方案，需要進(jìn)行二級(jí)增壓，這將導(dǎo)致缸內(nèi)峰值壓力增大約3MPa。缸徑雖然變小，但氣體力基本保持不變。因此，減少軸承直徑不可能降低軸承摩擦及軸承潤(rùn)滑油流量。在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，只有縮小行程，降低活塞平均速度才能起到減摩作用。這個(gè)正面效果部分地被流過(guò)二級(jí)渦輪增壓器的附加機(jī)油消耗掉，后者會(huì)導(dǎo)致較高的機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)功率。曲軸、氣門(mén)機(jī)構(gòu)、水泵和交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的摩擦保持不變。摩擦評(píng)估表明，摩擦扭矩差異很小，僅在運(yùn)行工況點(diǎn)轉(zhuǎn)移可實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)上的燃油耗優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)減少氣缸數(shù)量實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)縮缸強(qiáng)化，能夠顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦。采用二級(jí)增壓和應(yīng)對(duì)較高峰值壓力及功率的措施必將顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)成本。減少氣缸數(shù)量將縮減部件數(shù)量，平衡所增加的成本。圖3示出了發(fā)動(dòng)機(jī)成本的比較，表明如果通過(guò)減少氣缸數(shù)量實(shí)現(xiàn)排量降低，縮缸強(qiáng)化在經(jīng)濟(jì)上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

圖3 縮缸強(qiáng)化和減少氣缸數(shù)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)成本的影響

相對(duì)于6缸機(jī)而言，采用平衡軸以消除2階自由慣性力優(yōu)化4缸發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲振動(dòng)平順性（NVH）性能的方案具有成本優(yōu)勢(shì)。考慮到摩擦和成本降低的潛力，采用大缸徑4缸發(fā)動(dòng)機(jī)代替常用6缸發(fā)動(dòng)機(jī)將獲得更大優(yōu)勢(shì)。大型發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用單缸排量為2L的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)300kW的功率性能級(jí)別，這一級(jí)別是40t級(jí)長(zhǎng)途載貨車用動(dòng)力系統(tǒng)的主要級(jí)別，因而在減小生產(chǎn)成本方面具有相當(dāng)大的潛力。4缸發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度縮小的長(zhǎng)度將為發(fā)動(dòng)機(jī)艙提供更大的自由空間，用于安裝排氣后處理和冷卻系統(tǒng)。此外，應(yīng)用質(zhì)量平衡軸，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估計(jì)可減輕150kg左右，可直接用于增加車輛有效負(fù)荷。為了滿足用戶對(duì)NVH方面的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)較少而引起較高的扭矩波動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)注點(diǎn)。但是，商用車市場(chǎng)用戶相對(duì)比較保守，對(duì)此類發(fā)動(dòng)機(jī)的接受程度有待驗(yàn)證。對(duì)于乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，減少氣缸數(shù)量已經(jīng)成為主要發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于小型乘用車而言，更是迫切需要以3缸發(fā)動(dòng)機(jī)代替4缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 氣缸套和曲軸箱技術(shù)

氣缸工作表面采用熱噴涂技術(shù)也適用于批量生產(chǎn)，圖4示出了涂層技術(shù)在減摩方面的潛力。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)等離子涂層缸套采用的平均摩擦有效壓力（FMEP）相對(duì)基準(zhǔn)鑄鐵缸套降低大約12%。在其他研究中有提到在標(biāo)定負(fù)荷摩擦減小達(dá)到20%的情況。這一技術(shù)起源于乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)，之后在商用車輛和大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。另外，不受缸套基體材料限制，可自由選擇工作表面材料。

圖4 缸套涂層技術(shù)減摩的潛力

輕型/中型發(fā)動(dòng)機(jī)常采用集成缸套的曲軸箱，被稱為母體氣缸。重型發(fā)動(dòng)機(jī)采用母體氣缸代替濕式缸套，可大幅降低曲軸箱生產(chǎn)成本及氣缸間距（圖5）。在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，已磨損的氣缸可以鏜掉，噴涂1層新的涂層，不必更換各個(gè)氣缸套。為此，不需要采用直徑稍大的大修專用活塞。然而，進(jìn)行這樣的大修工作需要相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備。在具有良好制造基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)成熟市場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)。

圖5 母體氣缸相對(duì)濕式缸套的優(yōu)勢(shì)

3 曲軸和曲柄機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲軸主軸承和連桿大頭軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦的重要來(lái)源。圖2示出發(fā)動(dòng)機(jī)不同部件的相對(duì)摩擦扭矩，曲軸摩擦占發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦的14%。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)，此部分將增加到25%以上。通過(guò)減小主軸頸和連桿軸頸直徑能夠降低曲軸摩擦。圖6示出了將柴油機(jī)主軸承與連桿軸承直徑比和主軸承直徑大小對(duì)比獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖6 主軸承直徑和連桿軸承直徑的相互關(guān)系

主軸承直徑減小能夠降低流經(jīng)軸承的機(jī)油量，減小對(duì)機(jī)油泵油量的需求，降低其驅(qū)動(dòng)功率損失。因?yàn)闇p小主軸承直徑與提升功率和缸內(nèi)峰值壓力相沖突，所以需要處理好連桿軸承的設(shè)計(jì)，使之不產(chǎn)生反作用。圖7為FEV公司提出的獨(dú)特設(shè)計(jì)，主軸承直徑的減小是通過(guò)增加連桿軸承直徑平衡，直到連桿軸承直徑增加到與主軸頸直徑相等為止。這種方法能夠在保持曲軸剛度的同時(shí)降低整體機(jī)油消耗量，從而減小機(jī)油泵流量需求和驅(qū)動(dòng)功率損失。

圖7 FEV公司獨(dú)特的曲軸設(shè)計(jì)

另一種減小曲柄機(jī)構(gòu)摩擦的方法是在氣缸軸線和曲軸軸線之間引入偏移量。采用運(yùn)動(dòng)仿真可預(yù)測(cè)總摩擦力和優(yōu)化偏移量。圖8示出有偏移量的曲軸與無(wú)偏移量的基線活塞側(cè)向力隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果比較。曲軸偏移使燃燒產(chǎn)生的摩擦力峰值降低到50%左右。壓縮行程摩擦力相應(yīng)增加，然而摩擦力大小低于燃燒過(guò)程中的摩擦力，凈作用使整體摩擦力及扭矩均降低。使活塞力最小的偏移量精確值需針對(duì)每一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真確定，并且因曲柄機(jī)構(gòu)幾何形狀不同而略有變化。

圖8 曲軸偏移量對(duì)活塞側(cè)向力的影響

4 可變壓縮比（VCR）

高增壓和高比功率將產(chǎn)生較高的缸內(nèi)峰值壓力，在這種情況下需要加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。VCR技術(shù)通過(guò)降低高負(fù)荷壓縮比，成為一種可選方案，從而使缸內(nèi)峰值壓力不會(huì)超過(guò)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的允許水平。VCR系統(tǒng)在商用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用前景如下:（1）升級(jí)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)性能以提高比功率，將其應(yīng)用于高級(jí)游艇動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)縮缸強(qiáng)化；（2）限制現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)峰值壓力，引入高EGR率并改善燃油消耗；（3）提高多燃料運(yùn)行時(shí)的壓縮比，具體取決于使用燃料的點(diǎn)火性能及十六烷值。

圖9 二級(jí)VCR系統(tǒng)可變長(zhǎng)度連桿

實(shí)際運(yùn)用中已有多種VCR系統(tǒng)，有些是壓縮比連續(xù)可變，有些只是一級(jí)變化。連續(xù)可變機(jī)構(gòu)應(yīng)用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)上需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。FEV公司開(kāi)發(fā)了1款適用于乘用車用汽油機(jī)和大型柴油機(jī)的二級(jí)VCR系統(tǒng)。在這種二級(jí)VCR系統(tǒng)中，連桿長(zhǎng)度的改變是通過(guò)連桿小頭的偏心軸承旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，由氣體力及慣性力疊加產(chǎn)生的偏心力矩來(lái)調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度。這是低成本VCR方案的關(guān)鍵特征，無(wú)需成本昂貴及耗能較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所有功能部件都集成于連桿這一組件上。這種VCR系統(tǒng)可集成到現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)變動(dòng)很少。由圖9可知，偏心力矩在整個(gè)燃燒循環(huán)中有正有負(fù)，使得在2個(gè)方向上均可調(diào)節(jié)。

圖10示出在1款缸徑為125mm的重型柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速，不同平均有效壓力（BMEP）條件下試驗(yàn)獲得的壓縮比切換結(jié)果。最高燃燒壓力為18 MPa，壓縮比在14和17之間切換。結(jié)果顯示在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，壓縮比切換一致性良好，未發(fā)現(xiàn)部件異常磨損或裂紋現(xiàn)象。

圖10 二級(jí)VCR系統(tǒng)切換試驗(yàn)

5 氣缸蓋設(shè)計(jì)

高功率密度引起的缸內(nèi)峰值壓力不斷增加為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，尤其是在氣缸蓋設(shè)計(jì)方面。材料選擇、設(shè)計(jì)原理和部件形狀成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。增加材料強(qiáng)度是改善高周疲勞（HCF）特性的適當(dāng)措施。因此一些制造商使用的材料已經(jīng)從傳統(tǒng)灰鑄鐵向蠕墨鑄鐵轉(zhuǎn)換。以GJV450材料為例，這種材料能夠很好承受缸內(nèi)燃燒壓力產(chǎn)生的高頻負(fù)荷，同時(shí)在不需要像灰鑄鐵（GJL250）那樣詳細(xì)優(yōu)化高負(fù)荷區(qū)域的幾何形狀，允許缸內(nèi)峰值壓力超過(guò)20MPa。相比灰鑄鐵，蠕墨鑄鐵導(dǎo)熱性明顯降低，從而引起高熱負(fù)荷區(qū)域熱機(jī)疲勞（主要是低周疲勞（LCF））惡化，尤其在火力面鼻梁區(qū)。

只有通過(guò)增強(qiáng)冷卻，保證大幅減小壁厚才能夠避免氣缸蓋鼻梁區(qū)產(chǎn)生裂紋。在氣缸蓋前期設(shè)計(jì)中，為了滿足冷卻要求，在確定氣門(mén)位置和大小時(shí)必須特別注意為鼻梁區(qū)留有足夠?qū)挾?。為了?shí)現(xiàn)相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的熱負(fù)荷循環(huán)數(shù)，需要對(duì)氣門(mén)直徑與換氣所需流通截面積進(jìn)行平衡。氣缸蓋高度是氣缸蓋總剛度的1個(gè)重要邊界條件，同時(shí)也反映了允許的缸內(nèi)峰值壓力。圖11表示缸徑在90～140mm間發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋相對(duì)高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。相對(duì)高度值為氣門(mén)彈簧支撐高度與缸徑之比。圖中示出了可長(zhǎng)期接受的缸內(nèi)峰值壓力和氣缸蓋相對(duì)高度間的關(guān)系。在有利條件下，采用灰鑄鐵材料也可實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)峰值壓力超過(guò)20MPa的情況。蠕墨鑄鐵證明用強(qiáng)度較高的材料解決問(wèn)題要更容易。

圖11 氣缸蓋高度和缸內(nèi)峰值壓力的關(guān)系

對(duì)氣缸蓋剛度有積極作用的另一設(shè)計(jì)特征是鑄造的噴油器頂板。獨(dú)立的嵌入式噴油器套為噴油器周圍高熱負(fù)荷區(qū)域及氣門(mén)間的冷卻提供了較有利的條件。此外，因水套芯可通過(guò)中心噴嘴面與外界相連，這種結(jié)構(gòu)有利于氣缸蓋的鑄造。

利用中間頂將冷卻液引入重要區(qū)域，引導(dǎo)冷卻液到關(guān)鍵地區(qū)的中間隔板，可以很容易地在鑄造結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。然而，在氣缸蓋結(jié)構(gòu)中噴油器套不能起到支撐作用，可采用強(qiáng)度更高的材料加以彌補(bǔ)。這些影響表明，對(duì)于中等功率密度，但要求缸內(nèi)峰值壓力較高、壽命較高的發(fā)動(dòng)機(jī)，灰鑄鐵材料或強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)GJL250材料更高的灰鑄鐵品種與鑄造噴油器頂板相配合將成為最有效方案。

同時(shí)，采用這種材料具有很高的成本效益。對(duì)于功率密度更高的發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸蓋需要承受更高的熱負(fù)荷，為此構(gòu)建最佳的冷卻邊界條件，這是使用噴油器套的重要原因。極高的峰值壓力需要采用蠕墨鑄鐵材料達(dá)到HCF耐久性要求。與此同時(shí)，隨著功率密度的升高，LCF問(wèn)題增多（圖12）。

圖12 氣缸蓋材料和缸內(nèi)峰值壓力及功率密度三者間關(guān)系

6 配氣機(jī)構(gòu)布置

近年來(lái)，商用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用帶有頂置凸輪軸的整體式氣缸蓋來(lái)代替獨(dú)立氣缸蓋。乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)采用典型的雙頂置凸輪軸及凸輪從動(dòng)件設(shè)計(jì)，這在大型的商用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上并不常見(jiàn)。比較包括氣門(mén)機(jī)構(gòu)在內(nèi)的整套氣缸蓋的生產(chǎn)成本時(shí)，用扭轉(zhuǎn)式氣門(mén)排列、滾輪搖臂和氣門(mén)橫梁的單頂置凸輪軸（SOHC）方案的成本約比用平行氣門(mén)排列、單滾輪搖臂式凸輪從動(dòng)件的雙頂置凸輪軸（DOHC）氣缸蓋低20%左右（圖13）。只用1根凸輪軸的設(shè)計(jì)需要?dú)忾T(mén)扭轉(zhuǎn)式排列。采用平行的氣門(mén)排列時(shí)，對(duì)距凸輪軸較遠(yuǎn)的氣門(mén)的杠桿比將非常不利。

研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)評(píng)估SOHC和DOHC布置成本及效益的研究，以幫助改善排氣后處理系統(tǒng)的排氣熱管理。該研究試驗(yàn)了1臺(tái)商用車輛中型發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了采用不同頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)時(shí)排氣后處理系統(tǒng)的上游排氣溫度。通過(guò)以下策略提高排出氣缸的廢氣溫度: （1）不使用可變排氣凸輪相位（VECP）進(jìn)行DOC加熱——延遲噴油正時(shí)，輔助后噴以及不使用VECP的主動(dòng)增壓控制；（2）加熱催化劑并使用VECP；（3）使用進(jìn)氣門(mén)節(jié)流閥（ITV）代替VECP加熱廢氣，即采用ITV加熱標(biāo)定。

圖13 配氣機(jī)構(gòu)成本比較

圖14示出采用上述策略提高排出氣缸的廢氣溫度與基線標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比。顯然，在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷范圍內(nèi)使用VECP策略將獲得最高排氣溫度。然而，在平均有效壓力大于1MPa時(shí)，使用ITV策略將獲得最高排氣溫度，而在發(fā)動(dòng)機(jī)較低負(fù)荷時(shí)，也最接近VECP策略最高排氣溫度。

圖14 不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下各種排氣加熱措施的對(duì)比

ITV成本要計(jì)入發(fā)動(dòng)機(jī)總成本。由圖15可知，相比配置VECP的DOHC機(jī)構(gòu)，配置ITV的SOHC機(jī)構(gòu)的成本仍然為最有成本效益的配氣機(jī)構(gòu)理念。然而，可變氣門(mén)正時(shí)（VVT）機(jī)構(gòu)增加的成本及使用第2個(gè)頂置凸輪軸附加配氣機(jī)構(gòu)零部件的成本高于ITV的成本。

考慮到影響氣缸蓋性能和耐久性的各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，主觀地將氣門(mén)排列進(jìn)行分類。相比SOHC機(jī)構(gòu)，DOHC機(jī)構(gòu)氣門(mén)排列能達(dá)到更高性能和耐久性準(zhǔn)則。許多使用中的中型、重型發(fā)動(dòng)機(jī)仍采用SOHC機(jī)構(gòu)。每個(gè)主機(jī)廠的最終決定都是在氣缸蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和耐久性要求與系統(tǒng)成本間尋求最佳平衡。

圖15 配氣機(jī)構(gòu)理念的相對(duì)生產(chǎn)成本

7 高壓燃油噴射

多年來(lái)，商用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射壓力不斷提高。提高噴油壓力將縮短噴油持續(xù)期和噴嘴的噴孔。這樣有利于噴射燃油霧化，加速燃燒。提高噴油壓力通常能夠減少燃油消耗和PM數(shù)量。然而為了降低NOx排放，需要延遲噴油時(shí)刻，這樣會(huì)部分抵消燃油消耗和PM優(yōu)勢(shì)。噴油壓力提高時(shí)，需考慮高壓泵驅(qū)動(dòng)功率的增加及噴油器可能出現(xiàn)的漏油現(xiàn)象對(duì)燃油消耗的影響。當(dāng)噴油壓力提高到300MPa，除了改善排放外，還可以改善燃油消耗。在部分負(fù)荷和標(biāo)定輸出時(shí)，從傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)改為無(wú)漏油噴油系統(tǒng)能降低與排放無(wú)關(guān)的燃油消耗1%。噴油壓力提高到300MPa，為進(jìn)一步改善NOx、PM折中和較大發(fā)動(dòng)機(jī)特性范圍，尤其為全負(fù)荷工況下的燃油消耗量提供了潛在優(yōu)勢(shì)（圖16）。如果改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，以提高缸內(nèi)峰值壓力，可通過(guò)改變噴油策略改善排放，從而進(jìn)一步大幅降低燃油消耗。

圖16 高效噴油系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢(shì)（標(biāo)定轉(zhuǎn)速和全負(fù)荷工況下改變EGR；基準(zhǔn)噴油壓力180MPa）

8 結(jié)語(yǔ)

考慮到包括溫室氣體排放（GHG）在內(nèi)的排放法規(guī)要求，需要進(jìn)一步改善商用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。在當(dāng)前或更低NOx和PM排放下，較高熱效率和較低寄生功率損失使得重型發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)峰值壓力接近25MPa。要求發(fā)動(dòng)機(jī)能承受更高的氣體力，促進(jìn)采用優(yōu)質(zhì)材料，例如氣缸蓋和氣缸體采用蠕墨鑄鐵材料，以及優(yōu)化所選材料的HCF和LCF耐久性的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有很多措施來(lái)降低摩擦和其他寄生功率損失，可聯(lián)合用于1款發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)或單獨(dú)應(yīng)用，低摩擦氣缸套/活塞涂層和減少氣缸數(shù)量的縮缸強(qiáng)化（從直列6缸到直列4缸）將提供很大優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)6缸機(jī)市場(chǎng)，尋找能接受4缸機(jī)的最終用戶很重要。不過(guò)在汽車市場(chǎng)上具有較高功率密度的縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃料經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)已被大型乘用車和輕型載貨車廣泛接受。這個(gè)趨勢(shì)預(yù)期將向商用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)展。減少氣缸數(shù)量和采用改進(jìn)耐久性的氣缸表面涂層的母體氣缸技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)在尺寸和質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)，可補(bǔ)償為滿足排放法規(guī)限值而增加的后處理系統(tǒng)的空間和質(zhì)量。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的再制造和大修需要更高水平的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。采用的涂層能夠延長(zhǎng)大修期，有利于用戶使用。

采用主軸頸和連桿軸頸直徑相等的獨(dú)特曲軸設(shè)計(jì)能在提供所需剛度的同時(shí)減小摩擦損失。結(jié)合缸孔偏移技術(shù)的應(yīng)用，能夠顯著減小摩擦。

由于改變連桿的可變壓縮比技術(shù)需要改變?cè)O(shè)計(jì)的程度較小，對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用性頗具有優(yōu)勢(shì)，在缸內(nèi)峰值壓力、EGR和NOx排放等限值下提供額外的靈活性。

SOHC氣門(mén)機(jī)構(gòu)的布置與DOHC相比，具有更好的成本效益，而DOHC系統(tǒng)在熱管理及發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后排氣催化劑的起燃時(shí)間方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

上述技術(shù)已在試驗(yàn)環(huán)境下或輕型發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了驗(yàn)證，可應(yīng)用于商用發(fā)動(dòng)機(jī)上，為滿足將來(lái)的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性提供了方案。原文標(biāo)題：好文推薦|商用和工業(yè)用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)