G M公司开发的新型3.0LD u r a m a x柴油机ʌ意ɔG.B O R E T T O V.V E R D I N O A.V A S S A L L O M.U M I E R S K I摘要:全新的3.0LD u r a m a x直列6缸柴油机是专门为GM公司新的全尺寸系列卡车平台开发设计的,它将用于下一代雪佛兰S i l v e r a d o㊁GM CS i e r r a及其他车型㊂为了确保这种动力系统能与车辆平台最佳地集成,选择了高度集成的全铝柴油机结构,打破了皮卡常用的V形发动机的布置模式㊂在这种情况下,整车布置对发动机的结构长度要求很高,但直列式布置为发动机提供了所必要的性能优势,可满足最低的燃油耗和苛刻的舒适性要求㊂关键词:发动机结构;技术参数;开发设计0前言2018年,包括轻型卡车㊁轿车㊁轻型和中型皮卡㊁运动型多功能车(S U V)及轻型运货车在内的整个汽车市场,北美地区(美国㊁加拿大和墨西哥)的柴油机份额约为4%,与欧洲地区约35%的市场份额相比差距较大[1]㊂在已签订了北美自由贸易协定(N A F T A)的地区,柴油机的需求量达到了70万台㊂因此,尽快开发出新型的现代6缸柴油发动机并投放市场,是GM公司在2014年作出的战略性决策㊂这款发动机主要是针对轻型皮卡和大型S U V的性能㊁工作效率㊁耐久性来设计的㊂本文将介绍GM公司设计该款新型发动机的开发步骤㊂这款发动机除了需要满足更严苛的排放标准法规外,还需要满足北美皮卡用户对燃油耗㊁功率㊁牵引负荷和舒适性等方面更高的期望㊂同时,本文还将介绍该款发动机在热力学㊁力学㊁空气系统及减排技术等方面的主要技术特点㊂1开发目标选择发动机结构型式是开发工作的第一步㊂GM 公司的研究人员对发动机的各种结构型式进行了比较研究,并对优先目标属性的选项进行了全面比较和评价(表1)㊂发动机的直列布置型式相较于V形布置型式在燃油耗㊁功率㊁噪声-振动-平顺性(N V H)和成本(包括3缸和4缸变型机模块化)方面表现出明显的优势㊂缩短发动机的长度是1项挑战,这要求发动机在铸铝气缸体的曲轴箱内必须保持尽可能小的气缸间距,同时又不能损害其可靠性和耐久性㊂因此,研究人员在设计发动机结构时,所选择的峰值压力和压缩比规定值要满足较低的摩擦要求㊂GM公司开发的3.0L D u-r a m a x柴油机的基本参数如表2所示㊂研究人员将确定的新的高效能燃烧过程与经过优化的进气系统相结合,获得了令人信服的功率和扭矩特性曲线(根据S A E J1349标准进行测量)㊂图1示出了目前3.0L皮卡目标市场主要竞争机型的技术指标㊂从数据中可以看到,该款柴油机不仅具有较高的低速扭矩(对挂车的行驶和灵活性很重要),而且在宽广的转速范围内可提供较高的功率输出㊂2燃烧设计新型柴油机的开发核心是其燃烧过程㊂研究人员的开发目标是优化发动机的性能㊁原始排放㊁燃油耗和燃烧噪声,同时实现发动机的最低燃油耗值,并符合美国T i e r3废气排放标准法规的要求㊂研究人员对燃烧过程的基本参数,如行程/缸径比㊁压缩比㊁燃烧室几何结构㊁负荷运动㊁喷射参数等进行了优化(图2)㊂研究人员对发动机进行改进的目标之一,就是使发动机在转速较低,且扭矩和负荷发生突变时,具备实现快速响应的能力,同时依然保有较高的升功率(高达74 k W[2])㊂具有高功率密度的轻型发动机力求采用较低的压缩比,这样将有助于改善废气排放㊂因此,为了满足发动机的额定功率㊁排放和冷起动之间的最佳平衡,研究人员将压缩比的值设定为15.0㊂352021 NO.4汽车与新动力36汽车与新动力表1 直列6缸发动机(R 6)和V 型6缸发动机(V 6)关键标准选项的比较项目性能对比特性气缸布置R 6机型V 6机型气缸夹角/(ʎ)-6090评价舒适性长-+++对于安装长度或综合方面是关键㊂宽+---高--+取决于直列式发动机对横轴的安装角㊂质量净质量++-90ʎ夹角机型需要平衡轴㊂燃油耗摩擦+++-V 6机型为正时传动机构和平衡轴㊂冷却水压力(Δp )损失+--直列式发动机为Δp 最小残余横向流动㊂暖机特性+--V 6机型质量和大的外表面㊂进气和排气系统压力损失+--在外部进气情况下因管路较长,导致损失较大㊂功率空气和废气系统布置++++V 6机型因损失较大,可能较差㊂N V H一阶平衡轴无无有平衡轴噪声++++-二阶惯性力++--曲轴扭转振动---+发动机刚度(弯曲㊁扭转)--+曲轴刚度+---气缸体曲轴箱刚度/曲轴箱隔板++---一阶和二阶惯性力/惯性力矩-++零部件和装配++---虽然V 6结构型式提高了曲轴箱抗弯强度,并降低了曲轴的扭转振动,但是直列式发动机有利于取消平衡轴,其N V H 特性仍有二阶力矩㊂成本机型模块化+---注:++表示出色;+表示好;-表示尚可;--表示差㊂表2 G M 公司的3.0LD u r a m a x 柴油机技术参数项目参数发动机配置直列式6缸发动机,每缸4气门纵向安装,双顶置凸轮轴(D O H C )排量/L2993气缸直径/m m84.0活塞行程/m m 90.0压缩比15.0额定功率/k W205(3500~4000r /m i n)最大扭矩/(N ㊃m )610(1500r /m i n)最高气缸压力/M P a17.0(设计参数为18.0)气缸体曲轴箱带铝制曲轴箱底部的半封闭式气缸体曲轴箱气缸盖双层铝曲轴材质锻钢活塞材质铝正时传动机构两级链传动,机油泵皮带传动冷却系统主动热管理,流量可调机械式水泵润滑系统流量可调式机油泵燃油喷射系统G 4.5S 电磁阀式喷油器;250M P a 高压泵(H P 5D )增压系统滚动轴承可变涡轮废气涡轮增压器废气再循环高压(无冷却系统)/低压(有冷却系统)增压空气冷却系统低温水/增压空气冷却器,电动风扇进气系统无级进气涡流调节废气后处理系统氧化催化转化器(D O C ),选择性催化还原的颗粒捕集器(S C R F ),超滤选择性催化还原(U F -a S C R )系统,氨逸出催化转化器(A S C )发动机质量(满足D I N 70020G Z 标准)/k g212图1 3.0LD u r a m a x 柴油机扭矩和功率特性曲线与目标市场主要竞争机型的比较螺旋进气道产生的涡流比相对较小,其值为1.4,这表示发动机在额定功率时获得了高的进气空气流量㊂为了增加气缸部分负荷区域内空气的涡流运动,研究人员应用了涡流控制阀板(V S A ),可在必要时将涡流比提高到2.5㊂燃烧室的几何结构对确定燃烧系统总体性能起到了重要作用㊂研究人员在对单缸机和多缸机进行试验和优化前,通过详细的三维计算流体动力学(3D -C F D )软件模拟分析了各种设计方案,最终选择了1种空气利用效果特别出色的设计方案[3]㊂该柴油机选用了9孔喷油器,其每30s 的流量为372021 NO.4汽车与新动力图2 开发燃烧过程的模拟方法,具有专门开发的活塞顶燃烧室凹坑的高强度活塞剖视图;带有V S A 的进气系统的气道和流通示意图0.38L ,喷雾锥角为155ʎ,喷油嘴凸出气缸盖火力面为2.0m m ㊂这种喷油器设计已被证实了可在部分负荷和全负荷情况下满足所有指标(如炭烟㊁碳氢(H C )㊁C O ㊁有效燃油耗)㊂这种喷油嘴方案因其喷孔的直径仅为0.116m m ,发动机即使在高功率运转下也能满足皮卡用户所期望的燃烧抗结焦性能的要求㊂3 润滑和主动热管理机油循环回路的设计要求确保最佳冷却和润滑效果,同时有利于减小发动机的机械摩擦㊂为此,研究人员在机油循环回路中配备了供油量可变的机油泵(c V D O P ),并由1个电磁阀根据特性曲线场需求来控制其机油的供油量㊂该柴油机配备了主动热管理系统(A T M ),发动机能在所有的运行工况下快速达到燃油耗的最佳运行温度㊂为降低热损失和机油粘度,发动机要保持尽可能高的燃烧室温度㊂气缸体与气缸盖之间的冷却液循环回路是分开的,由机械式冷却液泵供应的冷却液流量借助集成在发动机出口的冷却液控制模块(M R V )按需分配到每个部件㊂冷却液通过集成在铸件中的通道进入循环回路,并经分配装置控制流入气缸盖和气缸体的流量㊂冷却液循环回路在气缸盖和气缸体内的流动方向是横向交错的,因此气缸体冷端的另1个通道收集了冷却液并将其引导回冷却液控制阀(图3)㊂图3 带有旋转阀的冷却液循环回路和M R V4 增压和废气再循环空气系统开发的主要目标是在保持高额定功率和高E G R 兼容性的同时实现高起动转速㊂盖瑞特(G a r -r e t t )公司提供的可变几何截面涡轮增压器(V T G )是电动控制的,并具有滚动轴承减摩技术,可在瞬态和冷机运行时实现快速响应㊂为了获得可靠的耐久性和使用寿命,该涡轮增压器采用了冷却液冷却,即使在最严苛的行驶循环也能安全可靠地运行㊂在优化N V H 性能方面,研究人员一方面对发动机进行了精确平衡,另一方面在冷凝器和出口处使用了谐振器㊂为了在所有发动机工况下都能最佳地利用E G R ,研究人员为E G R 系统设置了高压(H P )和低压(L P )管路㊂冷却液冷却的紧凑型E G R 阀控制高压系统,主要用于发动机的加热阶段和排放后处理(图4)㊂5 废气后处理废气后处理系统基于1种新的结构进行开发,集成了各种专门开发的部件[4-5]㊂1个靠近发动机安装的382021 NO.4汽车与新动力图4 高压E G R 和低压E G R 管路图D O C 可用于氧化H C ,并将氮氧化物(N O x )转化为更容易降低后续脱硝系统排放量的形式,然后沿着新建的混合器管路进行稀释并与还原剂(D E F )混合(图5)㊂研究人员首次将S C R F 应用于GM 公司的柴油机㊂研究人员将这2种功能集中在紧凑型部件内,减少了废气后处理部件的数量,并允许系统具有较低的反压力㊂第2层S C R 系统使得N O x 转换的总效率最大化,特别是在高负荷工况条件下㊂研究人员在S C R系统后布置了1个A S C ,以减少可能出现的氨排放㊂美国对车载诊断的要求是非常严苛的,为满足这样的要求,汽车制造商需要承担高额成本㊂排气传感器的数量说明了任务的复杂性:总共使用了4个温度传感器㊁3个N O x 传感器㊁1个压差传感器和1个颗粒物(P M )传感器(图5(a ))㊂6 摩擦和燃油耗严苛的燃油耗值要求研究人员在开发热力学和发动机机械结构时,需要进一步优化旋转和往复运动部件的尺寸㊂这些优化后的部件与电控辅助设备(如无级可变机油泵㊁可开关的冷却活塞机油喷嘴和冷却液调节阀)一起运行,可实现极低的发动机摩擦㊂值得注意的是,这种极低的摩擦使发动机同时实现了高升功率㊁大扭矩及高可靠性㊂图6示出了目前轿车和轻型载货车平均摩擦压力的分散带㊂由于热力学效率和机械效率很高,发动机获得了极其扁平的燃油耗特性曲线场(图7)㊂美国认证的城市循环(F T P -75)㊁高速公路循环(HWY )及高速高加速度工作循环(U S 06)中的大多数运行工况点处于最佳有效燃油耗10%的范围内㊂在具有代表性的图5 废气后处理系统的剖视图及废气后处理的传感器示意图低负荷运行工况点(转速为2000r /m i n ,平均有效压力p m e 为0.2M P a )时,3.0L D u r a m a x 柴油机的燃油耗为256g /(k W ㊃h ),明显低于竞争机型的燃油耗值(图8)㊂图9示出了历年来柴油机在轻负荷范围内的效率数据㊂尽管重点市场中的汽车尾管N O x 排放限值逐年下调,但因柴油机技术的进步,其效率也得到了明显改善㊂图9示出了在转速为2000r /m i n ㊁平均有效压力p m e 为0.2M P a 运行工况下发动机的效率,以及柴油机在新欧洲行驶循环(N E D C )下的N O x 历年排放数据㊂图中显示了降低摩擦和优化燃烧的结果,这也导致了实际行驶中的燃油耗显著提高㊂7 N V H 特性开发团队从一系列结构型式中识别出N V H 特性的方案,并将其作为首选方案进行研究㊂与V 6发动机相比,直列式6缸发动机的次级惯性力是完全平衡的,主要归功于曲柄臂曲轴转角在上止点后120ʎC A 的功率切换㊂即使没有平衡轴运转,发动机运行起来也非常平稳,并且在质量㊁效率和成本方面更具优势㊂此外,高压缩多孔性塑料隔噪装置可以确保气门驱动装置和喷油器的最佳封装㊂由于气缸盖完全绝缘,这也大大降低了噪声的传递(发动机侧面上部麦克风测量392021 NO.4汽车与新动力图6 平均摩擦压力与发动机转速及排量的关系图7 标准化燃油耗特性曲线场声压级降低了2.5d B )㊂为优化空气管路的声学性能,研究人员除了采用低压和高压谐振器(在三阶倍频带㊁频率为2500H z 时,降低的噪声为12d B )外,在紧凑的轻型进气歧管处还采用了1个整体式泡沫进行隔噪(部分负荷时降低的噪声为1.5d B )㊂此外,研究人员还选用了全部加罩封装的排气系统,以减少噪声的广图8 转速为2000r /m i n,平均有效压力p m e为0.2M P a 运行工况下的燃油耗图9 发动机的最高效率及在转速为2000r /m i n,平均有效压力p m e 为0.2M P a 运行工况下的效率;柴油机在N E D C 工况下的历年N O x 排放数据泛辐射,并改善发动机的噪声品质㊂最后,研究人员对燃烧噪声本身进行了优化,从而实现废气排放与燃油耗的均衡折中㊂直列式6缸发动机固有的优点与上述所采取的优化方案相结合,使发动机实现了优异的声学特性(图10)㊂8 汽车行驶试验结果研究人员开发的该款新型发动机的运行方式包括2种不同模式㊂燃烧运行模式在80%的运行工况条件均适用,而加热运行模式则适用于颗粒捕集器再生㊁柔和暖机和强烈暖机2个等级的预热废气后处理系统㊂这2种模式之间的切换逻辑经过了全面优化,可以最大限度地提高废气净化系统在所有驾驶环境下的转换效率,并为用户带来低燃油耗㊁高舒适度的直接利益㊂为了实现燃油耗㊁N V H 和废气排放目标,研究人402021 NO.4汽车与新动力图10 3.0LD u r a m a x 柴油机4侧机械噪声及主要噪声处理部件员采用了新颖的统计学方法和整体试验设计(D O E )模型进行优化,将燃油耗㊁排放和燃烧噪声的D O E 模型的输入量作为喷射过程㊁主喷射始点㊁油轨压力等喷射参数和增压压力㊁E G R 率等气道参数㊂①为了符合本行业计量习惯,本文仍沿用部分非法定单位 编注㊂发动机的低噪声排放可使车辆在市郊交通行驶中的S C R F 再生间隔达到500m i l e①㊂在所有行驶和环境条件下,D P F 的再生是通过多次后喷射进行的,每个循环多达9次喷射,这在发动机标定时要进行优化㊂发动机在标定期间优化的低机油稀释率㊁低粗糙度及高再生效率,使得实现高油回收时间成为可能,达到用户期望的实际标准(7500m i l e )㊂研究人员应用了1种精确设定的排气后处理系统预热策略,几乎独立于发动机的运行状况来提高后处理系统的温度,并保持在最佳的温度范围内,使汽车尾管排放降低到最低程度㊂在冷起动后,发动机采用强暖机燃烧模式,通过多次后喷射,很快达到D O C 起燃温度,然后启用柔和暖机方式保持最佳的S C R 系统温度范围㊂发动机通过强烈暖机方式的快速放热与灵活的A T M 方案相结合,即使在极端环境条件下也能满足对车内采暖设备的舒适性要求㊂图11示出了采取这样的策略在F T P -75行驶循环中所达到的效果,从中可以非常清晰地看出A T M 的工作能力㊂A T M 在每1种运行条件下都能迅速和精确地控制发动机的暖机过程,并使温度稳定在最佳水平,这对于废气后处理系统同样如此㊂在发动机冷起动后约180s ,H C 和N O x 的转化率就已达到了100%㊂A T M 和废气后处理系统的高效能,可使燃烧过程获得最佳的重心位置(M F B 5)㊂该位置在上止点后8ʎC A 过程㊂图11 F T P -75行驶循环中发动机和排放参数的选择9 结语GM 公司推出的新型3.0LD u r a m a x 柴油发动机机是1款专为新一代皮卡设计的高度现代化的动力装412021 NO.4汽车与新动力置㊂该款发动机集动力性能㊁驾驶乐趣㊁极低的实际排放及未来对燃油耗的高要求于一体㊂参 考 文 献[1]I H SV P a Cv e h i c l e sU S 2019H 1D a t a b a s e [D B ].I H SM a r k i tA u t o i n -s i gh t ,2019.[2]P E S C E F C ,V A S S A L L O A ,B E A T R I C E C ,e ta l .E x c e e d i n g 100k W /lm i l e s t o n e :t h en e x ts t e p t o w a r d sd e f i n i n g h i g h -pe rf o r m a n c e d i e s e l e ng i n e s [C ].25t hA a c h e n e rK o l l o q u i u m F a h r z e u g-u n d M o -t o r e n t e c h n i k ,A a c h e n ,2016.[3]W I C KMA N D ,D I WA K A RR ,C H A N G ,S .L o we m i s s i o n d i e s e l p i s -t o n [P ].U S7389764,2008.[4]D E P P E N K E M P E R K ,E H R L Y M ,S C H O E N E N M ,e t a l .S u p e ru l -t r a -l o w N O x e m i s s i o n su n d e r e x t e n d e dR D Ec o n d i t i o n s -e v a l u a t i o no f l i g h t -o f f s t r a t e g i e s o f a d v a n c e d d i e s e l e x h a u s t a f t e r t r e a t m e n t s y s t e m s [C ].S A EP a pe r 2019-01-0742.[5]M E R C U R I D ,P O Z Z I C ,N A T ÌG ,e t a l .M u l t i -af t e r i n j e c t i o n s t r a t eg y t oo p t i m i z ee xh a u s t g a s e st e m p e r a t u r ea n dc o m b u s ti o ns t a b i l i t y in d i e s e le n g i n e [C ].24t hA a c h e n e r K o l l o q u i u m F a h r z e u g-u n d M o -t o r e n t e c h n i k ,A a c h e n ,2014.范明强 译自 MT Z ,2021,82(1) 吴 玲 编辑(收稿时间:2021-01-12)。
