国Ⅳ排放重型车用P型柴油机的开发

赵华

（上海日野发动机有限公司，上海201401）

国Ⅳ排放重型车用P型柴油机的开发

赵华

（上海日野发动机有限公司，上海201401）

为了满足国Ⅳ和以后更高排放法规的要求，在现已批量生产的国Ⅲ排放重型车用A型柴油机的基础上，对气缸盖、活塞、燃油喷射系统、润滑系统和涡轮增压器进行了优化改进，同时增加了SCR后处理系统，研制开发出了可满足国Ⅳ排放法规的重型车用P型柴油机。试验结果表明，该柴油机的电控高压共轨系统和SCR后处理系统具有较好的应用适应性，满足国Ⅳ排放法规。

柴油机SCR系统国Ⅳ排放开发

1 前言

随着国Ⅳ排放法规的全面实施，国内各主要柴油机制造商也都积极应对。从国Ⅱ升级到国Ⅲ，只需对柴油机采用机内净化技术即可达到国Ⅲ排放要求，如采取单体泵、泵喷嘴、电控高压共轨和增压中冷等技术；但是从国Ⅲ升级到国Ⅳ，除了机内净化技术外，还必须采取机外净化技术。

从机外净化的角度看，由于柴油机国Ⅳ阶段面临的首要问题是同时降低NOx和PM排放，主要技术路线有两条：（1）改变柴油机控制策略，以增大NOx的原始排放为代价，降低PM原始排放，然后采用SCR后处理系统处理掉过多的NOx，从而达到排放法规标准；（2）采用EGR技术，控制燃烧温度和含氧量，以增大PM的原始排放为代价，降低NOx原始排放，然后采用DOC、POC和DPF后处理装置中的一种或某两种组合，处理掉过多的PM，从而达到排放法规标准。

2 开发目标和总体布置

国Ⅳ柴油的含硫量上限是50 mg/kg，而现阶段在我国还很难实现国Ⅳ柴油的全国供应，采用EGR技术的柴油机，含硫量较高的废气再循环会加剧腐蚀气缸及相关零部件，并且硫被DOC和POC氧化形成的SOF本身就是柴油机排放污染物PM的重要组成部分；而且装备EGR系统柴油机的整车比SCR系统柴油机的整车油耗高5%左右。考虑以后国Ⅴ和更高排放法规的实施，采用EGR的柴油机升级难度较大，而SCR后处理系统对燃油中的含硫量不敏感，后续再升级难度小，燃油经济性足以弥补增加的尿素溶液的成本。考虑到上述2个因素，我公司采用了SCR后处理路线，在目前已经批量生产、国Ⅲ排放A型柴油机的平台上，不改变现行的生产工艺和主要零部件，仅对发动机本体做出局部更改，增加SCR后处理系统，研制开发出排放可达国Ⅳ法规的重型车用P型柴油机。既满足了国家排放法规的要求，为企业增加了效益，又为国家国民经济协调发展和环境保护做出了积极的贡献。

A型和P型柴油机的主要技术指标及P型柴油机的开发目标见表1。

表1 A型和P型柴油机的主要技术指标

国Ⅳ排放P型柴油机是以现在已批量生产的国Ⅲ排放A型柴油机为基础，仅对发动机本体做出局部更改，增加SCR后处理系统等开发而成。发动机外围零部件和整车的搭载不做较大调整，以便整车和升级后的P型柴油机搭载尽可能地与A型柴油机通用，实现整车满足国Ⅳ排放法规；同时可缩短研制周期，降低生产成本。电控单元（DCU）安装在车辆上，也可安装在发动机本体上。P型国Ⅳ排放柴油机的总体布置如图1所示。

图1 P型柴油机外形图

3 零部件设计开发

3.1 气缸盖

降低气缸盖进气道的涡流比，这样可使预混合气更加均匀稀薄，可降低燃烧温度，从而降低排放物中的NOx；同时由于气缸内混合气均匀，无局部过浓混合气，可使PM排放有所降低。

3.2 活塞

重新设计活塞，压缩比由17降低到16，更改燃烧室形状，使燃烧室凹坑内产生较大涡流，减少涡流死区，有利于降低PM。

3.3 燃油喷射系统

应对国Ⅳ排放法规对高压燃油泵提出了更高的要求，燃油喷射压力由现在的160 MPa提高到180 MPa。采用高轨压和小孔径喷嘴，在爆压限值条件下调整喷油定时。喷油器高速电磁阀执行机构改为压电陶瓷执行器，以减小执行器响应时间，可实现缸内多次喷射，优化缸内燃烧。

3.4 润滑系统

柴油机尾气排放中的PM除了燃油燃烧产生以外，机油产生的PM也占相当部分。窜入燃烧室中不完全燃烧的机油随尾气排出，是形成柴油机排放冒蓝烟的重要组成部分。为了防止和减少机油窜入燃烧室，通过改进润滑油系统设计、减少活塞裙部间隙、优化活塞、活塞环和气缸表面的设计、提高气缸套圆度、改进气门杆部密封性能等措施，来减少机油窜入燃烧室。

3.5 涡轮增压器

更改增压器，增大空气供给量，提高气缸内平均有效压力、过量空气系数和整个循环的平均温度；从而改善了发动机碳烟排放和燃油消耗率，可使柴油机颗粒状物质的排放量降低10%左右，并减少了CO和HC的排放。

3.6 SCR后处理系统

SCR后处理系统由催化消声器、喷嘴、计量喷射泵、尿素罐、电控单元及相应管路和线束组成，如图2所示。催化消声器内装有SCR催化器芯子和消声管路，主要作用是催化氮氧化物的还原反应，防止氨气泄漏和降低发动机的排气噪声。喷嘴作用是将计量喷射泵送来的尿素溶液和空气混合物顺流喷入排气管，并使喷出的尿素水溶液均匀雾化。计量喷射泵作用是将尿素溶液按照需求量送到喷嘴，然后喷入排气管。尿素罐主要用于盛装尿素，安装有液位传感器和温度传感器，可感应尿素液面高度和温度。电控单元（DCU）控制整个后处理系统的工作，包括传感器信号的处理，尿素溶液喷射量的计算和各种执行器的控制；并通过CAN总线与发动机ECU通讯，获取发动机运行参数；根据催化器的温度信号，计算出尿素溶液喷射量，控制喷嘴喷射适量的尿素溶液到发动机排气管中。

图2 SCR系统的构成

图3是电控单元（DCU）外观，安装布置时要考虑周围温度、振动条件需要达到要求，而且需要防水。

4 P型国Ⅳ柴油机性能试验

4.1 动力性和经济性

从图4的柴油机外特性试验曲线可以看到，P型柴油机标定功率可以达到259 kW，最大扭矩可达到1 488 N·m，标定工况1 900 r/min时的燃油消耗率小于215 g/(kW·h)。各项性能指标完全符合当初的设计值。

随机选择了4台样机，在试验台架上进行外特性试验。整个试验台架、环境状况和试验工况均相同，具有可比性。测定了样机的功率、扭矩、燃油消耗率等参数。4台样机的试验结果完全符合图4外特性曲线，偏差都在设计允许值内。

图3 电控单元（DCU）外形图

图4 国Ⅳ排放P型柴油机外特性曲线

4.2 发动机排放

在天津汽车检测中心对P型柴油机进行了ESC和ETC排放认证检测试验，试验结果如表2和表3所示。由表2和表3可见，开发结果完全满足国Ⅳ排放法规（GB 17691－2005）。

4.3 整机可靠性试验

随机选择了2台国Ⅳ排放P型柴油机样机，按照企业标准，进行了1 500 h发动机可靠性试验，试验内容如表4所示。试验结果表明，P型柴油机主要零部件和独立总成经受住了严格而苛刻的可靠性考核，可靠性满足设计要求。

表2 P型柴油机ESC排放试验结果

表3 P型柴油机ETC排放试验结果

表4 可靠性试验内容

国Ⅳ排放P型柴油机所有重要主部件都经过FMEA分析。悬置的零部件及管路都布置有支撑。燃油管路和机油管路的支撑具有减小振动和避免磨损的功能，并进行了整机的应力试验。整机应力试验图如图5所示。

图5 整机应力试验图

4.4 发动机搭载整车后的“三高”试验

4.4.1 高寒试验

P型柴油机搭载在广汽日野12 m客车上。车辆按照额定载荷满载，在黑龙江黑河地区进行低温试验。试验环境的最低温度为-36.5℃，主要考察后处理系统解冻功能及发动机和整车匹配后在低温条件下能否正常工作。试验结果表明尿素箱和尿素供给单元可以成功解冻，后处理系统工作正常，整车可在高寒地区持续正常工作。

4.4.2 高温试验

P型柴油机搭载在三一重工的一辆12 m3水泥搅拌车上。车辆按照额定载荷满载，在海南三亚五指山进行高温试验。试验环境的最高温度为42℃，主要考察高温条件下后处理系统能否正常工作，性能能否满足设计要求。试验结果表明发动机及后处理系统能够在高热地区正常工作。

4.4.3 高原试验

P型柴油机搭载在三一重工的一辆12 m3水泥搅拌车上。车辆按照额定载荷满载，在云南香格里拉进行高原试验。试验车中最高海拔为4 600 m，主要考察高海拔条件下发动机及后处理系统的功能是否正常，发动机各项指标是否满足设计要求。试验结果表明发动机及后处理系统能在高海拔条件下正常工作。

5 结论

在已批量生产的国Ⅲ排放重型车用A型柴油机的基础上，不需要做太大的改动就可以成功研制出国Ⅳ排放重型车用P型柴油机；且高压共轨系统和SCR后处理系统具有良好的应用适应性。柴油机零部件不需要做大的改动，便可以实现共线生产。既节约了设备投资，加快了研制周期，又为快速推向市场，为实现批量化奠定了基础。

发动机经过性能试验、排放试验、可靠性试验以及发动机搭载整车后的“三高”试验。试验结果表明，国Ⅳ排放重型车用P型柴油机达到了预定的设计目标，满足国Ⅳ排放法规要求；动力性和经济性满足设计要求；排气烟度较低，耐久试验后性能稳定可靠，后处理系统性能稳定。

随着我国排放法规日趋严格，国Ⅳ重型车用P型柴油机的应用将更加宽广，可以升级满足更高排放法规的要求。既为公司产品技术升级储备奠定了基础，又为国家节能减排和促进国民经济持续协调健康快速发展做出应有的贡献。

Development of ChinaⅠⅤHeavy-DutyⅤehicle Diesel Engine of Model P

Zhao Hua
（Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China）

To meet the requirements of ChinaⅠⅤand higher emission legislation in the future,ChinaⅠⅤheave-duty vehicle diesel engine of model P has been developed based on ChinaⅠⅠⅠcompliant heave-duty vehicle diesel engine of model A produced on volume basis by optimizing cylinder head,piston,fuel injection system,lubrication system and turbocharger,and adding SCR system.The development result shows that the electronically controlled common rail system and SCR system have good suitability in application and improve the performance of the new engine,making it meet the China-ⅠⅤemission legislation.

diesel engine,SCR system,ChinaⅠⅤemission,development

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.001

来稿日期：2013-12-12

赵华（1975-），男，工程师，主要研究方向为发动机设计与试验。