新型6R20和6S10商用車發動機的開發

日本三菱扶桑卡客車公司為滿足於2017年頒佈的JP16排放法規要求，分別開發出了6R20和6S102款新機型。新機型由傳統12.8 L發動機經小型化處理後而獲得，排量從原來的12.8 L分別降至10.7 L及7.7 L，質量相應減少了150 kg與500 kg。通過採用新技術，2款機型的性能得以顯著提升，同時還具有良好的燃油經濟性和環保性能。

0 前言

近年，隨着全球商業化進程加快，大型貨物運輸量也在逐年增加，為此多國政府部門致力於提高大型商用車的運輸效率。由於經濟活動及日常生活所需貨物多通過貨車進行運輸，因此社會各界對於提高貨車燃油經濟性及環保性能的需求也日益強烈。

在該背景下，2017年5月，三菱扶桑卡客車公司為應對2016年頒佈的排放法規，推出了SuperGreat及AeroQueen2款車型。研究人員對原有的12.8 L發動機進行小型化改良後，推出了排量分別為10.7 L及7.7 L的2款機型，並使2款發動機質量分別減少150 kg與500 kg。研究人員通過採用新技術，使2款新機型在具有較高環保性能的基礎上，同時實現了同級別機型中的最高動力性能和最佳燃油經濟性(圖1)。本文介紹了新開發的6R20機型及6S10機型中所採用的新技術。

1 機型介紹

為適應全球化發展進程，發動機基本結構應通過設計優化，從而可與各種車型進行匹配。除滿足歐6及EPA10排放法規外，研究人員還通過日本國內及全球各種環境下的行駛條件對車輛進行評估，從而使車輛獲得了較高的可靠性(圖2)。根據配套用途不同，6R20機型共有4種不同功率的設計方案。6S10機型則針對貨車、拖拉機及城市客車等不同用途，共有2種不同功率的設計方案(圖3)。

2款發動機的主要參數對比如表1所示，發動機性能曲線如圖4所示，發動機性能對比如圖5所示。2台發動機都沿用了原機型的高增壓及高EGR技術理念。6R20發動機通過採用新型噴油系統和新型專用增壓器，成為日本國內大型商用車發動機中平均有效壓力數值最高的機型。另外，該機型通過採用新型EGR系統，取消了廢氣閥，簡化了結構，實現了輕量化，並有效提高了整機可靠性。6S10發動機通過採用兩級渦輪增壓器，同時實現了發動機的快速響應性與工作區域內平穩的扭矩特性，並使升功率指標超過了6R20機型。通過以上措施，使發動機在實現小型化的同時，也有着優越的動力性能。

2 6R20機型採用的新技術

2.1 新型噴油器“第2代X-Pulse”

研究人員可通過改變X-Pulse噴油器的噴油壓力，進而改變噴油過程中的噴油率(圖6)。新型噴油器噴嘴頂端的最高壓力可以達到270 MPa，通過對燃油噴霧的細化處理並縮短燃燒時間，可有效提高燃燒效率。增壓活塞能在每個噴油循環中對增壓率進行精確控制，使其具有優異的瞬態響應性，並可有效改善高負荷工況下的燃燒效率，抑制低空燃比燃燒時的碳煙排放過程。由於減少了噴油器積垢，也改善了噴油器的可靠性和耐久性。

2.2 非對稱渦輪增壓器

非對稱渦輪增壓器的特徵是採用了非對稱渦殼，配合新型專用EGR 系統，可同時實現高增壓和高EGR率。研究人員通過優化渦輪容積，取消廢氣門，並簡化結構的同時，提高了發動機可靠性，並實現了發動機的輕量化目標(圖7)。

2.3 採用新型EGR 系統

該款新型EGR系統可在EGR 閥全開時，將1~3缸的排氣全部迴流至進氣側(圖8)。通過這1功能，同時實現了高增壓與高EGR 率。另外，通過修改EGR閥安裝位置，減少排氣歧管無效容積，可降低壓力損失，並改善其控制性能。

2.4 利用不對稱噴油控制排氣温度

不對稱噴油是通過改變發動機1~3氣缸及4~6氣缸的噴油率，改變泵氣損失，從而控制排氣能量的方法。一般情況下，改變噴油正時延遲時間並採用後噴油等策略都可有效增加排氣能量，但是可能導致油耗增加。研究人員通過採用不對稱噴油方式，可在抑制油耗的同時，進一步增加排氣能量。

圖9給出了針對不對稱噴油現象的控制方法。在發動機的6個氣缸中，減少1~3缸的噴油量，增加4~6缸的噴油量，配合應用新型EGR 閥，可在控制排氣流量且抑制油耗的同時，增加排氣能量。

圖10給出了進行不對稱噴油時的噴油分配比例與相應的排氣温度增加效果，以及在過渡工況下排氣温度增加的效果。不對稱噴油可應用於寬廣的工況範圍內，在過渡運行工況下，也可使排氣温度穩定升高。

2.5 新型後處理裝置

為改善低温工況下NOx的淨化效率，採用了Cu-Fe沸石SCR系統。通過改變DPF塗層，改善了碳煙的連續再生性能。研究人員將後處理系統設計為催化劑與濾清器並存的2個系統，可大幅降低後處理裝置中的壓力損失，同時新採用了不通風的AdBlue噴射裝置。因此，在實現高NOx淨化率的同時，由於降低了排氣阻力，燃油消耗率也得到了較大改善(圖11)。

3 6S10機型採用的新技術

3.1 採用新型共軌系統

6S10機型採用了最大噴油壓力為240 MPa的共軌噴油系統。電磁閥機構可實現最多5次的獨立噴油過程。通過多次噴油，在外界温度極低的情況下，也可在無進氣預熱的情況下順利起動。新開發的燃燒系統，可在大幅改善燃燒效率的同時，降低廢氣排放。

3.2 採用兩級渦輪增壓器

針對該兩級渦輪增壓系統，研究人員通過優化高壓級及低壓級壓氣機設計，取消了高壓級及低壓級之間的中冷器。同時，研究人員在高壓級渦殼中設置了廢氣閥，根據發動機負荷狀態快速控制增壓壓力，使發動機可在廣闊工作範圍內實現穩定運行(圖12)。

3.3 可變氣門正時系統

在日本國內，日本三菱扶桑卡客車公司首次重新在商用柴油機中採用了可變氣門正時系統。通過在排氣凸輪軸上安裝液壓調節器，使氣門最大角度可達到65°。因此，在DPF進行再生處理時，前期催化劑活性氧化時間得以大幅縮短。

3.4 採用結構緊湊的發動機制動系統

研究人員通過採用壓縮釋放制動器，可有效確保車輛的制動要求(圖13)。發動機制動裝置結構緊湊，對進排氣門尺寸及佈置不會產生不良影響，並且降低了發動機總體高度。研究人員通過設計優化，使發動機制動系統能與增壓器廢氣閥及EGR 閥實現反饋聯合控制，從而可向駕駛人員提供穩定而合適的制動力。

3.5 新型後處理裝置

與6R20機型後處理裝置一樣，為提高低温活性，採用了Cu-Fe沸石SCR 系統。為實現該系統的輕量化，研究人員將DPF和SCR合併為同一個系統，並對性能和質量進行了優化(圖14)。

4 結語

本文介紹了可滿足2016年排放法規的2種新機型。相比傳統機型，這2種新機型均採用了小型化技術，並大幅提高了車輛運輸效率，而一系列新技術的應用，不僅提高了車輛環保性能，同時改良了整機動力性與燃油經濟性。根據“2015年重型車燃油經濟性標準”，貨車燃油經濟性提高了10%，城市客車燃油經濟性提高了15%，為顧客提供了大幅降低油耗及税費的便利。

今後,面向全球市場，三菱扶桑卡客車公司還將進一步利用規模優勢，針對日本國內而開發全新對標產品，持續推進車輛及發動機技術的發展進程。

注：本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第4期

作者：[日]松本祐介等

整理：張冬梅

編輯：伍賽特

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。