一、柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)
轎車(chē)用柴油機(jī)應(yīng)具有質(zhì)量輕、升功率高、低速扭矩大、低排放等特點(diǎn)。廣西玉柴機(jī)器股份有限公司成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的YC4W1.2L小型轎車(chē)柴油機(jī)，并已開(kāi)始裝車(chē)試運(yùn)行和進(jìn)行整車(chē)標(biāo)定試驗(yàn)。YC4W1.2L柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1。
該轎車(chē)柴油機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:
動(dòng)力性強(qiáng)達(dá)國(guó)際同等排量先進(jìn)水平；
低排放執(zhí)行歐Ⅲ、歐Ⅳ廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)；
低油耗同比汽油轎車(chē)節(jié)油30%；機(jī)油燃油消耗比小于0.2%；
低噪聲；
可靠性高按歐洲機(jī)械開(kāi)發(fā)程序進(jìn)行可靠性開(kāi)發(fā)，正常運(yùn)行條件下整機(jī)壽命大于25萬(wàn)km；
配套適應(yīng)性強(qiáng)升功率比高（升功率46kW/L，升扭矩125N·m/L），發(fā)動(dòng)機(jī)在同等功率條件下外形更小，適配性更強(qiáng)。
二、柴油機(jī)輕量化設(shè)計(jì)
整機(jī)主要零部件如氣缸蓋、氣缸體、曲軸箱、油底殼等均選用輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金制造。氣缸體、曲軸箱設(shè)計(jì)為“封閉式殼體”結(jié)構(gòu)，金屬模鑄造，并經(jīng)熱處理，使基體材料疏松度小，且有足夠的硬度和強(qiáng)度。
雙頂置凸輪軸的軸承蓋等同樣選用輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金，連成一個(gè)梯形的整體框架，以增強(qiáng)氣缸蓋的剛度，有助于柴油機(jī)獲得優(yōu)異的NVH性能。由于鋁材料的拉伸疲勞極限強(qiáng)度比灰鑄鐵的低，而且為了滿足缸內(nèi)排放凈化的目標(biāo)，設(shè)計(jì)柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力為17MPa，最高壓力升高率為1.5MPa/（°），所以在整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上面臨很大挑戰(zhàn)。為了增加機(jī)體的強(qiáng)度，將缸蓋螺栓和主軸承螺栓設(shè)計(jì)成一體，即采用貫穿螺栓將氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋緊固在一起（圖1），由鋼質(zhì)的貫穿螺栓承擔(dān)了氣缸爆發(fā)壓力產(chǎn)生的全部機(jī)械負(fù)荷，從而確保缸孔不會(huì)產(chǎn)生臨界拉應(yīng)力，可以使高溫、高壓下的氣缸孔仍具有最佳形狀。這種設(shè)計(jì)克服了現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體尤其是氣缸套承受高的拉應(yīng)力產(chǎn)生變形的問(wèn)題，既增強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體強(qiáng)度和剛度，也減輕了整機(jī)的質(zhì)量。
通過(guò)多功能集成，實(shí)現(xiàn)了輕型結(jié)構(gòu)并減少了結(jié)構(gòu)件數(shù)量。水泵、節(jié)溫器、冷卻水通道及進(jìn)回潤(rùn)滑油通道等均集成在機(jī)體內(nèi)，因此密封面和安裝螺栓的數(shù)目被減至最少。
整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程采用了大量的CAE分析和計(jì)算，確保了零部件設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。圖2、圖3為部分計(jì)算模型及分析結(jié)果。
三、四氣門(mén)技術(shù)
由于小型柴油機(jī)油束分布的特點(diǎn)，除必須有充足的進(jìn)氣量外，還需要較大的渦流比，因此在該柴油機(jī)設(shè)計(jì)中采用了四氣門(mén)技術(shù)，即:雙頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)進(jìn)氣門(mén)和兩個(gè)排氣門(mén)，如圖4所示。各氣門(mén)都垂直布置，使氣缸蓋底面成為平面。
四氣門(mén)結(jié)構(gòu)具有下列優(yōu)點(diǎn):噴油器、活塞上的燃燒室凹坑都布置在氣缸中央，優(yōu)化了進(jìn)氣渦流，使油霧在空間均勻分布，噴油霧化和混合氣的形成區(qū)域得到最大程度優(yōu)化，在提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)減少了NOx排放；進(jìn)氣門(mén)總流通截面面積的增加導(dǎo)致了進(jìn)氣流量的提高；柴油機(jī)的換氣損失減小，進(jìn)氣阻力減小。
同時(shí)采用切向進(jìn)氣系統(tǒng)，其特征是進(jìn)氣門(mén)中心連線和排氣門(mén)中心連線均與曲軸軸線垂直。進(jìn)氣道是兩個(gè)獨(dú)立的切向氣道，使空氣偏心進(jìn)入氣缸產(chǎn)生渦流。兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)氣道使給柴油機(jī)添加一個(gè)氣道關(guān)閉系統(tǒng)成為可能。實(shí)機(jī)研究證明，當(dāng)短氣道關(guān)閉時(shí)，氣門(mén)全開(kāi)的流量系數(shù)大約降低50%；進(jìn)氣渦流比從2.5提高到4。增加渦流比和進(jìn)氣流速的提高，有利于改善柴油機(jī)低速時(shí)的混合氣形成，從而大大改善發(fā)動(dòng)機(jī)中低速性能，為整機(jī)適應(yīng)歐Ⅳ排放要求并進(jìn)一步增加低速扭矩提供了潛力。
四、VNT技術(shù)
通過(guò)調(diào)節(jié)VNT（可變噴嘴環(huán)增壓器）噴嘴環(huán)截面可調(diào)節(jié)進(jìn)入渦輪的氣體狀態(tài)參數(shù)，以使渦輪始終在高效率區(qū)工作，并達(dá)到與發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的最佳匹配（整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況的增壓壓力基本保持恒定）。VNT主要由VNT總成、真空調(diào)節(jié)閥、真空管路等組成。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU直接閉環(huán)控制VNT噴嘴環(huán)的開(kāi)度，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量要求。VNT的潤(rùn)滑和冷卻，由從發(fā)動(dòng)機(jī)上引出的機(jī)油完成。典型的VNT增壓壓力特性如圖5所示。
五、冷卻式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)
冷卻式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EBR）由EGR閥、真空調(diào)節(jié)閥、廢氣冷卻器、廢氣管道、冷卻管路等組成，EGR的開(kāi)度是根據(jù)ECU中標(biāo)定的控制脈譜來(lái)驅(qū)動(dòng)的。實(shí)機(jī)研究表明，采用EGR系統(tǒng)在某一發(fā)動(dòng)機(jī)工況，當(dāng)廢氣再循環(huán)率為15%時(shí)，可以減少50%以上NOx排放，特別是采用改進(jìn)的EGR冷卻器后，可使NOx排放降低80%以上，同時(shí)減少了HC和PM的排放。圖6為EGR率曲線。
六、電控高壓共軌燃油系統(tǒng)
為了滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，必須配置先進(jìn)的燃油噴射系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)比較，YC4W1.2L柴油機(jī)采用了美國(guó)Delphi公司的電控高壓共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壓力時(shí)間計(jì)量原理，通過(guò)一個(gè)容積較大的共軌管，把高壓噴油泵輸出的高壓燃油蓄積起來(lái)，并消除壓力波動(dòng)，再輸送到每個(gè)噴油器上。
該轎車(chē)柴油機(jī)用共軌系統(tǒng)由高壓油泵、共軌管、噴油器、ECU和傳感器等組成，可形成理想的噴油規(guī)律，如預(yù)噴和后噴；油壓建立迅速，在低轉(zhuǎn)速時(shí)可獲得較高的噴油壓力；通過(guò)ECU控制噴油器電磁閥實(shí)現(xiàn)靈活噴油正時(shí)等。
針對(duì)動(dòng)力性能和排放目標(biāo)進(jìn)行了共軌系統(tǒng)的整機(jī)標(biāo)定和整車(chē)標(biāo)定，圖7給出了典型的標(biāo)定結(jié)果。
七、YC4W1.2L柴油機(jī)開(kāi)發(fā)結(jié)果
為了獲得良好的冷起動(dòng)性能，該機(jī)還配置了預(yù)熱塞輔助起動(dòng)系統(tǒng)；為了以后升級(jí)到滿足歐Ⅳ排放，預(yù)留了微粒捕捉器、選擇性還原催化轉(zhuǎn)化器和氧化催化轉(zhuǎn)化器配置功能；采取了降低機(jī)油耗、油氣分離、液壓氣門(mén)間隙調(diào)節(jié)器等技術(shù)。圖8為該機(jī)動(dòng)力性水平曲線。
整機(jī)按照歐洲排放測(cè)試循環(huán)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)的模擬預(yù)測(cè)，所配汽車(chē)的慣性質(zhì)量為1250kg。預(yù)測(cè)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)表明，這輛裝有YC4W1.2L柴油機(jī)的汽車(chē)，排放水平可以達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，并接近歐Ⅳ水平。
所有結(jié)果表明，由于應(yīng)用了多種先進(jìn)技術(shù)，YC4W1.2L柴油機(jī)完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
八、結(jié)束語(yǔ)
在YC4W1.2L小型轎車(chē)柴油機(jī)開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用了輕量化設(shè)計(jì)、四氣門(mén)技術(shù)、VNT、冷卻式EGR系統(tǒng)、高壓共軌燃油系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)。
所開(kāi)發(fā)的YC4W1.2L小型轎車(chē)柴油機(jī)具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能，同時(shí)具有良好的整車(chē)駕駛性。
（轉(zhuǎn)載）
