在歐洲推廣OM47X發(fā)動機平臺4年之后，Daimler公司公開推出了被稱為“最新一代”的排量為12.8L的OM471歐6發(fā)動機的改進版，其技術(shù)特點將逐步推廣到Daimler公司全球產(chǎn)品型譜中的其他排量機型上。分兩部分介紹其改善的產(chǎn)品性能，第1部分主要介紹發(fā)動機設(shè)計的基本思路和結(jié)構(gòu)改進，第2部分將介紹發(fā)動機熱力學(xué)和廢氣后處理。

1優(yōu)化基本方案

OM471柴油機從2011年以來的產(chǎn)量已超過270 000臺，對Daimler公司具有特殊的意義，對其載貨車也起著重要的作用。其進一步開發(fā)的重要任務(wù)是在降低產(chǎn)品復(fù)雜性和成本，以及提高發(fā)動機額定功率和最大扭矩。同時，進一步降低燃油耗和CO2排放。開發(fā)結(jié)果在行駛道路工況下燃油耗降低多達3%。

在進一步開發(fā)中，發(fā)動機的基本尺寸保持不變，重要的設(shè)計特點包括諸如雙頂置凸輪軸、被稱為“X-Pulse”的獨特的共軌噴油系統(tǒng)、工作能力強勁的發(fā)動機制動等。同樣，諸如冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)與不對稱流道分配廢氣的渦輪增壓器也頗具特色。

OM471柴油機的進一步開發(fā)的還包括1種新穎EGR閥結(jié)構(gòu)和工作原理，同時采用了Daimler公司開發(fā)和生產(chǎn)的廢氣渦輪增壓器，以及經(jīng)過改進后提高了噴油壓力和優(yōu)化了細節(jié)的噴油系統(tǒng)等。表1歸納列出了與原機型相比的最重要的數(shù)據(jù)和特點。下面詳細介紹最新一代OM471柴油機具有決定性意義的技術(shù)改進。

2基礎(chǔ)發(fā)動機

最新一代大型載貨車用柴油機通過重新設(shè)計的冷卻方案提高了功率和扭矩。氣缸蓋中冷卻通道的優(yōu)化設(shè)計通過提高冷卻液的流速改善了燃燒室頂板高熱負荷范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)，而冷卻系統(tǒng)總的壓力損失和冷卻液泵的驅(qū)動功率卻保持恒定不變，再加上燃燒優(yōu)化，無論是模擬計算還是試驗結(jié)果均表明，出現(xiàn)的溫度峰值更低，并且整個氣缸蓋上的溫度分布也更為均勻(圖1)。

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3摩擦功率

通過活塞裙部涂層的進一步開發(fā)，并同時將油環(huán)的預(yù)張力減小了30%，活塞組在主要行駛范圍內(nèi)的制動扭矩降低了7%(圖2)。同時，通過降低氣門機構(gòu)對機油的要求，采用高溫粘度(HTHS)值最大2.9 mPa·s，低的機油能進一步降低摩擦功率。與第一代發(fā)動機相比，最新一代柴油機優(yōu)化系統(tǒng)中的機械摩擦總共能降低24%。

4創(chuàng)新的廢氣再循環(huán)閥

廢氣再循環(huán)改進的關(guān)鍵是新型的EGR閥(圖3)，它被集成在排氣歧管的中間部分，將第1和第3氣缸的廢氣在EGR和增壓器渦輪之間進行了分配，從而為發(fā)動機總的空氣管理開辟了廣泛的可能性，有關(guān)這方面的內(nèi)容將在第二部分中進一步詳細探討。

鑒于結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱機械負荷、密封性和裝配等方面的情況，EGR閥新的布置位置意味著對其構(gòu)件提出了更高的要求。借助于計算流體力學(xué)(CFD)、有限元法(FEM)和熱機械疲勞(TMF)分析，在好幾個步驟中對排氣歧管和EGR閥進行了優(yōu)化，以致于至今仍能保留原有的排氣歧管材料。之后，通過在部件試驗臺和發(fā)動機試驗臺架上的試驗已成功證實了對其熱機械壽命的鑒定和驗證(圖4)。

5具有不對稱流道的廢氣渦輪增壓器

2013年，首次將Daimler公司開發(fā)和生產(chǎn)的廢氣渦輪增壓器批量應(yīng)用于底特律生產(chǎn)的用于北美市場的DD15型OM472柴油機上。在生產(chǎn)的120 000臺增壓器并經(jīng)野外使用證實其具有出色的可靠性后，批量應(yīng)用于最新一代的OM471柴油機上，這款廢氣渦輪增壓器現(xiàn)在也在歐洲推廣使用。由于在公司內(nèi)部開發(fā)和生產(chǎn)，廢氣渦輪增壓器的每個部件都與發(fā)動機的運行條件相匹配。此外，由于對系統(tǒng)的了解，發(fā)動機又能調(diào)整得使整個系統(tǒng)更為完善，因而通過這種整體考量，采用創(chuàng)新的EGR閥和增壓調(diào)節(jié)而放棄用于使廢氣繞過渦輪流動的廢氣閥。

為了改善廢氣向EGR的輸送，新的廢氣渦輪增壓器具有不對稱的渦輪流道，與新的EGR閥相結(jié)合，渦輪的2個流道橫截面的不對稱性使廢氣的分配比以往使用的增壓器更為均勻。

廢氣渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸的支承由傳統(tǒng)的雙浮動軸套徑向軸承組成(圖5)，通過轉(zhuǎn)子組件的優(yōu)化平衡，使用低粘度機油也能確保可靠運行。無論是壓氣機還是渦輪的流動路徑都通過各種不同的計算方法針對其效率、特性曲線場寬度和噪聲排放進行了優(yōu)化。為了提高駕駛室的舒適性和降低噪聲排放，壓氣機應(yīng)用了1個噪聲反射器。

6噴油系統(tǒng)

經(jīng)改進的共軌噴油系統(tǒng)的噴油器中有1個噴油壓力倍增器(圖6)，這種噴油系統(tǒng)的第二代也能自由地調(diào)控噴油規(guī)律。其共軌壓力被提高到116 MPa，從而實現(xiàn)了高達270 MPa的最大噴油壓力。上述措施和新的8孔噴油嘴有助于降低燃油耗。

為了保證低負荷時柴油機顆粒捕集器再生，應(yīng)用了1種不對稱的噴油。EGR廢氣通過3個氣缸，并與具有不對稱流道渦輪殼的廢氣渦輪增壓器和新的EGR閥相結(jié)合就能實現(xiàn)這種創(chuàng)新的措施。為了提高廢氣溫度，第1～3氣缸的噴油量被減少，而第4～6氣缸的噴油量增大。在EGR閥調(diào)節(jié)再循環(huán)空氣量期間，由這種不對稱噴油調(diào)節(jié)其品質(zhì)，因而在EGR閥開大位置情況下，在低負荷時3個氣缸就能在準(zhǔn)全負荷下運行。

7降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和減輕質(zhì)量

降低零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是發(fā)動機進一步的開發(fā)目標(biāo)。通過采用新的EGR閥和基于模型的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)采集方法，不僅能取消渦輪側(cè)的廢氣放氣閥，而且還能取消測量EGR率的差壓傳感器，這不僅有助于降低制造成本，而且也能大大降低用戶長期維護和修理費用。

同時，在進一步開發(fā)過程中，通過持續(xù)不斷的控制質(zhì)量，新機型的總質(zhì)量比原機型減輕了約20 kg，從而進一步增加了載貨車的有效載質(zhì)量。

8全球試驗

除了低的燃油耗之外，已經(jīng)證實OM47X柴油機的可靠性是其成功的決定性因素，因此為了確定進一步開發(fā)的范圍，就要分析開發(fā)經(jīng)驗，并將其集成到試驗計劃中去，其中下列因素起著重要的作用：

(1)在開發(fā)遍及全球的OM47X柴油機平臺時重視通用件，因此市場的傳播性很好。

(2)這種發(fā)動機平臺是歐洲、北美和亞洲地區(qū)工程師們國際合作的結(jié)果，共同協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)化的試驗方法和評定標(biāo)準(zhǔn)使得局部地區(qū)取得的經(jīng)驗也可以被全球利用和解釋。

(3)全球各地點之間的定期經(jīng)驗交流可確保試驗和認可標(biāo)準(zhǔn)能不斷地改進和進一步發(fā)展。

因此，為了確保產(chǎn)品的品質(zhì)，將美國和歐洲野外長時間行駛的用戶發(fā)動機回購，并精確地分析各個部件。發(fā)動機的評估按照國際規(guī)定進行系統(tǒng)評定，因而可以將美國、德國或日本的結(jié)果進行比較。

為了確保從第一代到最新一代柴油機的可靠性，特別是確保新零部件及其功能方面，對系統(tǒng)進行總體考察。

試驗按照國內(nèi)外各種不同標(biāo)準(zhǔn)進行，以便盡可能充分利用各自的現(xiàn)有資源，也盡可能考慮到各個局部地區(qū)邊界條件的特殊性。在汽車上的可靠性考核大部分在南非和阿聯(lián)酋的阿布扎比進行，在質(zhì)量高達100 t的汽車和高的外界溫度行駛，而按美國、德國和日本標(biāo)準(zhǔn)則在試驗臺架上進行性能和耐久性試驗。

9結(jié)語和展望

在歐洲實施OM47X發(fā)動機平臺之后4年進行了首次進一步開發(fā)，推出的最新一代OM471柴油機。為柴油機等級樹立了衡量燃油耗的標(biāo)準(zhǔn)，新型燃油耗比與原機型降低了3%，同時成功地將發(fā)動機功率提高到了390 kW，并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，質(zhì)量減輕了20 kg。這種進一步開發(fā)的關(guān)鍵是由Daimler公司自己開發(fā)和享有專利權(quán)的空氣管理技術(shù)，有關(guān)這方面的內(nèi)容還將在第二部分中詳細探討。