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[发动机] 现代商用车发动机发展趋势

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发表于 2020-4-3 08:53:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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现代商用车发动机发展趋势

【中】 陈伟建 金 涛 谢忠红 李朝乐 卢雪冰 李 冀
摘要:日益严格的排放法规对发动机技术提出了日益严峻的挑战,也是推动发动机技术革新的重要驱动力。首先分析了欧洲商用车市场的特点,聚焦于牵引车市场动力发展现状,并针对主流市场整机厂的发动机逐一进行分析,然后进行横向和纵向分析,最终总结了商用车发动机的发展趋势,为国内发动机发展提供了借鉴。
关键词:重型柴油机 欧6 经济性 可靠性 发展趋势

欧洲商用车市场是全球最成熟的商用车市场之一,也是商用车制造技术最顶尖的地区之一,欧洲商用车动力代表了行业的发展趋势。日益严格的排放法规对柴油机排放技术提出了日益严峻的挑战,也是推动发动机技术革新的重要驱动力(表1)。
表1 欧洲商用车发动机排放法规执行表
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欧洲于2013年开始欧6a/b排放标准,2017年开始执行欧6c标准。为了应对排放升级及满足用户对较高燃油经济性的要求,欧洲各大汽车制造商(OEM)均对发动机进行了欧6排放的升级开发,以适应排放法规和市场的需求。

本文首先对欧洲商用车市场的格局进行了分析,然后重点分析了关键市场的发动机发展特点,总结了欧洲重型发动机的发展特点和趋势,为我国重型柴油机的发展提供思路。


1 市场数据分析

欧洲的商用车市场正在逐渐转变为以牵引车为主,载货车为辅的市场格局。其中牵引车增幅明显,2005到2014年期间增幅达到了23%,每年增加2%~3%。载货车发展趋势正好相反,2005到2014年期间跌幅达到了35%,每年跌幅约2%~3%(图1)。

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图1 欧盟国家近10年商用车市场分布

[size=1em]欧洲的牵引车市场增幅明显,而且还有进一步增加的趋势,欧洲的牵引车以柴油机为主,柴油机占据了97%以上的市场份额,以下将重点讨论牵引车车用动力及对其车用柴油机平台数据的分析。

[size=1em]欧洲牵引车市场主要有SCANIA和MAN、DAF 和IVECO等品牌,它们占据了近99%的市场份额(图2),后续将重点分析汽车制造厂家的柴油机动力特点。由于VOLVO在欧洲并没有投放欧6c阶段柴油机,故不列入分析。

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图2 欧洲牵引车市场占有率分析

[size=1em]欧洲的牵引车车用发动机排量以11.0 L和13.0 L为主,其中11.0 L的市场占有率下降明显,2005年到2014年下降了近50%,平均每年下降4%~5%。13.0 L柴油机的市场占有率上升明显,2005年到2014年上升了80%,平均每年上升7%~8%(图3)。

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图3 欧洲近10年牵引车动力排量分布

2 竞品数据分析
2.1 Daimler

[size=1em]Daimler的重型柴油机有3款机型,分别是OM470(11.0 L)、OM471(13.0 L)和OM473(16.0 L)。这三款发动机均采用高爆压技术设计,工作爆压达到23 MPa,其技术规格如下(表2)。

表2 Daimler OM471发动机分析
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Daimler全系列第一代和第二代发动机均采用非对称增压、冷却废气再循环(EGR)和高喷射压力(270 MPa)的技术路线,结合柴油机后处理方案的氧化催化器+柴油机颗粒捕集器+选择性催化还原(DOC+DPF+SCR)技术满足欧6排放法规。

在排放技术方面,相比于第一代,发动机氮氧化物(NOx)原始排放有所上升,NOx排放量有所上升,对应的额定工况点EGR率有所下降。尿素消耗有所上升,综合油耗改善达2.5%。

在节油技术上,其最高热效率处于全球领先水平,采用的双卷流燃烧技术充分发挥了270 MPa高喷射压力的技术优势,既节能又降低了颗粒物的排放,使得DPF的保养里程达到了88万km。使用高压缩比技术、采用了更加高效的非对称增压技术,以及改进的EGR通道,降低了流动损失。缸内的工作爆压进一步升高,达到23~24 MPa,是经济性改善的主要原因。采用了减摩涂层,进一步改善了摩擦功,另外改进的机油泵进一步减少了附件消耗。

在动力性技术上,在转速900 r/min时基本达到了95%的峰值扭矩,完全体现了低速扭矩特点,配合2.6的速比,从而进一步降低了整车的油耗。在轻量化方面,采用材料为46MnVS6的连杆进一步降低了自身质量,同时减小了减振器的直径,优化了轴系设计,实现了减重并能够保持较好的可靠性。

2.2 SCANIA

SCANIA的重型柴油机有3款机型,分别是DC9(9.0 L)、DC13(13.0 L)、DC16(16.0 L),其技术规格见表3。

表3 SCANIA DC13发动机技术规格
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为了满足排放要求,第二代欧6 SCANIA机型重点突破了排气后处理技术。SCANIA DC9和DC13机型的技术路线由冷却EGR全面转为纯SCR技术。在节油技术上,为进一步改善油耗,首次使用了米勒循环技术,由于采用的固定米勒循环技术,导致动力性有所下降,13.0 L发动机只有在276 kW的动力规格上应用该技术。

在动力性技术上,在转速1 000 r/min时基本达到峰值扭矩,完全体现了低速扭矩特点,配合小速比,能够进一步降低整车的油耗。由于不采用EGR技术,使得发动机颗粒原始排放有所改善,DPF保养里程明显上升。

2.3 MAN

MAN的重型柴油机有3款机型,分别是D20(11.0 L)、D26(13.0 L)和D38(16.0 L)。这三款发动机均采用了高爆压设计,工作爆压达到22~24 MPa,其技术规格见表4,表5。

表4 MAN D26发动机技术规格
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表5 MAN D38发动机技术规格
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MAN全面采用了冷却EGR、两级增压、高喷射压力(250 MPa)和DOC+DPF+SCR。第二代欧6 EGR率有所下降,由30%降为25%,有利于改善颗粒物排放,并且提升了DPF保养里程。在节油技术上,采用双卷流燃烧技术,充分发挥了高喷射压力(250 MPa)的技术优势,既节能又降低了排放,另外采用了高压缩比技术,以及更加高效的两级增压技术,以适应高增压和高EGR率的需求。缸内的工作压力进一步升高,达到了22~24 MPa,这是经济性改善的主要原因。采用了减摩涂层,进一步改善了摩擦功,通过电控离合器空压机进一步减少了附件消耗。

在动力性技术上,在转速为930 r/min时达到了峰值扭矩,完全体现了低速大扭矩的特点,配合2.5小速比,进一步降低了整车的油耗。

在轻量化方面,采用蠕铁缸体和缸盖,在质量减小的同时又提升了可靠性。在可靠性上 ,缸盖使用了“TOPDOWN”冷却技术、弧形气阀技术、双冷却通道活塞技术等,保证了柴油机可以达到较高的寿命。在发动机制动方面,出现了新的发展趋势,一种配备替代缓速器的制动方式已经出现,MAN D38机型采用了增压器制动技术,制动升功率可以达到40 kW。

2.4 PACCAR

PACCAR的重型柴油机有两款机型,分别是MX11(11.0 L)和MX13(13.0 L)。这两款发动机跟其他介绍的发动机一样均采用高爆压设计,工作爆压达到22~24 MPa,其技术规格见表6。

表6 DAF MX11发动机技术规格
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PACCAR采取的技术路线依然是冷却EGR、可变几何涡轮增压器(VGT)、高喷射压力(250 MPa)、DOC+DPF+SCR。第二代欧6机型EGR率有所下降,改善了颗粒物排放,提升了DPF保养里程。

另外,该机型采用双卷流燃烧技术,既实现了节能又降低了排放。使用了高压缩比技术,以及更加高效的VGT技术,以适应高增压和高EGR率的需求。缸内的工作爆压进一步升高,是经济性改善的主要原因。

在动力性技术上,在转速1 000 r/min时达到了峰值扭矩,完全体现了低速大扭矩特点,配合小速比,进一步降低整车的油耗。采用蠕铁缸体和缸盖以实现轻量化需求,既减重又提升了可靠性。缸盖同样使用了“TOPDOWN”冷却技术,保证了柴油机较高的使用寿命。

2.5 IVECO

IVECO的重型柴油机有3款机型,分别是CURSOR9(9.0 L)、CURSOR11(11.0 L)和CURSOR13 (13.0 L),其技术规格如表7。

表7 IVECO CURSOR13发动机技术规格
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[size=1em]IVECO采用了两种技术路线来满足排放要求,第一种路线采用了低压冷却EGR(10%)、VGT、高喷射压力(220 MPa)、DOC+DPF+SCR,第二种采用纯SCR技术,这两种路线被用于不同的车辆用途。由于使用低压冷却EGR技术,颗粒物排放并没有明显恶化,依然保持较好的DPF保养里程。

[size=1em]与前面几款发动机一样,为达到节油目标,采用了双卷流燃烧技术,充分发挥了220 MPa高喷射压力的技术优势,既节能又降低了排放。采用了更加高效的VGT技术,以适应高增压和高EGR率的需求。缸内的工作爆压进一步升高,对经济性改善起到了关键作用。在动力性技术上,转速1 000 r/min时达到了峰值扭矩,完全体现了发动机的低速扭矩特点,配合小速比,进一步降低整车的油耗。缸盖使用了燃油直喷(CGI)发动机技术,保障了柴油机能够达到较高的寿命。

[size=1em]在发动机制动方面,出现了新的发展趋势,一种替代缓速器的制动技术已经出现,IVECO公司的全系列发动机采用的超级制动技术,可以达到40 kW/L的制动效率,在行车安全性能上,具有显著的优势。

2.6 总体分析

2.6.1 技术路线分析

欧洲第二代欧6技术路线较第一代技术路线相比,仍以EGR路线为主。SCANIA全平台转向了纯SCR路线。为了弥补经济性损失,首次采用了米勒循环燃烧技术。IVECO由纯SCR技术路线转向双路线,供不同用户选择使用。其中增加了10%的EGR率可以适度降低排放,重点改善燃油经济性。EGR路线仍然占主导地位,低EGR率(<20%)成为了第二代欧6机型主流。

2.6.2 总体特征分析

主流发动机工作爆压正在朝着更高的方向发展,驱动因素主要受经济性和动力性影响。欧洲主流OEM正处于从第二代欧6发动机过渡到第三代发动机的全面爆发期。基于当前现状分析,欧洲的产品总体领先国内1~2代左右。从传统柴油机发展路线分析,应大力发展柴油机技术,尽快开展三代机的研制,缩短和欧洲的差距。

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图4 欧洲重型发动机发展趋势分析

2.6.3 技术特性分析

在经济性方面,相比11.0 L和13.0 L的重型机油耗,第二代比第一代要节油1%~2%,经济性明显改善。最高燃油热效率已经到达46.5%,主流发动机正在朝着更高的热效率发展(图5)。在动力性方面,11.0 L最大功率和平均功率基本不变,最大扭矩和平均扭矩分别上升了2%和3%(图6(a))。

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图5 欧洲重型柴油机最高发动机热效率发展趋势分析

13.0 L发动机最大功率和平均功率分别上升了2%和4%,最大扭矩和平均扭矩均上升了4%(图6(b))。欧洲第二代欧6机型较第一代动力性小幅提升,发动机降速趋势明显,低速扭矩增加趋势明显。

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图6 欧洲重型柴油机动力性发展趋势分析—最大功率(a)和最大扭矩(b)

11.0 L和13.0 L柴油机第二代欧6机型相比第一代机型平均B10寿命提升了23%~25%,这是因为第二代欧6机型各汽车制造商均升级或全新开发了新机型(图7)。

①为了符合作者本意,本文仍沿用部分非法定单位——编注。

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图7 欧洲重型柴油机耐久性发展趋势分析

[size=1em]欧洲第二代欧6较第一代发动机制动功率变化不大(除IVECO),但整体制功率水平处于世界领先,发动机最高制动升功率已经到达40 kW(图8)。

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图8 欧洲重型柴油机制动功率发展趋势分析

[size=1em]欧洲第二代欧6较第一代DPF保养里程有明显上升的趋势,重型机DPF保养里程最高已达98万km,正在朝着免维护的趋势发展(图9)。

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图9 欧洲重型柴油机DPF保养里程发展趋势分析

3 结论

[size=1em]通过上文的研究分析,得出结论如下:(1)柴油机仍然具有很强的提升潜力;(2)重型柴油机主流欧6c技术路线为低压冷却EGR技术(<20%的EGR率)、DOC+DPF+SCR技术;(3)主流重型柴油机正在朝着更高热效率(>46.5%)、更好的低速动力性(转速<1 000 r/min时达到峰值扭矩,升功率>32 kW)、更高爆压(工作爆压22~25 MPa)、更高的喷射压力(>250 MPa)、更高效的增压(可变增压、两级增压等)方向发展;(4)高效发动机制动技术成为主流发展趋势,一种可能在部分车型替代缓速器的发动机制动技术已经出现,可以有效提升车辆的安全性和降低成本;(5)DPF正朝着免维护的方向发展,有利于提升用户维护便利性和降低使用成本;(6)当前欧洲市场正在进入三代机爆发期,我国整体仍然处于二代机的水平,应积极发展柴油机基础机型技术和后处理技术,缩短与欧洲地区的差距。







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