节能环保催热重卡动力柴油机新技术提升

近年来，汽车市场的一大显著特点，就是柴油重卡卖得火爆，主要集中在一些著名的品牌上，这些品牌出现了持币待购的可喜现象，从而带动了柴油机及相关产业的高速增长，产销量直线上升，尤其重卡柴油车市场异军突起。柴油重卡品种主要由载货平板车、自卸车、牵引车和各类专用车构成，尤其经济型柴油重卡是拉动近两年来重型汽车市场高速增长的主要品种。目前，经济型柴油重卡产品主要以东风、解放等车型为代表，占重卡总销量的70%左右。经济型柴油重卡具有较高的性能价格比：通过采用新结构及新技术等措施，从而不仅使得承载能力大大加强，而且节能环保，这些都带来了新的市场需求，柴油重卡市场才得以连续保持增长的好势头。

1.重卡柴油发动机的发展方向

物流市场需求的提升也促使重卡朝着以下方向发展：一是卡车马力逐渐增大。以前人们习惯超载，基本处于小马拉大车的阶段，这样会降低重卡货运的速度，已经不符合现代物流的要求了。同时，小马力油耗也并不一定减少，总体成本并不划算。采用大马力的卡车，具有速度快，动力强的特点，同时，在最大扭矩区间运行可以保证各零部件的可靠性和相对的经济性。所以，大马力重卡也符合现代物流高速度，高稳定性的要求。二是稳定性要求更高。运输环节出现差错就会影响整个物流系统的周转，所以，对货运车辆会要求保持稳定的出勤率，以达到更高的效率。三是环保要求提高。汽车尾气作为一个主要的大气污染源，近年来也被越来越多的国家所重视，对汽车尾气的环保要求也更高，现在国内已经全面实施国三标准，重卡也将开始实施国四标准，排放标准的升级也带动了重卡的技术在不断升级。

人们常把发动机比作汽车的心脏，作为整车动力的来源，关系着一辆车能拉多重，跑多快，烧多少油等，这些也是体现整车性能的重要指标。在重卡技术比较先进的国家，马力都比较大，主流重卡的马力段已经达到400马力以上，在排放标准上面已经达到欧五标准。而国内重卡现在的马力段仍集中在280～350马力之间，排放标准仍执行的是国三标准，甚至还有很多国二车在市场上，这与国际先进水平已经有了比较大的差距了。为了满足现阶段的排放标准，国内很多重卡都采用外资或者合资品牌的发动机，或直接引进发动机技术。因为发动机是最重要的核心总成之一，这也让国内企业在市场竞争中逐渐处于被动，这也不利于重卡卡车产业的发展。技术引进需要支付相当大的一笔费用，这对于用户来说，最直接的体现就是购车成本也将增加。国内重卡发动机技术升级已经迫在眉睫，从重卡市场发展的趋势来看，现在11升级别的发动机更符合用户的需求，所以也被称作为“黄金排量”，功率也主要分布在350～400马力段。一汽针对国内市场的发动机升级的需求，2009年底推出的11升奥神ca6DM2发动机也没有辜负众人的期望，成为国内首款拥有自主知识产权的重型发动机。

作为国内首款自主研发的大马力发动机，6DM2也吸引了更多人的关注。该机排量达到11升，功率通过不同的调教覆盖350～420马力段，大排量的发动机带来的是更强大的动力输出，输出扭矩相比小排量发动机更大，动力更为强劲，这点在起步、加速和在山路等情况下表现得更加明显；以下以国产CA6DM2等柴油机为例，介绍重卡柴油机近年发展的新技术。

2.配气系统新技术

(1)柴油机四气门技术。气门数多有利于发动机在高转速时的进排气效率，但影响低转速的扭矩；进排气的效率是决定发动机性能好坏的重要因素，当发动机正常运转时活塞的往复运动速度是非常快的，在3000r/min的转速下发动机完成每一个进气或排气行程的时间只有0.04s，要想在这么短的时间内吸进或排出更多的气体就要增大进、排气的有效面积。每缸4气门的设计将得到更大的气门开启面积，提高充气效率，从而产生更大的额定功率。现在人们对发动机性能指标要求越来越高以及尾气排放法规日益严格，每缸2气门这种结构已经显得有些落伍了，现在越来越多的发动机采用每缸4气门结构。

采用四气门技术，相比之前重卡柴油机普遍采用的二气门结构更为先进。四气门的布置是一个中央喷嘴架周围有两个进气门和两个排气门。喷嘴在中央垂直位置，再加上当中的活塞凹腔，燃油就会均匀地进入燃烧室。进气道的形状和布置有助于进气并可使吸入的空气在燃烧室内形成涡流，保证燃油与空气充分混合，从而使燃烧更充分，减少了尾气排放。进气道分涡旋道和充气道。涡旋道形状须使吸入的空气呈涡旋运动，从而使汽缸内的空气的涡旋运动更强。充气道形状须使吸入的空气直接进入汽缸，从而能保汽缸在转速很高时快速充气。排气道汇成一个总通道，因此称为叉形管道。燃油的燃烧更加充分也使得发动机在节油性和稳定性方面的表现更加突出。四气门发动机的进排气门都增加到两个，相比两气门，气体流通面积更大，发动机的充气效率更高，进入汽缸中的空气越多，燃烧就更充分，燃油效率就更高，表现出来的就是更省油。采用四气门技术，柴油机充气效率得到了大大提高的同时，为功率的进一步提升奠定了坚实的基础。既兼顾了功能要求，又尽量保证结构布置合理性及美观性。为了满足越来越严格的柴油机排放法规的要求，各国生产厂商和研究机构都致力于将汽油机四气门技术应用到柴油机上。最近，日本的重卡柴油机制造商和欧洲的一个重卡柴油机制造商也推出了新的四气门发动机。看来，对现代发动机制造日益苛刻的要求，使得四气门技术制造费用昂贵这一毋庸置疑的缺点变得越来越次要了。重卡柴油机不断提高功率的趋势使得需要同时满足油耗低、排放少、寿命长等要求变得更为困难了。目前，重卡柴油机采用四气门技术在欧洲仍很少见，但在美国早已屡用不鲜，且还有继续发展的趋势。

(2)顶置凸轮轴。发动机的凸轮轴安装位置有下置、中置、顶置三种形式。轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5000r以上，为保证进排气效率，都采用进气门和排气门倒挂的形式，即顶置式气门装置，这种装置都适合用凸轮轴的三种安装形式。但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远，需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，造成气门传动机件较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴，将凸轮轴配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑。更重要的是，这种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率。按凸轮轴数目的多少，可分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴两种，由于中高档轿车发动机一般是多气门及V型气缸排列，需采用双凸轮轴分别控制进排气门，因此双顶置凸轮轴被不少名牌发动机所采用。

气门顶置式配气机构的工作情况是：当气缸的工作循环需要将气门打开进行换气时，由曲轴通过传动机构驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时使弹簧进一步压缩。当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，便逐渐减小了对挺柱的推力，气门在弹簧张力的作用下开度逐渐减小，直至最后关闭。压缩和做功行程中，气门在弹簧张力的作用下严密关闭。

柴油机配气系统采用顶置凸轮轴技术，这在重卡发动机领域也是国内首创。顶置凸轮轴较常见的是在轿车领域，因为凸轮轴里曲轴中心线更远，所以对定时传动机构要求更高，同时，汽缸盖的结构布置也更为复杂。一汽在解决了以上技术难题后推出了国内首款顶置凸轮轴重卡柴油机，这也被认为是这款重卡柴油机最大的亮点，从传动路线上来说，顶置凸轮轴取消了气门推杆，气门挺柱等中间环节，直接接触气门摇臂控制气门的闭合，反应快，进气效率更高，正时控制也更精确可靠。

3.燃油系统高压共轨新技术

排放标准其实是促进技术升级最直接的因素之一，若排放不达标，重卡司机可能在进入某些城市的时候受到限制。提高柴油机动力性，实现低污染、低油耗的中心任务就是改善重卡柴油机的燃烧过程。也就是要保证组成燃烧过程的进气、喷油、燃烧三要素中的油、气良好混合和在不同工况下满足不同的燃烧和放热要求，其中喷油是最重要的因素。

高压共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度。

高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。为了提高重卡动力性、经济性、安全性以及减少排放污染、增强舒适性等原因，近几年来，较多发达国家在重卡柴油机上采用了电控高压共轨喷油技术，目前已累计在全球数以百万计的车辆上应用。它与常规汽油机相比，装配有共轨系统的现代柴油机油耗降低30%以上、二氧化碳排放减少约25%、扭矩提高约50%。

高压共轨是2l世纪新一代绿色柴油机的燃油系统，从而达到节能减排和为用户提供更愉悦的驾车体验。柴油机共轨系统的诸多优势，使越来越多的中国本土汽车厂商已经开始积极采用，自立品牌阵营日趋壮大。先进柴油机技术的研发，尤其是智能高压共轨柴油机的上市，标志着中国发动机技术日趋完善并逐步达到国际水平。如一汽CA6DM2重卡发动机燃油系统采用的是博世公司第二代CP2.2+共轨燃油喷射系统。采用高压共轨技术的排放满足国Ⅲ标准，采用SCR技术可以轻松达到国Ⅳ标准，具有国Ⅴ潜力。同时，全负荷最低燃油消耗率小于193g/kwh，燃油经济型较高，博世共轨系统具有技术先进，对燃油控制精确的特点，这套系统的应用也是发动机在燃油控制方面达到了世界先进水平。

电控高压共轨燃油喷射系统是全新一代的燃油控制系统，它的主要特点是燃油压力与发动机的转速、负荷无关，具有独立控制燃油压力的蓄压器，合适的喷油量、喷油时刻等直接由电子计算机控制各缸电控喷油器来实施。目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国福特。共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来。共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径。日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越受到用户青睐。为满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统——高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。当今提高柴油机功率、节约能源和改善排放成为柴油机发展的必然趋势，因此，要求柴油机喷射系统向高性能方向发展。