关于Mercedes-Benz大型载货车用柴油机性能分析

在欧洲推广OM47X发动机平台4年之后，Daimler公司公开推出了被称为“最新一代”的排量为12.8L的OM471欧6发动机的改进版，其技术特点将逐步推广到Daimler公司全球产品型谱中的其他排量机型上。分两部分介绍其改善的产品性能，第1部分主要介绍发动机设计的基本思路和结构改进，第2部分将介绍发动机热力学和废气后处理。

1优化基本方案

OM471柴油机从2011年以来的产量已超过270 000台，对Daimler公司具有特殊的意义，对其载货车也起着重要的作用。其进一步开发的重要任务是在降低产品复杂性和成本，以及提高发动机额定功率和最大扭矩。同时，进一步降低燃油耗和CO2排放。开发结果在行驶道路工况下燃油耗降低多达3%。

在进一步开发中，发动机的基本尺寸保持不变，重要的设计特点包括诸如双顶置凸轮轴、被称为“X-Pulse”的独特的共轨喷油系统、工作能力强劲的发动机制动等。同样，诸如冷却废气再循环(EGR)与不对称流道分配废气的涡轮增压器也颇具特色。

OM471柴油机的进一步开发的还包括1种新颖EGR阀结构和工作原理，同时采用了Daimler公司开发和生产的废气涡轮增压器，以及经过改进后提高了喷油压力和优化了细节的喷油系统等。表1归纳列出了与原机型相比的最重要的数据和特点。下面详细介绍最新一代OM471柴油机具有决定性意义的技术改进。

2基础发动机

最新一代大型载货车用柴油机通过重新设计的冷却方案提高了功率和扭矩。气缸盖中冷却通道的优化设计通过提高冷却液的流速改善了燃烧室顶板高热负荷范围内的热传导，而冷却系统总的压力损失和冷却液泵的驱动功率却保持恒定不变，再加上燃烧优化，无论是模拟计算还是试验结果均表明，出现的温度峰值更低，并且整个气缸盖上的温度分布也更为均匀(图1)。

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3摩擦功率

通过活塞裙部涂层的进一步开发，并同时将油环的预张力减小了30%，活塞组在主要行驶范围内的制动扭矩降低了7%(图2)。同时，通过降低气门机构对机油的要求，采用高温粘度(HTHS)值最大2.9 mPa·s，低的机油能进一步降低摩擦功率。与第一代发动机相比，最新一代柴油机优化系统中的机械摩擦总共能降低24%。

4创新的废气再循环阀

废气再循环改进的关键是新型的EGR阀(图3)，它被集成在排气歧管的中间部分，将第1和第3气缸的废气在EGR和增压器涡轮之间进行了分配，从而为发动机总的空气管理开辟了广泛的可能性，有关这方面的内容将在第二部分中进一步详细探讨。

鉴于结构力学、热机械负荷、密封性和装配等方面的情况，EGR阀新的布置位置意味着对其构件提出了更高的要求。借助于计算流体力学(CFD)、有限元法(FEM)和热机械疲劳(TMF)分析，在好几个步骤中对排气歧管和EGR阀进行了优化，以致于至今仍能保留原有的排气歧管材料。之后，通过在部件试验台和发动机试验台架上的试验已成功证实了对其热机械寿命的鉴定和验证(图4)。

5具有不对称流道的废气涡轮增压器

2013年，首次将Daimler公司开发和生产的废气涡轮增压器批量应用于底特律生产的用于北美市场的DD15型OM472柴油机上。在生产的120 000台增压器并经野外使用证实其具有出色的可靠性后，批量应用于最新一代的OM471柴油机上，这款废气涡轮增压器现在也在欧洲推广使用。由于在公司内部开发和生产，废气涡轮增压器的每个部件都与发动机的运行条件相匹配。此外，由于对系统的了解，发动机又能调整得使整个系统更为完善，因而通过这种整体考量，采用创新的EGR阀和增压调节而放弃用于使废气绕过涡轮流动的废气阀。

为了改善废气向EGR的输送，新的废气涡轮增压器具有不对称的涡轮流道，与新的EGR阀相结合，涡轮的2个流道横截面的不对称性使废气的分配比以往使用的增压器更为均匀。

废气涡轮增压器转子轴的支承由传统的双浮动轴套径向轴承组成(图5)，通过转子组件的优化平衡，使用低粘度机油也能确保可靠运行。无论是压气机还是涡轮的流动路径都通过各种不同的计算方法针对其效率、特性曲线场宽度和噪声排放进行了优化。为了提高驾驶室的舒适性和降低噪声排放，压气机应用了1个噪声反射器。

6喷油系统

经改进的共轨喷油系统的喷油器中有1个喷油压力倍增器(图6)，这种喷油系统的第二代也能自由地调控喷油规律。其共轨压力被提高到116 MPa，从而实现了高达270 MPa的最大喷油压力。上述措施和新的8孔喷油嘴有助于降低燃油耗。

为了保证低负荷时柴油机颗粒捕集器再生，应用了1种不对称的喷油。EGR废气通过3个气缸，并与具有不对称流道涡轮壳的废气涡轮增压器和新的EGR阀相结合就能实现这种创新的措施。为了提高废气温度，第1～3气缸的喷油量被减少，而第4～6气缸的喷油量增大。在EGR阀调节再循环空气量期间，由这种不对称喷油调节其品质，因而在EGR阀开大位置情况下，在低负荷时3个气缸就能在准全负荷下运行。

7降低结构复杂性和减轻质量

降低零件结构的复杂性是发动机进一步的开发目标。通过采用新的EGR阀和基于模型的发动机运行数据采集方法，不仅能取消涡轮侧的废气放气阀，而且还能取消测量EGR率的差压传感器，这不仅有助于降低制造成本，而且也能大大降低用户长期维护和修理费用。

同时，在进一步开发过程中，通过持续不断的控制质量，新机型的总质量比原机型减轻了约20 kg，从而进一步增加了载货车的有效载质量。

8全球试验

除了低的燃油耗之外，已经证实OM47X柴油机的可靠性是其成功的决定性因素，因此为了确定进一步开发的范围，就要分析开发经验，并将其集成到试验计划中去，其中下列因素起着重要的作用：

(1)在开发遍及全球的OM47X柴油机平台时重视通用件，因此市场的传播性很好。

(2)这种发动机平台是欧洲、北美和亚洲地区工程师们国际合作的结果，共同协调和标准化的试验方法和评定标准使得局部地区取得的经验也可以被全球利用和解释。

(3)全球各地点之间的定期经验交流可确保试验和认可标准能不断地改进和进一步发展。

因此，为了确保产品的品质，将美国和欧洲野外长时间行驶的用户发动机回购，并精确地分析各个部件。发动机的评估按照国际规定进行系统评定，因而可以将美国、德国或日本的结果进行比较。

为了确保从第一代到最新一代柴油机的可靠性，特别是确保新零部件及其功能方面，对系统进行总体考察。

试验按照国内外各种不同标准进行，以便尽可能充分利用各自的现有资源，也尽可能考虑到各个局部地区边界条件的特殊性。在汽车上的可靠性考核大部分在南非和阿联酋的阿布扎比进行，在质量高达100 t的汽车和高的外界温度行驶，而按美国、德国和日本标准则在试验台架上进行性能和耐久性试验。

9结语和展望

在欧洲实施OM47X发动机平台之后4年进行了首次进一步开发，推出的最新一代OM471柴油机。为柴油机等级树立了衡量燃油耗的标准，新型燃油耗比与原机型降低了3%，同时成功地将发动机功率提高到了390 kW，并降低了系统的复杂性，质量减轻了20 kg。这种进一步开发的关键是由Daimler公司自己开发和享有专利权的空气管理技术，有关这方面的内容还将在第二部分中详细探讨。