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MAN新一代15.2L柴油机

来源:采集侠  发表时间:2018-02-22 09:23  点击次数:


近年来,重型商用车朝着更高的发动机功率和更大的扭矩发展,其主要原因有: (1) 提高复杂地形应用环境下的平均车速;(2) 欧洲市场现在已经允许60t的总车辆质量或者更高速度的车辆行驶。

  

为了进一步满足排放法规的要求,MAN公司决定开发1款功率在500hp以上的全新发动机。目标是研发1款能够满足现在和未来市场需求、高功率输出、高效和高可靠性的发动机,并为该功率段的发动机市场打下坚实的基础。

  

1 开发目标

  

尽管排放限值会越来越严格,使用成本仍然是客户满意度和市场接受度的决定性因素。因此,从一开始的发动机开发目标就非常明确: (1) 新的发动机的燃油及尿素消耗至少要和同等欧5选择性催化还原(SCR)机型相当或者更好;(2) 发动机质量要尽可能轻。

  

1.1 满足欧6排放法规的D38柴油机系统

  

MAN公司的欧6发动机采用冷却废气再循环(EGR)[1]和后处理系统的排放理念,其中后处理系统包括柴油机颗粒过滤器(DPF)和SCR催化转化器(SCRT)。结合这一理念的直列6缸发动机特别有利于整车总布置和降低制造成本。

 

此外,从机械动力学的角度来看,6缸发动机比8缸发动机运转更加平稳。为了满足欧6排放,MAN公司开发的直列6缸发动机成为满足大功率商用车要求的最佳发展方向。其发展目标是: 非常好的燃油消耗、结构紧凑、质量轻、可靠性好、部分组件与D26系列共用,以及功率和扭矩具有升级的潜力。表1列出了当前MAN欧6载货车车用D38柴油机的主要技术规格。

  

表1 D3876 LF柴油机主要技术规格

  

MAN新一代15.2L柴油机

  

由于D38柴油机安装在已经投产的TGX车型上,因此TGX车型相关的发动机安装的主要特性与D26柴油机系列相同。这适用于车辆进气和排气歧管的连接,以及采用低温理念的增压空气冷却回路。同样,电子结构和机电元件与其他发动机系列相同,也是模块化系统的构件。图1所示为D38系列中D3876 LF发动机的外形图。

  

MAN新一代15.2L柴油机

  

图1 D3876 LF发动机外形图

  

2 原型机

  

2.1 轴系和曲轴箱

  

D3876柴油机的曲轴箱和缸盖采用高强度蠕墨铸铁(GJV450),通过关键部件的优化设计,使得曲轴箱的质量比使用GJL250材料的其他机型要轻。铸铝飞轮壳及塑料的油底壳和气缸盖罩盖也是该机型减重的重要措施。

  

D3876柴油机比之前欧5/欧盟排放标准的D2868 V8共轨型柴油机减重160kg,同时强度有所提高。相比之下,D3876柴油是同等功率的发动机中最轻的。对于载货车来说,质量轻意味着更高的载货能力,效率也会提高。图2所示为曲轴箱在最高爆发压力下的横截面应力图。

  

MAN新一代15.2L柴油机

  

图2 最高爆发压力下曲轴箱应力分布

  

设计目标是使负荷均匀分散在隔板上,并避免应力集中以便实现减重目标。结果,使用最少的材料实现了高强度开发目标。另外,采用弯曲的曲轴箱裙部设计,以及混合材料应用保证了优良的声学性能。

  

2.2 气缸单元设计

  

D3876柴油机爆发压力较高,因此采用全钢活塞。较高的强度和硬度使得该发动机可以采用较低的活塞高度和压缩高度,且能够使用较长的连杆、减小连杆比,使得活塞的侧向力减小。同时,由于活塞和缸套接触面积减少而使得摩擦力减少。上述2点使得发动机的摩擦损失比常规铝制活塞发动机的要小,并且有利于燃油消耗率。

  

图3所示是D38柴油机活塞的主要设计特点。摩擦焊接的钢制活塞有2个冷却室,使用中间体增加了1个内部冷却室。来自冷却喷嘴的润滑油通过1个进油口进入外部的冷却环槽。部分润滑油通过相连的油孔进入内部冷却室,然后通过连杆上面的出油孔流出,润滑连杆小端和销孔。

  

MAN新一代15.2L柴油机

  

图3 带有2个冷却室的钢制活塞

  

这种措施明显减少了窜气。燃烧室的表面温度也因此大幅度降低,同时也有利于提高润滑油的使用寿命。为了实现低的燃油消耗和提高耐久性,通过综合性能和耐久性试验开发了活塞环组件和平顶珩磨的缸套。


为了实现这一目标,缸套上的刮炭环起了很大的作用: 在活塞的每个上行冲程中刮掉活塞火力岸的机油积炭,从而防止在气缸形成摩擦点。

  

刚性非常好的曲轴箱使缸套的金属密封不需要采用O型密封圈,这就意味着冷却液可以到达缸套凸缘,热量被很好的分散,缸套和活塞环的使用寿命由此提高。

  

2.3 气缸盖

  

该机型采用整体式气缸盖,气门采用45°间隔布置,以便获得最佳进气,可以更好的防止气门连接处的裂纹发展。该机型每个气缸均具有8个气缸盖螺栓,保证负荷能够均匀的分配到气缸盖和缸套上。

  

这一设计使缸套变形非常小,传到密封件上的集中负荷小,气缸盖垫片的压缩变形小,有利于减少机油消耗,提高气缸盖垫的使用寿命,减少因发动机烧机油,颗粒物进入到颗粒过滤器的几率。图4为D38柴油机缸盖的阶梯式剖面图。

  

MAN新一代15.2L柴油机

  

图4 D38柴油机缸盖的阶梯式剖面图

  

气门由凸轮轴通过滚子摇臂轴和气门摇臂控制,这有利于薄壁气缸的设计。TGX车型驾驶室的人体工程学设计已经完备,可以配置更大型的D38柴油机。

  

D38柴油机首次将圆弧形气门(图5(b))应用在卡车柴油机上。气门盘中部的弧形加强部分可以消除在运动过程中在气门座圈范围造成的气门变形,使得气门和气门座之间的滑动和摩擦减小,并可以延长检测气门间隙的时间。

  

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图5 传统气门(a)与圆弧形气门(b)的对比

  

2.4 逆向冷却系统

  

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