国内高端轻卡发动机的发展

浅谈国内高端轻卡发动机的发展

1958年3月10日，跃进轻卡NJ130问世，标志着我国轻卡产业的诞生。该产品为仿制前苏联嘎斯51型设计而成，具有2.5吨载货量。经历50余年发展后,国内轻卡主要生产厂家: 北汽福田汽车、江铃汽车、庆铃汽车、东风汽车、金杯车辆、江淮汽车、南汽跃进、凯马汽车、唐骏汽车、南骏汽车等十家,市场份额已高达轻卡业的近95%。高端市场发动机技术始终引领着整个行业的技术发展方向，代表国内轻卡发动机最先进的技术水准，本文主要就国内高端市场的发动机发展历程及典型机型作一回顾和介绍。轻卡的发展在近来的20年，大致可以分为两个阶段:
第一阶段，五十铃第四代N系列的引进。 1985年前后，与五十铃合资的北京轻型汽车有限公司，重庆庆铃汽车有限公司相继成立，随后五十铃又把N系列轻卡技术转让给江淮汽车。1993年4月，江铃五十铃汽车有限公司又宣布成立，五十铃第四代产品也引入中国。五十铃轻卡对国内轻卡的发展造成了绝对的冲击和影响力,全新概念的外形和内饰，操控感受，尤其是结实耐用，经济省油的特点深得国内消费者信赖。4JB1发动机当时进入国内时的图片见图表1，这一时期发动机的典型特征是采用自然吸气，两气门，匹配ZEXEL机械分配喷油泵，功率只有57kw。
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图表 1 引进时的4JB1发动机
该自然吸气的发动机经过喷射系统和燃烧系统的技改升级，目前可满足非道路机械的应用，所以仍被江铃、江淮等企业生产。发动机型号由于命名规则不一致，也相差很大，如在江铃为JX493系列，在庆铃为4JB1系列，江淮为4DA1系列，福田为4J28或BJ493等。近年随着排放法规的升级，国内主要生产该机型的厂家已经完成国IV排放达成的技术改造，产量最大的为江铃汽车。可以说，4JB1机型无疑是至今在轻卡行业引进最成功的一款机型。

图表2：满足国IV排放的4JB1发动机
第二阶段， 进入21世纪之后，随着人均GDP的快速提高,用户对轻卡的要求也逐步提高 ,加上以排放法规升级推动，轻卡进入快速发展期。轻卡发动机迅速向低排放，低油耗，高可靠性，高性能方向发展。相比第一阶段，这一时期发动机进步的主要技术来源变成了欧美系企业，相比保守的日系企业，欧美系企业提供了更先进的发动机技术，许多自主品牌抓住这一时机也迅速壮大。由此轻卡行业长期存在的发动机大同小异现状将逐渐改变，各档次发动机的各项性能指标差距将逐渐拉开。
下面由小编对这一时期的发动机及技术趋势做一简介。随着发动机技术的提升，2.5-3L已经是轻卡的黄金排量。2005年江铃汽车引进意大利2.8升VM发动机以及福特2.4升Puma发动机；2007年重庆上菲红从菲亚特引进的F1C系列3.0L发动机，同年东风朝柴开始生产万国NGD3.0发动机；2009年福田引进康明斯ISF系列2.8和3.8升两个排量发动机,同年东风郑州日产引进3.0L的ZD30发动机。自主品牌也取得了巨大进步，玉柴作为国内最大的柴油机企业，与德国FEV日本YAMAHA打造出YC4F发动机；2009大连柴油机厂研制出CA4DD发动机；2013年江铃汽车在引进英国福特的Puma发动机之后，继而又和德国FEV合作联合打造出一款2.9L发动机-4D30。这一期间，主要的高端发动机排放水平从国II升级到了国IV和国V，有些发动机的潜力甚至能到国VI。欧洲比国内技术发展更快，说白了，目前在欧洲国VI的技术已经成熟，国内主机厂只要把这些技术吃透用好，主要的技术路径图可参看如下图表：

图表3：轻卡柴油机排放技术升级主要路径图
江铃的4D30发动机为这一时期高端轻卡发动机的典型代表，使用当前最先进的柴油机技术，主要特点有：
1动力强劲；大家知道，发动机的动力来源于发动机缸内混合气燃烧产生压力推动活塞做功，所以发动机缸内混合气的总量以及混合燃烧速度决定着发动机的输出功率的多少。柴油机进排气系统目前主流都采用四气门技术增大气门总面积，增压中冷增大进气密度，匹配高压共轨技术实现缸内快速的生成尽量多的可燃混合气。4D30发动机使用霍尼韦尔VGT增压器，兼顾高低速范围，同时匹配高达1800bar喷射压力BOSCH共轨系统，使发动机从1500rpm到2800rpm转速范围内都能实现375Nm的最大净输出力矩，最大净功率110kw/2800rpm，极大提高了整车的加速性能和操控性，在同期产品里属于领先地位。

图4 4D30发动机
2低油耗，低排放；对于二氧化碳排放，节能也就减排了，但对于目前柴油机排放法规重点关注的氮氧化物和颗粒排放生成的机理上看，节能和减排存在着明显的冲突，即节能不一定减排。
4D30发动机首先对燃烧系统优化提高燃烧效率改善排放，通过稳键的缸内喷嘴和燃烧室计算和试验进行匹配设计，在国IV阶段使用了强效的EGR冷却器及中冷器在改善进气条件，设定相对较高的压缩比，使用经过CFD优化处理的进气歧管改善进气分配等措施.另外通过优化各关键摩擦副减低摩擦来降低油耗，如带滚轮的气门摇臂驱动机构等。通过以上的一些措施平衡节能和减排指标，发动机最低燃油油耗达到了领先的205g/kwh。
同时由于各摩擦副的优化，结合发动机缸体本身的强化设计，曲轴箱通风系统分离效率的性能提高等措施，整机机油消耗达到了0.05-0.08%（机油和消耗燃油的比值）的优异水平，同类机型一般在0.1%左右。

图5 带滚轮的气门摇臂机构
4D30是面向国V国VI排放目标设计的一款发动机，当前在国IV阶段发动机排放控制技术主要路线为EGR加POC颗粒捕捉的方式，该方式的好处是用户不需要为添加尿素而烦恼，且后处理终身免维护。这时有TX会说，SCR不是更省油吗，但其实在国IV阶段，只要发动机技术先进，使用SCR和POC技术路线，总体液体消耗（尿素也是需要银子买）价值量相差甚微。目前在市场上已经得到验证，该排放控制系统安全可靠，不是大家担心的经常堵。该发动机除了满足国IV排放外，同样满足北京环保局发布的WHTC地标排放要求。
3噪音低；4D30发动机前端采用静音链条与无间隙齿轮组合的方式驱动气门正时轮系以及高压油泵、机油泵等附件，即满足柴油机的高可靠性又降低发动机的噪音。

图5 4D30发动机正时轮系
4 强化设计，可靠性好；发动机采用了锻钢曲轴，双支撑强化气缸体，涨断连杆技术，带内冷油道的活塞；确保发动机在输出大功率大扭矩的同时保持良好的发动机可靠性，达到比原有JX493（4JB1）发动机更优良的耐久性，B10寿命达到40万公里。

图6 内冷油道活塞和汽缸盖
随着整个汽车行业的发展以及购买力的提升，未来的轻卡发展趋势必然是朝着高技术方向发展，智能化、功能多元化、舒适化和人性化方向发展，对于动力系统主要体现为动力强劲、低噪声、安全可靠、维修便捷、节能低排放。近年来在柴油机性能控制技术上，我们在迅速拉近与欧美日发达国家的距离，但在一些核心技术领域仍然进步缓慢，如电喷控制技术，共轨系统，发动机可靠性工程等；另外在一些基础材料、加工领域也很薄弱，导致设计的出来而加工不出来的窘境，或者出现可靠性就是没有进口的好这种状况。目前新能源还没有大的突破，还不可能大范围的替代内燃机，所以传统内燃机行业在未来的10年内还大有可为。随着国家对排放和油耗政策的推进，未来5年内，轻卡行业格局势必将发生巨大变化。