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叉车和工业用丰田3.0升四缸直喷柴油机
Kazue Sasaki, Takashi Saida, and Shigekata Tabuse
丰田自动化织机有限公司
摘要
丰田最近为丰田叉车“X300”(负载2到3吨)开发了一款3.0升柴油发动机“1Z”以达到高性能、低噪声和振动、高可靠性和低的燃料消耗。该1Z发动机是一款以带嘴环形腔形状燃烧室和博世VE类型喷油泵为特点的直喷柴油机。该1 Z发动机带一个齿轮驱动积分类型的PTO(动力输出)单元以驱动液压泵和其他附属组件。D.I.柴油机废气的气味比I.D.I.的更少。废气气味的减少是最重要的开发目标之一,因为叉车经常在室内使用。丰田凭借在没有牺牲动力和燃料消耗情况下匹配了直喷系统在D.I.柴油机达到了优秀的水平。
研发目标-基于研发新型叉车“X300”的目标，1Z发动机的研发设定了6个卖点。然后，决定并研发了8个主要需要的质量特征。（表1）结果，得到了如下的卖点。
带有储备功率的发动机-归功于一款3.0升柴油机的采用，得到了在其同类型叉车中均为第一的最大功率和最大扭矩。
通过进气涡流的精确匹配以及使进气凸轮轴的关闭角到达一个较低的速度，发动机的特性以及在低速装卸货物时的速度有所提升。这些运行特征是叉车应用的两个最重要的需求。
低油耗-在全球中直喷式燃烧室已经被第一次应用于这类叉车，摩擦损失已经被尽可能多地减少，并且和之前的非直喷式柴油发动机相比，满载情况下的最大油耗与部分载荷时的油耗已经减少了15%到25%。油耗水平已经显著减少。
低噪音-对于H.I.R.（高速怠速运行）噪音
长寿命，高可靠性-1Z发动机是一款新开发的发动机，通过每一部分的结构分析以及基于已被证明的2J发动机的高可靠性知识进行单独测试后的优化设计，它的可靠性更进一步地提高了。它已经通过了发动机可靠性台架实验，其中包括“1000小时持续仿真模式测试”（其它测试有满载高速模式持续测试，发动机速度升/降模式持续测试，冷热循环模式持续测试，低速磨损模式持续测试，低速倾斜模式持续测试等），其需要大修的时间已经明显延长。
这不仅包括针对叉车的测试（H.I.R.2600转/分钟），考虑到其他的工业应用，高速（H.I.R.4100转/分钟）的评估测试也包括在内。
易于检查、更换-为便于维修，部件的检查和更换只能在右侧进行。
归功于这种考虑，1Z发动机不仅能够应用于叉车，还能应用于其它工业场合比如建筑机器、发电机以及冷库等。
感谢直喷技术，与I.D.I.柴油机相比，机油恶化的比例能够明显减少，并且机油更换的时间有所延长。
紧凑-由于这种设计，需要一个紧凑的发动机。特别地，使得发动机的长度尽可能短是有必要的。通过每个部件最小尺寸的设计，比如孔之间的最短距离使发动机的长度缩短。由于博世VE型喷油泵（很少用于这类直喷式发动机）以及丰田研发的小型进气加热器的使用，发动机的整个尺寸被做的很紧凑，实现了一个3.0升发动机拥有一个2.5升发动机的尺寸。
主要规格
主要规格-1Z发动机是四缸直列式类型，缸径96mm，行程102mm，排量2953cc。
这是一款配有博世VE型喷油泵，博世P型喷油嘴和环形燃烧室的直喷式发动机。
对于用于叉车的发动机，最大输出功率为44KW/2400rpm，最大转矩为181Nm/1600rpm，满载时的最低油耗为223 g/KW.hr。对于用于其它工业场合的发动机，额定输出功率为60 KW/3000rpm。
表2展示了1Z发动机个主要规格，图4展示了用于叉车和其他工业场合的发动机的特性曲线。
1Z的主要特点
燃烧室和燃油喷射系统-随着小型直喷式柴油机每缸燃烧室体积的减小和单位燃烧室体积对应的表面积的增大，得到燃烧匹配很困难。
为了处理这些以及其它问题，1Z发动机燃烧室的Hasted空间已经尽可能多的减少。通过具唇环形燃烧室的内部匹配，螺旋形涡流进气口，博世VE型喷油泵，博世P型小孔喷油嘴实现了高功率、低油耗和低噪音。
设计理念
燃烧室-具唇环形燃烧室增加了喷油到达燃烧室内壁的距离，因此燃油和空气可以很好的混合。
进气口-1Z发动机使用了螺旋形进气口以使空气涡流效果达到最大。
燃油喷射系统-由于使用了博世P型小孔喷油嘴，该喷油嘴能够被放置在靠近气缸中心的位置，因此能够得到高效的燃烧。紧凑的博世VE型喷油泵用于实现直喷所必须的高喷射压力。
燃油喷射系统的匹配
用于直喷的博世VE型喷油泵的发展-VE类型喷油泵有很多的有点，比如质量轻、紧凑，已经广泛的应用于I.D.I.发动机。尽管如此，他们不能像应用于非直喷式发动机那样应用于直喷式发动机。因此，只有少量的VE型喷油泵应用于小型直喷式发动机。
全面考虑了这些优点和问题之后，一种应用于直喷式发动机新型VE型喷油泵本研发出来并已经应用于1Z发动机。
再一种用于直喷式发动机的新型VE型喷油泵的研发过程中，这些问题按如下方法解决：
- 高的喷射压力-每个部件的密封性能和抗压能力有了提高。
- 短的喷射时间-通过增加柱塞的直径以及采用高位凸轮喷射速度已经提高了。
- 消除二次喷射-通过合适地选择输送阀的撤回量，阻尼阀以及其他部件燃油切断性能已经提高了。
喷油嘴的匹配-喷油嘴的直径、扭转角以及启阀压力极大地影响着直喷式发动机的性能。
- 喷油嘴喷射孔的直径-图6展示了喷油嘴喷射孔直径的影响，燃烧室内的涡流速度很低，为1000rpm或者更少，当喷射孔更小时，燃油和空气混合地更好并且形成更小的颗粒（雾化），在低温时的性能和排期气味也有改善。另一方面，在更高速度范围内喷射时间变短，当喷射孔更大时能够得到更好的燃烧。因此，考虑到这些方面，喷射孔的数目被设定为5，直径为0.25mm。
- 扭转角，lambda;-扭转角，lambda;被定义为喷油嘴的轴线和喷孔方向之间的角度。它和燃烧室内的涡流流动紧密相关。图7展示了扭转角，lambda;和发动机的性能。发动机的性能随着扭转角，lambda;波动。
- 喷油嘴的启阀压力-喷油嘴的启阀压力不仅极大地影响着发动机的性能，还影响着噪音以及低温启动时的排气气味。图9展示了喷油嘴启阀压力的影响。1Z发动机采用了启阀压力为200 kg/cm2 (19.6 MPa)的喷油嘴。并且为了减少低温启动时的白烟和排气气味，sac空间被尽可能地减少了。
燃烧室-在燃烧室的匹配中最重要的因素如下：压缩比以及燃烧室直径（D）与燃烧室深度的比率（D），D/H（宽深比）。压缩比影响到压缩行程中燃烧室内气体的温度，这同样影响到低温启动时的白烟和排气气味。如图25所示，压缩比增加时排气气味也在增加。
和进气道涡流一起，D/H比是影响燃烧室内空气流的最重要因素之一，并且对油耗有很大的影响。
图25展示了D/H比、排气气味和油耗之间的关系。燃油烟气到达燃烧室内壁的距离减少并且在启动和怠速时的排气气味减少了。通过合适地选择进气道的涡流比使其在高速时不成为超涡流可以得到优异的油耗和发动机性能。
已经为1Z发动机选择了最合适的涡流比、压缩比以及D/H比率，因此它能够满足发动机性能和排气气味的要求。
噪音-再1Z发动机研发过程中给了噪音产生源以极大的关注。再利用各种类型的分析技术并且精心设计每一部件之后，正如图11所示，实现了和之前小型柴油发动机（2J发动机，2.5升 I.D.I）相同的噪音水平。
为了实现低的噪音水平，下列项目同时作用：使用了一款低机械噪声的小型VE型喷油泵，通过合适地匹配燃烧参数，能够同时达到低的噪音水平和高的质量水平。通过合适地选择喷孔的直径，喷孔的布置，喷油阀门的开启压力和喷油时间，噪音水平大约减少了1.5dB（A）。（图12）
通过完全利用FEM分析技术开展设计。轻质的8个平衡曲轴和高强度、轻质的连接杆以及拥有最优机油间隙的膨胀控制活塞（带支撑）被应用以减少噪音水平。
使用了小模数高强度齿轮，齿廓精确度有了提高，齿侧间隙有了减小。在2号怠速齿轮的支撑部分用滑动轴承代替了滚珠轴承。结果如图13所示。噪音水平大约降低了4.0dB（A）。
对正时齿轮罩进行了模态分析并且分析了振动模式，根据结果，选择了最合适的筋的形状和紧固螺栓的布置，并且设计了弯曲罩以降低在1 KHz到2 KHz之间的噪声。结果，噪音水平降低了大约2.0dB（A）。（图14）
振动阻尼材料用于最大噪音辐射源之一的油底壳。为了切断噪声的传播路径，完全浮动系统采用了一个圆柱形头罩。轮辐类型的皮带轮用于曲柄的皮带轮，噪音水平大约减小了1.0到2.7dB（A）。
为了消除组成部件之间空间中产生的驻波，正时齿轮罩的形状已经被修改。
柴油机排气气味-每个燃烧发动机的排气有它独特的气味。在较冷的时候，和I.D.I发动机相比，直喷式柴油机的排气气味更浓。（图15）因为叉车经常在室内使用，在1Z发动机的研发中，减少气味是最重要的项目之一。
过去，气味的水平由人们的感觉测试进行评估。（表3）但是，在1Z发动机的研发中，得到了人们的感觉测试与排气中每种刺激性物质浓度之间的关联。并且感官特征被定量的数目所定义。然后评估了刺激性物质的浓度随发动机运行状态和规格而发生的改变。能够在不牺牲油耗和发动机规格的前提下选择出最优的规格。
基于真实数据的感觉特征评估（定量分析）-有很多在排气中确认的化学物质。由于已经建立的分析方法能够使用并且它在废气中相当大的份额，特别是低分子量的醇组分已经被分析了。醇组分燃烧后作为部分氧化物排放，并且它们很有刺激性。
虽然有很多量化醇组分的方法，但DNPH方法被采用并且每种醇组分的浓度被测量出来。图16展示了测量设备，图17展示了各组分的浓度。
感觉评估和之前一样通过5个点的完全标志进行，并且每个点使用5个鉴别器。
下面的方程在表达刺激性物质的浓度和感觉强度方面很有名。
E = KlogR C （Weber Hochner定律）
E：感觉强度（评估得分）
R：有气味物质的浓度
K，C：常数
通过多重回归分析得到了在很多醇组分中占相当高比例的三组分（甲醇、乙醇、丙烯醇）之间的关系。从结果来看，这些组分之间的关联性相当地高，它决定了通过甲醇浓度的评估非常有效。（表4图18）
在和有竞争力的产品比较以及感觉测试评估之后，在0摄氏度时的甲醛浓度目标被设定在20ppm，这个目标已经实现了。（图19）
运行状态下的甲醇浓度-，为了易于在低温下启动、减少白烟和排气气味，1Z发动机采用了进气加热系统。
图20展示了进气加热器在0摄氏度时的效果以及启动后持续怠速时值的改变。甲醇的浓度在启动后迅速达到20ppm，并且在发动机变暖后该值达到了10ppm或者更少。
图21展示了暖机后负载与甲醇浓度随发动机速度变化图。
一般而言，该值在中等速度和中等载荷时较低。
从上述结果来看，用于12V和24V的电气部分能够被制作出来了。通过一个电脑来捡测冷却水的温度以及控制前置加热器和后置加热器。图22展示了该系统的电路图，图23展示了水温传感器的特性，表5展示了用于不同气候区域的设备规格。
直喷式柴油机中低甲醛浓度的发展-从刺激性气味的因素图来看，为了减少排气的刺激性气味，选择进气的温升、燃油的雾化以及阻止燃油粘附在燃烧室的内壁上三个预防性的方法。进气道的涡流比、燃烧室的形状、进气凸轮轴的关闭角、喷油泵的泵油率、喷油孔的直径、喷油嘴的开启压力以及sac空间均被测试和比较了。
该测试是基于实验的统计学设计进行的。作为一个例子，L18正交表的结果如下所示：
表6展示了这些因素及其水平，每个因素的影响能够被把握住。（图26）当每个因素都选择了最适合的值后估计值应该为13.2 -2.7ppm。（95%可靠性系数）尽管如此，刺激性气味的因素通常拥有和发动机性能及噪声成反比例的特征。通过权衡这些因素及其影响，最适宜的规格最终被选择了出来。
在感觉特性的分析中，所有这些感觉特性都可以用真实的数据表达。归功于这种技术，排气气味的水平能够被更加容易地把握，并且通过这种方法能够选择出最适宜的规格。尽管如此，极其复杂的排气气味能否只用甲醇进行评估仍然在考虑之中。通过分析排气气味的展成机构以改善燃烧系统和燃油喷射系统的努力仍然在进行中。
可靠性-正如之前所述，这款发动机已经达到了高的输出功率和性能表现，尽管如此，为了保证其可靠性和耐久性以使该款发动机不仅能用于叉车还能用于其他场合，比如建筑机械、发电机和冷库，要进行质
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