25858028_大众公司新一代欧六d高效清洁缸内直喷柴油机

大众公司新一代欧六d高效清洁缸内直喷柴油机ʌ德ɔC.H E L B I N G M.KÖH N E T.K A S S E L B.W I E T H O L T
A.K R A U S E L.L O H R E N.G E R H A R D T C.E I G L M E I E R
摘要:目前,柴油机仍然是大众公司产品线的重要部分,其既可以满足客户需求,又能实现公司的C O2排放指标㊂大众公司新一代E A288e v o柴油机早在2018年已经推出,现在首次应用于大众公司横置产品平台,满足欧六d排放标准㊂该机型关注点在于创新性的 T w i nd o s i n g 尿素喷射系统的应用,以及先进的热管理措施,在实际行驶排放(R D E)工况测试中表现良好㊂与此同时,该发动机将满足未来排放法规的要求,还可与混合动力㊁再生能源组合使用㊂这也进一步证明现代柴油机在降低C O2排放㊁保护环境方面的贡献㊂
关键词:柴油机;排放法规;尿素喷射系统
0前言
现代化的高效清洁柴油机仍是客户的首选,这些柴油机在降低C O2排放方面有很大贡献㊂欧六d排放标准要求在全球统一轻型车测试循环(W L T C)和真实行驶排放(R D E)工况下的氮氧化物(N O x)限值均不超过80m g/k m,这意味着在超过50%的驾驶工况中需要额外继续降低N O x排放量㊂大众公司在2018年第39届维也纳年会中首次介绍了新一代E A288e v o4缸机㊂在大众集团内部,该系列柴油机最初是作为满足欧六d排放标准的发动机纵置模块化(M L B)平台的搭载机型㊂本文介绍该系列柴油机在横置模块化(MQ B)平台中的开发情况㊂该款机型是大众公司横置模块化平台唯一的2.0L排量产品,与之前的其他产品相比,是模块化应用的代表㊂大众公司极大减少了该机型变形产品的数量,发动机零部件不受整车布置的影响㊂通过延伸件(C O P)策略,发动机动力等级适用于平台下的所有车型㊂
1目标和策略
该机型的设计目标是满足欧六d排放标准,并适用于MQ B平台:(1)在欧六d所有的排放测试循环和R D E工况运行条件下,排放最低;(2)在整个产品生命周期内,保持排放稳定;(3)降低C O2排放,并优化燃烧噪声;(4)满足理想的瞬态响应特性㊂
在满足欧六d的MQ B平台中,上一代E A288机型排量范围从1.6L(功率88k W)到2.0L(功率90~ 140k W)㊂新一代E A288e v o只有2.0L排量1种机型,在R D E工况下,可以应用的车辆等级范围更宽[1]㊂在MQ B平台中,该发动机从85~147k W有3个功率等级(图1),与纵置发动机相比,外形尺寸没有变化[2]㊂从2020年1月1日起,新车型必须满足欧六d排放标准㊂在R D E工况中,该柴油机的N O x排放限值的符合性因子(C F)为1.0(欧六d要求C F为2.1),即该机型的R D E工况排放的N O x是欧六d法规要求的50%左右㊂对于柴油机而言,最大的挑战在于减少所有驾驶工况下的N O x排放㊂在整车生命周期内,若要满足在R D E工况的N O x排放减少50%以上,必须同时减少N O x原排,并提高后处理系统的效率㊂
2硬件和附件的变化
图2所示为2018款纵置E A288e v o机型的硬件和附件变化㊂本文只介绍发动机本体及附件的变化,包括后处理系统㊁增强功能的配置,以及与纵置发动机相比已经实行的标定策略㊂
为了满足更为严格的排放法规,E A288e v o机型有以下变化:(1)在横置发动机中增大低压废气再循环(E G R)的冷却器能力,冷却功率为12.5k W;(2)燃油喷射系统最大喷射压力提高至220M P a,采用闭环喷油器控制,缩短喷射间隔时间,精确控制喷油量;(3)采用 T w i nd o s i n g 尿素喷射系统系统,后处理系统紧耦
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图1 E A 288e v o 在MQ B 平台中的3个功率等级
(P C 0㊁P C 1㊁P C 2
)图2 基于M L B 平台的E A 288e v o 机型的硬件和附件变化
合,并结合地板安装㊂
E A 288e v o 机型通过以下措施实现C O 2排放目标
和噪声控制指标:(1)曲轴箱后端油封减摩优化;(2)平衡轴减重;(3)采用铸铁气缸盖,提升曲轴箱抗弯刚度和噪声优化;(4)优化压气机下游消音器;(5)应用隔音棉㊂
2.1 气缸体和曲轴箱
虽然在纵置平台中E A 288e v o 选择铝制机体和曲轴箱,但是MQ B 平台的P C 0和P C 1功率等级发动机
气缸体和曲轴箱选用了灰铸铁材料(图3)㊂铸造方法由水平铸造改为垂直铸造,以减小壁厚并提高公差,公差可以从3.0(+1.0/-0.5)m m 提高到2.8(ʃ0.5)
m m ㊂横置平台的P C 2功率等级发动机仍沿用纵置平
台的铝气缸体和曲轴箱㊂
图3 MQ B 平台P C 0和P C 1功率等级的
灰铸铁气缸体和曲轴箱
为了在冷起动时快速热车,与上一代E A 288发动
机相比,新一代E A 288发动机的水套高度减少约
40%㊂主轴承座根据较低的爆压进行相应修改㊂通过使用虚拟优化方法,每个主轴承座都与承受的负荷大小相适应㊂主轴承座减重可以补偿高度集成化带来的
质量增加㊂在这种情况下,研发人员须为钢活塞重新设计气缸套㊂E A 288e v o 发动机的灰铸铁气缸体和曲轴箱有带平衡轴和不带平衡轴2种设计方案㊂
2.2 曲轴油封
在MQ B 平台E A 288e v o 发动机中,气体润滑机械密封首次代替传统的径向密封被应用于曲轴油封中㊂该油封的稳定气体薄膜只有几微米厚度,可以实现无接触和几乎零摩擦的密封㊂在模拟真实的环境条件下,该发动机在摩擦性能试验台上进行了W L T C 工
况的验证,试验证明可减少大约0.5g /k m 的C O 2排放[3
]㊂这项技术是降低C O 2战略的一部分,
证明了即使是最先进的柴油机,在降低摩擦方面仍然具有开发潜力㊂
2.3 增压器和E G R 系统MQ B 平台机型的增压器选配基于纵置E A 288
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e v o 的P C 1和P C 2功率等级机型㊂增压器全新涡壳的设计给最优气体流动提供了条件㊂在1.6LE A 288增压器基础上,研发人员进行了中间轴的摩擦优化(图
4
)㊂随着发动机排量的增加,可以从压气机特性迈谱图中看出,压气机效率范围变宽,尽管在低流量区域,效率也获得了提升
㊂
图4 E A 288e v oP C 0中增压器优化
高压E G R 和低压E G R 作为P C 0㊁P C 1和P C 2功
率等级的标配,从M L B 平台到MQ B 平台只有微小的
尺寸变化㊂为了满足R D E 工况的运行条件,
低压E G R 冷却器容积增加了25%,
最大冷却能力达到12.5k W (上一代机型为10.0k W ),可以有效减少N O x 在高负荷工况下的排放㊂3 软件和部件功能强化
MQ B 平台E A 288e v o 机型的燃油系统和E A 288
e v o 纵置发动机的相同,均采用博世C R I2-22220
M P a 系统,带有针孔关闭传感器(N C S )[4]
㊂这是喷油器闭环控制系统在大众公司车型中的首次应用㊂为了根据需求精确控制喷油量,研发人员对喷油器的特性进行了标定,实现了在较宽的功率范围内的3次预喷㊂发动机在运行过程中,燃烧噪声低,燃烧稳定性好,原始排放最低㊂在柴油机颗粒捕集器(
D P F )
再生过程中,每个工作循环有多达9次后喷㊂该喷油策略与发动机和传动系统独立作用,因此可与电气系统联合提供额外的可持续减排潜力(图5
)㊂图5 增强软件功能和标定的范围
为了优化瞬态工况的排放,研发人员在该机型上首次应用了瞬态控制功能㊂E G R 率和重要的喷射参数可以通过电荷漂移进行瞬态修正,这也说明该功能可以通过调控燃油和进气,进而影响瞬态的炭烟-N O x 排放关系,降低原始排放的峰值㊂4 排气后处理系统和热管理措施
大众公司MQ B 和M L B 平台的欧六dE A 288系
列发动机均采用带涂覆S C R 系统催化剂的D P F (S D -
P F ),以及氨逃逸催化器(A S C )㊂其中,MQ B 平台的
E A 288e v o 发动机还采用双催化转化控制系统,
进一步减少了排放㊂为了进一步提高后处理系统的效率,
MQ B 平台E A 288e v o 发动机首次采用 T w i nd o s i n g
尿素喷射技术,1个安装在柴油机氧化催化器(D O C )和S D P F 之间,另1个安装在底盘中的S C R 系统上游
(图6
)㊂4.1 T w i nd o s i n g
系统在紧耦合布置中,D O C 的体积从1.3L 增加到1.8L ,D P F 的体积从3.0L 增加到3.4L ,S C R 尿素喷射模块采用液体冷却方式㊂底盘安装的S C R 尿素喷嘴采用空气冷却,高功率版机型的混合器在压力损失和均匀性分布方面进行了特别优化㊂A S C 有2部分组成,对于前驱和四驱车型来说,总体积分别为2.5L 和3.0L ㊂废气经过排气管路时温度会降低,在稳态工况下,底盘下S C R 系统温度比紧耦合S C R 系统温度低50K ,
2部分的S C R 系统一起作用,
即使在高负荷和排温较高的
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工况区,也可获得最大的N O x 转化效率(
图6)
㊂图6 满足欧六dE A 288e v o 发动机的 T w i nd o s i n g
系统 T w i nd o s i n g 系统的优点如下:(1)在高负荷工况,尤其对于重载工况,S C R 系统可获得最高的效率;
(2)在D P F 再生过程中,N O x 排放可以得到改善;(3)通过低压E G R 可以减少N H 3再循环;(4)后处理部件车载诊断(O B D )系统的适应性可得到加强㊂ T w i n d o s i n g
系统在R D E 高负荷工况中可再减少50%的N O x 排放,
在W L T C 工况测试过程的D P F 再生阶段,与单尿素喷射相比,N O x 排放可减少7
0%(图7)㊂除了高负荷区域,对于轻型机来说,低负荷工况的N O x 排放也是重要挑战之一,因此必须采取必要的热管理措施
㊂
图7 T w i nd o s i n g 系统降N O x 排放潜能
4.2 发动机加热模式
新一代E A 288e v o 发动机采用多种运行模式,以此激活紧耦合的S C R 系统温度㊂其运行模式主要分为4种设置㊂(1)加热模式1:主动加热,通过后喷提高排温;(2)加热模式2:保温,通过进气节流和E G R 流量进行优化;(3
)加热模式3:保温,与第2种模式接近,通过推迟燃油喷射和后喷,达到50%的放热率;(4)正常模式:不采取辅助措施㊂
图
8展示了发动机冷起动后的运行模式㊂在发动
机起动后,主动加热用于将紧耦合S D P F 的温度迅速提升至180~220ħ㊂在这之后,低负荷工况的温度通过节流阀和高低压E G R 的选取来保持㊂如果这些措施仍达不到保持S C R 系统的需求温度,加热模式3启用,即进行燃油后喷和推迟主喷时刻㊂如果温度持续降低,系统将重新启动加热模式2㊂这种升级版策略确
保了车辆在不同使用工况下的S C R 系统运行温度㊂图8 E A 288e v o 发动机 T w i nd o s i n g
热管理措施5 排放结果
新一代的E A 288e c o 发动机欧六d 排放认证是在
兼顾R D E 需求的实际驾驶环境下获得的㊂考虑到
R D E 工况的多样性,大众公司使用统计学方式来决定其排放特性㊂图9是MQ B 平台所有车型的N O x 排放分布直方图㊂图9显示新旧2代E 288e v o 发动机的
N O x 排放分布情况,
反映出排气系统组件老化是导致N O x 排放升高的最主要原因㊂创新技术的应用极大地减少了直方图中N O x 排放频率的宽度㊂MQ B 平台欧六dE A 288e v o 发动机的N O x 排放统计学结果比上一代产品低了25%㊂
图9 新旧2代横置欧六dE A 288e v o 发动机的
N O x 排放分布直方图
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6 总结
满足欧六d 排放法规的新一代大众M Q B 平台2.0
L 直列4缸缸内直喷E A 288e v o 发动机证明,现代化柴油机采用创新技术可满足当前和未来的排放需求,可以保持较高的燃油效率和出色的整机整车性能㊂然而,N O x 和C O 2排放在这类动力总成中还需要进一步降低㊂
图10总结了该机型降低排放的重要技术措施
㊂
图10 进一步降低排放的技术措施
除了排气后处理和发动机零部件的电气化之外,柴油机也将和混合动力系统㊁可再生能源进行组合,在环境保护方面发挥潜能㊂大众公司自2018年1月开始使用R 33混合燃料,其中26%的燃料是由剩余材料
制成的加氢精制植物油,其中7%的燃料是由食物油和油脂制成的生物燃料㊂此类混合柴油燃料的物理和化学性能不变,因此发动机可以不做任何改变并安全使用㊂相较于化石燃料柴油,R 33混合燃料可减少20%温室气体排放㊂
因此,柴油机作为电力移动设备的补充,特别是对长途运输和车队客户来说,在保护环境和气候方面,将继续作为具有吸引力和成本效益的动力总成发挥重要作用㊂
参 考 文 献
[1]M E T Z N E RFT ,W I L L MA N NS ,H E L B I N G C ,u .a .D i en e u ev i e r -z y l i n d e r -d i e s e l m o t o r e n g e n e r a t i o nv o nV o l k s w a g
e n [C ].39t h
I n t e r n a -t i o n a l e sW i e n e rM o t o r e n s y m p
o s i u m ,2018.[2]E I G L M E I E RC ,G R O E N E N D I J KA.D o w n s i z i n g v o n p k w -m o t o r e n ,K a p .4[C ].G r u n d l a g e nd e r V e r b r e n n u n g s m o t o r e n ,S p r i n g
e r -V e r -l a g ,A u
f l a g
e ,2018.[3]N E U B E R G E R S ,B O C K E ,H A A S W ,u .a .C O 2-e i n s p a r p o t e n z i a l e d u r c he i n s a t z v o n g a s g e s c h m i e r t e n g l e i t r i n g d i c h t u n g
e n [C ].35t h I n -t e r n a t i o n a l e sW i e n e rM o t o r e n s y m p
o s i u m ,2014.[4]W I N T R I C H T ,R O T H ES ,B U C H E R K ,e t a l .L o w -e m i s s i o nd i e s e l
c o n c e p t [C ].27t h A a c h e n e rK o l l o q u i u m F a h r z e u g
-u n d M o t o r e n t e c h -n i k ,2018.
刘晶晶 译自 41s t I n t e r n a t i o n a lV i e n n aM o t o r S y m p
o s i u m2020 虞 展 编辑
(收稿时间:2021-06-11)
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