Mercedes-Benz最新一代大型载货车用柴油机第2部分：燃烧和废气排放

【德】 H.Herrmann P.Kožuch H.Lettmann R.Brünemann

Mercedes-Benz最新一代大型载货车用柴油机第2部分：燃烧和废气排放

【德】 H.Herrmann P.Kožuch H.Lettmann R.Brünemann

大型载货车用柴油机平台是Daimler公司大型载货车用发动机业务的支柱，包括10.7 L、12.8 L、14.8 L和15.6 L共4种机型。2011年，12.8 L的OM471柴油机作为首款欧6机型投放市场，从那时起总共生产了270 000多台。现在这种柴油机首次改进了某些重要部件。第2部分主要介绍其燃烧效果和废气特性。

低油耗 不对称喷油 废气涡轮增压器

1 开发目标和关键技术

第二代OM471柴油机改进设定的重要目标是降低燃油耗，从而稳固地保持其作为大型载货车用柴油机燃油耗的标杆地位，同时提高功率和扭矩，并降低其结构的复杂性(图1)。

图2示出了最新一代OM471柴油机最重要的关键技术[1]，并针对提高选择性催化还原(SCR)净化效率进一步开发了废气后处理系统，容许更高的发动机氮氧化物(NOx)原始排放。发动机燃烧过程已被重新设计到可处理NOx原始排放的水平，为此借助于被称为“X-Pulse”的共轨喷油系统和最大喷油压力，将每个运行工况点都优化标定到低的燃油耗。

特别要强调的是，创新的废气再循环(EGR)阀方案和与发动机最佳匹配的Daimler废气涡轮增压器相结合，以下章节将详细介绍各项技术的优点。

2 喷油系统和优化的燃烧过程

从第一代大型载货车用柴油机平台(HDEP)就运用的“X-Pulse”共轨喷油系统，具有可增大喷油压力的喷油器和可任意调制喷油规律的可能性，在新机型上更进行了优化利用。除了具有多次喷射能力之外，主喷射的喷油速率曲线总是能按照热力学观点采用“矩形”、“斜坡形”和“靴形”等形状形成特性曲线场的最佳喷油规律(图3)。最大共轨压力由90 MPa提高到116 MPa，结合喷油器中的压力转换，将喷嘴端最大喷射压力提高到270 MPa。如此高的喷射压力特别是在额定功率范围内能实现快速燃烧，并且碳烟较少，从而使功率提高到390 kW。

图3 第二代X-Pulse共轨喷油系统

无论是喷油系统的灵活性还是高的喷油压力，对燃烧过程而言是改善整个特性曲线场效率的关键因素。

表1示出了第一代和最新一代柴油机燃烧过程特性参数的比较。喷油嘴喷孔数从7孔增加到8孔，喷束锥角增大了2°，最大液压流量增大了10%，而新设计的活塞顶凹坑以及从17.3提高到18.3的压缩比都与之相匹配(图4)[2]。

表1 燃烧过程特性参数

图4 燃烧过程特性参数的比较

3 创新的EGR方案

换气效率和高压过程效率都从较低的EGR率和以此设计的燃烧过程中获得了好处，但是却降低了废气能量，因而对于加热催化转化器或在发动机低负荷时支持柴油机颗粒捕集器(DPF)主动再生而言，废气温度管理的设计变得越来越困难。

因此,将EGR阀设置在涡轮进口与EGR废气供应口之间的交叉位置上，采用这种简单的构件就可以将EGR率的分配与涡轮的调节统一起来，因而能具有全新的功能。

在流动优化的EGR阀中间位置，不对称的涡轮能供应由其设计规定的EGR率，而涡轮则由第4～6气缸的废气最优化驱动(图5(a))。如果EGR阀开度进一步增大，那么不仅能提供高达50%的EGR率，同时还能节制涡轮功率，而在图5(b)所示的情况下，流向涡轮的废气流就被完全切断了。

图5 排气歧管处于中间位置和全关位置

与不对称喷油量相结合，在降低碳烟排放的同时成功地使2组气缸为废气系统获得了尽可能最好的温度收益。图6示出了在EGR率为50%的EGR阀位置情况下，1～3缸喷油量减少，同时4～6缸喷油量增多。EGR阀调节再循环废气数量，由不对称喷油来调节其品质。在第1组气缸(1～3缸)中燃烧变得越来越稀薄，导致为6个气缸供应EGR更加稀薄，同时通过增加第2组气缸(4～6缸)的喷油量提高平均压力，因而高的废气温度被导向涡轮或废气系统。在低负荷特性曲线场范围内发动机部分仅用3个气缸运行，那么废气温度的收益是最大的，但是这仅仅在主动再生期间才是必需的，而且仅在时间有限的情况下才这样进行[3]。

图6 不对称喷油对废气热管理的影响(转速1 200 r/min，扭矩300 N·m)

这种仅在3个气缸中进行的不对称喷油的另一个优点是通过增加总喷油量来提升废气温度。虽然这3个着火气缸处于较高的平均压力并以明显较高的高压过程效率运行，但是发动机的换气损失却超过了这种优点所带来的效果。在增压柴油机上没有可变气门控制机构的情况下，实现气缸切断总是带有缺陷。在这种情况下，废气后处理系统(AGN)通过增大废气热焓获得好处，也正是这种运行模式的目标。

4 废气涡轮增压器

第一代OM471柴油机就已采用不对称流道几何形状的涡轮壳，在全负荷范围内6个气缸总的换气功为正，因此废气涡轮增压器对曲轴上的有效功率作出了贡献。

在最新一代OM471柴油机上使用了Daimler公司开发和生产的废气涡轮增压器，这种增压器是针对发动机的运行条件专门定制的，因而正换气功的特性曲线场范围始终被扩展。在较小的EGR率时，通过减小不对称度及废气涡轮增压器来提高压气机侧的效率。

通过废气涡轮增压器合适的设计与新的EGR阀方案相结合，能够取消涡轮侧的废气放气阀，这就降低了结构的复杂性和成本[4]。

5 发动机调节

涡轮侧废气放气阀的取消使得可以在发动机电控单元中更精确地调节增压空气路径，不再需要调节增压压力，发动机基本上按预控制运行，由EGR阀调节废气排放，其中AGN的NOx传感器被用作参考变量，λ信号现在也被用于EGR率的跟踪调节，因而无需直接测量EGR率也能满足所有车载诊断系统(OBD)的要求，而且能取消EGR路径中的差压传感器[5]。

6 废气后处理

采取前面介绍的发动机方面的措施会使第一代OM471柴油机的NOx排放增加约50%，对用于SCR NOx的AdBlue尿素水溶液的需求量也会相应提高。根据汽车的使用情况和负荷谱的不同，其需求量会从目前柴油消耗量的3%增加到约5%。

与原机型相比，用于新一代柴油机的欧6废气后处理基本方案继续保持不变，设计上就相当于为满足美国环保署EPA-2010法规所选择的解决方案[1]：在2个平行布置的柴油机氧化催化转化器(DOC)后连接用于降低颗粒排放的2个DPF，其后分别接有SCR和氨逃逸催化转化器，这些组成部分都被集成在AGN装置中(图7(a))。

图7 最新一代欧6废气后处理方案

AGN装置特别重要的开发目标是进一步开发从2011年底已经量产使用的欧6技术，从而获得在所有运行状态都能可靠满足欧6法规所必需的更高的NOx转化率，其中1个重要的措施是使用由Fe和Cu沸石组合而成的SCR催化转化器，它将Fe沸石涂层在足够高的NO2/NOx比时非常好的高温活性与Cu沸石涂层在很大程度上与NO2/NOx成分无关的低温活性结合起来，因而能在1个宽广的温度和运行范围内达到所必需的NOx转化率(图7(b))。

此外，还要开发确保用于发动机与废气后处理装置组成的新系统满足欧6法规B/C阶段严格的OBD规范要求的解决方案，其中废气后处理装置开发的重点特别是根据其OBD限值可靠地监测下列废气排放：(1)DPF故障情况下的颗粒物(PM)排放为25 mg/(kW·h)；(2)稀AdBlue尿素水溶液情况下的NOx排放为460 mg/(kW·h)。其中，在欧6废气后处理系统中可靠的传感器和执行器部件的基础上，成功地找到了依靠电控单元算法进行可靠诊断的解决方案，而无需附加传感器。

7 结语

新一代大型载货车柴油机中的12.8 L 欧6机型降低的燃油耗高达3%，同时其最大功率从目前的375 kW提高到390 kW，最大扭矩从2 500 N·m提高到2 600 N·m，而发动机质量却减轻了20 kg，并且通过取消废气放气阀和直接测量EGR率降低了结构的复杂性。这些技术措施同样也应用于其他排量和最新一代柴油机广泛的应用场合。

[1] Nielsen B, Sladek W, Eberle F, u.a. Die neueste heavy-duty-motorengeneration von Mercedes-Benz, teil I: zielsetzung und konzeption[J]. MTZ, 2016, 77(6).

[2] Böckenhoff E, Gorbach A. Die konzeption der neuen HD motorengeneration im weltweiten entwicklungs-und produktionsnetzwerk[C]. 33.Internationales Wiener Motorensymposium, 2012.

[3] Herrmann H O, Gorbach A, Lettmann H, u.a. Die neueste heavy-duty motorengeneration von Mercedes-Benz[C]. 37.Internationales Wiener Motorensymposium, 2016.

[4] Gruden I, Künzel S, Braziunas G, u.a. Neuer 14.8 L Nfz motor von Daimler für den NAFTA-Markt[J]. MTZ, 2013, 74(12).

[5] Gorbach A, Leweux J, Müller M, u.a. Entwicklung eines abgasturboladers für die schweren Nfz-Motoren von Daimler[J]. MTZ, 2013, 74(2).

范明强 译自 MTZ， 2016， 77(7-8)

何丹妮 编辑

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2016-07-13)