满足2025年CAFE标准的轻型卡车用节能柴油机解决方案(上)

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0 前言

近年来，全球不断努力改善当地的空气质量，同时降低燃油消耗量来限制运输领域的温室气体(GHG)排放。柴油机动力系统拥有着最高的热力学效率，因此成为低CO2排放动力系统的首选。此外，经过近二十年的研究，目前的柴油机技术也是一种超低排放和清洁燃烧的技术方案。

图1 北美自由贸易协定(NAFTA)市场区域轻型卡车(LDT)/轻型商用车(LCV)柴油机系统的代表性概况和市场应用

今后的超净柴油机动力系统作为最新一代的柴油机技术，基于高压燃油喷射、最高效的增压压力和最佳的废气再循环(EGR)率，包括燃烧性能的最新改进，采用了高度复杂的排气后处理系统和先进的发动机管理算法，并且全部基于超低硫柴油(ULSD)实现技术方案，可以达到几乎零排放的效果。即将面世的超净柴油机以最高能效的优势著称，还能使用大范围的替代或可再生燃料，进一步将柴油机定位为实现更清洁排放的重要技术，使得个人出行时温室气体的排放量减少，为全球营造一个可持续发展的环境。

然而，对于美国国家公路交通安全管理局(NAFTA)市场，由于当今的排放法规和市场环境，柴油机主要在重型载货车市场占据很大的份额，如LDT和LCV在当地市场非常受欢迎，市场份额逐年增加。图1概述了典型车型的应用，包括在制定中的和已经发布市场的车型。

图2 未来汽车动力的法规限值概况(燃油消耗和尾气排放)

在不久的将来，面对新型的、日趋严格的排放法规引发的基础性问题，能否提供可行性技术方案，能够满足后期极具挑战性的燃料使用效率(CAFE)标准，而且满足的市场中Tier 3/LEV III排放标准。关于GHG排放，不仅包括前面提到的CO2排放，还包括其他所有影响废气成分的气体，如CH4、N2O等，均统称为碳排放 (CREE)。这些转化为组合CO2当量(CO2e)的排放量，均已被管制。图2概述了美国市场未来的排放法规要求。

从最新的排放标准详解中可以看出 ，Tier 3/LEV III标准的规范程度较高。如图3所示，图线逐步回归，图中描述了从进入阶段到2025年最终法规的逐步缩紧的过程以及一些附加的法规要求。

为了详细评估柴油动力系统的潜能，考虑到关键性技术，将选择具有虚拟特性的典型LDT车辆作为评估对象。对于前置发动机未给出任何限制条件的情况时，通常会重点讨论和集中评估发动机的布置问题。尤其是需要考虑到严格的排放法规，即里程数最高时的燃油经济性和尾气排放最低时对环境的最小影响。

图3 未来车辆动力系统(氮氧化物(NOx)和非甲烷有机气体(NMOG)尾气排放)的法律要求概述

然而，通过压缩车辆质量、道路阻力与发动机容量的比例，可以轻松转换到其他应用车型，如SUV或LCV。

1 概念布局和定义

现代量产发动机中，从相对紧凑型的2.8 L、3.0 L中小型排量发动机应用到大型的5.0 L甚至到6.6 L、6.7 L排量的机组应用，这部分机型覆盖了全尺寸卡车的应用。选择未来动力系统主要参数时必须确保提高客户端的性能要求，以及噪声、振动和平顺性(NVH)和舒适性的精细属性，另外为满足超低排放标准打下良好的基础。

鉴于现有的可用规范以及预期的未来发展趋势，本研究选取了3.3 L排量作为新虚拟发动机的核心维度。该发动机配置了不同于一般发动机布置的独立的每循环0.55 L的燃烧系统。评估发动机的详尽规格参数将列于表1。

表1 6缸发动机变量的主要技术参数

为响应目标车辆类优异的燃油经济性，考虑如优越的驾驶性能、出色的起动性能和高效的牵引能力等重要的客户需求属性，将外特性扭矩曲线在相对低的发动机转速下设置为大扭矩图，以支持自动降速趋势和现代自动变速器档位设计的最优选择。2种直列式发动机和V型发动机外特性图如下图4所示。本文涉及的车辆重要性能参数为：燃油经济性≥38 mpg，牵引能力≥4 356 kg。

图4 为概念设计和硬件选取(包括烟度限制)的外特性目标曲线(扭矩和功率)

2 发动机基础规格和性能

为了满足美国市场对污染物和GHG排放制定的严格法规，必须要设计出超低排放和高热效率的柴油机。尽管该柴油机同时具备了非常强大的尾气后处理系统，如基于尿素的选择性催化还原(SCR)系统，但是实现超严格的EPA Tier 3 NOx排放和 CARB SULEV 30排放标准(NMOG+NOx<30 mg/mile)的目标仍然充满挑战。根据现行的认证程序与相应的驾驶周期，FTP循环中综合NMOG+NOx尾气排放的可靠性取决于前180～200 s内的排放性能。由于在发动机起动后初始阶段的废气温度低，为了将催化器温度提升到高转换效率范围内，NOx排放的超低原排性能、燃油耗最低的加热方法和最小的碳氢(HC)排放之间需要达到最佳平衡。此外，热浸后的重新起动过程也是排放达标的关键难题。近期为克服该问题已探索了多种技术。由于目标车辆实现更高电压系统受到限制，在本研究案例中将不考虑48 V的电加热催化器。

从认证循环第一部分的排放性能来看，通用发动机的2种布局：直列式和V型排列已经是评估性能的关键决策要素。由于V型发动机设计通常非常紧凑，故发动机集成到车辆时其边界是有显著优势的。然而，关于闭耦催化器的功能实现和进气系统部件如涡轮增压器、增压中冷器和EGR系统元件的合理布置和尺寸设计，仍存在着很多不足。直列发动机为关键子系统提供了更多的自由空间，但往往与车体的比例相冲突。

此外，对于升功率达73 kW的发动机达到高峰值点火压力时的输出动力将会影响曲轴箱材料的选择，并且V型发动机的机械应力比直列式发动机的更小，相对直列式而言，V型发动机的设计方案更具有挑战性。

图5 美国市场上量产柴油车辆排放状况的代表性概述

为了展示发动机技术实质性的升级换代，图5中给出了典型量产型车辆的概述。图5(a)描述了可行应用的原排状态，图5(b)展示了尾排状态，若仅针对市场上的1个应用系统，这似乎可以满足超低排放车辆(SULEV)30标准。然而，由于SULEV 30是要求160 000 mile的排放合规，实际可用的汽车只能确保高达120 000 mile的排放性能，因此SULEV 30做到全面覆盖，并且不包括即将推出的标准中增强的车载诊断系统(OBD)要求。

底端结构的布局和V型曲轴箱的孔距取决于曲轴的斜角和设计方案。假设是1个90°倾角、行程与缸径比大于1和错拐曲轴的设计，那么V型发动机会非常矮且紧凑，如图6所示。由于复杂的结构和主轴承上附加的横向力产生的高负荷，该发动机缸体一般选择紧密石墨铸铁(CGI)。与此相反，新型直列式柴油发动机的开发将铝作为缸体材料，与球墨铸铁轴承盖装配。

图6 不同的曲轴箱底端设计[1-2]

图7 直列式和V型发动机架构的摩擦损失

关于最佳性能和最低油耗，发动机的设计概念和布局也需要考虑具备良好摩擦性能的动力系统。这种情况下，为优化曲轴设计、曲柄销和主轴承尺寸，德国FEV公司开发了专用软件来模拟圆角轧制过程，以实现最低的摩擦损失。但在相同的优化级别时，直列式发动机架构优于V型架构。相对而言，峰值点火压力(PFP)越高的其输出变量显示高出大约20%～30%的摩擦损失，如图7所示。

为了最大限度地减少发动机总质量，受复杂的紧密耦合后处理系统的需求驱动，每个发动机基本部件都必须依据轻量化设计作优化。尤其是气缸盖、发动机机体和曲柄系统，这些部件约占发动机总质量的50%。因为过去几年热负荷和机械负荷不断上升，最近这已成为一项挑战性的任务。为此，基于广泛使用的最先进计算机辅助工程(CAE)工具，德国FEV公司开发了1款集成的产品开发流程。这种流程遵循了虚拟前置加载的理念，一方面可实现稳定的尖端发动机设计，另一方面大大减少了开发时间和成本。图8显示了新型柴油发动机气缸盖示例的综合流程链。

图8 用于稳定的轻型发动机设计的基于CAE的集成产品开发过程

针对稳定性和可靠性的高期望值，除了为满足严苛的市场需求制定合适的发动机基础架构尺寸外，满足排放法规也是开发过程中的核心挑战。由于满足要求的技术方案的可选数量很大且相互影响，因此必须采用先进的开发过程来确定最佳的专用系统定义。图9总结了完整开发工具包的主要模块，用于精确地定义系统规范。

图9 排放控制系统布局和燃烧系统定义的集成开发方法

考虑到超低废气排放要求及进一步加强的OBD规范和耐久延长要求，必须要降低额定排气后处理限值，以获得一些额外的安全余量。

为了降低发动机NOx原排，几乎所有工况都必须采用EGR。除了增加燃油喷射压力的优势，和一开始就考虑选择的250 MPa以上的燃油喷射装置(FIE)系统，EGR中空气与喷射燃油的良好混合和空气利用率的优势也需要考虑。由于气缸盖的流动性能和涡流特性往往相互依赖，针对单涡轮增压布置的目标大功率密度必须采取具体措施实现较好的流动性能。首先，涡流的产生是从一个几何端口到另一个新几何端口的转移过程，即涡流槽。这种定制机械加工的异型沟槽接近气缸盖着火面上的进气阀门座，一方面确保具有良好标称涡流水平的流动性能，另一方面确保了非常均匀的缸内介质运动(图10)。

图10 气缸盖着火面上带涡流槽的进气口涡流平衡，包括优异的稳定性对应产品散差

其次，生产线加工涡流槽的高度一致性促使对燃烧系统的EGR容差边界的标定。选择16.2的压缩比作为两者的折中，既满足低十六烷值燃料的冷起动要求，又满足升功率75 kW的峰值点火压力的低摩擦力设计的机械性能要求，同时也能够在低温和轻负荷工况下确保良好的燃料雾化和混合。图11提供了用于实现可变涡流装置的示例性参数，以有效的涡流来调整操作需求，以达到最佳效果。在较低的发动机负荷工况下附加涡流装置的激活和进气运动的放大减少了关于HC、CO和颗粒物(PM)排放，同时在额定功率条件下降低涡流可大大地减少碳烟排放。

图11 部分负荷和全负荷下，排放性能中高度可变、完全可调的涡流值优势

除空气路径之外，燃油系统的功能对于实现低发动机排放也是至关重要的。为了确定适当的喷嘴规格，必须通过高级仿真程序来评估全负荷和部分负荷要求之间的最佳折中。受排放法规驱动和强大的FIE系统功能的支持，喷嘴孔尺寸已经大大减小，而喷孔的数量趋于增长趋势。

图12 提高燃烧系统性能的FIE系统特性演变

实现先进燃烧系统的关键特征就是完成喷油器规格的最佳界定，旨在实现最高效率和最低PM、NOx和HC的发动机排放量。在欧盟市场中严格的CO2排放标准推动着排量约2.0 L但升功率达90 kW更小型的发动机的应用，不同的是，面对更严格的排放标准，美国客户对大型发动机的偏爱促进了更大排量的发动机进入市场，从而导致功率密度降低。面对温室气体减排要求，采用了功率密度稍高的轻型发动机设计。

如图13所示，根据最新的生产实例，理想升功率输出约73 kW需要喷射持续时间大约为35°CA。通过增加的喷射压力值和出于平衡考虑下的良好缸内空气利用率，且降低近壁燃烧减少了热损失，为8至9孔喷油器的设计提供了有利条件。

图13 全负荷工况下的喷射持续时间和最佳喷射器规格识别

微孔喷嘴设计促进了有关NOx和HC的低原排趋势。为支持冷运行工况给加热策略标定提供了额外的自由度，结合双顶置凸轮轴(DOHC)布局增加可变气门正时(VVT)功能。图14中描述了这个驱动因素，确定了降低HC和CO排放量的优点，显著提高了燃料消耗临界点的废气温度。

图14 为降低发动机气体排放量(HC/CO)和提高排气温度的VVT潜能，以获得更好的催化器效果

3 排气后处理系统设计和功能描述

为遵循严格的排放法规并大大减少发动机废气排放，排气后处理系统(EATS)的功能在整个系统设置和优化过程中也起着关键性作用。基于详细分析和性能研究后选择有利的EATS布局，且在该发动机系统评估之前运行。在完整的调查矩阵后，确定的排气后处理配置如图15所示。

图15 多种组合脱硝装置的可行EATS配置(2个LNT+SCR/SDPF，双级SCR)

基于目标应用的要求，本文选择了组合排气后处理系统，由稀燃NOx催化转化器(LNT)、柴油颗粒过滤器(DPF)和选择性催化转化器(SCR)组成[3]。

根据实际的包装限制和安装条件，特别是对于V型布置，确定排气系统构造包含密耦的LNT/CDPF化合物与底置式足够尺寸的SCR催化器，如图16所示。拥有最佳催化器体积和规格且基于优化的发动机原排量，高度精确的排放性能模拟已反馈了超出预期的结果，如图16所示的直列式6缸发动机。

图16 优化基础原排标定和初始EATS定义下的全尺寸皮卡车型3.3 L直列6缸发动机的基础排放预测

图17显示了采用冷却的高压和低压EGR的最先进应用实现的原排量。US06的高度瞬态性和高负荷需求导致发动机NOx排放量比在FTP 75和高速公路燃油经济性测试(HWFET)中增加很多。

图17 采用冷却高压和低压EGR的最先进应用实现的原排量

具有超低NOx原排能力且设计恰当的燃烧系统结合高性能EATS，是整个开发过程中的关键。如前所述，为确保燃油消耗优化系统和严格遵守法律限制，直接在发动机冷起动之后的FTP75循环的初始部分起到了主导作用。各种研究中，电辅助催化器是被最多研究的对象，可确保所需转换效率的脱硝(DeNOx)后处理系统的快速加热。单从技术角度来说，这种系统的原理存在优势并且可以充分利用。

图18 不同循环工况下隔热排气管的催化转化效率

图18显示了通过此标定实现的相应尾排值。该图还说明了关于最高5 mg/mile的NMHC影响的ULEV30法规限制。为了确保对各种干扰因素有足够的稳定性，确定了15 mg/km NOx的工程目标。虽然HWFET的尾气排放量非常低，但是冷起动FTP75的排放量略高于法定限值，比预期的工程目标高出2倍。对于US06排放，NOx排放量甚至比法定限值高3倍。

图19 US06循环中关于原排和尾气NOx排放性能(此为3.3 L V6配置)

图19具体展示了给定布局的US06循环的原排NOx和尾排NOx。在780 s和830 s之间的原排NOx峰值同样导致尾排峰值。在后处理系统完成非常高的NOx转换效率之后，NOx排放量不会持续增加。高速加速会导致原排NOx峰值提高，从而激发选择性催化还原SCR系统。下文中将讨论如何通过附加的硬件升级和更先进的标定策略来进一步改善原排NOx和排气管位置。

由于开发时间的限制，需要优先考虑对传统12 V车载电源电路的连续利用。在这种边界条件下，必须在起动行为和转换效率方面增强基于后处理方案的建立LNT或SCR。此外，可变配气机构还可以用来调节排气温度，同时没有明显的油耗升高，但HC/CO排放减少。

如图16所示，FTP 75循环的第一个冷起动的初始阶段，以及发动机重新起动后的时间段对于实现严格的尾气排放限制是至关重要的。在这方面，诸如材料绝缘体或绝热板的被动热管理策略具备巨大的潜能。自2009年以来双壁排气歧管和钣金涡轮机外壳模块一直用于汽油发动机。它们为开发新型柴油发动机提供了潜能，以减少污染物排放和燃料消耗。与传统铸铁组件相比，组件质量和表面温度方面的性能表现更具优势。伯德汽车公司和FEV集团对新型超低排放柴油发动机的潜在优势进行了详细调查。本研究表明最大排气温度高达880 ℃，集成排气歧管涡轮机组件的最佳解决方案是双壁系统，该系统是在内外层之间的空气层嵌入纤维材料。

如图20所示，排气系统热端的升级对于气体排放，如HC和CO，以及关于尿素计量喷射提供了显著的优势，激发了底置式SCR催化器的早期活性，从而提高了总体转化效率。

如图21所示，利用不同方案措施与部件发动机基础的组合，比如VVT功能、采用隔热升级的排气系统，及其组合配置，并结合优化的燃烧标定，明显改善了排放性能。

图21 各种改进措施对优化FTP75试验循环的第一阶段(冷态)NOx和HC排放的结果

通过先进的喷射方式，可以进一步提高NOx、PM、燃烧噪声的折中参数。图22显示了高级数字喷射率成形策略对如何实现更高的轨压水平，而不影响燃烧噪声的结果。在1 400 L/ min和0.75 MPa IMEP下，轨压从45 MPa连续增加到65 MPa，原排NOx保持不变。使用保压时间短的传统电磁喷油器。对于传统的两次预喷和主喷策略，共轨压力增加引起最大气缸压力梯度的不断增加，这导致燃烧噪声值增加大约6 dB(A)。具备高达7次脉冲喷射的先进喷射轮廓，最大气缸压力升高保持在几乎恒定的水平，燃烧声级保持在较低水平。

图22 先进的喷油策略对于NOx/PM/燃烧噪声影响的综合比较

改进的喷射雾化使得碳烟量减少超过60%，可以实现更高的EGR率，因此与基准相比较，可以降低原排NOx而不会增加PM。对于高瞬态加速度，例如在US06中NOx期望减少的潜能值约为15%～25%。这些组合技术大大提高了系统在符合目标SULEV30标准方面的可靠性。图23展示了在利用先进的喷射率成形策略和FEV对于空气路径的直接NOx控制之后基线应用的原排NOx量。

US06循环原排NOx已经减少了40%，尤其是瞬态NOx量已经最小化。 同样对于FTP75试验循环，也实现了大约30%的大幅度下降。在测试里程较长的公路试验中，改进后的燃油和空气路径控制实现了约15%的下降。使用基准后处理系统，如果不考虑NMHC排放(图24)，改善的原排量将导致尾气NOx排放低于ULEV30法定限值。

图23 先进燃油和空气路径控制下的各种法规循环中发动机NOx原排

如图24，通过先进的后处理控制可以实现更高的转换效率，降低NH3滑移风险和增加SCR催化器体积，可以进一步提高US06工况中的NOx转化效率。低于工程目标的尾气排放是通过组合措施实现的。为了进一步降低冷起动FTP75循环中的NOx排放，引入LNT使尾气排放稳定低于15 mg/mile。LNT深层次净化操作对CO2的影响比积极的常规加热策略对CO2的影响小，这样就不需要采用LNT。VVT功能和绝缘排气歧管的协助为燃油效率、NMOG合规性和OBD的监测提供了更大的好处。

图24 原始和优化的EATS布局和规格下的(3.3 L 直列6缸配置)尾气排放性能对比图