Mercedes-Benz首款滿足SULEV法規的輕型載貨車用柴油機

【德】 N.Waldbü?er T.Stutte J.Zeger C.Bauer

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Mercedes-Benz首款滿足SULEV法規的輕型載貨車用柴油機

【德】 N.Waldbü?er T.Stutte J.Zeger C.Bauer

Mercedes-Benz公司2015年新型Sprinter車型是首款量產的柴油輕型載貨車，滿足未來LEN3-SULEV廢氣排放法規限值。介紹其動力總成系統、廢氣后處理系統，以及用于北美自由貿易協議市場的新的輕型載貨車應用方案。

輕型載貨車 柴油機 后處理 燃油耗

1 歷史和起因

因絕大多數輕型箱式載貨車采用柴油機而具有較高的經濟性，該車型已在全世界130多個國家銷售。從2001年起，Daimler公司開始在北美自由貿易協議(NAFTA)市場上銷售采用柴油機的Sprinter輕型載貨車作為貨運班車，Chrysler公司和Daimler公司分別于2003—2009年和2010年起開始銷售這款車型。2007年，帶顆粒捕集器(DPF)的OM642系列3.0L柴油機開始搭載于Sprinter輕型載貨車，以滿足NAFTA07(US2007)廢氣排放法規的要求。2010年的目標是達到NAFTA10(US2010)廢氣排放法規規定的氮氧化物(NOx)排放限值，為此又配備了選擇性催化還原(SCR)系統(Daimler公司的“藍天技術(BlueTEC)”，指采用尿素水溶液作為還原劑的SCR技術)。2013年底，Daimler公司又為NAFTA市場推出了搭載OM651系列的2.0L 直列4缸柴油機和優化燃油耗的7檔自動變速器的Sprinter輕型載貨車。

如果Sprinter車型想要進一步改進，需要增大裝載容積、減小空氣阻力和擴展安全性系統等，朝著更好的經濟性和更低的廢氣排放目標靠近。Daimler公司將為Sprinter輕型載貨車的LEN3-ULEV車型及LEN3-SULEV選用車型提供OM651系列柴油機。

按照加利福尼亞州大氣資源局(CARB)廢氣排放法規，Sprinter被劃為中型載貨車(MDV)，適用于中型載貨車的LEN3-SULEV法規的廢氣排放限值要求，將于2018和2022年強制增加符合公司車隊的排放要求，并規定從2023年起所有新上市的中型載貨車都必須滿足SULEV法規的廢氣排放限值。

2 新Sprinter輕型載貨車的動力總成系統方案

圖1示出了新Sprinter輕型載貨車動力總成系統的主要部件。除了諸如OM651系列柴油機、7檔自動變速器、傳動軸、差速器、和后橋等傳統系統之外，BlueTEC部件尿素水溶液還原劑(AdBlue)計量系統和廢氣系統對滿足逐步加嚴的廢氣排放法規要求具有越來越重要的意義,因此為了滿足LEN3-SULEV法規的廢氣排放限值,在將燃油耗降到最低程度和改善行駛舒適性的同時,所有動力總成系統部件之間總體上必須相互協調匹配。

OM651直列4缸柴油機的主要特點是采用兩級廢氣渦輪增壓和噴油壓力高達200MPa的共軌噴油系統。OM651柴油機是1種用于輕型載貨車的高效柴油機，并因其氣缸數少、摩擦損失小，以及在換氣損失最低的情況下增壓度較高，其效率比OM642柴油機更高。

7檔自動變速器包含1個變矩器和1個分接離合器，與原產品(5檔自動變速器)相比，變速范圍更大,最高檔位的速比減小,變速分檔也更細(增加了2個檔位)，并與優化的換檔程序相結合，能顧及到更低的發動機轉速，改善了燃油耗，并降低了噪聲和振動水平。

表1列出了新型Sprinter輕型載貨車動力總成系統的可能性。2種動力總成系統能與3種后橋速比相組合，用于各種質量不同的汽車和4種不同結構型式的Sprinter輕型車，而供應NAFTA市場的第2種動力總成方案(OM651柴油機配裝7檔自動變速器)能滿足特殊用戶對低燃油耗和低運行成本方面的要求。2015款車型推出了可選用的搭載OM651柴油機的LEN3-SULEV車型。另外，從2015年起又為OM642柴油機動力總成系統增添了可選用的全輪驅動車型，從而使該動力總成系統更加完備。

表1 為滿足特殊用戶要求擴展的動力總成系統選擇的可能性

3 降低燃油耗的措施

新型Sprinter輕型載貨車的后橋已針對燃油耗和摩擦進行了優化，減輕了質量并降低了噪聲和振動水平。能量管理系統由蓄電池和汽車電路控制組成，并集成了優化燃油耗的發電機。轉向助力泵是根據所需的轉向助力進行電子調節。同樣燃油泵也采用電子調節將泵油量調節到所需的最小油量。

4 燃燒應用的參數

Sprinter輕型載貨車的NAFTA車型必須通過廢氣試驗循環的檢驗(FTP75、HWFET、US06Bag 2、UDC、SC03)，它們與歐洲市場實施的廢氣試驗循環有明顯的區別,因此燃燒所應用的參數(噴油定時、噴油量、共軌壓力、增壓壓力和廢氣再循環(EGR)率)基本上必須予以修改，以便在廢氣試驗循環中和用戶實際行駛中，仍能保持歐洲車型有利的燃油耗水平。

由于US試驗循環中所經歷的轉速和負荷范圍較大，因此進氣系統的自適應策略必須進行重新匹配。在這種行駛運行期間，尤其是在US06 Bag 2循環(用于中型載貨車的US06的簡化試驗循環)中，進氣系統的自適應學習過程一再中斷，此時每次學習過程中不希望發生NOx排放短暫升高的情況，因此自適應策略應修改，使得在帶有沖擊性行駛方式的情況下，也應將自適應學習中斷減少到最少程度。

為了應用到盡可能高的噴油精度和噴油壓力，用200MPa的壓電噴油器噴射系統替代歐洲車型上所使用的最高共軌壓力為180MPa的電磁閥式噴油器噴射系統。此外，發動機配備了在低轉速、低負荷時能提高渦流強度的進氣道關閉裝置，能降低顆粒物(PM)排放，并延長DPF的再生周期。

通過燃燒所應用的參數與第2代BlueTEC系統最佳性能的匹配，在燃油耗和原始顆粒排放方面又獲得了進一步提升。其主要的注意力放在暖機階段，因為快速地達到BlueTEC系統的起燃溫度對于減少NOx排放(尾管處)起著決定性的作用，對此需要根據發動機溫度通過調整EGR率、節流、噴油量和噴油定時的適當匹配綜合考慮。

5 第二代SCR系統

圖2示出了BlueTEC系統的主要組成部分,包括廢氣系統、AdBlue計量系統及其貯存罐、注入管道、計量裝置、計量模塊和電控單元等，提高了對車載診斷系統的要求，并且與發動機上其他優化措施之間緊密配合。

為了在SCR催化轉化器中選擇性催化還原NOx，在SCR催化轉化器前向廢氣系統中噴入AdBlue還原劑，緊接著其中的水分蒸發，尿素水溶液分解成氨，并貯存在SCR催化轉化器中，將廢氣中的NOx還原成無害的氮和水。

第2代SCR系統的重大改進是采用容量為18L的AdBlue還原劑貯存罐單元，它將容積式輸送泵和超聲波傳感器、優化的SCR系統裝置和新型的計量電控單元等集成為標準資源單元，并且適用于所有車型。除此之外，DOC、DPF和SCR的容積和涂層都已經過優化，能滿足LEN3-SULEV法規廢氣排放限值的要求。

為了使Sprinter輕型載貨車實現特別經濟的運輸方案，其關鍵在于整個BlueTEC-柴油機系統的整體優化，除了滿足LEN3-SULEV法規的廢氣排放限值之外，其目標是在最低的燃油耗、可接受的AdBlue還原劑消耗量，以及增添AdBlue貯存罐所增加的質量最少等方面取得最佳的折中。

6 廢氣后處理系統的應用

在搭載OM651柴油機的Sprinter輕型載貨車進入美國市場后僅1年，2014款車型就以其首款柴油車成為清潔高效箱式載貨車的先驅者，該車能滿足SULEV車型最嚴厲的加利福尼亞廢氣排放法規的要求。從2015款車型起，那些專用裝備對質量和結構型式都作出了貢獻。

首先，LEN3廢氣排放法規特別是有關中型載貨車方面的改變，對Sprinter載貨車的發動機開發提出了眾多挑戰。在汽車整個使用壽命期內必須確保廢氣排放的一致性。與LEN2廢氣排放法規相比，LEN3廢氣排放法規所要求的法定使用壽命期延長了25%，提高到150000mile*為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。，因此在延長的行駛里程期間，必須對因化學和熱原因所引起的老化影響予以補償。盡量避免因法定行駛里程的延長對廢氣排放產生不利影響，可以通過現代催化轉化器技術、優化的系統設計、尺寸大小，以及理想的氣體流動特性，并與先進的廢氣后處理應用技術相結合達到目標。隨著LEN2廢氣排放法規的進一步發展，LEN3廢氣排放法規的限值將會降低，實際LEN3在NOx、不包括甲烷的無甲烷有機氣體(NMOG)和一氧化碳(CO)等方面的規定已經有所加嚴(圖3)。

與LEN2-ULEV廢氣排放法規相比，隨著LEN3廢氣排放法規的實施，對于中型載貨車較難以凈化的廢氣排放種類，ULEV法規的NMOG+NOx排放限值降低了29%，而SULEV法規的排放限值則加嚴了59%，同時還添加了NMOG+NOx之和的排放形態的限值，從而產生了催化轉化器的先期轉化與NOx排放之間的目標沖突。

要特別關注發動機首次起動后的廢氣排放特性,因為在FTP-75行駛試驗循環的第一階段中所產生的廢氣排放量比加權平均的尾管廢氣排放量的一半還要多。由于在限值中添加了NMOG+NOx之和的排放限值及車隊CO2排放標準，因此在其他方面不采取有損于燃油耗和原始排放的措施的情況下，能迅速地達到催化轉化器平均起燃溫度。保持足夠的廢氣溫度，能使DPF具有最佳的再生周期，但是對于動態運行階段總的廢氣排放結果貢獻較小，不過控制再次起動時的低廢氣排放還是對降低開發目標值作出了貢獻。

在常規廢氣排放限值加嚴的情況下，曾用聯邦環境保護廳(EPA)的溫室氣體(GHG)法規來限制對氣候有潛在影響的其他廢氣種類。除了CO2之外，GHG法規還將CH4和N2O納入了統一的標準。根據廢氣排放限值和溫室氣體閾值，以及延長產品使用期所制定的富有競爭性的目標，就必須對催化轉化器技術進行持續不斷的開發設計，并使用制造成本高的貴金屬。

中型載貨車的LEV2認證不包括補充的美國城市測試循環(SFTP)范圍的內容，而對于轎車和輕型載貨車(LDT)是必需的。但隨著LEV3法規的實施，中型載貨車也必須滿足擴展的SFTP法規的要求。Sprinter載貨車的單位功率質量較輕，因而US06行駛循環(較輕的中型載貨車)與統一的行駛循環(UDC)(較重的中型載貨車)不同之處已經過修改，以便能更精確地反映中型載貨車的行駛特性曲線。但眾多的行駛影響因素必須由廢氣后處理予以補償，即使較長時間在全負荷行駛的范圍內也是如此。這適用于US06行駛循環，對于某些車載診斷(OBD)系統認證中所利用的UDC工況也同樣適用。

隨著對發動機和廢氣后處理系統中對廢氣排放具有重要意義的零部件進行監測的必要性不斷增長，對廢氣排放特性的要求也隨之提高。要對正確工作的系統與不良功能之間的差異進行識別變得尤為重要，因為這會影響廢氣排放閾值及正常系統功能。

7 車載診斷系統的應用

發動機在美國中型載貨車領域LEN3-SULEV車型上應用要滿足CARB OBD法規的要求。較低的廢氣排放限值直接導致了較小的OBD閾值。OBD系統必須在超越OBD閾值之前就識別出可能由存在缺陷的部件引起的廢氣排放惡化情況，在這種情況下，駕車人能通過組合儀表上的發動機控制燈(即所謂的檢查發動機燈或故障指示燈)的閃爍得到提示，修理車間能通過電控單元中可讀出的故障記錄明確地識別出故障。Sprinter 2015款載貨車在OBD顯示范圍內,通過相應的廢氣排放測量,可檢查出總共23種不同的故障狀況，為此必需進行80次轉鼓試驗臺測試。

OBD系統中的1個要求較高的任務就是監測廢氣后處理部件。對于DOC、DPF和SCR催化轉化器的正確功能必須進行控制，從而識別是否超越OBD閾值。為了監測SCR催化轉化器，必須附加設置1個所謂的極限值。當廢氣排放值低于OBD閾值并在廢氣排放限值之上時，這種極限值就表明SCR催化轉化器已有損壞或老化的情況發生。在LEV廢氣排放標準中，SULEV的OBD閾值明顯嚴于ULEV的OBD閾值(圖4)。

這種SCR極限控制值必須由OBD系統識別為故障值。診斷的工作原理可解釋為在發動機電控系統中，根據SCR催化轉化器前后的NOx傳感器計算出實時的SCR轉化效率，并與相應運行工況點所期望的轉化效率進行比較。而期望的轉化效率是通過1個復雜的功能結構計算出來的，在該功能結構中輸入了不同的溫度、廢氣質量流量和AdBlue還原劑量。如果此時所查明的實時SCR轉化效率低于所期望的SCR轉化效率和1個閾值，那么發動機電控系統中就記錄1個故障(圖5)。

為了證實OBD的診斷,采用3種試驗循環和1種預試驗來證實故障識別。在第1個UDC試驗循環中識別故障，并用故障存儲器中的“未確定”狀態修改故障存儲記錄，然后在第2個UDC試驗循環中通過再次識別故障來證實故障并予以確認，最后在第3個試驗循環(FTP75試驗循環)中帶著故障部件進行廢氣排放驗證，其結果必須低于OBD閾值。

除了極限控制值之外，廢氣系統的所有部件在廢氣排放驗證中都會出現出所謂的整個使用壽命期的老化，在LEV3廢氣排放標準中這就意味著行駛150000mile后的老化。圖5示出了OBD試驗結果,即在2個UDC試驗循環中OBD系統成功地識別出有故障的SCR催化轉化器，最后的FTP75廢氣排放試驗循環提供了證據，廢氣排放低于OBD閾值。

8 廢氣排放和燃油耗

圖6示出了新型OM651-Sprinter載貨車與OM642-Sprinter載貨車的燃油耗和廢氣排放測試結果的比較。廢氣系統后的NOx排放值已低于LEN3-SULEV法規較低的排放限值。綜合的燃油耗優化及OM651動力總成系統和輔助設備的標定的結果，使得公路試驗循環中的燃油效率達到了28.1mile/gal，而FTP75城市試驗循環中的燃油效率也達到了21.1mile/gal，這就意味著OM651車型相對于OM642車型分別改善了19%和14%，即使是城市循環的試驗結果也證實在“汽車與運動”(AMS)燃油耗試驗循環中搭載OM651柴油機的Sprinter載貨車的燃油效率達到了26.5mile/gal，比搭載OM642柴油機的車型改善了26%(圖7)。

在滿足SULEV法規限值的情況下，無論是在城市還是高速公路行駛時，已經達到的燃油耗水平不會惡化，如圖8所示，與搭載OM642柴油機的車型相比，搭載OM651-ULEV柴油機的車型在廢氣排放和燃油耗方面都具有明顯的優勢，而在新推出的SULEV車型上，雖然安裝廢氣系統后的排放已低于LEV3-SULEV法規限值，但是仍保持了OM651柴油機所達到的燃油耗水平。

9 結論

搭載OM651柴油機的新型Sprinter載貨車的燃油耗比搭載OM642柴油機動力總成的車型降低19%。Sprinter載貨車的燃油耗是箱式載貨車的比較標準，例如該車型連續3年榮獲了“Vencentric最佳車隊價值獎”。

第二代BlueTEC清潔柴油機技術已集成在新型Sprinter載貨車上，降低廢氣排放能滿足全球的廢氣排放法規要求。2015車型年的新型Mercedes-Benz Sprinter載貨車是首款搭載這種柴油機的量產車型，該車型已能滿足未來LEV3-SULEV法規限值。

由于改善了燃油耗、廢氣排放和OBD標定，能夠滿足較高的LEV3-SULEV法規要求，并且同時保持了ULEV車型的低燃油耗水平，因此新型Sprinter載貨車在燃油耗方面仍然保持了同等級中的最佳水平，現已成為使用運輸車輛用戶氣體燃料汽車的替代車型，不僅達到SULEV法規要求的Sprinter柴油機車型，并且具有低燃油耗、大扭矩和靈活的行駛性能。新型Mercedes-Benz Sprinter載貨車搭載OM651柴油機提前達到了SULEV法規要求，再次證實了Daimler公司的創新能力和環保意識。

范明強 譯自 MTZ，2015，76(4)

何丹妮 編輯

2015-06-29)