WP4混合動力國Ⅳ柴油機開發

牟宗樂　欒建偉

摘 要：面對世界環境和能源問題，對汽車的排放和節能要求越來越高，混合動力汽車在節能和環保方面是一個大的進步，本文主要介紹了我公司WP4混合動力國Ⅳ柴油機開發，采用高壓共軌技術，增加SCR后處理系統。

關鍵詞：混合動力；串聯式；高壓共軌；尿素；SCR

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.075

1 前言

隨著汽車工業的發展和汽車保有量的增加，在環境方面帶來了大氣污染源之一。目前人們采用多種解決排放污染的技術方法，如采取高壓共軌系統、外部EGR系統、內部EGR系統、SCR系統等。節能、環保型汽車已成為世界汽車工業技術創新的重要方向和汽車產業可持續發展的必然選擇。中國政府已將發展混合電動車列入國家 “十五” 十二大重大科技項目和“863”計劃中的重點科技產業化項目。

2 關于混合動力簡介

混合動力車：是汽車的動力總成由內燃機與電動機共同組成，通過對發動機與電動機的適時調度來達到共同驅動汽車的目的。混合動力車的優點：電機的低速特性比較好，它與內燃機的結合，恰好可以解決內燃機低速動能性差和排放問題。

混合動力分為串聯、并聯、混聯。并聯方式是（以發動機為主動力，電動馬達作為輔助動力）以發動機驅動行駛，利用電動馬達所具有的再啟動時產生強大動力的特征，在汽車起步、加速等發動機燃油消耗較大時，用電動馬達輔助驅動的方式來降低發動機的油耗。這種方式的結構比較簡單，只需要在汽車上增加電動馬達和電瓶。混聯式是啟動和低速時只靠電動馬達驅動行駛，當速度提高時，由發動機和電動馬達共同高效地分擔動力，這種方式需要動力分擔裝置和發電機等，因此結構復雜。串聯方式是（只用電動馬達驅動行駛）發動機只作為動力源，汽車只靠電動馬達驅動行駛，驅動系統只是電動馬達，但因為需要安裝燃料發動機，所以也是混合動力汽車的一種。

3 WP4混合動力國Ⅳ柴油技術路線

WP4混合動力國Ⅳ柴油機是以WP4國Ⅲ柴油機為基礎開發的，采用高壓共軌技術，增加后處理，達到降低排放和提高經濟性的目的。與WP4國Ⅲ柴油機相比，相同點是均采用兩氣門、濕式缸套，排量4.5L、缸徑105mm、沖程130mm，采用高壓共軌系統。

不同點：

機體：為解決燃燒室冷卻不足問題，對水腔進行優化設計，在每個缸套水腔兩側增加兩個豎的隔水筋，此時進入缸套水腔的冷水水受到豎筋的阻擋，就會到達燃燒室部分進行冷卻，改進后的方案在機體上部水流速度增加一倍，改善了冷卻效果。

齒輪系：取消WP4柴油機的減振器，為減小凸輪軸連接齒輪的頭部產生斷裂，將整個齒輪系向機體方向移動5mm，縮短懸臂。

活塞： 為提高燃燒效率，降低油耗率，并且為以后扭矩提升留下空間，重新設計活塞，計算考慮到各運動件的偏差，計算活塞和氣門最小相對距離為（0.85～1.6）mm， 將壓縮余隙減小0.2mm，重新設計燃燒室，壓縮比仍為18：1，為保證可靠性，活塞設計有氣門坑。

電控系統升級：因增加了后處理，對原來的EDC7系統進行升級（含有后處理模塊），同時對線束集成改進設計，布置更加整齊。

后處理系統：由尿素箱、尿素泵、SCR箱、尿素噴嘴組成。

尿素噴嘴：噴嘴設計有連接尿素泵尿素入口接頭；兩個一進一出冷卻水管接頭用來冷卻尿素噴嘴；一個連接噴嘴線束插接口，控制噴嘴的開關。

尿素泵：入口管接尿素尿素箱的出口；回流口接尿素箱；壓力管口接尿素噴嘴。

SCR箱： SCR箱的體積應為發動機排量的2.5倍以上，發動機排量為4.5L，選擇了與WP5相同的SCR箱。

提前角：高提前角，降低油耗率，由此產生過多的Nox可以由后處理來降低。

4 WP4混合動力國Ⅳ柴油機燃燒開發與臺架標定

按照《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691-2005）規定，國Ⅳ柴油機排放試驗為ESC（穩態循環）、ELR（負荷煙度試驗）和ETC（瞬態循環）三種工況構成。

排放區調整：為提高低速扭矩，使外特性曲線不至于在最低穩定轉速產生凹點，將原來WP4柴油機的最低穩定轉速由1200r/min移到1100r/min，即nlo=1100 rpm，定義為全負荷油門開度下，50%實測最大凈功率所對應的低轉速。調速率為10%，因此最高空車轉速2530 r/min. nhi=2530 r/min。最高穩定轉速nhi =2530-（2530-2300）*70%=2370r/min定義為全負荷油門開度下，70%實測最大凈功率所對應的高轉速。

把nlo～nhi4等份，分別得到轉速A、B和C：

A=3/4nlo+1/4 nhi=1418 r/min

B=1/2nlo+1/2 nhi=1735 r/min

C=1/4nlo+3/4 nhi=2053 r/min

相應的A、B、C轉速對應外特性扭矩為：600Nm、600Nm、540Nm。

相應的A、B、C轉速計算更改為：1418r/min、1735r/min、2053r/min，對應扭矩為：600Nm、600Nm、540Nm。

原ECU部分數據標定：要進行重新詳細的標定指標：加電時間ET_map，進氣量的MAP，噴油器預噴等。

后處理的標定：

裸機NOx的ppm體積流量map的標定，標定時監測檢查進氣量標定的是否正確，因為這些都是參與邏輯運算的變量。

ESC試驗：通過調整軌壓和提前角來達到排放要求，驗結果：Nox：9.275g/KWh ；PM：0.013 g/KWh。

根據裸機ESC排放試驗結果，設計轉化效率為68%，理論上轉化后ESC排放試驗Nox結果：Nox：9.275×（1-68%）=2.97g/KWh，按照理論值將轉化效率預設為0.68，打開尿素噴射開關（即將UDC_SWTsetp_C的值設為2），ETC試驗結果表明：十三工況SCR箱溫度和轉化效率規律為溫度越高轉化效率越好。

ETC試驗：ETC摸底試驗結果：Nox=3.41，HC=0.04，CO=0.16，PM=0.021

氨泄漏標定：要求氨泄漏小于25ppm，進行氨泄漏摸底。

整個ETC試驗循環中有三個區域氨泄漏超標，分析為在低溫區域，即低溫區轉化效率和溫度修正標定過高造成的，此時的轉化效率和溫度可以修正。

按照試驗分析，對WP4國Ⅳ柴油機的氨泄漏進行多次修正標定。

外特性試驗：

外特性曲線上，最低油耗率197g/KWh， 排溫、煙度都在滿足設計要求。

外特性曲線上，NOx轉化效率隨SCR箱上游溫度規律為：隨溫度的升高轉化效率升高。

5 結束語

濰柴WP4混合動力國Ⅳ柴油機已經開發成功，下一步將進行耐久試驗和整車匹配，本柴油機具有動力性、經濟性好，體積小，重量輕，噪聲低，排放水平高等優點，是新一代綠色環保節能型柴油機，必將成為客車、城市公交等產品的理想動力；由于混合動力排放法規還沒有頒布，所以暫時混合動力車的排放按車用機標準執行。

作者簡介：牟宗樂（1968-），男，山東濰坊人，本科，工程師，部門經理，主要研究方向：柴油機制造技術、故障模式分析、柴油機升級研發。