滿足2025年CAFE標準的輕型卡車用節能柴油機解決方案(上)

【】 . .omazic . . .

0 前言

近年來，全球不斷努力改善當地的空氣質量，同時降低燃油消耗量來限制運輸領域的溫室氣體(GHG)排放。柴油機動力系統擁有著最高的熱力學效率，因此成為低CO2排放動力系統的首選。此外，經過近二十年的研究，目前的柴油機技術也是一種超低排放和清潔燃燒的技術方案。

圖1 北美自由貿易協定(NAFTA)市場區域輕型卡車(LDT)/輕型商用車(LCV)柴油機系統的代表性概況和市場應用

今后的超凈柴油機動力系統作為最新一代的柴油機技術，基于高壓燃油噴射、最高效的增壓壓力和最佳的廢氣再循環(EGR)率，包括燃燒性能的最新改進，采用了高度復雜的排氣后處理系統和先進的發動機管理算法，并且全部基于超低硫柴油(ULSD)實現技術方案，可以達到幾乎零排放的效果。即將面世的超凈柴油機以最高能效的優勢著稱，還能使用大范圍的替代或可再生燃料，進一步將柴油機定位為實現更清潔排放的重要技術，使得個人出行時溫室氣體的排放量減少，為全球營造一個可持續發展的環境。

然而，對于美國國家公路交通安全管理局(NAFTA)市場，由于當今的排放法規和市場環境，柴油機主要在重型載貨車市場占據很大的份額，如LDT和LCV在當地市場非常受歡迎，市場份額逐年增加。圖1概述了典型車型的應用，包括在制定中的和已經發布市場的車型。

圖2 未來汽車動力的法規限值概況(燃油消耗和尾氣排放)

在不久的將來，面對新型的、日趨嚴格的排放法規引發的基礎性問題，能否提供可行性技術方案，能夠滿足后期極具挑戰性的燃料使用效率(CAFE)標準，而且滿足的市場中Tier 3/LEV III排放標準。關于GHG排放，不僅包括前面提到的CO2排放，還包括其他所有影響廢氣成分的氣體，如CH4、N2O等，均統稱為碳排放 (CREE)。這些轉化為組合CO2當量(CO2e)的排放量，均已被管制。圖2概述了美國市場未來的排放法規要求。

從最新的排放標準詳解中可以看出 ，Tier 3/LEV III標準的規范程度較高。如圖3所示，圖線逐步回歸，圖中描述了從進入階段到2025年最終法規的逐步縮緊的過程以及一些附加的法規要求。

為了詳細評估柴油動力系統的潛能，考慮到關鍵性技術，將選擇具有虛擬特性的典型LDT車輛作為評估對象。對于前置發動機未給出任何限制條件的情況時，通常會重點討論和集中評估發動機的布置問題。尤其是需要考慮到嚴格的排放法規，即里程數最高時的燃油經濟性和尾氣排放最低時對環境的最小影響。

圖3 未來車輛動力系統(氮氧化物(NOx)和非甲烷有機氣體(NMOG)尾氣排放)的法律要求概述

然而，通過壓縮車輛質量、道路阻力與發動機容量的比例，可以輕松轉換到其他應用車型，如SUV或LCV。

1 概念布局和定義

現代量產發動機中，從相對緊湊型的2.8 L、3.0 L中小型排量發動機應用到大型的5.0 L甚至到6.6 L、6.7 L排量的機組應用，這部分機型覆蓋了全尺寸卡車的應用。選擇未來動力系統主要參數時必須確保提高客戶端的性能要求，以及噪聲、振動和平順性(NVH)和舒適性的精細屬性，另外為滿足超低排放標準打下良好的基礎。

鑒于現有的可用規范以及預期的未來發展趨勢，本研究選取了3.3 L排量作為新虛擬發動機的核心維度。該發動機配置了不同于一般發動機布置的獨立的每循環0.55 L的燃燒系統。評估發動機的詳盡規格參數將列于表1。

表1 6缸發動機變量的主要技術參數

為響應目標車輛類優異的燃油經濟性，考慮如優越的駕駛性能、出色的起動性能和高效的牽引能力等重要的客戶需求屬性，將外特性扭矩曲線在相對低的發動機轉速下設置為大扭矩圖，以支持自動降速趨勢和現代自動變速器檔位設計的最優選擇。2種直列式發動機和V型發動機外特性圖如下圖4所示。本文涉及的車輛重要性能參數為：燃油經濟性≥38 mpg，牽引能力≥4 356 kg。

圖4 為概念設計和硬件選取(包括煙度限制)的外特性目標曲線(扭矩和功率)

2 發動機基礎規格和性能

為了滿足美國市場對污染物和GHG排放制定的嚴格法規，必須要設計出超低排放和高熱效率的柴油機。盡管該柴油機同時具備了非常強大的尾氣后處理系統，如基于尿素的選擇性催化還原(SCR)系統，但是實現超嚴格的EPA Tier 3 NOx排放和 CARB SULEV 30排放標準(NMOG+NOx<30 mg/mile)的目標仍然充滿挑戰。根據現行的認證程序與相應的駕駛周期，FTP循環中綜合NMOG+NOx尾氣排放的可靠性取決于前180～200 s內的排放性能。由于在發動機起動后初始階段的廢氣溫度低，為了將催化器溫度提升到高轉換效率范圍內，NOx排放的超低原排性能、燃油耗最低的加熱方法和最小的碳氫(HC)排放之間需要達到最佳平衡。此外，熱浸后的重新起動過程也是排放達標的關鍵難題。近期為克服該問題已探索了多種技術。由于目標車輛實現更高電壓系統受到限制，在本研究案例中將不考慮48 V的電加熱催化器。

從認證循環第一部分的排放性能來看，通用發動機的2種布局：直列式和V型排列已經是評估性能的關鍵決策要素。由于V型發動機設計通常非常緊湊，故發動機集成到車輛時其邊界是有顯著優勢的。然而，關于閉耦催化器的功能實現和進氣系統部件如渦輪增壓器、增壓中冷器和EGR系統元件的合理布置和尺寸設計，仍存在著很多不足。直列發動機為關鍵子系統提供了更多的自由空間，但往往與車體的比例相沖突。

此外，對于升功率達73 kW的發動機達到高峰值點火壓力時的輸出動力將會影響曲軸箱材料的選擇，并且V型發動機的機械應力比直列式發動機的更小，相對直列式而言，V型發動機的設計方案更具有挑戰性。

圖5 美國市場上量產柴油車輛排放狀況的代表性概述

為了展示發動機技術實質性的升級換代，圖5中給出了典型量產型車輛的概述。圖5(a)描述了可行應用的原排狀態，圖5(b)展示了尾排狀態，若僅針對市場上的1個應用系統，這似乎可以滿足超低排放車輛(SULEV)30標準。然而，由于SULEV 30是要求160 000 mile的排放合規，實際可用的汽車只能確保高達120 000 mile的排放性能，因此SULEV 30做到全面覆蓋，并且不包括即將推出的標準中增強的車載診斷系統(OBD)要求。

底端結構的布局和V型曲軸箱的孔距取決于曲軸的斜角和設計方案。假設是1個90°傾角、行程與缸徑比大于1和錯拐曲軸的設計，那么V型發動機會非常矮且緊湊，如圖6所示。由于復雜的結構和主軸承上附加的橫向力產生的高負荷，該發動機缸體一般選擇緊密石墨鑄鐵(CGI)。與此相反，新型直列式柴油發動機的開發將鋁作為缸體材料，與球墨鑄鐵軸承蓋裝配。

圖6 不同的曲軸箱底端設計[1-2]

圖7 直列式和V型發動機架構的摩擦損失

關于最佳性能和最低油耗，發動機的設計概念和布局也需要考慮具備良好摩擦性能的動力系統。這種情況下，為優化曲軸設計、曲柄銷和主軸承尺寸，德國FEV公司開發了專用軟件來模擬圓角軋制過程，以實現最低的摩擦損失。但在相同的優化級別時，直列式發動機架構優于V型架構。相對而言，峰值點火壓力(PFP)越高的其輸出變量顯示高出大約20%～30%的摩擦損失，如圖7所示。

為了最大限度地減少發動機總質量，受復雜的緊密耦合后處理系統的需求驅動，每個發動機基本部件都必須依據輕量化設計作優化。尤其是氣缸蓋、發動機機體和曲柄系統，這些部件約占發動機總質量的50%。因為過去幾年熱負荷和機械負荷不斷上升，最近這已成為一項挑戰性的任務。為此，基于廣泛使用的最先進計算機輔助工程(CAE)工具，德國FEV公司開發了1款集成的產品開發流程。這種流程遵循了虛擬前置加載的理念，一方面可實現穩定的尖端發動機設計，另一方面大大減少了開發時間和成本。圖8顯示了新型柴油發動機氣缸蓋示例的綜合流程鏈。

圖8 用于穩定的輕型發動機設計的基于CAE的集成產品開發過程

針對穩定性和可靠性的高期望值，除了為滿足嚴苛的市場需求制定合適的發動機基礎架構尺寸外，滿足排放法規也是開發過程中的核心挑戰。由于滿足要求的技術方案的可選數量很大且相互影響，因此必須采用先進的開發過程來確定最佳的專用系統定義。圖9總結了完整開發工具包的主要模塊，用于精確地定義系統規范。

圖9 排放控制系統布局和燃燒系統定義的集成開發方法

考慮到超低廢氣排放要求及進一步加強的OBD規范和耐久延長要求，必須要降低額定排氣后處理限值，以獲得一些額外的安全余量。

為了降低發動機NOx原排，幾乎所有工況都必須采用EGR。除了增加燃油噴射壓力的優勢，和一開始就考慮選擇的250 MPa以上的燃油噴射裝置(FIE)系統，EGR中空氣與噴射燃油的良好混合和空氣利用率的優勢也需要考慮。由于氣缸蓋的流動性能和渦流特性往往相互依賴，針對單渦輪增壓布置的目標大功率密度必須采取具體措施實現較好的流動性能。首先，渦流的產生是從一個幾何端口到另一個新幾何端口的轉移過程，即渦流槽。這種定制機械加工的異型溝槽接近氣缸蓋著火面上的進氣閥門座，一方面確保具有良好標稱渦流水平的流動性能，另一方面確保了非常均勻的缸內介質運動(圖10)。

圖10 氣缸蓋著火面上帶渦流槽的進氣口渦流平衡，包括優異的穩定性對應產品散差

其次，生產線加工渦流槽的高度一致性促使對燃燒系統的EGR容差邊界的標定。選擇16.2的壓縮比作為兩者的折中，既滿足低十六烷值燃料的冷起動要求，又滿足升功率75 kW的峰值點火壓力的低摩擦力設計的機械性能要求，同時也能夠在低溫和輕負荷工況下確保良好的燃料霧化和混合。圖11提供了用于實現可變渦流裝置的示例性參數，以有效的渦流來調整操作需求，以達到最佳效果。在較低的發動機負荷工況下附加渦流裝置的激活和進氣運動的放大減少了關于HC、CO和顆粒物(PM)排放，同時在額定功率條件下降低渦流可大大地減少碳煙排放。

圖11 部分負荷和全負荷下，排放性能中高度可變、完全可調的渦流值優勢

除空氣路徑之外，燃油系統的功能對于實現低發動機排放也是至關重要的。為了確定適當的噴嘴規格，必須通過高級仿真程序來評估全負荷和部分負荷要求之間的最佳折中。受排放法規驅動和強大的FIE系統功能的支持，噴嘴孔尺寸已經大大減小，而噴孔的數量趨于增長趨勢。

圖12 提高燃燒系統性能的FIE系統特性演變

實現先進燃燒系統的關鍵特征就是完成噴油器規格的最佳界定，旨在實現最高效率和最低PM、NOx和HC的發動機排放量。在歐盟市場中嚴格的CO2排放標準推動著排量約2.0 L但升功率達90 kW更小型的發動機的應用，不同的是，面對更嚴格的排放標準，美國客戶對大型發動機的偏愛促進了更大排量的發動機進入市場，從而導致功率密度降低。面對溫室氣體減排要求，采用了功率密度稍高的輕型發動機設計。

如圖13所示，根據最新的生產實例，理想升功率輸出約73 kW需要噴射持續時間大約為35°CA。通過增加的噴射壓力值和出于平衡考慮下的良好缸內空氣利用率，且降低近壁燃燒減少了熱損失，為8至9孔噴油器的設計提供了有利條件。

圖13 全負荷工況下的噴射持續時間和最佳噴射器規格識別

微孔噴嘴設計促進了有關NOx和HC的低原排趨勢。為支持冷運行工況給加熱策略標定提供了額外的自由度，結合雙頂置凸輪軸(DOHC)布局增加可變氣門正時(VVT)功能。圖14中描述了這個驅動因素，確定了降低HC和CO排放量的優點，顯著提高了燃料消耗臨界點的廢氣溫度。

圖14 為降低發動機氣體排放量(HC/CO)和提高排氣溫度的VVT潛能，以獲得更好的催化器效果

3 排氣后處理系統設計和功能描述

為遵循嚴格的排放法規并大大減少發動機廢氣排放，排氣后處理系統(EATS)的功能在整個系統設置和優化過程中也起著關鍵性作用?；谠敿毞治龊托阅苎芯亢筮x擇有利的EATS布局，且在該發動機系統評估之前運行。在完整的調查矩陣后，確定的排氣后處理配置如圖15所示。

圖15 多種組合脫硝裝置的可行EATS配置(2個LNT+SCR/SDPF，雙級SCR)

基于目標應用的要求，本文選擇了組合排氣后處理系統，由稀燃NOx催化轉化器(LNT)、柴油顆粒過濾器(DPF)和選擇性催化轉化器(SCR)組成[3]。

根據實際的包裝限制和安裝條件，特別是對于V型布置，確定排氣系統構造包含密耦的LNT/CDPF化合物與底置式足夠尺寸的SCR催化器，如圖16所示。擁有最佳催化器體積和規格且基于優化的發動機原排量，高度精確的排放性能模擬已反饋了超出預期的結果，如圖16所示的直列式6缸發動機。

圖16 優化基礎原排標定和初始EATS定義下的全尺寸皮卡車型3.3 L直列6缸發動機的基礎排放預測

圖17顯示了采用冷卻的高壓和低壓EGR的最先進應用實現的原排量。US06的高度瞬態性和高負荷需求導致發動機NOx排放量比在FTP 75和高速公路燃油經濟性測試(HWFET)中增加很多。

圖17 采用冷卻高壓和低壓EGR的最先進應用實現的原排量

具有超低NOx原排能力且設計恰當的燃燒系統結合高性能EATS，是整個開發過程中的關鍵。如前所述，為確保燃油消耗優化系統和嚴格遵守法律限制，直接在發動機冷起動之后的FTP75循環的初始部分起到了主導作用。各種研究中，電輔助催化器是被最多研究的對象，可確保所需轉換效率的脫硝(DeNOx)后處理系統的快速加熱。單從技術角度來說，這種系統的原理存在優勢并且可以充分利用。

圖18 不同循環工況下隔熱排氣管的催化轉化效率

圖18顯示了通過此標定實現的相應尾排值。該圖還說明了關于最高5 mg/mile的NMHC影響的ULEV30法規限制。為了確保對各種干擾因素有足夠的穩定性，確定了15 mg/km NOx的工程目標。雖然HWFET的尾氣排放量非常低，但是冷起動FTP75的排放量略高于法定限值，比預期的工程目標高出2倍。對于US06排放，NOx排放量甚至比法定限值高3倍。

圖19 US06循環中關于原排和尾氣NOx排放性能(此為3.3 L V6配置)

圖19具體展示了給定布局的US06循環的原排NOx和尾排NOx。在780 s和830 s之間的原排NOx峰值同樣導致尾排峰值。在后處理系統完成非常高的NOx轉換效率之后，NOx排放量不會持續增加。高速加速會導致原排NOx峰值提高，從而激發選擇性催化還原SCR系統。下文中將討論如何通過附加的硬件升級和更先進的標定策略來進一步改善原排NOx和排氣管位置。

由于開發時間的限制，需要優先考慮對傳統12 V車載電源電路的連續利用。在這種邊界條件下，必須在起動行為和轉換效率方面增強基于后處理方案的建立LNT或SCR。此外，可變配氣機構還可以用來調節排氣溫度，同時沒有明顯的油耗升高，但HC/CO排放減少。

如圖16所示，FTP 75循環的第一個冷起動的初始階段，以及發動機重新起動后的時間段對于實現嚴格的尾氣排放限制是至關重要的。在這方面，諸如材料絕緣體或絕熱板的被動熱管理策略具備巨大的潛能。自2009年以來雙壁排氣歧管和鈑金渦輪機外殼模塊一直用于汽油發動機。它們為開發新型柴油發動機提供了潛能，以減少污染物排放和燃料消耗。與傳統鑄鐵組件相比，組件質量和表面溫度方面的性能表現更具優勢。伯德汽車公司和FEV集團對新型超低排放柴油發動機的潛在優勢進行了詳細調查。本研究表明最大排氣溫度高達880 ℃，集成排氣歧管渦輪機組件的最佳解決方案是雙壁系統，該系統是在內外層之間的空氣層嵌入纖維材料。

如圖20所示，排氣系統熱端的升級對于氣體排放，如HC和CO，以及關于尿素計量噴射提供了顯著的優勢，激發了底置式SCR催化器的早期活性，從而提高了總體轉化效率。

如圖21所示，利用不同方案措施與部件發動機基礎的組合，比如VVT功能、采用隔熱升級的排氣系統，及其組合配置，并結合優化的燃燒標定，明顯改善了排放性能。

圖21 各種改進措施對優化FTP75試驗循環的第一階段(冷態)NOx和HC排放的結果

通過先進的噴射方式，可以進一步提高NOx、PM、燃燒噪聲的折中參數。圖22顯示了高級數字噴射率成形策略對如何實現更高的軌壓水平，而不影響燃燒噪聲的結果。在1 400 L/ min和0.75 MPa IMEP下，軌壓從45 MPa連續增加到65 MPa，原排NOx保持不變。使用保壓時間短的傳統電磁噴油器。對于傳統的兩次預噴和主噴策略，共軌壓力增加引起最大氣缸壓力梯度的不斷增加，這導致燃燒噪聲值增加大約6 dB(A)。具備高達7次脈沖噴射的先進噴射輪廓，最大氣缸壓力升高保持在幾乎恒定的水平，燃燒聲級保持在較低水平。

圖22 先進的噴油策略對于NOx/PM/燃燒噪聲影響的綜合比較

改進的噴射霧化使得碳煙量減少超過60%，可以實現更高的EGR率，因此與基準相比較，可以降低原排NOx而不會增加PM。對于高瞬態加速度，例如在US06中NOx期望減少的潛能值約為15%～25%。這些組合技術大大提高了系統在符合目標SULEV30標準方面的可靠性。圖23展示了在利用先進的噴射率成形策略和FEV對于空氣路徑的直接NOx控制之后基線應用的原排NOx量。

US06循環原排NOx已經減少了40%，尤其是瞬態NOx量已經最小化。 同樣對于FTP75試驗循環，也實現了大約30%的大幅度下降。在測試里程較長的公路試驗中，改進后的燃油和空氣路徑控制實現了約15%的下降。使用基準后處理系統，如果不考慮NMHC排放(圖24)，改善的原排量將導致尾氣NOx排放低于ULEV30法定限值。

圖23 先進燃油和空氣路徑控制下的各種法規循環中發動機NOx原排

如圖24，通過先進的后處理控制可以實現更高的轉換效率，降低NH3滑移風險和增加SCR催化器體積，可以進一步提高US06工況中的NOx轉化效率。低于工程目標的尾氣排放是通過組合措施實現的。為了進一步降低冷起動FTP75循環中的NOx排放，引入LNT使尾氣排放穩定低于15 mg/mile。LNT深層次凈化操作對CO2的影響比積極的常規加熱策略對CO2的影響小，這樣就不需要采用LNT。VVT功能和絕緣排氣歧管的協助為燃油效率、NMOG合規性和OBD的監測提供了更大的好處。

圖24 原始和優化的EATS布局和規格下的(3.3 L 直列6缸配置)尾氣排放性能對比圖