大眾公司新一代歐六d高效清潔缸內直噴柴油機

德C.HELBING M.KHNE T.KASSEL B.WIETHOLT A.KRAUSE L.LOHRE N.GERHARDT C.EIGLMEIER

摘要

目前，柴油機仍然是大眾公司產品線的重要部分，其既可以滿足客戶需求，又能實現公司的CO2排放指標。大眾公司新一代EA288 evo柴油機早在2018年已經推出，現在首次應用于大眾公司橫置產品平臺，滿足歐六d排放標準。該機型關注點在于創新性的“Twin dosing”尿素噴射系統的應用，以及先進的熱管理措施，在實際行駛排放（RDE）工況測試中表現良好。與此同時，該發動機將滿足未來排放法規的要求，還可與混合動力、再生能源組合使用。這也進一步證明現代柴油機在降低CO2排放、保護環境方面的貢獻。

關鍵詞

柴油機;排放法規;尿素噴射系統

0 前言

現代化的高效清潔柴油機仍是客戶的首選，這些柴油機在降低CO2排放方面有很大貢獻。歐六d排放標準要求在全球統一輕型車測試循環（WLTC）和真實行駛排放（RDE）工況下的氮氧化物（NOx）限值均不超過80 mg/km，這意味著在超過50%的駕駛工況中需要額外繼續降低NOx排放量。大眾公司在2018年第39屆維也納年會中首次介紹了新一代EA288 evo 4缸機。在大眾集團內部，該系列柴油機最初是作為滿足歐六d排放標準的發動機縱置模塊化（MLB）平臺的搭載機型。本文介紹該系列柴油機在橫置模塊化（MQB）平臺中的開發情況。該款機型是大眾公司橫置模塊化平臺唯一的2.0 L排量產品，與之前的其他產品相比，是模塊化應用的代表。大眾公司極大減少了該機型變形產品的數量，發動機零部件不受整車布置的影響。通過延伸件（COP）策略，發動機動力等級適用于平臺下的所有車型。

1 目標和策略

該機型的設計目標是滿足歐六d排放標準，并適用于MQB平臺：（1）在歐六d所有的排放測試循環和RDE工況運行條件下，排放最低;（2）在整個產品生命周期內，保持排放穩定;（3）降低CO2排放，并優化燃燒噪聲;（4）滿足理想的瞬態響應特性。

在滿足歐六d的MQB平臺中，上一代EA288機型排量范圍從1.6 L（功率88 kW）到2.0 L（功率90～140 kW）。新一代EA288 evo只有2.0 L排量1種機型，在RDE工況下，可以應用的車輛等級范圍更寬[1]。在MQB平臺中，該發動機從85～147 kW有3個功率等級（圖1），與縱置發動機相比，外形尺寸沒有變化[2]。

從2020年1月1日起，新車型必須滿足歐六d排放標準。在RDE工況中，該柴油機的NOx排放限值的符合性因子（CF）為1.0（歐六d要求CF為2.1），即該機型的RDE工況排放的NOx是歐六d法規要求的50%左右。對于柴油機而言，最大的挑戰在于減少所有駕駛工況下的NOx排放。在整車生命周期內，若要滿足在RDE工況的NOx排放減少50%以上，必須同時減少NOx原排，并提高后處理系統的效率。

2 硬件和附件的變化

圖2所示為2018款縱置EA288 evo機型的硬件和附件變化。本文只介紹發動機本體及附件的變化，包括后處理系統、增強功能的配置，以及與縱置發動機相比已經實行的標定策略。

為了滿足更為嚴格的排放法規，EA288 evo機型有以下變化：（1）在橫置發動機中增大低壓廢氣再循環（EGR）的冷卻器能力，冷卻功率為12.5 kW;（2）燃油噴射系統最大噴射壓力提高至220 MPa，采用閉環噴油器控制，縮短噴射間隔時間，精確控制噴油量;（3）采用“Twin dosing”尿素噴射系統系統，后處理系統緊耦合，并結合地板安裝。

EA288 evo機型通過以下措施實現CO2排放目標和噪聲控制指標：（1）曲軸箱后端油封減摩優化;（2）平衡軸減重;（3）采用鑄鐵氣缸蓋，提升曲軸箱抗彎剛度和噪聲優化;（4）優化壓氣機下游消音器;（5）應用隔音棉。

2.1 氣缸體和曲軸箱

雖然在縱置平臺中EA288 evo選擇鋁制機體和曲軸箱，但是MQB平臺的PC0和PC1功率等級發動機氣缸體和曲軸箱選用了灰鑄鐵材料（圖3）。鑄造方法由水平鑄造改為垂直鑄造，以減小壁厚并提高公差，公差可以從3.0（+1.0/-0.5）mm提高到2.8（±0.5）mm。橫置平臺的PC2功率等級發動機仍沿用縱置平臺的鋁氣缸體和曲軸箱。

為了在冷起動時快速熱車，與上一代EA288發動機相比，新一代EA288發動機的水套高度減少約40%。主軸承座根據較低的爆壓進行相應修改。通過使用虛擬優化方法，每個主軸承座都與承受的負荷大小相適應。主軸承座減重可以補償高度集成化帶來的質量增加。在這種情況下，研發人員須為鋼活塞重新設計氣缸套。EA288 evo發動機的灰鑄鐵氣缸體和曲軸箱有帶平衡軸和不帶平衡軸2種設計方案。

2.2 曲軸油封

在MQB平臺EA288 evo發動機中，氣體潤滑機械密封首次代替傳統的徑向密封被應用于曲軸油封中。該油封的穩定氣體薄膜只有幾微米厚度，可以實現無接觸和幾乎零摩擦的密封。在模擬真實的環境條件下，該發動機在摩擦性能試驗臺上進行了WLTC工況的驗證，試驗證明可減少大約0.5 g/km的CO2排放[3]。這項技術是降低CO2戰略的一部分，證明了即使是最先進的柴油機，在降低摩擦方面仍然具有開發潛力。

2.3 增壓器和EGR系統

MQB平臺機型的增壓器選配基于縱置EA288 evo的PC1和PC2功率等級機型。增壓器全新渦殼的設計給最優氣體流動提供了條件。在1.6 L EA288增壓器基礎上，研發人員進行了中間軸的摩擦優化（圖4）。隨著發動機排量的增加，可以從壓氣機特性邁譜圖中看出，壓氣機效率范圍變寬，盡管在低流量區域，效率也獲得了提升。

高壓EGR和低壓EGR作為PC0、PC1和PC2功率等級的標配，從MLB平臺到MQB平臺只有微小的尺寸變化。為了滿足RDE工況的運行條件，低壓EGR冷卻器容積增加了25%，最大冷卻能力達到12.5 kW（上一代機型為10.0 kW），可以有效減少NOx在高負荷工況下的排放。

3 軟件和部件功能強化

MQB平臺EA288 evo機型的燃油系統和EA288 evo縱置發動機的相同，均采用博世CRI 2-22 220 MPa系統，帶有針孔關閉傳感器（NCS）[4]。這是噴油器閉環控制系統在大眾公司車型中的首次應用。為了根據需求精確控制噴油量，研發人員對噴油器的特性進行了標定，實現了在較寬的功率范圍內的3次預噴。發動機在運行過程中，燃燒噪聲低，燃燒穩定性好，原始排放最低。在柴油機顆粒捕集器（DPF）再生過程中，每個工作循環有多達9次后噴。該噴油策略與發動機和傳動系統獨立作用，因此可與電氣系統聯合提供額外的可持續減排潛力（圖5）。

為了優化瞬態工況的排放，研發人員在該機型上首次應用了瞬態控制功能。EGR率和重要的噴射參數可以通過電荷漂移進行瞬態修正，這也說明該功能可以通過調控燃油和進氣，進而影響瞬態的炭煙-NOx排放關系，降低原始排放的峰值。

4 排氣后處理系統和熱管理措施

大眾公司MQB和MLB平臺的歐六d EA288系列發動機均采用帶涂覆SCR系統催化劑的DPF（SDPF），以及氨逃逸催化器（ASC）。其中，MQB平臺的EA288 evo發動機還采用雙催化轉化控制系統，進一步減少了排放。為了進一步提高后處理系統的效率，MQB平臺EA288 evo發動機首次采用“Twin dosing”尿素噴射技術，1個安裝在柴油機氧化催化器（DOC）和SDPF之間，另1個安裝在底盤中的SCR系統上游（圖6）。

4.1 “Twin dosing”系統

在緊耦合布置中，DOC的體積從1.3 L增加到1.8 L，DPF的體積從3.0 L增加到3.4 L，SCR尿素噴射模塊采用液體冷卻方式。底盤安裝的SCR尿素噴嘴采用空氣冷卻，高功率版機型的混合器在壓力損失和均勻性分布方面進行了特別優化。ASC有2部分組成，對于前驅和四驅車型來說，總體積分別為2.5 L和3.0 L。廢氣經過排氣管路時溫度會降低，在穩態工況下，底盤下SCR系統溫度比緊耦合SCR系統溫度低50 K，2部分的SCR系統一起作用，即使在高負荷和排溫較高的工況區，也可獲得最大的NOx轉化效率（圖6）。

“Twin dosing”系統的優點如下：（1）在高負荷工況，尤其對于重載工況，SCR系統可獲得最高的效率;（2）在DPF再生過程中，NOx排放可以得到改善;（3）通過低壓EGR可以減少NH3再循環;（4）后處理部件車載診斷（OBD）系統的適應性可得到加強。“Twin dosing”系統在RDE高負荷工況中可再減少50%的NOx排放，在WLTC工況測試過程的DPF再生階段，與單尿素噴射相比，NOx排放可減少70%（圖7）。除了高負荷區域，對于輕型機來說，低負荷工況的NOx排放也是重要挑戰之一，因此必須采取必要的熱管理措施。

4.2 發動機加熱模式

新一代EA288 evo發動機采用多種運行模式，以此激活緊耦合的SCR系統溫度。其運行模式主要分為4種設置。（1）加熱模式1：主動加熱，通過后噴提高排溫;（2）加熱模式2：保溫，通過進氣節流和EGR流量進行優化;（3）加熱模式3：保溫，與第2種模式接近，通過推遲燃油噴射和后噴，達到50%的放熱率;（4）正常模式：不采取輔助措施。

圖8展示了發動機冷起動后的運行模式。在發動機起動后，主動加熱用于將緊耦合SDPF的溫度迅速提升至180～220 ℃。在這之后，低負荷工況的溫度通過節流閥和高低壓EGR的選取來保持。如果這些措施仍達不到保持SCR系統的需求溫度，加熱模式3啟用，即進行燃油后噴和推遲主噴時刻。如果溫度持續降低，系統將重新啟動加熱模式2。這種升級版策略確保了車輛在不同使用工況下的SCR系統運行溫度。

5 排放結果

新一代的EA288 eco發動機歐六d排放認證是在兼顧RDE需求的實際駕駛環境下獲得的。考慮到RDE工況的多樣性，大眾公司使用統計學方式來決定其排放特性。圖9是MQB平臺所有車型的NOx排放分布直方圖。圖9顯示新舊2代E288 evo發動機的NOx排放分布情況，反映出排氣系統組件老化是導致NOx排放升高的最主要原因。創新技術的應用極大地減少了直方圖中NOx排放頻率的寬度。MQB平臺歐六d EA288 evo發動機的NOx排放統計學結果比上一代產品低了25%。

6 總結

滿足歐六d排放法規的新一代大眾MQB平臺2.0 L 直列4缸缸內直噴EA288 evo發動機證明，現代化柴油機采用創新技術可滿足當前和未來的排放需求，可以保持較高的燃油效率和出色的整機整車性能。然而，NOx和CO2排放在這類動力總成中還需要進一步降低。圖10總結了該機型降低排放的重要技術措施。

圖10 進一步降低排放的技術措施

除了排氣后處理和發動機零部件的電氣化之外，柴油機也將和混合動力系統、可再生能源進行組合，在環境保護方面發揮潛能。大眾公司自2018年1月開始使用R33混合燃料，其中26%的燃料是由剩余材料制成的加氫精制植物油，其中7%的燃料是由食物油和油脂制成的生物燃料。此類混合柴油燃料的物理和化學性能不變，因此發動機可以不做任何改變并安全使用。相較于化石燃料柴油，R33混合燃料可減少20%溫室氣體排放。

因此，柴油機作為電力移動設備的補充，特別是對長途運輸和車隊客戶來說，在保護環境和氣候方面，將繼續作為具有吸引力和成本效益的動力總成發揮重要作用。

參考文獻

[1]METZNER F T，WILLMANN S，HELBING C，u.a. Die neue vierzylinder-dieselmotorengeneration von Volkswagen[C]. 39th Internationales Wiener Motorensymposium， 2018.

[2]EIGLMEIER C， GROENENDIJK A. Downsizing von pkw-motoren， Kap.4[C]. Grundlagen der Verbrennungsmotoren， Springer-Verlag， Auflage， 2018.

[3]NEUBERGER S，BOCK E，HAAS W，u.a. CO2-einsparpotenziale durch einsatzvon gasgeschmierten gleitringdichtungen[C]. 35th Internationales Wiener Motorensymposium， 2014.

[4]WINTRICH T，ROTHE S，BUCHER K，et al. Low-emission diesel concept[C]. 27th Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik， 2018.

劉晶晶 譯自 41st International Vienna Motor Symposium 2020

虞 展 編輯

（收稿時間：2021-06-11）