某2.8L國Ⅴ電控柴油機與輕型客車的匹配及優(yōu)化

胡昊（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某2.8L國Ⅴ電控柴油機與輕型客車的匹配及優(yōu)化

胡昊
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

為了降低機動車尾氣排放對環(huán)境的污染，國家已經(jīng)在全國穩(wěn)步推進(jìn)全面實施國Ⅴ階段排放控制要求。針對某款2.8L國Ⅴ重型電控柴油機技術(shù)應(yīng)用上的特殊性，詳細(xì)介紹了其在輕型客車上安裝匹配的要求，并對其性能優(yōu)化選型的過程進(jìn)行了闡述。

國Ⅴ重型柴油機安裝匹配性能優(yōu)化

1　　概述

隨著社會的發(fā)展，人民群眾的環(huán)保意識越來越強，降低大氣中的PM2.5的含量，實現(xiàn)祖國的碧海藍(lán)天成為每一個社會人的共同心聲。為了提高空氣質(zhì)量，國家環(huán)保部門制定了周密的機動車減排計劃，北京已經(jīng)規(guī)定自2015年6月1日起全面實施國Ⅴ階段排放控制要求，尤其要求申報北京環(huán)保目錄的重型柴油車（發(fā)動機）其污染物排放必須符合國Ⅴ階段排放控制要求。搭載重型電控柴油機的輕型客車實施國Ⅴ排放已是大勢所趨，做好該車型的安裝匹配及性能優(yōu)化更是迫在眉睫。

2　　動力總成安裝匹配

重型電控柴油機在輕型客車上的安裝匹配狀態(tài)直接影響到整車的動力性及經(jīng)濟性。在確保整車排放達(dá)到國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的同時，如何結(jié)合國Ⅴ發(fā)動機的特殊性優(yōu)化動力總成的安裝匹配，實現(xiàn)節(jié)能減排，成為每一位動力總成匹配工程師當(dāng)前的工作要務(wù)。下面就某款采用SCR后處理技術(shù)的2.8 L國Ⅴ重型電控柴油機各個子系統(tǒng)的安裝匹配要求進(jìn)行介紹。

2.1進(jìn)氣系統(tǒng)

整車空氣濾清器的原始進(jìn)風(fēng)口應(yīng)盡可能高，其截面積是空氣濾清器進(jìn)氣管截面積的1.3倍以上，以確保能吸進(jìn)干凈、足量的空氣。空濾器的額定流量是發(fā)動機標(biāo)定工況下實測流量（發(fā)動機的進(jìn)氣量與空氣壓縮機的進(jìn)氣量之和）的1.2～1.5倍［1］。另外，SCR后處理系統(tǒng)要求整車配置環(huán)境溫度傳感器，環(huán)境溫度傳感器的布置有防迎風(fēng)、防水、防塵和防暴曬的要求，故一般布置在空氣濾清器濾芯后位置。

進(jìn)氣阻力及溫升（進(jìn)氣溫度相對于環(huán)境溫度）是影響發(fā)動機性能的重要因素。進(jìn)氣阻力大會限制發(fā)動機功率和扭矩的輸出，同時也會增加渦輪增壓器竄油的可能性，影響發(fā)動機的壽命。進(jìn)氣溫升高會導(dǎo)致發(fā)動機進(jìn)氣量減少，氧氣供給不充足，燃燒惡化，從而影響發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。對于該款柴油機進(jìn)氣系統(tǒng)（進(jìn)氣管路和空濾器）的匹配系統(tǒng)阻力應(yīng)低于5.3 kPa，溫升應(yīng)低于10℃，所以整車在進(jìn)氣管路設(shè)計選型時，選取了大規(guī)格的空氣濾清器（額定流量750 m3/h），進(jìn)氣管路的內(nèi)徑控制在Φ100～Φ120 mm之間。由于部分進(jìn)氣管路位于發(fā)動機艙內(nèi)，對管路也進(jìn)行了隔熱包裹處理。系統(tǒng)經(jīng)測試后各項指標(biāo)滿足要求。

2.2排氣系統(tǒng)

SCR后處理系統(tǒng)采用的是選擇性催化還原的尾氣處理方式，其原理是通過優(yōu)化燃燒來降低PM、HC和CO排放，再通過往廢氣中噴入尿素來降低NOx排放。SCR后處理系統(tǒng)由催化消聲器、尿素泵總成、尿素噴嘴總成、尿素噴射控制器（DCU）、尿素箱、尿素輸送管路、加熱電磁閥及其附件等構(gòu)成。為了使廢氣中的NOx與尿素在排氣管路中反應(yīng)充分，排氣管路的布置設(shè)計有若干注意事項，下面就SCR后處理系統(tǒng)中關(guān)鍵子零部件的布置要求分別介紹。

2.2.1催化消聲器

催化消聲器的主要作用是催化還原氮氧化合物的反應(yīng)，防止氨氣泄漏和降低發(fā)動機的排氣噪聲，是催化轉(zhuǎn)換器和發(fā)動機排氣消聲器的集合體。催化消聲器在整車上的布置可以安裝在傳統(tǒng)消聲器位置，但由于催化消聲器的質(zhì)量比傳統(tǒng)消聲器大很多，催化消聲器的安裝布置需要重新設(shè)計，使相關(guān)固定支撐可以承受增加的重量。另外，催化劑化學(xué)反應(yīng)跟排氣溫度有很大關(guān)系，所以催化消聲器應(yīng)盡可能靠近發(fā)動機（最大直線距離小于4 m），而且排氣管盡可能包裹保溫層。

2.2.2尿素泵總成

尿素泵安裝位置的振動加速度需小于6g，如不能滿足要求，需使用減震墊。尿素泵不能離排氣管、催化消聲器、渦輪增壓器等熱源太近。尿素泵需靠近尿素箱安裝，為減少截流空氣進(jìn)入尿素管內(nèi)部的可能性，進(jìn)尿素管應(yīng)越短越好。

2.2.3尿素噴射控制器

DCU要布置在通風(fēng)散熱良好的位置，遠(yuǎn)離熱源，注意防水、防塵，表面禁止有覆蓋物。

2.2.4尿素箱

尿素箱用于存儲尿素溶液，為方便加注，尿素箱一般和油箱同側(cè)布置，但不能貼在一起。油箱溫度較高，有可能加熱尿素溶液，引起尿素溶液性質(zhì)變化。尿素箱布置要遠(yuǎn)離熱源，避免太陽直射。

排氣背壓過大會限制發(fā)動機功率和扭矩的輸出，對于該柴油機排氣系統(tǒng)的匹配，排氣背壓最大值應(yīng)小于18 kPa。整車在排氣管路設(shè)計選型時，盡量減少管路的直彎角，管路內(nèi)徑控制在Φ70 mm以上，且對消聲器進(jìn)行了優(yōu)化選型，在滿足噪聲指標(biāo)的前提下，盡量縮小消聲器的尺寸。系統(tǒng)經(jīng)測試后背壓指標(biāo)滿足要求。

2.3冷卻系統(tǒng)

目前在輕型客車上發(fā)動機的布置形式多采用前置后驅(qū)，發(fā)動機的冷卻模塊位于車頭迎風(fēng)處，模塊中的空調(diào)冷凝器、中冷散熱器和水箱散熱器采用“三明治”式的串聯(lián)布置方式，這就對冷卻模塊的冷卻能力提出了更高要求。一般就需要在冷卻模塊前后各布置一個風(fēng)扇：空調(diào)冷凝器風(fēng)扇和發(fā)動機自帶的電磁離合器風(fēng)扇或者整車自配電子風(fēng)扇。兩個風(fēng)扇都由發(fā)動機電控單元根據(jù)發(fā)動機水溫和空調(diào)開啟情況及冷媒壓力進(jìn)行控制。由于風(fēng)扇消耗功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，風(fēng)扇的噪聲與轉(zhuǎn)速成對數(shù)關(guān)系，所以應(yīng)盡可能選擇直徑大的風(fēng)扇和低的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，一般要求風(fēng)扇的葉尖線速度控制在80 m/s以內(nèi)。

該款2.8 L國Ⅴ重型柴油機配套輕型客車需要適應(yīng)高原、高溫、高寒等各種路況，要求水箱壓力蓋的開啟壓力不得小于90 kPa，冷卻系統(tǒng)允許的最高環(huán)境適應(yīng)溫度大于46℃，中冷器出口溫度相對于環(huán)境溫度的溫升小于25℃，中冷器進(jìn)、出氣口的壓力差小于10 kPa。

2.4燃油系統(tǒng)

該款柴油機采用的是負(fù)壓燃油系統(tǒng)，負(fù)壓燃油系統(tǒng)對燃油進(jìn)油管路的密封性要求很高。建議進(jìn)油管路中燃油箱至燃油濾清器、燃油濾清器至高壓油泵采用夾箍擰緊的連接方式，盡量避免采用快插接頭的連接方式，燃油濾清器應(yīng)選擇自帶自排氣功能，這樣可以避免由于進(jìn)油管路有空氣進(jìn)入導(dǎo)致啟動困難［2］。此外，為了避免柴油在低溫時析蠟導(dǎo)致油路堵塞，建議燃油濾清器增加加熱功能。

2.5動力總成其他相關(guān)系統(tǒng)

（1）懸置系統(tǒng)：輕型客車常用于載客用途，振動問題是客戶關(guān)注的焦點。為了提高駕乘舒適性，懸置系統(tǒng)的隔振率多要求在90%以上，并且還有較高的可靠性及使用壽命要求。

（2）整車用電量的計算：由于整車采用的是SCR后處理尾氣處理方式，增加了DCU、尿素泵和尿素管路加熱的用電需求，整車用電量計算時需要加入后處理系統(tǒng)的用電需求。

（3）冷啟動能力：為了提高整車的冷啟動能力，發(fā)動機一般都自帶了進(jìn)氣預(yù)熱功能，此外還要加大整車電瓶的蓄電量儲備。對于長度6 m左右采用12V電壓系統(tǒng)的輕型客車，在空間布置容許的前提下，電瓶容量推薦選用120 Ah以上規(guī)格。

（4）由于輕型客車的發(fā)動機艙的布置空間緊湊，發(fā)動機相關(guān)零部件的拆裝空間有限。為了提高整車的可維修性，布置時零部件的拆裝空間需要重點考慮。

3　　動力性能優(yōu)化選型

隨著輕型客車市場競爭越來越激烈，客戶對車輛動力性和經(jīng)濟性的要求日漸提高，這些要求往往成為客戶決定是否購買的關(guān)鍵指標(biāo)，因此要想在輕客細(xì)分市場拔得頭籌，整車的性能匹配成為制勝的關(guān)鍵。據(jù)市場調(diào)研，輕型客車用途多為載客和載貨，經(jīng)常處于滿載工況，常用行駛環(huán)境為城市道路、高速公路和山區(qū)道路等路段。道路中的高架匝道、橋梁引橋和盤山公路等都需要長時間爬坡，所以輕型客車對發(fā)動機的低速扭矩要求較高。另外，由于近年來國家嚴(yán)控機動車超速運行，城市道路和山區(qū)道路都限速在80 km/h以下，客運車輛高速公路限速100 km/h，因此輕型客車常用車速在30～100 km/h之間，常用發(fā)動機轉(zhuǎn)速位于1 000～2 500 r/min之間。

本文以2.8 L國Ⅴ重型電控柴油機在某輕客車型上的性能優(yōu)化選型過程為例，介紹了整車動力總成的性能匹配過程。該客車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　　整車變速箱及后橋參數(shù)配置

2.8 L國Ⅴ重型電控柴油機由于增壓器配置的不同，分別對應(yīng)2種不同性能的變形配套機型，以適用不同的配套需求，主要性能參數(shù)見表2。2款性能的萬有特性曲線見圖1、圖2。根據(jù)表1和表2，可以計算出在各個檔位下不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的整車車速，見圖3。

由圖1和圖2可以看出，這2種配置柴油機的同值等油耗線覆蓋面積接近，SC28R143Q5A型柴油機最經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)為 1 800～2 500 r/min，SC28R143. 1Q5A型柴油機最經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)為1 600～2 200 r/min，相對于前者向低速平移了200 r/min。再結(jié)合圖3可以看出，SC28R143Q5A型柴油機對應(yīng)最節(jié)油車速區(qū)間為72～100 km/h，SC28R143.1Q5A型柴油機對應(yīng)最節(jié)油車速區(qū)間為65～88 km/h，這表明SC28R143. 1Q5A型柴油機的性能更有利于車輛在城市道路和山區(qū)道路的節(jié)油，但在高速公路的經(jīng)濟性略差。這對于更強調(diào)低速經(jīng)濟性的輕型客車來說，顯然SC28R143.1Q5A型柴油機的性能更適配。

表2　　發(fā)動機兩款性能參數(shù)表

圖1　SC28R143Q5A型發(fā)動機萬有特性曲線

圖2　SC28R143.1Q5A型發(fā)動機萬有特性曲線

由圖1和圖2還可以看出，SC28R143.1Q5A型柴油機低速扭矩大，動力性好。其原因有以下2個方面：

（1）在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，SC28R143. 1Q5A型柴油機的扭矩為250 N·m，比SC28R143Q5A型柴油機增加近了50 N·m，提高了25%；

（2）SC28R143.1Q5A型柴油機標(biāo)定轉(zhuǎn)速略低一些，但最大扭矩轉(zhuǎn)速范圍更加寬廣，為1 600～3 000 r/min，且1 600 r/min時就達(dá)到了最大扭矩。

另外，由圖3可以看出，SC28R143Q5A型柴油機和SC28R143.1Q5A型柴油機對應(yīng)的最高車速分別為145.2 km/h和129 km/h。SC28R143.1Q5A型柴油機對應(yīng)的車速范圍雖然沒有SC28R143Q5A型柴油機寬廣，但已滿足國內(nèi)的常用使用工況。

綜上所述，SC28R143.1Q5A型柴油機性能的動力性和低轉(zhuǎn)速經(jīng)濟性指標(biāo)更優(yōu)，更適配于該款輕型客車。實際首臺樣車匹配效果，整車采用C-WTVC循環(huán)工況測試百公里綜合油耗為10.5 L，完全滿足整車的匹配要求。

圖3　不同檔位下發(fā)動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速

4　　結(jié)論

通過對某2.8L國Ⅴ重型電控柴油機在輕型客車上安裝匹配要求的闡述，以及結(jié)合輕型客車實際匹配需求對發(fā)動機性能的選型，實現(xiàn)了該款柴油機在輕客細(xì)分市場的優(yōu)化匹配，提升了整車的綜合性能，增加了顧客滿意度。

Optimization of Light Bus Matching 2.8L China-V Electrically Controlled Diesel Engine

Hu Hao
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，.Shanghai 200438，China）

In order to reduce the pollution of the vehicle exhaust emissions，country already overall implement china-V emission.For a 2.8L china-v electrically controlled diesel engine special characteristic，the paper introduces the requirements for the installation and matching of the engine in the light bus，and expounds the process of optimizing the performance of the engine.

china-V，heavy duty diesel engine，match，performance optimization

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.006

來稿日期：2015-09-24

胡昊（1984-），男，工程師，主要研究方向為客車用發(fā)動機配套設(shè)計。