基于輕型商用車柴電混合動力總成的模塊化平臺

【德】 S.KRAPF M .HOWLETT B.ENZI W.SCH?FFMANN

0 前言

在目前的輕型商用車動力系統(tǒng)領(lǐng)域，柴油機(jī)依然保有數(shù)量優(yōu)勢，2018年德國國內(nèi)約有95.5%的商用車以柴油機(jī)為動力來源[1]；在歐盟28國(EU28)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，輕型商用車(LCV)和廂式貨車中有94%的車型以柴油機(jī)為動力來源[2]。圖1示出了德國交通部(KBA)公布的德國汽車細(xì)分市場。以德國國內(nèi)的D級和E級車型為例，其中以柴油機(jī)為動力來源的車型超過了97%。而在EU28數(shù)據(jù)下的所有N1級LCV和廂式貨車(最大整車質(zhì)量為3.5 t)中約有60%是D級和E級車型。

目前，EU28要求的CO2排放限值為159 g/km(2018年數(shù)據(jù))[1]，德國為152 g/km(2018年數(shù)據(jù))[2]，上述數(shù)值已接近根據(jù)新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)工況得出的2020年的目標(biāo)值，該目標(biāo)值為147 g/km(圖1)。目前可供使用的數(shù)據(jù)表明，全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)程序(WLTP)行駛循環(huán)所要求的車輛CO2排放值比NEDC行駛循環(huán)高出約20%～25%。以2021年WLTP行駛循環(huán)要求的車輛CO2排放值為基礎(chǔ)，2025年和2030年的車輛CO2排放值將分別降低15%和31%。未來，柴油機(jī)也將為LCV和廂式貨車的降本增效目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)。

除了減少CO2排放，歐7標(biāo)準(zhǔn)(尚未確定確切公布日期和限值)也是影響未來LCV動力總成技術(shù)要求的重要因素。電氣化措施的推行及城市中心對內(nèi)燃機(jī)汽車的限行令都將對此產(chǎn)生影響。

為了滿足歐7排放標(biāo)準(zhǔn)，48 V車載網(wǎng)絡(luò)可與電機(jī)的P0布置型式相結(jié)合，而且采用P2布置型式的48 V動力總成也可有效滿足未來的CO2排放目標(biāo)。

1 排放技術(shù)

研究人員將N1級輕型商用車和8座汽車(M1)在底盤測功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)證。滿足當(dāng)前歐6d廢氣排放法規(guī)并可降低氮氧化物(NOx)排放的技術(shù)包括廢氣再循環(huán)(EGR)、柴油機(jī)顆粒捕集器，以及帶尿素噴射的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)。為滿足更為嚴(yán)苛的歐6d排放限值，研究人員應(yīng)不斷改良SCR的凈化效果，從而在高負(fù)荷和高溫條件下也能確保較高的轉(zhuǎn)化率。通過機(jī)內(nèi)凈化措施來控制排氣后處理系統(tǒng)(EAS)的溫度，而排氣加熱會顯著降低燃燒效率。

根據(jù)歐7排放標(biāo)準(zhǔn)，研究人員須進(jìn)一步降低NOx排放，并且在更寬廣的實(shí)際駕駛循環(huán)(RDE)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)范圍內(nèi)滿足更嚴(yán)苛的指標(biāo)。這就要求整個(gè)廢氣后處理系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)可靠的溫度管理，以便在發(fā)動機(jī)起動后和更短的城市行駛工況下確保較高的NOx轉(zhuǎn)化率。與采用先進(jìn)燃燒技術(shù)的加熱措施相比，廢氣后處理上游的電加熱元件(E-Cat) 在運(yùn)行策略方面具有更高的靈活性，并改善了NOx和CO2之間的平衡[3]。由于所需的加熱功率約為4 kW，因此研究人員選擇采用48 V系統(tǒng)(圖2)。

圖2 滿足未來排放法規(guī)的技術(shù)

針對48 V電機(jī)的設(shè)計(jì)允許其實(shí)現(xiàn)附加功能，即使在低轉(zhuǎn)速時(shí)也能輸出較高的轉(zhuǎn)矩，以支持發(fā)動機(jī)在特性曲線場中實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行。制動階段回收的動能有助于實(shí)現(xiàn)CO2排放的平衡，并使蓄電池充電狀態(tài)保持均衡穩(wěn)定。

發(fā)動機(jī)扭矩的提升有利于改善動態(tài)駕駛時(shí)發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)工況變化，進(jìn)而避免NOx排放達(dá)到峰值，因此無需配備吸附式催化轉(zhuǎn)化器。

48 V系統(tǒng)是未來用于實(shí)現(xiàn)降低LCV廢氣排放的關(guān)鍵技術(shù)，并有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

隨著全球廢氣排放法規(guī)的逐漸趨同，這種技術(shù)不僅適用于EU28，而且也可用于其他國家的柴油機(jī)市場，例如中國和印度等國。

2 動力總成設(shè)計(jì)

48 V混合動力系統(tǒng)可選用不同的布置型式(圖3)。對于輕型商用車而言，P0或P2這2種結(jié)構(gòu)型式具有最高的應(yīng)用潛力[4]。

圖3 未來LCV動力總成設(shè)計(jì)

采用12 kW BSG的P0混合動力具有起動-停車功能及電動助力功能，并可回收部分能量，以此能滿足質(zhì)量為3.5 t的車輛的技術(shù)需求。這種系統(tǒng)可配裝到傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)上，此時(shí)通過BSG以替代12 V發(fā)電機(jī)。該方案的弊端在于皮帶負(fù)荷會產(chǎn)生寄生損失。此外，由于用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)曲軸同樣也用于驅(qū)動動力總成，因此其功能性也會受到限制。

為了避免這些缺點(diǎn)，研究人員可將P2混合動力(作為緊湊單元)集成在內(nèi)燃機(jī)與變速箱之間[5]。30 kW的輸出功率與較高的蓄電池容量相結(jié)合就能滿足短途行駛需求，例如市內(nèi)運(yùn)輸。如果在內(nèi)燃機(jī)停機(jī)的情況下對車輛進(jìn)行操縱，則針對輔助裝置(例如空調(diào)、真空泵和轉(zhuǎn)向泵等)而進(jìn)行的電氣化改良則是必不可少的。

P2系統(tǒng)的成本部分可通過簡化內(nèi)燃機(jī)而得到補(bǔ)償，可采用電動水泵和電動機(jī)油泵代替機(jī)械驅(qū)動方式[6]，這些措施同樣有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。通過上述方案開啟了全新的技術(shù)領(lǐng)域，例如應(yīng)用電動增壓器或電輔助增壓器以提高發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩。

48 V系統(tǒng)降低CO2排放的技術(shù)潛力主要取決于運(yùn)行策略和蓄電池容量，因?yàn)樵赗DE行駛循環(huán)期間難以預(yù)測以純電模式驅(qū)動的持續(xù)時(shí)間，因此該系統(tǒng)須保持均衡而穩(wěn)定的充電狀態(tài)[7]。

3 CO2減排技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)降低CO2排放的目標(biāo)，成本高昂的先進(jìn)技術(shù)又重新受到了研究人員的關(guān)注。例如，可變機(jī)油泵和可變水泵在乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用已顯示出一定的潛力和可靠性，同時(shí)其也將應(yīng)用于LCV(圖4)。形狀修正珩磨、主軸承拋光和低摩擦涂層等工藝優(yōu)化措施的運(yùn)用同樣取得了較好效果。通過對曲柄連桿機(jī)構(gòu)和氣缸襯套接觸面幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可最大程度地減少發(fā)動機(jī)摩擦，而將鋁活塞調(diào)整為鋼活塞也是1項(xiàng)重要舉措。

圖4 各種用于降低CO2排放的有效措施

通過熱管理、優(yōu)化發(fā)動機(jī)暖機(jī)過程并保持一定的運(yùn)行溫度，也能起到一定的改善效果。采用48 V系統(tǒng)后，電動水泵和電動機(jī)油泵可實(shí)現(xiàn)按需運(yùn)行，并減少驅(qū)動能量[8]。

表1 模塊化動力總成示例：技術(shù)特征

下一步發(fā)展目標(biāo)是使發(fā)動機(jī)熱效率提高到45%以上，由此應(yīng)顯著提高壓縮比，并使峰值壓力提高到25 MPa。為了在不增加摩擦損失的情況下使機(jī)體承受較高的機(jī)械負(fù)荷，研究人員須對組件設(shè)計(jì)和材料概念進(jìn)行全面優(yōu)化。

4 模塊化發(fā)動機(jī)與動力總成

將上述元件集成在模塊化動力總成平臺中，可使各種改型產(chǎn)品的生產(chǎn)和裝配更具靈活性。表1示出了基于當(dāng)前量產(chǎn)發(fā)動機(jī)而開發(fā)的平臺，以滿足未來降低廢氣和CO2排放的目標(biāo)。

研究中采用的基礎(chǔ)機(jī)型是1款2.2 L發(fā)動機(jī)，其按照當(dāng)前的歐6d廢氣排放法規(guī)而設(shè)計(jì)，并已應(yīng)用于3.5 t商用車。該款發(fā)動機(jī)配備有sDPF和高壓冷卻EGR系統(tǒng)。WG-TC則專門用于功率等級為80 kW的機(jī)型。

研究人員下一步重點(diǎn)的開發(fā)工作是通過增加自身帶有尿素定量配給系統(tǒng)的SCR催化轉(zhuǎn)化器，并改善EGR標(biāo)定過程來降低RDE的一致性系數(shù)。由此可使低壓EGR系統(tǒng)能在NOx排放相同的情況下降低CO2排放，而高壓EGR在發(fā)動機(jī)冷態(tài)運(yùn)行階段仍可發(fā)揮作用。

48 V-P0系統(tǒng)可用于滿足歐7排放法規(guī)。研究人員通過使用廢氣后處理上游的電加熱元件調(diào)節(jié)廢氣溫度以替代機(jī)內(nèi)凈化措施(例如可變排氣相位)，由此能降低CO2排放。通過采用48 V系統(tǒng)還能使用配裝了電輔助機(jī)械增壓器或集成電機(jī)的電輔助渦輪增壓器，從而在較低的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下也能獲得較高的增壓壓力，并對渦輪增壓器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。電輔助機(jī)械增壓器也能與廢氣后處理裝置實(shí)現(xiàn)組合使用，并可在發(fā)動機(jī)停機(jī)期間控制后處理系統(tǒng)的溫度。在采用電輔助的P2配置中，無需配備皮帶傳動裝置，從而縮短發(fā)動機(jī)長度并提高整機(jī)效率。

在該發(fā)動機(jī)系列中，可以使發(fā)動機(jī)配備不同的增壓系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出(圖5)。80 kW的額定功率可以滿足大部分車型的需求。采用VGT或二級增壓系統(tǒng)可以使發(fā)動機(jī)達(dá)到更高的功率水平。隨著48 V技術(shù)的發(fā)展，電輔助增壓系統(tǒng)將成為1種趨勢。為了進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)功率，可以將電輔助機(jī)械增壓與VGT渦輪增壓器結(jié)合在一起，還可以直接采用電輔助VGT渦輪增壓器(e-VGT)。

圖5 模塊化的動力總成系列

盡管模塊化平臺的應(yīng)用重點(diǎn)是N1細(xì)分市場，但功率更高的變型產(chǎn)品也可用于M1級車輛，例如小型貨車、皮卡或SUV等?？紤]到該市場領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動機(jī)使用壽命的要求有所降低，研究人員可通過設(shè)計(jì)合適的增壓系統(tǒng)及更高的額定轉(zhuǎn)速，從而使發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。

另一方面，同一款基礎(chǔ)機(jī)型也可用于質(zhì)量為3.5～12 t的N2級重型車輛?？紤]到基于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺的排放認(rèn)證過程，渦輪增壓系統(tǒng)、排氣后處理系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)必須滿足以下要求：在較高發(fā)動機(jī)負(fù)荷下能實(shí)現(xiàn)更高的EGR率，并在一定程度上能降低額定功率。

5 結(jié)語和展望

本文介紹了包括48 V電氣化系統(tǒng)在內(nèi)的改進(jìn)措施，使發(fā)動機(jī)可充分滿足未來的尾氣排放法規(guī)和CO2排放目標(biāo)。目前，研究人員對純電驅(qū)動方式的關(guān)注度正與日俱增，但對于LCV而言，針對柴油機(jī)進(jìn)行的技術(shù)改良也是關(guān)鍵所在。

李媛媛 譯自 MTZ，2020，81(01)

伍賽特 編輯

(收稿時(shí)間：2020-04-22)