大眾公司新一代歐六d高效清潔缸內(nèi)直噴柴油機(jī)

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

摘要

目前，柴油機(jī)仍然是大眾公司產(chǎn)品線的重要部分，其既可以滿足客戶需求，又能實(shí)現(xiàn)公司的CO2排放指標(biāo)。大眾公司新一代EA288 evo柴油機(jī)早在2018年已經(jīng)推出，現(xiàn)在首次應(yīng)用于大眾公司橫置產(chǎn)品平臺，滿足歐六d排放標(biāo)準(zhǔn)。該機(jī)型關(guān)注點(diǎn)在于創(chuàng)新性的“Twin dosing”尿素噴射系統(tǒng)的應(yīng)用，以及先進(jìn)的熱管理措施，在實(shí)際行駛排放（RDE）工況測試中表現(xiàn)良好。與此同時，該發(fā)動機(jī)將滿足未來排放法規(guī)的要求，還可與混合動力、再生能源組合使用。這也進(jìn)一步證明現(xiàn)代柴油機(jī)在降低CO2排放、保護(hù)環(huán)境方面的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞

柴油機(jī);排放法規(guī);尿素噴射系統(tǒng)

0 前言

現(xiàn)代化的高效清潔柴油機(jī)仍是客戶的首選，這些柴油機(jī)在降低CO2排放方面有很大貢獻(xiàn)。歐六d排放標(biāo)準(zhǔn)要求在全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（WLTC）和真實(shí)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(xù)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(jī)。在大眾集團(tuán)內(nèi)部，該系列柴油機(jī)最初是作為滿足歐六d排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)縱置模塊化（MLB）平臺的搭載機(jī)型。本文介紹該系列柴油機(jī)在橫置模塊化（MQB）平臺中的開發(fā)情況。該款機(jī)型是大眾公司橫置模塊化平臺唯一的2.0 L排量產(chǎn)品，與之前的其他產(chǎn)品相比，是模塊化應(yīng)用的代表。大眾公司極大減少了該機(jī)型變形產(chǎn)品的數(shù)量，發(fā)動機(jī)零部件不受整車布置的影響。通過延伸件（COP）策略，發(fā)動機(jī)動力等級適用于平臺下的所有車型。

1 目標(biāo)和策略

該機(jī)型的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足歐六d排放標(biāo)準(zhǔn)，并適用于MQB平臺：（1）在歐六d所有的排放測試循環(huán)和RDE工況運(yùn)行條件下，排放最低;（2）在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)，保持排放穩(wěn)定;（3）降低CO2排放，并優(yōu)化燃燒噪聲;（4）滿足理想的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

在滿足歐六d的MQB平臺中，上一代EA288機(jī)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(jī)型，在RDE工況下，可以應(yīng)用的車輛等級范圍更寬[1]。在MQB平臺中，該發(fā)動機(jī)從85～147 kW有3個功率等級（圖1），與縱置發(fā)動機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。在RDE工況中，該柴油機(jī)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(jī)型的RDE工況排放的NOx是歐六d法規(guī)要求的50%左右。對于柴油機(jī)而言，最大的挑戰(zhàn)在于減少所有駕駛工況下的NOx排放。在整車生命周期內(nèi)，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(tǒng)的效率。

2 硬件和附件的變化

圖2所示為2018款縱置EA288 evo機(jī)型的硬件和附件變化。本文只介紹發(fā)動機(jī)本體及附件的變化，包括后處理系統(tǒng)、增強(qiáng)功能的配置，以及與縱置發(fā)動機(jī)相比已經(jīng)實(shí)行的標(biāo)定策略。

為了滿足更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，EA288 evo機(jī)型有以下變化：（1）在橫置發(fā)動機(jī)中增大低壓廢氣再循環(huán)（EGR）的冷卻器能力，冷卻功率為12.5 kW;（2）燃油噴射系統(tǒng)最大噴射壓力提高至220 MPa，采用閉環(huán)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(tǒng)系統(tǒng)，后處理系統(tǒng)緊耦合，并結(jié)合地板安裝。

EA288 evo機(jī)型通過以下措施實(shí)現(xiàn)CO2排放目標(biāo)和噪聲控制指標(biāo)：（1）曲軸箱后端油封減摩優(yōu)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(yōu)化;（4）優(yōu)化壓氣機(jī)下游消音器;（5）應(yīng)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(jī)體和曲軸箱，但是MQB平臺的PC0和PC1功率等級發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)相比，新一代EA288發(fā)動機(jī)的水套高度減少約40%。主軸承座根據(jù)較低的爆壓進(jìn)行相應(yīng)修改。通過使用虛擬優(yōu)化方法，每個主軸承座都與承受的負(fù)荷大小相適應(yīng)。主軸承座減重可以補(bǔ)償高度集成化帶來的質(zhì)量增加。在這種情況下，研發(fā)人員須為鋼活塞重新設(shè)計(jì)氣缸套。EA288 evo發(fā)動機(jī)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(shè)計(jì)方案。

2.2 曲軸油封

在MQB平臺EA288 evo發(fā)動機(jī)中，氣體潤滑機(jī)械密封首次代替?zhèn)鹘y(tǒng)的徑向密封被應(yīng)用于曲軸油封中。該油封的穩(wěn)定氣體薄膜只有幾微米厚度，可以實(shí)現(xiàn)無接觸和幾乎零摩擦的密封。在模擬真實(shí)的環(huán)境條件下，該發(fā)動機(jī)在摩擦性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行了WLTC工況的驗(yàn)證，試驗(yàn)證明可減少大約0.5 g/km的CO2排放[3]。這項(xiàng)技術(shù)是降低CO2戰(zhàn)略的一部分，證明了即使是最先進(jìn)的柴油機(jī)，在降低摩擦方面仍然具有開發(fā)潛力。

2.3 增壓器和EGR系統(tǒng)

MQB平臺機(jī)型的增壓器選配基于縱置EA288 evo的PC1和PC2功率等級機(jī)型。增壓器全新渦殼的設(shè)計(jì)給最優(yōu)氣體流動提供了條件。在1.6 L EA288增壓器基礎(chǔ)上，研發(fā)人員進(jìn)行了中間軸的摩擦優(yōu)化（圖4）。隨著發(fā)動機(jī)排量的增加，可以從壓氣機(jī)特性邁譜圖中看出，壓氣機(jī)效率范圍變寬，盡管在低流量區(qū)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(biāo)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(yùn)行條件，低壓EGR冷卻器容積增加了25%，最大冷卻能力達(dá)到12.5 kW（上一代機(jī)型為10.0 kW），可以有效減少NOx在高負(fù)荷工況下的排放。

3 軟件和部件功能強(qiáng)化

MQB平臺EA288 evo機(jī)型的燃油系統(tǒng)和EA288 evo縱置發(fā)動機(jī)的相同，均采用博世CRI 2-22 220 MPa系統(tǒng)，帶有針孔關(guān)閉傳感器（NCS）[4]。這是噴油器閉環(huán)控制系統(tǒng)在大眾公司車型中的首次應(yīng)用。為了根據(jù)需求精確控制噴油量，研發(fā)人員對噴油器的特性進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了在較寬的功率范圍內(nèi)的3次預(yù)噴。發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中，燃燒噪聲低，燃燒穩(wěn)定性好，原始排放最低。在柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）再生過程中，每個工作循環(huán)有多達(dá)9次后噴。該噴油策略與發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)獨(dú)立作用，因此可與電氣系統(tǒng)聯(lián)合提供額外的可持續(xù)減排潛力（圖5）。

為了優(yōu)化瞬態(tài)工況的排放，研發(fā)人員在該機(jī)型上首次應(yīng)用了瞬態(tài)控制功能。EGR率和重要的噴射參數(shù)可以通過電荷漂移進(jìn)行瞬態(tài)修正，這也說明該功能可以通過調(diào)控燃油和進(jìn)氣，進(jìn)而影響瞬態(tài)的炭煙-NOx排放關(guān)系，降低原始排放的峰值。

4 排氣后處理系統(tǒng)和熱管理措施

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

4.1 “Twin dosing”系統(tǒng)

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(jī)型的混合器在壓力損失和均勻性分布方面進(jìn)行了特別優(yōu)化。ASC有2部分組成，對于前驅(qū)和四驅(qū)車型來說，總體積分別為2.5 L和3.0 L。廢氣經(jīng)過排氣管路時溫度會降低，在穩(wěn)態(tài)工況下，底盤下SCR系統(tǒng)溫度比緊耦合SCR系統(tǒng)溫度低50 K，2部分的SCR系統(tǒng)一起作用，即使在高負(fù)荷和排溫較高的工況區(qū)，也可獲得最大的NOx轉(zhuǎn)化效率（圖6）。

“Twin dosing”系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）在高負(fù)荷工況，尤其對于重載工況，SCR系統(tǒng)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(huán);（4）后處理部件車載診斷（OBD）系統(tǒng)的適應(yīng)性可得到加強(qiáng)?！癟win dosing”系統(tǒng)在RDE高負(fù)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(fù)荷區(qū)域，對于輕型機(jī)來說，低負(fù)荷工況的NOx排放也是重要挑戰(zhàn)之一，因此必須采取必要的熱管理措施。

4.2 發(fā)動機(jī)加熱模式

新一代EA288 evo發(fā)動機(jī)采用多種運(yùn)行模式，以此激活緊耦合的SCR系統(tǒng)溫度。其運(yùn)行模式主要分為4種設(shè)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(jìn)氣節(jié)流和EGR流量進(jìn)行優(yōu)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(dá)到50%的放熱率;（4）正常模式：不采取輔助措施。

圖8展示了發(fā)動機(jī)冷起動后的運(yùn)行模式。在發(fā)動機(jī)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(fù)荷工況的溫度通過節(jié)流閥和高低壓EGR的選取來保持。如果這些措施仍達(dá)不到保持SCR系統(tǒng)的需求溫度，加熱模式3啟用，即進(jìn)行燃油后噴和推遲主噴時刻。如果溫度持續(xù)降低，系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)行溫度。

5 排放結(jié)果

新一代的EA288 eco發(fā)動機(jī)歐六d排放認(rèn)證是在兼顧RDE需求的實(shí)際駕駛環(huán)境下獲得的。考慮到RDE工況的多樣性，大眾公司使用統(tǒng)計(jì)學(xué)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(fā)動機(jī)的NOx排放分布情況，反映出排氣系統(tǒng)組件老化是導(dǎo)致NOx排放升高的最主要原因。創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)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(fā)動機(jī)的NOx排放統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果比上一代產(chǎn)品低了25%。

6 總結(jié)

滿足歐六d排放法規(guī)的新一代大眾MQB平臺2.0 L 直列4缸缸內(nèi)直噴EA288 evo發(fā)動機(jī)證明，現(xiàn)代化柴油機(jī)采用創(chuàng)新技術(shù)可滿足當(dāng)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(jī)整車性能。然而，NOx和CO2排放在這類動力總成中還需要進(jìn)一步降低。圖10總結(jié)了該機(jī)型降低排放的重要技術(shù)措施。

圖10 進(jìn)一步降低排放的技術(shù)措施

除了排氣后處理和發(fā)動機(jī)零部件的電氣化之外，柴油機(jī)也將和混合動力系統(tǒng)、可再生能源進(jìn)行組合，在環(huán)境保護(hù)方面發(fā)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(xué)性能不變，因此發(fā)動機(jī)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(jī)作為電力移動設(shè)備的補(bǔ)充，特別是對長途運(yùn)輸和車隊(duì)客戶來說，在保護(hù)環(huán)境和氣候方面，將繼續(xù)作為具有吸引力和成本效益的動力總成發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

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劉晶晶 譯自 41st International Vienna Motor Symposium 2020

虞 展 編輯

（收稿時間：2021-06-11）