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匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油機開發(fā)

王啟航1，張松濤2，侯方2，金喆2，趙雪輝2

（1.西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

摘要匹配皮卡車型的CA4DC2-10E3柴油機以CA4DC2-12E3國Ⅲ排放電控共軌柴油機為基礎(chǔ)，設(shè)計了冷卻EGR系統(tǒng)，并在臺架上進行了標(biāo)定開發(fā)工作。整車在轉(zhuǎn)轂上匹配了氧化型后處理器，同時優(yōu)化了標(biāo)定。試驗結(jié)果表明：樣車排放達到了國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，整車排放循環(huán)工況百公里油耗為8.8升。

關(guān)鍵詞：共軌柴油機國Ⅲ排放冷卻EGR系統(tǒng)優(yōu)化標(biāo)定

來稿日期：2014-11-02

1　前言

2006年長春一汽技術(shù)中心與道依茨一汽大連柴油機有限公司聯(lián)合完成了CA4DC2-12E3國Ⅲ柴油機的開發(fā)，在國內(nèi)N2類輕型載貨車市場率先推出電控共軌增壓中冷國Ⅲ輕型柴油機，其性能和可靠性經(jīng)過市場的充分驗證。該機型是道依茨一汽大連柴油機有限公司批量生產(chǎn)的成熟機型之一。

丹東曙光汽車集團在成功推出了匹配CA4D32-10國Ⅱ柴油機的大柴神皮卡后，為了滿足GB 18352.3－2005法規(guī)的國Ⅲ排放，提出了整車排放升級的需求，為匹配N2類輕型載貨車用的CA4DC2-12E3電控共軌柴油機拓寬到皮卡領(lǐng)域提供了平臺。

2　設(shè)計開發(fā)

2.1發(fā)動機配置

匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油機以滿足GB 17691－2005法規(guī)國Ⅲ排放的CA4DC2-12E3型柴油機為基礎(chǔ)，保持了Bosch CRS2.0共軌系統(tǒng)的通用性，最高軌壓為145 MPa。其4大核心部件為：（1）噴油器，其流量為（450±6）cm3/30s，孔數(shù)為6孔，錐度系數(shù)K為1.5，油束錐角為155毅，噴油器墊片的厚度為（2.0±0.1）mm；（2）BOSCH EDC16C39 型ECU；（3）CP1H型號高壓油泵；（4）帶軌壓傳感器的激光焊接共軌管。

曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、凸輪軸信號傳感器、進氣壓力/溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器和油門踏板傳感器保持不變。

匹配皮卡車型的CA4DC2-10E3柴油機技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了滿足GB 18352.3－2005法規(guī)的國Ⅲ排放限值，采用的技術(shù)路線為：電控共軌+增壓中冷+冷卻EGR+DOC。即在CA4DC2-12E3柴油機的基礎(chǔ)上重新設(shè)計冷卻EGR系統(tǒng)，在皮卡整車上配置氧化型后處理器（DOC），該配置同時為滿足皮卡國Ⅳ排放提供技術(shù)支持。

表1　CA4DC2-10E3柴油機技術(shù)參數(shù)

2.2冷卻EGR系統(tǒng)設(shè)計

CA4DC2-10E3柴油機以CA4DC2-12E3增壓中冷機型為基礎(chǔ)，本著最大通用化原則，其冷卻EGR總布置設(shè)計考慮到皮卡車型機艙空間的限制。

EGR閥冷端和熱端布置如圖1所示。EGR閥冷端布置的優(yōu)點為瞬態(tài)響應(yīng)好，質(zhì)量流速大；由于布置在EGR冷卻器之后，溫度低，EGR閥的成本較熱端布置相對會有優(yōu)勢。缺點是閥門容易出現(xiàn)結(jié)焦問題。EGR閥熱端布置的優(yōu)點是不會出現(xiàn)結(jié)焦與冷凝問題。缺點是瞬態(tài)響應(yīng)差，對閥門材料要求較高，故EGR閥成本也相對較高。綜合考慮，CA4DC2-10E3柴油機的EGR閥采用了熱端的布置方案[1]。

EGR閥為真空膜片閥，對于布置在熱端的方案，EGR閥的膜片會因高溫而逐漸變硬。通過對EGR閥膜片室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在膜片室增加一層金屬隔熱板來減緩高溫下膜片老化速度。膜片耐熱溫度最高為180℃，短時間（約5 min）耐溫200℃，膜片室?guī)Ы饘俑魺岚宓腅GR閥如圖2所示。

圖1　EGR閥冷端和熱端布置

圖2　膜片室?guī)Ы饘俑魺岚宓腅GR閥

考慮到EGR閥的抗振性、抗泄露性、響應(yīng)時間和控制策略，CA4DC2-10E3柴油機采用了開環(huán)控制策略。依靠ECU的MAP圖來控制真空電磁閥，通過PWM（占空比）來改變真空泵所提供的真空度在EGR閥上的加載、釋放的時間比例，即控制EGR閥的開關(guān)時間比例，從而實現(xiàn)對EGR閥的控制。開環(huán)控制的缺點為，在低EGR率的工況下，信號反饋不充分，影響控制精度。EGR閥驅(qū)動依靠真空電磁閥提供的真空，故反應(yīng)時間會因為多級控制而變長。

EGR冷卻器采用浙江銀輪公司的產(chǎn)品，為機外水冷式。廢氣高速流過EGR冷卻器，通過與冷卻水交換熱量而溫度下降。為了防止EGR冷卻器廢氣入口端溫度過高，燒穿冷卻器，冷卻器的冷卻水入口布置在高溫端，直接冷卻高溫端，水流與廢氣流動的方向相同。同時必須考慮到EGR冷卻器的阻力。

排氣歧管的設(shè)計，考慮到原機的排氣歧管穩(wěn)壓段短，分支段相對長，它對EGR的取氣口設(shè)計帶來了較大的挑戰(zhàn)。通過對排氣歧管內(nèi)的廢氣流動進行穩(wěn)態(tài)流動的模擬計算，并在發(fā)動機臺架上對排氣歧管支管壓力進行測試，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了帶EGR入口的排氣歧管。

通過CFD的穩(wěn)態(tài)流動模擬計算，設(shè)計進氣歧管。EGR的進氣口布置在進氣空氣加熱器后，保證EGR系統(tǒng)的壓差，同時考慮了EGR在進氣混合段的流動以及各缸EGR率的均勻性。

EGR冷卻器的進、出水管路的設(shè)計也同樣重要。對發(fā)動機的水流進行了CFD計算，保證了整機冷卻系統(tǒng)能力和EGR冷卻器性能。

3　臺架標(biāo)定

CA4DC2-10E3柴油機在進行臺架標(biāo)定前，確定ECU驅(qū)動真空電磁閥控制EGR閥正常工作后，首先試驗確定EGR閥的特性曲線，在確定EGR閥的工作段后才進行EGR率的詳細標(biāo)定。

標(biāo)定的基本原則為，以CA4DC2-12E3國Ⅲ柴油機的軌壓和噴油提前角為基礎(chǔ)，噴油提前角的優(yōu)化向GB 18352.3-2005規(guī)定的整車排放區(qū)域拓展，在整車排放測試區(qū)域重點進行EGR率的標(biāo)定。標(biāo)定原則是追求高的EGR率，并把煙度指標(biāo)作為控制因子，以滿足顆粒排放。

根據(jù)整車排放循環(huán)的記錄，并根據(jù)水溫對噴油提前角進行修正。整車按GB 18352.3－2005法規(guī)規(guī)定的排放測試循環(huán)，在I部工況，第1個循環(huán)檢測的柴油機水溫為26℃~44℃，第2個循環(huán)水溫為44~57℃，第3個循環(huán)水溫為57℃~69℃，第4個循環(huán)水溫為69℃~77℃；II部工況，出水溫度為77℃~90℃。從整車排放測試循環(huán)來看，I部工況柴油機的出水溫度都低于節(jié)溫器的開起溫度77℃。在柴油機運行的整個排放區(qū)域，基礎(chǔ)標(biāo)定MAP的水溫對噴油提前角的修正起到很大的作用。為此在臺架上進行了柴油機出水溫度為40℃和60℃的性能測試，測試結(jié)果如圖3所示。

對于CA4DC2-12E3柴油機水溫對噴油提前角的修正，在臺架上進行了全新的標(biāo)定。其基礎(chǔ)軌壓的MAP、噴油提前角的MAP圖和EGR率的MAP如圖4所示，煙度的MAP圖的測試結(jié)果如圖5所示。

圖3　出水溫度對噴油提前角和煙度排放的影響

4　整車標(biāo)定

4.1整車的配置

按照GB 18352.3－2005法規(guī)中規(guī)定的Ⅰ型試驗循環(huán)，根據(jù)整車的變速箱各擋位速比、后橋速比和輪胎滾動半徑，按法規(guī)規(guī)定的車速轉(zhuǎn)換為柴油機的轉(zhuǎn)速和負荷。整車排放和性能的開發(fā)在一定意義上是整車整個傳動系的優(yōu)化和匹配。匹配CA4DC2-10E3柴油機的大柴神皮卡，其整車參數(shù)如表2所示[2]。

根據(jù)法規(guī)定義的最大總質(zhì)量不超過3 500 kg的M1類、M2類和N1類汽車，其基準(zhǔn)質(zhì)量（RM）指汽車的“整備質(zhì)量”加上100 kg。大柴神皮卡屬于第2類車，其基準(zhǔn)質(zhì)量為1 800 kg。該項目的排放工程目標(biāo)為批產(chǎn)留10%的裕度（由于沒有進行針對整車的氧化型后處理器的匹配開發(fā)工作，PM的裕度為5%），項目工程目標(biāo)如表3所示[3, 4]。

圖4　軌壓、噴油提前角和EGR率的MAP圖

圖5　煙度的MAP圖

4.2 4.2樣車的標(biāo)定

CA4DC2-10E3柴油機匹配的丹東曙光大柴神皮卡，氧化型后處理器在該項目沒有進行任何匹配開發(fā)工作，而是借用了丹東曙光為其他車型匹配的某2.5 L柴油機采用的氧化型后處理器。但對于3.2 L排量的CA4DC2-10E3柴油機來講，采用了該氧化型后處理器，背壓相對較高，會引起煙度的增大，原機PM排放的測試結(jié)果為0.11 g/km，已超過限值的要求。由于重新匹配氧化型后處理器不能滿足項目時間節(jié)點的要求，而且原機的排放限值已很接近項目目標(biāo)，因此決定通過標(biāo)定的調(diào)整來滿足整車國Ⅲ排放的要求。

標(biāo)定的調(diào)整主要是根據(jù)水溫修正對噴油提前角進行微調(diào)，同時對轉(zhuǎn)速1 000 r/min對應(yīng)的軌壓增加了10 MPa。對車速120 km/h工況的軌壓和噴油提前角進行了微調(diào)，以進一步降低碳煙排放。原機和調(diào)整后的排放結(jié)果如表4所示，可見調(diào)整后的排放已經(jīng)達到了項目目標(biāo)的要求。

表2　大柴神皮卡的整車參數(shù)

表3　國3排放限值和項目工程目標(biāo)

表4　排放測試結(jié)果

5　結(jié)論

匹配丹東曙光大柴神皮卡的CA4DC2-10E3柴油機以滿足GB 17691－2005標(biāo)準(zhǔn)國Ⅲ排放要求的CA4DC2-12E3柴油機為基礎(chǔ)，保持BOSCH CRS2. 0系統(tǒng)完全通用，全新設(shè)計了冷卻EGR系統(tǒng)。

在臺架上對樣機進行了EGR率的MAP標(biāo)定，根據(jù)出水溫度對噴油提前角進行修正標(biāo)定。對軌壓MAP、噴油提前角MAP和EGR率MAP進行了標(biāo)定開發(fā)，重點監(jiān)控?zé)煻萂AP。

樣車采用了丹東曙光公司推薦的為某2.5 L柴油機匹配的氧化型后處理器（DOC）。由于該后處理器背壓相對較大，造成PM排放超標(biāo)。通過標(biāo)定的調(diào)整，樣車的排放達到了工程目標(biāo)，滿足了GB 18352.3-2005國Ⅲ排放的限值。排放循環(huán)的百公里油耗為8.8 L/100 km。

匹配合適的氧化型后處理器和降低風(fēng)扇的驅(qū)動功率或采用電子風(fēng)扇，是進一步改善整車排放油耗的有效措施。

參考文獻

[1]王啟航，王永紅，蘇慶運等.現(xiàn)代車用柴油機實用技術(shù)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2012.

[2]王啟航，王永紅，王華偉等. CA498型柴油機達歐Ⅲ排放的試驗研究[J].車用發(fā)動機. 2006（4）：19-21.

[3]王啟航，侯方，韓祖豪等. CA4DC2-10E4皮卡國Ⅳ排放樣車的開發(fā)[J].柴油機設(shè)計與制，2012（4）

[4]王啟航，韓祖豪，陳然等.匹配皮卡車型的半電控VE泵柴油機的開發(fā)[J].柴油機. 2012（3）.

Development of CA4DC2-10E3 Pickup Compliant with China III Emissions Regulation

Wang Qihang1, Zhan Songtao2, Hou Fang2, Jin Zhe2, Zhao Xuehui2

（1. Xi'an Cummins Engine Company, Xi'an 710200, China;

2. DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company, Dalian 116022, China）

Abstract:The CA4DC2-10E3 engine for pickup was developed based on the CA4DC2-12E3 engine that is compliant with China-III emissions regulation and is equipped with electronically controlled common rail fuel system. A cooling system was designed for the new engine and related calibrations were done on tech bench. On roller emission test bench, matching of diesel oxidation catalyst was made and calibration MAP was optimized. The results show that the pickup meets China III emissions regulation and the pickup fuel consumption is 8.8L every 100 km.

Key words:common rail engine, China III emission, cooled EGR system, optimizing calibration

作者簡介：王啟航（1971-），男，工學(xué)碩士，主要研究方向為輕型車用柴油機整機開發(fā)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.002