【德】 H.Herrmann P.Ko?uch H.Lettmann R.Brünemann

Mercedes-Benz最新一代大型載貨車用柴油機(jī)第2部分：燃燒和廢氣排放

【德】 H.Herrmann P.Ko?uch H.Lettmann R.Brünemann

大型載貨車用柴油機(jī)平臺(tái)是Daimler公司大型載貨車用發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)的支柱，包括10.7 L、12.8 L、14.8 L和15.6 L共4種機(jī)型。2011年，12.8 L的OM471柴油機(jī)作為首款歐6機(jī)型投放市場(chǎng)，從那時(shí)起總共生產(chǎn)了270 000多臺(tái)?，F(xiàn)在這種柴油機(jī)首次改進(jìn)了某些重要部件。第2部分主要介紹其燃燒效果和廢氣特性。

低油耗 不對(duì)稱噴油 廢氣渦輪增壓器

1 開發(fā)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)

第二代OM471柴油機(jī)改進(jìn)設(shè)定的重要目標(biāo)是降低燃油耗，從而穩(wěn)固地保持其作為大型載貨車用柴油機(jī)燃油耗的標(biāo)桿地位，同時(shí)提高功率和扭矩，并降低其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性(圖1)。

圖2示出了最新一代OM471柴油機(jī)最重要的關(guān)鍵技術(shù)[1]，并針對(duì)提高選擇性催化還原(SCR)凈化效率進(jìn)一步開發(fā)了廢氣后處理系統(tǒng)，容許更高的發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物(NOx)原始排放。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程已被重新設(shè)計(jì)到可處理NOx原始排放的水平，為此借助于被稱為“X-Pulse”的共軌噴油系統(tǒng)和最大噴油壓力，將每個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)都優(yōu)化標(biāo)定到低的燃油耗。

特別要強(qiáng)調(diào)的是，創(chuàng)新的廢氣再循環(huán)(EGR)閥方案和與發(fā)動(dòng)機(jī)最佳匹配的Daimler廢氣渦輪增壓器相結(jié)合，以下章節(jié)將詳細(xì)介紹各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

2 噴油系統(tǒng)和優(yōu)化的燃燒過程

從第一代大型載貨車用柴油機(jī)平臺(tái)(HDEP)就運(yùn)用的“X-Pulse”共軌噴油系統(tǒng)，具有可增大噴油壓力的噴油器和可任意調(diào)制噴油規(guī)律的可能性，在新機(jī)型上更進(jìn)行了優(yōu)化利用。除了具有多次噴射能力之外，主噴射的噴油速率曲線總是能按照熱力學(xué)觀點(diǎn)采用“矩形”、“斜坡形”和“靴形”等形狀形成特性曲線場(chǎng)的最佳噴油規(guī)律(圖3)。最大共軌壓力由90 MPa提高到116 MPa，結(jié)合噴油器中的壓力轉(zhuǎn)換，將噴嘴端最大噴射壓力提高到270 MPa。如此高的噴射壓力特別是在額定功率范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)快速燃燒，并且碳煙較少，從而使功率提高到390 kW。

圖3 第二代X-Pulse共軌噴油系統(tǒng)

無論是噴油系統(tǒng)的靈活性還是高的噴油壓力，對(duì)燃燒過程而言是改善整個(gè)特性曲線場(chǎng)效率的關(guān)鍵因素。

表1示出了第一代和最新一代柴油機(jī)燃燒過程特性參數(shù)的比較。噴油嘴噴孔數(shù)從7孔增加到8孔，噴束錐角增大了2°，最大液壓流量增大了10%，而新設(shè)計(jì)的活塞頂凹坑以及從17.3提高到18.3的壓縮比都與之相匹配(圖4)[2]。

表1 燃燒過程特性參數(shù)

圖4 燃燒過程特性參數(shù)的比較

3 創(chuàng)新的EGR方案

換氣效率和高壓過程效率都從較低的EGR率和以此設(shè)計(jì)的燃燒過程中獲得了好處，但是卻降低了廢氣能量，因而對(duì)于加熱催化轉(zhuǎn)化器或在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)支持柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)主動(dòng)再生而言，廢氣溫度管理的設(shè)計(jì)變得越來越困難。

因此,將EGR閥設(shè)置在渦輪進(jìn)口與EGR廢氣供應(yīng)口之間的交叉位置上，采用這種簡(jiǎn)單的構(gòu)件就可以將EGR率的分配與渦輪的調(diào)節(jié)統(tǒng)一起來，因而能具有全新的功能。

在流動(dòng)優(yōu)化的EGR閥中間位置，不對(duì)稱的渦輪能供應(yīng)由其設(shè)計(jì)規(guī)定的EGR率，而渦輪則由第4～6氣缸的廢氣最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)(圖5(a))。如果EGR閥開度進(jìn)一步增大，那么不僅能提供高達(dá)50%的EGR率，同時(shí)還能節(jié)制渦輪功率，而在圖5(b)所示的情況下，流向渦輪的廢氣流就被完全切斷了。

圖5 排氣歧管處于中間位置和全關(guān)位置

與不對(duì)稱噴油量相結(jié)合，在降低碳煙排放的同時(shí)成功地使2組氣缸為廢氣系統(tǒng)獲得了盡可能最好的溫度收益。圖6示出了在EGR率為50%的EGR閥位置情況下，1～3缸噴油量減少，同時(shí)4～6缸噴油量增多。EGR閥調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣數(shù)量，由不對(duì)稱噴油來調(diào)節(jié)其品質(zhì)。在第1組氣缸(1～3缸)中燃燒變得越來越稀薄，導(dǎo)致為6個(gè)氣缸供應(yīng)EGR更加稀薄，同時(shí)通過增加第2組氣缸(4～6缸)的噴油量提高平均壓力，因而高的廢氣溫度被導(dǎo)向渦輪或廢氣系統(tǒng)。在低負(fù)荷特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)部分僅用3個(gè)氣缸運(yùn)行，那么廢氣溫度的收益是最大的，但是這僅僅在主動(dòng)再生期間才是必需的，而且僅在時(shí)間有限的情況下才這樣進(jìn)行[3]。

圖6 不對(duì)稱噴油對(duì)廢氣熱管理的影響(轉(zhuǎn)速1 200 r/min，扭矩300 N·m)

這種僅在3個(gè)氣缸中進(jìn)行的不對(duì)稱噴油的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過增加總噴油量來提升廢氣溫度。雖然這3個(gè)著火氣缸處于較高的平均壓力并以明顯較高的高壓過程效率運(yùn)行，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣損失卻超過了這種優(yōu)點(diǎn)所帶來的效果。在增壓柴油機(jī)上沒有可變氣門控制機(jī)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)氣缸切斷總是帶有缺陷。在這種情況下，廢氣后處理系統(tǒng)(AGN)通過增大廢氣熱焓獲得好處，也正是這種運(yùn)行模式的目標(biāo)。

4 廢氣渦輪增壓器

第一代OM471柴油機(jī)就已采用不對(duì)稱流道幾何形狀的渦輪殼，在全負(fù)荷范圍內(nèi)6個(gè)氣缸總的換氣功為正，因此廢氣渦輪增壓器對(duì)曲軸上的有效功率作出了貢獻(xiàn)。

在最新一代OM471柴油機(jī)上使用了Daimler公司開發(fā)和生產(chǎn)的廢氣渦輪增壓器，這種增壓器是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件專門定制的，因而正換氣功的特性曲線場(chǎng)范圍始終被擴(kuò)展。在較小的EGR率時(shí)，通過減小不對(duì)稱度及廢氣渦輪增壓器來提高壓氣機(jī)側(cè)的效率。

通過廢氣渦輪增壓器合適的設(shè)計(jì)與新的EGR閥方案相結(jié)合，能夠取消渦輪側(cè)的廢氣放氣閥，這就降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本[4]。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)

渦輪側(cè)廢氣放氣閥的取消使得可以在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中更精確地調(diào)節(jié)增壓空氣路徑，不再需要調(diào)節(jié)增壓壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)基本上按預(yù)控制運(yùn)行，由EGR閥調(diào)節(jié)廢氣排放，其中AGN的NOx傳感器被用作參考變量，λ信號(hào)現(xiàn)在也被用于EGR率的跟蹤調(diào)節(jié)，因而無需直接測(cè)量EGR率也能滿足所有車載診斷系統(tǒng)(OBD)的要求，而且能取消EGR路徑中的差壓傳感器[5]。

6 廢氣后處理

采取前面介紹的發(fā)動(dòng)機(jī)方面的措施會(huì)使第一代OM471柴油機(jī)的NOx排放增加約50%，對(duì)用于SCR NOx的AdBlue尿素水溶液的需求量也會(huì)相應(yīng)提高。根據(jù)汽車的使用情況和負(fù)荷譜的不同，其需求量會(huì)從目前柴油消耗量的3%增加到約5%。

與原機(jī)型相比，用于新一代柴油機(jī)的歐6廢氣后處理基本方案繼續(xù)保持不變，設(shè)計(jì)上就相當(dāng)于為滿足美國(guó)環(huán)保署EPA-2010法規(guī)所選擇的解決方案[1]：在2個(gè)平行布置的柴油機(jī)氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)后連接用于降低顆粒排放的2個(gè)DPF，其后分別接有SCR和氨逃逸催化轉(zhuǎn)化器，這些組成部分都被集成在AGN裝置中(圖7(a))。

圖7 最新一代歐6廢氣后處理方案

AGN裝置特別重要的開發(fā)目標(biāo)是進(jìn)一步開發(fā)從2011年底已經(jīng)量產(chǎn)使用的歐6技術(shù)，從而獲得在所有運(yùn)行狀態(tài)都能可靠滿足歐6法規(guī)所必需的更高的NOx轉(zhuǎn)化率，其中1個(gè)重要的措施是使用由Fe和Cu沸石組合而成的SCR催化轉(zhuǎn)化器，它將Fe沸石涂層在足夠高的NO2/NOx比時(shí)非常好的高溫活性與Cu沸石涂層在很大程度上與NO2/NOx成分無關(guān)的低溫活性結(jié)合起來，因而能在1個(gè)寬廣的溫度和運(yùn)行范圍內(nèi)達(dá)到所必需的NOx轉(zhuǎn)化率(圖7(b))。

此外，還要開發(fā)確保用于發(fā)動(dòng)機(jī)與廢氣后處理裝置組成的新系統(tǒng)滿足歐6法規(guī)B/C階段嚴(yán)格的OBD規(guī)范要求的解決方案，其中廢氣后處理裝置開發(fā)的重點(diǎn)特別是根據(jù)其OBD限值可靠地監(jiān)測(cè)下列廢氣排放：(1)DPF故障情況下的顆粒物(PM)排放為25 mg/(kW·h)；(2)稀AdBlue尿素水溶液情況下的NOx排放為460 mg/(kW·h)。其中，在歐6廢氣后處理系統(tǒng)中可靠的傳感器和執(zhí)行器部件的基礎(chǔ)上，成功地找到了依靠電控單元算法進(jìn)行可靠診斷的解決方案，而無需附加傳感器。

7 結(jié)語

新一代大型載貨車柴油機(jī)中的12.8 L 歐6機(jī)型降低的燃油耗高達(dá)3%，同時(shí)其最大功率從目前的375 kW提高到390 kW，最大扭矩從2 500 N·m提高到2 600 N·m，而發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量卻減輕了20 kg，并且通過取消廢氣放氣閥和直接測(cè)量EGR率降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。這些技術(shù)措施同樣也應(yīng)用于其他排量和最新一代柴油機(jī)廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

[1] Nielsen B, Sladek W, Eberle F, u.a. Die neueste heavy-duty-motorengeneration von Mercedes-Benz, teil I: zielsetzung und konzeption[J]. MTZ, 2016, 77(6).

[2] B?ckenhoff E, Gorbach A. Die konzeption der neuen HD motorengeneration im weltweiten entwicklungs-und produktionsnetzwerk[C]. 33.Internationales Wiener Motorensymposium, 2012.

[3] Herrmann H O, Gorbach A, Lettmann H, u.a. Die neueste heavy-duty motorengeneration von Mercedes-Benz[C]. 37.Internationales Wiener Motorensymposium, 2016.

[4] Gruden I, Künzel S, Braziunas G, u.a. Neuer 14.8 L Nfz motor von Daimler für den NAFTA-Markt[J]. MTZ, 2013, 74(12).

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ， 2016， 77(7-8)

何丹妮 編輯

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