WP4混合動(dòng)力國Ⅳ柴油機(jī)開發(fā)

牟宗樂　欒建偉

摘 要：面對(duì)世界環(huán)境和能源問題，對(duì)汽車的排放和節(jié)能要求越來越高，混合動(dòng)力汽車在節(jié)能和環(huán)保方面是一個(gè)大的進(jìn)步，本文主要介紹了我公司W(wǎng)P4混合動(dòng)力國Ⅳ柴油機(jī)開發(fā)，采用高壓共軌技術(shù)，增加SCR后處理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；串聯(lián)式；高壓共軌；尿素；SCR

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.075

1 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車保有量的增加，在環(huán)境方面帶來了大氣污染源之一。目前人們采用多種解決排放污染的技術(shù)方法，如采取高壓共軌系統(tǒng)、外部EGR系統(tǒng)、內(nèi)部EGR系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)等。節(jié)能、環(huán)保型汽車已成為世界汽車工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重要方向和汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。中國政府已將發(fā)展混合電動(dòng)車列入國家 “十五” 十二大重大科技項(xiàng)目和“863”計(jì)劃中的重點(diǎn)科技產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。

2 關(guān)于混合動(dòng)力簡介

混合動(dòng)力車：是汽車的動(dòng)力總成由內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同組成，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的適時(shí)調(diào)度來達(dá)到共同驅(qū)動(dòng)汽車的目的?；旌蟿?dòng)力車的優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)的低速特性比較好，它與內(nèi)燃機(jī)的結(jié)合，恰好可以解決內(nèi)燃機(jī)低速動(dòng)能性差和排放問題。

混合動(dòng)力分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)。并聯(lián)方式是（以發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力，電動(dòng)馬達(dá)作為輔助動(dòng)力）以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，利用電動(dòng)馬達(dá)所具有的再啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)力的特征，在汽車起步、加速等發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗較大時(shí)，用電動(dòng)馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)的方式來降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，只需要在汽車上增加電動(dòng)馬達(dá)和電瓶?；炻?lián)式是啟動(dòng)和低速時(shí)只靠電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行駛，當(dāng)速度提高時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)共同高效地分擔(dān)動(dòng)力，這種方式需要?jiǎng)恿Ψ謸?dān)裝置和發(fā)電機(jī)等，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜。串聯(lián)方式是（只用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行駛）發(fā)動(dòng)機(jī)只作為動(dòng)力源，汽車只靠電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行駛，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只是電動(dòng)馬達(dá)，但因?yàn)樾枰惭b燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，所以也是混合動(dòng)力汽車的一種。

3 WP4混合動(dòng)力國Ⅳ柴油技術(shù)路線

WP4混合動(dòng)力國Ⅳ柴油機(jī)是以WP4國Ⅲ柴油機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)的，采用高壓共軌技術(shù)，增加后處理，達(dá)到降低排放和提高經(jīng)濟(jì)性的目的。與WP4國Ⅲ柴油機(jī)相比，相同點(diǎn)是均采用兩氣門、濕式缸套，排量4.5L、缸徑105mm、沖程130mm，采用高壓共軌系統(tǒng)。

不同點(diǎn)：

機(jī)體：為解決燃燒室冷卻不足問題，對(duì)水腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在每個(gè)缸套水腔兩側(cè)增加兩個(gè)豎的隔水筋，此時(shí)進(jìn)入缸套水腔的冷水水受到豎筋的阻擋，就會(huì)到達(dá)燃燒室部分進(jìn)行冷卻，改進(jìn)后的方案在機(jī)體上部水流速度增加一倍，改善了冷卻效果。

齒輪系：取消WP4柴油機(jī)的減振器，為減小凸輪軸連接齒輪的頭部產(chǎn)生斷裂，將整個(gè)齒輪系向機(jī)體方向移動(dòng)5mm，縮短懸臂。

活塞： 為提高燃燒效率，降低油耗率，并且為以后扭矩提升留下空間，重新設(shè)計(jì)活塞，計(jì)算考慮到各運(yùn)動(dòng)件的偏差，計(jì)算活塞和氣門最小相對(duì)距離為（0.85～1.6）mm， 將壓縮余隙減小0.2mm，重新設(shè)計(jì)燃燒室，壓縮比仍為18：1，為保證可靠性，活塞設(shè)計(jì)有氣門坑。

電控系統(tǒng)升級(jí)：因增加了后處理，對(duì)原來的EDC7系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)（含有后處理模塊），同時(shí)對(duì)線束集成改進(jìn)設(shè)計(jì)，布置更加整齊。

后處理系統(tǒng)：由尿素箱、尿素泵、SCR箱、尿素噴嘴組成。

尿素噴嘴：噴嘴設(shè)計(jì)有連接尿素泵尿素入口接頭；兩個(gè)一進(jìn)一出冷卻水管接頭用來冷卻尿素噴嘴；一個(gè)連接噴嘴線束插接口，控制噴嘴的開關(guān)。

尿素泵：入口管接尿素尿素箱的出口；回流口接尿素箱；壓力管口接尿素噴嘴。

SCR箱： SCR箱的體積應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的2.5倍以上，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為4.5L，選擇了與WP5相同的SCR箱。

提前角：高提前角，降低油耗率，由此產(chǎn)生過多的Nox可以由后處理來降低。

4 WP4混合動(dòng)力國Ⅳ柴油機(jī)燃燒開發(fā)與臺(tái)架標(biāo)定

按照《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（GB 17691-2005）規(guī)定，國Ⅳ柴油機(jī)排放試驗(yàn)為ESC（穩(wěn)態(tài)循環(huán)）、ELR（負(fù)荷煙度試驗(yàn)）和ETC（瞬態(tài)循環(huán)）三種工況構(gòu)成。

排放區(qū)調(diào)整：為提高低速扭矩，使外特性曲線不至于在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生凹點(diǎn)，將原來WP4柴油機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由1200r/min移到1100r/min，即nlo=1100 rpm，定義為全負(fù)荷油門開度下，50%實(shí)測最大凈功率所對(duì)應(yīng)的低轉(zhuǎn)速。調(diào)速率為10%，因此最高空車轉(zhuǎn)速2530 r/min. nhi=2530 r/min。最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nhi =2530-（2530-2300）*70%=2370r/min定義為全負(fù)荷油門開度下，70%實(shí)測最大凈功率所對(duì)應(yīng)的高轉(zhuǎn)速。

把nlo～nhi4等份，分別得到轉(zhuǎn)速A、B和C：

A=3/4nlo+1/4 nhi=1418 r/min

B=1/2nlo+1/2 nhi=1735 r/min

C=1/4nlo+3/4 nhi=2053 r/min

相應(yīng)的A、B、C轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)外特性扭矩為：600Nm、600Nm、540Nm。

相應(yīng)的A、B、C轉(zhuǎn)速計(jì)算更改為：1418r/min、1735r/min、2053r/min，對(duì)應(yīng)扭矩為：600Nm、600Nm、540Nm。

原ECU部分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)定：要進(jìn)行重新詳細(xì)的標(biāo)定指標(biāo)：加電時(shí)間ET_map，進(jìn)氣量的MAP，噴油器預(yù)噴等。

后處理的標(biāo)定：

裸機(jī)NOx的ppm體積流量map的標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)監(jiān)測檢查進(jìn)氣量標(biāo)定的是否正確，因?yàn)檫@些都是參與邏輯運(yùn)算的變量。

ESC試驗(yàn)：通過調(diào)整軌壓和提前角來達(dá)到排放要求，驗(yàn)結(jié)果：Nox：9.275g/KWh ；PM：0.013 g/KWh。

根據(jù)裸機(jī)ESC排放試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化效率為68%，理論上轉(zhuǎn)化后ESC排放試驗(yàn)Nox結(jié)果：Nox：9.275×（1-68%）=2.97g/KWh，按照理論值將轉(zhuǎn)化效率預(yù)設(shè)為0.68，打開尿素噴射開關(guān)（即將UDC_SWTsetp_C的值設(shè)為2），ETC試驗(yàn)結(jié)果表明：十三工況SCR箱溫度和轉(zhuǎn)化效率規(guī)律為溫度越高轉(zhuǎn)化效率越好。

ETC試驗(yàn)：ETC摸底試驗(yàn)結(jié)果：Nox=3.41，HC=0.04，CO=0.16，PM=0.021

氨泄漏標(biāo)定：要求氨泄漏小于25ppm，進(jìn)行氨泄漏摸底。

整個(gè)ETC試驗(yàn)循環(huán)中有三個(gè)區(qū)域氨泄漏超標(biāo)，分析為在低溫區(qū)域，即低溫區(qū)轉(zhuǎn)化效率和溫度修正標(biāo)定過高造成的，此時(shí)的轉(zhuǎn)化效率和溫度可以修正。

按照試驗(yàn)分析，對(duì)WP4國Ⅳ柴油機(jī)的氨泄漏進(jìn)行多次修正標(biāo)定。

外特性試驗(yàn)：

外特性曲線上，最低油耗率197g/KWh， 排溫、煙度都在滿足設(shè)計(jì)要求。

外特性曲線上，NOx轉(zhuǎn)化效率隨SCR箱上游溫度規(guī)律為：隨溫度的升高轉(zhuǎn)化效率升高。

5 結(jié)束語

濰柴WP4混合動(dòng)力國Ⅳ柴油機(jī)已經(jīng)開發(fā)成功，下一步將進(jìn)行耐久試驗(yàn)和整車匹配，本柴油機(jī)具有動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性好，體積小，重量輕，噪聲低，排放水平高等優(yōu)點(diǎn)，是新一代綠色環(huán)保節(jié)能型柴油機(jī)，必將成為客車、城市公交等產(chǎn)品的理想動(dòng)力；由于混合動(dòng)力排放法規(guī)還沒有頒布，所以暫時(shí)混合動(dòng)力車的排放按車用機(jī)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

作者簡介：牟宗樂（1968-），男，山東濰坊人，本科，工程師，部門經(jīng)理，主要研究方向：柴油機(jī)制造技術(shù)、故障模式分析、柴油機(jī)升級(jí)研發(fā)。