【德】 N.Waldbü?er T.Stutte J.Zeger C.Bauer

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Mercedes-Benz首款滿足SULEV法規(guī)的輕型載貨車用柴油機

【德】 N.Waldbü?er T.Stutte J.Zeger C.Bauer

Mercedes-Benz公司2015年新型Sprinter車型是首款量產(chǎn)的柴油輕型載貨車，滿足未來LEN3-SULEV廢氣排放法規(guī)限值。介紹其動力總成系統(tǒng)、廢氣后處理系統(tǒng)，以及用于北美自由貿(mào)易協(xié)議市場的新的輕型載貨車應用方案。

輕型載貨車 柴油機 后處理 燃油耗

1 歷史和起因

因絕大多數(shù)輕型箱式載貨車采用柴油機而具有較高的經(jīng)濟性，該車型已在全世界130多個國家銷售。從2001年起，Daimler公司開始在北美自由貿(mào)易協(xié)議(NAFTA)市場上銷售采用柴油機的Sprinter輕型載貨車作為貨運班車，Chrysler公司和Daimler公司分別于2003—2009年和2010年起開始銷售這款車型。2007年，帶顆粒捕集器(DPF)的OM642系列3.0L柴油機開始搭載于Sprinter輕型載貨車，以滿足NAFTA07(US2007)廢氣排放法規(guī)的要求。2010年的目標是達到NAFTA10(US2010)廢氣排放法規(guī)規(guī)定的氮氧化物(NOx)排放限值，為此又配備了選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)(Daimler公司的“藍天技術(BlueTEC)”，指采用尿素水溶液作為還原劑的SCR技術)。2013年底，Daimler公司又為NAFTA市場推出了搭載OM651系列的2.0L 直列4缸柴油機和優(yōu)化燃油耗的7檔自動變速器的Sprinter輕型載貨車。

如果Sprinter車型想要進一步改進，需要增大裝載容積、減小空氣阻力和擴展安全性系統(tǒng)等，朝著更好的經(jīng)濟性和更低的廢氣排放目標靠近。Daimler公司將為Sprinter輕型載貨車的LEN3-ULEV車型及LEN3-SULEV選用車型提供OM651系列柴油機。

按照加利福尼亞州大氣資源局(CARB)廢氣排放法規(guī)，Sprinter被劃為中型載貨車(MDV)，適用于中型載貨車的LEN3-SULEV法規(guī)的廢氣排放限值要求，將于2018和2022年強制增加符合公司車隊的排放要求，并規(guī)定從2023年起所有新上市的中型載貨車都必須滿足SULEV法規(guī)的廢氣排放限值。

2 新Sprinter輕型載貨車的動力總成系統(tǒng)方案

圖1示出了新Sprinter輕型載貨車動力總成系統(tǒng)的主要部件。除了諸如OM651系列柴油機、7檔自動變速器、傳動軸、差速器、和后橋等傳統(tǒng)系統(tǒng)之外，BlueTEC部件尿素水溶液還原劑(AdBlue)計量系統(tǒng)和廢氣系統(tǒng)對滿足逐步加嚴的廢氣排放法規(guī)要求具有越來越重要的意義,因此為了滿足LEN3-SULEV法規(guī)的廢氣排放限值,在將燃油耗降到最低程度和改善行駛舒適性的同時,所有動力總成系統(tǒng)部件之間總體上必須相互協(xié)調(diào)匹配。

OM651直列4缸柴油機的主要特點是采用兩級廢氣渦輪增壓和噴油壓力高達200MPa的共軌噴油系統(tǒng)。OM651柴油機是1種用于輕型載貨車的高效柴油機，并因其氣缸數(shù)少、摩擦損失小，以及在換氣損失最低的情況下增壓度較高，其效率比OM642柴油機更高。

7檔自動變速器包含1個變矩器和1個分接離合器，與原產(chǎn)品(5檔自動變速器)相比，變速范圍更大,最高檔位的速比減小,變速分檔也更細(增加了2個檔位)，并與優(yōu)化的換檔程序相結合，能顧及到更低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，改善了燃油耗，并降低了噪聲和振動水平。

表1列出了新型Sprinter輕型載貨車動力總成系統(tǒng)的可能性。2種動力總成系統(tǒng)能與3種后橋速比相組合，用于各種質(zhì)量不同的汽車和4種不同結構型式的Sprinter輕型車，而供應NAFTA市場的第2種動力總成方案(OM651柴油機配裝7檔自動變速器)能滿足特殊用戶對低燃油耗和低運行成本方面的要求。2015款車型推出了可選用的搭載OM651柴油機的LEN3-SULEV車型。另外，從2015年起又為OM642柴油機動力總成系統(tǒng)增添了可選用的全輪驅(qū)動車型，從而使該動力總成系統(tǒng)更加完備。

表1 為滿足特殊用戶要求擴展的動力總成系統(tǒng)選擇的可能性

3 降低燃油耗的措施

新型Sprinter輕型載貨車的后橋已針對燃油耗和摩擦進行了優(yōu)化，減輕了質(zhì)量并降低了噪聲和振動水平。能量管理系統(tǒng)由蓄電池和汽車電路控制組成，并集成了優(yōu)化燃油耗的發(fā)電機。轉(zhuǎn)向助力泵是根據(jù)所需的轉(zhuǎn)向助力進行電子調(diào)節(jié)。同樣燃油泵也采用電子調(diào)節(jié)將泵油量調(diào)節(jié)到所需的最小油量。

4 燃燒應用的參數(shù)

Sprinter輕型載貨車的NAFTA車型必須通過廢氣試驗循環(huán)的檢驗(FTP75、HWFET、US06Bag 2、UDC、SC03)，它們與歐洲市場實施的廢氣試驗循環(huán)有明顯的區(qū)別,因此燃燒所應用的參數(shù)(噴油定時、噴油量、共軌壓力、增壓壓力和廢氣再循環(huán)(EGR)率)基本上必須予以修改，以便在廢氣試驗循環(huán)中和用戶實際行駛中，仍能保持歐洲車型有利的燃油耗水平。

由于US試驗循環(huán)中所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)速和負荷范圍較大，因此進氣系統(tǒng)的自適應策略必須進行重新匹配。在這種行駛運行期間，尤其是在US06 Bag 2循環(huán)(用于中型載貨車的US06的簡化試驗循環(huán))中，進氣系統(tǒng)的自適應學習過程一再中斷，此時每次學習過程中不希望發(fā)生NOx排放短暫升高的情況，因此自適應策略應修改，使得在帶有沖擊性行駛方式的情況下，也應將自適應學習中斷減少到最少程度。

為了應用到盡可能高的噴油精度和噴油壓力，用200MPa的壓電噴油器噴射系統(tǒng)替代歐洲車型上所使用的最高共軌壓力為180MPa的電磁閥式噴油器噴射系統(tǒng)。此外，發(fā)動機配備了在低轉(zhuǎn)速、低負荷時能提高渦流強度的進氣道關閉裝置，能降低顆粒物(PM)排放，并延長DPF的再生周期。

通過燃燒所應用的參數(shù)與第2代BlueTEC系統(tǒng)最佳性能的匹配，在燃油耗和原始顆粒排放方面又獲得了進一步提升。其主要的注意力放在暖機階段，因為快速地達到BlueTEC系統(tǒng)的起燃溫度對于減少NOx排放(尾管處)起著決定性的作用，對此需要根據(jù)發(fā)動機溫度通過調(diào)整EGR率、節(jié)流、噴油量和噴油定時的適當匹配綜合考慮。

5 第二代SCR系統(tǒng)

圖2示出了BlueTEC系統(tǒng)的主要組成部分,包括廢氣系統(tǒng)、AdBlue計量系統(tǒng)及其貯存罐、注入管道、計量裝置、計量模塊和電控單元等，提高了對車載診斷系統(tǒng)的要求，并且與發(fā)動機上其他優(yōu)化措施之間緊密配合。

為了在SCR催化轉(zhuǎn)化器中選擇性催化還原NOx，在SCR催化轉(zhuǎn)化器前向廢氣系統(tǒng)中噴入AdBlue還原劑，緊接著其中的水分蒸發(fā)，尿素水溶液分解成氨，并貯存在SCR催化轉(zhuǎn)化器中，將廢氣中的NOx還原成無害的氮和水。

第2代SCR系統(tǒng)的重大改進是采用容量為18L的AdBlue還原劑貯存罐單元，它將容積式輸送泵和超聲波傳感器、優(yōu)化的SCR系統(tǒng)裝置和新型的計量電控單元等集成為標準資源單元，并且適用于所有車型。除此之外，DOC、DPF和SCR的容積和涂層都已經(jīng)過優(yōu)化，能滿足LEN3-SULEV法規(guī)廢氣排放限值的要求。

為了使Sprinter輕型載貨車實現(xiàn)特別經(jīng)濟的運輸方案，其關鍵在于整個BlueTEC-柴油機系統(tǒng)的整體優(yōu)化，除了滿足LEN3-SULEV法規(guī)的廢氣排放限值之外，其目標是在最低的燃油耗、可接受的AdBlue還原劑消耗量，以及增添AdBlue貯存罐所增加的質(zhì)量最少等方面取得最佳的折中。

6 廢氣后處理系統(tǒng)的應用

在搭載OM651柴油機的Sprinter輕型載貨車進入美國市場后僅1年，2014款車型就以其首款柴油車成為清潔高效箱式載貨車的先驅(qū)者，該車能滿足SULEV車型最嚴厲的加利福尼亞廢氣排放法規(guī)的要求。從2015款車型起，那些專用裝備對質(zhì)量和結構型式都作出了貢獻。

首先，LEN3廢氣排放法規(guī)特別是有關中型載貨車方面的改變，對Sprinter載貨車的發(fā)動機開發(fā)提出了眾多挑戰(zhàn)。在汽車整個使用壽命期內(nèi)必須確保廢氣排放的一致性。與LEN2廢氣排放法規(guī)相比，LEN3廢氣排放法規(guī)所要求的法定使用壽命期延長了25%，提高到150000mile*為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。，因此在延長的行駛里程期間，必須對因化學和熱原因所引起的老化影響予以補償。盡量避免因法定行駛里程的延長對廢氣排放產(chǎn)生不利影響，可以通過現(xiàn)代催化轉(zhuǎn)化器技術、優(yōu)化的系統(tǒng)設計、尺寸大小，以及理想的氣體流動特性，并與先進的廢氣后處理應用技術相結合達到目標。隨著LEN2廢氣排放法規(guī)的進一步發(fā)展，LEN3廢氣排放法規(guī)的限值將會降低，實際LEN3在NOx、不包括甲烷的無甲烷有機氣體(NMOG)和一氧化碳(CO)等方面的規(guī)定已經(jīng)有所加嚴(圖3)。

與LEN2-ULEV廢氣排放法規(guī)相比，隨著LEN3廢氣排放法規(guī)的實施，對于中型載貨車較難以凈化的廢氣排放種類，ULEV法規(guī)的NMOG+NOx排放限值降低了29%，而SULEV法規(guī)的排放限值則加嚴了59%，同時還添加了NMOG+NOx之和的排放形態(tài)的限值，從而產(chǎn)生了催化轉(zhuǎn)化器的先期轉(zhuǎn)化與NOx排放之間的目標沖突。

要特別關注發(fā)動機首次起動后的廢氣排放特性,因為在FTP-75行駛試驗循環(huán)的第一階段中所產(chǎn)生的廢氣排放量比加權平均的尾管廢氣排放量的一半還要多。由于在限值中添加了NMOG+NOx之和的排放限值及車隊CO2排放標準，因此在其他方面不采取有損于燃油耗和原始排放的措施的情況下，能迅速地達到催化轉(zhuǎn)化器平均起燃溫度。保持足夠的廢氣溫度，能使DPF具有最佳的再生周期，但是對于動態(tài)運行階段總的廢氣排放結果貢獻較小，不過控制再次起動時的低廢氣排放還是對降低開發(fā)目標值作出了貢獻。

在常規(guī)廢氣排放限值加嚴的情況下，曾用聯(lián)邦環(huán)境保護廳(EPA)的溫室氣體(GHG)法規(guī)來限制對氣候有潛在影響的其他廢氣種類。除了CO2之外，GHG法規(guī)還將CH4和N2O納入了統(tǒng)一的標準。根據(jù)廢氣排放限值和溫室氣體閾值，以及延長產(chǎn)品使用期所制定的富有競爭性的目標，就必須對催化轉(zhuǎn)化器技術進行持續(xù)不斷的開發(fā)設計，并使用制造成本高的貴金屬。

中型載貨車的LEV2認證不包括補充的美國城市測試循環(huán)(SFTP)范圍的內(nèi)容，而對于轎車和輕型載貨車(LDT)是必需的。但隨著LEV3法規(guī)的實施，中型載貨車也必須滿足擴展的SFTP法規(guī)的要求。Sprinter載貨車的單位功率質(zhì)量較輕，因而US06行駛循環(huán)(較輕的中型載貨車)與統(tǒng)一的行駛循環(huán)(UDC)(較重的中型載貨車)不同之處已經(jīng)過修改，以便能更精確地反映中型載貨車的行駛特性曲線。但眾多的行駛影響因素必須由廢氣后處理予以補償，即使較長時間在全負荷行駛的范圍內(nèi)也是如此。這適用于US06行駛循環(huán)，對于某些車載診斷(OBD)系統(tǒng)認證中所利用的UDC工況也同樣適用。

隨著對發(fā)動機和廢氣后處理系統(tǒng)中對廢氣排放具有重要意義的零部件進行監(jiān)測的必要性不斷增長，對廢氣排放特性的要求也隨之提高。要對正確工作的系統(tǒng)與不良功能之間的差異進行識別變得尤為重要，因為這會影響廢氣排放閾值及正常系統(tǒng)功能。

7 車載診斷系統(tǒng)的應用

發(fā)動機在美國中型載貨車領域LEN3-SULEV車型上應用要滿足CARB OBD法規(guī)的要求。較低的廢氣排放限值直接導致了較小的OBD閾值。OBD系統(tǒng)必須在超越OBD閾值之前就識別出可能由存在缺陷的部件引起的廢氣排放惡化情況，在這種情況下，駕車人能通過組合儀表上的發(fā)動機控制燈(即所謂的檢查發(fā)動機燈或故障指示燈)的閃爍得到提示，修理車間能通過電控單元中可讀出的故障記錄明確地識別出故障。Sprinter 2015款載貨車在OBD顯示范圍內(nèi),通過相應的廢氣排放測量,可檢查出總共23種不同的故障狀況，為此必需進行80次轉(zhuǎn)鼓試驗臺測試。

OBD系統(tǒng)中的1個要求較高的任務就是監(jiān)測廢氣后處理部件。對于DOC、DPF和SCR催化轉(zhuǎn)化器的正確功能必須進行控制，從而識別是否超越OBD閾值。為了監(jiān)測SCR催化轉(zhuǎn)化器，必須附加設置1個所謂的極限值。當廢氣排放值低于OBD閾值并在廢氣排放限值之上時，這種極限值就表明SCR催化轉(zhuǎn)化器已有損壞或老化的情況發(fā)生。在LEV廢氣排放標準中，SULEV的OBD閾值明顯嚴于ULEV的OBD閾值(圖4)。

這種SCR極限控制值必須由OBD系統(tǒng)識別為故障值。診斷的工作原理可解釋為在發(fā)動機電控系統(tǒng)中，根據(jù)SCR催化轉(zhuǎn)化器前后的NOx傳感器計算出實時的SCR轉(zhuǎn)化效率，并與相應運行工況點所期望的轉(zhuǎn)化效率進行比較。而期望的轉(zhuǎn)化效率是通過1個復雜的功能結構計算出來的，在該功能結構中輸入了不同的溫度、廢氣質(zhì)量流量和AdBlue還原劑量。如果此時所查明的實時SCR轉(zhuǎn)化效率低于所期望的SCR轉(zhuǎn)化效率和1個閾值，那么發(fā)動機電控系統(tǒng)中就記錄1個故障(圖5)。

為了證實OBD的診斷,采用3種試驗循環(huán)和1種預試驗來證實故障識別。在第1個UDC試驗循環(huán)中識別故障，并用故障存儲器中的“未確定”狀態(tài)修改故障存儲記錄，然后在第2個UDC試驗循環(huán)中通過再次識別故障來證實故障并予以確認，最后在第3個試驗循環(huán)(FTP75試驗循環(huán))中帶著故障部件進行廢氣排放驗證，其結果必須低于OBD閾值。

除了極限控制值之外，廢氣系統(tǒng)的所有部件在廢氣排放驗證中都會出現(xiàn)出所謂的整個使用壽命期的老化，在LEV3廢氣排放標準中這就意味著行駛150000mile后的老化。圖5示出了OBD試驗結果,即在2個UDC試驗循環(huán)中OBD系統(tǒng)成功地識別出有故障的SCR催化轉(zhuǎn)化器，最后的FTP75廢氣排放試驗循環(huán)提供了證據(jù)，廢氣排放低于OBD閾值。

8 廢氣排放和燃油耗

圖6示出了新型OM651-Sprinter載貨車與OM642-Sprinter載貨車的燃油耗和廢氣排放測試結果的比較。廢氣系統(tǒng)后的NOx排放值已低于LEN3-SULEV法規(guī)較低的排放限值。綜合的燃油耗優(yōu)化及OM651動力總成系統(tǒng)和輔助設備的標定的結果，使得公路試驗循環(huán)中的燃油效率達到了28.1mile/gal，而FTP75城市試驗循環(huán)中的燃油效率也達到了21.1mile/gal，這就意味著OM651車型相對于OM642車型分別改善了19%和14%，即使是城市循環(huán)的試驗結果也證實在“汽車與運動”(AMS)燃油耗試驗循環(huán)中搭載OM651柴油機的Sprinter載貨車的燃油效率達到了26.5mile/gal，比搭載OM642柴油機的車型改善了26%(圖7)。

在滿足SULEV法規(guī)限值的情況下，無論是在城市還是高速公路行駛時，已經(jīng)達到的燃油耗水平不會惡化，如圖8所示，與搭載OM642柴油機的車型相比，搭載OM651-ULEV柴油機的車型在廢氣排放和燃油耗方面都具有明顯的優(yōu)勢，而在新推出的SULEV車型上，雖然安裝廢氣系統(tǒng)后的排放已低于LEV3-SULEV法規(guī)限值，但是仍保持了OM651柴油機所達到的燃油耗水平。

9 結論

搭載OM651柴油機的新型Sprinter載貨車的燃油耗比搭載OM642柴油機動力總成的車型降低19%。Sprinter載貨車的燃油耗是箱式載貨車的比較標準，例如該車型連續(xù)3年榮獲了“Vencentric最佳車隊價值獎”。

第二代BlueTEC清潔柴油機技術已集成在新型Sprinter載貨車上，降低廢氣排放能滿足全球的廢氣排放法規(guī)要求。2015車型年的新型Mercedes-Benz Sprinter載貨車是首款搭載這種柴油機的量產(chǎn)車型，該車型已能滿足未來LEV3-SULEV法規(guī)限值。

由于改善了燃油耗、廢氣排放和OBD標定，能夠滿足較高的LEV3-SULEV法規(guī)要求，并且同時保持了ULEV車型的低燃油耗水平，因此新型Sprinter載貨車在燃油耗方面仍然保持了同等級中的最佳水平，現(xiàn)已成為使用運輸車輛用戶氣體燃料汽車的替代車型，不僅達到SULEV法規(guī)要求的Sprinter柴油機車型，并且具有低燃油耗、大扭矩和靈活的行駛性能。新型Mercedes-Benz Sprinter載貨車搭載OM651柴油機提前達到了SULEV法規(guī)要求，再次證實了Daimler公司的創(chuàng)新能力和環(huán)保意識。

范明強 譯自 MTZ，2015，76(4)

何丹妮 編輯

2015-06-29)