国排放轻型车用柴油机的开发

国排放轻型车用柴油机的开发

0轻型车上的应用和排放控制尽管商用车具有良好的燃料经济性、低效率和高可靠性，但其在重型商用车上所占比例较大。近年来,小排量(≤3升)的小缸径多缸直喷式柴油机,在皮卡(pick-up)、SUV(sportutilityvehicle,运动型多用途车)、MPV(multipurposevehicles)、轻卡等轻型车上的推广应用范围正在不断扩大,已成为国内外行业的研究重点。研究显示:轻型乘用车的节能效果与汽油混合动力车不相上下,在欧洲2011年轻型柴油车的市场份额已超过50%,因此,轻型车柴油化成为中国推行汽车节能战略的重点之一。同时,对于轻型车的排放控制法规愈来愈严,控制目标从低排放控制阶段(欧Ⅲ水平)日益过渡到超低排放阶段(欧Ⅳ、欧Ⅴ法规),而且今后的排放控制目标也还将不断加严。以实现低排放为目标要求,轻型车用柴油机的开发主要围绕柴油机清洁燃烧优化技术、排放后处理措施及结构优化工程开发等方面展开本文基于4F20型国Ⅱ排放的2L轻型车用柴油机,以满足国Ⅳ排放标准为目标,进行机械和燃烧系统的优化升级,通过燃烧系统参数、增压和EGR系统、两级DOC后处理系统的选型及匹配,实现了两气门经济型轻型车用柴油机的低排放应用开发。1样机技术参数经过充分调研与分析,结合样机国Ⅱ排放基础、综合成本、配套整车基准质量与市场需求,确定经济型轻型车用电控高压共轨柴油机满足国Ⅳ阶段排放达标技术路线:两气门、高压电控共轨式燃油喷射系统(多次喷射,最高喷油压力160MPa)、增压中冷(带放气阀的废气涡轮增压和中冷器)、氧化催化器、带冷却器的废气再循环。表1为样机开发的主要技术参数。具体从以下几个方面展开了研发工作:关键零部件结构优化:对机体、缸盖和齿轮传动系统进行优化,以提高整机的可靠性和使用寿命,提高发动机的各项性能指标。高效清洁燃烧控制:进行燃烧室形状及油线分布的优化,进行燃油系统的更新换代,采用电控高压共轨燃油系统,进行多次喷射参数、增压及EGR系统的协同标定。高效率排气后处理系统选型:采用两级氧化催化器进行排气后处理,实现一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)及颗粒(particulatematter,PM)的有效净化。2关键部件结构优化2.1增加阶梯形凸肩加强筋为了提高柴油机的机体刚度和缸套冷却效果,减少变形,利用CAD与CAE现代设计方法,围绕加强筋设置、冷却水套合理布置及加工工艺等方面展开一系列的优化工作。经过数值模拟计算和试验验证:机体采用对称结构,在高负荷时不产生附加扭曲;对主轴承盖采取顶部凹进刚性设计,以减轻机体质量;在机体的缸盖螺栓搭子和主轴承孔搭子之间设置加强筋,在各水套在机体短轴的孔壁外侧增加阶梯形凸肩的加强筋,可以有效加强机体的强度,有助于降低缸孔变形(如图1)。图2给出了原机机体内部冷却水的流动状况,从图2中可以看出冷却水从柴油机的前端流入,由于气缸盖螺栓搭子与缸套相连,水套顶部区域的缸套冷却水流通性较差,尤其是在进气侧,缸套底部部分的流动较强,而顶部较弱,排气侧的状况比进气侧稍好,因为在排气侧有通向缸盖的冷却水通道,强制冷却液流入此区域,因此将缸盖螺栓搭子与缸套分离,两者之间设置加强筋不但有利于提高机体强度还能够改善缸套顶部的冷却,从而减小气缸孔的变形量。与此同时,将机体上部的水套设为圆孔状,并提高水套的顶部高度,使之达到活塞位于上止点时第一道活塞环的位置,从而增强活塞的冷却效果;将缸盖螺栓的螺纹的位置置于油环之下,可以有效降低缸套变形,避免柴油机工作时因机体变形而引起的窜机油、窜气等现象,有效改善机油消耗;改变原有的纤维+薄钢板型气缸垫,采用多层层积式全金属复合板凹凸结构设计,使之能承受更高的螺栓拧紧力,提高了密封性能,将所能承受的最高燃烧压力由13MPa提高到16MPa。2.2加强冷却和冷却水为了增强柴油机的冷启动性能,在原机进、排气门和喷油器安装孔的3孔布置基础上添加了电热塞安装孔,并对新的4孔坐标进行了进一步的优化,结果如图3所示。与此同时,严格控制气门阀座和喉口的制造工艺,提高两者间的同轴度,保证气体流动的光滑平稳;优化了排气喉口和排气阀座尺寸及布局,以充分利用排气能量改善进气。气缸盖螺栓改为六角头螺栓,采用特殊的螺孔结构,提高每个螺栓拧紧力矩的一致性,减少机体顶面变形;在气缸盖和气缸垫相应区域增设排气孔,消除原来的冷却死角,以加强冷却效果(如图4所示)。舍弃原有喷油器外围是一个铜质套管的设计,改为喷油器直接安装在缸盖上,并在周围增加水道,在加强了冷却效果的同时还消除了潜在的铜质套管易导致冷却水泄露的危险。优化了缸盖冷却水套的形状,在进、排气道上方增设了冷却水道,如图5所示。图6给出了采用CAE数值模拟软件Ansys计算得到的优化前后水套温度分布图,从图中可以看出局部最高温度由原来的469.1降低到457.8K,并且喷油器安装区域的高温区域也有所减小。2.3齿轮传动系统由机械式燃油喷射系统升级为电控共轨燃油系统的过程中,针对共轨燃油系统的驱动与传动比要求,开发了具有结构紧凑,安装方便,传动可靠,运转平稳等优点的新型齿轮传动系统。该系统由曲轴齿轮、惰性轮、配气凸轮轴齿轮、高压油泵齿轮、机油泵齿轮以及动力转向泵驱动齿轮等组成。如图7所示,本齿轮传动系统分为内外2排。里面一排齿轮均为斜齿轮,其啮合关系为:内曲轴齿轮1与内惰性齿轮6啮合,而内惰性齿轮6与配气凸轮轴齿轮5啮合。外面一排齿轮分为两组,一组为外惰性齿轮7与内惰性齿轮6同轴驱动高压油泵齿轮8和动力转向泵驱动齿轮4,为保证高压油泵不受轴向力,这一组齿轮为直齿轮;另一组为斜齿轮,外曲轴齿轮2与机油泵齿轮3啮合。3燃烧系统的开发3.1多次喷射系统mpa将原机的直列泵式机械燃油供给系统升级为BOSCH公司的CRS2.0高压共轨电控燃油喷射系统,从而显著提高喷射压力(最高压力达160MPa),能够实现喷射油量及喷射正时的高精度柔性控制的同时进行燃油的多次喷射,该系统能够实现包括2次预喷射、1次主喷射及1次后喷射在内的4次喷射,电磁阀最小响应间隔时间为800μs。样机采用经济型两气门机构,由于受到空间的限制,燃烧室中心须偏置于气缸中心,喷油器中心也偏离燃烧室中心,安装倾斜角度为11°,开发过程中在尽可能地减少偏移量的条件下完成了燃烧室中心和喷油器中线的布置,如图8所示。3.2燃油喷射系统优化在低NO燃烧室尺寸、油束射程及涡流强度之间的配合直接影响燃料空间雾化混合及避免混合的比例。原机燃烧室口径较小,采用高压共轨燃油系统后喷油压力增加,油束射程较大,将导致更多的燃油直接喷射到燃烧室壁上,因此,结合燃油喷射系统、喷油嘴参数及进气涡流比对原燃烧室形状进行了优化。如图9所示,优化后增加了喷油孔至燃烧室避面的直线距离,选择了浅盆大开口燃烧室。3.3油束轴向分布及布置喷油器不仅决定着喷雾质量、油束与燃烧室的配合,而且影响喷油特性(喷油时刻、喷油持续时间、喷油规律),这些都直接影响发动机的经济性、动力性和排放指标。因此,从喷孔尺寸、喷雾锥角、油线周向分布和轴向分布几个方面进行了柴油机喷雾特性与燃烧室的优化匹配。根据柴油机最大循环供油量约为43mg,轨压为160MPa,喷油持续期为30°曲轴转角的条件确定喷嘴流量约为650mL/min。依照等弧长原则进行了油束周向分布设计,此时,各油线落点之间的燃烧室周壁等长,优点是燃烧室的空气旋流使油束吹偏布满整个空间,每束燃油扫过的弧长相等,不会造成燃油吹偏不足或过度的现象。同时,引入被油束覆盖的燃烧室容积占燃烧室有效容积的比例的概念,采用三维数值模拟计算的方法,进行了油束在燃烧室内的轴向分布优化,其中,燃烧室有效容积定义为活塞凹坑容积与正对燃烧室凹坑的余隙部分容积之和。图10给出了柴油机转速1790r/min、扭矩42N·m工况(根据NEDC(neweuropeandrivingcycle)测试循环与变速箱参数计算出的车速为70km/h时对应的柴油机稳态运行工况),喷雾锥角为148°,不同喷油器伸出高度下,NO3.4不同增压分配模型将原有的开环控制EGR系统进行升级,采用真空泵、真空电磁阀、EGR阀等组成的闭环控制EGR系统,EGR阀由真空电磁阀进行控制。为了降低进气温度,在EGR阀的后端设置了EGR冷却器对废气进行冷却。为了实现对废气的充分冷却,冷却器内冷却水的流向和废气的流向是相反的,与此同时,借助三维流动模拟计算对EGR导入进气管参数和各气缸之间的均匀分配进行了优化。表3给出了EGR中冷前后NO增压系统与柴油机燃烧的各影响因素息息相关,因此,对增压器的合理匹配能有效地提高发动机的各项性能指标。选用型号为H48的带排气放气阀径流废气涡轮增压器,图11为增压器选配特性图,在保证发动机各项性能指标的同时,着重于中低转速下的匹配性能,低速时相对喘振线的安全裕度足够,而在中等转速范围内,保证了压气机工作在高效区域。3.5台架排放标定柴油机台架标定试验工作中,在根据NEDC测试循环与变速箱参数计算出的典型柴油机稳态工况与加速工况下进行了一系列台架排放标定试验。其中包括发动机基本标定(外特性、扭矩结构、发动机保护、烟度限制等),增压器的匹配,空气系统标定,并进行了冷起动基础数据与高原试验基础数据标定等工作。台架标定过程中,为了有效改善NO4引领型nhq642cv3型社会乘用车4F20柴油机最终配套目标为基准质量为1825kg的NHQ6492V3型SUV轻型乘用车,属于法规中规定的第二类Ⅲ级车,其PM排放限值相对较高,故在利用EGR技术降低NO5达性及稳定性在转鼓试验台上,基于轻型车NEDC(newEuropeandrivingcycle)测试循环,进行了配装4F20柴油机样机的SUV整车的性能与排放标定试验,对整车起动性能和基本汽车标定、部分负荷区域排放与燃油耗标定、基本驾驶性能标定、暖车和动力性能标定、DOC后处理优化选型、整车冷起动基础数据标定以及整车排放标定等工作,并确定了最终NEDC测试循环整车排放标定的基本MAP图。开发完成后的4F20柴油机整机综合性能如图13、图14所示,柴油机在3600r/min时,功率为达到75kW,燃油消耗率为243g/(kW·h),排气烟度为1.12FSN(filtersmokenumber,滤纸烟度单位),排温为683℃,外特性的最低燃油消耗率为215g/(kW·h),最大扭矩为223N·m(2800r/min),扭矩储备系数为12%。表4为最终整车排放物测试数据,排放指标均能满足GB18352.2-2005第3阶段排放(国Ⅳ)限值中第2类Ⅲ级车的要求,所有指标距排放限值有20%以上的裕度,同时整车燃油经济性较好,NEDC测试循环综合油耗为7.217L/(100km),满足2015年即将全面实施的《乘用车燃料消耗评价方法及指标(第3阶段)》法规限值。6燃油供给系统的模糊控制1)针对经济型轻型车用柴油机的特点,通过关键零部件优化技术,包括机体和缸盖的结构参数优化、齿轮传动系统优化、加强筋和冷却水套的合理布置、气缸盖四孔坐标设计等,大幅度提高了柴油机的产品可靠性,降低制造成本,同时为整机经济性和排