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用于輕型商用車和SUV的柴油機(jī)電氣模塊化平臺

2020-04-08 19:34:14·  來源：汽車與新動力  
　
汽車動力裝置的電氣化已在商用車領(lǐng)域取得了顯著成效。歐盟（EU）嚴(yán)苛的廢氣排放法規(guī)使得成本高昂的先進(jìn)技術(shù)重新有了用武之地。奧地利AVL公司介紹了一種用于柴油
汽車動力裝置的電氣化已在商用車領(lǐng)域取得了顯著成效。歐盟（EU）嚴(yán)苛的廢氣排放法規(guī)使得成本高昂的先進(jìn)技術(shù)重新有了用武之地。奧地利AVL公司介紹了一種用于柴油機(jī)的電氣模塊化平臺，重點考慮到了廢氣排放、效率和成本。
            
1 初始狀況
 
在目前的輕型商用車動力系統(tǒng)領(lǐng)域，柴油機(jī)依然保有數(shù)量優(yōu)勢，2018年德國國內(nèi)，約有95.5%的車型以柴油機(jī)為動力來源；廂式運貨車（Van）中有94%的車型以柴油機(jī)為動力來源。圖1示出了由聯(lián)邦汽車行駛管理局統(tǒng)計的德國國內(nèi)汽車等級市場份額。特別以德國國內(nèi)的D和E級車型為例，其中以柴油機(jī)為動力來源的車型超過了97%。而歐洲輕型商用車和N1級廂式運貨車（最大整車質(zhì)量為3.5t）中約有60%是D和E級車型。
 
圖1 2018年輕型商用車和廂式運貨車車型的分布（以德國為例）
（圖中：CO2-Ziel=CO2排放目標(biāo)值）
考慮當(dāng)前車輛的CO2排放量，歐盟28個國家標(biāo)準(zhǔn)（EU28）將限值設(shè)為159 g/km（2018年數(shù)據(jù)），德國為152 g/km（2018年數(shù)據(jù)），上述數(shù)值已接近根據(jù)新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）得出的2020年的目標(biāo)值147 g/km（圖1）。目前可供使用的數(shù)據(jù)表明，全球統(tǒng)一的輕型車試驗程序（WLTP）行駛循環(huán)要求的車輛CO2排放值比NEDC行駛循環(huán)高出約20%～25%。以2021年WLTP行駛循環(huán)要求的車輛CO2排放值為基礎(chǔ)，2025年和2030年的車輛CO2排放值將分別降低15%和31%。
未來，柴油機(jī)也將為輕型商用車和廂式運貨車的降本增效目標(biāo)作出實質(zhì)性的貢獻(xiàn)。 除了降低 CO 2 排放之外，實施歐7標(biāo)準(zhǔn)（精確的數(shù)據(jù)和限值尚未公布）是未來對商用車動力裝置的一項重要要求。 同時，整車電氣化方案以及針對內(nèi)燃機(jī)汽車的限行令都將對此產(chǎn)生影響。
為了滿足歐7廢氣排放要求，48 V車載電網(wǎng)可與電機(jī)的P0布置型式相結(jié)合，而且電機(jī)的P2布置型式也可有效滿足未來的CO2排放目標(biāo)值。
2 廢氣排放技術(shù)
 
將N1級輕型商用車和8座汽車（M1）在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進(jìn)行試驗認(rèn)證。滿足當(dāng)前歐6d廢氣排放法規(guī)并可降低NOx排放的技術(shù)包括廢氣再循環(huán)（EGR）、柴油機(jī)顆粒捕集器以及選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)。為滿足未來更為嚴(yán)苛的歐6d排放限值，不斷改良SCR的凈化效果也勢在必行，需在較高的負(fù)荷和溫度條件下也能確保排放尾氣的轉(zhuǎn)化率。而廢氣后處理系統(tǒng)的溫度管理可通過機(jī)內(nèi)凈化措施來保障。
根據(jù)歐7廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步降低NOx排放，這就要求整個廢氣后處理系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)可靠的溫度管理，以便在發(fā)動機(jī)起動后以及在不斷縮短的城市行駛工況下確保較高的NOx轉(zhuǎn)化率。與采用先進(jìn)燃燒技術(shù)的加熱措施相比，廢氣后處理上游的電加熱元件(E-Kat)提供了更廣闊的運行自由度，并有效平衡了同時降低NOx和CO2排放之間的矛盾。由于所需的加熱功率約4 kW，因此采用48 V系統(tǒng)是前提條件，以便能充分發(fā)揮其技術(shù)潛力（圖2）。
 
圖2 滿足未來廢氣排放法規(guī)的技術(shù)包（DOC=氧化催化轉(zhuǎn)化器；SDPF=涂有選擇性還原催化劑的柴油機(jī)顆粒捕集器；ASC=氨逃逸催化轉(zhuǎn)化器）
48 V電機(jī)的設(shè)計過程允許實現(xiàn)附加功能，在低轉(zhuǎn)速時電機(jī)就已具有較高扭矩，以支持內(nèi)燃機(jī)在特性曲線場中實現(xiàn)低速運行。制動階段回收的動力學(xué)能量有助于實現(xiàn)CO2平衡，并保持均衡穩(wěn)定的蓄電池充電狀態(tài)。電機(jī)扭矩的提升降低了動態(tài)運行時對NOx排放量峰值的瞬態(tài)要求，從而可不使用吸附式催化轉(zhuǎn)化器。
48 V系統(tǒng)是未來用于實現(xiàn)降低輕型商用車廢氣排放的關(guān)鍵技術(shù)，并有望實現(xiàn)大規(guī)模推廣。隨著全球廢氣排放法規(guī)的逐漸趨同，這種技術(shù)不僅可用于滿足EU28，而且也可用于其他國家的柴油機(jī)市場，例如中國和印度。
3 驅(qū)動裝置的設(shè)計
 
48V混合動力系統(tǒng)可選用不同的布置型式（圖3）。對于輕型商用車而言，P0或P2這2種結(jié)構(gòu)型式具有最高的應(yīng)用潛力。
 
圖3 未來輕型商用車驅(qū)動裝置的系統(tǒng)設(shè)計
采用12 kW皮帶傳動起動機(jī)-發(fā)電機(jī)的P0混合動力能使3.5 t車型實現(xiàn)起動-停車功能、電動助力功能，并回收部分能量。這種系統(tǒng)可配裝到傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)上，此時通過皮帶傳動的起動機(jī)-發(fā)電機(jī)用于替代12 V發(fā)電機(jī)。該方案的弊端在于皮帶負(fù)荷過大而增加了寄生損失，此外還受到內(nèi)燃機(jī)自身的限制。
為了避免這些缺點，P2混合動力能以緊湊的單元模塊形式集成在內(nèi)燃機(jī)與變速器之間。30 kW的峰值功率與較高的蓄電池容量相結(jié)合就能滿足有限里程內(nèi)的行駛需求，例如市內(nèi)運輸。
P2系統(tǒng)的成本部分可通過簡化內(nèi)燃機(jī)而得到補(bǔ)償，為避免機(jī)械驅(qū)動可采用電動水泵和電動機(jī)油泵，這些措施同樣有助于提高整個系統(tǒng)的效率。通過上述方案開啟了全新的技術(shù)領(lǐng)域，例如應(yīng)用電動增壓器或電輔助增壓器以提高發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時的扭矩。
48 V系統(tǒng)降低CO2排放的技術(shù)潛力主要取決于運行策略和蓄電池容量，因為在真實行駛排放（RDE）行駛循環(huán)期間以純電模式驅(qū)動的持續(xù)時間難以實現(xiàn)完全預(yù)測，因此必須保持均衡而穩(wěn)定的充電狀態(tài)。
4 降低排放的技術(shù) 
 
為實現(xiàn)降低CO2排放的目標(biāo)，成本高昂的先進(jìn)技術(shù)又重新受到了研究人員的關(guān)注。例如，將可調(diào)式機(jī)油泵和可調(diào)式水泵等附加措施應(yīng)用于轎車驅(qū)動裝置上即可顯示出一定的潛力和可靠性，同時其也適用于輕型商用車（圖4）。缸孔成形珩磨、中心架珩磨、軸承軸頸拋光和減摩涂層等工藝優(yōu)化措施的運用同樣卓有成效。通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)和活塞-氣缸工作表面摩擦副的幾何學(xué)優(yōu)化，可將發(fā)動機(jī)摩擦降低到最低，而將鋁活塞調(diào)整為鋼活塞也是一大重要趨勢。
 
圖4 各種提高效率措施的降低CO2的相對潛力
通過溫度管理系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)動機(jī)暖機(jī)過程并保持一定的運行溫度，也能實現(xiàn)一定的改善效果。采用48 V系統(tǒng)電動水泵和電動機(jī)油泵就能維持系統(tǒng)的正常運行，并減少傳動功率。
使整機(jī)熱效率提高到45%以上，由此應(yīng)顯著提高壓縮比，并使峰值壓力提高到25 MPa。為了使機(jī)體承受較高的機(jī)械負(fù)荷而不會使摩擦損失顯著增大，基于部件設(shè)計和材料方案的整體優(yōu)化過程是必不可少的。
5 模塊化內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動裝置 
 
將上述部件集成到模塊化驅(qū)動裝置平臺上就能獲得一定的技術(shù)靈活性。在這一實例中，該平臺基于當(dāng)前的量產(chǎn)發(fā)動機(jī)而開發(fā)，以便實現(xiàn)未來降低廢氣和CO2排放的目標(biāo)（圖5）。
 
圖5 模塊化發(fā)動機(jī)系列實例:技術(shù)特點
采用的基礎(chǔ)機(jī)型是一款2.2 L發(fā)動機(jī)，其按照當(dāng)前的歐6d廢氣排放法規(guī)而設(shè)計，并用于3.5 t商用車。該款發(fā)動機(jī)裝備了顆粒捕集器和高壓EGR系統(tǒng)。廢氣放氣閥渦輪增壓器則專門用于功率等級為80 kW的機(jī)型。
 
下一步重點的開發(fā)工作是通過補(bǔ)充1個自身帶有尿素計量系統(tǒng)的SCR催化轉(zhuǎn)化器，并改善EGR標(biāo)定的一致性系數(shù)。由此可使低壓EGR系統(tǒng)能在相同的NOx排放水平的情況下降低CO2排放，而高壓EGR在發(fā)動機(jī)冷態(tài)運行階段仍可發(fā)揮作用。
48 V-P0系統(tǒng)用于滿足歐7廢氣排放法規(guī)，通過使用廢氣后處理上游的電加熱元件調(diào)節(jié)廢氣溫度以替代機(jī)內(nèi)凈化措施（例如可變排氣配氣定時），由此降低CO2排放。通過應(yīng)用48 V系統(tǒng)還能使用配裝了電動壓氣機(jī)或集成電機(jī)的電輔助渦輪增壓器，從而在低轉(zhuǎn)速時就能獲得較高的增壓壓力，并優(yōu)化渦輪增壓器的設(shè)計方案。電動壓氣機(jī)也能與廢氣后處理裝置實現(xiàn)組合使用，并作為發(fā)動機(jī)停機(jī)時調(diào)節(jié)廢氣后處理系統(tǒng)溫度的空氣泵。在使用電輔助設(shè)備的P2配置型式中，完全取消皮帶傳動可有效縮短發(fā)動機(jī)長度，并能獲得更高的效率。
 
在同一款發(fā)動機(jī)系列中，通過使用不同的增壓系統(tǒng)就能滿足各種功率等級的需求（圖6）。80 kW的基本功率等級可有效覆蓋較大的需求范圍，通過轉(zhuǎn)換到可變渦輪幾何截面渦輪增壓器（VTG）或兩級增壓系統(tǒng)就可以達(dá)到更高的功率等級。隨著48 V技術(shù)的日趨完善，目前發(fā)動機(jī)制造廠商更趨向于使用電輔助增壓系統(tǒng)。為了獲得更高的功率，可將電動壓氣機(jī)與VTG渦輪增壓器相組合，也可通過集成電機(jī)的電輔助VTG渦輪增壓器而實現(xiàn)。
 
圖6 模塊化驅(qū)動裝置系列概貌（圖中：VTG=可變渦輪截面；E-VTG=電輔助VTG；RSG=皮帶傳動起動機(jī)-發(fā)電機(jī)；DHT=混動專用變速器）
而N1車型平臺關(guān)注的焦點在于通過增壓系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計和額定轉(zhuǎn)速的不斷提升來實現(xiàn)更高的功率等級，不過在當(dāng)前的車型段市場中需降低對使用壽命的要求。
另一個重要發(fā)展方向是相同的基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)也可用于N2等級且整車質(zhì)量為3.5～12 t的重型車輛上。根據(jù)在發(fā)動機(jī)試驗臺架上進(jìn)行的廢氣排放認(rèn)證，增壓系統(tǒng)、廢氣后處理系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)都必須考慮到發(fā)動機(jī)高負(fù)荷時EGR率較高以及降低功率等級等方面的需求。
6 展望 
 
本文介紹了包括48 V電氣化系統(tǒng)在內(nèi)的改進(jìn)措施，使發(fā)動機(jī)可充分滿足未來的廢氣排放和CO2排放目標(biāo)。目前，研究人員對純電驅(qū)動方式的關(guān)注度正與日俱增，但對于輕型商用車而言，針對柴油機(jī)進(jìn)行的技術(shù)改良也是關(guān)鍵所在。
作者：[奧地利]S.KRAPF等
整理：范明強(qiáng)  
編輯：伍賽特
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