Bluetec柴油轿车超低减排之路(上)

Bluetec柴油轿车超低减排之路(上) 在当今燃油价格越来越高而对C02排放量也越来越敏感的形势下,欧洲、美国和日本等国家和地区的汽车制造厂商根据各自的技术特长纷纷推出先进的绿色动力,所选择的技术路线各有特色。丰田和本田等日本汽车厂商选择的是混合动力路线,通用、福特和戴一克等美国汽车厂商主要走的是氢燃料电池的道路,而德国奔驰和大众等欧洲汽车厂商则力图在柴油车技术领域有所突破。 2004年德国梅赛德斯一奔驰公司就以先进的高压共轨喷射技术推出的满足美国US-Tier-2-Bin10废气排放的E320 CDI型柴油轿车打开了美国轿车市场,并于2006年初该公司又在底特律车展上展示了新开发的“Bluetec”技术,以其令人叹服的低排放引起了世界汽车界的高度关注。同年10月该公司达到美国Bln8废气排放法规限值的Bluetec版本车型-E320 Bluetec就在美国上市,深受到市场的青睐。2008年该公司继续展开“Bluetec”攻势,进一步为美国市场提供SCR/AdBlue技术,推出了首批Bluetec版本的R、ML和GL 320 Bluetec型柴油SUV车,这些车型都能满足美国50个州实施的更为严厉的美国Bin5排放标准,并具有达到未来欧6废气排放标准的潜力。据美国环保局公布的测试数据表 明,采用Bluetec技术的柴油机颗粒排放物降低了98%,有害气体排放降低了80%。 但是,2006年10月9日,奔驰与大众、奥迪和宝马四家公司宣布建立联盟进行先进柴油机技术的推广,事实上其联盟的主要目的就是共享这项先进的柴油机技术――B euetec。奔驰之所以要与另外三家分享这一技术成果,不仅是为了分摊巨额的研发成本,同时也是看好美国的柴油车市场,联合起来与日本汽车厂商抗衡,保住逐渐失去的市场份额,更是对日系混合动力的宣战。 实际上,混合动力的原动力仍然离不开汽油机或柴油机,多年来的发展趋势已经证实柴油机是目前市场上汽油机的最具吸引力的替代动力。其原因是柴油机除了具有高效率之外,诸如涡轮增压和直接喷射(例如高压共轨喷射系统)等新技术使得柴油机能够在具有非常良好舒适性的同时,其最大功率和最大扭矩可以不断增长,因此如今在欧洲每个家庭的第二辆新轿车总是选装备柴油机动力的车。但是,为了应付越来越严厉的排放法规的挑战,同时又能保持柴油机燃油经济性的优势,Bluetec技术应运而生,这是全球柴油轿车实现超低排放的必由之路。 奔驰公司将这种先进技术命名为“Bluetec”,似为“Blue”(蓝色)和“Technic”(技术)的复合词,象征清洁的空气和蔚蓝的天空,而大众公司则命名为“BIueMotion”,似为“Blue” (蓝色)和“Motion”(运动、驱动)的复合词,代表面向未来的驱动力,有时被媒体昵称为“蓝驱”。两者的含义是相似的,并且都很有意境而更富品牌广告效果。 以下将以梅赛德斯一奔驰公司搭载的E300/E320 B Juetec柴油轿车的OM642-3 0L-V6柴油机为例,详细介绍这种目前世界上排放最低的柴油机技术的要点和实际效果。 1Bluotoc系统 Bluetec系统(图1)包括原始排放最低的基础发动机,由氧化催化器、颗粒捕集器和氮氧化物后处理器组成的一整套废气后处理装置以及使各部件和运行模式相互协调的系统 控制器。根据应用场合不同,氮氧化物的后处理或是采用存储式NOx催化器(NSK),或是应用附加AdBlue(一种附加尿素水溶液喷射系统释放氨作为还原剂的解决)的SCR(选择性催化还原)系统来实现的。 2基础发动机机内净化措施 OM642一V6柴油机为了应用BIuetec方案已经进行过详细的改进,其目标是要使机内原始排放达到最低,并满足法规对车载诊断(OBD)的要求。措载于欧洲E300 Bluetec柴油轿车的~M642一V6柴油机的功率和扭矩示于图2。与欧洲市场众所周知的欧4机型相比,该机已经进行了如下改进: ①压缩比从17 7降低到16 5,∞燃烧室的几何形状也相应修改; ②采用了专门匹配好的喷油器; ③EGR冷却器的冷却功率提高了20%; ④最佳的可变几何截面废气涡轮增压器; ⑤预热塞、可变进气涡流阀和废气热交换器的OBD控制; ⑥应用功能更强的新一代发动机电子控制单元; ⑦增加EGR系统功能,优化EGR调节性能。 该柴油机最大功率1 56 5kW,最大扭矩543N?m。为了尽量控制Bluetec版本柴油轿车的售价和尽量保持柴油轿车在燃油经济性方面的优势,以提高其在美国市场上竞争力, BIuetec版本柴油轿车只配装7挡自动变速器(7G-Tronic)。表1示出了OM642一Bin5柴油机的主要性能指标,并与达到欧4和Tier2Bin 10排放标准的机型进行比较。 与欧洲排放认证相比,为了获得在各种废气排放测试循环fFTP、US06、SC03)下的美国排放认证,必须在直到接近全负荷的运转范围内进行试验。为了同时优化原始排放、燃油耗和NVH特性,因此必须借助于DOE(试验设计)工具对所有重要的特性曲线范围进行系统的试验研究。 2.1燃烧过程的优化 图3表示与欧4的OM642柴油机相比,Bluetec版本机型使用的活塞具有较大的燃烧室,并与喷孔流量明显降低的 喷油嘴相互配合形成了良好的混合汽,从而大大提高了EGR 的适应性,同时采用了7孔喷油嘴,与燃烧室达到了最佳的匹配效果。 考虑到对排放有影响的零件的公差,并在发动机整个使用寿命期内都能达到原始排放目标,选择了以下设计方案,以利于混合汽形成: ①直接调节EGR率; ②在运转中采集并学习各缸真实的充气特性; ③对进气空气质量计量进行附加修正; ④采集并学习各缸喷油量的分散度和偏差。图4示出了所选择的EGR率模型方案,它由3个温度模型和一个充气模型所组成。如果空气消耗量、进气空气质量和喷油量都能被精确地测定,那么为了缩小排放偏差的幅度必须选择精确的发动机控制。这将通过持续的“学习三角形”来达到,而这种“学习三角形”是由空气消耗量匹配和热膜空气质量流量计(HFM)偏差补偿以及由传感器信号修正喷油量功能等学习功能的网络化通讯来实现的。 借助于这些学习和控制功能就能够对由热膜空气质量流量计(HFM)和喷油器偏差所形成的极限位置系统进行可靠的采集和学习,从而大大地减小原始排放分散带的宽度(图5)。 2.2增压的改进 高EGR率一方面涉及到高排放敏感性,这与EGR率的最小波动幅度有关,另一方面必须采用特别针对调节稳定性改进的增压方案,因此采用了最新一代的可变几何截面废气涡轮增压器(图6)。 与老型号的涡轮增压器不同,可变几何截面涡轮增压器的调节机构直接固定在轴承座壳体上,而与涡轮壳不相连;导向叶片轮廓呈弯曲状,而涡轮的背部是封闭的。这种新一代废气涡轮增压器具有出色的性能,除了良好的热力学性能之外,其动态调节滞后极小,因此在任何运转工况条件下EGR率和增压压力都能稳定地进行调节。 2.3新一代发动机控制单元EDC17 在BIuetec技术引入美国的同时,发动机电控单元的管理功能也已经成功地扩展了以下方面功能: ①为满足美国BIN5排放标准要求,增添了传感器和执行器(NOx传感器、温度传感器和压力传感器); ②为发动机、氧化催化器、颗粒捕集器、SCR催化器、SCR尿素水溶液箱及其液面传感器等配备了OBD ||功能; ③为实施SCR的配量策略和数量匹配配备了相应的器具; ④实施了SCR系统的报警和指示方案; ⑤进一步开发了发动机学习和调节功能。 为了扩展这些必需的功能,迄今为止使用的 EDCl6(EDC=柴油机电子控制)电控单元平台的工作能力已不再够用,因此必须换用EDCl7电控单元平台。EDCl7平台是以tnfiNeon公司的“TricoreTC1796”MetIs微处理器为基础的,这种微处理器具有150MHz循环频率和2MB内部Flasch存储器(图7)。 此外,采用EDC17平台还能达到如下目标: ①汽油机和柴油机的电控单元可以采用统一的结构; ②最佳的CAN总线结构; ③可应用戴姆勒公司自己的软件; ④温度传感器可应用芯片上2Bit模数转换器; ⑤降低硬件成本; ⑥降低结构空间要求。