CA4DC2-10E4皮卡國Ⅳ排放樣車的開發

王啟航，侯方，韓祖豪，王克，趙雪輝，李興民

（道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連，116022）

CA4DC2-10E4皮卡國Ⅳ排放樣車的開發

王啟航，侯方，韓祖豪，王克，趙雪輝，李興民

（道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連，116022）

匹配CA4DC2-10E4電控共軌柴油機的丹東曙光大柴神皮卡，在整車底盤測功機的排放臺架上，開展了氧化型后處理器、EGR冷卻器和優化標定的試驗研究。試驗結果表明，樣車排放達到了國Ⅳ標準，整車排放循環工況百公里油耗僅為8L。

共軌柴油機國Ⅳ排放氧化催化轉化器EGR冷卻器優化標定

1 前言

丹東曙光汽車集團旗下的黃海大柴神皮卡，以“大承載”、“大動力”、“大收益”、“大氣派”為核心賣點，自投放市場以來，多快好省的“黃海大柴神”皮卡已成為國內柴油皮卡的標桿性產品。

道依茨一汽大連柴油機有限公司和丹東曙光汽車公司在成功推出了匹配CA4DC2-10E3國Ⅲ排放電控共軌柴油機的大柴神皮卡后，為了滿足GB18352.3－2005法規的國Ⅳ排放，雙方合作以批產的國Ⅲ排放皮卡為基礎，開發排放滿足國Ⅳ標準，并進一步優化整車油耗指標和控制整車的成本，力爭打造國Ⅳ排放階段皮卡的最高性價比，為全面實施國Ⅳ排放提供強有力的整車產品，提升大柴神皮卡的市場占有率。

2 樣車配置

2.1 發動機配置

匹配皮卡的CA4DC2-10E4為直噴式增壓中冷電控共軌冷卻EGR柴油機，主要結構及技術參數如表1所示。該機采用了Bosch CRS2.0系統，最高軌壓為145 MPa，核心4大部件說明如下：

（1）噴油器的主要參數為6孔，噴孔直徑為0.126 mm，K系數為1.5，油束錐角為155°，噴油器流量為300±6 cm3/30s；噴油器銅墊片的厚度為2.5±0.1 mm；

（2）ECU為BOSCH EDC16C39；

（3）高壓油泵為CP1H油泵；

（4）帶軌壓傳感器的激光焊接軌。

EGR閥為真空膜片式氣動閥，采用占空比（PWM）控制方式。采用了Bosch HFM空氣質量流量傳感器，它替代了原機的進氣溫度壓力傳感器，實現了對EGR閥的進氣閉環控制，并滿足OBD法規的要求，如圖1所示。HFM空氣質量流量傳感器安裝在空氣濾清器和增壓器之間。

表1 CA4DC2-10E4柴油機技術參數

圖1 進氣溫度壓力傳感器和HFM空氣質量流量傳感器

EGR冷卻器由浙江銀輪公司提供，并按整車排放開發的要求提供了改進型EGR冷卻器。

增壓器采用了上海聯信公司型號為GT22放氣閥式增壓器。為適應EGR系統的要求，用相對比較大的過量空氣系數來組織燃燒，在實現高EGR率的前提下，結合高壓噴射技術，來控制碳煙水平[1]。

空－空中冷器由丹東曙光公司進行整車布置，與中冷器的連接管路要滿足整車對發動機機艙空間的限制，并保證整機外觀符合商品車的要求。

匹配了氧化型催化反應器（DOC），在整車布置上盡可能地靠近廢氣渦輪增壓器，小的熱慣性能使氧化型催化反應器快速起燃，滿足后處理器溫度反應窗口的要求，使后處理器保持較高的轉化效率，同時盡可能地降低后處理器的阻力，來獲得整車油耗的優勢[2]。

柴油機的微粒排放由3部分組成：碳煙顆粒（Soot）、可溶有機成分（SOF）、硫酸鹽顆粒。機油產生的SOF占SOF總質量的15%～80%。因此控制發動機機油耗水平，使用滿足法規要求的低硫柴油是微粒排放達標的基礎和前提。CA4DC2-10E4發動機在機油耗開發方面，主要改進如下：

（1）缸體采用缸蓋螺栓加深的方式優化缸孔變形，并對缸體毛坯采用合適的時效工藝處理；

（2）采用半成品缸套，壓板絎磨的工藝，同時優化了缸套網紋參數；

（3）開發了鋼質油環，油環的刮油刃為0.25± 0.02 mm。

通過上述的改進措施，樣機在標定功率工況下機油燃油比達到了0.2%以下的水平。

2.2 整車的配置

按GB 18352.3－2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》法規中規定的Ⅰ型試驗運轉循環，根據整車的變速箱各擋位速比、后橋速比和輪胎滾動半徑，按法規規定的車速轉換為柴油機的轉速和負荷。整車排放和性能的開發一定意義上是整車整個傳動系的優化和匹配，單單地只靠柴油機的本身優化，很難達到整車排放、動力性以及舒適性的綜合權衡。為了滿足越來越嚴格的排放法規和燃油經濟性的要求，柴油機的強化程度將不斷提高，升功率、升扭矩的增加，需要匹配合適傳動系參數（變速箱和后橋速比等）。采用降低柴油機轉速，提升扭矩，更好地滿足了整車排放和節能的雙重要求。大柴神皮卡的整車參數，如表2所示。

3 整車在底盤測功機上的排放開發

3.1 國Ⅳ排放的限值和測試循環

根據GB18352.3－2005法規定義的車型為最大總質量不超過3 500 kg的M1類、M2類和N1類汽車，基準質量（RM）指汽車的“整備質量”加上100 kg。大柴神皮卡屬于第二類車，其基準質量為1 800 kg。排放工程目標為批產留有10%的裕度，項目工程目標的定義如表3所示。

裝有壓燃式發動機的汽車必須進行I型試驗，I型試驗規定了整車在底盤測功機的運轉循環，其工況如圖2所示。

3.2 基礎樣車的標定

樣車在底盤測功機上進行Ⅰ型試驗運轉循環，對樣車原配置進行了排放的摸底。根據試驗結果，針對1部和2部循環加大了EGR率，重新標定了EGR的MAP圖，標定后在底盤測功機上進行了排放測試。

表2 大柴神皮卡的整車參數

表3 國Ⅳ排放限值和項目工程目標

圖2 I型試驗運轉循環

樣車在標定前、后的NOx、HC、CO的測試結果，如圖3所示。排放結果如表4所示。

圖3 樣車和標定后的排放測試對比

從測試的排放結果分析，對于1部循環，針對部分負荷加大EGR率，在有效控制煙度指標的前提下，NOx、HC、CO和PM指標得到了全面的改善，同時百公里油耗指標也有所降低。但基于EGR系統的壓差所限，EGR率在1部循環已經調整到極限；在2部區域由于受煙度所限，EGR率的優化幅度不大。因此NOx的進一步降低，不得不依賴后處理的背壓提升來提高EGR系統的壓差，實現EGR率的增加，但這將導致油耗的增加；另一個有效的措施是改進EGR冷卻器，提高冷卻效率達到同時降低NOx和PM的目的。

表4 排放測試結果

3.3 氧化型催化轉換器（DOC）的匹配

氧化型催化反應器，催化劑的主要活性成分為Pt或Pd。DOC能夠高效地去除尾氣中的CO和HC；在溫度較高時，還能將NOx中的NO氧化成NO2，如圖4所示[3]。

圖4 DOC內CO和HC的轉化率以及NO2的形成隨溫度變化

根據顆粒物中的SOF的含量不同，DOC可以降低3%～25%的顆粒排放量。

DOC在使用過程中要將工作溫度范圍嚴格控制在200～300℃之間。因為排氣溫度低于150℃，催化劑基本不起作用，而排氣溫度高于350℃，柴油機尾氣中的SO2經DOC后氧化成SO3，進而生成硫酸鹽顆粒，使顆粒物中硫酸鹽比例大大增加，僅硫酸鹽顆粒物的形成就會導致顆粒的排放超過國Ⅳ排放限值。此外，生成的硫酸鹽顆粒覆蓋在載體表面而導致催化劑中毒。因此，為了滿足國Ⅳ排放，要求使用硫含量低于0.005%的低硫柴油。排氣溫度對DOC顆粒轉化率的影響，如圖5所示[3]。

圖5 排氣溫度對DOC內顆粒轉化率的影響

本輪試驗采用DOC方案，其參數如表5所示。方案1和方案2的樣件，在200 kPa氣壓下，30 s時間內的壓降小于5 kPa；方案3采用3個陶瓷載體，方案3的壓降小于7.5 kPa。因此針對方案3，通過EGR MAP的二輪調整，增加了EGR率。3種方案排放測試的結果如圖6和表6所示。

表5 DOC的試驗方案

從試驗結果可以看出，方案1和方案2是A供應商和B供應商提供的DOC樣件，在標定數據完全相同的情況下，供應商B的NOx和PM更接近國Ⅳ排放限值。為了進一步降低NOx的排放量，方案3由B供應商提供了3個陶瓷載體串聯的樣件，樣件的阻力相對較大，提高了渦后背壓，通過標定可以實現EGR率的增加，使NOx的值達到了0.377 g/km，但同時也導致了11%的顆粒上升和1%的油耗上升，整車排放指標已接近國Ⅳ排放限值。

3.4 EGR冷卻器的匹配

圖6 3種DOC方案的排放測試結果

表6 3種DOC方案的排放測試結果

EGR冷卻器的冷后溫度對柴油機的NOx和煙度有很大影響。EGR冷后溫度越低，NOx和煙度都會降低。當廢氣溫度降低時，廢氣的密度增大，同質量的廢氣所占體積減少，廢氣對進氣的負面影響減少，更多的新鮮空氣進入氣缸，氣缸內氧濃度增大，碳煙的氧化作用增強，煙度下降，同時由于廢氣溫度降低使缸內燃燒溫度下降，減少了NOx的排放量[4-6]。

原EGR冷卻器與改進的EGR冷卻器的性能指標測試結果如圖7所示。由于改進的EGR冷卻器的散熱面積增大，導致冷卻腔的阻力增大，從而引起冷卻流量的下降。改進的EGR冷卻器散熱量較原EGR冷卻器有了明顯的提升。EGR冷卻器的阻力改進后較原EGR冷卻器有了增加，冷卻效率由原來的30%～40%提升到50%～60%的水平。

改進的EGR冷卻器與原EGR冷卻器，在標定數據和后處理器相同的配置條件下，整車在底盤測功機測得的排放結果分別如圖8、圖9和表7所示。

圖7 EGR冷卻器改進前后的性能測試對比

圖8 I型試驗EGR冷卻器改進前后的排放測試

圖9 EGR冷卻器改進前后的排放測試結果

表7 EGR冷卻器改進前后的排放測試結果

EGR冷卻器冷卻效率的改善，在應用方案2后處理器的前提下，排放測試的結果說明，改進后的EGR冷卻器有效地降低了NOx和PM的排放，HC的排放相近，但CO排放卻上升了99.7%，接近國Ⅳ的排放工程限值。經過匹配改進后的EGR冷卻器，皮卡車的排放已經滿足了國Ⅳ排放法規限值，且達到了工程開發目標。

4 總結

CA4DC2-10E4增壓中冷電控共軌冷卻EGR柴油機匹配丹東曙光大柴神皮卡，整車在底盤測功機上進行排放開發，結論如下：

（1）要想達到國Ⅳ的NOx排放限值，必須增加EGR率，特別對于1部循環；

（2）匹配DOC后處理器，排氣背壓的提高為增大EGR率提供了條件，但同時這會引起燃油耗的升高；

（3）采用改進的EGR冷卻器，可使NOx和PM的同步下降，但卻引起了CO排放量的大幅度上升，上升幅度高達99.7%，排放循環百公里油耗指標改善了9.6%。

整車通過采用改進的EGR冷卻器，優化標定MAP和匹配DOC使整車排放滿足了國Ⅳ排放的限值，達到了工程開發目標，并為生產留有了10%的排放裕度，整車排放循環的百公里油耗達到了8 L。

對于CO排放量的進一步降低，需要進一步開展DOC的匹配和開發工作?，F階段的排放性能指標已經達到了工程目標要求，整車順利地取得了國Ⅳ排放公告。

1李勤編．現代內燃機排氣污染物的測量與控制[M]．北京：機械工業出版社，1998．

2王啟航，王永紅，王華偉等．CA498型柴油機達歐Ⅲ排放的試驗研究[J]．車用發動機，2006（4）：19-21．

3蔣德明，陳長佐，楊嘉林等．高等車用發動機內燃機原理[M]．西安：西安交通大學出版社，2006．

4王天靈，李駿，吳君華等．廢氣再循環降低增壓柴油機排放的試驗研究[J]．汽車技術，2005（12）：12-15．

5陳群，劉巽俊，李俊等．車用柴油機冷EGR系統的試驗研究[J]．汽車工程，2001（6）：392-395．

6陳群，劉巽俊，李駿等．CA498車用柴油機EGR的試驗研究[J]．內燃機學報，2001（6）：557-561.

Development of CA4DC2-10E4 Pickup Meeting China IV Emissions Legislation

Wang Qihang,Hou Fang,Han Zhuhao,Wang Ke,Zhao Xuehui,Li Xxingmin
（DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian 116022,China）

To apply the CA4DC2-10E4 electronic-controlled common-rail engine to the Dandong ShuGuang DaChaishen pickup,a roller emission test is carried out for the study on the effects of diesel oxidation catalyst,EGR cooler and optimization of calibration map on vehicle exhaust emissions and performance.The results show that:the pickup can meet China IV emissions legislation and the BSFC of the pickup emissions test cycle is 8L/100 km.

common-rail diesel engine,China IV emissions,DOC,EGR cooler,optimization calibration

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.001

來稿日期：2012-06-11

王啟航（1971-），男，工程碩士，主要研究方向為輕型車用柴油機整機開發。