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用于轻型商用车和SUV的柴油机电气模块化平台

2020-04-08 19:34:14·  来源:汽车与新动力  
 
汽车动力装置的电气化已在商用车领域取得了显著成效。欧盟(EU)严苛的废气排放法规使得成本高昂的先进技术重新有了用武之地。奥地利AVL公司介绍了一种用于柴油
汽车动力装置的电气化已在商用车领域取得了显著成效。欧盟(EU)严苛的废气排放法规使得成本高昂的先进技术重新有了用武之地。奥地利AVL公司介绍了一种用于柴油机的电气模块化平台,重点考虑到了废气排放、效率和成本。
            
1 初始状况
 
在目前的轻型商用车动力系统领域,柴油机依然保有数量优势,2018年德国国内,约有95.5%的车型以柴油机为动力来源;厢式运货车(Van)中有94%的车型以柴油机为动力来源。图1示出了由联邦汽车行驶管理局统计的德国国内汽车等级市场份额。特别以德国国内的D和E级车型为例,其中以柴油机为动力来源的车型超过了97%。而欧洲轻型商用车和N1级厢式运货车(最大整车质量为3.5t)中约有60%是D和E级车型。
 
图1 2018年轻型商用车和厢式运货车车型的分布(以德国为例)
(图中:CO2-Ziel=CO2排放目标值)
考虑当前车辆的CO2排放量,欧盟28个国家标准(EU28)将限值设为159 g/km(2018年数据),德国为152 g/km(2018年数据),上述数值已接近根据新欧洲行驶循环(NEDC)得出的2020年的目标值147 g/km(图1)。目前可供使用的数据表明,全球统一的轻型车试验程序(WLTP)行驶循环要求的车辆CO2排放值比NEDC行驶循环高出约20%~25%。以2021年WLTP行驶循环要求的车辆CO2排放值为基础,2025年和2030年的车辆CO2排放值将分别降低15%和31%。
未来,柴油机也将为轻型商用车和厢式运货车的降本增效目标作出实质性的贡献。 除了降低 CO 2 排放之外,实施欧7标准(精确的数据和限值尚未公布)是未来对商用车动力装置的一项重要要求。 同时,整车电气化方案以及针对内燃机汽车的限行令都将对此产生影响。
为了满足欧7废气排放要求,48 V车载电网可与电机的P0布置型式相结合,而且电机的P2布置型式也可有效满足未来的CO2排放目标值。
2 废气排放技术
 
将N1级轻型商用车和8座汽车(M1)在转鼓试验台上进行试验认证。满足当前欧6d废气排放法规并可降低NOx排放的技术包括废气再循环(EGR)、柴油机颗粒捕集器以及选择性催化还原(SCR)系统。为满足未来更为严苛的欧6d排放限值,不断改良SCR的净化效果也势在必行,需在较高的负荷和温度条件下也能确保排放尾气的转化率。而废气后处理系统的温度管理可通过机内净化措施来保障。
根据欧7废气排放标准,需进一步降低NOx排放,这就要求整个废气后处理系统应实现可靠的温度管理,以便在发动机起动后以及在不断缩短的城市行驶工况下确保较高的NOx转化率。与采用先进燃烧技术的加热措施相比,废气后处理上游的电加热元件(E-Kat)提供了更广阔的运行自由度,并有效平衡了同时降低NOx和CO2排放之间的矛盾。由于所需的加热功率约4 kW,因此采用48 V系统是前提条件,以便能充分发挥其技术潜力(图2)。
 
图2 满足未来废气排放法规的技术包(DOC=氧化催化转化器;SDPF=涂有选择性还原催化剂的柴油机颗粒捕集器;ASC=氨逃逸催化转化器)
48 V电机的设计过程允许实现附加功能,在低转速时电机就已具有较高扭矩,以支持内燃机在特性曲线场中实现低速运行。制动阶段回收的动力学能量有助于实现CO2平衡,并保持均衡稳定的蓄电池充电状态。电机扭矩的提升降低了动态运行时对NOx排放量峰值的瞬态要求,从而可不使用吸附式催化转化器。
48 V系统是未来用于实现降低轻型商用车废气排放的关键技术,并有望实现大规模推广。随着全球废气排放法规的逐渐趋同,这种技术不仅可用于满足EU28,而且也可用于其他国家的柴油机市场,例如中国和印度。
3 驱动装置的设计
 
48V混合动力系统可选用不同的布置型式(图3)。对于轻型商用车而言,P0或P2这2种结构型式具有最高的应用潜力。
 
图3 未来轻型商用车驱动装置的系统设计
采用12 kW皮带传动起动机-发电机的P0混合动力能使3.5 t车型实现起动-停车功能、电动助力功能,并回收部分能量。这种系统可配装到传统发动机上,此时通过皮带传动的起动机-发电机用于替代12 V发电机。该方案的弊端在于皮带负荷过大而增加了寄生损失,此外还受到内燃机自身的限制。
为了避免这些缺点,P2混合动力能以紧凑的单元模块形式集成在内燃机与变速器之间。30 kW的峰值功率与较高的蓄电池容量相结合就能满足有限里程内的行驶需求,例如市内运输。
P2系统的成本部分可通过简化内燃机而得到补偿,为避免机械驱动可采用电动水泵和电动机油泵,这些措施同样有助于提高整个系统的效率。通过上述方案开启了全新的技术领域,例如应用电动增压器或电辅助增压器以提高发动机低转速时的扭矩。
48 V系统降低CO2排放的技术潜力主要取决于运行策略和蓄电池容量,因为在真实行驶排放(RDE)行驶循环期间以纯电模式驱动的持续时间难以实现完全预测,因此必须保持均衡而稳定的充电状态。
4 降低排放的技术 
 
为实现降低CO2排放的目标,成本高昂的先进技术又重新受到了研究人员的关注。例如,将可调式机油泵和可调式水泵等附加措施应用于轿车驱动装置上即可显示出一定的潜力和可靠性,同时其也适用于轻型商用车(图4)。缸孔成形珩磨、中心架珩磨、轴承轴颈抛光和减摩涂层等工艺优化措施的运用同样卓有成效。通过曲柄连杆机构和活塞-气缸工作表面摩擦副的几何学优化,可将发动机摩擦降低到最低,而将铝活塞调整为钢活塞也是一大重要趋势。
 
图4 各种提高效率措施的降低CO2的相对潜力
通过温度管理系统优化发动机暖机过程并保持一定的运行温度,也能实现一定的改善效果。采用48 V系统电动水泵和电动机油泵就能维持系统的正常运行,并减少传动功率。
使整机热效率提高到45%以上,由此应显著提高压缩比,并使峰值压力提高到25 MPa。为了使机体承受较高的机械负荷而不会使摩擦损失显著增大,基于部件设计和材料方案的整体优化过程是必不可少的。
5 模块化内燃机和驱动装置 
 
将上述部件集成到模块化驱动装置平台上就能获得一定的技术灵活性。在这一实例中,该平台基于当前的量产发动机而开发,以便实现未来降低废气和CO2排放的目标(图5)。
 
图5 模块化发动机系列实例:技术特点
采用的基础机型是一款2.2 L发动机,其按照当前的欧6d废气排放法规而设计,并用于3.5 t商用车。该款发动机装备了颗粒捕集器和高压EGR系统。废气放气阀涡轮增压器则专门用于功率等级为80 kW的机型。
 
下一步重点的开发工作是通过补充1个自身带有尿素计量系统的SCR催化转化器,并改善EGR标定的一致性系数。由此可使低压EGR系统能在相同的NOx排放水平的情况下降低CO2排放,而高压EGR在发动机冷态运行阶段仍可发挥作用。
48 V-P0系统用于满足欧7废气排放法规,通过使用废气后处理上游的电加热元件调节废气温度以替代机内净化措施(例如可变排气配气定时),由此降低CO2排放。通过应用48 V系统还能使用配装了电动压气机或集成电机的电辅助涡轮增压器,从而在低转速时就能获得较高的增压压力,并优化涡轮增压器的设计方案。电动压气机也能与废气后处理装置实现组合使用,并作为发动机停机时调节废气后处理系统温度的空气泵。在使用电辅助设备的P2配置型式中,完全取消皮带传动可有效缩短发动机长度,并能获得更高的效率。
 
在同一款发动机系列中,通过使用不同的增压系统就能满足各种功率等级的需求(图6)。80 kW的基本功率等级可有效覆盖较大的需求范围,通过转换到可变涡轮几何截面涡轮增压器(VTG)或两级增压系统就可以达到更高的功率等级。随着48 V技术的日趋完善,目前发动机制造厂商更趋向于使用电辅助增压系统。为了获得更高的功率,可将电动压气机与VTG涡轮增压器相组合,也可通过集成电机的电辅助VTG涡轮增压器而实现。
 
图6 模块化驱动装置系列概貌(图中:VTG=可变涡轮截面;E-VTG=电辅助VTG;RSG=皮带传动起动机-发电机;DHT=混动专用变速器)
而N1车型平台关注的焦点在于通过增压系统的相应设计和额定转速的不断提升来实现更高的功率等级,不过在当前的车型段市场中需降低对使用寿命的要求。
另一个重要发展方向是相同的基础发动机也可用于N2等级且整车质量为3.5~12 t的重型车辆上。根据在发动机试验台架上进行的废气排放认证,增压系统、废气后处理系统和EGR系统都必须考虑到发动机高负荷时EGR率较高以及降低功率等级等方面的需求。
6 展望 
 
本文介绍了包括48 V电气化系统在内的改进措施,使发动机可充分满足未来的废气排放和CO2排放目标。目前,研究人员对纯电驱动方式的关注度正与日俱增,但对于轻型商用车而言,针对柴油机进行的技术改良也是关键所在。
作者:[奥地利]S.KRAPF等
整理:范明强  
编辑:伍赛特
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