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用于輕型商用車和SUV的柴油機電氣模塊化平臺
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域取得了顯著成效。歐盟（EU）嚴苛的廢氣排放法規(guī)使得成本高昂的先進技術重新有了用武之地。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域取得了顯著成效。歐盟（EU）嚴苛的廢氣排放法規(guī)使得成本高昂的先進技術重新有了用武之地。奧地利AVL公司介紹了一種用于柴油機的電氣模塊化平臺，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)領域，柴油機依然保有數(shù)量優(yōu)勢，2018年德國國內，約有95.5%的車型以柴油機為動力來源；廂式運貨車（Van）中有94%的車型以柴油機為動力來源。圖1示出了由聯(lián)邦汽車行駛管理局統(tǒng)計的德國國內汽車等級市場份額。特別以德國國內的D和E級車型為例，其中以柴油機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排放目標值）
考慮當前車輛的CO2排放量，歐盟28個國家標準（EU28）將限值設為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，2025年和2030年的車輛CO2排放值將分別降低15%和31%。
未來，柴油機也將為輕型商用車和廂式運貨車的降本增效目標作出實質性的貢獻。 除了降低 CO 2 排放之外，實施歐7標準（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燃機汽車的限行令都將對此產生影響。
為了滿足歐7廢氣排放要求，48 V車載電網(wǎng)可與電機的P0布置型式相結合，而且電機的P2布置型式也可有效滿足未來的CO2排放目標值。
2 廢氣排放技術
將N1級輕型商用車和8座汽車（M1）在轉鼓試驗臺上進行試驗認證。滿足當前歐6d廢氣排放法規(guī)并可降低NOx排放的技術包括廢氣再循環(huán)（EGR）、柴油機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，需在較高的負荷和溫度條件下也能確保排放尾氣的轉化率。而廢氣后處理系統(tǒng)的溫度管理可通過機內凈化措施來保障。
根據(jù)歐7廢氣排放標準，需進一步降低NOx排放，這就要求整個廢氣后處理系統(tǒng)應實現(xiàn)可靠的溫度管理，以便在發(fā)動機起動后以及在不斷縮短的城市行駛工況下確保較高的NOx轉化率。與采用先進燃燒技術的加熱措施相比，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)揮其技術潛力（圖2）。
圖2 滿足未來廢氣排放法規(guī)的技術包（DOC=氧化催化轉化器；SDPF=涂有選擇性還原催化劑的柴油機顆粒捕集器；ASC=氨逃逸催化轉化器）
48 V電機的設計過程允許實現(xiàn)附加功能，在低轉速時電機就已具有較高扭矩，以支持內燃機在特性曲線場中實現(xiàn)低速運行。制動階段回收的動力學能量有助于實現(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鍵技術，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，這種技術不僅可用于滿足EU28，而且也可用于其他國家的柴油機市場，例如中國和印度。
3 驅動裝置的設計
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種結構型式具有最高的應用潛力。
圖3 未來輕型商用車驅動裝置的系統(tǒng)設計
采用12 kW皮帶傳動起動機-發(fā)電機的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)動機上，此時通過皮帶傳動的起動機-發(fā)電機用于替代12 V發(fā)電機。該方案的弊端在于皮帶負荷過大而增加了寄生損失，此外還受到內燃機自身的限制。
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燃機與變速器之間。30 kW的峰值功率與較高的蓄電池容量相結合就能滿足有限里程內的行駛需求，例如市內運輸。
P2系統(tǒng)的成本部分可通過簡化內燃機而得到補償，為避免機械驅動可采用電動水泵和電動機油泵，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領域，例如應用電動增壓器或電輔助增壓器以提高發(fā)動機低轉速時的扭矩。
48 V系統(tǒng)降低CO2排放的技術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)期間以純電模式驅動的持續(xù)時間難以實現(xiàn)完全預測，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
為實現(xiàn)降低CO2排放的目標，成本高昂的先進技術又重新受到了研究人員的關注。例如，將可調式機油泵和可調式水泵等附加措施應用于轎車驅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。通過曲柄連桿機構和活塞-氣缸工作表面摩擦副的幾何學優(yōu)化，可將發(fā)動機摩擦降低到最低，而將鋁活塞調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)動機暖機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)電動水泵和電動機油泵就能維持系統(tǒng)的正常運行，并減少傳動功率。
使整機熱效率提高到45%以上，由此應顯著提高壓縮比，并使峰值壓力提高到25 MPa。為了使機體承受較高的機械負荷而不會使摩擦損失顯著增大，基于部件設計和材料方案的整體優(yōu)化過程是必不可少的。
5 模塊化內燃機和驅動裝置
將上述部件集成到模塊化驅動裝置平臺上就能獲得一定的技術靈活性。在這一實例中，該平臺基于當前的量產發(fā)動機而開發(fā)，以便實現(xiàn)未來降低廢氣和CO2排放的目標（圖5）。
圖5 模塊化發(fā)動機系列實例:技術特點
采用的基礎機型是一款2.2 L發(fā)動機，其按照當前的歐6d廢氣排放法規(guī)而設計，并用于3.5 t商用車。該款發(fā)動機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的機型。
下一步重點的開發(fā)工作是通過補充1個自身帶有尿素計量系統(tǒng)的SCR催化轉化器，并改善EGR標定的一致性系數(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節(jié)廢氣溫度以替代機內凈化措施（例如可變排氣配氣定時），由此降低CO2排放。通過應用48 V系統(tǒng)還能使用配裝了電動壓氣機或集成電機的電輔助渦輪增壓器，從而在低轉速時就能獲得較高的增壓壓力，并優(yōu)化渦輪增壓器的設計方案。電動壓氣機也能與廢氣后處理裝置實現(xiàn)組合使用，并作為發(fā)動機停機時調節(jié)廢氣后處理系統(tǒng)溫度的空氣泵。在使用電輔助設備的P2配置型式中，完全取消皮帶傳動可有效縮短發(fā)動機長度，并能獲得更高的效率。
在同一款發(fā)動機系列中，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)就可以達到更高的功率等級。隨著48 V技術的日趨完善，目前發(fā)動機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，可將電動壓氣機與VTG渦輪增壓器相組合，也可通過集成電機的電輔助VTG渦輪增壓器而實現(xiàn)。
圖6 模塊化驅動裝置系列概貌（圖中：VTG=可變渦輪截面；E-VTG=電輔助VTG；RSG=皮帶傳動起動機-發(fā)電機；DHT=混動專用變速器）
而N1車型平臺關注的焦點在于通過增壓系統(tǒng)的相應設計和額定轉速的不斷提升來實現(xiàn)更高的功率等級，不過在當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發(fā)動機也可用于N2等級且整車質量為3.5～12 t的重型車輛上。根據(jù)在發(fā)動機試驗臺架上進行的廢氣排放認證，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)動機高負荷時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)在內的改進措施，使發(fā)動機可充分滿足未來的廢氣排放和CO2排放目標。目前，研究人員對純電驅動方式的關注度正與日俱增，但對于輕型商用車而言，針對柴油機進行的技術改良也是關鍵所在。
作者：[奧地利]S.KRAPF等
整理：范明強
編輯：伍賽特
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