大型載貨車用柴油機平臺是Daimler公司大型載貨車用發(fā)動機業(yè)務(wù)的支柱，包括10.7L、12.8L、14.8L和15.6L共4種機型。2011年，12.8L的OM471柴油機作為首款歐6機型投放市場，從那時起總共生產(chǎn)了270 000多臺?，F(xiàn)在這種柴油機首次改進了某些重要部件。第2部分主要介紹其燃燒效果和廢氣特性。

1開發(fā)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)

第二代OM471柴油機改進設(shè)定的重要目標(biāo)是降低燃油耗，從而穩(wěn)固地保持其作為大型載貨車用柴油機燃油耗的標(biāo)桿地位，同時提高功率和扭矩，并降低其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性(圖1)。

圖2示出了最新一代OM471柴油機最重要的關(guān)鍵技術(shù)[1]，并針對提高選擇性催化還原(SCR)凈化效率進一步開發(fā)了廢氣后處理系統(tǒng)，容許更高的發(fā)動機氮氧化物(NOx)原始排放。發(fā)動機燃燒過程已被重新設(shè)計到可處理NOx原始排放的水平，為此借助于被稱為“X-Pulse”的共軌噴油系統(tǒng)和最大噴油壓力，將每個運行工況點都優(yōu)化標(biāo)定到低的燃油耗。

特別要強調(diào)的是，創(chuàng)新的廢氣再循環(huán)(EGR)閥方案和與發(fā)動機最佳匹配的Daimler廢氣渦輪增壓器相結(jié)合，以下章節(jié)將詳細介紹各項技術(shù)的優(yōu)點。

2噴油系統(tǒng)和優(yōu)化的燃燒過程

從第一代大型載貨車用柴油機平臺(HDEP)就運用的“X-Pulse”共軌噴油系統(tǒng)，具有可增大噴油壓力的噴油器和可任意調(diào)制噴油規(guī)律的可能性，在新機型上更進行了優(yōu)化利用。除了具有多次噴射能力之外，主噴射的噴油速率曲線總是能按照熱力學(xué)觀點采用“矩形”、“斜坡形”和“靴形”等形狀形成特性曲線場的最佳噴油規(guī)律(圖3)。最大共軌壓力由90 MPa提高到116 MPa，結(jié)合噴油器中的壓力轉(zhuǎn)換，將噴嘴端最大噴射壓力提高到270 MPa。如此高的噴射壓力特別是在額定功率范圍內(nèi)能實現(xiàn)快速燃燒，并且碳煙較少，從而使功率提高到390 kW。

無論是噴油系統(tǒng)的靈活性還是高的噴油壓力，對燃燒過程而言是改善整個特性曲線場效率的關(guān)鍵因素。

表1示出了第一代和最新一代柴油機燃燒過程特性參數(shù)的比較。噴油嘴噴孔數(shù)從7孔增加到8孔，噴束錐角增大了2°，最大液壓流量增大了10%，而新設(shè)計的活塞頂凹坑以及從17.3提高到18.3的壓縮比都與之相匹配(圖4)。

3創(chuàng)新的EGR方案

換氣效率和高壓過程效率都從較低的EGR率和以此設(shè)計的燃燒過程中獲得了好處，但是卻降低了廢氣能量，因而對于加熱催化轉(zhuǎn)化器或在發(fā)動機低負(fù)荷時支持柴油機顆粒捕集器(DPF)主動再生而言，廢氣溫度管理的設(shè)計變得越來越困難。

因此,將EGR閥設(shè)置在渦輪進口與EGR廢氣供應(yīng)口之間的交叉位置上，采用這種簡單的構(gòu)件就可以將EGR率的分配與渦輪的調(diào)節(jié)統(tǒng)一起來，因而能具有全新的功能。

在流動優(yōu)化的EGR閥中間位置，不對稱的渦輪能供應(yīng)由其設(shè)計規(guī)定的EGR率，而渦輪則由第4～6氣缸的廢氣最優(yōu)化驅(qū)動(圖5(a))。如果EGR閥開度進一步增大，那么不僅能提供高達50%的EGR率，同時還能節(jié)制渦輪功率，而在圖5(b)所示的情況下，流向渦輪的廢氣流就被完全切斷了。

與不對稱噴油量相結(jié)合，在降低碳煙排放的同時成功地使2組氣缸為廢氣系統(tǒng)獲得了盡可能最好的溫度收益。圖6示出了在EGR率為50%的EGR閥位置情況下，1～3缸噴油量減少，同時4～6缸噴油量增多。EGR閥調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣數(shù)量，由不對稱噴油來調(diào)節(jié)其品質(zhì)。在第1組氣缸(1～3缸)中燃燒變得越來越稀薄，導(dǎo)致為6個氣缸供應(yīng)EGR更加稀薄，同時通過增加第2組氣缸(4～6缸)的噴油量提高平均壓力，因而高的廢氣溫度被導(dǎo)向渦輪或廢氣系統(tǒng)。在低負(fù)荷特性曲線場范圍內(nèi)發(fā)動機部分僅用3個氣缸運行，那么廢氣溫度的收益是最大的，但是這僅僅在主動再生期間才是必需的，而且僅在時間有限的情況下才這樣進行。

這種僅在3個氣缸中進行的不對稱噴油的另一個優(yōu)點是通過增加總噴油量來提升廢氣溫度。雖然這3個著火氣缸處于較高的平均壓力并以明顯較高的高壓過程效率運行，但是發(fā)動機的換氣損失卻超過了這種優(yōu)點所帶來的效果。在增壓柴油機上沒有可變氣門控制機構(gòu)的情況下，實現(xiàn)氣缸切斷總是帶有缺陷。在這種情況下，廢氣后處理系統(tǒng)(AGN)通過增大廢氣熱焓獲得好處，也正是這種運行模式的目標(biāo)。

4廢氣渦輪增壓器

第一代OM471柴油機就已采用不對稱流道幾何形狀的渦輪殼，在全負(fù)荷范圍內(nèi)6個氣缸總的換氣功為正，因此廢氣渦輪增壓器對曲軸上的有效功率作出了貢獻。

在最新一代OM471柴油機上使用了Daimler公司開發(fā)和生產(chǎn)的廢氣渦輪增壓器，這種增壓器是針對發(fā)動機的運行條件專門定制的，因而正換氣功的特性曲線場范圍始終被擴展。在較小的EGR率時，通過減小不對稱度及廢氣渦輪增壓器來提高壓氣機側(cè)的效率。通過廢氣渦輪增壓器合適的設(shè)計與新的EGR閥方案相結(jié)合，能夠取消渦輪側(cè)的廢氣放氣閥，這就降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本。

5發(fā)動機調(diào)節(jié)

渦輪側(cè)廢氣放氣閥的取消使得可以在發(fā)動機電控單元中更精確地調(diào)節(jié)增壓空氣路徑，不再需要調(diào)節(jié)增壓壓力，發(fā)動機基本上按預(yù)控制運行，由EGR閥調(diào)節(jié)廢氣排放，其中AGN的NOx傳感器被用作參考變量，λ信號現(xiàn)在也被用于EGR率的跟蹤調(diào)節(jié)，因而無需直接測量EGR率也能滿足所有車載診斷系統(tǒng)(OBD)的要求，而且能取消EGR路徑中的差壓傳感器。

6廢氣后處理

采取前面介紹的發(fā)動機方面的措施會使第一代OM471柴油機的NOx排放增加約50%，對用于SCR NOx的AdBlue尿素水溶液的需求量也會相應(yīng)提高。根據(jù)汽車的使用情況和負(fù)荷譜的不同，其需求量會從目前柴油消耗量的3%增加到約5%。

與原機型相比，用于新一代柴油機的歐6廢氣后處理基本方案繼續(xù)保持不變，設(shè)計上就相當(dāng)于為滿足美國環(huán)保署EPA-2010法規(guī)所選擇的解決方案：在2個平行布置的柴油機氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)后連接用于降低顆粒排放的2個DPF，其后分別接有SCR和氨逃逸催化轉(zhuǎn)化器，這些組成部分都被集成在AGN裝置中(圖7(a))。

AGN裝置特別重要的開發(fā)目標(biāo)是進一步開發(fā)從2011年底已經(jīng)量產(chǎn)使用的歐6技術(shù)，從而獲得在所有運行狀態(tài)都能可靠滿足歐6法規(guī)所必需的更高的NOx轉(zhuǎn)化率，其中1個重要的措施是使用由Fe和Cu沸石組合而成的SCR催化轉(zhuǎn)化器，它將Fe沸石涂層在足夠高的NO2/NOx比時非常好的高溫活性與Cu沸石涂層在很大程度上與NO2/NOx成分無關(guān)的低溫活性結(jié)合起來，因而能在1個寬廣的溫度和運行范圍內(nèi)達到所必需的NOx轉(zhuǎn)化率(圖7(b))。

此外，還要開發(fā)確保用于發(fā)動機與廢氣后處理裝置組成的新系統(tǒng)滿足歐6法規(guī)B/C階段嚴(yán)格的OBD規(guī)范要求的解決方案，其中廢氣后處理裝置開發(fā)的重點特別是根據(jù)其OBD限值可靠地監(jiān)測下列廢氣排放：(1)DPF故障情況下的顆粒物(PM)排放為25mg/(kW·h)；(2)稀AdBlue尿素水溶液情況下的NOx排放為460 mg/(kW·h)。其中，在歐6廢氣后處理系統(tǒng)中可靠的傳感器和執(zhí)行器部件的基礎(chǔ)上，成功地找到了依靠電控單元算法進行可靠診斷的解決方案，而無需附加傳感器。

7結(jié)語

新一代大型載貨車柴油機中的12.8 L 歐6機型降低的燃油耗高達3%，同時其最大功率從目前的375 kW提高到390 kW，最大扭矩從2500 N·m提高到2 600 N·m，而發(fā)動機質(zhì)量卻減輕了20 kg，并且通過取消廢氣放氣閥和直接測量EGR率降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。這些技術(shù)措施同樣也應(yīng)用于其他排量和最新一代柴油機廣泛的應(yīng)用場合。