Mercedes-Benz首款满足SULEV法规的轻型载货车用柴油机

【德】 N.Waldbüßer T.Stutte J.Zeger C.Bauer



Mercedes-Benz首款满足SULEV法规的轻型载货车用柴油机

【德】 N.Waldbüßer T.Stutte J.Zeger C.Bauer

Mercedes-Benz公司2015年新型Sprinter车型是首款量产的柴油轻型载货车，满足未来LEN3-SULEV废气排放法规限值。介绍其动力总成系统、废气后处理系统，以及用于北美自由贸易协议市场的新的轻型载货车应用方案。

轻型载货车 柴油机 后处理 燃油耗

1 历史和起因

因绝大多数轻型箱式载货车采用柴油机而具有较高的经济性，该车型已在全世界130多个国家销售。从2001年起，Daimler公司开始在北美自由贸易协议(NAFTA)市场上销售采用柴油机的Sprinter轻型载货车作为货运班车，Chrysler公司和Daimler公司分别于2003—2009年和2010年起开始销售这款车型。2007年，带颗粒捕集器(DPF)的OM642系列3.0L柴油机开始搭载于Sprinter轻型载货车，以满足NAFTA07(US2007)废气排放法规的要求。2010年的目标是达到NAFTA10(US2010)废气排放法规规定的氮氧化物(NOx)排放限值，为此又配备了选择性催化还原(SCR)系统(Daimler公司的“蓝天技术(BlueTEC)”，指采用尿素水溶液作为还原剂的SCR技术)。2013年底，Daimler公司又为NAFTA市场推出了搭载OM651系列的2.0L 直列4缸柴油机和优化燃油耗的7档自动变速器的Sprinter轻型载货车。

如果Sprinter车型想要进一步改进，需要增大装载容积、减小空气阻力和扩展安全性系统等，朝着更好的经济性和更低的废气排放目标靠近。Daimler公司将为Sprinter轻型载货车的LEN3-ULEV车型及LEN3-SULEV选用车型提供OM651系列柴油机。

按照加利福尼亚州大气资源局(CARB)废气排放法规，Sprinter被划为中型载货车(MDV)，适用于中型载货车的LEN3-SULEV法规的废气排放限值要求，将于2018和2022年强制增加符合公司车队的排放要求，并规定从2023年起所有新上市的中型载货车都必须满足SULEV法规的废气排放限值。

2 新Sprinter轻型载货车的动力总成系统方案

图1示出了新Sprinter轻型载货车动力总成系统的主要部件。除了诸如OM651系列柴油机、7档自动变速器、传动轴、差速器、和后桥等传统系统之外，BlueTEC部件尿素水溶液还原剂(AdBlue)计量系统和废气系统对满足逐步加严的废气排放法规要求具有越来越重要的意义,因此为了满足LEN3-SULEV法规的废气排放限值,在将燃油耗降到最低程度和改善行驶舒适性的同时,所有动力总成系统部件之间总体上必须相互协调匹配。

OM651直列4缸柴油机的主要特点是采用两级废气涡轮增压和喷油压力高达200MPa的共轨喷油系统。OM651柴油机是1种用于轻型载货车的高效柴油机，并因其气缸数少、摩擦损失小，以及在换气损失最低的情况下增压度较高，其效率比OM642柴油机更高。

7档自动变速器包含1个变矩器和1个分接离合器，与原产品(5档自动变速器)相比，变速范围更大,最高档位的速比减小,变速分档也更细(增加了2个档位)，并与优化的换档程序相结合，能顾及到更低的发动机转速，改善了燃油耗，并降低了噪声和振动水平。

表1列出了新型Sprinter轻型载货车动力总成系统的可能性。2种动力总成系统能与3种后桥速比相组合，用于各种质量不同的汽车和4种不同结构型式的Sprinter轻型车，而供应NAFTA市场的第2种动力总成方案(OM651柴油机配装7档自动变速器)能满足特殊用户对低燃油耗和低运行成本方面的要求。2015款车型推出了可选用的搭载OM651柴油机的LEN3-SULEV车型。另外，从2015年起又为OM642柴油机动力总成系统增添了可选用的全轮驱动车型，从而使该动力总成系统更加完备。

表1 为满足特殊用户要求扩展的动力总成系统选择的可能性

3 降低燃油耗的措施

新型Sprinter轻型载货车的后桥已针对燃油耗和摩擦进行了优化，减轻了质量并降低了噪声和振动水平。能量管理系统由蓄电池和汽车电路控制组成，并集成了优化燃油耗的发电机。转向助力泵是根据所需的转向助力进行电子调节。同样燃油泵也采用电子调节将泵油量调节到所需的最小油量。

4 燃烧应用的参数

Sprinter轻型载货车的NAFTA车型必须通过废气试验循环的检验(FTP75、HWFET、US06Bag 2、UDC、SC03)，它们与欧洲市场实施的废气试验循环有明显的区别,因此燃烧所应用的参数(喷油定时、喷油量、共轨压力、增压压力和废气再循环(EGR)率)基本上必须予以修改，以便在废气试验循环中和用户实际行驶中，仍能保持欧洲车型有利的燃油耗水平。

由于US试验循环中所经历的转速和负荷范围较大，因此进气系统的自适应策略必须进行重新匹配。在这种行驶运行期间，尤其是在US06 Bag 2循环(用于中型载货车的US06的简化试验循环)中，进气系统的自适应学习过程一再中断，此时每次学习过程中不希望发生NOx排放短暂升高的情况，因此自适应策略应修改，使得在带有冲击性行驶方式的情况下，也应将自适应学习中断减少到最少程度。

为了应用到尽可能高的喷油精度和喷油压力，用200MPa的压电喷油器喷射系统替代欧洲车型上所使用的最高共轨压力为180MPa的电磁阀式喷油器喷射系统。此外，发动机配备了在低转速、低负荷时能提高涡流强度的进气道关闭装置，能降低颗粒物(PM)排放，并延长DPF的再生周期。

通过燃烧所应用的参数与第2代BlueTEC系统最佳性能的匹配，在燃油耗和原始颗粒排放方面又获得了进一步提升。其主要的注意力放在暖机阶段，因为快速地达到BlueTEC系统的起燃温度对于减少NOx排放(尾管处)起着决定性的作用，对此需要根据发动机温度通过调整EGR率、节流、喷油量和喷油定时的适当匹配综合考虑。

5 第二代SCR系统

图2示出了BlueTEC系统的主要组成部分,包括废气系统、AdBlue计量系统及其贮存罐、注入管道、计量装置、计量模块和电控单元等，提高了对车载诊断系统的要求，并且与发动机上其他优化措施之间紧密配合。

为了在SCR催化转化器中选择性催化还原NOx，在SCR催化转化器前向废气系统中喷入AdBlue还原剂，紧接着其中的水分蒸发，尿素水溶液分解成氨，并贮存在SCR催化转化器中，将废气中的NOx还原成无害的氮和水。

第2代SCR系统的重大改进是采用容量为18L的AdBlue还原剂贮存罐单元，它将容积式输送泵和超声波传感器、优化的SCR系统装置和新型的计量电控单元等集成为标准资源单元，并且适用于所有车型。除此之外，DOC、DPF和SCR的容积和涂层都已经过优化，能满足LEN3-SULEV法规废气排放限值的要求。

为了使Sprinter轻型载货车实现特别经济的运输方案，其关键在于整个BlueTEC-柴油机系统的整体优化，除了满足LEN3-SULEV法规的废气排放限值之外，其目标是在最低的燃油耗、可接受的AdBlue还原剂消耗量，以及增添AdBlue贮存罐所增加的质量最少等方面取得最佳的折中。

6 废气后处理系统的应用

在搭载OM651柴油机的Sprinter轻型载货车进入美国市场后仅1年，2014款车型就以其首款柴油车成为清洁高效箱式载货车的先驱者，该车能满足SULEV车型最严厉的加利福尼亚废气排放法规的要求。从2015款车型起，那些专用装备对质量和结构型式都作出了贡献。

首先，LEN3废气排放法规特别是有关中型载货车方面的改变，对Sprinter载货车的发动机开发提出了众多挑战。在汽车整个使用寿命期内必须确保废气排放的一致性。与LEN2废气排放法规相比，LEN3废气排放法规所要求的法定使用寿命期延长了25%，提高到150000mile*为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。，因此在延长的行驶里程期间，必须对因化学和热原因所引起的老化影响予以补偿。尽量避免因法定行驶里程的延长对废气排放产生不利影响，可以通过现代催化转化器技术、优化的系统设计、尺寸大小，以及理想的气体流动特性，并与先进的废气后处理应用技术相结合达到目标。随着LEN2废气排放法规的进一步发展，LEN3废气排放法规的限值将会降低，实际LEN3在NOx、不包括甲烷的无甲烷有机气体(NMOG)和一氧化碳(CO)等方面的规定已经有所加严(图3)。

与LEN2-ULEV废气排放法规相比，随着LEN3废气排放法规的实施，对于中型载货车较难以净化的废气排放种类，ULEV法规的NMOG+NOx排放限值降低了29%，而SULEV法规的排放限值则加严了59%，同时还添加了NMOG+NOx之和的排放形态的限值，从而产生了催化转化器的先期转化与NOx排放之间的目标冲突。

要特别关注发动机首次起动后的废气排放特性,因为在FTP-75行驶试验循环的第一阶段中所产生的废气排放量比加权平均的尾管废气排放量的一半还要多。由于在限值中添加了NMOG+NOx之和的排放限值及车队CO2排放标准，因此在其他方面不采取有损于燃油耗和原始排放的措施的情况下，能迅速地达到催化转化器平均起燃温度。保持足够的废气温度，能使DPF具有最佳的再生周期，但是对于动态运行阶段总的废气排放结果贡献较小，不过控制再次起动时的低废气排放还是对降低开发目标值作出了贡献。

在常规废气排放限值加严的情况下，曾用联邦环境保护厅(EPA)的温室气体(GHG)法规来限制对气候有潜在影响的其他废气种类。除了CO2之外，GHG法规还将CH4和N2O纳入了统一的标准。根据废气排放限值和温室气体阈值，以及延长产品使用期所制定的富有竞争性的目标，就必须对催化转化器技术进行持续不断的开发设计，并使用制造成本高的贵金属。

中型载货车的LEV2认证不包括补充的美国城市测试循环(SFTP)范围的内容，而对于轿车和轻型载货车(LDT)是必需的。但随着LEV3法规的实施，中型载货车也必须满足扩展的SFTP法规的要求。Sprinter载货车的单位功率质量较轻，因而US06行驶循环(较轻的中型载货车)与统一的行驶循环(UDC)(较重的中型载货车)不同之处已经过修改，以便能更精确地反映中型载货车的行驶特性曲线。但众多的行驶影响因素必须由废气后处理予以补偿，即使较长时间在全负荷行驶的范围内也是如此。这适用于US06行驶循环，对于某些车载诊断(OBD)系统认证中所利用的UDC工况也同样适用。

随着对发动机和废气后处理系统中对废气排放具有重要意义的零部件进行监测的必要性不断增长，对废气排放特性的要求也随之提高。要对正确工作的系统与不良功能之间的差异进行识别变得尤为重要，因为这会影响废气排放阈值及正常系统功能。

7 车载诊断系统的应用

发动机在美国中型载货车领域LEN3-SULEV车型上应用要满足CARB OBD法规的要求。较低的废气排放限值直接导致了较小的OBD阈值。OBD系统必须在超越OBD阈值之前就识别出可能由存在缺陷的部件引起的废气排放恶化情况，在这种情况下，驾车人能通过组合仪表上的发动机控制灯(即所谓的检查发动机灯或故障指示灯)的闪烁得到提示，修理车间能通过电控单元中可读出的故障记录明确地识别出故障。Sprinter 2015款载货车在OBD显示范围内,通过相应的废气排放测量,可检查出总共23种不同的故障状况，为此必需进行80次转鼓试验台测试。

OBD系统中的1个要求较高的任务就是监测废气后处理部件。对于DOC、DPF和SCR催化转化器的正确功能必须进行控制，从而识别是否超越OBD阈值。为了监测SCR催化转化器，必须附加设置1个所谓的极限值。当废气排放值低于OBD阈值并在废气排放限值之上时，这种极限值就表明SCR催化转化器已有损坏或老化的情况发生。在LEV废气排放标准中，SULEV的OBD阈值明显严于ULEV的OBD阈值(图4)。

这种SCR极限控制值必须由OBD系统识别为故障值。诊断的工作原理可解释为在发动机电控系统中，根据SCR催化转化器前后的NOx传感器计算出实时的SCR转化效率，并与相应运行工况点所期望的转化效率进行比较。而期望的转化效率是通过1个复杂的功能结构计算出来的，在该功能结构中输入了不同的温度、废气质量流量和AdBlue还原剂量。如果此时所查明的实时SCR转化效率低于所期望的SCR转化效率和1个阈值，那么发动机电控系统中就记录1个故障(图5)。

为了证实OBD的诊断,采用3种试验循环和1种预试验来证实故障识别。在第1个UDC试验循环中识别故障，并用故障存储器中的“未确定”状态修改故障存储记录，然后在第2个UDC试验循环中通过再次识别故障来证实故障并予以确认，最后在第3个试验循环(FTP75试验循环)中带着故障部件进行废气排放验证，其结果必须低于OBD阈值。

除了极限控制值之外，废气系统的所有部件在废气排放验证中都会出现出所谓的整个使用寿命期的老化，在LEV3废气排放标准中这就意味着行驶150000mile后的老化。图5示出了OBD试验结果,即在2个UDC试验循环中OBD系统成功地识别出有故障的SCR催化转化器，最后的FTP75废气排放试验循环提供了证据，废气排放低于OBD阈值。

8 废气排放和燃油耗

图6示出了新型OM651-Sprinter载货车与OM642-Sprinter载货车的燃油耗和废气排放测试结果的比较。废气系统后的NOx排放值已低于LEN3-SULEV法规较低的排放限值。综合的燃油耗优化及OM651动力总成系统和辅助设备的标定的结果，使得公路试验循环中的燃油效率达到了28.1mile/gal，而FTP75城市试验循环中的燃油效率也达到了21.1mile/gal，这就意味着OM651车型相对于OM642车型分别改善了19%和14%，即使是城市循环的试验结果也证实在“汽车与运动”(AMS)燃油耗试验循环中搭载OM651柴油机的Sprinter载货车的燃油效率达到了26.5mile/gal，比搭载OM642柴油机的车型改善了26%(图7)。

在满足SULEV法规限值的情况下，无论是在城市还是高速公路行驶时，已经达到的燃油耗水平不会恶化，如图8所示，与搭载OM642柴油机的车型相比，搭载OM651-ULEV柴油机的车型在废气排放和燃油耗方面都具有明显的优势，而在新推出的SULEV车型上，虽然安装废气系统后的排放已低于LEV3-SULEV法规限值，但是仍保持了OM651柴油机所达到的燃油耗水平。

9 结论

搭载OM651柴油机的新型Sprinter载货车的燃油耗比搭载OM642柴油机动力总成的车型降低19%。Sprinter载货车的燃油耗是箱式载货车的比较标准，例如该车型连续3年荣获了“Vencentric最佳车队价值奖”。

第二代BlueTEC清洁柴油机技术已集成在新型Sprinter载货车上，降低废气排放能满足全球的废气排放法规要求。2015车型年的新型Mercedes-Benz Sprinter载货车是首款搭载这种柴油机的量产车型，该车型已能满足未来LEV3-SULEV法规限值。

由于改善了燃油耗、废气排放和OBD标定，能够满足较高的LEV3-SULEV法规要求，并且同时保持了ULEV车型的低燃油耗水平，因此新型Sprinter载货车在燃油耗方面仍然保持了同等级中的最佳水平，现已成为使用运输车辆用户气体燃料汽车的替代车型，不仅达到SULEV法规要求的Sprinter柴油机车型，并且具有低燃油耗、大扭矩和灵活的行驶性能。新型Mercedes-Benz Sprinter载货车搭载OM651柴油机提前达到了SULEV法规要求，再次证实了Daimler公司的创新能力和环保意识。

范明强 译自 MTZ，2015，76(4)

何丹妮 编辑

2015-06-29)