匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油机开发



匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油机开发

王启航1，张松涛2，侯方2，金喆2，赵雪辉2

（1.西安康明斯发动机有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）

摘要匹配皮卡车型的CA4DC2-10E3柴油机以CA4DC2-12E3国Ⅲ排放电控共轨柴油机为基础，设计了冷却EGR系统，并在台架上进行了标定开发工作。整车在转毂上匹配了氧化型后处理器，同时优化了标定。试验结果表明：样车排放达到了国Ⅲ标准，整车排放循环工况百公里油耗为8.8升。

关键词：共轨柴油机国Ⅲ排放冷却EGR系统优化标定

来稿日期：2014-11-02

1　前言

2006年长春一汽技术中心与道依茨一汽大连柴油机有限公司联合完成了CA4DC2-12E3国Ⅲ柴油机的开发，在国内N2类轻型载货车市场率先推出电控共轨增压中冷国Ⅲ轻型柴油机，其性能和可靠性经过市场的充分验证。该机型是道依茨一汽大连柴油机有限公司批量生产的成熟机型之一。

丹东曙光汽车集团在成功推出了匹配CA4D32-10国Ⅱ柴油机的大柴神皮卡后，为了满足GB 18352.3－2005法规的国Ⅲ排放，提出了整车排放升级的需求，为匹配N2类轻型载货车用的CA4DC2-12E3电控共轨柴油机拓宽到皮卡领域提供了平台。

2　设计开发

2.1发动机配置

匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油机以满足GB 17691－2005法规国Ⅲ排放的CA4DC2-12E3型柴油机为基础，保持了Bosch CRS2.0共轨系统的通用性，最高轨压为145 MPa。其4大核心部件为：（1）喷油器，其流量为（450±6）cm3/30s，孔数为6孔，锥度系数K为1.5，油束锥角为155毅，喷油器垫片的厚度为（2.0±0.1）mm；（2）BOSCH EDC16C39 型ECU；（3）CP1H型号高压油泵；（4）带轨压传感器的激光焊接共轨管。

曲轴转速传感器、凸轮轴信号传感器、进气压力/温度传感器、冷却液温度传感器和油门踏板传感器保持不变。

匹配皮卡车型的CA4DC2-10E3柴油机技术参数如表1所示。为了满足GB 18352.3－2005法规的国Ⅲ排放限值，采用的技术路线为：电控共轨+增压中冷+冷却EGR+DOC。即在CA4DC2-12E3柴油机的基础上重新设计冷却EGR系统，在皮卡整车上配置氧化型后处理器（DOC），该配置同时为满足皮卡国Ⅳ排放提供技术支持。

表1　CA4DC2-10E3柴油机技术参数

2.2冷却EGR系统设计

CA4DC2-10E3柴油机以CA4DC2-12E3增压中冷机型为基础，本着最大通用化原则，其冷却EGR总布置设计考虑到皮卡车型机舱空间的限制。

EGR阀冷端和热端布置如图1所示。EGR阀冷端布置的优点为瞬态响应好，质量流速大；由于布置在EGR冷却器之后，温度低，EGR阀的成本较热端布置相对会有优势。缺点是阀门容易出现结焦问题。EGR阀热端布置的优点是不会出现结焦与冷凝问题。缺点是瞬态响应差，对阀门材料要求较高，故EGR阀成本也相对较高。综合考虑，CA4DC2-10E3柴油机的EGR阀采用了热端的布置方案[1]。

EGR阀为真空膜片阀，对于布置在热端的方案，EGR阀的膜片会因高温而逐渐变硬。通过对EGR阀膜片室的结构优化，即在膜片室增加一层金属隔热板来减缓高温下膜片老化速度。膜片耐热温度最高为180℃，短时间（约5 min）耐温200℃，膜片室带金属隔热板的EGR阀如图2所示。

图1　EGR阀冷端和热端布置

图2　膜片室带金属隔热板的EGR阀

考虑到EGR阀的抗振性、抗泄露性、响应时间和控制策略，CA4DC2-10E3柴油机采用了开环控制策略。依靠ECU的MAP图来控制真空电磁阀，通过PWM（占空比）来改变真空泵所提供的真空度在EGR阀上的加载、释放的时间比例，即控制EGR阀的开关时间比例，从而实现对EGR阀的控制。开环控制的缺点为，在低EGR率的工况下，信号反馈不充分，影响控制精度。EGR阀驱动依靠真空电磁阀提供的真空，故反应时间会因为多级控制而变长。

EGR冷却器采用浙江银轮公司的产品，为机外水冷式。废气高速流过EGR冷却器，通过与冷却水交换热量而温度下降。为了防止EGR冷却器废气入口端温度过高，烧穿冷却器，冷却器的冷却水入口布置在高温端，直接冷却高温端，水流与废气流动的方向相同。同时必须考虑到EGR冷却器的阻力。

排气歧管的设计，考虑到原机的排气歧管稳压段短，分支段相对长，它对EGR的取气口设计带来了较大的挑战。通过对排气歧管内的废气流动进行稳态流动的模拟计算，并在发动机台架上对排气歧管支管压力进行测试，以此为基础，设计了带EGR入口的排气歧管。

通过CFD的稳态流动模拟计算，设计进气歧管。EGR的进气口布置在进气空气加热器后，保证EGR系统的压差，同时考虑了EGR在进气混合段的流动以及各缸EGR率的均匀性。

EGR冷却器的进、出水管路的设计也同样重要。对发动机的水流进行了CFD计算，保证了整机冷却系统能力和EGR冷却器性能。

3　台架标定

CA4DC2-10E3柴油机在进行台架标定前，确定ECU驱动真空电磁阀控制EGR阀正常工作后，首先试验确定EGR阀的特性曲线，在确定EGR阀的工作段后才进行EGR率的详细标定。

标定的基本原则为，以CA4DC2-12E3国Ⅲ柴油机的轨压和喷油提前角为基础，喷油提前角的优化向GB 18352.3-2005规定的整车排放区域拓展，在整车排放测试区域重点进行EGR率的标定。标定原则是追求高的EGR率，并把烟度指标作为控制因子，以满足颗粒排放。

根据整车排放循环的记录，并根据水温对喷油提前角进行修正。整车按GB 18352.3－2005法规规定的排放测试循环，在I部工况，第1个循环检测的柴油机水温为26℃~44℃，第2个循环水温为44~57℃，第3个循环水温为57℃~69℃，第4个循环水温为69℃~77℃；II部工况，出水温度为77℃~90℃。从整车排放测试循环来看，I部工况柴油机的出水温度都低于节温器的开起温度77℃。在柴油机运行的整个排放区域，基础标定MAP的水温对喷油提前角的修正起到很大的作用。为此在台架上进行了柴油机出水温度为40℃和60℃的性能测试，测试结果如图3所示。

对于CA4DC2-12E3柴油机水温对喷油提前角的修正，在台架上进行了全新的标定。其基础轨压的MAP、喷油提前角的MAP图和EGR率的MAP如图4所示，烟度的MAP图的测试结果如图5所示。

图3　出水温度对喷油提前角和烟度排放的影响

4　整车标定

4.1整车的配置

按照GB 18352.3－2005法规中规定的Ⅰ型试验循环，根据整车的变速箱各挡位速比、后桥速比和轮胎滚动半径，按法规规定的车速转换为柴油机的转速和负荷。整车排放和性能的开发在一定意义上是整车整个传动系的优化和匹配。匹配CA4DC2-10E3柴油机的大柴神皮卡，其整车参数如表2所示[2]。

根据法规定义的最大总质量不超过3 500 kg的M1类、M2类和N1类汽车，其基准质量（RM）指汽车的“整备质量”加上100 kg。大柴神皮卡属于第2类车，其基准质量为1 800 kg。该项目的排放工程目标为批产留10%的裕度（由于没有进行针对整车的氧化型后处理器的匹配开发工作，PM的裕度为5%），项目工程目标如表3所示[3, 4]。

图4　轨压、喷油提前角和EGR率的MAP图

图5　烟度的MAP图

4.2 4.2样车的标定

CA4DC2-10E3柴油机匹配的丹东曙光大柴神皮卡，氧化型后处理器在该项目没有进行任何匹配开发工作，而是借用了丹东曙光为其他车型匹配的某2.5 L柴油机采用的氧化型后处理器。但对于3.2 L排量的CA4DC2-10E3柴油机来讲，采用了该氧化型后处理器，背压相对较高，会引起烟度的增大，原机PM排放的测试结果为0.11 g/km，已超过限值的要求。由于重新匹配氧化型后处理器不能满足项目时间节点的要求，而且原机的排放限值已很接近项目目标，因此决定通过标定的调整来满足整车国Ⅲ排放的要求。

标定的调整主要是根据水温修正对喷油提前角进行微调，同时对转速1 000 r/min对应的轨压增加了10 MPa。对车速120 km/h工况的轨压和喷油提前角进行了微调，以进一步降低碳烟排放。原机和调整后的排放结果如表4所示，可见调整后的排放已经达到了项目目标的要求。

表2　大柴神皮卡的整车参数

表3　国3排放限值和项目工程目标

表4　排放测试结果

5　结论

匹配丹东曙光大柴神皮卡的CA4DC2-10E3柴油机以满足GB 17691－2005标准国Ⅲ排放要求的CA4DC2-12E3柴油机为基础，保持BOSCH CRS2. 0系统完全通用，全新设计了冷却EGR系统。

在台架上对样机进行了EGR率的MAP标定，根据出水温度对喷油提前角进行修正标定。对轨压MAP、喷油提前角MAP和EGR率MAP进行了标定开发，重点监控烟度MAP。

样车采用了丹东曙光公司推荐的为某2.5 L柴油机匹配的氧化型后处理器（DOC）。由于该后处理器背压相对较大，造成PM排放超标。通过标定的调整，样车的排放达到了工程目标，满足了GB 18352.3-2005国Ⅲ排放的限值。排放循环的百公里油耗为8.8 L/100 km。

匹配合适的氧化型后处理器和降低风扇的驱动功率或采用电子风扇，是进一步改善整车排放油耗的有效措施。

参考文献

[1]王启航，王永红，苏庆运等.现代车用柴油机实用技术[M].大连：大连理工大学出版社，2012.

[2]王启航，王永红，王华伟等. CA498型柴油机达欧Ⅲ排放的试验研究[J].车用发动机. 2006（4）：19-21.

[3]王启航，侯方，韩祖豪等. CA4DC2-10E4皮卡国Ⅳ排放样车的开发[J].柴油机设计与制，2012（4）

[4]王启航，韩祖豪，陈然等.匹配皮卡车型的半电控VE泵柴油机的开发[J].柴油机. 2012（3）.

Development of CA4DC2-10E3 Pickup Compliant with China III Emissions Regulation

Wang Qihang1, Zhan Songtao2, Hou Fang2, Jin Zhe2, Zhao Xuehui2

（1. Xi'an Cummins Engine Company, Xi'an 710200, China;

2. DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company, Dalian 116022, China）

Abstract:The CA4DC2-10E3 engine for pickup was developed based on the CA4DC2-12E3 engine that is compliant with China-III emissions regulation and is equipped with electronically controlled common rail fuel system. A cooling system was designed for the new engine and related calibrations were done on tech bench. On roller emission test bench, matching of diesel oxidation catalyst was made and calibration MAP was optimized. The results show that the pickup meets China III emissions regulation and the pickup fuel consumption is 8.8L every 100 km.

Key words:common rail engine, China III emission, cooled EGR system, optimizing calibration

作者简介：王启航（1971-），男，工学硕士，主要研究方向为轻型车用柴油机整机开发。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.002