WP4混合动力国Ⅳ柴油机开发

牟宗乐　栾建伟

摘 要：面对世界环境和能源问题，对汽车的排放和节能要求越来越高，混合动力汽车在节能和环保方面是一个大的进步，本文主要介绍了我公司WP4混合动力国Ⅳ柴油机开发，采用高压共轨技术，增加SCR后处理系统。

关键词：混合动力；串联式；高压共轨；尿素；SCR

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.075

1 前言

随着汽车工业的发展和汽车保有量的增加，在环境方面带来了大气污染源之一。目前人们采用多种解决排放污染的技术方法，如采取高压共轨系统、外部EGR系统、内部EGR系统、SCR系统等。节能、环保型汽车已成为世界汽车工业技术创新的重要方向和汽车产业可持续发展的必然选择。中国政府已将发展混合电动车列入国家 “十五” 十二大重大科技项目和“863”计划中的重点科技产业化项目。

2 关于混合动力简介

混合动力车：是汽车的动力总成由内燃机与电动机共同组成，通过对发动机与电动机的适时调度来达到共同驱动汽车的目的。混合动力车的优点：电机的低速特性比较好，它与内燃机的结合，恰好可以解决内燃机低速动能性差和排放问题。

混合动力分为串联、并联、混联。并联方式是（以发动机为主动力，电动马达作为辅助动力）以发动机驱动行驶，利用电动马达所具有的再启动时产生强大动力的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。这种方式的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动马达和电瓶。混联式是启动和低速时只靠电动马达驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动马达共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装置和发电机等，因此结构复杂。串联方式是（只用电动马达驱动行驶）发动机只作为动力源，汽车只靠电动马达驱动行驶，驱动系统只是电动马达，但因为需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种。

3 WP4混合动力国Ⅳ柴油技术路线

WP4混合动力国Ⅳ柴油机是以WP4国Ⅲ柴油机为基础开发的，采用高压共轨技术，增加后处理，达到降低排放和提高经济性的目的。与WP4国Ⅲ柴油机相比，相同点是均采用两气门、湿式缸套，排量4.5L、缸径105mm、冲程130mm，采用高压共轨系统。

不同点：

机体：为解决燃烧室冷却不足问题，对水腔进行优化设计，在每个缸套水腔两侧增加两个竖的隔水筋，此时进入缸套水腔的冷水水受到竖筋的阻挡，就会到达燃烧室部分进行冷却，改进后的方案在机体上部水流速度增加一倍，改善了冷却效果。

齿轮系：取消WP4柴油机的减振器，为减小凸轮轴连接齿轮的头部产生断裂，将整个齿轮系向机体方向移动5mm，缩短悬臂。

活塞： 为提高燃烧效率，降低油耗率，并且为以后扭矩提升留下空间，重新设计活塞，计算考虑到各运动件的偏差，计算活塞和气门最小相对距离为（0.85～1.6）mm， 将压缩余隙减小0.2mm，重新设计燃烧室，压缩比仍为18：1，为保证可靠性，活塞设计有气门坑。

电控系统升级：因增加了后处理，对原来的EDC7系统进行升级（含有后处理模块），同时对线束集成改进设计，布置更加整齐。

后处理系统：由尿素箱、尿素泵、SCR箱、尿素喷嘴组成。

尿素喷嘴：喷嘴设计有连接尿素泵尿素入口接头；两个一进一出冷却水管接头用来冷却尿素喷嘴；一个连接喷嘴线束插接口，控制喷嘴的开关。

尿素泵：入口管接尿素尿素箱的出口；回流口接尿素箱；压力管口接尿素喷嘴。

SCR箱： SCR箱的体积应为发动机排量的2.5倍以上，发动机排量为4.5L，选择了与WP5相同的SCR箱。

提前角：高提前角，降低油耗率，由此产生过多的Nox可以由后处理来降低。

4 WP4混合动力国Ⅳ柴油机燃烧开发与台架标定

按照《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》（GB 17691-2005）规定，国Ⅳ柴油机排放试验为ESC（稳态循环）、ELR（负荷烟度试验）和ETC（瞬态循环）三种工况构成。

排放区调整：为提高低速扭矩，使外特性曲线不至于在最低稳定转速产生凹点，将原来WP4柴油机的最低稳定转速由1200r/min移到1100r/min，即nlo=1100 rpm，定义为全负荷油门开度下，50%实测最大净功率所对应的低转速。调速率为10%，因此最高空车转速2530 r/min. nhi=2530 r/min。最高稳定转速nhi =2530-（2530-2300）*70%=2370r/min定义为全负荷油门开度下，70%实测最大净功率所对应的高转速。

把nlo～nhi4等份，分别得到转速A、B和C：

A=3/4nlo+1/4 nhi=1418 r/min

B=1/2nlo+1/2 nhi=1735 r/min

C=1/4nlo+3/4 nhi=2053 r/min

相应的A、B、C转速对应外特性扭矩为：600Nm、600Nm、540Nm。

相应的A、B、C转速计算更改为：1418r/min、1735r/min、2053r/min，对应扭矩为：600Nm、600Nm、540Nm。

原ECU部分数据标定：要进行重新详细的标定指标：加电时间ET_map，进气量的MAP，喷油器预喷等。

后处理的标定：

裸机NOx的ppm体积流量map的标定，标定时监测检查进气量标定的是否正确，因为这些都是参与逻辑运算的变量。

ESC试验：通过调整轨压和提前角来达到排放要求，验结果：Nox：9.275g/KWh ；PM：0.013 g/KWh。

根据裸机ESC排放试验结果，设计转化效率为68%，理论上转化后ESC排放试验Nox结果：Nox：9.275×（1-68%）=2.97g/KWh，按照理论值将转化效率预设为0.68，打开尿素喷射开关（即将UDC_SWTsetp_C的值设为2），ETC试验结果表明：十三工况SCR箱温度和转化效率规律为温度越高转化效率越好。

ETC试验：ETC摸底试验结果：Nox=3.41，HC=0.04，CO=0.16，PM=0.021

氨泄漏标定：要求氨泄漏小于25ppm，进行氨泄漏摸底。

整个ETC试验循环中有三个区域氨泄漏超标，分析为在低温区域，即低温区转化效率和温度修正标定过高造成的，此时的转化效率和温度可以修正。

按照试验分析，对WP4国Ⅳ柴油机的氨泄漏进行多次修正标定。

外特性试验：

外特性曲线上，最低油耗率197g/KWh， 排温、烟度都在满足设计要求。

外特性曲线上，NOx转化效率随SCR箱上游温度规律为：随温度的升高转化效率升高。

5 结束语

潍柴WP4混合动力国Ⅳ柴油机已经开发成功，下一步将进行耐久试验和整车匹配，本柴油机具有动力性、经济性好，体积小，重量轻，噪声低，排放水平高等优点，是新一代绿色环保节能型柴油机，必将成为客车、城市公交等产品的理想动力；由于混合动力排放法规还没有颁布，所以暂时混合动力车的排放按车用机标准执行。

作者简介：牟宗乐（1968-），男，山东潍坊人，本科，工程师，部门经理，主要研究方向：柴油机制造技术、故障模式分析、柴油机升级研发。