大众公司新一代欧六d高效清洁缸内直喷柴油机

德C.HELBING M.KHNE T.KASSEL B.WIETHOLT A.KRAUSE L.LOHRE N.GERHARDT C.EIGLMEIER

摘要

目前，柴油机仍然是大众公司产品线的重要部分，其既可以满足客户需求，又能实现公司的CO2排放指标。大众公司新一代EA288 evo柴油机早在2018年已经推出，现在首次应用于大众公司横置产品平台，满足欧六d排放标准。该机型关注点在于创新性的“Twin dosing”尿素喷射系统的应用，以及先进的热管理措施，在实际行驶排放（RDE）工况测试中表现良好。与此同时，该发动机将满足未来排放法规的要求，还可与混合动力、再生能源组合使用。这也进一步证明现代柴油机在降低CO2排放、保护环境方面的贡献。

关键词

柴油机;排放法规;尿素喷射系统

0 前言

现代化的高效清洁柴油机仍是客户的首选，这些柴油机在降低CO2排放方面有很大贡献。欧六d排放标准要求在全球统一轻型车测试循环（WLTC）和真实行驶排放（RDE）工况下的氮氧化物（NOx）限值均不超过80 mg/km，这意味着在超过50%的驾驶工况中需要额外继续降低NOx排放量。大众公司在2018年第39届维也纳年会中首次介绍了新一代EA288 evo 4缸机。在大众集团内部，该系列柴油机最初是作为满足欧六d排放标准的发动机纵置模块化（MLB）平台的搭载机型。本文介绍该系列柴油机在横置模块化（MQB）平台中的开发情况。该款机型是大众公司横置模块化平台唯一的2.0 L排量产品，与之前的其他产品相比，是模块化应用的代表。大众公司极大减少了该机型变形产品的数量，发动机零部件不受整车布置的影响。通过延伸件（COP）策略，发动机动力等级适用于平台下的所有车型。

1 目标和策略

该机型的设计目标是满足欧六d排放标准，并适用于MQB平台：（1）在欧六d所有的排放测试循环和RDE工况运行条件下，排放最低;（2）在整个产品生命周期内，保持排放稳定;（3）降低CO2排放，并优化燃烧噪声;（4）满足理想的瞬态响应特性。

在满足欧六d的MQB平台中，上一代EA288机型排量范围从1.6 L（功率88 kW）到2.0 L（功率90～140 kW）。新一代EA288 evo只有2.0 L排量1种机型，在RDE工况下，可以应用的车辆等级范围更宽[1]。在MQB平台中，该发动机从85～147 kW有3个功率等级（图1），与纵置发动机相比，外形尺寸没有变化[2]。

从2020年1月1日起，新车型必须满足欧六d排放标准。在RDE工况中，该柴油机的NOx排放限值的符合性因子（CF）为1.0（欧六d要求CF为2.1），即该机型的RDE工况排放的NOx是欧六d法规要求的50%左右。对于柴油机而言，最大的挑战在于减少所有驾驶工况下的NOx排放。在整车生命周期内，若要满足在RDE工况的NOx排放减少50%以上，必须同时减少NOx原排，并提高后处理系统的效率。

2 硬件和附件的变化

图2所示为2018款纵置EA288 evo机型的硬件和附件变化。本文只介绍发动机本体及附件的变化，包括后处理系统、增强功能的配置，以及与纵置发动机相比已经实行的标定策略。

为了满足更为严格的排放法规，EA288 evo机型有以下变化：（1）在横置发动机中增大低压废气再循环（EGR）的冷却器能力，冷却功率为12.5 kW;（2）燃油喷射系统最大喷射压力提高至220 MPa，采用闭环喷油器控制，缩短喷射间隔时间，精确控制喷油量;（3）采用“Twin dosing”尿素喷射系统系统，后处理系统紧耦合，并结合地板安装。

EA288 evo机型通过以下措施实现CO2排放目标和噪声控制指标：（1）曲轴箱后端油封减摩优化;（2）平衡軸减重;（3）采用铸铁气缸盖，提升曲轴箱抗弯刚度和噪声优化;（4）优化压气机下游消音器;（5）应用隔音棉。

2.1 气缸体和曲轴箱

虽然在纵置平台中EA288 evo选择铝制机体和曲轴箱，但是MQB平台的PC0和PC1功率等级发动机气缸体和曲轴箱选用了灰铸铁材料（图3）。铸造方法由水平铸造改为垂直铸造，以减小壁厚并提高公差，公差可以从3.0（+1.0/-0.5）mm提高到2.8（±0.5）mm。横置平台的PC2功率等级发动机仍沿用纵置平台的铝气缸体和曲轴箱。

为了在冷起动时快速热车，与上一代EA288发动机相比，新一代EA288发动机的水套高度减少约40%。主轴承座根据较低的爆压进行相应修改。通过使用虚拟优化方法，每个主轴承座都与承受的负荷大小相适应。主轴承座减重可以补偿高度集成化带来的质量增加。在这种情况下，研发人员须为钢活塞重新设计气缸套。EA288 evo发动机的灰铸铁气缸体和曲轴箱有带平衡轴和不带平衡轴2种设计方案。

2.2 曲轴油封

在MQB平台EA288 evo发动机中，气体润滑机械密封首次代替传统的径向密封被应用于曲轴油封中。该油封的稳定气体薄膜只有几微米厚度，可以实现无接触和几乎零摩擦的密封。在模拟真实的环境条件下，该发动机在摩擦性能试验台上进行了WLTC工况的验证，试验证明可减少大约0.5 g/km的CO2排放[3]。这项技术是降低CO2战略的一部分，证明了即使是最先进的柴油机，在降低摩擦方面仍然具有开发潜力。

2.3 增压器和EGR系统

MQB平台机型的增压器选配基于纵置EA288 evo的PC1和PC2功率等级机型。增压器全新涡壳的设计给最优气体流动提供了条件。在1.6 L EA288增压器基础上，研发人员进行了中间轴的摩擦优化（图4）。随着发动机排量的增加，可以从压气机特性迈谱图中看出，压气机效率范围变宽，尽管在低流量区域，效率也获得了提升。

高压EGR和低压EGR作为PC0、PC1和PC2功率等级的标配，从MLB平台到MQB平台只有微小的尺寸变化。为了滿足RDE工况的运行条件，低压EGR冷却器容积增加了25%，最大冷却能力达到12.5 kW（上一代机型为10.0 kW），可以有效减少NOx在高负荷工况下的排放。

3 软件和部件功能强化

MQB平台EA288 evo机型的燃油系统和EA288 evo纵置发动机的相同，均采用博世CRI 2-22 220 MPa系统，带有针孔关闭传感器（NCS）[4]。这是喷油器闭环控制系统在大众公司车型中的首次应用。为了根据需求精确控制喷油量，研发人员对喷油器的特性进行了标定，实现了在较宽的功率范围内的3次预喷。发动机在运行过程中，燃烧噪声低，燃烧稳定性好，原始排放最低。在柴油机颗粒捕集器（DPF）再生过程中，每个工作循环有多达9次后喷。该喷油策略与发动机和传动系统独立作用，因此可与电气系统联合提供额外的可持续减排潜力（图5）。

为了优化瞬态工况的排放，研发人员在该机型上首次应用了瞬态控制功能。EGR率和重要的喷射参数可以通过电荷漂移进行瞬态修正，这也说明该功能可以通过调控燃油和进气，进而影响瞬态的炭烟-NOx排放关系，降低原始排放的峰值。

4 排气后处理系统和热管理措施

大众公司MQB和MLB平台的欧六d EA288系列发动机均采用带涂覆SCR系统催化剂的DPF（SDPF），以及氨逃逸催化器（ASC）。其中，MQB平台的EA288 evo发动机还采用双催化转化控制系统，进一步减少了排放。为了进一步提高后处理系统的效率，MQB平台EA288 evo发动机首次采用“Twin dosing”尿素喷射技术，1个安装在柴油机氧化催化器（DOC）和SDPF之间，另1个安装在底盘中的SCR系统上游（图6）。

4.1 “Twin dosing”系统

在紧耦合布置中，DOC的体积从1.3 L增加到1.8 L，DPF的体积从3.0 L增加到3.4 L，SCR尿素喷射模块采用液体冷却方式。底盘安装的SCR尿素喷嘴采用空气冷却，高功率版机型的混合器在压力损失和均匀性分布方面进行了特别优化。ASC有2部分组成，对于前驱和四驱车型来说，总体积分别为2.5 L和3.0 L。废气经过排气管路时温度会降低，在稳态工况下，底盘下SCR系统温度比紧耦合SCR系统温度低50 K，2部分的SCR系统一起作用，即使在高负荷和排温较高的工况区，也可获得最大的NOx转化效率（图6）。

“Twin dosing”系统的优点如下：（1）在高负荷工况，尤其对于重载工况，SCR系统可获得最高的效率;（2）在DPF再生过程中，NOx排放可以得到改善;（3）通过低压EGR可以减少NH3再循环;（4）后处理部件车载诊断（OBD）系统的适应性可得到加强。“Twin dosing”系统在RDE高负荷工况中可再减少50%的NOx排放，在WLTC工况测试过程的DPF再生阶段，与单尿素喷射相比，NOx排放可减少70%（图7）。除了高负荷区域，对于轻型机来说，低负荷工况的NOx排放也是重要挑战之一，因此必须采取必要的热管理措施。

4.2 发动机加热模式

新一代EA288 evo发动机采用多种运行模式，以此激活紧耦合的SCR系统温度。其运行模式主要分为4种设置。（1）加热模式1：主动加热，通过后喷提高排温;（2）加热模式2：保温，通过进气节流和EGR流量进行优化;（3）加热模式3：保温，与第2种模式接近，通过推迟燃油喷射和后喷，达到50%的放热率;（4）正常模式：不采取辅助措施。

图8展示了发动机冷起动后的运行模式。在发动机起动后，主动加热用于将紧耦合SDPF的温度迅速提升至180～220 ℃。在这之后，低负荷工况的温度通过节流阀和高低压EGR的选取来保持。如果这些措施仍达不到保持SCR系统的需求温度，加热模式3启用，即进行燃油后喷和推迟主喷时刻。如果温度持续降低，系统将重新启动加热模式2。这种升级版策略确保了车辆在不同使用工况下的SCR系统运行温度。

5 排放结果

新一代的EA288 eco发动机欧六d排放认证是在兼顾RDE需求的实际驾驶环境下获得的。考虑到RDE工况的多样性，大众公司使用统计学方式来决定其排放特性。图9是MQB平台所有车型的NOx排放分布直方图。图9显示新旧2代E288 evo发动机的NOx排放分布情况，反映出排气系统组件老化是导致NOx排放升高的最主要原因。创新技术的应用极大地减少了直方图中NOx排放频率的宽度。MQB平台欧六d EA288 evo发动机的NOx排放统计学结果比上一代产品低了25%。

6 总结

满足欧六d排放法规的新一代大众MQB平台2.0 L 直列4缸缸内直喷EA288 evo发动机证明，现代化柴油机采用创新技术可满足当前和未来的排放需求，可以保持较高的燃油效率和出色的整机整车性能。然而，NOx和CO2排放在这类动力总成中还需要进一步降低。图10总结了该机型降低排放的重要技术措施。

图10 进一步降低排放的技术措施

除了排气后处理和发动机零部件的电气化之外，柴油机也将和混合动力系统、可再生能源进行组合，在环境保护方面发挥潜能。大众公司自2018年1月开始使用R33混合燃料，其中26%的燃料是由剩余材料制成的加氢精制植物油，其中7%的燃料是由食物油和油脂制成的生物燃料。此类混合柴油燃料的物理和化学性能不变，因此发动机可以不做任何改变并安全使用。相较于化石燃料柴油，R33混合燃料可减少20%温室气体排放。

因此，柴油机作为电力移动设备的补充，特别是对长途运输和车队客户来说，在保护环境和气候方面，将继续作为具有吸引力和成本效益的动力总成发挥重要作用。

参考文献

[1]METZNER F T，WILLMANN S，HELBING C，u.a. Die neue vierzylinder-dieselmotorengeneration von Volkswagen[C]. 39th Internationales Wiener Motorensymposium， 2018.

[2]EIGLMEIER C， GROENENDIJK A. Downsizing von pkw-motoren， Kap.4[C]. Grundlagen der Verbrennungsmotoren， Springer-Verlag， Auflage， 2018.

[3]NEUBERGER S，BOCK E，HAAS W，u.a. CO2-einsparpotenziale durch einsatzvon gasgeschmierten gleitringdichtungen[C]. 35th Internationales Wiener Motorensymposium， 2014.

[4]WINTRICH T，ROTHE S，BUCHER K，et al. Low-emission diesel concept[C]. 27th Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik， 2018.

刘晶晶 译自 41st International Vienna Motor Symposium 2020

虞 展 编辑

（收稿时间：2021-06-11）