CA4DC2-10E4皮卡国Ⅳ排放样车的开发

王启航，侯方，韩祖豪，王克，赵雪辉，李兴民

（道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连，116022）

CA4DC2-10E4皮卡国Ⅳ排放样车的开发

王启航，侯方，韩祖豪，王克，赵雪辉，李兴民

（道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连，116022）

匹配CA4DC2-10E4电控共轨柴油机的丹东曙光大柴神皮卡，在整车底盘测功机的排放台架上，开展了氧化型后处理器、EGR冷却器和优化标定的试验研究。试验结果表明，样车排放达到了国Ⅳ标准，整车排放循环工况百公里油耗仅为8L。

共轨柴油机国Ⅳ排放氧化催化转化器EGR冷却器优化标定

1 前言

丹东曙光汽车集团旗下的黄海大柴神皮卡，以“大承载”、“大动力”、“大收益”、“大气派”为核心卖点，自投放市场以来，多快好省的“黄海大柴神”皮卡已成为国内柴油皮卡的标杆性产品。

道依茨一汽大连柴油机有限公司和丹东曙光汽车公司在成功推出了匹配CA4DC2-10E3国Ⅲ排放电控共轨柴油机的大柴神皮卡后，为了满足GB18352.3－2005法规的国Ⅳ排放，双方合作以批产的国Ⅲ排放皮卡为基础，开发排放满足国Ⅳ标准，并进一步优化整车油耗指标和控制整车的成本，力争打造国Ⅳ排放阶段皮卡的最高性价比，为全面实施国Ⅳ排放提供强有力的整车产品，提升大柴神皮卡的市场占有率。

2 样车配置

2.1 发动机配置

匹配皮卡的CA4DC2-10E4为直喷式增压中冷电控共轨冷却EGR柴油机，主要结构及技术参数如表1所示。该机采用了Bosch CRS2.0系统，最高轨压为145 MPa，核心4大部件说明如下：

（1）喷油器的主要参数为6孔，喷孔直径为0.126 mm，K系数为1.5，油束锥角为155°，喷油器流量为300±6 cm3/30s；喷油器铜垫片的厚度为2.5±0.1 mm；

（2）ECU为BOSCH EDC16C39；

（3）高压油泵为CP1H油泵；

（4）带轨压传感器的激光焊接轨。

EGR阀为真空膜片式气动阀，采用占空比（PWM）控制方式。采用了Bosch HFM空气质量流量传感器，它替代了原机的进气温度压力传感器，实现了对EGR阀的进气闭环控制，并满足OBD法规的要求，如图1所示。HFM空气质量流量传感器安装在空气滤清器和增压器之间。

表1 CA4DC2-10E4柴油机技术参数

图1 进气温度压力传感器和HFM空气质量流量传感器

EGR冷却器由浙江银轮公司提供，并按整车排放开发的要求提供了改进型EGR冷却器。

增压器采用了上海联信公司型号为GT22放气阀式增压器。为适应EGR系统的要求，用相对比较大的过量空气系数来组织燃烧，在实现高EGR率的前提下，结合高压喷射技术，来控制碳烟水平[1]。

空－空中冷器由丹东曙光公司进行整车布置，与中冷器的连接管路要满足整车对发动机机舱空间的限制，并保证整机外观符合商品车的要求。

匹配了氧化型催化反应器（DOC），在整车布置上尽可能地靠近废气涡轮增压器，小的热惯性能使氧化型催化反应器快速起燃，满足后处理器温度反应窗口的要求，使后处理器保持较高的转化效率，同时尽可能地降低后处理器的阻力，来获得整车油耗的优势[2]。

柴油机的微粒排放由3部分组成：碳烟颗粒（Soot）、可溶有机成分（SOF）、硫酸盐颗粒。机油产生的SOF占SOF总质量的15%～80%。因此控制发动机机油耗水平，使用满足法规要求的低硫柴油是微粒排放达标的基础和前提。CA4DC2-10E4发动机在机油耗开发方面，主要改进如下：

（1）缸体采用缸盖螺栓加深的方式优化缸孔变形，并对缸体毛坯采用合适的时效工艺处理；

（2）采用半成品缸套，压板绗磨的工艺，同时优化了缸套网纹参数；

（3）开发了钢质油环，油环的刮油刃为0.25± 0.02 mm。

通过上述的改进措施，样机在标定功率工况下机油燃油比达到了0.2%以下的水平。

2.2 整车的配置

按GB 18352.3－2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》法规中规定的Ⅰ型试验运转循环，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一定意义上是整车整个传动系的优化和匹配，单单地只靠柴油机的本身优化，很难达到整车排放、动力性以及舒适性的综合权衡。为了满足越来越严格的排放法规和燃油经济性的要求，柴油机的强化程度将不断提高，升功率、升扭矩的增加，需要匹配合适传动系参数（变速箱和后桥速比等）。采用降低柴油机转速，提升扭矩，更好地满足了整车排放和节能的双重要求。大柴神皮卡的整车参数，如表2所示。

3 整车在底盘测功机上的排放开发

3.1 国Ⅳ排放的限值和测试循环

根据GB18352.3－2005法规定义的车型为最大总质量不超过3 500 kg的M1类、M2类和N1类汽车，基准质量（RM）指汽车的“整备质量”加上100 kg。大柴神皮卡属于第二类车，其基准质量为1 800 kg。排放工程目标为批产留有10%的裕度，项目工程目标的定义如表3所示。

装有压燃式发动机的汽车必须进行I型试验，I型试验规定了整车在底盘测功机的运转循环，其工况如图2所示。

3.2 基础样车的标定

样车在底盘测功机上进行Ⅰ型试验运转循环，对样车原配置进行了排放的摸底。根据试验结果，针对1部和2部循环加大了EGR率，重新标定了EGR的MAP图，标定后在底盘测功机上进行了排放测试。

表2 大柴神皮卡的整车参数

表3 国Ⅳ排放限值和项目工程目标

图2 I型试验运转循环

样车在标定前、后的NOx、HC、CO的测试结果，如图3所示。排放结果如表4所示。

图3 样车和标定后的排放测试对比

从测试的排放结果分析，对于1部循环，针对部分负荷加大EGR率，在有效控制烟度指标的前提下，NOx、HC、CO和PM指标得到了全面的改善，同时百公里油耗指标也有所降低。但基于EGR系统的压差所限，EGR率在1部循环已经调整到极限；在2部区域由于受烟度所限，EGR率的优化幅度不大。因此NOx的进一步降低，不得不依赖后处理的背压提升来提高EGR系统的压差，实现EGR率的增加，但这将导致油耗的增加；另一个有效的措施是改进EGR冷却器，提高冷却效率达到同时降低NOx和PM的目的。

表4 排放测试结果

3.3 氧化型催化转换器（DOC）的匹配

氧化型催化反应器，催化剂的主要活性成分为Pt或Pd。DOC能够高效地去除尾气中的CO和HC；在温度较高时，还能将NOx中的NO氧化成NO2，如图4所示[3]。

图4 DOC内CO和HC的转化率以及NO2的形成随温度变化

根据颗粒物中的SOF的含量不同，DOC可以降低3%～25%的颗粒排放量。

DOC在使用过程中要将工作温度范围严格控制在200～300℃之间。因为排气温度低于150℃，催化剂基本不起作用，而排气温度高于350℃，柴油机尾气中的SO2经DOC后氧化成SO3，进而生成硫酸盐颗粒，使颗粒物中硫酸盐比例大大增加，仅硫酸盐颗粒物的形成就会导致颗粒的排放超过国Ⅳ排放限值。此外，生成的硫酸盐颗粒覆盖在载体表面而导致催化剂中毒。因此，为了满足国Ⅳ排放，要求使用硫含量低于0.005%的低硫柴油。排气温度对DOC颗粒转化率的影响，如图5所示[3]。

图5 排气温度对DOC内颗粒转化率的影响

本轮试验采用DOC方案，其参数如表5所示。方案1和方案2的样件，在200 kPa气压下，30 s时间内的压降小于5 kPa；方案3采用3个陶瓷载体，方案3的压降小于7.5 kPa。因此针对方案3，通过EGR MAP的二轮调整，增加了EGR率。3种方案排放测试的结果如图6和表6所示。

表5 DOC的试验方案

从试验结果可以看出，方案1和方案2是A供应商和B供应商提供的DOC样件，在标定数据完全相同的情况下，供应商B的NOx和PM更接近国Ⅳ排放限值。为了进一步降低NOx的排放量，方案3由B供应商提供了3个陶瓷载体串联的样件，样件的阻力相对较大，提高了涡后背压，通过标定可以实现EGR率的增加，使NOx的值达到了0.377 g/km，但同时也导致了11%的颗粒上升和1%的油耗上升，整车排放指标已接近国Ⅳ排放限值。

3.4 EGR冷却器的匹配

图6 3种DOC方案的排放测试结果

表6 3种DOC方案的排放测试结果

EGR冷却器的冷后温度对柴油机的NOx和烟度有很大影响。EGR冷后温度越低，NOx和烟度都会降低。当废气温度降低时，废气的密度增大，同质量的废气所占体积减少，废气对进气的负面影响减少，更多的新鲜空气进入气缸，气缸内氧浓度增大，碳烟的氧化作用增强，烟度下降，同时由于废气温度降低使缸内燃烧温度下降，减少了NOx的排放量[4-6]。

原EGR冷却器与改进的EGR冷却器的性能指标测试结果如图7所示。由于改进的EGR冷却器的散热面积增大，导致冷却腔的阻力增大，从而引起冷却流量的下降。改进的EGR冷却器散热量较原EGR冷却器有了明显的提升。EGR冷却器的阻力改进后较原EGR冷却器有了增加，冷却效率由原来的30%～40%提升到50%～60%的水平。

改进的EGR冷却器与原EGR冷却器，在标定数据和后处理器相同的配置条件下，整车在底盘测功机测得的排放结果分别如图8、图9和表7所示。

图7 EGR冷却器改进前后的性能测试对比

图8 I型试验EGR冷却器改进前后的排放测试

图9 EGR冷却器改进前后的排放测试结果

表7 EGR冷却器改进前后的排放测试结果

EGR冷却器冷却效率的改善，在应用方案2后处理器的前提下，排放测试的结果说明，改进后的EGR冷却器有效地降低了NOx和PM的排放，HC的排放相近，但CO排放却上升了99.7%，接近国Ⅳ的排放工程限值。经过匹配改进后的EGR冷却器，皮卡车的排放已经满足了国Ⅳ排放法规限值，且达到了工程开发目标。

4 总结

CA4DC2-10E4增压中冷电控共轨冷却EGR柴油机匹配丹东曙光大柴神皮卡，整车在底盘测功机上进行排放开发，结论如下：

（1）要想达到国Ⅳ的NOx排放限值，必须增加EGR率，特别对于1部循环；

（2）匹配DOC后处理器，排气背压的提高为增大EGR率提供了条件，但同时这会引起燃油耗的升高；

（3）采用改进的EGR冷却器，可使NOx和PM的同步下降，但却引起了CO排放量的大幅度上升，上升幅度高达99.7%，排放循环百公里油耗指标改善了9.6%。

整车通过采用改进的EGR冷却器，优化标定MAP和匹配DOC使整车排放满足了国Ⅳ排放的限值，达到了工程开发目标，并为生产留有了10%的排放裕度，整车排放循环的百公里油耗达到了8 L。

对于CO排放量的进一步降低，需要进一步开展DOC的匹配和开发工作。现阶段的排放性能指标已经达到了工程目标要求，整车顺利地取得了国Ⅳ排放公告。

1李勤编．现代内燃机排气污染物的测量与控制[M]．北京：机械工业出版社，1998．

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蒋德明，陈长佐，杨嘉林等．高等车用发动机内燃机原理[M]．西安：西安交通大学出版社，2006．

4王天灵，李骏，吴君华等．废气再循环降低增压柴油机排放的试验研究[J]．汽车技术，2005（12）：12-15．

5陈群，刘巽俊，李俊等．车用柴油机冷EGR系统的试验研究[J]．汽车工程，2001（6）：392-395．

6陈群，刘巽俊，李骏等．CA498车用柴油机EGR的试验研究[J]．内燃机学报，2001（6）：557-561.

Development of CA4DC2-10E4 Pickup Meeting China IV Emissions Legislation

Wang Qihang,Hou Fang,Han Zhuhao,Wang Ke,Zhao Xuehui,Li Xxingmin
（DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian 116022,China）

To apply the CA4DC2-10E4 electronic-controlled common-rail engine to the Dandong ShuGuang DaChaishen pickup,a roller emission test is carried out for the study on the effects of diesel oxidation catalyst,EGR cooler and optimization of calibration map on vehicle exhaust emissions and performance.The results show that:the pickup can meet China IV emissions legislation and the BSFC of the pickup emissions test cycle is 8L/100 km.

common-rail diesel engine,China IV emissions,DOC,EGR cooler,optimization calibration

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.04.001

来稿日期：2012-06-11

王启航（1971-），男，工程硕士，主要研究方向为轻型车用柴油机整机开发。