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匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油機(jī)開發(fā)

王啟航1，張松濤2，侯方2，金喆2，趙雪輝2

（1.西安康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司，大連116022）

摘要匹配皮卡車型的CA4DC2-10E3柴油機(jī)以CA4DC2-12E3國Ⅲ排放電控共軌柴油機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了冷卻EGR系統(tǒng)，并在臺(tái)架上進(jìn)行了標(biāo)定開發(fā)工作。整車在轉(zhuǎn)轂上匹配了氧化型后處理器，同時(shí)優(yōu)化了標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣車排放達(dá)到了國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，整車排放循環(huán)工況百公里油耗為8.8升。

關(guān)鍵詞：共軌柴油機(jī)國Ⅲ排放冷卻EGR系統(tǒng)優(yōu)化標(biāo)定

來稿日期：2014-11-02

1　前言

2006年長春一汽技術(shù)中心與道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司聯(lián)合完成了CA4DC2-12E3國Ⅲ柴油機(jī)的開發(fā)，在國內(nèi)N2類輕型載貨車市場率先推出電控共軌增壓中冷國Ⅲ輕型柴油機(jī)，其性能和可靠性經(jīng)過市場的充分驗(yàn)證。該機(jī)型是道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司批量生產(chǎn)的成熟機(jī)型之一。

丹東曙光汽車集團(tuán)在成功推出了匹配CA4D32-10國Ⅱ柴油機(jī)的大柴神皮卡后，為了滿足GB 18352.3－2005法規(guī)的國Ⅲ排放，提出了整車排放升級(jí)的需求，為匹配N2類輕型載貨車用的CA4DC2-12E3電控共軌柴油機(jī)拓寬到皮卡領(lǐng)域提供了平臺(tái)。

2　設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)配置

匹配皮卡的CA4DC2-10E3柴油機(jī)以滿足GB 17691－2005法規(guī)國Ⅲ排放的CA4DC2-12E3型柴油機(jī)為基礎(chǔ)，保持了Bosch CRS2.0共軌系統(tǒng)的通用性，最高軌壓為145 MPa。其4大核心部件為：（1）噴油器，其流量為（450±6）cm3/30s，孔數(shù)為6孔，錐度系數(shù)K為1.5，油束錐角為155毅，噴油器墊片的厚度為（2.0±0.1）mm；（2）BOSCH EDC16C39 型ECU；（3）CP1H型號(hào)高壓油泵；（4）帶軌壓傳感器的激光焊接共軌管。

曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、凸輪軸信號(hào)傳感器、進(jìn)氣壓力/溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器和油門踏板傳感器保持不變。

匹配皮卡車型的CA4DC2-10E3柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了滿足GB 18352.3－2005法規(guī)的國Ⅲ排放限值，采用的技術(shù)路線為：電控共軌+增壓中冷+冷卻EGR+DOC。即在CA4DC2-12E3柴油機(jī)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)冷卻EGR系統(tǒng)，在皮卡整車上配置氧化型后處理器（DOC），該配置同時(shí)為滿足皮卡國Ⅳ排放提供技術(shù)支持。

表1　CA4DC2-10E3柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2冷卻EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CA4DC2-10E3柴油機(jī)以CA4DC2-12E3增壓中冷機(jī)型為基礎(chǔ)，本著最大通用化原則，其冷卻EGR總布置設(shè)計(jì)考慮到皮卡車型機(jī)艙空間的限制。

EGR閥冷端和熱端布置如圖1所示。EGR閥冷端布置的優(yōu)點(diǎn)為瞬態(tài)響應(yīng)好，質(zhì)量流速大；由于布置在EGR冷卻器之后，溫度低，EGR閥的成本較熱端布置相對(duì)會(huì)有優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是閥門容易出現(xiàn)結(jié)焦問題。EGR閥熱端布置的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦與冷凝問題。缺點(diǎn)是瞬態(tài)響應(yīng)差，對(duì)閥門材料要求較高，故EGR閥成本也相對(duì)較高。綜合考慮，CA4DC2-10E3柴油機(jī)的EGR閥采用了熱端的布置方案[1]。

EGR閥為真空膜片閥，對(duì)于布置在熱端的方案，EGR閥的膜片會(huì)因高溫而逐漸變硬。通過對(duì)EGR閥膜片室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在膜片室增加一層金屬隔熱板來減緩高溫下膜片老化速度。膜片耐熱溫度最高為180℃，短時(shí)間（約5 min）耐溫200℃，膜片室?guī)Ы饘俑魺岚宓腅GR閥如圖2所示。

圖1　EGR閥冷端和熱端布置

圖2　膜片室?guī)Ы饘俑魺岚宓腅GR閥

考慮到EGR閥的抗振性、抗泄露性、響應(yīng)時(shí)間和控制策略，CA4DC2-10E3柴油機(jī)采用了開環(huán)控制策略。依靠ECU的MAP圖來控制真空電磁閥，通過PWM（占空比）來改變真空泵所提供的真空度在EGR閥上的加載、釋放的時(shí)間比例，即控制EGR閥的開關(guān)時(shí)間比例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)EGR閥的控制。開環(huán)控制的缺點(diǎn)為，在低EGR率的工況下，信號(hào)反饋不充分，影響控制精度。EGR閥驅(qū)動(dòng)依靠真空電磁閥提供的真空，故反應(yīng)時(shí)間會(huì)因?yàn)槎嗉?jí)控制而變長。

EGR冷卻器采用浙江銀輪公司的產(chǎn)品，為機(jī)外水冷式。廢氣高速流過EGR冷卻器，通過與冷卻水交換熱量而溫度下降。為了防止EGR冷卻器廢氣入口端溫度過高，燒穿冷卻器，冷卻器的冷卻水入口布置在高溫端，直接冷卻高溫端，水流與廢氣流動(dòng)的方向相同。同時(shí)必須考慮到EGR冷卻器的阻力。

排氣歧管的設(shè)計(jì)，考慮到原機(jī)的排氣歧管穩(wěn)壓段短，分支段相對(duì)長，它對(duì)EGR的取氣口設(shè)計(jì)帶來了較大的挑戰(zhàn)。通過對(duì)排氣歧管內(nèi)的廢氣流動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的模擬計(jì)算，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)排氣歧管支管壓力進(jìn)行測試，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了帶EGR入口的排氣歧管。

通過CFD的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管。EGR的進(jìn)氣口布置在進(jìn)氣空氣加熱器后，保證EGR系統(tǒng)的壓差，同時(shí)考慮了EGR在進(jìn)氣混合段的流動(dòng)以及各缸EGR率的均勻性。

EGR冷卻器的進(jìn)、出水管路的設(shè)計(jì)也同樣重要。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的水流進(jìn)行了CFD計(jì)算，保證了整機(jī)冷卻系統(tǒng)能力和EGR冷卻器性能。

3　臺(tái)架標(biāo)定

CA4DC2-10E3柴油機(jī)在進(jìn)行臺(tái)架標(biāo)定前，確定ECU驅(qū)動(dòng)真空電磁閥控制EGR閥正常工作后，首先試驗(yàn)確定EGR閥的特性曲線，在確定EGR閥的工作段后才進(jìn)行EGR率的詳細(xì)標(biāo)定。

標(biāo)定的基本原則為，以CA4DC2-12E3國Ⅲ柴油機(jī)的軌壓和噴油提前角為基礎(chǔ)，噴油提前角的優(yōu)化向GB 18352.3-2005規(guī)定的整車排放區(qū)域拓展，在整車排放測試區(qū)域重點(diǎn)進(jìn)行EGR率的標(biāo)定。標(biāo)定原則是追求高的EGR率，并把煙度指標(biāo)作為控制因子，以滿足顆粒排放。

根據(jù)整車排放循環(huán)的記錄，并根據(jù)水溫對(duì)噴油提前角進(jìn)行修正。整車按GB 18352.3－2005法規(guī)規(guī)定的排放測試循環(huán)，在I部工況，第1個(gè)循環(huán)檢測的柴油機(jī)水溫為26℃~44℃，第2個(gè)循環(huán)水溫為44~57℃，第3個(gè)循環(huán)水溫為57℃~69℃，第4個(gè)循環(huán)水溫為69℃~77℃；II部工況，出水溫度為77℃~90℃。從整車排放測試循環(huán)來看，I部工況柴油機(jī)的出水溫度都低于節(jié)溫器的開起溫度77℃。在柴油機(jī)運(yùn)行的整個(gè)排放區(qū)域，基礎(chǔ)標(biāo)定MAP的水溫對(duì)噴油提前角的修正起到很大的作用。為此在臺(tái)架上進(jìn)行了柴油機(jī)出水溫度為40℃和60℃的性能測試，測試結(jié)果如圖3所示。

對(duì)于CA4DC2-12E3柴油機(jī)水溫對(duì)噴油提前角的修正，在臺(tái)架上進(jìn)行了全新的標(biāo)定。其基礎(chǔ)軌壓的MAP、噴油提前角的MAP圖和EGR率的MAP如圖4所示，煙度的MAP圖的測試結(jié)果如圖5所示。

圖3　出水溫度對(duì)噴油提前角和煙度排放的影響

4　整車標(biāo)定

4.1整車的配置

按照GB 18352.3－2005法規(guī)中規(guī)定的Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)，根據(jù)整車的變速箱各擋位速比、后橋速比和輪胎滾動(dòng)半徑，按法規(guī)規(guī)定的車速轉(zhuǎn)換為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。整車排放和性能的開發(fā)在一定意義上是整車整個(gè)傳動(dòng)系的優(yōu)化和匹配。匹配CA4DC2-10E3柴油機(jī)的大柴神皮卡，其整車參數(shù)如表2所示[2]。

根據(jù)法規(guī)定義的最大總質(zhì)量不超過3 500 kg的M1類、M2類和N1類汽車，其基準(zhǔn)質(zhì)量（RM）指汽車的“整備質(zhì)量”加上100 kg。大柴神皮卡屬于第2類車，其基準(zhǔn)質(zhì)量為1 800 kg。該項(xiàng)目的排放工程目標(biāo)為批產(chǎn)留10%的裕度（由于沒有進(jìn)行針對(duì)整車的氧化型后處理器的匹配開發(fā)工作，PM的裕度為5%），項(xiàng)目工程目標(biāo)如表3所示[3, 4]。

圖4　軌壓、噴油提前角和EGR率的MAP圖

圖5　煙度的MAP圖

4.2 4.2樣車的標(biāo)定

CA4DC2-10E3柴油機(jī)匹配的丹東曙光大柴神皮卡，氧化型后處理器在該項(xiàng)目沒有進(jìn)行任何匹配開發(fā)工作，而是借用了丹東曙光為其他車型匹配的某2.5 L柴油機(jī)采用的氧化型后處理器。但對(duì)于3.2 L排量的CA4DC2-10E3柴油機(jī)來講，采用了該氧化型后處理器，背壓相對(duì)較高，會(huì)引起煙度的增大，原機(jī)PM排放的測試結(jié)果為0.11 g/km，已超過限值的要求。由于重新匹配氧化型后處理器不能滿足項(xiàng)目時(shí)間節(jié)點(diǎn)的要求，而且原機(jī)的排放限值已很接近項(xiàng)目目標(biāo)，因此決定通過標(biāo)定的調(diào)整來滿足整車國Ⅲ排放的要求。

標(biāo)定的調(diào)整主要是根據(jù)水溫修正對(duì)噴油提前角進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速1 000 r/min對(duì)應(yīng)的軌壓增加了10 MPa。對(duì)車速120 km/h工況的軌壓和噴油提前角進(jìn)行了微調(diào)，以進(jìn)一步降低碳煙排放。原機(jī)和調(diào)整后的排放結(jié)果如表4所示，可見調(diào)整后的排放已經(jīng)達(dá)到了項(xiàng)目目標(biāo)的要求。

表2　大柴神皮卡的整車參數(shù)

表3　國3排放限值和項(xiàng)目工程目標(biāo)

表4　排放測試結(jié)果

5　結(jié)論

匹配丹東曙光大柴神皮卡的CA4DC2-10E3柴油機(jī)以滿足GB 17691－2005標(biāo)準(zhǔn)國Ⅲ排放要求的CA4DC2-12E3柴油機(jī)為基礎(chǔ)，保持BOSCH CRS2. 0系統(tǒng)完全通用，全新設(shè)計(jì)了冷卻EGR系統(tǒng)。

在臺(tái)架上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了EGR率的MAP標(biāo)定，根據(jù)出水溫度對(duì)噴油提前角進(jìn)行修正標(biāo)定。對(duì)軌壓MAP、噴油提前角MAP和EGR率MAP進(jìn)行了標(biāo)定開發(fā)，重點(diǎn)監(jiān)控?zé)煻萂AP。

樣車采用了丹東曙光公司推薦的為某2.5 L柴油機(jī)匹配的氧化型后處理器（DOC）。由于該后處理器背壓相對(duì)較大，造成PM排放超標(biāo)。通過標(biāo)定的調(diào)整，樣車的排放達(dá)到了工程目標(biāo)，滿足了GB 18352.3-2005國Ⅲ排放的限值。排放循環(huán)的百公里油耗為8.8 L/100 km。

匹配合適的氧化型后處理器和降低風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)功率或采用電子風(fēng)扇，是進(jìn)一步改善整車排放油耗的有效措施。

參考文獻(xiàn)

[1]王啟航，王永紅，蘇慶運(yùn)等.現(xiàn)代車用柴油機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2012.

[2]王啟航，王永紅，王華偉等. CA498型柴油機(jī)達(dá)歐Ⅲ排放的試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī). 2006（4）：19-21.

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[4]王啟航，韓祖豪，陳然等.匹配皮卡車型的半電控VE泵柴油機(jī)的開發(fā)[J].柴油機(jī). 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

作者簡介：王啟航（1971-），男，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)檩p型車用柴油機(jī)整機(jī)開發(fā)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.002