基于輕型商用車柴電混合動力總成的模塊化平臺

【德】 S.KRAPF M .HOWLETT B.ENZI W.SCH?FFMANN

0 前言

在目前的輕型商用車動力系統領域，柴油機依然保有數量優勢，2018年德國國內約有95.5%的商用車以柴油機為動力來源[1]；在歐盟28國(EU28)的統計數據中，輕型商用車(LCV)和廂式貨車中有94%的車型以柴油機為動力來源[2]。圖1示出了德國交通部(KBA)公布的德國汽車細分市場。以德國國內的D級和E級車型為例，其中以柴油機為動力來源的車型超過了97%。而在EU28數據下的所有N1級LCV和廂式貨車(最大整車質量為3.5 t)中約有60%是D級和E級車型。

目前，EU28要求的CO2排放限值為159 g/km(2018年數據)[1]，德國為152 g/km(2018年數據)[2]，上述數值已接近根據新歐洲行駛循環(NEDC)工況得出的2020年的目標值，該目標值為147 g/km(圖1)。目前可供使用的數據表明，全球統一的輕型車試驗程序(WLTP)行駛循環所要求的車輛CO2排放值比NEDC行駛循環高出約20%～25%。以2021年WLTP行駛循環要求的車輛CO2排放值為基礎，2025年和2030年的車輛CO2排放值將分別降低15%和31%。未來，柴油機也將為LCV和廂式貨車的降本增效目標作出重要貢獻。

除了減少CO2排放，歐7標準(尚未確定確切公布日期和限值)也是影響未來LCV動力總成技術要求的重要因素。電氣化措施的推行及城市中心對內燃機汽車的限行令都將對此產生影響。

為了滿足歐7排放標準，48 V車載網絡可與電機的P0布置型式相結合，而且采用P2布置型式的48 V動力總成也可有效滿足未來的CO2排放目標。

1 排放技術

研究人員將N1級輕型商用車和8座汽車(M1)在底盤測功機上進行試驗認證。滿足當前歐6d廢氣排放法規并可降低氮氧化物(NOx)排放的技術包括廢氣再循環(EGR)、柴油機顆粒捕集器，以及帶尿素噴射的選擇性催化還原(SCR)系統。為滿足更為嚴苛的歐6d排放限值，研究人員應不斷改良SCR的凈化效果，從而在高負荷和高溫條件下也能確保較高的轉化率。通過機內凈化措施來控制排氣后處理系統(EAS)的溫度，而排氣加熱會顯著降低燃燒效率。

根據歐7排放標準，研究人員須進一步降低NOx排放，并且在更寬廣的實際駕駛循環(RDE)標準法規范圍內滿足更嚴苛的指標。這就要求整個廢氣后處理系統應實現可靠的溫度管理，以便在發動機起動后和更短的城市行駛工況下確保較高的NOx轉化率。與采用先進燃燒技術的加熱措施相比，廢氣后處理上游的電加熱元件(E-Cat) 在運行策略方面具有更高的靈活性，并改善了NOx和CO2之間的平衡[3]。由于所需的加熱功率約為4 kW，因此研究人員選擇采用48 V系統(圖2)。

圖2 滿足未來排放法規的技術

針對48 V電機的設計允許其實現附加功能，即使在低轉速時也能輸出較高的轉矩，以支持發動機在特性曲線場中實現低速運行。制動階段回收的動能有助于實現CO2排放的平衡，并使蓄電池充電狀態保持均衡穩定。

發動機扭矩的提升有利于改善動態駕駛時發動機的瞬態工況變化，進而避免NOx排放達到峰值，因此無需配備吸附式催化轉化器。

48 V系統是未來用于實現降低LCV廢氣排放的關鍵技術，并有望實現大規模推廣。

隨著全球廢氣排放法規的逐漸趨同，這種技術不僅適用于EU28，而且也可用于其他國家的柴油機市場，例如中國和印度等國。

2 動力總成設計

48 V混合動力系統可選用不同的布置型式(圖3)。對于輕型商用車而言，P0或P2這2種結構型式具有最高的應用潛力[4]。

圖3 未來LCV動力總成設計

采用12 kW BSG的P0混合動力具有起動-停車功能及電動助力功能，并可回收部分能量，以此能滿足質量為3.5 t的車輛的技術需求。這種系統可配裝到傳統發動機上，此時通過BSG以替代12 V發電機。該方案的弊端在于皮帶負荷會產生寄生損失。此外，由于用于驅動發電機的內燃機曲軸同樣也用于驅動動力總成，因此其功能性也會受到限制。

為了避免這些缺點，研究人員可將P2混合動力(作為緊湊單元)集成在內燃機與變速箱之間[5]。30 kW的輸出功率與較高的蓄電池容量相結合就能滿足短途行駛需求，例如市內運輸。如果在內燃機停機的情況下對車輛進行操縱，則針對輔助裝置(例如空調、真空泵和轉向泵等)而進行的電氣化改良則是必不可少的。

P2系統的成本部分可通過簡化內燃機而得到補償，可采用電動水泵和電動機油泵代替機械驅動方式[6]，這些措施同樣有助于提高整個系統的效率。通過上述方案開啟了全新的技術領域，例如應用電動增壓器或電輔助增壓器以提高發動機低轉速時的扭矩。

48 V系統降低CO2排放的技術潛力主要取決于運行策略和蓄電池容量，因為在RDE行駛循環期間難以預測以純電模式驅動的持續時間，因此該系統須保持均衡而穩定的充電狀態[7]。

3 CO2減排技術

為實現降低CO2排放的目標，成本高昂的先進技術又重新受到了研究人員的關注。例如，可變機油泵和可變水泵在乘用車領域的應用已顯示出一定的潛力和可靠性，同時其也將應用于LCV(圖4)。形狀修正珩磨、主軸承拋光和低摩擦涂層等工藝優化措施的運用同樣取得了較好效果。通過對曲柄連桿機構和氣缸襯套接觸面幾何結構的優化，可最大程度地減少發動機摩擦，而將鋁活塞調整為鋼活塞也是1項重要舉措。

圖4 各種用于降低CO2排放的有效措施

通過熱管理、優化發動機暖機過程并保持一定的運行溫度，也能起到一定的改善效果。采用48 V系統后，電動水泵和電動機油泵可實現按需運行，并減少驅動能量[8]。

表1 模塊化動力總成示例：技術特征

下一步發展目標是使發動機熱效率提高到45%以上，由此應顯著提高壓縮比，并使峰值壓力提高到25 MPa。為了在不增加摩擦損失的情況下使機體承受較高的機械負荷，研究人員須對組件設計和材料概念進行全面優化。

4 模塊化發動機與動力總成

將上述元件集成在模塊化動力總成平臺中，可使各種改型產品的生產和裝配更具靈活性。表1示出了基于當前量產發動機而開發的平臺，以滿足未來降低廢氣和CO2排放的目標。

研究中采用的基礎機型是1款2.2 L發動機，其按照當前的歐6d廢氣排放法規而設計，并已應用于3.5 t商用車。該款發動機配備有sDPF和高壓冷卻EGR系統。WG-TC則專門用于功率等級為80 kW的機型。

研究人員下一步重點的開發工作是通過增加自身帶有尿素定量配給系統的SCR催化轉化器，并改善EGR標定過程來降低RDE的一致性系數。由此可使低壓EGR系統能在NOx排放相同的情況下降低CO2排放，而高壓EGR在發動機冷態運行階段仍可發揮作用。

48 V-P0系統可用于滿足歐7排放法規。研究人員通過使用廢氣后處理上游的電加熱元件調節廢氣溫度以替代機內凈化措施(例如可變排氣相位)，由此能降低CO2排放。通過采用48 V系統還能使用配裝了電輔助機械增壓器或集成電機的電輔助渦輪增壓器，從而在較低的發動機轉速下也能獲得較高的增壓壓力，并對渦輪增壓器的設計方案進行了優化。電輔助機械增壓器也能與廢氣后處理裝置實現組合使用，并可在發動機停機期間控制后處理系統的溫度。在采用電輔助的P2配置中，無需配備皮帶傳動裝置，從而縮短發動機長度并提高整機效率。

在該發動機系列中，可以使發動機配備不同的增壓系統以實現不同的功率輸出(圖5)。80 kW的額定功率可以滿足大部分車型的需求。采用VGT或二級增壓系統可以使發動機達到更高的功率水平。隨著48 V技術的發展，電輔助增壓系統將成為1種趨勢。為了進一步提高發動機功率，可以將電輔助機械增壓與VGT渦輪增壓器結合在一起，還可以直接采用電輔助VGT渦輪增壓器(e-VGT)。

圖5 模塊化的動力總成系列

盡管模塊化平臺的應用重點是N1細分市場，但功率更高的變型產品也可用于M1級車輛，例如小型貨車、皮卡或SUV等?？紤]到該市場領域對發動機使用壽命的要求有所降低，研究人員可通過設計合適的增壓系統及更高的額定轉速，從而使發動機實現更高的功率輸出。

另一方面，同一款基礎機型也可用于質量為3.5～12 t的N2級重型車輛?？紤]到基于發動機試驗臺的排放認證過程，渦輪增壓系統、排氣后處理系統和EGR系統必須滿足以下要求：在較高發動機負荷下能實現更高的EGR率，并在一定程度上能降低額定功率。

5 結語和展望

本文介紹了包括48 V電氣化系統在內的改進措施，使發動機可充分滿足未來的尾氣排放法規和CO2排放目標。目前，研究人員對純電驅動方式的關注度正與日俱增，但對于LCV而言，針對柴油機進行的技術改良也是關鍵所在。

李媛媛 譯自 MTZ，2020，81(01)

伍賽特 編輯

(收稿時間：2020-04-22)