轻型商用车柴电混合动力总成的模块化平台

0 前言

在目前的轻型商用车动力系统领域，柴油机依然保有数量优势，2018年德国国内约有95.5%的商用车以柴油机为动力来源[1]；在欧盟28国(EU28)的统计数据中，轻型商用车(LCV)和厢式货车中有94%的车型以柴油机为动力来源[2]。图1示出了德国交通部(KBA)公布的德国汽车细分市场。以德国国内的D级和E级车型为例，其中以柴油机为动力来源的车型超过了97%。而在EU28数据下的所有N1级LCV和厢式货车(最大整车质量为3.5 t)中约有60%是D级和E级车型。
目前，EU28要求的CO2排放限值为159 g/km(2018年数据)[1]，德国为152 g/km(2018年数据)[2]，上述数值已接近根据新欧洲行驶循环(NEDC)工况得出的2020年的目标值，该目标值为147 g/km(图1)。目前可供使用的数据表明，全球统一的轻型车试验程序(WLTP)行驶循环所要求的车辆CO2排放值比NEDC行驶循环高出约20%～25%。以2021年WLTP行驶循环要求的车辆CO2排放值为基础，2025年和2030年的车辆CO2排放值将分别降低15%和31%。未来，柴油机也将为LCV和厢式货车的降本增效目标作出重要贡献。

除了减少CO2排放，欧7标准(尚未确定确切公布日期和限值)也是影响未来LCV动力总成技术要求的重要因素。电气化措施的推行及城市中心对内燃机汽车的限行令都将对此产生影响。

为了满足欧7排放标准，48 V车载网络可与电机的P0布置型式相结合，而且采用P2布置型式的48 V动力总成也可有效满足未来的CO2排放目标。


图1 2018年德国国内汽车细分市场中轻型商用车和厢式货车所占的份额

1 排放技术

研究人员将N1级轻型商用车和8座汽车(M1)在底盘测功机上进行试验认证。满足当前欧6d废气排放法规并可降低氮氧化物(NOx)排放的技术包括废气再循环(EGR)、柴油机颗粒捕集器，以及带尿素喷射的选择性催化还原(SCR)系统。为满足更为严苛的欧6d排放限值，研究人员应不断改良SCR的净化效果，从而在高负荷和高温条件下也能确保较高的转化率。通过机内净化措施来控制排气后处理系统(EAS)的温度，而排气加热会显著降低燃烧效率。

根据欧7排放标准，研究人员须进一步降低NOx排放，并且在更宽广的实际驾驶循环(RDE)标准法规范围内满足更严苛的指标。这就要求整个废气后处理系统应实现可靠的温度管理，以便在发动机起动后和更短的城市行驶工况下确保较高的NOx转化率。与采用先进燃烧技术的加热措施相比，废气后处理上游的电加热元件(E-Cat) 在运行策略方面具有更高的灵活性，并改善了NOx和CO2之间的平衡[3]。由于所需的加热功率约为4 kW，因此研究人员选择采用48 V系统(图2)。


图2 满足未来排放法规的技术

针对48 V电机的设计允许其实现附加功能，即使在低转速时也能输出较高的转矩，以支持发动机在特性曲线场中实现低速运行。制动阶段回收的动能有助于实现CO2排放的平衡，并使蓄电池充电状态保持均衡稳定。

发动机扭矩的提升有利于改善动态驾驶时发动机的瞬态工况变化，进而避免NOx排放达到峰值，因此无需配备吸附式催化转化器。

48 V系统是未来用于实现降低LCV废气排放的关键技术，并有望实现大规模推广。

随着全球废气排放法规的逐渐趋同，这种技术不仅适用于EU28，而且也可用于其他国家的柴油机市场，例如中国和印度等国。

2 动力总成设计

48 V混合动力系统可选用不同的布置型式(图3)。对于轻型商用车而言，P0或P2这2种结构型式具有最高的应用潜力[4]。


图3 未来LCV动力总成设计

采用12 kW BSG的P0混合动力具有起动-停车功能及电动助力功能，并可回收部分能量，以此能满足质量为3.5 t的车辆的技术需求。这种系统可配装到传统发动机上，此时通过BSG以替代12 V发电机。该方案的弊端在于皮带负荷会产生寄生损失。此外，由于用于驱动发电机的内燃机曲轴同样也用于驱动动力总成，因此其功能性也会受到限制。

为了避免这些缺点，研究人员可将P2混合动力(作为紧凑单元)集成在内燃机与变速箱之间[5]。30 kW的输出功率与较高的蓄电池容量相结合就能满足短途行驶需求，例如市内运输。如果在内燃机停机的情况下对车辆进行操纵，则针对辅助装置(例如空调、真空泵和转向泵等)而进行的电气化改良则是必不可少的。

P2系统的成本部分可通过简化内燃机而得到补偿，可采用电动水泵和电动机油泵代替机械驱动方式[6]，这些措施同样有助于提高整个系统的效率。通过上述方案开启了全新的技术领域，例如应用电动增压器或电辅助增压器以提高发动机低转速时的扭矩。

48 V系统降低CO2排放的技术潜力主要取决于运行策略和蓄电池容量，因为在RDE行驶循环期间难以预测以纯电模式驱动的持续时间，因此该系统须保持均衡而稳定的充电状态[7]。

3 CO2减排技术

为实现降低CO2排放的目标，成本高昂的先进技术又重新受到了研究人员的关注。例如，可变机油泵和可变水泵在乘用车领域的应用已显示出一定的潜力和可靠性，同时其也将应用于LCV(图4)。形状修正珩磨、主轴承抛光和低摩擦涂层等工艺优化措施的运用同样取得了较好效果。通过对曲柄连杆机构和气缸衬套接触面几何结构的优化，可最大程度地减少发动机摩擦，而将铝活塞调整为钢活塞也是1项重要举措。


图4 各种用于降低CO2排放的有效措施

通过热管理、优化发动机暖机过程并保持一定的运行温度，也能起到一定的改善效果。采用48 V系统后，电动水泵和电动机油泵可实现按需运行，并减少驱动能量[8]。

表1 模块化动力总成示例：技术特征


下一步发展目标是使发动机热效率提高到45%以上，由此应显著提高压缩比，并使峰值压力提高到25 MPa。为了在不增加摩擦损失的情况下使机体承受较高的机械负荷，研究人员须对组件设计和材料概念进行全面优化。

4 模块化发动机与动力总成

将上述元件集成在模块化动力总成平台中，可使各种改型产品的生产和装配更具灵活性。表1示出了基于当前量产发动机而开发的平台，以满足未来降低废气和CO2排放的目标。

研究中采用的基础机型是1款2.2 L发动机，其按照当前的欧6d废气排放法规而设计，并已应用于3.5 t商用车。该款发动机配备有sDPF和高压冷却EGR系统。WG-TC则专门用于功率等级为80 kW的机型。

研究人员下一步重点的开发工作是通过增加自身带有尿素定量配给系统的SCR催化转化器，并改善EGR标定过程来降低RDE的一致性系数。由此可使低压EGR系统能在NOx排放相同的情况下降低CO2排放，而高压EGR在发动机冷态运行阶段仍可发挥作用。

48 V-P0系统可用于满足欧7排放法规。研究人员通过使用废气后处理上游的电加热元件调节废气温度以替代机内净化措施(例如可变排气相位)，由此能降低CO2排放。通过采用48 V系统还能使用配装了电辅助机械增压器或集成电机的电辅助涡轮增压器，从而在较低的发动机转速下也能获得较高的增压压力，并对涡轮增压器的设计方案进行了优化。电辅助机械增压器也能与废气后处理装置实现组合使用，并可在发动机停机期间控制后处理系统的温度。在采用电辅助的P2配置中，无需配备皮带传动装置，从而缩短发动机长度并提高整机效率。

在该发动机系列中，可以使发动机配备不同的增压系统以实现不同的功率输出(图5)。80 kW的额定功率可以满足大部分车型的需求。采用VGT或二级增压系统可以使发动机达到更高的功率水平。随着48 V技术的发展，电辅助增压系统将成为1种趋势。为了进一步提高发动机功率，可以将电辅助机械增压与VGT涡轮增压器结合在一起，还可以直接采用电辅助VGT涡轮增压器(e-VGT)。


图5 模块化的动力总成系列

尽管模块化平台的应用重点是N1细分市场，但功率更高的变型产品也可用于M1级车辆，例如小型货车、皮卡或SUV等。考虑到该市场领域对发动机使用寿命的要求有所降低，研究人员可通过设计合适的增压系统及更高的额定转速，从而使发动机实现更高的功率输出。

另一方面，同一款基础机型也可用于质量为3.5～12 t的N2级重型车辆。考虑到基于发动机试验台的排放认证过程，涡轮增压系统、排气后处理系统和EGR系统必须满足以下要求：在较高发动机负荷下能实现更高的EGR率，并在一定程度上能降低额定功率。

5 结语和展望

本文介绍了包括48 V电气化系统在内的改进措施，使发动机可充分满足未来的尾气排放法规和CO2排放目标。目前，研究人员对纯电驱动方式的关注度正与日俱增，但对于LCV而言，针对柴油机进行的技术改良也是关键所在。