基于2.5L四气门国六柴油机的关键技术研究

朱 波

（安徽全柴动力股份有限公司，安徽 滁州 239500）

摘  要：为了满足越来越严格的油耗和排放法规要求，商用车国六柴油机优化燃烧室和增压器并采用高效热管理、先进的机内净化和后处理技术，达到四阶段油耗和国六排放法规。利用高爆压、双涡流燃烧系统和高效增压器改善系统的燃油经济性和动力性，采取高轨压、高效热管理等标定策略极大地提升了柴油机原排排放水平，通过CR+TC+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC技术路线，使柴油机污染物的排放水平满足国六法规要求。

关键词：国六柴油机；双涡流燃烧；高效增压器；高效热管理；机内净化技术；后处理技术

随着汽车市场商用车轻卡保有量的不断增长，污染物的排放量也持续增加。为了满足越来越严格的环保要求，轻型商用车尾气排放由国五标准提高到国六标准，在满足循环排放标准的同时，实际行驶工况的污染物排放也需要满足法规[1]。与国五阶段柴油机相比，国六阶段排放标准对污染物排放限值有了更高的要求，柴油机排放限值对比如下表格1所示[2-3]。

表1 柴油机排放限值对比

阶段	测试循环	NOx	PM	CO	HC	PN	NH3
		mg/kW.h				#/kW.h	ppm
国Ⅴ 国Ⅴ	ETC	200	30	4000	550	-	-
	ESC	2000	20	1500	460	-	-
国Ⅵ 国Ⅵ 国Ⅵ	WHTC	460	10	4000	160	6.0x1011	10
	WHSC	400	10	1500	130	8.0x1011	10
	WNTE	600	16	2000	220	-	-

全柴研制的四气门商用车专用柴油机采用高压冷却EGR，减少了NOx排放、结构紧凑，在保证可靠性的同时，去除冗余材料，利用强化框架薄壁的机体和缸盖，实现机体轻量化。后置齿轮室方案的应用缩短了整机长

收稿日期：2024-03-15

作者简介：*朱波（1991.07-），男，安徽滁州人，助理工程师，主要从事柴油机方面研究(E-mail: [e-mail])。

度，降低了噪声，同时四气门和液压挺住没有气门间隙，降低了配气噪声。双切向气道的选择兼顾了柴油机低速和高速性能，同时采用高效冷却系统降低油耗和排放。燃烧室切换高容积比活塞，优化燃烧，降低了油耗。该四气门国六商用车具备功率和扭矩密度大、低速瞬态响应性能强、低油耗等特点。

1 商用车国六柴油机技术路线

相比于国五阶段排放标准，国六排放法规对NOx、PM和NH3泄露的要求大幅提高[4]。为了满足越来越严格的排放法规要求，国六柴油机引入双涡流燃烧系统、高效增压器、高爆压、高轨压、高效热管理等先进技术，并采用CR+TC+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC技术路线处理各类污染物，在兼顾油耗的同时，使排放满足国六法规要求。其中，CR（Common Rail，共轨），TC（Turbocharger，涡轮增压器），EGR（Exhaust Gas Recirculation，废气再循环），DOC（Diesel Oxidation Catalyst，氧化型催化转化器），DPF（Diesel Particulate Filter，柴油颗粒捕集器），SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原转化器），ASC（Ammonia Slip Catalyst，氨逃逸催化器）。

1.1 双涡流燃烧系统

活塞采用双涡流燃烧室方案，将燃烧室分为上下两部分，上下分层，同时对油束落点优化匹配设计，使落点精确、油气混合充分，通过大量燃烧分析优化与DOE（Design of Experiments，实验设计）选型，调整活塞燃烧室横、纵坐标位置，实现双涡流燃烧室与现有喷油器油束的良好匹配，最优的双涡流活塞方案如下图1所示。

图1 最优的双涡流活塞

该设计使燃烧热量释放在预混合早期喷射阶段，即在燃料与燃烧室发生相互作用之前，可充分燃烧得到更多的指示功。油液在燃烧室内发生剧烈的双涡流作用，混合和燃烧更加迅速，分层燃烧，燃烧效率高，未燃尽的碳氢和碳烟颗粒大幅减少，柴油机性能和排放进一步提升。此外，减少缸盖表面的高温反应从而降低传热损失，且在压扁区体积较小，高温反应远离气缸盖和缸壁，且高温反应体积更大，减少能量通过燃烧室的壁面损失，提高热效率。

1.2 高效增压器

增压器性能优化基于当前柴油机的试验测试性能，对于商用车国六柴油机来说，应用于不同区域柴油机的实际工况对增压器的性能要求很多[5]。当前选用混流式涡轮增压技术，明显改善了充气效率，从而很大程度地提升了柴油机性能，柴油机整体热效率提升了约1.5%[6]。压气机性能曲线如下图2所示。

图2 压气机性能曲线

由图2可知，“1”指的是EGR关闭工况下，高速功率点效率73%，对应转速19.9万转，距离最高23.1万转有着3.2万转的高原使用裕度。“2”指的是EGR开启工况下，高速功率点效率75%，对应转速19.3万转，距离最高23.1万转有着

3.8万转使用裕度。“3”指的是整条耗气线位于高效区上沿，尤其中部转速达到了部分负荷穿过高效区效果，达到较为理想的匹配效果。“4”指的是低速区1000转可能出现喘振，柴油机台架无喘振现象，结合客户实际使用情况，对比类似项目开发经验，满足实际使用要求。

1.3 高效热管理

柴油机通过热管理技术提高机体排气温度，从而达到改善SCR效率和DPF再生的目的。进气歧管压力和进气量双闭环的先进热管理控制策略，ECU（电子控制器）双路PID控制，可精准提升柴油机的排气温度，确保后处理器一直处于高效工作区域，使得柴油机尾气排放极低[6]。

1.4 机内净化技术

机内净化技术将柴油机内部燃烧产生的污染物，通过改善机体结构并改进燃油喷射系统和进气系统，从而尽可能地降低污染物的排放。当前柴油机最重要的机内净化方法一般通过改进机体活塞，采用高压共轨燃油系统、增压中冷、废气再循环、节气门技术以及降低油耗的高爆压、高轨压等标定方式[6]。

1.5 后处理技术

目前柴油机产品的性能和质量正在持续优化，在商用车国六柴油机开发过程中，充分考虑了NOx、PM及NH3泄露的排放法规要求。为了应对国家对于环保日趋严苛的要求，商用车国六标准柴油机目前已批量上市。相较于国五标准，国六柴油机主要技术路线为CR+TC+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC。

1.5.1 后处理工作原理

柴油机经过高压共轨燃油系统燃烧后的排气污染物在DOC中经过贵金属催化氧化作用，将废气中的HC、CO等有害物质氧化成H2O和CO2，颗粒物（PM）中可溶性有机物（SOF）通过DOC的氧化作用，生成无污染物质，尾气通过DPF可以有效过滤尾气中颗粒物达90%以上，使PM满足国六法规要求[6]。尾气通过SCR时，在催化剂的作用下，尾气中的氮氧化合物与尿素热解产生的氨气进行反应，生成无污染的N2和H2O。至于未反应完全的NH3通过ASC氧化成H2O。经过后处理的一系列化学反应，可以有效净化柴油机尾气，满足国六法规要求。

1.5.2 后处理标定策略

除了柴油机本身燃烧和标定外，还需要标定的内容有：再生T4模型（DOC前端温度）、再生T5模型（DPF前端温度）、SCR标定。

1）再生T4模型：T4温度指DOC入口温度，HC进入DOC前需要一个起燃温度，能让HC、CO和NO在DOC内部氧化，反应式如下（1）~（3）所示。

4HC+5O2→4CO2+2H2O       （1）

2CO+O2→2CO2                  （2）

2NO+O2→2NO2                  （3）

2）再生T5模型：T5温度指DPF入口温度，能够让C分别与O2和NO2在载体内部完成反应的温度，反应式如下（4）~（5）所示。

C+O2→CO2                               （4）

C+2NO2→2NO+CO2                     （5）

3）SCR标定：附着在催化器载体上用以促进NOx排放物和尿素溶液化学反应的活性催化物质，国六由于SCR载体温度过高，采用铜基催化剂。NOx的催化还原反应主要如下式（6）~（9）所示。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O         （6）

4NH3+6NO→5N2+6H2O            （7）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O        （8）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O          （9）

柴油机的NOx排放中NO含量通常占85%~95%，因此在催化还原反应中化学反应（6）是最主要的反应，被称为标准反应，在温度为300~400℃时，有较高的转化效率，但在温度较低时，NOx转化效率较低。当提升NOx中NO2的比重时，可以改善低温条件下SCR对NO的转化效率，被称为快速反应。因此，在催化器的上游安装的预氧化催化器，使得部分NO氧化成NO2，可解决低温情况下NOx转化效率低的问题。

2 实例分析

目前全柴该款商用车国六增压中冷柴油机峰值功率125kW，最大扭矩500N.m，升功率50kW/L，升扭矩200N.m/L，具有强劲的多工况适应性，以及冷启动、加速、高温、高原能力[6]。2.5L四气门国六柴油机示意图和台架试验安装图分别如下图3和图4所示。

图3 2.5L四气门国六柴油机示意图

图4 2.5L国六柴油机台架试验安装图

选择商用车四气门国六增压中冷柴油机，通过先进的性能仿真和燃烧数值模拟优化，采用多孔多次喷射改善喷雾和油气混合、先进的燃烧技术，该柴油机实现了高功率密度、高燃油经济性及低排放[6]。四气门国六柴油机基本性能参数如下表格2所示。

表2 四气门国六柴油机基本性能参数

排量 L	缸径*行程 mm	额定功率 kW	最大扭矩 N.m	低速扭矩 N.m	最低比油耗 g/kW.h
2.5	90.5*97	125	500	360	196

2.1 燃油经济性

2.5L

四气门国六柴油机燃油消耗率如下图5所示。

图5 2.5L四气门国六柴油机燃油消耗率

由图5可得，该2.5L四气门国六柴油机万有特性低于220 g/kW.h的燃油经济区间范围覆盖宽广，最高热效率43.06%，节油能力强。

2.2 排放水平

国六柴油机在技术路线上采用CR+TC+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC策略、ECU控制单元、燃油系统采用博世共轨、后处理器喷射系统采用国产后处理器、后处理器载体材料上采用进口与国产载体组合，根据市场需求，开发出适配能力较强的商用车国六柴油机。尾排排放结果如下表格3所示。

表3 尾排排放结果

试验循环	NOx	PM	CO	HC	PN #/kW.h	NH3 ppm
	mg/kW.h
WHTC实测	212	3	0	0	2.421x1011	0.287
WHSC实测	59	3	0	0	2.003x1011	0.352
WNTE实测	111	5	0	0	4.224x1011	0.524

3 总结

1）面临越来越严苛的排放法规要求，商用车基于四气门国六增压中冷的柴油机，采用高压共轨燃油系统、高效增压器、高效热管理、废气再循环、双涡流燃烧室和降低油耗的标定策略，极致净化原排污染物水平。

2）基于峰值125 kW的商用车四气门国六柴油机实际案例，通过采用CR+TC+EGR+DOC+DPF+SCR+ASC的技术路线，降低CO、HC、NOx、PM、PN和NH3等污染物，使排放结果满足商用车国六法规要求。

参考文献：

[1] 丁莉, 邹雄辉, 戴春蓓, 等. 轻型车国六与国五排放标准比对分析[J]. 小型内燃机与车辆技术, 2019, 48(03), 54-59.

[2] GB 17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式柴油机与汽车排放污染物排放限制及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）.

[3] GB 17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）.

[4] 银增辉, 冯谦, 李国田, 等. 基于国五柴油机满足国六排放标准的技术措施探讨[J]. 现代车用动力, 2019, (01), 48-51+56.

[5] 盛伟鹏, 金林梦赟, 杨炎林, 等. 非道路柴油机（37-130kW）排放控制的发展方向与趋势[J]. 内燃机与配件, 2022, (04): 91-93.

[6] 朱波, 吕恩雨, 徐玉良, 等. 160马力收割机的非道路国四关键技术[J]. 农机市场, 2022, (08), 40-41.