歐盟2020年天然氣發(fā)動機(jī)創(chuàng)新項(xiàng)目

1 前言

歐盟已經(jīng)啟動了一個(gè)強(qiáng)有力的去碳化過程，以推動歐洲運(yùn)輸達(dá)到2050目標(biāo)，使用低碳替代燃料，如天然氣將起到基礎(chǔ)性作用，以加速這一進(jìn)程。歐盟成立了GasOn聯(lián)合項(xiàng)目（由德國大眾、福特、雷諾和CRF組成），旨在開發(fā)先進(jìn)的天然氣發(fā)動機(jī)，使天然氣單燃料發(fā)動機(jī)能夠符合“2020+”的二氧化碳排放目標(biāo)，按現(xiàn)行的新車認(rèn)證循環(huán)(NEDC)，目前項(xiàng)目成果表明最好細(xì)分市場CNG轎車可以減少20%的CO2排放，并在真實(shí)的駕駛條件下也可以降低油耗。

2 項(xiàng)目動機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)在歐洲的可持續(xù)交通，2020+城市和長途車輛的道路運(yùn)輸將必須是更高效的。這些目標(biāo)的大部分將通過改善車輛空氣動力學(xué)、通過減少車輛重量和影響駕駛模式來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)動力傳動系統(tǒng)的能量效率提高也將產(chǎn)生相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。此外，在2030，超過65%的所有道路運(yùn)輸車輛仍將由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動-使用液體燃料運(yùn)行，因此發(fā)動機(jī)將不得不在熱力學(xué)上更高效。在同一時(shí)間內(nèi)，可再生燃料應(yīng)占道路運(yùn)輸?shù)哪茉葱枨蟮?5%，而預(yù)計(jì)在那時(shí)主流燃料將類似于當(dāng)前的燃料（柴油和汽油），并且將由化石燃料的混合物和生物質(zhì)的增加量衍生而成。這意味著未來的發(fā)動機(jī)將必須能夠應(yīng)付燃料質(zhì)量的變化。另一方面，伴隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)演進(jìn)的漸進(jìn)效率增加，使用低碳代用燃料，如天然氣，將在加速歐洲2050年目標(biāo)的交通運(yùn)輸脫碳過程中起到基礎(chǔ)性作用。

實(shí)現(xiàn)上述驅(qū)動的戰(zhàn)略選擇之一是天然氣，因?yàn)樗牵?/p>

·一個(gè)可行的近中期選擇能源多樣化，并減少運(yùn)輸系統(tǒng)依賴于原油，由于全球更廣泛的儲備和更好的地緣政治分布。

·碳?xì)淙剂现泻凶畹吞己亢臀矚釩O2排放的內(nèi)在清潔燃料，能夠大幅度減少運(yùn)輸溫室氣體排放，并為改善空氣質(zhì)量提供顯著貢獻(xiàn)。

·一種結(jié)構(gòu)便宜的解決方案，由于生產(chǎn)、運(yùn)輸和分銷成本較低，該技術(shù)與其他替代品相比成本低。

·一個(gè)戰(zhàn)略資產(chǎn)，支持從化石燃料逐步多樣化，從可再生能源和生物質(zhì)生產(chǎn)的生物甲烷或氫氣。

歐洲采用天然氣汽車的好處是眾所周知的，可以概括如下：

·為滿足2020年二氧化碳目標(biāo)提供相關(guān)貢獻(xiàn)；

·允許大幅減少溫室氣體和局部污染，作為光化學(xué)煙霧（有害臭氧）；

·唯一的替代傳統(tǒng)車輛（化石燃料和可再生能源）；

·在能源安全方面由于獨(dú)立于原油和替代地緣政治資源和比傳統(tǒng)燃料更高的消耗/儲量；

·生物甲烷的大規(guī)模采用符合2020+目標(biāo)；

·生物甲烷W/O技術(shù)的立即使用和生物多燃料開發(fā)（乙醇、氫氣）的橋梁；

·靈活地采用常規(guī)燃料開發(fā)的所有技術(shù)，由于協(xié)同集成而提高了效益；

·采用常規(guī)燃料發(fā)動機(jī)開發(fā)新技術(shù)提高發(fā)動機(jī)效率50%以上的能力；

·在經(jīng)濟(jì)危機(jī)和/或油價(jià)高峰時(shí)維持市場需求的能力，比常規(guī)燃料便宜；

·管道網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散良好，有條件可以加入生物甲烷；

·在一些歐洲國家，有足夠的加油站、具有常規(guī)燃料當(dāng)量范圍和發(fā)動機(jī)性能的車輛組合。

3 項(xiàng)目目標(biāo)

為了充分利用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的主要好處，GASON項(xiàng)目的目標(biāo)是只開發(fā)CNG單燃料發(fā)動機(jī)。

（1）滿足歐6排放法規(guī)

（2）滿足2020+二氧化碳排放目標(biāo)

（3）滿足NEDC和真實(shí)道路使用條件

（4）提高發(fā)動機(jī)效率和車輛性能也就其CNG范圍能力。

這些CNG發(fā)動機(jī)是基于新的燃燒過程，還需要專門的技術(shù)解決方案：

·創(chuàng)新的噴射、點(diǎn)火和增壓系統(tǒng)概念

·先進(jìn)的廢氣后處理系統(tǒng)

·檢測氣體質(zhì)量及其組成

該項(xiàng)目的目的是最大限度地利用不同的技術(shù)有益于CNG發(fā)動機(jī)，通過充分的協(xié)同方法，同時(shí)采用先進(jìn)的燃燒方法輔助創(chuàng)新的噴射系統(tǒng)，通過高和/或可變壓縮比，與專用增壓和可變氣門驅(qū)動相匹配，將有可能開發(fā)高抗爆震、提高CNG發(fā)動機(jī)效率。與以前采用單一技術(shù)的方法相比，采用燃燒、點(diǎn)火和噴射管理可以大幅度提升CNG發(fā)動機(jī)性能。理論空燃比和稀薄燃燒的方法仍然有效，一方面通過正確的噴射管理，另一方面采用專用的處理系統(tǒng)來輔助。該方案的一個(gè)關(guān)鍵問題是直接氣體噴射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以提高發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的增壓效率，同時(shí)在性能和CO2排放方面都有好處。為了提高采用直接噴射（DI）技術(shù)外的效率，拓展稀薄燃燒與lambda高達(dá)2和更高的類似柴油機(jī)的氣缸壓力是必要的。因此，在該提議中包括在原型機(jī)上開發(fā)基于柴油機(jī)的可能是未來效率基準(zhǔn)的非直噴的CNG稀燃概念。與動力傳動系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，先進(jìn)的CNG存儲系統(tǒng)將能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)于傳統(tǒng)燃料更高的續(xù)駛里程，而不犧牲車輛行李箱容量，特別是對加氣站基礎(chǔ)設(shè)施沒有更高的要求。

4 項(xiàng)目的實(shí)施組織

圖1 WP1-WP7項(xiàng)目組織實(shí)施

從起始狀態(tài)的早期收獲情景和WP1指引定義，該項(xiàng)目是基于三種并行技術(shù)的方式進(jìn)行的（圖1），全部基于集成的氣態(tài)直噴（DI）開發(fā)的。在直噴與VVA系統(tǒng)組合的（Advanced WP2），和按先進(jìn)增壓系統(tǒng)組合與VCR（WP3）和解決稀燃和/或充氣稀釋的燃燒方法和廢氣溫度控制法（WP4）。更具創(chuàng)新的燃燒方法是WP5部分，將開放擴(kuò)展稀燃的燃燒點(diǎn)火概念和類似柴油機(jī)壓縮比概念。這將采用點(diǎn)火系統(tǒng)，這符合擴(kuò)展的稀燃天然氣發(fā)動機(jī)的要求。WP5也包括一個(gè)全新開發(fā)氣體質(zhì)量和組分的傳感器，來確定的燃料特性和預(yù)測發(fā)動機(jī)控制參數(shù)的優(yōu)化。WP6支持不同的燃燒方法，包括全新開發(fā)的后處理技術(shù)，能夠增加在極低溫下甲烷轉(zhuǎn)換效率，也支持稀薄燃燒方法，也考慮直噴系統(tǒng)控制廢氣溫度的潛力。該項(xiàng)目結(jié)果通過示范活動WP7的車輛和發(fā)動機(jī)進(jìn)行綜合評價(jià)。