重型車用天然氣發(fā)動機的開發(fā)

李力

摘 要：天然氣主要成分為甲烷，海陸儲量豐富，同時也可以通過沼氣等生物發(fā)酵方式進行再生制備。天然氣發(fā)動機作為重型車輛清潔高效的動力來源之一，日益受到產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)各方的密切關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展進步及排放法規(guī)的日益嚴格，天然氣發(fā)動機在汽車行業(yè)的使用越來越廣泛，實現(xiàn)了從輕型乘用車到重型商用客貨車輛的全車型領(lǐng)域覆蓋。文章概述了重型車用天然氣發(fā)動機的分類及技術(shù)特點，重點論述了歐洲主流天然氣發(fā)動機制造商FPT的車用燃氣發(fā)動機產(chǎn)品、當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機的特點以及進一步提高熱效率的方式和方法。最后，對重型商用車領(lǐng)域氣體發(fā)動機未來技術(shù)發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：重型;天然氣發(fā)動機;當(dāng)量燃燒;熱效率

中圖分類號：U464? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-253-04

Abstract： The main content of natural gas is methane， which has large reservation in land and sea， also could be reproduced from waste and biomass. Natural gas engine， as one of the clean and efficient powers for heavy duty vehicles， is playing more and more important role inside the industry chain. Due to the emission legislation evolution， natural gas engine has been widely applicated to vehicle industry， from light passenger cars to heavy commercial buses and trucks. This article described the different types of natural gas engine classification and its characters， and introduced FPT as a main engine manufacture， its natural gas engine products， key features， and the method about natural gas engine thermal efficiency continuous improvement. And at last， expectations of potential future technologies which will be used to natural gas engine for on road heavy duty sector have been stated.

Keywords： Heavy duty; Natural gas engine; Stoichiometric combustion; Thermal efficiency

CLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-253-04

引言

天然氣作為一種儲量豐富且清潔高效的能源越來越受到汽車行業(yè)的重視，相較于純電、氫燃料電池等主流石油替代能源具有其自身的特點和優(yōu)勢。近年來，在重型車用發(fā)動機領(lǐng)域，天然氣已經(jīng)作為柴油最為有效的替代能源之一被大力推廣和廣泛使用，大大加速了低碳化（Decarbonization）的進程。尤其是在歐洲，通過一系列天然氣項目，如GASON，GASTONE等聯(lián)合政府機構(gòu)、技術(shù)研發(fā)企業(yè)及機構(gòu)、燃氣制備儲運企業(yè)、終端企業(yè)用戶等大力發(fā)展燃氣動力交通工具（g-mobility），采用以天然氣為主的能量來源，同時廣泛深入地探討再生燃氣（Renewable Gas）技術(shù)以推動運輸系統(tǒng)循環(huán)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)歐洲天然氣車輛協(xié)會（NGVA Europe）的預(yù)測，到2030年天然氣車輛將占歐洲運輸系統(tǒng)（包括客運和貨運）總量的30%，采用天然氣作為燃料的輕型乘用車和重型商用車的總量將達到1，500萬輛，預(yù)計碳排放總體（Well to Wheel - WtW GHG Emission）降幅達45.8%從而實現(xiàn)減排440萬噸。而且，還將天然氣相關(guān)低碳減排及燃料制備技術(shù)推廣到農(nóng)業(yè)---如采用天然氣為燃料的農(nóng)業(yè)機械和利用生物技術(shù)制備燃氣（Biogas）的能源自給農(nóng)場（Energy Independent Farm）、工程機械、海上航運等領(lǐng)域，實現(xiàn)天然氣動力從陸地到海洋的全覆蓋和燃料的碳中立（Carbon Neutrality）。

1 車用重型天然氣發(fā)動機

天然氣是發(fā)動機眾多代用氣體燃料中的一種。而燃氣發(fā)動機有不同的分類方式：根據(jù)發(fā)動機實際使用的燃料類型，可以分為單燃料（Mono Fuel）雙燃料（Dual Fuel）、兩用燃料（Bi-fuel）及混合燃料（Blended Fuel）等類型。根據(jù)點火方式可分為火花點火式（SI， Spark Ignition），通過火花塞發(fā)火引燃;引燃式，通過把柴油壓燃而后引燃天然氣。根據(jù)缸內(nèi)燃燒控制方式分為稀薄燃燒（Lean Burn）和當(dāng)量燃燒（Stoichiometric Combustion）。另外，根據(jù)燃料噴射方式的不同，還可分為進氣道噴射（Port Injection）和缸內(nèi)直接噴射（Direct Ijection）等。

目前， 重型車用市場上主流的天然氣發(fā)動機以點燃式氣道噴射天然氣單燃料發(fā)動機為主，燃燒方式多采用稀薄燃燒或當(dāng)量燃燒。但是，在進入歐六或國六排放階段后，天然氣發(fā)動機稀薄燃燒方式因原始NOx排放量較高，無法達到法規(guī)要求，必須要加裝SCR。當(dāng)量燃燒發(fā)動機僅需三元催化器即可達到六階段排放，后處理方式簡單、安裝維護方便，因而逐漸受到更多的關(guān)注。

天然氣發(fā)動機具有噪音低、燃料成本與柴油相比可降低約30%左右（根據(jù)歐洲市場燃料價格測算）、環(huán)境友好等特點，在公交、環(huán)衛(wèi)、消防、郵政等市政車輛領(lǐng)域逐步被廣泛使用。隨著LNG儲運技術(shù)的發(fā)展，燃氣發(fā)動機在長途貨運市場也逐步達到和柴油發(fā)動機相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程---最高可達1，600公里左右。

2 天然氣發(fā)動機的開發(fā)

菲亞特動力科技（FIAT POWERTRAIN TECHNOLOG -IES，以下簡稱FPT）是CNH集團旗下致力于動力總成技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，為集團內(nèi)客戶凱斯、紐荷蘭、依維柯提供道路及非道路用發(fā)動機、變速箱、車橋等產(chǎn)品，同時近年來積極開拓外部客戶市場，在先進高端排放發(fā)動機市場占有重要地位。下面主要介紹FPT在車用重型天然氣發(fā)動機領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)情況。

如圖1所示，早在1995年，F(xiàn)PT就研究開發(fā)了天然氣發(fā)動機當(dāng)量燃燒技術(shù)，1997年車用天然氣發(fā)動機進入量產(chǎn)階段。經(jīng)過近20年的迭代發(fā)展，2016年以來，F(xiàn)PT天然氣發(fā)動機的功率、扭矩及耐久性等性能指標已達到與同型號排量柴油機相當(dāng)水平。

目前FPT在歐洲天然氣發(fā)動機市場占有率達70%，擁有20多項天然氣發(fā)動機相關(guān)專利技術(shù)。隨著歐洲節(jié)能減排政策推動及天然氣氣源日益豐富及加氣站設(shè)施的逐步完善，F(xiàn)PT天然氣發(fā)動機的實際應(yīng)用，也已經(jīng)從輕、中、重型客貨車輛逐步拓展到能源自給農(nóng)場、工程機械、港口物流等工作場景。

FPT擁有業(yè)內(nèi)最全的車用天然氣發(fā)動機產(chǎn)品矩陣，排量覆蓋從3.0升到13升，功率從136馬力到460馬力，可為輕型、中型及重型客貨商用車輛提供柴油以及相應(yīng)的天然氣發(fā)動機產(chǎn)品。所有型號天然氣發(fā)動機設(shè)計能夠兼容CNG和LNG，同時也能夠兼容生物甲烷（Biomethane）而無需做任何變動。

下面以天然氣產(chǎn)品系列中排量最大、功率最高的Cursor 13為例，詳細介紹FPT天然氣發(fā)動機的特點。Cursor13天然氣發(fā)動機是基于同排量的柴油發(fā)動機開發(fā)的，主要應(yīng)用于長途貨物運輸車輛（Long Haul）和長途大巴客運車輛（Coach），其基本參數(shù)和性能如下圖所示。

從性能上看，Cursor13天然氣發(fā)動機的功率輸出與其基礎(chǔ)柴油發(fā)動機版本相當(dāng)，最大輸出功率338kW@1900rpm，最大扭矩2000Nm@1100rpm。采用當(dāng)量比燃燒技術(shù)，燃氣采用氣道多點電噴方式。排氣后處理器相對簡單，僅采用三元催化器（無EGR，無DPF，無SCR）即可達到歐六排放標準，減少了系統(tǒng)復(fù)雜程度，易于安裝、維護和保養(yǎng)。

雖然性能指標與Cursor系列同功率柴油機相似，但是采用CNG或LNG燃料后，如圖4所示，與采用同功率的柴油機相比，車輛的CO2排放量降低9%、顆粒物PM排放降低98%，氮氧化物NOx排放則可降低48%左右。 如果天然氣發(fā)動機采用生物甲烷作為燃料的話，則可實現(xiàn)溫室氣體（GHG）近零排放。

（a）CO2排放對比

（b）PM排放對比

（c）NOX排放對比

另外，由于天然氣發(fā)動機燃燒溫度和排氣溫度較高，在發(fā)動機零部件設(shè)計上，Cursor13天然氣發(fā)動機使用了高鎳耐蝕（Nickel-Resist）鑄鐵排氣歧管、水冷廢氣旁通渦輪增壓器和蠕墨鑄鐵（CGI）氣缸蓋等特殊材料以增強發(fā)動機零部件的耐熱性和可靠性。

3 車用重型天然氣發(fā)動機技術(shù)展望

3.1 天然氣發(fā)動機熱效率提升

目前，基礎(chǔ)機源自柴油發(fā)動機的當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機通過對氣缸蓋進氣道及發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等方法，有效熱效率可達37-39%。在此基礎(chǔ)上，再輔以低粘度（SAE 0W20）發(fā)動機潤滑油及智能附件（如智能發(fā)電機等）、增加EGR系統(tǒng)、采用全電控廢氣旁通渦輪增壓器（WG）或電控可變渦輪增壓器（eVGT）、燃燒系統(tǒng)優(yōu)化（如采用被動預(yù)燃室等）以及部分機械運動部件如曲軸連桿機構(gòu)輕量化等，可以在發(fā)動機主體設(shè)計不做重大變化的情況下，將熱效率提高到41%左右。

同時，在未來歐七階段繼續(xù)深化發(fā)動機設(shè)計以更加適應(yīng)天然氣的燃燒特性，并在部分工作區(qū)間考慮引入稀薄燃燒或采用HPDI（高壓直噴）柴油引燃等技術(shù)的綜合應(yīng)用，有望最終將天然氣發(fā)動機熱效率提高到45%左右。

3.2 發(fā)動機運動能量回收及余熱回收

如前所述，重型天然氣發(fā)動機目前僅有約40%左右的燃料能量被用來驅(qū)動車輛，且已基本接近機械系統(tǒng)極限。其余能量則以廢熱（排氣或散熱系統(tǒng)熱輻射）方式傳導(dǎo)到空氣中或者損失在潤滑油、冷卻液、轉(zhuǎn)向液等工作介質(zhì)熱交換過程中。同時，由于天然氣發(fā)動機排氣溫度較高，一般可以達到750℃，因此天然氣發(fā)動機的余熱回收受到廣泛重視。

FPT曾參與并主導(dǎo)歐盟發(fā)起的一項為期4年的GAST -ONE項目，通過在一款車用歐六Cursor天然氣發(fā)動機上集成能量回收、能量存儲和電氣化智能化的發(fā)動機附件等以研究提高發(fā)動機總體能量轉(zhuǎn)換效率，目標是在目前基礎(chǔ)上將熱效率提升15%，其中，發(fā)動機控制策略優(yōu)化占4%，余熱回收占7%。

能量回收主要通過以下兩種方式：1）運動能量回收（KER，Kinetic Energy Recovery），采用皮帶驅(qū)動智能發(fā)電機（BSG）實現(xiàn)。2）廢氣余熱回收（WHR，Waste Heat Recovery），通過能量級聯(lián)方式，采用能夠工作在高溫下并且安裝在三元催化器之后的基于有機朗肯循環(huán)（ORC，Organic Rankine Cycle）的熱電發(fā)電機（TEG，Thermoelectric Genera -tors）和緊隨其后的渦輪發(fā)電機（TBG，Turbo-generator）實現(xiàn)。

除此之外，該項目還采用雙層電容器（DLC，Double Layer Capacitor）儲存獲得的能量并重新優(yōu)化了水泵和冷卻系統(tǒng)以對這些新增加的電機進行冷卻。在依維柯Stralis歐六長途重載卡車上的初步試驗數(shù)據(jù)顯示，通過余熱回收方式在不同試驗循環(huán)下可以實現(xiàn)降低油耗2.6%到3%。

3.3 能量管理和控制優(yōu)化

在重型客貨車輛使用過程中，針對實際使用工況的駕駛循環(huán)下的油耗優(yōu)化尤為重要。目前常規(guī)的車輛能量管理控制策略模式下，可以很好地做到對某一類車輛的特有工況在動力總成設(shè)計和車輛性能標定時加以考慮并有針對性的進行優(yōu)化，但是仍無法覆蓋所有車輛的全部路況和工況，且無法進行靈活調(diào)整。同時，提高燃料效率和降低排放之間相互影響，而且還受不同的車輛應(yīng)用類型和具體工況的影響。因此，開發(fā)一種新的靈活的發(fā)動機和排放控制策略顯得尤為必要，該策略可以協(xié)同整車各系統(tǒng)、兼顧每一種應(yīng)用和工況以最大化利用每一個子系統(tǒng)的最優(yōu)效率。

該方法依賴于以下三個階段來實現(xiàn)控制策略的優(yōu)化：（1）直接優(yōu)化相關(guān)部件，如發(fā)動機，排氣后處理系統(tǒng)，變速箱，廢氣余熱回收，電驅(qū)動等，以最大限度地提高其性能;（2）集成動力總成能量管理器根據(jù)車輛當(dāng)前的使用工況對不同能量來源進行統(tǒng)一調(diào)配和總體性能優(yōu)化;（3）通過GPS路況預(yù)測、工況自學(xué)習(xí)等提供全面的實際工作工況并基于此對不同的等對動力總成系統(tǒng)進行全面優(yōu)化。

4 結(jié)語

天然氣有著較高的能量密度（約為鋰離子電池的60倍），同時也是一種可通過多種方式實現(xiàn)再生的清潔能源。隨著采集、制備、儲運技術(shù)的發(fā)展，天然氣或生物甲烷越來越成為石油的理想替代燃料。重型天然氣發(fā)動機技術(shù)正在加速發(fā)展，其性能和效率在未來依然有較大的提升空間，更多的先進技術(shù)如直噴技術(shù)等也正逐步應(yīng)用到天然氣發(fā)動機上以最大限度的提高其效率。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合車隊使用工況和發(fā)動機本身特性，在滿足排放法規(guī)前提下的靈活控制策略為車輛的節(jié)能減排提出了新思路。

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