重型车用天然气发动机的开发

李力

摘 要：天然气主要成分为甲烷，海陆储量丰富，同时也可以通过沼气等生物发酵方式进行再生制备。天然气发动机作为重型车辆清洁高效的动力来源之一，日益受到产业链相关各方的密切关注。随着技术的发展进步及排放法规的日益严格，天然气发动機在汽车行业的使用越来越广泛，实现了从轻型乘用车到重型商用客货车辆的全车型领域覆盖。文章概述了重型车用天然气发动机的分类及技术特点，重点论述了欧洲主流天然气发动机制造商FPT的车用燃气发动机产品、当量燃烧天然气发动机的特点以及进一步提高热效率的方式和方法。最后，对重型商用车领域气体发动机未来技术发展做了展望。

关键词：重型;天然气发动机;当量燃烧;热效率

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：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

天然气作为一种储量丰富且清洁高效的能源越来越受到汽车行业的重视，相较于纯电、氢燃料电池等主流石油替代能源具有其自身的特点和优势。近年来，在重型车用发动机领域，天然气已经作为柴油最为有效的替代能源之一被大力推广和广泛使用，大大加速了低碳化（Decarbonization）的进程。尤其是在欧洲，通过一系列天然气项目，如GASON，GASTONE等联合政府机构、技术研发企业及机构、燃气制备储运企业、终端企业用户等大力发展燃气动力交通工具（g-mobility），采用以天然气为主的能量来源，同时广泛深入地探讨再生燃气（Renewable Gas）技术以推动运输系统循环经济可持续发展。

根据欧洲天然气车辆协会（NGVA Europe）的预测，到2030年天然气车辆将占欧洲运输系统（包括客运和货运）总量的30%，采用天然气作为燃料的轻型乘用车和重型商用车的总量将达到1，500万辆，预计碳排放总体（Well to Wheel - WtW GHG Emission）降幅达45.8%从而实现减排440万吨。而且，还将天然气相关低碳减排及燃料制备技术推广到农业---如采用天然气为燃料的农业机械和利用生物技术制备燃气（Biogas）的能源自给农场（Energy Independent Farm）、工程机械、海上航运等领域，实现天然气动力从陆地到海洋的全覆盖和燃料的碳中立（Carbon Neutrality）。

1 车用重型天然气发动机

天然气是发动机众多代用气体燃料中的一种。而燃气发动机有不同的分类方式：根据发动机实际使用的燃料类型，可以分为单燃料（Mono Fuel）双燃料（Dual Fuel）、两用燃料（Bi-fuel）及混合燃料（Blended Fuel）等类型。根据点火方式可分为火花点火式（SI， Spark Ignition），通过火花塞发火引燃;引燃式，通过把柴油压燃而后引燃天然气。根据缸内燃烧控制方式分为稀薄燃烧（Lean Burn）和当量燃烧（Stoichiometric Combustion）。另外，根据燃料喷射方式的不同，还可分为进气道喷射（Port Injection）和缸内直接喷射（Direct Ijection）等。

目前， 重型车用市场上主流的天然气发动机以点燃式气道喷射天然气单燃料发动机为主，燃烧方式多采用稀薄燃烧或当量燃烧。但是，在进入欧六或国六排放阶段后，天然气发动机稀薄燃烧方式因原始NOx排放量较高，无法达到法规要求，必须要加装SCR。当量燃烧发动机仅需三元催化器即可达到六阶段排放，后处理方式简单、安装维护方便，因而逐渐受到更多的关注。

天然气发动机具有噪音低、燃料成本与柴油相比可降低约30%左右（根据欧洲市场燃料价格测算）、环境友好等特点，在公交、环卫、消防、邮政等市政车辆领域逐步被广泛使用。随着LNG储运技术的发展，燃气发动机在长途货运市场也逐步达到和柴油发动机相当的续航里程---最高可达1，600公里左右。

2 天然气发动机的开发

菲亚特动力科技（FIAT POWERTRAIN TECHNOLOG -IES，以下简称FPT）是CNH集团旗下致力于动力总成技术研发和生产的企业，为集团内客户凯斯、纽荷兰、依维柯提供道路及非道路用发动机、变速箱、车桥等产品，同时近年来积极开拓外部客户市场，在先进高端排放发动机市场占有重要地位。下面主要介绍FPT在车用重型天然气发动机领域的技术研发情况。

如图1所示，早在1995年，FPT就研究开发了天然气发动机当量燃烧技术，1997年车用天然气发动机进入量产阶段。经过近20年的迭代发展，2016年以来，FPT天然气发动机的功率、扭矩及耐久性等性能指标已达到与同型号排量柴油机相当水平。

目前FPT在欧洲天然气发动机市场占有率达70%，拥有20多项天然气发动机相关专利技术。随着欧洲节能减排政策推动及天然气气源日益丰富及加气站设施的逐步完善，FPT天然气发动机的实际应用，也已经从轻、中、重型客货车辆逐步拓展到能源自给农场、工程机械、港口物流等工作场景。

FPT拥有业内最全的车用天然气发动机产品矩阵，排量覆盖从3.0升到13升，功率从136马力到460马力，可为轻型、中型及重型客货商用车辆提供柴油以及相应的天然气发动机产品。所有型号天然气发动机设计能够兼容CNG和LNG，同时也能够兼容生物甲烷（Biomethane）而无需做任何变动。

下面以天然气产品系列中排量最大、功率最高的Cursor 13为例，详细介绍FPT天然气发动机的特点。Cursor13天然气发动机是基于同排量的柴油发动机开发的，主要应用于长途货物运输车辆（Long Haul）和长途大巴客运车辆（Coach），其基本参数和性能如下图所示。

从性能上看，Cursor13天然气发动机的功率输出与其基础柴油发动机版本相当，最大输出功率338kW@1900rpm，最大扭矩2000Nm@1100rpm。采用当量比燃烧技术，燃气采用气道多点电喷方式。排气后处理器相对简单，仅采用三元催化器（无EGR，无DPF，无SCR）即可达到欧六排放标准，减少了系统复杂程度，易于安装、维护和保养。

虽然性能指标与Cursor系列同功率柴油机相似，但是采用CNG或LNG燃料后，如图4所示，与采用同功率的柴油机相比，车辆的CO2排放量降低9%、颗粒物PM排放降低98%，氮氧化物NOx排放则可降低48%左右。 如果天然气发动机采用生物甲烷作为燃料的话，则可实现温室气体（GHG）近零排放。

（a）CO2排放对比

（b）PM排放对比

（c）NOX排放对比

另外，由于天然气发动机燃烧温度和排气温度较高，在发动机零部件设计上，Cursor13天然气发动机使用了高镍耐蚀（Nickel-Resist）铸铁排气歧管、水冷废气旁通涡轮增压器和蠕墨铸铁（CGI）气缸盖等特殊材料以增强发动机零部件的耐热性和可靠性。

3 车用重型天然气发动机技术展望

3.1 天然气发动机热效率提升

目前，基础机源自柴油发动机的当量燃烧天然气发动机通过对气缸盖进气道及发动机冷却系统优化设计等方法，有效热效率可达37-39%。在此基础上，再辅以低粘度（SAE 0W20）发动机润滑油及智能附件（如智能发电机等）、增加EGR系统、采用全电控废气旁通涡轮增压器（WG）或电控可变涡轮增压器（eVGT）、燃烧系统优化（如采用被动预燃室等）以及部分机械运动部件如曲轴连杆机构轻量化等，可以在发动机主体设计不做重大变化的情况下，将热效率提高到41%左右。

同时，在未来欧七阶段继续深化发动机设计以更加适应天然气的燃烧特性，并在部分工作区间考虑引入稀薄燃烧或采用HPDI（高压直喷）柴油引燃等技术的综合应用，有望最终将天然气发动机热效率提高到45%左右。

3.2 发动机运动能量回收及余热回收

如前所述，重型天然气发动机目前仅有约40%左右的燃料能量被用来驱动车辆，且已基本接近机械系统极限。其余能量则以废热（排气或散热系统热辐射）方式传导到空气中或者损失在润滑油、冷却液、转向液等工作介质热交换过程中。同时，由于天然气发动机排气温度较高，一般可以达到750℃，因此天然气发动机的余热回收受到广泛重视。

FPT曾参与并主导欧盟发起的一项为期4年的GAST -ONE项目，通过在一款车用欧六Cursor天然气发动机上集成能量回收、能量存储和电气化智能化的发动机附件等以研究提高发动机总体能量转换效率，目标是在目前基础上将热效率提升15%，其中，发动机控制策略优化占4%，余热回收占7%。

能量回收主要通过以下两种方式：1）运动能量回收（KER，Kinetic Energy Recovery），采用皮带驱动智能发电机（BSG）实现。2）废气余热回收（WHR，Waste Heat Recovery），通过能量级联方式，采用能够工作在高温下并且安装在三元催化器之后的基于有机朗肯循环（ORC，Organic Rankine Cycle）的热电发电机（TEG，Thermoelectric Genera -tors）和紧随其后的涡轮发电机（TBG，Turbo-generator）實现。

除此之外，该项目还采用双层电容器（DLC，Double Layer Capacitor）储存获得的能量并重新优化了水泵和冷却系统以对这些新增加的电机进行冷却。在依维柯Stralis欧六长途重载卡车上的初步试验数据显示，通过余热回收方式在不同试验循环下可以实现降低油耗2.6%到3%。

3.3 能量管理和控制优化

在重型客货车辆使用过程中，针对实际使用工况的驾驶循环下的油耗优化尤为重要。目前常规的车辆能量管理控制策略模式下，可以很好地做到对某一类车辆的特有工况在动力总成設计和车辆性能标定时加以考虑并有针对性的进行优化，但是仍无法覆盖所有车辆的全部路况和工况，且无法进行灵活调整。同时，提高燃料效率和降低排放之间相互影响，而且还受不同的车辆应用类型和具体工况的影响。因此，开发一种新的灵活的发动机和排放控制策略显得尤为必要，该策略可以协同整车各系统、兼顾每一种应用和工况以最大化利用每一个子系统的最优效率。

该方法依赖于以下三个阶段来实现控制策略的优化：（1）直接优化相关部件，如发动机，排气后处理系统，变速箱，废气余热回收，电驱动等，以最大限度地提高其性能;（2）集成动力总成能量管理器根据车辆当前的使用工况对不同能量来源进行统一调配和总体性能优化;（3）通过GPS路况预测、工况自学习等提供全面的实际工作工况并基于此对不同的等对动力总成系统进行全面优化。

4 结语

天然气有着较高的能量密度（约为锂离子电池的60倍），同时也是一种可通过多种方式实现再生的清洁能源。随着采集、制备、储运技术的发展，天然气或生物甲烷越来越成为石油的理想替代燃料。重型天然气发动机技术正在加速发展，其性能和效率在未来依然有较大的提升空间，更多的先进技术如直喷技术等也正逐步应用到天然气发动机上以最大限度的提高其效率。另外，随着物联网技术和大数据技术的广泛应用，结合车队使用工况和发动机本身特性，在满足排放法规前提下的灵活控制策略为车辆的节能减排提出了新思路。

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