李力

摘 要：天然氣主要成分為甲烷，海陸儲(chǔ)量豐富，同時(shí)也可以通過沼氣等生物發(fā)酵方式進(jìn)行再生制備。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為重型車輛清潔高效的動(dòng)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(jìn)步及排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車行業(yè)的使用越來越廣泛，實(shí)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(dòng)機(jī)的分類及技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)論述了歐洲主流天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)制造商FPT的車用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品、當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)以及進(jìn)一步提高熱效率的方式和方法。最后，對(duì)重型商用車領(lǐng)域氣體發(fā)動(dòng)機(jī)未來技術(shù)發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：重型;天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);當(dāng)量燃燒;熱效率

中圖分類號(hào)：U464? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(chǔ)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。近年來，在重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)程。尤其是在歐洲，通過一系列天然氣項(xiàng)目，如GASON，GASTONE等聯(lián)合政府機(jī)構(gòu)、技術(shù)研發(fā)企業(yè)及機(jī)構(gòu)、燃?xì)庵苽鋬?chǔ)運(yùn)企業(yè)、終端企業(yè)用戶等大力發(fā)展燃?xì)鈩?dòng)力交通工具（g-mobility），采用以天然氣為主的能量來源，同時(shí)廣泛深入地探討再生燃?xì)猓≧enewable Gas）技術(shù)以推動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)歐洲天然氣車輛協(xié)會(huì)（NGVA Europe）的預(yù)測(cè)，到2030年天然氣車輛將占?xì)W洲運(yùn)輸系統(tǒng)（包括客運(yùn)和貨運(yùn)）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(dá)到1，500萬輛，預(yù)計(jì)碳排放總體（Well to Wheel - WtW GHG Emission）降幅達(dá)45.8%從而實(shí)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(jī)械和利用生物技術(shù)制備燃?xì)猓˙iogas）的能源自給農(nóng)場(chǎng)（Energy Independent Farm）、工程機(jī)械、海上航運(yùn)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)天然氣動(dòng)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(dòng)機(jī)

天然氣是發(fā)動(dòng)機(jī)眾多代用氣體燃料中的一種。而燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)有不同的分類方式：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(diǎn)火方式可分為火花點(diǎn)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(jìn)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(chǎng)上主流的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以點(diǎn)燃式氣道噴射天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為主，燃燒方式多采用稀薄燃燒或當(dāng)量燃燒。但是，在進(jìn)入歐六或國(guó)六排放階段后，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒方式因原始NOx排放量較高，無法達(dá)到法規(guī)要求，必須要加裝SCR。當(dāng)量燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)僅需三元催化器即可達(dá)到六階段排放，后處理方式簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便，因而逐漸受到更多的關(guān)注。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)燃料價(jià)格測(cè)算）、環(huán)境友好等特點(diǎn)，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(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)途貨運(yùn)市場(chǎng)也逐步達(dá)到和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程---最高可達(dá)1，600公里左右。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)

菲亞特動(dòng)力科技（FIAT POWERTRAIN TECHNOLOG -IES，以下簡(jiǎn)稱FPT）是CNH集團(tuán)旗下致力于動(dòng)力總成技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，為集團(tuán)內(nèi)客戶凱斯、紐荷蘭、依維柯提供道路及非道路用發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車橋等產(chǎn)品，同時(shí)近年來積極開拓外部客戶市場(chǎng)，在先進(jìn)高端排放發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占有重要地位。下面主要介紹FPT在車用重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)當(dāng)量燃燒技術(shù)，1997年車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)的功率、扭矩及耐久性等性能指標(biāo)已達(dá)到與同型號(hào)排量柴油機(jī)相當(dāng)水平。

目前FPT在歐洲天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)占有率達(dá)70%，擁有20多項(xiàng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)專利技術(shù)。隨著歐洲節(jié)能減排政策推動(dòng)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(dòng)機(jī)的實(shí)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(chǎng)、工程機(jī)械、港口物流等工作場(chǎng)景。

FPT擁有業(yè)內(nèi)最全的車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)產(chǎn)品。所有型號(hào)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能夠兼容CNG和LNG，同時(shí)也能夠兼容生物甲烷（Biomethane）而無需做任何變動(dòng)。

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(xì)介紹FPT天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。Cursor13天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是基于同排量的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的，主要應(yīng)用于長(zhǎng)途貨物運(yùn)輸車輛（Long Haul）和長(zhǎng)途大巴客運(yùn)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(dòng)機(jī)的功率輸出與其基礎(chǔ)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)獠捎脷獾蓝帱c(diǎn)電噴方式。排氣后處理器相對(duì)簡(jiǎn)單，僅采用三元催化器（無EGR，無DPF，無SCR）即可達(dá)到歐六排放標(biāo)準(zhǔn)，減少了系統(tǒng)復(fù)雜程度，易于安裝、維護(hù)和保養(yǎng)。

雖然性能指標(biāo)與Cursor系列同功率柴油機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)采用生物甲烷作為燃料的話，則可實(shí)現(xiàn)溫室氣體（GHG）近零排放。

（a）CO2排放對(duì)比

（b）PM排放對(duì)比

（c）NOX排放對(duì)比

另外，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度和排氣溫度較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)上，Cursor13天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的耐熱性和可靠性。

3 車用重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)展望

3.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升

目前，基礎(chǔ)機(jī)源自柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通過對(duì)氣缸蓋進(jìn)氣道及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，有效熱效率可達(dá)37-39%。在此基礎(chǔ)上，再輔以低粘度（SAE 0W20）發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油及智能附件（如智能發(fā)電機(jī)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(dòng)預(yù)燃室等）以及部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件如曲軸連桿機(jī)構(gòu)輕量化等，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)主體設(shè)計(jì)不做重大變化的情況下，將熱效率提高到41%左右。

同時(shí)，在未來歐七階段繼續(xù)深化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)熱效率提高到45%左右。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)能量回收及余熱回收

如前所述，重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)目前僅有約40%左右的燃料能量被用來驅(qū)動(dòng)車輛，且已基本接近機(jī)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(rùn)滑油、冷卻液、轉(zhuǎn)向液等工作介質(zhì)熱交換過程中。同時(shí)，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高，一般可以達(dá)到750℃，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)為期4年的GAST -ONE項(xiàng)目，通過在一款車用歐六Cursor天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上集成能量回收、能量存儲(chǔ)和電氣化智能化的發(fā)動(dòng)機(jī)附件等以研究提高發(fā)動(dòng)機(jī)總體能量轉(zhuǎn)換效率，目標(biāo)是在目前基礎(chǔ)上將熱效率提升15%，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)能量回收（KER，Kinetic Energy Recovery），采用皮帶驅(qū)動(dòng)智能發(fā)電機(jī)（BSG）實(shí)現(xiàn)。2）廢氣余熱回收（WHR，Waste Heat Recovery），通過能量級(jí)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(jī)朗肯循環(huán)（ORC，Organic Rankine Cycle）的熱電發(fā)電機(jī)（TEG，Thermoelectric Genera -tors）和緊隨其后的渦輪發(fā)電機(jī)（TBG，Turbo-generator）實(shí)現(xiàn)。

除此之外，該項(xiàng)目還采用雙層電容器（DLC，Double Layer Capacitor）儲(chǔ)存獲得的能量并重新優(yōu)化了水泵和冷卻系統(tǒng)以對(duì)這些新增加的電機(jī)進(jìn)行冷卻。在依維柯Stralis歐六長(zhǎng)途重載卡車上的初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，通過余熱回收方式在不同試驗(yàn)循環(huán)下可以實(shí)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(duì)實(shí)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(duì)某一類車輛的特有工況在動(dòng)力總成設(shè)計(jì)和車輛性能標(biāo)定時(shí)加以考慮并有針對(duì)性的進(jìn)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(jìn)行靈活調(diào)整。同時(shí)，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(dòng)機(jī)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(gè)子系統(tǒng)的最優(yōu)效率。

該方法依賴于以下三個(gè)階段來實(shí)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(dòng)機(jī)，排氣后處理系統(tǒng)，變速箱，廢氣余熱回收，電驅(qū)動(dòng)等，以最大限度地提高其性能;（2）集成動(dòng)力總成能量管理器根據(jù)車輛當(dāng)前的使用工況對(duì)不同能量來源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配和總體性能優(yōu)化;（3）通過GPS路況預(yù)測(cè)、工況自學(xué)習(xí)等提供全面的實(shí)際工作工況并基于此對(duì)不同的等對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

天然氣有著較高的能量密度（約為鋰離子電池的60倍），同時(shí)也是一種可通過多種方式實(shí)現(xiàn)再生的清潔能源。隨著采集、制備、儲(chǔ)運(yùn)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(dòng)機(jī)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(jìn)技術(shù)如直噴技術(shù)等也正逐步應(yīng)用到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)使用工況和發(fā)動(dòng)機(jī)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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