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商用車用天然氣動力總成的研發(fā)

2020-06-04 00:03:10·  來源：《汽車與新動力》雜志2020年第2期  作者：[日] 原裕一等  
　
原創(chuàng)汽車與新動力汽車與新動力今天點擊上方汽車與新動力可進(jìn)行訂閱哦！_______________全球天然氣資源儲量豐富，價格低廉，供應(yīng)體系較為穩(wěn)定,更重要的是天然氣汽
全球天然氣資源儲量豐富，價格低廉，供應(yīng)體系較為穩(wěn)定,更重要的是天然氣汽車的 CO 2排放性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車。上述優(yōu)勢均為天然氣汽車在世界各國的普及帶來了良好機(jī)遇。概述了商用車發(fā)動機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)及有待解決的相關(guān)問題，著重論述了五十鈴汽車公司著力研發(fā)天然氣商用車的技術(shù)現(xiàn)狀，介紹了“雙燃料壓縮著火”的快速燃燒理念及其運用，同時闡述了改善發(fā)動機(jī)熱效率及燃用液化天然氣大型卡車的研發(fā)進(jìn)程及所取得的成果。
                              
0   前言
 
目前，在全球范圍內(nèi)得以普及的天然氣汽車的保有量已超過2 400萬輛，并呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。由于頁巖氣等常規(guī)型燃?xì)赓Y源的逐步實用化，天然氣的供應(yīng)量不斷增加?？紤]到車用燃料的多樣化及能源環(huán)境體系的日漸改善，且天然氣發(fā)動機(jī)自身具有降低CO2排放的效果，天然氣汽車正在逐步引起業(yè)界關(guān)注。
                                 
1   概述
 
天然氣汽車是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的替代燃料汽車。過去，日本曾將天然氣汽車定位成清潔型汽車，同時致力于天然氣汽車的推廣與普及，并以此作為防治大氣污染的對策。近年來，隨著頁巖氣等新型天然氣資源的不斷開發(fā)，已探明的資源儲量有所增加。考慮到天然氣價格低廉，供應(yīng)趨于穩(wěn)定，日本政府已將天然氣汽車作為替代燃油車引進(jìn)市場，并逐步實現(xiàn)應(yīng)用與推廣。另一方面，世界范圍內(nèi)的各大城市正在推進(jìn)以乘用車、輕型載貨車（LCV）為主要車型的天然氣汽車的普及。然而，在上述國家及地區(qū)，天然氣汽車保有量依然相對較低。近年來，出于能源保障等方面的原因，以亞洲國家（如中國等）為中心的市場促進(jìn)了天然氣汽車向載貨汽車與城市客車領(lǐng)域的逐步過渡。結(jié)果表明，配裝有天然氣發(fā)動機(jī)的載貨汽車及客車的保有量已超過天然氣燃料汽車（NGV）總保有量的10%。

甲烷作為天然氣的主要成分，其CO2排放量比石油低約27%。此外，利用生物基天然氣及甲烷化處理過程所制備的人造甲烷正在被逐漸定位為碳中性燃料。因此，天然氣可被用作防止地球溫室效應(yīng)的有效對策，并逐漸受到廣泛關(guān)注。
                                                                
2   商用車天然氣發(fā)動機(jī)
 
以往，制約天然氣汽車發(fā)展的1項重要因素是天然氣汽車較短的續(xù)航里程。天然氣屬于氣體燃料，按氣體形態(tài)填充壓縮天然氣（CNG）的汽車燃料裝載效率比液態(tài)燃料低。通常認(rèn)為，天然氣汽車不適用于長距離行駛，因而將其應(yīng)用于行駛路程較短的乘用車及LCV領(lǐng)域，并實現(xiàn)推廣和普及。
圖1 天然氣發(fā)動機(jī)的特性

此外，由于燃燒方式不同，以天然氣發(fā)動機(jī)為代表的火花點火式發(fā)動機(jī)具有如圖1所示的特征。由于火花點火式發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷區(qū)受節(jié)流閥泵氣損失等因素的影響，熱效率有所降低。相反，在高負(fù)荷區(qū)泵氣損失的影響則較小。如前文所述，源于燃料的降低CO2排放的顯著效果已在天然氣商用車領(lǐng)域得以體現(xiàn)。出于天然氣發(fā)動機(jī)特性的原因，該機(jī)型在高負(fù)荷區(qū)的使用頻率較高，這是在大型商用車領(lǐng)域普及天然氣汽車的重要舉措，其降低CO2排放量的效果較為顯著。

目前，各國政府在不斷推進(jìn)天然氣發(fā)動機(jī)的普及（圖2）。天然氣發(fā)動機(jī)當(dāng)前有待解決的課題是由于燃料裝載效率較低而導(dǎo)致整車?yán)m(xù)航里程較短。在大型載貨汽車中，通過設(shè)定車體與容許質(zhì)量的裕量，并配裝大容量的CNG燃料罐，以延長續(xù)航里程。但在目前的情況下，其續(xù)航里程仍然比同級柴油車低30%左右，依然有進(jìn)一步提升的潛力。如需改進(jìn)上述問題，可考慮以下2個途徑：（1）改善發(fā)動機(jī)熱效率；（2）改進(jìn)燃料儲存方法，實現(xiàn)氣體的高密度化或液化。

圖2 天然氣發(fā)動機(jī)的種類
                                                             
3   天然氣發(fā)動機(jī)的研發(fā)
 
下文將重點介紹當(dāng)今日本主流天然氣商用車制造商五十鈴汽車公司在天然氣發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)情況。五十鈴汽車公司出于環(huán)境保護(hù)與能源保障的角度，主動致力于清潔型汽車及替代燃料汽車的研發(fā)。目前，五十鈴汽車公司已將天然氣汽車定位成1種替代燃料汽車，并主動開展相關(guān)研發(fā)進(jìn)程。目前，五十鈴汽車公司已上市銷售了總量超過17 000輛的各類天然氣汽車（圖3）。

圖3 五十鈴汽車公司的天然氣商用車的發(fā)展

1993年，五十鈴汽車公司推出日本首款天然氣小型載貨汽車，并逐步將車型型譜擴(kuò)展到中型載貨汽車、客車及其他車型。2005年，五十鈴汽車公司將4HV1型天然氣發(fā)動機(jī)投放市場，這也是天然氣發(fā)動機(jī)中首款實現(xiàn)量產(chǎn)的機(jī)型（在日本本土首次采用多點點火（MPI）方式）。

2015年，五十鈴汽車公司將配裝了6UV1型天然氣發(fā)動機(jī)的大型載貨汽車“GIGA-CNG”推向市場（圖4）。上述車型具有較好的CO2減排性能，對改善環(huán)境起到了重要作用，同時實現(xiàn)了傳統(tǒng)大型載貨汽車所需的駕駛便捷性與可靠性。下文將重點介紹“GIGA-CNG”車型上所配裝的6UV1型天然氣發(fā)動機(jī)（圖5）。

圖4 大型CNG載貨車“GIGA-CNG”

圖5 6UV1型天然氣發(fā)動機(jī)性能

6UV1型天然氣發(fā)動機(jī)以6UZ1型柴油機(jī)為基本機(jī)型，將其改型為天然氣發(fā)動機(jī)。由于其通常在大型車輛特有的高負(fù)荷區(qū)使用，可實現(xiàn)優(yōu)于柴油機(jī)的CO2減排效果。
                                                           
4   天然氣發(fā)動機(jī)的后續(xù)開發(fā)進(jìn)程
 
五十鈴汽車公司正在大力推進(jìn)如圖6所示的新一代天然氣發(fā)動機(jī)的技術(shù)開發(fā)進(jìn)程。針對前文所述的續(xù)航里程及進(jìn)一步降低CO2排放的課題，五十鈴汽車公司針對發(fā)動機(jī)熱效率及燃料儲存方法的改善而逐步開展研究。

圖6 下一代天然氣發(fā)動機(jī)

4.1 改善發(fā)動機(jī)熱效率

天然氣是1類高辛烷值燃料，適用于火花點火式發(fā)動機(jī)，其碳?xì)浔龋–/H）較低，單位熱值的CO2排放量較少。預(yù)燃式燃燒過程的燃燒速度由火焰?zhèn)鞑ニ俣葲Q定，由于需要抑制爆燃現(xiàn)象產(chǎn)生，所以發(fā)動機(jī)的熱效率相應(yīng)會受到限制。

為進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)熱效率，該機(jī)型采用了雙燃料壓縮點火式發(fā)動機(jī)（DFCI）燃燒方式，即利用輕柴油噴霧以實現(xiàn)多點著火，通過提高天然氣燃料的燃燒速度，以及利用稀薄混合氣以實現(xiàn)快速燃燒，同時也提高了整機(jī)熱效率。這種燃燒方式所面臨的1項亟待解決的課題是未燃甲烷的排放。目前，五十鈴汽車公司在致力于解決該問題。上述燃燒方式可獲得類似于柴油車的強勁動力與高效率，并有望作為CO2減排技術(shù)得以推廣應(yīng)用。

4.2 燃料儲存方法的改善

如前文所述，當(dāng)前有待解決的實際問題包括氣體燃料補充量比液態(tài)燃料低，同時續(xù)航里程較短。解決該問題的有效途徑是采用液化天然氣（LNG）作為燃料。LNG將天然氣于低溫狀態(tài)下處理成液態(tài)燃料，從而便于儲存、運輸和使用。液化天然氣與在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的天然氣相比，前者體積僅為后者的1/600，從而實現(xiàn)了天然氣的高密度化處理過程。通過進(jìn)一步補充天然氣，相比CNG汽車，LNG汽車?yán)碚撋峡蓪崿F(xiàn)高達(dá)3倍的續(xù)航里程。

當(dāng)前，日本國內(nèi)的LNG 汽車尚未實現(xiàn)量產(chǎn)，而在日本國外，如中國和美國，已有20萬輛以上的LNG 汽車正在投入運行。在天然氣汽車領(lǐng)域中，LNG 汽車已占有一席之地。此外，LNG與CNG 燃料的來源相同，動力總成無需進(jìn)行較大改動，也是其優(yōu)點之一。五十鈴汽車公司自2014年起就已致力于LNG 大型載貨汽車的研發(fā)工作。大型LNG 載貨汽車的基本對標(biāo)車型是五十鈴汽車公司于2015 年上市銷售的CNG大型載貨汽車“GIGA-CNG”，其主要的技術(shù)調(diào)整對象是燃油系統(tǒng)（圖7）。

圖7 LNG大型載貨汽車系統(tǒng)概況圖

此外，燃料儲存罐使用了當(dāng)前在歐美國家已有較好銷售業(yè)績的同類產(chǎn)品。在LNG汽車逐漸得以實用化時，需解決以下2類技術(shù)問題。

（1）燃料蒸發(fā)氣體。LNG 是在-160 ℃以下儲存的低溫液化氣體，由于與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，在燃料沸騰時，液態(tài)燃料會蒸發(fā)并產(chǎn)生氣體。燃料蒸發(fā)的氣體主要成分是甲烷，要求進(jìn)一步抑制未燃甲烷的排放。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。作為新型燃料，亟需解決的1項問題是燃料供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與完善。為解決上述問題，五十鈴汽車公司參與了日本國土交通省及環(huán)境省所開展的規(guī)劃項目的優(yōu)化與實施。為了應(yīng)對LNG燃料的氣體蒸發(fā)現(xiàn)象，日本國土交通省采取了相應(yīng)措施，以推進(jìn)新一代環(huán)保汽車的發(fā)展。從2015年起，五十鈴汽車公司參與了日本國土交通省對新一代汽車的推廣工作，開展了“基于大型LNG載貨汽車燃料蒸發(fā)氣體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定”。五十鈴汽車公司致力于抑制LNG 汽車燃料蒸發(fā)排放的研究，利用圖8所示的甲烷吸附材料，以實現(xiàn)對燃料蒸發(fā)氣體的吸附與釋放，同時力求降低燃料蒸發(fā)氣體的排放。通過新開發(fā)系統(tǒng)的相關(guān)功能以吸附燃料蒸發(fā)氣體，系統(tǒng)能將其作為運轉(zhuǎn)時排放的燃料加以回收及利用。調(diào)查結(jié)果表明，該措施能使燃料蒸發(fā)氣體持續(xù)時間保持240 h（圖9）。

圖8 抑制燃料蒸發(fā)氣體排放系統(tǒng)的技術(shù)概況
圖9 抑制燃料蒸發(fā)氣體排放的效果

另外，以在技術(shù)驗證過程中獲得的相關(guān)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，研究了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的籌劃與制定過程。2017年6月，參照聯(lián)合國UNR110標(biāo)準(zhǔn)，LNG汽車結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)被引入到日本國內(nèi)。至2018年3月，相關(guān)人員已完成了針對該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)方面，日本環(huán)境廳開展了CO2強化減排對策與引導(dǎo)型技術(shù)開發(fā)及相關(guān)驗證工作。從2016年起，五十鈴汽車公司參與了由日本環(huán)境廳開展的CO2強化減排對策引導(dǎo)型技術(shù)開發(fā)及驗證工作。在“大型LNG載貨汽車及最佳燃料補充基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)及驗證工作”中，通過發(fā)展大型LNG 載貨汽車，五十鈴汽車公司已成功推動了驗證工作的開展（圖10）。
圖10 LNG大型載貨汽車的整體外觀

以交通運輸領(lǐng)域的CO2減排工作為目標(biāo)，五十鈴汽車公司致力于開發(fā)可實現(xiàn)長距離行駛的大型LNG載貨汽車，同時致力于LNG 燃料補充基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與完善（圖11）。當(dāng)前，該項工作中已完成對LNG載貨汽車的開發(fā)。從2018年起，五十鈴汽車公司通過用戶（運輸公司）開始實現(xiàn)對LNG載貨汽車的監(jiān)控運行。
圖11 LNG載貨汽車與燃料填充基礎(chǔ)設(shè)施
                                                         
5   結(jié)語
 
天然氣是對環(huán)境有著較小影響的礦物燃料。此外，其資源儲存量據(jù)稱可滿足今后長達(dá)200年的能源需求，是1類充滿前景的高儲量自然資源。替代燃料車并非用于完全取代以石油為燃料來源的傳統(tǒng)汽車，而是充分利用其自身特性，采取“材地適宜”（適合的材料用在適合的地點）的方法進(jìn)行研發(fā)。在大型載貨汽車及客車上推廣應(yīng)用天然氣發(fā)動機(jī)，能最大限度地發(fā)揮天然氣發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢。此外，就能源保障方面而言，相關(guān)部門正逐步構(gòu)建及完善社會基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)載貨汽車與客車燃料供應(yīng)的多樣化。今后，五十鈴汽車公司仍然會致力于環(huán)境友好且具有完善能源保障體系的天然氣汽車的研發(fā)與推廣。
 
 
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