Mercedes-Benz公司用于中重型載貨車的新型天然氣發(fā)動機(jī)

【德】 K.Hoffmann M.Benz M.Weirich H.O.Herrmann

1 新發(fā)動機(jī)系列

近幾年，Mercedes-Benz公司已用2種新開發(fā)的發(fā)動機(jī)系列替代了其整個載貨車柴油機(jī)型譜［1，2］，新發(fā)動機(jī)機(jī)型不僅滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，燃油耗也達(dá)到了國際領(lǐng)先水平［3］。Mercedes-Benz公司為有環(huán)保要求的用戶和地區(qū)提供M936G天然氣機(jī)型，該新機(jī)型首先搭載于歐6Econic車型，專門滿足地區(qū)性的環(huán)保要求。

2 開發(fā)目標(biāo)

M936G型天然氣發(fā)動機(jī)最重要的開發(fā)目標(biāo)是以一種新機(jī)型來替代2種老機(jī)型（圖1）。2000年以來，Mercedes-Benz公司以900和400系列6.9或12L排量柴油機(jī)為基礎(chǔ)研發(fā)的天然氣發(fā)動機(jī)在市場上取得了成功，這些機(jī)型都被設(shè)計成稀薄燃燒發(fā)動機(jī)，排放達(dá)到歐5-EEV（環(huán)保型汽車，其廢氣排放優(yōu)于歐5）廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。由于2014年實施歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，這些機(jī)型必須重新開發(fā)。Mercedes-Benz公司以O(shè)M93x柴油機(jī)系列為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，目標(biāo)是盡可能繼承柴油機(jī)的零部件和特性值，使柴油機(jī)系列與M936G天然氣發(fā)動機(jī)系列之間具有互換性。這種天然氣機(jī)型能用于搭載220kW柴油機(jī)機(jī)型適用的所有車型［1］。所以，這款天然氣發(fā)動機(jī)既要滿足廢氣排放法規(guī)和小型化或提高功率等要求，同時仍要達(dá)到開發(fā)目標(biāo)，即至少保持2種老機(jī)型的燃油耗，以及使用壓縮天然氣（CNG）的CO2排放量比使用柴油時降低25%。發(fā)動機(jī)和廢氣后處理系統(tǒng)可靠并有利于降低運行成本，采用λ＝1運行方案與廢氣再循環(huán)相結(jié)合，不僅可以使用三效催化轉(zhuǎn)化器，而且能達(dá)到良好的效率，并在運行范圍內(nèi)低于柴油機(jī)的噪聲水平。

3 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

氣缸體曲軸箱和氣缸蓋的幾何形狀和尺寸與OM936柴油機(jī)相同，并按照CNG運行情況進(jìn)行調(diào)整，并把廢氣再循環(huán)內(nèi)的增壓、增壓空氣管路、點火和混合氣準(zhǔn)備等所必需的零部件進(jìn)行匹配調(diào)整。圖2示出了計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）彩圖及帶有天然氣管路及其執(zhí)行器的天然氣發(fā)動機(jī)。CNG通過20MPa壓力的燃油罐噴出，在氣體壓力調(diào)節(jié)器中釋放壓力后進(jìn)入CNG進(jìn)氣閥，6個進(jìn)氣閥將CNG經(jīng)過1根公共管道釋放到混合器中，并與新鮮空氣流混合。空氣在增壓器的壓氣機(jī)中被壓縮，并經(jīng)增壓空氣冷卻器冷卻后，由節(jié)流閥根據(jù)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。再循環(huán)廢氣在CNG混合器中被引入EGR混合器，所得到的混合氣被輸送到增壓空氣罐中。發(fā)動機(jī)廢氣有部分經(jīng)過EGR冷卻器、EGR閥和EGR混合器摻入到CNG-空氣混合氣中。

廢氣質(zhì)量流量的主要部分流經(jīng)雙流道渦輪增壓器產(chǎn)生增壓壓力。渦輪后有前置催化轉(zhuǎn)化器，降低一部分廢氣排放。廢氣從前置催化轉(zhuǎn)化器通過汽車上專用的廢氣管道流入主催化轉(zhuǎn)化器，并進(jìn)一步降低到歐6排放限值水平。以化學(xué)計量比混合氣運行需要使用1個三效催化轉(zhuǎn)化器，采用選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)進(jìn)行氮氧化物（NOx）后處理車載診斷系統(tǒng)（OBD）需要第2個λ傳感器來監(jiān)測廢氣后處理狀況。為了保護(hù)發(fā)動機(jī)免受爆燃燃燒的影響，集成了爆燃傳感器和爆燃調(diào)節(jié)功能，并根據(jù)測量溫度來監(jiān)控廢氣溫度。

4 功率特性

M906LAG與M447hLAG機(jī)型的排量相差5L，對于開發(fā)M936G天然氣發(fā)動機(jī)頗具挑戰(zhàn)［4］。圖3示出了新開發(fā)的M936G天然氣發(fā)動機(jī)與2種老機(jī)型特性值的比較。與M906LAG機(jī)型相比，排量增加12%，扭矩增大14%，功率增加8%；與M447hLAG機(jī)型相比，排量降低36%，扭矩減小4%，功率減小8%。

與柴油機(jī)一樣，M936G天然氣發(fā)動機(jī)的最大扭矩為1200N·m，功率提高到222kW。考慮到變速器的要求，全負(fù)荷特性曲線的差別很小，圖4示出了天然氣和柴油機(jī)型之間的差異。此外，考慮到冷卻系統(tǒng)最大熱負(fù)荷，與功率為220kW的OM936柴油機(jī)相比，M936G天然氣發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降低到了2 000r／min。

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M936G天然氣發(fā)動機(jī)通過夏季和冬季的耐久運行和行駛試驗確保了發(fā)動機(jī)在汽車上的使用，在-26℃溫度時不采用其他方法就能起動，已成功搭載Econic車型在2 800m海拔高度地區(qū)拖掛23t，并在增加8%的拖掛質(zhì)量下，完成了起步和行駛運行。

5 燃燒過程

燃燒過程中使用柴油機(jī)的活塞毛坯和氣缸蓋的進(jìn)氣部分，為實現(xiàn)28.8kW／L升功率，選擇了米勒燃燒過程，在不損失功率的情況下，放棄部分氣缸充量，并采用化學(xué)計量比，無需過量的空氣。廢氣渦輪增壓器是為高增壓壓力設(shè)計的，而預(yù)壓縮的空氣在增壓空氣冷卻器中冷卻，從而達(dá)到較低的壓縮終了溫度，降低燃燒峰值溫度和廢氣溫度，較低的溫度水平有利于零部件熱負(fù)荷的耐久性和抗爆燃性能。燃燒室凹坑的幾何形狀和尺寸通過多個方案在單缸試驗機(jī)上進(jìn)行優(yōu)化，以改善爆燃和廢氣溫度狀況。高充量擾動水平有利于提高燃燒速度，獲得EGR高兼容性。通過應(yīng)用EGR降低了峰值溫度并減少了壁面熱損失，同時提高了效率，減少了進(jìn)入零部件中的熱量，并降低了廢氣溫度（圖5）［5］。當(dāng)活塞向上運動時，氣缸蓋底面與橫向間隙之間的渦流被壓縮，并被擠向燃燒室中間的火花塞，因充量具有高擾動和良好的均質(zhì)化，提高了燃燒和放熱速率。在一定的充量擾動程度或者EGR兼容性的情況下會產(chǎn)生一個目標(biāo)沖突，氣缸中的流動場必須保持適當(dāng)，既能減少熱損失，又有利于提供良好的點火條件。

6 空氣和天然氣管理

在開發(fā)時特別重視空氣／廢氣與CNG的混合，獲得盡可能良好的均質(zhì)化。空氣與CNG的混合是在混合器中進(jìn)行的，并與EGR分開。出于可靠性的原因，CNG采用幾個CNG噴射閥通過中央進(jìn)氣管噴氣方式供應(yīng)發(fā)動機(jī)，若有1個CNG噴射閥發(fā)生故障，僅使發(fā)動機(jī)功率降低，不會導(dǎo)致汽車停車。CNG和EGR廢氣在1個復(fù)合管中導(dǎo)入，在管中就已達(dá)到了氣體流動的均質(zhì)化，采用這種方法能使增壓空氣罐中3個氣體均勻分布，從而使各個氣缸獲得均勻的混合氣。另一方面，混合氣導(dǎo)入要保證各個氣缸獲得均勻的充量，流入增壓空氣罐有助于各個氣缸獲得均勻的混合氣充量，通過仔細(xì)的優(yōu)化步驟使氣缸充量保持一致。

采用化學(xué)計量比運行的汽油機(jī)的質(zhì)量流量明顯比柴油機(jī)小，因此在計算時和試驗中廢氣渦輪增壓器的渦輪和壓氣機(jī)的流量特性值設(shè)計必須比柴油機(jī)小，特別是在質(zhì)量流量較小的情況下，渦輪增壓器的加速響應(yīng)特性與發(fā)動機(jī)充氣效率決定發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速時的動態(tài)加速性能。正如柴油機(jī)那樣，M936G天然氣發(fā)動機(jī)的增壓器也具有不對稱的渦輪幾何形狀［6］，采用這種具有2股分開運行、大小不同的廢氣流，僅有3個氣缸（廢氣流）的廢氣動壓頭用于EGR，剩余的3個氣缸（λ廢氣流）在某些特性曲線場范圍內(nèi)處于正掃氣壓差之下，而用于EGR的另外3個氣缸則可能處于負(fù)掃氣壓差狀況。

為了建立起EGR廢氣流的動壓頭，渦輪中的廢氣流必須降低，這通常會導(dǎo)致廢氣背壓提高，在發(fā)動機(jī)無需EGR運行時不宜出現(xiàn)。為了消除發(fā)動機(jī)的節(jié)流，在增壓器的EGR廢氣流中集成了第2個廢氣放氣閥，在無需掃氣壓差時使用放氣閥能明顯地降低廢氣背壓，其位置的調(diào)節(jié)應(yīng)使EGR掃氣壓差和預(yù)先控制的增壓壓力之間達(dá)到最佳狀態(tài)。發(fā)動機(jī)扭矩通過質(zhì)量流量來調(diào)節(jié)，并根據(jù)再循環(huán)的廢氣質(zhì)量流量的目標(biāo)參數(shù)，將駕駛員所期望的扭矩轉(zhuǎn)換成所需的進(jìn)氣管壓力，而進(jìn)氣管壓力則由節(jié)氣門和廢氣放氣閥來調(diào)節(jié)，直至進(jìn)氣全負(fù)荷狀態(tài)。

在應(yīng)用高壓EGR的情況下，增壓壓力的調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化的問題，因為EGR廢氣的熱焓不再用于產(chǎn)生增壓壓力，從而提高了對增壓壓力的需求，必須找到1個最佳的調(diào)節(jié)量，使增壓壓力和EGR率同時被調(diào)節(jié)到所期望的數(shù)值。如可變幾何截面渦輪（VTG），通過2股廢氣流的設(shè)計和第2個廢氣放氣閥，較好的解決了此類問題，因此在同時調(diào)節(jié)增壓壓力的情況下優(yōu)先調(diào)節(jié)EGR率。圖6示出了使用廢氣放氣閥和氣體控制閥的特性曲線場范圍，以及具有2個電動廢氣放氣閥調(diào)節(jié)的廢氣渦輪增壓器。

7 廢氣排放和動力性能

隨著歐6廢氣排放法規(guī)的實施，廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)苛，天然氣發(fā)動機(jī)通過燃料顯示出比柴油機(jī)更好的CO2減排潛力［4］，同等條件下的柴油機(jī)CO2排放比M936G天然氣發(fā)動機(jī)高1.2倍多。因此在高負(fù)荷時M936G的減排優(yōu)勢超過20%，甚至在有節(jié)流的部分負(fù)荷時M936G天然氣發(fā)動機(jī)的CO2排放比柴油機(jī)低約10%。與12L的OM447hLAG相比，部分負(fù)荷時CO2排放的優(yōu)勢高達(dá)30%，M936G天然氣發(fā)動機(jī)CO2排放低1.3倍多（圖7）。

與固定式氣體發(fā)動機(jī)相比，M936G天然氣發(fā)動機(jī)也是非常高效的，在大型發(fā)動機(jī)的分散帶中處于氣缸直徑機(jī)型中非常好的位置，位于按化學(xué)計量比設(shè)計的發(fā)動機(jī)上方稀薄運行發(fā)動機(jī)范圍的邊緣（圖8）。

M936G天然氣發(fā)動機(jī)已通過歐6廢氣排放C級認(rèn)證，排放已滿足顆粒數(shù)和氨（NH3）的排放限值。在各種重要的試驗循環(huán)中，新的歐6氣體發(fā)動機(jī)的氮氧化物（NOx）比歐5-EEV（環(huán)保型汽車）稀薄運行發(fā)動機(jī)低得多，而且無需其他輔助材料。采用SCR時需使用尿素水溶液催化還原劑AdBlue。

圖9示出了分別使用G25和Gr試驗氣體燃料經(jīng)認(rèn)證的比排放。這些標(biāo)準(zhǔn)燃料大部分由甲烷（Gr 87%，G25 86%）組成。Gr含有13%乙烷，屬于低甲烷數(shù)的氣體燃料，G25含有14%惰性氣體氮，屬于低熱值氣體燃料。與OM447hLAG發(fā)動機(jī)的239.1 g／（kW·h）燃油耗相比，使用熱值為39MJ／kg的氣體燃料的最佳點燃油耗降低到230.8g／（kW·h），而與M960LAG發(fā)動機(jī)相比，雖然功率有所提高但燃油耗不變，而用戶使用的實際燃油耗則要根據(jù)發(fā)動機(jī)的使用狀況而定。

M936G天然氣發(fā)動機(jī)還有1個重要的開發(fā)目標(biāo)，必須比相同功率的柴油機(jī)具有更低的噪聲排放，從開發(fā)結(jié)果可知，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其噪聲水平降低約2%（圖10）。

按發(fā)展趨勢而言，排量較大的發(fā)動機(jī)具有較好的動態(tài)性能，在實際使用中動態(tài)性能與老機(jī)型的比較對于發(fā)動機(jī)的實際使用具有重要意義。圖11示出了具有傳動系統(tǒng)的試驗汽車之間起步性能的比較，其中1輛整車搭載12LOM447hLAG柴油機(jī)，另一輛則搭載7.7LM936G天然氣發(fā)動機(jī)。為了進(jìn)行這種比較，2輛車都裝載了22t質(zhì)量，并在停用的機(jī)場起飛跑道上行駛，搭載新開發(fā)的M936G天然氣發(fā)動機(jī)的汽車減排降低了36%，但是達(dá)到相同的行駛速度所花的時間略長幾秒。

8 結(jié)論和展望

Mercedes-Benz公司已拓展了OM936柴油機(jī)系列，增添了1種天然氣機(jī)型。OM936G天然氣發(fā)動機(jī)的開發(fā)在結(jié)構(gòu)空間、連接尺寸、功率和運行特性與柴油機(jī)相當(dāng)，因此具有很高的零部件通用化程度和適用性，其燃燒過程應(yīng)用了EGR和米勒循環(huán)方法，只需要1個三效廢氣后處理裝置，并具有大幅度的充量運動，其零部件不超過柴油機(jī)的極限溫度，而且爆燃傾向較小并達(dá)到了較好的效率。為了獲得這些性能，已優(yōu)化了混合氣準(zhǔn)備和增壓，并按汽油機(jī)運行要求匹配了傳感器和執(zhí)行器。在CO2排放、燃油耗，以及噪聲和加速性等方面都顯示出超出同類柴油機(jī)型的性能。

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