液化石油氣缸內直噴在渦輪增壓汽油機上的應用

【西班牙】　J.Ariztegui　J.Gutierrez　A.Fürhapter　H.Friedl

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液化石油氣缸內直噴在渦輪增壓汽油機上的應用

【西班牙】J.ArizteguiJ.GutierrezA.FürhapterH.Friedl

西班牙Repsol公司與奧地利AVL公司合作，在1臺1.4L渦輪增壓氣缸內直噴汽油機上進行了汽油與純液化石油氣燃料轉換使用的試驗研究。試驗表明，除了能達到必須的CO2排放目標之外，這種燃料也對采用傳統的廢氣后處理技術滿足即將實施的行駛排放法規的要求作出貢獻，新歐洲行駛循環燃油耗可降低約15%。

液化氣顆粒物排放新歐洲行駛循環

1　氣缸內直噴的優點

由于發動機在降低CO2排放方面的壓力越來越大，不僅要通過全球統一的輕型車試驗循環(WLTP)法規認證，而且還要滿足實際行駛排放(RDE)法規的要求。液化石油氣(LPG)作為商用車用氣體燃料為汽油機降低CO2排放和滿足歐6c顆粒數(PN)限值提供了很大的潛力。

本文介紹車用氣體燃料氣缸內直噴(LPG-DI)在緊湊型轎車應用的技術方案和使用試驗結果。這種純LPG樣機經過連續不斷的開發已達到了降低CO2和顆粒數排放的預定目標，且無需改變基礎發動機。若改進基礎發動機已充分利用LPG較高的辛烷值，還可進一步開發其在效率方面的潛力。

LPG做為1種已被歐盟認可的代用燃料，由丙烷和丁烷(即具有3或4個碳原子的碳氫化合物)混合氣制成，與主要由甲烷(具有1個碳原子的碳氫化合物)組成的壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)或壓縮生物氣(CBG)不同。LPG的特點是在適當的壓力(根據成分的不同，一般在300～1000kPa)和室溫下是1種與汽油特性類似的液體，因而LPG能夠以液態貯存在汽車燃料罐中，而且能夠達到與常用汽油類似的行駛半徑，此外液化LPG還有可能在現代缸內直噴汽油機上應用與汽油機類似的噴射系統。通過與燃料特性匹配，就能夠使發動機不受限制地運行。與傳統的LPG不同，LPG缸內直接噴射在冷起動時無需串聯的燃料蒸發器輔助。

2　全球LPG的生產

在分析LPG可用性時，應考察多種生產途徑。目前，全球有3種主要的LPG來源： (1) 石油提煉過程的副產品；(2) 石油開采時的伴生物；(3) 來自于天然氣的LPG，與甲烷一起產生(高達7%)。

圖1示出了不同來源的LPG產量的發展歷史。從圖中可以看到，2013年LPG總產量的61%并非來自原油提煉。

圖1　全球LPG產量的發展歷史

在LPG作為車用燃料主要有4種來源： (1) 歐洲對用于室內采暖和企業生產的LPG的需求量降低；(2) 天然氣來源；(3) 氫化處理植物油(HVO)的生產；(4) 傳統的煉油過程。

從圖1可以清楚地看到，從2010年以來，來自天然氣生產的LPG的產量有明顯的增長。未來這種趨勢也因北美頁巖氣的開采而進一步增長(圖2)。根據最新統計，美國和加拿大在2010—2020年期間，由于天然氣加工，其LPG的產量每年增加30×106t，僅這些附加的產量就占據歐洲2015年車用(轎車和載貨車)燃料總需求量的11%。

圖2　美國和加拿大LPG產量預測

氫化處理植物油(HVO)是通過油料中含有的分子的氫化而生產出來的1種生物燃料。近幾年，全球HVO與工業用植物油都得到了迅速的發展。在氫化過程中約有5%的油量轉變成丙烷，因而成為產生生物LPG的1個新的來源。

3　供氣公共設施

車用燃氣在歐洲是1種廣泛應用的代用燃料，但為終端用戶供氣的網絡在各個國家中的分布有很大差別，多則成千上萬，少則僅有幾十個加氣站。盡管如此，為了支持推廣應用車用燃氣，一般都有足夠的公共設施可供使用。

在加油站旁邊大多能找到車用燃氣和其他燃料的加氣設備,車用燃氣的加氣槍造型與傳統液體燃油的加油槍相似，加注過程的持續時間和操作方法也差不多，這使得終端用戶加注車用燃氣與加注汽油一樣變得很容易。

更重要的是，未來將進一步地擴建供應網絡，并在常規加油站旁與標準加油設備一起擴建加氣設施，其總成本低于100000歐元。

4　樣機開發的目標設定

選擇大眾公司Golf 7型轎車作為開發樣車的起點，該車標準結構型式搭載1.4L-TSI缸內直噴汽油機(EA211,功率103kW，扭矩250N·m)和6檔變速器。使用車用燃氣的目標是： (1) 功率相同，動力學性能與基本車型一致；(2) 在新歐洲行駛循環(NEDC)中達到歐6廢氣排放法規(包括PN達到歐6c法規要求)；(3) 按自動變速器優化效率；(4) 相對于基本車型顯示出CO2排放方面的優勢。

開發初期就已對基本車型進行了仔細的試驗，以便采集動力裝置的運行性能作為參考基準，并進行精確的比較，同時以相對較少的費用和較低的成本對燃料系統進行改造，燃料貯存罐和供氣系統應用了通用的零部件，而燃料管路和高壓泵則沿用了基本車型上的設施。由Delphi公司提供的缸內直接噴射用的噴油器流量提高了約30%，以補償車用燃氣較小的密度。

發動機電控系統完全轉換成快速樣機發動機管理系統(RPEMS)電控單元，它能完全按照優化特性曲線場和汽車使用燃氣行駛重新標定進行控制。在轉鼓試驗臺上借助于篩選試驗由量產發動機控制系統生成了基本特性曲線場數據。

在開發期間為發動機和汽車試驗選擇了統一的LPG成分(按體積百分比計為50%丙烷、25%異丁烷和25%n-丁烷)。這種燃料成分按照EN 589歐洲燃料規格設計，代表了歐洲車用燃氣通常的規格。

5　發動機臺架試驗結果

車用燃氣有利的混合氣形成特性使得發動機能夠按盡可能最好的效率進行標定，而且不受生成的碳煙和顆粒物的限制。由于具有較好的燃燒穩定性，能夠在部分負荷運行時借助于改變配氣定時后，仍能保證較高的內部廢氣含量，通過使用燃氣的調節參數就能使燃油耗減少高達5%。

雖然基本型發動機使用汽油運行時采用每循環最多3次噴射已能優化到歐6標準，但是使用燃氣運行時的顆粒物排放的尺寸分布仍小于使用汽油運行時的尺寸(圖3)。為了滿足未來顆粒物排放限值(例如RDE法規)，這樣使用燃氣就無需顆粒捕集器了。圖4示出了相當于使用LPG降低顆粒物排放的程度，在使用汽油機運行時要采用顆粒捕集器才有可能實現。

圖3　使用汽油和燃氣運行時的顆粒物排放比較

由于燃氣具有較高的辛烷值，因而與汽油相比，在全負荷運行時可利用其附加優勢，采用LPG缸內直接噴射能夠以化學計量比混合氣和明顯降低的爆燃限制達到全負荷功率，而且在高負荷范圍內能明顯降低燃油耗和CO2排放。

圖4　　　　車用燃氣在NEF2行駛循環中CO2和PN排放相對于汽油的優勢

6　發動機動態運行的試驗結果

對于達到歐6排放限值需要優化發動機冷起動時的排放，以及高效的加熱效果，以便使催化轉化器快速地起燃。與使用汽油運行相比，使用燃氣運行時冷起動和催化轉化器加熱的標定要容易得多，因而也就更可靠。

7　NEDC行駛循環燃氣消耗量

在行駛性能和廢氣排放標定后，將汽車在轉鼓試驗臺上進行進一步的試驗。在NEDC試驗中，在全面達到歐6c廢氣排放法規要求的情況下，CO2排放能降低15%。如圖4所示，雖然這種改善效果中LPG的化學特性起到了最主要的作用(11%),但是LPG適應發動機的匹配標定也起著重要的作用(4%)。在NEDC試驗中，變速器是以固定換檔點行駛的，并且無起動-停車功能。已通過模擬計算預測絕對CO2排放量可降低到95g/km(2020年目標)，這是在附加應用氣缸切斷、起動-停車功能和雙離合器變速器，并且不采用會使成本大大提高的混合動力化的情況下達到的。

8　車輛使用燃氣的挑戰

在發動機穩態運行時并無使用燃氣運行時特有的困難，但是因燃氣特殊的物理特性可能會遭遇其他挑戰。

9　噴射系統控制的挑戰

與汽油相比，燃氣的密度與壓力或溫度有密切的關系，尤其是液-氣相態轉換正好處于發動機暖機運轉典型的溫度范圍內，由此可能會產生較大的影響。為了克服這種影響，用于汽油的標準預調整功能通過1種溫度修正模型予以擴展，而這種溫度修正模型在發動機停機時或倒拖斷油后對于熱起動能補償密度變化的影響。

10　發動機熱起動的挑戰

由于燃氣具有高的揮發性，特別是在熱機重新起動時會存在某些挑戰。可能會引起“氣阻”現象，以致于液態燃料無法供應給高壓燃料側。其中1種未使用的解決方案是采用來自燃料罐的冷液態燃料沖洗燃料泵的高壓室，并配備經改進的帶有單獨止回閥的高壓泵作為解決方案。

11　結論和展望

在缸內直噴汽油機上使用LPG作為燃料顯示出多種多樣的優點： (1) 可充分利用LPG資源；(2) 可利用現有的加油站公共設施，易于擴展供氣網絡；(3) 有利于冷起動和全負荷運行的燃燒參數；(4) 由于LPG的化學特性，以及在發動機中的良好燃燒性能，可顯著降低CO2排放；(5) 發動機使用LPG運行時PN排放近乎為零，類似于使用其他氣體燃料運行。

搭載1.4L增壓缸內直噴汽油機的樣車轉換成純LPG運行的試驗結果證實了這些優點。在NEDC工況下CO2排放總共降低了15%，其中LPG的化學特性起到的效果為11%,而其余4%則是LPG適應發動機的匹配標定的效果。LPG出色的燃燒特性使得發動機能在整個特性曲線場范圍內以化學計量比運行，這樣就能在高負荷和全負荷運行時獲得附加的顯著降低燃氣消耗量和CO2排放的效果。

由于使用LPG具有卓越的燃燒特性并能達到低的顆粒物排放，因而是極具吸引力的解決方案，除了能達到所必需的CO2排放目標之外，還能以簡易的方法采用傳統的廢氣后處理技術滿足即將實施的RDE法規要求。

2015-12-03)