歐盟2020年天然氣發動機創新項目

1 前言

歐盟已經啟動了一個強有力的去碳化過程，以推動歐洲運輸達到2050目標，使用低碳替代燃料，如天然氣將起到基礎性作用，以加速這一進程。歐盟成立了GasOn聯合項目（由德國大眾、福特、雷諾和CRF組成），旨在開發先進的天然氣發動機，使天然氣單燃料發動機能夠符合“2020+”的二氧化碳排放目標，按現行的新車認證循環(NEDC)，目前項目成果表明最好細分市場CNG轎車可以減少20%的CO2排放，并在真實的駕駛條件下也可以降低油耗。

2 項目動機

為了實現在歐洲的可持續交通，2020+城市和長途車輛的道路運輸將必須是更高效的。這些目標的大部分將通過改善車輛空氣動力學、通過減少車輛重量和影響駕駛模式來實現。同時動力傳動系統的能量效率提高也將產生相當大的貢獻。此外，在2030，超過65%的所有道路運輸車輛仍將由內燃機驅動-使用液體燃料運行，因此發動機將不得不在熱力學上更高效。在同一時間內，可再生燃料應占道路運輸的能源需求的25%，而預計在那時主流燃料將類似于當前的燃料（柴油和汽油），并且將由化石燃料的混合物和生物質的增加量衍生而成。這意味著未來的發動機將必須能夠應付燃料質量的變化。另一方面，伴隨著發動機技術演進的漸進效率增加，使用低碳代用燃料，如天然氣，將在加速歐洲2050年目標的交通運輸脫碳過程中起到基礎性作用。

實現上述驅動的戰略選擇之一是天然氣，因為它是：

·一個可行的近中期選擇能源多樣化，并減少運輸系統依賴于原油，由于全球更廣泛的儲備和更好的地緣政治分布。

·碳氫燃料中含有最低碳含量和尾氣CO2排放的內在清潔燃料，能夠大幅度減少運輸溫室氣體排放，并為改善空氣質量提供顯著貢獻。

·一種結構便宜的解決方案，由于生產、運輸和分銷成本較低，該技術與其他替代品相比成本低。

·一個戰略資產，支持從化石燃料逐步多樣化，從可再生能源和生物質生產的生物甲烷或氫氣。

歐洲采用天然氣汽車的好處是眾所周知的，可以概括如下：

·為滿足2020年二氧化碳目標提供相關貢獻；

·允許大幅減少溫室氣體和局部污染，作為光化學煙霧（有害臭氧）；

·唯一的替代傳統車輛（化石燃料和可再生能源）；

·在能源安全方面由于獨立于原油和替代地緣政治資源和比傳統燃料更高的消耗/儲量；

·生物甲烷的大規模采用符合2020+目標；

·生物甲烷W/O技術的立即使用和生物多燃料開發（乙醇、氫氣）的橋梁；

·靈活地采用常規燃料開發的所有技術，由于協同集成而提高了效益；

·采用常規燃料發動機開發新技術提高發動機效率50%以上的能力；

·在經濟危機和/或油價高峰時維持市場需求的能力，比常規燃料便宜；

·管道網絡擴散良好，有條件可以加入生物甲烷；

·在一些歐洲國家，有足夠的加油站、具有常規燃料當量范圍和發動機性能的車輛組合。

3 項目目標

為了充分利用燃氣發動機的主要好處，GASON項目的目標是只開發CNG單燃料發動機。

（1）滿足歐6排放法規

（2）滿足2020+二氧化碳排放目標

（3）滿足NEDC和真實道路使用條件

（4）提高發動機效率和車輛性能也就其CNG范圍能力。

這些CNG發動機是基于新的燃燒過程，還需要專門的技術解決方案：

·創新的噴射、點火和增壓系統概念

·先進的廢氣后處理系統

·檢測氣體質量及其組成

該項目的目的是最大限度地利用不同的技術有益于CNG發動機，通過充分的協同方法，同時采用先進的燃燒方法輔助創新的噴射系統，通過高和/或可變壓縮比，與專用增壓和可變氣門驅動相匹配，將有可能開發高抗爆震、提高CNG發動機效率。與以前采用單一技術的方法相比，采用燃燒、點火和噴射管理可以大幅度提升CNG發動機性能。理論空燃比和稀薄燃燒的方法仍然有效，一方面通過正確的噴射管理，另一方面采用專用的處理系統來輔助。該方案的一個關鍵問題是直接氣體噴射技術的發展和應用，以提高發動機在低轉速下的增壓效率，同時在性能和CO2排放方面都有好處。為了提高采用直接噴射（DI）技術外的效率，拓展稀薄燃燒與lambda高達2和更高的類似柴油機的氣缸壓力是必要的。因此，在該提議中包括在原型機上開發基于柴油機的可能是未來效率基準的非直噴的CNG稀燃概念。與動力傳動系統技術相結合，先進的CNG存儲系統將能夠實現相當于傳統燃料更高的續駛里程，而不犧牲車輛行李箱容量，特別是對加氣站基礎設施沒有更高的要求。

4 項目的實施組織

圖1 WP1-WP7項目組織實施

從起始狀態的早期收獲情景和WP1指引定義，該項目是基于三種并行技術的方式進行的（圖1），全部基于集成的氣態直噴（DI）開發的。在直噴與VVA系統組合的（Advanced WP2），和按先進增壓系統組合與VCR（WP3）和解決稀燃和/或充氣稀釋的燃燒方法和廢氣溫度控制法（WP4）。更具創新的燃燒方法是WP5部分，將開放擴展稀燃的燃燒點火概念和類似柴油機壓縮比概念。這將采用點火系統，這符合擴展的稀燃天然氣發動機的要求。WP5也包括一個全新開發氣體質量和組分的傳感器，來確定的燃料特性和預測發動機控制參數的優化。WP6支持不同的燃燒方法，包括全新開發的后處理技術，能夠增加在極低溫下甲烷轉換效率，也支持稀薄燃燒方法，也考慮直噴系統控制廢氣溫度的潛力。該項目結果通過示范活動WP7的車輛和發動機進行綜合評價。