基于大眾TDI發(fā)動(dòng)機研發(fā)雙燃料發(fā)動(dòng)機
日前,蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zürich)的研究學(xué)者研究開(kāi)發(fā)了一種采用雙燃料天然氣-柴油輕型混合動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)。其中所謂雙燃料混合動(dòng)力是指天然氣與柴油混合。據Energies期刊介紹,采用此雙燃料油電混合動(dòng)力的微型車(chē)在New European Driving Cycle(NEDC)工況下其二氧化碳排放量可降低至43克/千米。另外,此雙燃料動(dòng)力組合也可用于非油電混合動(dòng)力車(chē)型。
在雙燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機中,采用了常用的點(diǎn)火氣體天然氣來(lái)作為點(diǎn)火燃料,其中天然氣被注射到壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣歧管中。在此點(diǎn)火過(guò)程中并未采用常用的火花塞點(diǎn)火,而是采用了天然氣空氣預混合以及摻有少量直噴柴油燃料的點(diǎn)火方式。這種點(diǎn)火方式應用商業(yè)化已經(jīng)非常成功,其中加拿大西港創(chuàng )新公司(Westport Innovations)和美國清潔能源公司(Clean Air Power)的重型發(fā)動(dòng)機均采用此種點(diǎn)火方式,此種點(diǎn)火方式不僅具有高性能、高效率的優(yōu)點(diǎn),而且還具有低二氧化碳排放以及低尾氣排放的特點(diǎn)。
研究小組采用了大眾2.0升TDI柴油發(fā)動(dòng)機作為研究對象,其中該發(fā)動(dòng)機采用了共軌式柴油噴射系統、外形尺寸變化的渦輪增壓器以及高壓尾氣再循環(huán)系統,該發(fā)動(dòng)機壓縮比為16.5:1。研究小組對該發(fā)動(dòng)機進(jìn)行一系列的改進(jìn),其中在發(fā)動(dòng)機燃料入口處安裝了一個(gè)氣體燃料噴射系統,還配備了低壓廢氣再循環(huán)系統。另外,還在四個(gè)發(fā)動(dòng)機缸體內安裝了氣缸壓力傳感器。

在雙燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機中,燃燒相位和燃燒噪聲在燃料噴射開(kāi)始時(shí)非常敏感。至于燃燒開(kāi)始的時(shí)間將取決于燃料注射時(shí)間以及柴油的點(diǎn)火延遲時(shí)間。而柴油的點(diǎn)火延遲時(shí)間主要取決于柴油燃料的化學(xué)反應動(dòng)力學(xué),在此燃燒化學(xué)反應過(guò)程中壓力、溫度或氣缸充氣組合物的微小變化都會(huì )引起整個(gè)過(guò)程的不同。
為了克服這個(gè)困難,保證發(fā)動(dòng)機可以在瞬態(tài)期間仍能保證正常穩定運轉,蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zürich)研究小組采用了反饋控制系統。通過(guò)測量發(fā)動(dòng)機氣缸內壓力來(lái)確定天然氣噴射時(shí)間以及柴油燃料的持續噴射時(shí)間。
實(shí)驗
在實(shí)驗過(guò)程中,蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zürich)研究小組采用了對比試驗。其中分別采用了普通柴油發(fā)動(dòng)機、雙燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機以及油電混合發(fā)動(dòng)機來(lái)進(jìn)行對比試驗。其中油電混合發(fā)動(dòng)機采用了20千瓦的牽引電動(dòng)機,其油電混合比例非常高,目的是為了研究對比油電混合發(fā)動(dòng)機和雙燃料混合發(fā)動(dòng)機的各自的潛能。
研究數據表明:天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機燃油效率高達39.5%,而且在各種工況下,天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機尾氣氮氧化物的含量也僅為75ppm,煙塵濃度也低于3毫克/立方米,因此無(wú)需后續尾氣處理工序。
天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機低負載情況下天然氣比例較低,高負載情況下天然氣所占比例會(huì )相應提高,最高比例可達98%。在天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機高負載情況下氣缸內主要進(jìn)行化學(xué)反應,這激發(fā)了發(fā)動(dòng)機三路催化轉換器的工作。與普通柴油發(fā)動(dòng)機相比,天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機在大比例天然氣工作狀態(tài)下,其可以降低高達22%的二氧化碳排放量。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zürich)研究小組在Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures (WLTP)測試中,為非油電混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了硬件閉環(huán)反饋系統實(shí)驗,證明了天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機瞬態(tài)操作的可能性。
LinoGuzzella教授研究小組博士生Tobias Ott作為論文的第一作者在Energies期刊論文中介紹到:
“在對油電混合動(dòng)力加天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機的仿真實(shí)驗過(guò)程中,該組合表現出了極低的二氧化碳排放量。其中試驗包括對三種不同類(lèi)型的車(chē)輛(微型車(chē)、緊湊型車(chē)以及全尺寸車(chē))分別進(jìn)行了不同的測試實(shí)驗(NEDC,WLTP)。實(shí)驗結果表明,這三種車(chē)輛的二氧化碳排放量從43克/千米到77克/千米不等。之所以能夠得到較低的二氧化碳排放量是因為發(fā)動(dòng)機燃燒效率很高,而且燃燒氣體中天然氣所占比重很大。其中發(fā)動(dòng)機平均燃燒效率從34.9%到36.4%不等。另外,研究結果還表明在天然氣比例在89.6%到94.1%之間時(shí),發(fā)動(dòng)機內氣體燃燒效率最高。
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