液化石油气缸内直喷在涡轮增压汽油机上的应用

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



液化石油气缸内直喷在涡轮增压汽油机上的应用

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

西班牙Repsol公司与奥地利AVL公司合作，在1台1.4L涡轮增压气缸内直喷汽油机上进行了汽油与纯液化石油气燃料转换使用的试验研究。试验表明，除了能达到必须的CO2排放目标之外，这种燃料也对采用传统的废气后处理技术满足即将实施的行驶排放法规的要求作出贡献，新欧洲行驶循环燃油耗可降低约15%。

液化气颗粒物排放新欧洲行驶循环

1　气缸内直喷的优点

由于发动机在降低CO2排放方面的压力越来越大，不仅要通过全球统一的轻型车试验循环(WLTP)法规认证，而且还要满足实际行驶排放(RDE)法规的要求。液化石油气(LPG)作为商用车用气体燃料为汽油机降低CO2排放和满足欧6c颗粒数(PN)限值提供了很大的潜力。

本文介绍车用气体燃料气缸内直喷(LPG-DI)在紧凑型轿车应用的技术方案和使用试验结果。这种纯LPG样机经过连续不断的开发已达到了降低CO2和颗粒数排放的预定目标，且无需改变基础发动机。若改进基础发动机已充分利用LPG较高的辛烷值，还可进一步开发其在效率方面的潜力。

LPG做为1种已被欧盟认可的代用燃料，由丙烷和丁烷(即具有3或4个碳原子的碳氢化合物)混合气制成，与主要由甲烷(具有1个碳原子的碳氢化合物)组成的压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)或压缩生物气(CBG)不同。LPG的特点是在适当的压力(根据成分的不同，一般在300～1000kPa)和室温下是1种与汽油特性类似的液体，因而LPG能够以液态贮存在汽车燃料罐中，而且能够达到与常用汽油类似的行驶半径，此外液化LPG还有可能在现代缸内直喷汽油机上应用与汽油机类似的喷射系统。通过与燃料特性匹配，就能够使发动机不受限制地运行。与传统的LPG不同，LPG缸内直接喷射在冷起动时无需串联的燃料蒸发器辅助。

2　全球LPG的生产

在分析LPG可用性时，应考察多种生产途径。目前，全球有3种主要的LPG来源： (1) 石油提炼过程的副产品；(2) 石油开采时的伴生物；(3) 来自于天然气的LPG，与甲烷一起产生(高达7%)。

图1示出了不同来源的LPG产量的发展历史。从图中可以看到，2013年LPG总产量的61%并非来自原油提炼。

图1　全球LPG产量的发展历史

在LPG作为车用燃料主要有4种来源： (1) 欧洲对用于室内采暖和企业生产的LPG的需求量降低；(2) 天然气来源；(3) 氢化处理植物油(HVO)的生产；(4) 传统的炼油过程。

从图1可以清楚地看到，从2010年以来，来自天然气生产的LPG的产量有明显的增长。未来这种趋势也因北美页岩气的开采而进一步增长(图2)。根据最新统计，美国和加拿大在2010—2020年期间，由于天然气加工，其LPG的产量每年增加30×106t，仅这些附加的产量就占据欧洲2015年车用(轿车和载货车)燃料总需求量的11%。

图2　美国和加拿大LPG产量预测

氢化处理植物油(HVO)是通过油料中含有的分子的氢化而生产出来的1种生物燃料。近几年，全球HVO与工业用植物油都得到了迅速的发展。在氢化过程中约有5%的油量转变成丙烷，因而成为产生生物LPG的1个新的来源。

3　供气公共设施

车用燃气在欧洲是1种广泛应用的代用燃料，但为终端用户供气的网络在各个国家中的分布有很大差别，多则成千上万，少则仅有几十个加气站。尽管如此，为了支持推广应用车用燃气，一般都有足够的公共设施可供使用。

在加油站旁边大多能找到车用燃气和其他燃料的加气设备,车用燃气的加气枪造型与传统液体燃油的加油枪相似，加注过程的持续时间和操作方法也差不多，这使得终端用户加注车用燃气与加注汽油一样变得很容易。

更重要的是，未来将进一步地扩建供应网络，并在常规加油站旁与标准加油设备一起扩建加气设施，其总成本低于100000欧元。

4　样机开发的目标设定

选择大众公司Golf 7型轿车作为开发样车的起点，该车标准结构型式搭载1.4L-TSI缸内直喷汽油机(EA211,功率103kW，扭矩250N·m)和6档变速器。使用车用燃气的目标是： (1) 功率相同，动力学性能与基本车型一致；(2) 在新欧洲行驶循环(NEDC)中达到欧6废气排放法规(包括PN达到欧6c法规要求)；(3) 按自动变速器优化效率；(4) 相对于基本车型显示出CO2排放方面的优势。

开发初期就已对基本车型进行了仔细的试验，以便采集动力装置的运行性能作为参考基准，并进行精确的比较，同时以相对较少的费用和较低的成本对燃料系统进行改造，燃料贮存罐和供气系统应用了通用的零部件，而燃料管路和高压泵则沿用了基本车型上的设施。由Delphi公司提供的缸内直接喷射用的喷油器流量提高了约30%，以补偿车用燃气较小的密度。

发动机电控系统完全转换成快速样机发动机管理系统(RPEMS)电控单元，它能完全按照优化特性曲线场和汽车使用燃气行驶重新标定进行控制。在转鼓试验台上借助于筛选试验由量产发动机控制系统生成了基本特性曲线场数据。

在开发期间为发动机和汽车试验选择了统一的LPG成分(按体积百分比计为50%丙烷、25%异丁烷和25%n-丁烷)。这种燃料成分按照EN 589欧洲燃料规格设计，代表了欧洲车用燃气通常的规格。

5　发动机台架试验结果

车用燃气有利的混合气形成特性使得发动机能够按尽可能最好的效率进行标定，而且不受生成的碳烟和颗粒物的限制。由于具有较好的燃烧稳定性，能够在部分负荷运行时借助于改变配气定时后，仍能保证较高的内部废气含量，通过使用燃气的调节参数就能使燃油耗减少高达5%。

虽然基本型发动机使用汽油运行时采用每循环最多3次喷射已能优化到欧6标准，但是使用燃气运行时的颗粒物排放的尺寸分布仍小于使用汽油运行时的尺寸(图3)。为了满足未来颗粒物排放限值(例如RDE法规)，这样使用燃气就无需颗粒捕集器了。图4示出了相当于使用LPG降低颗粒物排放的程度，在使用汽油机运行时要采用颗粒捕集器才有可能实现。

图3　使用汽油和燃气运行时的颗粒物排放比较

由于燃气具有较高的辛烷值，因而与汽油相比，在全负荷运行时可利用其附加优势，采用LPG缸内直接喷射能够以化学计量比混合气和明显降低的爆燃限制达到全负荷功率，而且在高负荷范围内能明显降低燃油耗和CO2排放。

图4　　　　车用燃气在NEF2行驶循环中CO2和PN排放相对于汽油的优势

6　发动机动态运行的试验结果

对于达到欧6排放限值需要优化发动机冷起动时的排放，以及高效的加热效果，以便使催化转化器快速地起燃。与使用汽油运行相比，使用燃气运行时冷起动和催化转化器加热的标定要容易得多，因而也就更可靠。

7　NEDC行驶循环燃气消耗量

在行驶性能和废气排放标定后，将汽车在转鼓试验台上进行进一步的试验。在NEDC试验中，在全面达到欧6c废气排放法规要求的情况下，CO2排放能降低15%。如图4所示，虽然这种改善效果中LPG的化学特性起到了最主要的作用(11%),但是LPG适应发动机的匹配标定也起着重要的作用(4%)。在NEDC试验中，变速器是以固定换档点行驶的，并且无起动-停车功能。已通过模拟计算预测绝对CO2排放量可降低到95g/km(2020年目标)，这是在附加应用气缸切断、起动-停车功能和双离合器变速器，并且不采用会使成本大大提高的混合动力化的情况下达到的。

8　车辆使用燃气的挑战

在发动机稳态运行时并无使用燃气运行时特有的困难，但是因燃气特殊的物理特性可能会遭遇其他挑战。

9　喷射系统控制的挑战

与汽油相比，燃气的密度与压力或温度有密切的关系，尤其是液-气相态转换正好处于发动机暖机运转典型的温度范围内，由此可能会产生较大的影响。为了克服这种影响，用于汽油的标准预调整功能通过1种温度修正模型予以扩展，而这种温度修正模型在发动机停机时或倒拖断油后对于热起动能补偿密度变化的影响。

10　发动机热起动的挑战

由于燃气具有高的挥发性，特别是在热机重新起动时会存在某些挑战。可能会引起“气阻”现象，以致于液态燃料无法供应给高压燃料侧。其中1种未使用的解决方案是采用来自燃料罐的冷液态燃料冲洗燃料泵的高压室，并配备经改进的带有单独止回阀的高压泵作为解决方案。

11　结论和展望

在缸内直喷汽油机上使用LPG作为燃料显示出多种多样的优点： (1) 可充分利用LPG资源；(2) 可利用现有的加油站公共设施，易于扩展供气网络；(3) 有利于冷起动和全负荷运行的燃烧参数；(4) 由于LPG的化学特性，以及在发动机中的良好燃烧性能，可显著降低CO2排放；(5) 发动机使用LPG运行时PN排放近乎为零，类似于使用其他气体燃料运行。

搭载1.4L增压缸内直喷汽油机的样车转换成纯LPG运行的试验结果证实了这些优点。在NEDC工况下CO2排放总共降低了15%，其中LPG的化学特性起到的效果为11%,而其余4%则是LPG适应发动机的匹配标定的效果。LPG出色的燃烧特性使得发动机能在整个特性曲线场范围内以化学计量比运行，这样就能在高负荷和全负荷运行时获得附加的显著降低燃气消耗量和CO2排放的效果。

由于使用LPG具有卓越的燃烧特性并能达到低的颗粒物排放，因而是极具吸引力的解决方案，除了能达到所必需的CO2排放目标之外，还能以简易的方法采用传统的废气后处理技术满足即将实施的RDE法规要求。

2015-12-03)