欧盟2020年天然气发动机创新项目

1 前言

欧盟已经启动了一个强有力的去碳化过程，以推动欧洲运输达到2050目标，使用低碳替代燃料，如天然气将起到基础性作用，以加速这一进程。欧盟成立了GasOn联合项目（由德国大众、福特、雷诺和CRF组成），旨在开发先进的天然气发动机，使天然气单燃料发动机能够符合“2020+”的二氧化碳排放目标，按现行的新车认证循环(NEDC)，目前项目成果表明最好细分市场CNG轿车可以减少20%的CO2排放，并在真实的驾驶条件下也可以降低油耗。

2 项目动机

为了实现在欧洲的可持续交通，2020+城市和长途车辆的道路运输将必须是更高效的。这些目标的大部分将通过改善车辆空气动力学、通过减少车辆重量和影响驾驶模式来实现。同时动力传动系统的能量效率提高也将产生相当大的贡献。此外，在2030，超过65%的所有道路运输车辆仍将由内燃机驱动-使用液体燃料运行，因此发动机将不得不在热力学上更高效。在同一时间内，可再生燃料应占道路运输的能源需求的25%，而预计在那时主流燃料将类似于当前的燃料（柴油和汽油），并且将由化石燃料的混合物和生物质的增加量衍生而成。这意味着未来的发动机将必须能够应付燃料质量的变化。另一方面，伴随着发动机技术演进的渐进效率增加，使用低碳代用燃料，如天然气，将在加速欧洲2050年目标的交通运输脱碳过程中起到基础性作用。

实现上述驱动的战略选择之一是天然气，因为它是：

·一个可行的近中期选择能源多样化，并减少运输系统依赖于原油，由于全球更广泛的储备和更好的地缘政治分布。

·碳氢燃料中含有最低碳含量和尾气CO2排放的内在清洁燃料，能够大幅度减少运输温室气体排放，并为改善空气质量提供显著贡献。

·一种结构便宜的解决方案，由于生产、运输和分销成本较低，该技术与其他替代品相比成本低。

·一个战略资产，支持从化石燃料逐步多样化，从可再生能源和生物质生产的生物甲烷或氢气。

欧洲采用天然气汽车的好处是众所周知的，可以概括如下：

·为满足2020年二氧化碳目标提供相关贡献；

·允许大幅减少温室气体和局部污染，作为光化学烟雾（有害臭氧）；

·唯一的替代传统车辆（化石燃料和可再生能源）；

·在能源安全方面由于独立于原油和替代地缘政治资源和比传统燃料更高的消耗/储量；

·生物甲烷的大规模采用符合2020+目标；

·生物甲烷W/O技术的立即使用和生物多燃料开发（乙醇、氢气）的桥梁；

·灵活地采用常规燃料开发的所有技术，由于协同集成而提高了效益；

·采用常规燃料发动机开发新技术提高发动机效率50%以上的能力；

·在经济危机和/或油价高峰时维持市场需求的能力，比常规燃料便宜；

·管道网络扩散良好，有条件可以加入生物甲烷；

·在一些欧洲国家，有足够的加油站、具有常规燃料当量范围和发动机性能的车辆组合。

3 项目目标

为了充分利用燃气发动机的主要好处，GASON项目的目标是只开发CNG单燃料发动机。

（1）满足欧6排放法规

（2）满足2020+二氧化碳排放目标

（3）满足NEDC和真实道路使用条件

（4）提高发动机效率和车辆性能也就其CNG范围能力。

这些CNG发动机是基于新的燃烧过程，还需要专门的技术解决方案：

·创新的喷射、点火和增压系统概念

·先进的废气后处理系统

·检测气体质量及其组成

该项目的目的是最大限度地利用不同的技术有益于CNG发动机，通过充分的协同方法，同时采用先进的燃烧方法辅助创新的喷射系统，通过高和/或可变压缩比，与专用增压和可变气门驱动相匹配，将有可能开发高抗爆震、提高CNG发动机效率。与以前采用单一技术的方法相比，采用燃烧、点火和喷射管理可以大幅度提升CNG发动机性能。理论空燃比和稀薄燃烧的方法仍然有效，一方面通过正确的喷射管理，另一方面采用专用的处理系统来辅助。该方案的一个关键问题是直接气体喷射技术的发展和应用，以提高发动机在低转速下的增压效率，同时在性能和CO2排放方面都有好处。为了提高采用直接喷射（DI）技术外的效率，拓展稀薄燃烧与lambda高达2和更高的类似柴油机的气缸压力是必要的。因此，在该提议中包括在原型机上开发基于柴油机的可能是未来效率基准的非直喷的CNG稀燃概念。与动力传动系统技术相结合，先进的CNG存储系统将能够实现相当于传统燃料更高的续驶里程，而不牺牲车辆行李箱容量，特别是对加气站基础设施没有更高的要求。

4 项目的实施组织

图1 WP1-WP7项目组织实施

从起始状态的早期收获情景和WP1指引定义，该项目是基于三种并行技术的方式进行的（图1），全部基于集成的气态直喷（DI）开发的。在直喷与VVA系统组合的（Advanced WP2），和按先进增压系统组合与VCR（WP3）和解决稀燃和/或充气稀释的燃烧方法和废气温度控制法（WP4）。更具创新的燃烧方法是WP5部分，将开放扩展稀燃的燃烧点火概念和类似柴油机压缩比概念。这将采用点火系统，这符合扩展的稀燃天然气发动机的要求。WP5也包括一个全新开发气体质量和组分的传感器，来确定的燃料特性和预测发动机控制参数的优化。WP6支持不同的燃烧方法，包括全新开发的后处理技术，能够增加在极低温下甲烷转换效率，也支持稀薄燃烧方法，也考虑直喷系统控制废气温度的潜力。该项目结果通过示范活动WP7的车辆和发动机进行综合评价。