基于大眾TDI發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

日前，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）的研究學(xué)者研究開發(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。其中所謂雙燃料混合動(dòng)力是指天然氣與柴油混合。據(jù)Energies期刊介紹，采用此雙燃料油電混合動(dòng)力的微型車在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)力車型。

在雙燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用了常用的點(diǎn)火氣體天然氣來作為點(diǎn)火燃料，其中天然氣被注射到壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管中。在此點(diǎn)火過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(yù)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(yīng)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(jī)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(jī)作為研究對象，其中該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了共軌式柴油噴射系統(tǒng)、外形尺寸變化的渦輪增壓器以及高壓尾氣再循環(huán)系統(tǒng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為16.5:1。研究小組對該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一系列的改進(jìn)，其中在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料入口處安裝了一個(gè)氣體燃料噴射系統(tǒng)，還配備了低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。另外，還在四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)安裝了氣缸壓力傳感器。

在雙燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒相位和燃燒噪聲在燃料噴射開始時(shí)非常敏感。至于燃燒開始的時(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(yīng)動(dòng)力學(xué)，在此燃燒化學(xué)反應(yīng)過程中壓力、溫度或氣缸充氣組合物的微小變化都會(huì)引起整個(gè)過程的不同。

為了克服這個(gè)困難，保證發(fā)動(dòng)機(jī)可以在瞬態(tài)期間仍能保證正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，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(tǒng)。通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壓力來確定天然氣噴射時(shí)間以及柴油燃料的持續(xù)噴射時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）研究小組采用了對比試驗(yàn)。其中分別采用了普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、雙燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)以及油電混合發(fā)動(dòng)機(jī)來進(jìn)行對比試驗(yàn)。其中油電混合發(fā)動(dòng)機(jī)采用了20千瓦的牽引電動(dòng)機(jī)，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(jī)和雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)的各自的潛能。

研究數(shù)據(jù)表明：天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率高達(dá)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(jī)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，因此無需后續(xù)尾氣處理工序。

天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)載情況下天然氣比例較低，高負(fù)載情況下天然氣所占比例會(huì)相應(yīng)提高，最高比例可達(dá)98%。在天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)載情況下氣缸內(nèi)主要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這激發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)三路催化轉(zhuǎn)換器的工作。與普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)在大比例天然氣工作狀態(tài)下，其可以降低高達(dá)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(jī)進(jìn)行了硬件閉環(huán)反饋系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，證明了天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)過程中，該組合表現(xiàn)出了極低的二氧化碳排放量。其中試驗(yàn)包括對三種不同類型的車輛（微型車、緊湊型車以及全尺寸車）分別進(jìn)行了不同的測試實(shí)驗(yàn)（NEDC，WLTP）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這三種車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?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)平均燃燒效率從34.9%到36.4%不等。另外，研究結(jié)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(jī)內(nèi)氣體燃燒效率最高。