西班牙Repsol公司與奧地利AVL公司合作，在1臺(tái)1.4 L渦輪增壓氣缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上進(jìn)行了汽油與純液化石油氣燃料轉(zhuǎn)換使用的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，除了能達(dá)到必須的CO2排放目標(biāo)之外，這種燃料也對(duì)采用傳統(tǒng)的廢氣后處理技術(shù)滿足即將實(shí)施的行駛排放法規(guī)的要求作出貢獻(xiàn)，新歐洲行駛循環(huán)燃油耗可降低約15%。

1 氣缸內(nèi)直噴的優(yōu)點(diǎn)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在降低CO2排放方面的壓力越來越大，不僅要通過全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTP）法規(guī)認(rèn)證，而且還要滿足實(shí)際行駛排放（RDE）法規(guī)的要求。液化石油氣（LPG）作為商用車用氣體燃料為汽油機(jī)降低CO2排放和滿足歐6c顆粒數(shù)（PN）限值提供了很大的潛力。

本文介紹車用氣體燃料氣缸內(nèi)直噴（LPG-DI）在緊湊型轎車應(yīng)用的技術(shù)方案和使用試驗(yàn)結(jié)果。這種純LPG樣機(jī)經(jīng)過連續(xù)不斷的開發(fā)已達(dá)到了降低CO2和顆粒數(shù)排放的預(yù)定目標(biāo)，且無需改變基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)。若改進(jìn)基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)已充分利用LPG較高的辛烷值，還可進(jìn)一步開發(fā)其在效率方面的潛力。

LPG做為1種已被歐盟認(rèn)可的代用燃料，由丙烷和丁烷（即具有3或4個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔铮┗旌蠚庵瞥桑c主要由甲烷（具有1個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔铮┙M成的壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）或壓縮生物氣（CBG）不同。LPG的特點(diǎn)是在適當(dāng)?shù)膲毫Γǜ鶕?jù)成分的不同，一般在300～1 000 kPa）和室溫下是1種與汽油特性類似的液體，因而LPG能夠以液態(tài)貯存在汽車燃料罐中，而且能夠達(dá)到與常用汽油類似的行駛半徑，此外液化LPG還有可能在現(xiàn)代缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上應(yīng)用與汽油機(jī)類似的噴射系統(tǒng)。通過與燃料特性匹配，就能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)不受限制地運(yùn)行。與傳統(tǒng)的LPG不同，LPG缸內(nèi)直接噴射在冷起動(dòng)時(shí)無需串聯(lián)的燃料蒸發(fā)器輔助。

2 全球LPG的生產(chǎn)

在分析LPG可用性時(shí)，應(yīng)考察多種生產(chǎn)途徑。目前，全球有3種主要的LPG來源：（1）石油提煉過程的副產(chǎn)品；（2）石油開采時(shí)的伴生物；（3）來自于天然氣的LPG，與甲烷一起產(chǎn)生（高達(dá)7%）。圖1示出了不同來源的LPG產(chǎn)量的發(fā)展歷史。從圖中可以看到，2013年LPG總產(chǎn)量的61%并非來自原油提煉。

圖1 全球LPG產(chǎn)量的發(fā)展歷史

在LPG作為車用燃料主要有4種來源：（1） 歐洲對(duì)用于室內(nèi)采暖和企業(yè)生產(chǎn)的LPG的需求量降低；（2） 天然氣來源；（3） 氫化處理植物油（HVO）的生產(chǎn)；（4）傳統(tǒng)的煉油過程。

從圖1可以清楚地看到，從2010年以來，來自天然氣生產(chǎn)的LPG的產(chǎn)量有明顯的增長(zhǎng)。未來這種趨勢(shì)也因北美頁(yè)巖氣的開采而進(jìn)一步增長(zhǎng)（圖2）。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，美國(guó)和加拿大在2010—2020年期間，由于天然氣加工，其LPG的產(chǎn)量每年增加30×106 t，僅這些附加的產(chǎn)量就占據(jù)歐洲2015年車用（轎車和載貨車）燃料總需求量的11%。

圖2 美國(guó)和加拿大LPG產(chǎn)量預(yù)測(cè)

氫化處理植物油（HVO）是通過油料中含有的分子的氫化而生產(chǎn)出來的1種生物燃料。近幾年，全球HVO與工業(yè)用植物油都得到了迅速的發(fā)展。在氫化過程中約有5%的油量轉(zhuǎn)變成丙烷，因而成為產(chǎn)生生物L(fēng)PG的1個(gè)新的來源。

3 供氣公共設(shè)施

車用燃?xì)庠跉W洲是1種廣泛應(yīng)用的代用燃料，但為終端用戶供氣的網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)國(guó)家中的分布有很大差別，多則成千上萬，少則僅有幾十個(gè)加氣站。盡管如此，為了支持推廣應(yīng)用車用燃?xì)猓话愣加凶銐虻墓苍O(shè)施可供使用。

在加油站旁邊大多能找到車用燃?xì)夂推渌剂系募託庠O(shè)備,車用燃?xì)獾募託鈽屧煨团c傳統(tǒng)液體燃油的加油槍相似，加注過程的持續(xù)時(shí)間和操作方法也差不多，這使得終端用戶加注車用燃?xì)馀c加注汽油一樣變得很容易。

更重要的是，未來將進(jìn)一步地?cái)U(kuò)建供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，并在常規(guī)加油站旁與標(biāo)準(zhǔn)加油設(shè)備一起擴(kuò)建加氣設(shè)施，其總成本低于100 000歐元。

4 樣機(jī)開發(fā)的目標(biāo)設(shè)定

選擇大眾公司Golf 7型轎車作為開發(fā)樣車的起點(diǎn)，該車標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)型式搭載1.4 L TSI缸內(nèi)直噴汽油機(jī)（EA211,功率103 kW，扭矩250 N·m）和6檔變速器。使用車用燃?xì)獾哪繕?biāo)是：（1）功率相同，動(dòng)力學(xué)性能與基本車型一致；（2）在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中達(dá)到歐6廢氣排放法規(guī)（包括PN達(dá)到歐6c法規(guī)要求）；（3）按自動(dòng)變速器優(yōu)化效率；（4）相對(duì)于基本車型顯示出CO2排放方面的優(yōu)勢(shì)。

開發(fā)初期就已對(duì)基本車型進(jìn)行了仔細(xì)的試驗(yàn)，以便采集動(dòng)力裝置的運(yùn)行性能作為參考基準(zhǔn)，并進(jìn)行精確的比較，同時(shí)以相對(duì)較少的費(fèi)用和較低的成本對(duì)燃料系統(tǒng)進(jìn)行改造，燃料貯存罐和供氣系統(tǒng)應(yīng)用了通用的零部件，而燃料管路和高壓泵則沿用了基本車型上的設(shè)施。由Delphi公司提供的缸內(nèi)直接噴射用的噴油器流量提高了約30%，以補(bǔ)償車用燃?xì)廨^小的密度。

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)完全轉(zhuǎn)換成快速樣機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（RPEMS）電控單元，它能完全按照優(yōu)化特性曲線場(chǎng)和汽車使用燃?xì)庑旭傊匦聵?biāo)定進(jìn)行控制。在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上借助于篩選試驗(yàn)由量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)生成了基本特性曲線場(chǎng)數(shù)據(jù)。

在開發(fā)期間為發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車試驗(yàn)選擇了統(tǒng)一的LPG成分（按體積百分比計(jì)為50%丙烷、25%異丁烷和25%n-丁烷）。這種燃料成分按照EN589歐洲燃料規(guī)格設(shè)計(jì)，代表了歐洲車用燃?xì)馔ǔ５囊?guī)格。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

車用燃?xì)庥欣幕旌蠚庑纬商匦允沟冒l(fā)動(dòng)機(jī)能夠按盡可能最好的效率進(jìn)行標(biāo)定，而且不受生成的碳煙和顆粒物的限制。由于具有較好的燃燒穩(wěn)定性，能夠在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)借助于改變配氣定時(shí)后，仍能保證較高的內(nèi)部廢氣含量，通過使用燃?xì)獾恼{(diào)節(jié)參數(shù)就能使燃油耗減少高達(dá)5%。

雖然基本型發(fā)動(dòng)機(jī)使用汽油運(yùn)行時(shí)采用每循環(huán)最多3次噴射已能優(yōu)化到歐6標(biāo)準(zhǔn)，但是使用燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)的顆粒物排放的尺寸分布仍小于使用汽油運(yùn)行時(shí)的尺寸（圖3）。為了滿足未來顆粒物排放限值（例如RDE法規(guī)），這樣使用燃?xì)饩蜔o需顆粒捕集器了。圖4示出了相當(dāng)于使用LPG降低顆粒物排放的程度，在使用汽油機(jī)運(yùn)行時(shí)要采用顆粒捕集器才有可能實(shí)現(xiàn)。

圖3 使用汽油和燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)的顆粒物排放比較

由于燃?xì)饩哂休^高的辛烷值，因而與汽油相比，在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可利用其附加優(yōu)勢(shì)，采用LPG缸內(nèi)直接噴射能夠以化學(xué)計(jì)量比混合氣和明顯降低的爆燃限制達(dá)到全負(fù)荷功率，而且在高負(fù)荷范圍內(nèi)能明顯降低燃油耗和CO2排放。

圖4 車用燃?xì)庠贜EF2行駛循環(huán)中CO2和PN排放相對(duì)于汽油的優(yōu)勢(shì)

6 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于達(dá)到歐6排放限值需要優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)的排放，以及高效的加熱效果，以便使催化轉(zhuǎn)化器快速地起燃。與使用汽油運(yùn)行相比，使用燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)冷起動(dòng)和催化轉(zhuǎn)化器加熱的標(biāo)定要容易得多，因而也就更可靠。

7NEDC行駛循環(huán)燃?xì)庀牧?/p>

在行駛性能和廢氣排放標(biāo)定后，將汽車在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。在NEDC試驗(yàn)中，在全面達(dá)到歐6c廢氣排放法規(guī)要求的情況下，CO2排放能降低15%。如圖4所示，雖然這種改善效果中LPG的化學(xué)特性起到了最主要的作用(11%),但是LPG適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配標(biāo)定也起著重要的作用(4%)。在NEDC試驗(yàn)中，變速器是以固定換檔點(diǎn)行駛的，并且無起動(dòng)-停車功能。已通過模擬計(jì)算預(yù)測(cè)絕對(duì)CO2排放量可降低到95 g/km（2020年目標(biāo)），這是在附加應(yīng)用氣缸切斷、起動(dòng)-停車功能和雙離合器變速器，并且不采用會(huì)使成本大大提高的混合動(dòng)力化的情況下達(dá)到的。

8 車輛使用燃?xì)獾奶魬?zhàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)并無使用燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)特有的困難，但是因燃?xì)馓厥獾奈锢硖匦钥赡軙?huì)遭遇其他挑戰(zhàn)。

9 噴射系統(tǒng)控制的挑戰(zhàn)

與汽油相比，燃?xì)獾拿芏扰c壓力或溫度有密切的關(guān)系，尤其是液-氣相態(tài)轉(zhuǎn)換正好處于發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)典型的溫度范圍內(nèi)，由此可能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。為了克服這種影響，用于汽油的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)調(diào)整功能通過1種溫度修正模型予以擴(kuò)展，而這種溫度修正模型在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)或倒拖斷油后對(duì)于熱起動(dòng)能補(bǔ)償密度變化的影響。

10 發(fā)動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)的挑戰(zhàn)

由于燃?xì)饩哂懈叩膿]發(fā)性，特別是在熱機(jī)重新起動(dòng)時(shí)會(huì)存在某些挑戰(zhàn)?？赡軙?huì)引起“氣阻”現(xiàn)象，以致于液態(tài)燃料無法供應(yīng)給高壓燃料側(cè)。其中1種未使用的解決方案是采用來自燃料罐的冷液態(tài)燃料沖洗燃料泵的高壓室，并配備經(jīng)改進(jìn)的帶有單獨(dú)止回閥的高壓泵作為解決方案。

11 結(jié)論和展望

在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上使用LPG作為燃料顯示出多種多樣的優(yōu)點(diǎn)： （1） 可充分利用LPG資源；（2）可利用現(xiàn)有的加油站公共設(shè)施，易于擴(kuò)展供氣網(wǎng)絡(luò)；（3）有利于冷起動(dòng)和全負(fù)荷運(yùn)行的燃燒參數(shù)；（4）由于LPG的化學(xué)特性，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)中的良好燃燒性能，可顯著降低CO2排放；（5）發(fā)動(dòng)機(jī)使用LPG運(yùn)行時(shí)PN排放近乎為零，類似于使用其他氣體燃料運(yùn)行。

搭載1.4 L增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的樣車轉(zhuǎn)換成純LPG運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這些優(yōu)點(diǎn)。在NEDC工況下CO2排放總共降低了15%，其中LPG的化學(xué)特性起到的效果為11%,而其余4%則是LPG適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配標(biāo)定的效果。LPG出色的燃燒特性使得發(fā)動(dòng)機(jī)能在整個(gè)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行，這樣就能在高負(fù)荷和全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)獲得附加的顯著降低燃?xì)庀牧亢虲O2排放的效果。

由于使用LPG具有卓越的燃燒特性并能達(dá)到低的顆粒物排放，因而是極具吸引力的解決方案，除了能達(dá)到所必需的CO2排放目標(biāo)之外，還能以簡(jiǎn)易的方法采用傳統(tǒng)的廢氣后處理技術(shù)滿足即將實(shí)施的RDE法規(guī)要求。