基于大眾TDI發(fā)動機研發(fā)雙燃料發(fā)動機

日前，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zürich）的研究學者研究開發(fā)了一種采用雙燃料天然氣-柴油輕型混合動力的電動汽車。其中所謂雙燃料混合動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，此雙燃料動力組合也可用于非油電混合動力車型。

在雙燃料動力發(fā)動機中，采用了常用的點火氣體天然氣來作為點火燃料，其中天然氣被注射到壓燃式柴油發(fā)動機的進氣歧管中。在此點火過程中并未采用常用的火花塞點火，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火方式。這種點火方式應用商業(yè)化已經非常成功，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)動機均采用此種點火方式，此種點火方式不僅具有高性能、高效率的優(yōu)點，而且還具有低二氧化碳排放以及低尾氣排放的特點。

研究小組采用了大眾2.0升TDI柴油發(fā)動機作為研究對象，其中該發(fā)動機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)動機壓縮比為16.5:1。研究小組對該發(fā)動機進行一系列的改進，其中在發(fā)動機燃料入口處安裝了一個氣體燃料噴射系統(tǒng)，還配備了低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。另外，還在四個發(fā)動機缸體內安裝了氣缸壓力傳感器。

在雙燃料動力發(fā)動機中，燃燒相位和燃燒噪聲在燃料噴射開始時非常敏感。至于燃燒開始的時間將取決于燃料注射時間以及柴油的點火延遲時間。而柴油的點火延遲時間主要取決于柴油燃料的化學反應動力學，在此燃燒化學反應過程中壓力、溫度或氣缸充氣組合物的微小變化都會引起整個過程的不同。

為了克服這個困難，保證發(fā)動機可以在瞬態(tài)期間仍能保證正常穩(wěn)定運轉，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zürich）研究小組采用了反饋控制系統(tǒng)。通過測量發(fā)動機氣缸內壓力來確定天然氣噴射時間以及柴油燃料的持續(xù)噴射時間。

實驗

在實驗過程中，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（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)動機、雙燃料動力發(fā)動機以及油電混合發(fā)動機來進行對比試驗。其中油電混合發(fā)動機采用了20千瓦的牽引電動機，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)動機和雙燃料混合發(fā)動機的各自的潛能。

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，因此無需后續(xù)尾氣處理工序。

天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動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)動機高負載情況下氣缸內主要進行化學反應，這激發(fā)了發(fā)動機三路催化轉換器的工作。與普通柴油發(fā)動機相比，天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動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，為非油電混合動力發(fā)動機進行了硬件閉環(huán)反饋系統(tǒng)實驗，證明了天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動機瞬態(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：

“在對油電混合動力加天然氣-柴油雙燃料混合發(fā)動機的仿真實驗過程中，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）分別進行了不同的測試實驗（NEDC，WLTP）。實驗結果表明，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為發(fā)動機燃燒效率很高，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，發(fā)動機內氣體燃燒效率最高。