甲烷是一種能替代常規(guī)燃料的代用燃料，特別是在應(yīng)用于經(jīng)相應(yīng)調(diào)整的汽油機(jī)場(chǎng)合，其為天然氣、生物甲烷或可完全不影響CO2排放的用電能制取的E-甲烷（譯注：E指用電能制取的燃料）的主要成分，而且所有的甲烷燃料可以任意比例混合并用于天然氣汽車。由于具有非常有利的C/H混合比例，使用化石甲烷作為燃料已能使CO2排放量比使用汽油運(yùn)行時(shí)降低達(dá)20%以上。除此之外，因具有較高的抗爆性，還能改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率，且甲烷燃燒時(shí)排放的有害物質(zhì)較少，在以化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行時(shí)幾乎測(cè)量不到顆粒排放，汽車的NOx排放也能通過廢氣后處理裝置而降低到限值水平以下。

2 直接噴射MTDI-ECOBOOST發(fā)動(dòng)機(jī)

迄今為止提供的天然氣汽車通常都是使用現(xiàn)有汽油機(jī)的衍生機(jī)型作為動(dòng)力源的。一般而言，因成本原因，與使用汽油運(yùn)行相比，其在升功率和平均有效壓力方面都存在缺陷。在歐盟推動(dòng)的“Horizon2020 GasOn”（“2020年用氣前景”）項(xiàng)目框架中開發(fā)了一種專門為天然氣動(dòng)力設(shè)計(jì)的甲烷渦輪增壓直接噴射（MTDI）發(fā)動(dòng)機(jī)，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)列于表1，它是以Ford公司3缸1.0 L-Ecoboost（譯注：意為“促進(jìn)生態(tài)”）發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而成的。由于壓縮比高、增壓度高和燃燒重心位置早而使其機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷明顯較高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)計(jì)成具有能承受較高峰值壓力的能力。與進(jìn)氣管增壓和平行順序的雙渦輪增壓系統(tǒng)相比，氣體燃料直接增壓減少了充氣損失，并與全可變氣門機(jī)構(gòu)相結(jié)合能提供為達(dá)到優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)性能所必需的空氣量。進(jìn)氣側(cè)的可變氣門控制除了調(diào)節(jié)配氣相位之外，還能調(diào)節(jié)氣門升程或氣門開啟持續(xù)時(shí)間，而且能減小換氣功。排氣側(cè)類似的系統(tǒng)可用于連續(xù)控制的增壓系統(tǒng)。

表1 MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)值

3 發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷部件的調(diào)整

提高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷要求基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種部件均能精準(zhǔn)地進(jìn)行調(diào)整，以便使MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)耐久運(yùn)轉(zhuǎn)。借助于計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的技術(shù)支持，對(duì)整個(gè)冷卻循環(huán)回路、氣缸蓋、氣缸體曲軸箱以及諸如第二個(gè)增壓器軸承殼或廢氣放氣閥那樣的輔助部件進(jìn)行了精準(zhǔn)的修改，使氣缸蓋和氣缸體的熱區(qū)得到足夠的冷卻，而又不會(huì)顯著提高整個(gè)冷卻循環(huán)回路中的壓力損失。為了進(jìn)一步降低燃油耗，發(fā)動(dòng)機(jī)配備了一個(gè)電控節(jié)溫器，其能提高部分負(fù)荷時(shí)氣缸體中冷卻液的溫度，從而減小活塞摩擦。

集成全可變氣門機(jī)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)MTDI氣缸蓋，其中孔距和孔徑以及氣門尺寸都要在現(xiàn)有批產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。MTDI氣缸蓋（圖1）具有兩個(gè)獨(dú)立的整體式排氣歧管，其各自分別僅與每缸兩個(gè)排氣門中的一個(gè)排氣門相連通，并分別控制一個(gè)廢氣渦輪增壓器。分成3部分的冷卻水套確保了足夠的冷卻功能。較高的燃燒壓力需要每缸增加2個(gè)氣缸蓋螺栓。整個(gè)廢氣管路是借助于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）與布局優(yōu)化程序而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此其質(zhì)量流量比基礎(chǔ)機(jī)型提高了11%。

圖1 MTDI氣缸蓋

活塞配備了環(huán)形冷卻通道和一個(gè)專門開發(fā)的活塞環(huán)托架，而燃燒室形狀則借助于CFD計(jì)算針對(duì)高壓縮比下的混合氣形成而進(jìn)行優(yōu)化。

借助用于結(jié)構(gòu)分析和熱負(fù)荷的CAE工具，針對(duì)峰值功率狀況調(diào)整了開口頂面-深裙式氣缸體曲軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是加強(qiáng)了軸承座和缸筒上部范圍，而且新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使其能容納足夠數(shù)量的氣缸蓋螺栓，與基礎(chǔ)機(jī)型相比氣缸體曲軸箱的總質(zhì)量幾乎保持不變。在熱負(fù)荷最大的氣缸鼻梁區(qū)布設(shè)有冷卻通道，以便使冷卻液能流經(jīng)受熱部位并進(jìn)行冷卻，使其達(dá)到可接受的材料溫度。一個(gè)單獨(dú)的機(jī)油道能借助于電磁閥控制機(jī)油噴嘴冷卻活塞。為了適應(yīng)高燃燒壓力下的曲軸箱通風(fēng)，鑲鑄了機(jī)油回流和通風(fēng)組合使用的通道，并調(diào)整了該通道的橫截面積。鍛造的鋼曲軸替代了量產(chǎn)的鑄造曲軸。

從一開始設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)就已預(yù)先考慮過安裝一種能調(diào)節(jié)可變壓縮比的裝置，其挑戰(zhàn)在于在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用，而該發(fā)動(dòng)機(jī)因缸心距較小僅有有限的結(jié)構(gòu)空間可供使用，同時(shí)峰值壓力又非常高。

由于相比進(jìn)氣管增壓具有更顯著的優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)先確定的結(jié)構(gòu)空間尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)范下為MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)了一種氣體燃料直接噴射系統(tǒng)，其工作重點(diǎn)是在CAE有效的支持下優(yōu)化流量特性和計(jì)量特性以及開發(fā)噴射調(diào)節(jié)策略。為了避免損壞噴射器，必須限制噴射窗口，使噴射器與臨界氣缸壓力保持足夠的間距以免出現(xiàn)無法開啟的現(xiàn)象。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)具有一種機(jī)械式全可變氣門傳動(dòng)系統(tǒng)（CVVL），可連續(xù)地調(diào)節(jié)氣門升程或氣門開啟持續(xù)時(shí)間，MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)均使用了這種氣門系統(tǒng)。進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的所有氣門機(jī)構(gòu)部件均集成在氣缸蓋罩殼中。

該發(fā)動(dòng)機(jī)出色的升扭矩和升功率目標(biāo)需要較高的增壓壓力水平。為此，借助于1-D-CAE模擬設(shè)計(jì)了一種調(diào)節(jié)式增壓系統(tǒng)，其有兩個(gè)平行布置的渦輪增壓器、一個(gè)壓氣機(jī)旁通閥和一個(gè)再循環(huán)閥組成（圖2）。第一個(gè)渦輪增壓器（TC 1）持續(xù)運(yùn)行，而第二個(gè)相同尺寸的渦輪增壓器（TC 2）則借助于CVVL系統(tǒng)在較高的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)才接通，因此需要特別關(guān)注從單渦輪運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換到雙渦輪運(yùn)行模式，為此進(jìn)行了廣泛的CAE試驗(yàn)研究，對(duì)于所選擇的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)換范圍確定為2 700～2 800 r/min，以所示的壓氣機(jī)布置方式能實(shí)現(xiàn)合理的轉(zhuǎn)換而不會(huì)影響到行駛舒適性。

圖2 平行順序調(diào)節(jié)式增壓系統(tǒng)

圖3示出了為使用甲烷高效運(yùn)行全新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的全貌，其中包含了事先所設(shè)想的新技術(shù)。

圖3 為使用甲烷運(yùn)行設(shè)計(jì)的MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)

純甲烷運(yùn)行對(duì)燃燒過程提出了很高的要求，因此進(jìn)氣道、燃燒室和活塞的幾何形狀必須予以調(diào)整。進(jìn)氣道是帶有導(dǎo)氣屏的，以便即使在進(jìn)氣門早關(guān)（FES）的配氣定時(shí)情況下也能在點(diǎn)火時(shí)刻產(chǎn)生足夠的充量運(yùn)動(dòng)。在小排量MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)情況下，因壓縮比較大即已預(yù)先確定了活塞頂?shù)膸缀涡螤?，此外全可變氣門機(jī)構(gòu)盡可能寬的調(diào)節(jié)范圍要求活塞頂上布設(shè)有合適氣門凹坑。在考慮到此類限制的情況下，用于燃燒甲烷的活塞幾何形狀被設(shè)計(jì)得能實(shí)現(xiàn)盡可能均質(zhì)化的混合氣。

由于氣體燃料噴射過程具有非常復(fù)雜和突出特點(diǎn)的特性，優(yōu)化甲烷直接噴射需要進(jìn)行詳細(xì)的3-D-CFD數(shù)值模擬研究。與使用汽油運(yùn)行的汽油機(jī)不同，直噴式甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)必須考慮到其不具備常規(guī)燃料的蒸發(fā)汽化現(xiàn)象，而且氣體動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)量具有顯著的差別，因此為了使甲烷直接噴射模擬達(dá)到令人滿意的精度，第一步就要開發(fā)建模技術(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)。圖4示出了采用大渦模擬（LES）和各種雷諾平均-計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（RANS-CFD）模型進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值模擬的比較。雖然RANS詳細(xì)示出了相關(guān)流場(chǎng)，但是LES表明了更好的高動(dòng)態(tài)氣體燃料噴束與測(cè)量數(shù)據(jù)的相互關(guān)系。

圖4 甲烷噴射過程的數(shù)值模擬

4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖5示出了MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)單/雙渦輪運(yùn)行時(shí)的全負(fù)荷曲線和整個(gè)特性曲線場(chǎng)中測(cè)得的效率。MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)以120 kW功率超出了功率目標(biāo)值10 kW，并且在1 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到了所要求的240 N·m扭矩（平均有效壓力3 MPa）。除了達(dá)到了高達(dá)38%的峰值效率之外，還在極大的范圍內(nèi)顯現(xiàn)出了高效率。

圖5 單/雙渦輪運(yùn)行時(shí)的MTDI發(fā)動(dòng)機(jī)效率特性曲線場(chǎng)和全負(fù)荷曲線

對(duì)于一輛7座中級(jí)廂式車所進(jìn)行的行駛循環(huán)CO2排放模擬計(jì)算的結(jié)果表明，新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）行駛循環(huán)為93 g/km，負(fù)荷較高的全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)程序（WLTP）行駛循環(huán)為120 g/km，因此前面所介紹的技術(shù)組合導(dǎo)致了較低的CO2排放，以此為未來降低廢氣排放的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。