关于轿车最佳甲烷发动机的开发过程详解

甲烷是一种能替代常规燃料的代用燃料，特别是在应用于经相应调整的汽油机场合，其为天然气、生物甲烷或可完全不影响CO2排放的用电能制取的E-甲烷（译注：E指用电能制取的燃料）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气汽车。由于具有非常有利的C/H混合比例，使用化石甲烷作为燃料已能使CO2排放量比使用汽油运行时降低达20%以上。除此之外，因具有较高的抗爆性，还能改善发动机效率，且甲烷燃烧时排放的有害物质较少，在以化学计量比运行时几乎测量不到颗粒排放，汽车的NOx排放也能通过废气后处理装置而降低到限值水平以下。

2 直接喷射MTDI-ECOBOOST发动机

迄今为止提供的天然气汽车通常都是使用现有汽油机的衍生机型作为动力源的。一般而言，因成本原因，与使用汽油运行相比，其在升功率和平均有效压力方面都存在缺陷。在欧盟推动的“Horizon2020 GasOn”（“2020年用气前景”）项目框架中开发了一种专门为天然气动力设计的甲烷涡轮增压直接喷射（MTDI）发动机，其基础数据列于表1，它是以Ford公司3缸1.0 L-Ecoboost（译注：意为“促进生态”）发动机为基础设计而成的。由于压缩比高、增压度高和燃烧重心位置早而使其机械负荷和热负荷明显较高，因此发动机被设计成具有能承受较高峰值压力的能力。与进气管增压和平行顺序的双涡轮增压系统相比，气体燃料直接增压减少了充气损失，并与全可变气门机构相结合能提供为达到优异的发动机性能所必需的空气量。进气侧的可变气门控制除了调节配气相位之外，还能调节气门升程或气门开启持续时间，而且能减小换气功。排气侧类似的系统可用于连续控制的增压系统。

表1  MTDI发动机目标值

项目	参数
燃 料	甲烷
压缩比	13
最大功率/kW	110
起步扭矩/（N·m）	240（1 500 r/min）
容许的最高爆发压力（平均值/峰值）/MPa	16.0/18.5
最大功率转速/（r·min-1）	6 000

3 发动机高负荷部件的调整

提高的机械负荷和热负荷要求基础发动机的各种部件均能精准地进行调整，以便使MTDI发动机实现耐久运转。借助于计算机辅助工程（CAE）实现强有力的技术支持，对整个冷却循环回路、气缸盖、气缸体曲轴箱以及诸如第二个增压器轴承壳或废气放气阀那样的辅助部件进行了精准的修改，使气缸盖和气缸体的热区得到足够的冷却，而又不会显著提高整个冷却循环回路中的压力损失。为了进一步降低燃油耗，发动机配备了一个电控节温器，其能提高部分负荷时气缸体中冷却液的温度，从而减小活塞摩擦。

集成全可变气门机构需要重新设计MTDI气缸盖，其中孔距和孔径以及气门尺寸都要在现有批产发动机基础上进行调整。MTDI气缸盖（图1）具有两个独立的整体式排气歧管，其各自分别仅与每缸两个排气门中的一个排气门相连通，并分别控制一个废气涡轮增压器。分成3部分的冷却水套确保了足够的冷却功能。较高的燃烧压力需要每缸增加2个气缸盖螺栓。整个废气管路是借助于计算流体动力学（CFD）与布局优化程序而进行设计的，因此其质量流量比基础机型提高了11%。

图1  MTDI气缸盖 

活塞配备了环形冷却通道和一个专门开发的活塞环托架，而燃烧室形状则借助于CFD计算针对高压缩比下的混合气形成而进行优化。

借助用于结构分析和热负荷的CAE工具，针对峰值功率状况调整了开口顶面-深裙式气缸体曲轴箱的结构设计，主要是加强了轴承座和缸筒上部范围，而且新设计的结构使其能容纳足够数量的气缸盖螺栓，与基础机型相比气缸体曲轴箱的总质量几乎保持不变。在热负荷最大的气缸鼻梁区布设有冷却通道，以便使冷却液能流经受热部位并进行冷却，使其达到可接受的材料温度。一个单独的机油道能借助于电磁阀控制机油喷嘴冷却活塞。为了适应高燃烧压力下的曲轴箱通风，镶铸了机油回流和通风组合使用的通道，并调整了该通道的横截面积。锻造的钢曲轴替代了量产的铸造曲轴。

从一开始设计发动机时就已预先考虑过安装一种能调节可变压缩比的装置，其挑战在于在发动机上的实际应用，而该发动机因缸心距较小仅有有限的结构空间可供使用，同时峰值压力又非常高。

由于相比进气管增压具有更显著的优点，在预先确定的结构空间尺寸和运转规范下为MTDI发动机开发了一种气体燃料直接喷射系统，其工作重点是在CAE有效的支持下优化流量特性和计量特性以及开发喷射调节策略。为了避免损坏喷射器，必须限制喷射窗口，使喷射器与临界气缸压力保持足够的间距以免出现无法开启的现象。

曲柄连杆机构具有一种机械式全可变气门传动系统（CVVL），可连续地调节气门升程或气门开启持续时间，MTDI发动机的进气侧和排气侧均使用了这种气门系统。进气侧和排气侧的所有气门机构部件均集成在气缸盖罩壳中。

该发动机出色的升扭矩和升功率目标需要较高的增压压力水平。为此，借助于1-D-CAE模拟设计了一种调节式增压系统，其有两个平行布置的涡轮增压器、一个压气机旁通阀和一个再循环阀组成（图2）。第一个涡轮增压器（TC 1）持续运行，而第二个相同尺寸的涡轮增压器（TC 2）则借助于CVVL系统在较高的转速和负荷时才接通，因此需要特别关注从单涡轮运行模式转换到双涡轮运行模式，为此进行了广泛的CAE试验研究，对于所选择的涡轮增压器的转换范围确定为2 700～2 800 r/min，以所示的压气机布置方式能实现合理的转换而不会影响到行驶舒适性。

图2  平行顺序调节式增压系统

图3示出了为使用甲烷高效运行全新设计的发动机的全貌，其中包含了事先所设想的新技术。

图3  为使用甲烷运行设计的MTDI发动机

纯甲烷运行对燃烧过程提出了很高的要求，因此进气道、燃烧室和活塞的几何形状必须予以调整。进气道是带有导气屏的，以便即使在进气门早关（FES）的配气定时情况下也能在点火时刻产生足够的充量运动。在小排量MTDI发动机情况下，因压缩比较大即已预先确定了活塞顶的几何形状，此外全可变气门机构尽可能宽的调节范围要求活塞顶上布设有合适气门凹坑。在考虑到此类限制的情况下，用于燃烧甲烷的活塞几何形状被设计得能实现尽可能均质化的混合气。

由于气体燃料喷射过程具有非常复杂和突出特点的特性，优化甲烷直接喷射需要进行详细的3-D-CFD数值模拟研究。与使用汽油运行的汽油机不同，直喷式甲烷发动机必须考虑到其不具备常规燃料的蒸发汽化现象，而且气体动力学和气体动量具有显著的差别，因此为了使甲烷直接喷射模拟达到令人满意的精度，第一步就要开发建模技术并进行试验。图4示出了采用大涡模拟（LES）和各种雷诺平均-计算流体动力学（RANS-CFD）模型进行详细数值模拟的比较。虽然RANS详细示出了相关流场，但是LES表明了更好的高动态气体燃料喷束与测量数据的相互关系。

图4  甲烷喷射过程的数值模拟

4 发动机试验结果

图5示出了MTDI发动机单/双涡轮运行时的全负荷曲线和整个特性曲线场中测得的效率。MTDI发动机以120 kW功率超出了功率目标值10 kW，并且在1 500 r/min转速时达到了所要求的240 N·m扭矩（平均有效压力3 MPa）。除了达到了高达38%的峰值效率之外，还在极大的范围内显现出了高效率。

图5  单/双涡轮运行时的MTDI发动机效率特性曲线场和全负荷曲线

对于一辆7座中级厢式车所进行的行驶循环CO2排放模拟计算的结果表明，新欧洲行驶循环（NEDC）行驶循环为93 g/km，负荷较高的全球统一的轻型车试验程序（WLTP）行驶循环为120 g/km，因此前面所介绍的技术组合导致了较低的CO2排放，以此为未来降低废气排放的目标奠定了基础。