商用车用天然气动力总成的研发

【日】 原裕一 貴志彰仁

0 前言

目前,在全球范围内得以普及的天然气汽车的保有量已超过2 400 万辆,并呈现出逐年增加的趋势。由于页岩气等常规型燃气资源的逐步实用化,天然气的供应量不断增加。考虑到车用燃料的多样化及能源环境体系的日渐改善,且天然气发动机自身具有降低CO2排放的效果,天然气汽车正在逐步引起业界关注。

1 概况

天然气汽车是世界范围内应用最广的替代燃料汽车。过去,日本曾将天然气汽车定位成清洁型汽车,同时致力于天然气汽车的推广与普及,并以此作为防治大气污染的对策。近年来,随着页岩气等新型天然气资源的不断开发,已探明的资源储量有所增加。考虑到天然气价格低廉,供应趋于稳定,日本政府已将天然气汽车作为替代燃油车引进市场,并逐步实现应用与推广。另一方面,世界范围内的各大城市正在推进以乘用车、轻型载货车(LCV)为主要车型的天然气汽车的普及。然而,在上述国家及地区,天然气汽车保有量依然相对较低。近年来,出于能源保障等方面的原因,以亚洲国家(如中国等)为中心的市场促进了天然气汽车向载货汽车与城市客车领域的逐步过渡。结果表明,配装有天然气发动机的载货汽车及客车的保有量已超过天然气燃料汽车(NGV)总保有量的10%。

甲烷作为天然气的主要成分,其CO2排放量比石油低约27%。此外,利用生物基天然气及甲烷化处理过程所制备的人造甲烷正在被逐渐定位为碳中性燃料。因此,天然气可被用作防止地球温室效应的有效对策,并逐渐受到广泛关注。

2 商用车天然气发动机

以往,制约天然气汽车发展的1项重要因素是天然气汽车较短的续航里程。天然气属于气体燃料,按气体形态填充压缩天然气(CNG)的汽车燃料装载效率比液态燃料低。通常认为,天然气汽车不适用于长距离行驶,因而将其应用于行驶路程较短的乘用车及LCV 领域,并实现推广和普及。

此外,由于燃烧方式不同,以天然气发动机为代表的火花点火式发动机具有如图1 所示的特征。由于火花点火式发动机在低负荷区受节流阀泵气损失等因素的影响,热效率有所降低。相反,在高负荷区泵气损失的影响则较小。如前文所述,源于燃料的降低CO2排放的显著效果已在天然气商用车领域得以体现。

图1 天然气发动机的特性

出于天然气发动机特性的原因,该机型在高负荷区的使用频率较高,这是在大型商用车领域普及天然气汽车的重要举措,其降低CO2排放量的效果较为显著。

目前,各国政府在不断推进天然气发动机的普及(图2)。天然气发动机当前有待解决的课题是由于燃料装载效率较低而导致整车续航里程较短。在大型载货汽车中,通过设定车体与容许质量的裕量,并配装大容量的CNG 燃料罐,以延长续航里程。但在目前的情况下,其续航里程仍然比同级柴油车低30%左右,依然有进一步提升的潜力。

如需改进上述问题,可考虑以下2个途径：(1)改善发动机热效率；(2)改进燃料储存方法,实现气体的高密度化或液化。

图2 天然气发动机的种类

3 天然气发动机的研发

下文将重点介绍当今日本主流天然气商用车制造商五十铃汽车公司在天然气发动机领域的研发情况。

五十铃汽车公司出于环境保护与能源保障的角度,主动致力于清洁型汽车及替代燃料汽车的研发。目前,五十铃汽车公司已将天然气汽车定位成1种替代燃料汽车,并主动开展相关研发进程。目前,五十铃汽车公司已上市销售了总量超过17 000辆的各类天然气汽车(图3)。

1993年,五十铃汽车公司推出日本首款天然气小型载货汽车,并逐步将车型型谱扩展到中型载货汽车、客车及其他车型。

2005年,五十铃汽车公司将4 HV1型天然气发动机投放市场,这也是天然气发动机中首款实现量产的机型(在日本本土首次采用多点点火(MPI)方式)。2015年,五十铃汽车公司将配装了6UV1型天然气发动机的大型载货汽车“GIGA-CNG”推向市场(图4)。

图3 五十铃汽车公司的天然气商用车的发展

图4 大型CNG 载货车“GIGA-CNG”

上述车型具有较好的CO2减排性能,对改善环境起到了重要作用,同时实现了传统大型载货汽车所需的驾驶便捷性与可靠性。下文将重点介绍“GIGA-CNG”车型上所配装的6 UV1型天然气发动机(图5)。

图5 6UV1型天然气发动机性能

6UV1型天然气发动机以6UZ1型柴油机为基本机型,将其改型为天然气发动机。由于其通常在大型车辆特有的高负荷区使用,可实现优于柴油机的CO2减排效果。

4 天然气发动机的后续开发进程

五十铃汽车公司正在大力推进如图6所示的新一代天然气发动机的技术开发进程。针对前文所述的续航里程及进一步降低CO2排放的课题,五十铃汽车公司针对发动机热效率及燃料储存方法的改善而逐步开展研究。

图6 下一代天然气发动机

4.1 改善发动机热效率

天然气是1类高辛烷值燃料,适用于火花点火式发动机,其碳氢比(C/H)较低,单位热值的CO2排放量较少。预燃式燃烧过程的燃烧速度由火焰传播速度决定,由于需要抑制爆燃现象产生,所以发动机的热效率相应会受到限制。

为进一步提升发动机热效率,该机型采用了双燃料压缩点火式发动机(DFCI)燃烧方式,即利用轻柴油喷雾以实现多点着火,通过提高天然气燃料的燃烧速度,以及利用稀薄混合气以实现快速燃烧,同时也提高了整机热效率。这种燃烧方式所面临的1项亟待解决的课题是未燃甲烷的排放。目前,五十铃汽车公司在致力于解决该问题。上述燃烧方式可获得类似于柴油车的强劲动力与高效率,并有望作为CO2减排技术得以推广应用。

4.2 燃料储存方法的改善

如前文所述,当前有待解决的实际问题包括气体燃料补充量比液态燃料低,同时续航里程较短。解决该问题的有效途径是采用液化天然气(LNG)作为燃料。LNG 将天然气于低温状态下处理成液态燃料,从而便于储存、运输和使用。液化天然气与在标准大气压下的天然气相比,前者体积仅为后者的1/600,从而实现了天然气的高密度化处理过程。通过进一步补充天然气,相比CNG 汽车,LNG 汽车理论上可实现高达3倍的续航里程。

当前,日本国内的LNG 汽车尚未实现量产,而在日本国外,如中国和美国,已有20万辆以上的LNG 汽车正在投入运行。在天然气汽车领域中,LNG 汽车已占有一席之地。此外,LNG 与CNG 燃料的来源相同,动力总成无需进行较大改动,也是其优点之一。

五十铃汽车公司自2014年起就已致力于LNG 大型载货汽车的研发工作。大型LNG 载货汽车的基本对标车型是五十铃汽车公司于2015 年上市销售的CNG 大型载货汽车“GIGA-CNG”,其主要的技术调整对象是燃油系统(图7)。

图7 LNG 大型载货汽车系统概况图

此外,燃料储存罐使用了当前在欧美国家已有较好销售业绩的同类产品。

在LNG 汽车逐渐得以实用化时,需解决以下2类技术问题。

(1)燃料蒸发气体。LNG 是在-160℃以下储存的低温液化气体,由于与周围环境处于热平衡状态,在燃料沸腾时,液态燃料会蒸发并产生气体。燃料蒸发的气体主要成分是甲烷,要求进一步抑制未燃甲烷的排放。

(2)基础设施的建设。作为新型燃料,亟需解决的1项问题是燃料供应基础设施的建设与完善。

为解决上述问题,五十铃汽车公司参与了日本国土交通省及环境省所开展的规划项目的优化与实施。为了应对LNG 燃料的气体蒸发现象,日本国土交通省采取了相应措施,以推进新一代环保汽车的发展。

从2015年起,五十铃汽车公司参与了日本国土交通省对新一代汽车的推广工作,开展了“基于大型LNG 载货汽车燃料蒸发气体技术标准的制定”。五十铃汽车公司致力于抑制LNG 汽车燃料蒸发排放的研究,利用图8所示的甲烷吸附材料,以实现对燃料蒸发气体的吸附与释放,同时力求降低燃料蒸发气体的排放。通过新开发系统的相关功能以吸附燃料蒸发气体,系统能将其作为运转时排放的燃料加以回收及利用。调查结果表明,该措施能使燃料蒸发气体持续时间保持240 h(图9)。

图8 抑制燃料蒸发气体排放系统的技术概况

图9 抑制燃料蒸发气体排放的效果

另外,以在技术验证过程中获得的相关经验为基础,研究了技术标准的筹划与制定过程。2017年6月,参照联合国UNR110标准,LNG 汽车结构标准被引入到日本国内。至2018年3月,相关人员已完成了针对该技术标准的制定工作。

在基础设施的建设方面,日本环境厅开展了CO2强化减排对策与引导型技术开发及相关验证工作。

从2016年起,五十铃汽车公司参与了由日本环境厅开展的CO2强化减排对策引导型技术开发及验证工作。在“大型LNG 载货汽车及最佳燃料补充基础设施的开发及验证工作”中,通过发展大型LNG 载货汽车,五十铃汽车公司已成功推动了验证工作的开展(图10)。

图10 LNG 大型载货汽车的整体外观

以交通运输领域的CO2减排工作为目标,五十铃汽车公司致力于开发可实现长距离行驶的大型LNG载货汽车,同时致力于LNG 燃料补充基础设施的建设与完善(图11)。当前,该项工作中已完成对LNG载货汽车的开发。从2018年起,五十铃汽车公司通过用户(运输公司)开始实现对LNG 载货汽车的监控运行。

图11 LNG 载货汽车与燃料填充基础设施

5 结语

天然气是对环境有着较小影响的矿物燃料。此外,其资源储存量据称可满足今后长达200年的能源需求,是1类充满前景的高储量自然资源。

替代燃料车并非用于完全取代以石油为燃料来源的传统汽车,而是充分利用其自身特性,采取“材地适宜”(适合的材料用在适合的地点)的方法进行研发。在大型载货汽车及客车上推广应用天然气发动机,能最大限度地发挥天然气发动机的优势。此外,就能源保障方面而言,相关部门正逐步构建及完善社会基础设施,实现载货汽车与客车燃料供应的多样化。

今后,五十铃汽车公司仍然会致力于环境友好且具有完善能源保障体系的天然气汽车的研发与推广。