基于大众TDI发动机研发双燃料发动机

    日前，苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）的研究学者研究开发了一种采用双燃料天然气-柴油轻型混合动力的电动汽车。其中所谓双燃料混合动力是指天然气与柴油混合。据Energies期刊介绍，采用此双燃料油电混合动力的微型车在New European Driving Cycle（NEDC）工况下其二氧化碳排放量可降低至43克/千米。另外，此双燃料动力组合也可用于非油电混合动力车型。

    在双燃料动力发动机中，采用了常用的点火气体天然气来作为点火燃料，其中天然气被注射到压燃式柴油发动机的进气歧管中。在此点火过程中并未采用常用的火花塞点火，而是采用了天然气空气预混合以及掺有少量直喷柴油燃料的点火方式。这种点火方式应用商业化已经非常成功，其中加拿大西港创新公司（Westport Innovations）和美国清洁能源公司（Clean Air Power）的重型发动机均采用此种点火方式，此种点火方式不仅具有高性能、高效率的优点，而且还具有低二氧化碳排放以及低尾气排放的特点。

    研究小组采用了大众2.0升TDI柴油发动机作为研究对象，其中该发动机采用了共轨式柴油喷射系统、外形尺寸变化的涡轮增压器以及高压尾气再循环系统，该发动机压缩比为16.5:1。研究小组对该发动机进行一系列的改进，其中在发动机燃料入口处安装了一个气体燃料喷射系统，还配备了低压废气再循环系统。另外，还在四个发动机缸体内安装了气缸压力传感器。

    在双燃料动力发动机中，燃烧相位和燃烧噪声在燃料喷射开始时非常敏感。至于燃烧开始的时间将取决于燃料注射时间以及柴油的点火延迟时间。而柴油的点火延迟时间主要取决于柴油燃料的化学反应动力学，在此燃烧化学反应过程中压力、温度或气缸充气组合物的微小变化都会引起整个过程的不同。

    为了克服这个困难，保证发动机可以在瞬态期间仍能保证正常稳定运转，苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）研究小组采用了反馈控制系统。通过测量发动机气缸内压力来确定天然气喷射时间以及柴油燃料的持续喷射时间。

实验

    在实验过程中，苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）研究小组采用了对比试验。其中分别采用了普通柴油发动机、双燃料动力发动机以及油电混合发动机来进行对比试验。其中油电混合发动机采用了20千瓦的牵引电动机，其油电混合比例非常高，目的是为了研究对比油电混合发动机和双燃料混合发动机的各自的潜能。

    研究数据表明：天然气-柴油双燃料混合发动机燃油效率高达39.5%，而且在各种工况下，天然气-柴油双燃料混合发动机尾气氮氧化物的含量也仅为75ppm，烟尘浓度也低于3毫克/立方米，因此无需后续尾气处理工序。

   天然气-柴油双燃料混合发动机低负载情况下天然气比例较低，高负载情况下天然气所占比例会相应提高，最高比例可达98%。在天然气-柴油双燃料混合发动机高负载情况下气缸内主要进行化学反应，这激发了发动机三路催化转换器的工作。与普通柴油发动机相比，天然气-柴油双燃料混合发动机在大比例天然气工作状态下，其可以降低高达22%的二氧化碳排放量。

    苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）研究小组在Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures （WLTP）测试中，为非油电混合动力发动机进行了硬件闭环反馈系统实验，证明了天然气-柴油双燃料混合发动机瞬态操作的可能性。

    LinoGuzzella教授研究小组博士生Tobias Ott作为论文的第一作者在Energies期刊论文中介绍到：

    “在对油电混合动力加天然气-柴油双燃料混合发动机的仿真实验过程中，该组合表现出了极低的二氧化碳排放量。其中试验包括对三种不同类型的车辆（微型车、紧凑型车以及全尺寸车）分别进行了不同的测试实验（NEDC，WLTP）。实验结果表明，这三种车辆的二氧化碳排放量从43克/千米到77克/千米不等。之所以能够得到较低的二氧化碳排放量是因为发动机燃烧效率很高，而且燃烧气体中天然气所占比重很大。其中发动机平均燃烧效率从34.9%到36.4%不等。另外，研究结果还表明在天然气比例在89.6%到94.1%之间时，发动机内气体燃烧效率最高。