Mercedes-Benz公司用于中重型載貨車的新型天然氣發動機

【德】 K.Hoffmann M.Benz M.Weirich H.O.Herrmann

1 新發動機系列

近幾年，Mercedes-Benz公司已用2種新開發的發動機系列替代了其整個載貨車柴油機型譜［1，2］，新發動機機型不僅滿足歐6排放標準，燃油耗也達到了國際領先水平［3］。Mercedes-Benz公司為有環保要求的用戶和地區提供M936G天然氣機型，該新機型首先搭載于歐6Econic車型，專門滿足地區性的環保要求。

2 開發目標

M936G型天然氣發動機最重要的開發目標是以一種新機型來替代2種老機型（圖1）。2000年以來，Mercedes-Benz公司以900和400系列6.9或12L排量柴油機為基礎研發的天然氣發動機在市場上取得了成功，這些機型都被設計成稀薄燃燒發動機，排放達到歐5-EEV（環保型汽車，其廢氣排放優于歐5）廢氣排放標準。由于2014年實施歐6排放標準，這些機型必須重新開發。Mercedes-Benz公司以OM93x柴油機系列為基礎進行開發，目標是盡可能繼承柴油機的零部件和特性值，使柴油機系列與M936G天然氣發動機系列之間具有互換性。這種天然氣機型能用于搭載220kW柴油機機型適用的所有車型［1］。所以，這款天然氣發動機既要滿足廢氣排放法規和小型化或提高功率等要求，同時仍要達到開發目標，即至少保持2種老機型的燃油耗，以及使用壓縮天然氣（CNG）的CO2排放量比使用柴油時降低25%。發動機和廢氣后處理系統可靠并有利于降低運行成本，采用λ＝1運行方案與廢氣再循環相結合，不僅可以使用三效催化轉化器，而且能達到良好的效率，并在運行范圍內低于柴油機的噪聲水平。

3 發動機結構

氣缸體曲軸箱和氣缸蓋的幾何形狀和尺寸與OM936柴油機相同，并按照CNG運行情況進行調整，并把廢氣再循環內的增壓、增壓空氣管路、點火和混合氣準備等所必需的零部件進行匹配調整。圖2示出了計算機輔助設計（CAD）彩圖及帶有天然氣管路及其執行器的天然氣發動機。CNG通過20MPa壓力的燃油罐噴出，在氣體壓力調節器中釋放壓力后進入CNG進氣閥，6個進氣閥將CNG經過1根公共管道釋放到混合器中，并與新鮮空氣流混合?？諝庠谠鰤浩鞯膲簹鈾C中被壓縮，并經增壓空氣冷卻器冷卻后，由節流閥根據功率進行調節。再循環廢氣在CNG混合器中被引入EGR混合器，所得到的混合氣被輸送到增壓空氣罐中。發動機廢氣有部分經過EGR冷卻器、EGR閥和EGR混合器摻入到CNG-空氣混合氣中。

廢氣質量流量的主要部分流經雙流道渦輪增壓器產生增壓壓力。渦輪后有前置催化轉化器，降低一部分廢氣排放。廢氣從前置催化轉化器通過汽車上專用的廢氣管道流入主催化轉化器，并進一步降低到歐6排放限值水平。以化學計量比混合氣運行需要使用1個三效催化轉化器，采用選擇性催化還原（SCR）系統進行氮氧化物（NOx）后處理車載診斷系統（OBD）需要第2個λ傳感器來監測廢氣后處理狀況。為了保護發動機免受爆燃燃燒的影響，集成了爆燃傳感器和爆燃調節功能，并根據測量溫度來監控廢氣溫度。

4 功率特性

M906LAG與M447hLAG機型的排量相差5L，對于開發M936G天然氣發動機頗具挑戰［4］。圖3示出了新開發的M936G天然氣發動機與2種老機型特性值的比較。與M906LAG機型相比，排量增加12%，扭矩增大14%，功率增加8%；與M447hLAG機型相比，排量降低36%，扭矩減小4%，功率減小8%。

與柴油機一樣，M936G天然氣發動機的最大扭矩為1200N·m，功率提高到222kW?？紤]到變速器的要求，全負荷特性曲線的差別很小，圖4示出了天然氣和柴油機型之間的差異。此外，考慮到冷卻系統最大熱負荷，與功率為220kW的OM936柴油機相比，M936G天然氣發動機的額定轉速降低到了2 000r／min。

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M936G天然氣發動機通過夏季和冬季的耐久運行和行駛試驗確保了發動機在汽車上的使用，在-26℃溫度時不采用其他方法就能起動，已成功搭載Econic車型在2 800m海拔高度地區拖掛23t，并在增加8%的拖掛質量下，完成了起步和行駛運行。

5 燃燒過程

燃燒過程中使用柴油機的活塞毛坯和氣缸蓋的進氣部分，為實現28.8kW／L升功率，選擇了米勒燃燒過程，在不損失功率的情況下，放棄部分氣缸充量，并采用化學計量比，無需過量的空氣。廢氣渦輪增壓器是為高增壓壓力設計的，而預壓縮的空氣在增壓空氣冷卻器中冷卻，從而達到較低的壓縮終了溫度，降低燃燒峰值溫度和廢氣溫度，較低的溫度水平有利于零部件熱負荷的耐久性和抗爆燃性能。燃燒室凹坑的幾何形狀和尺寸通過多個方案在單缸試驗機上進行優化，以改善爆燃和廢氣溫度狀況。高充量擾動水平有利于提高燃燒速度，獲得EGR高兼容性。通過應用EGR降低了峰值溫度并減少了壁面熱損失，同時提高了效率，減少了進入零部件中的熱量，并降低了廢氣溫度（圖5）［5］。當活塞向上運動時，氣缸蓋底面與橫向間隙之間的渦流被壓縮，并被擠向燃燒室中間的火花塞，因充量具有高擾動和良好的均質化，提高了燃燒和放熱速率。在一定的充量擾動程度或者EGR兼容性的情況下會產生一個目標沖突，氣缸中的流動場必須保持適當，既能減少熱損失，又有利于提供良好的點火條件。

6 空氣和天然氣管理

在開發時特別重視空氣／廢氣與CNG的混合，獲得盡可能良好的均質化?？諝馀cCNG的混合是在混合器中進行的，并與EGR分開。出于可靠性的原因，CNG采用幾個CNG噴射閥通過中央進氣管噴氣方式供應發動機，若有1個CNG噴射閥發生故障，僅使發動機功率降低，不會導致汽車停車。CNG和EGR廢氣在1個復合管中導入，在管中就已達到了氣體流動的均質化，采用這種方法能使增壓空氣罐中3個氣體均勻分布，從而使各個氣缸獲得均勻的混合氣。另一方面，混合氣導入要保證各個氣缸獲得均勻的充量，流入增壓空氣罐有助于各個氣缸獲得均勻的混合氣充量，通過仔細的優化步驟使氣缸充量保持一致。

采用化學計量比運行的汽油機的質量流量明顯比柴油機小，因此在計算時和試驗中廢氣渦輪增壓器的渦輪和壓氣機的流量特性值設計必須比柴油機小，特別是在質量流量較小的情況下，渦輪增壓器的加速響應特性與發動機充氣效率決定發動機低轉速時的動態加速性能。正如柴油機那樣，M936G天然氣發動機的增壓器也具有不對稱的渦輪幾何形狀［6］，采用這種具有2股分開運行、大小不同的廢氣流，僅有3個氣缸（廢氣流）的廢氣動壓頭用于EGR，剩余的3個氣缸（λ廢氣流）在某些特性曲線場范圍內處于正掃氣壓差之下，而用于EGR的另外3個氣缸則可能處于負掃氣壓差狀況。

為了建立起EGR廢氣流的動壓頭，渦輪中的廢氣流必須降低，這通常會導致廢氣背壓提高，在發動機無需EGR運行時不宜出現。為了消除發動機的節流，在增壓器的EGR廢氣流中集成了第2個廢氣放氣閥，在無需掃氣壓差時使用放氣閥能明顯地降低廢氣背壓，其位置的調節應使EGR掃氣壓差和預先控制的增壓壓力之間達到最佳狀態。發動機扭矩通過質量流量來調節，并根據再循環的廢氣質量流量的目標參數，將駕駛員所期望的扭矩轉換成所需的進氣管壓力，而進氣管壓力則由節氣門和廢氣放氣閥來調節，直至進氣全負荷狀態。

在應用高壓EGR的情況下，增壓壓力的調節是調節技術優化的問題，因為EGR廢氣的熱焓不再用于產生增壓壓力，從而提高了對增壓壓力的需求，必須找到1個最佳的調節量，使增壓壓力和EGR率同時被調節到所期望的數值。如可變幾何截面渦輪（VTG），通過2股廢氣流的設計和第2個廢氣放氣閥，較好的解決了此類問題，因此在同時調節增壓壓力的情況下優先調節EGR率。圖6示出了使用廢氣放氣閥和氣體控制閥的特性曲線場范圍，以及具有2個電動廢氣放氣閥調節的廢氣渦輪增壓器。

7 廢氣排放和動力性能

隨著歐6廢氣排放法規的實施，廢氣排放標準已經相當嚴苛，天然氣發動機通過燃料顯示出比柴油機更好的CO2減排潛力［4］，同等條件下的柴油機CO2排放比M936G天然氣發動機高1.2倍多。因此在高負荷時M936G的減排優勢超過20%，甚至在有節流的部分負荷時M936G天然氣發動機的CO2排放比柴油機低約10%。與12L的OM447hLAG相比，部分負荷時CO2排放的優勢高達30%，M936G天然氣發動機CO2排放低1.3倍多（圖7）。

與固定式氣體發動機相比，M936G天然氣發動機也是非常高效的，在大型發動機的分散帶中處于氣缸直徑機型中非常好的位置，位于按化學計量比設計的發動機上方稀薄運行發動機范圍的邊緣（圖8）。

M936G天然氣發動機已通過歐6廢氣排放C級認證，排放已滿足顆粒數和氨（NH3）的排放限值。在各種重要的試驗循環中，新的歐6氣體發動機的氮氧化物（NOx）比歐5-EEV（環保型汽車）稀薄運行發動機低得多，而且無需其他輔助材料。采用SCR時需使用尿素水溶液催化還原劑AdBlue。

圖9示出了分別使用G25和Gr試驗氣體燃料經認證的比排放。這些標準燃料大部分由甲烷（Gr 87%，G25 86%）組成。Gr含有13%乙烷，屬于低甲烷數的氣體燃料，G25含有14%惰性氣體氮，屬于低熱值氣體燃料。與OM447hLAG發動機的239.1 g／（kW·h）燃油耗相比，使用熱值為39MJ／kg的氣體燃料的最佳點燃油耗降低到230.8g／（kW·h），而與M960LAG發動機相比，雖然功率有所提高但燃油耗不變，而用戶使用的實際燃油耗則要根據發動機的使用狀況而定。

M936G天然氣發動機還有1個重要的開發目標，必須比相同功率的柴油機具有更低的噪聲排放，從開發結果可知，在整個轉速范圍內其噪聲水平降低約2%（圖10）。

按發展趨勢而言，排量較大的發動機具有較好的動態性能，在實際使用中動態性能與老機型的比較對于發動機的實際使用具有重要意義。圖11示出了具有傳動系統的試驗汽車之間起步性能的比較，其中1輛整車搭載12LOM447hLAG柴油機，另一輛則搭載7.7LM936G天然氣發動機。為了進行這種比較，2輛車都裝載了22t質量，并在停用的機場起飛跑道上行駛，搭載新開發的M936G天然氣發動機的汽車減排降低了36%，但是達到相同的行駛速度所花的時間略長幾秒。

8 結論和展望

Mercedes-Benz公司已拓展了OM936柴油機系列，增添了1種天然氣機型。OM936G天然氣發動機的開發在結構空間、連接尺寸、功率和運行特性與柴油機相當，因此具有很高的零部件通用化程度和適用性，其燃燒過程應用了EGR和米勒循環方法，只需要1個三效廢氣后處理裝置，并具有大幅度的充量運動，其零部件不超過柴油機的極限溫度，而且爆燃傾向較小并達到了較好的效率。為了獲得這些性能，已優化了混合氣準備和增壓，并按汽油機運行要求匹配了傳感器和執行器。在CO2排放、燃油耗，以及噪聲和加速性等方面都顯示出超出同類柴油機型的性能。

［1］Herrmann H-O，Nielsen B，Gropp C，u.a.Mittelschwerer NFZ-Motor von Mercedes-Benz［J］.MT2，2012，73（11）.

［2］Heil B，Schmid W，Teigeler M，u.a.Die neue Dieselmotorenbaureihe.für schwere nutzfahrzeuge von Daimler［J］.MTZ，2009，70（1）：16-25.

［3］Unruh R.Test mercedes citaro Euro 6：diesel auf hybrid-niveau［M］.lastauto omnibus 90，2013：50-54.

［4］Benz M，Hoffman K，Weirich M，u.a.Der neue Euro VI erdgasmotor für mittelschwere nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz［C］.35.Internationales Wiener Motorensymposium，2014.

［5］Sch?ffler T，Hoffmann K，Koch T.Stoichiometric natural gas combustion in a single cylinder SI engine and impact of charge dilution by means of EGR［C］.11thInternational Conference on Engines ＆ Vehicles，Capri，2013.

［6］Müller M，Streule T，Sumser S.u.a.Die asymmetrische 2-flutige turbine für schwere daimler NFZ-Motoren［C］.13.Auflade-technische Konferenz，Dresden，2008.

［7］Geiger J. Erdgas als kraftstoff für industriemotoren und schiffsantriebe：ein Beitrag zur reduktion der treibhausgasemissionen［C］.FEV Spectrum，Sonderausgabe Gasantriebe，Oktober 2013.