Mercedes-Benz公司开发M936G型天然气发动机性能分析

随着新型气体发动机装配于中重型载货车，Mercedes-Benz公司也推出了一款以OM936型柴油机为基础并达到欧6废气排放标准的天然气发动机。这种气体发动机无论是结构空间和连接尺寸,还是功率和运行特性都与柴油机相当，从而提高了零部件通用化程度和天然气发动机在柴油机车型上的适用性。

1新的发动机系列

近几年，Mercedes-Benz公司已用2种新开发的发动机系列替代了其整个载货车柴油机型谱[1,2]，新的发动机机型不仅满足欧6排放标准，并且燃油耗也达到了国际领先水平[3]。Mercedes-Benz公司为有环保要求的用户和地区提供M936G天然气机型，该新机型将首先搭载于欧6 Econic车型，专门满足地区性的环保要求。

2开发目标

M936G型天然气发动机（图1）开发最重要的目标是以一种新机型来替代2种老机型。2000年以来，Mercedes-Benz公司以900和400系列6.9或12 L排量柴油机为基础研发的天然气发动机在市场上取得了成功，这些机型都被设计成稀薄燃烧发动机，排放达到欧5-EEV（环保型汽车，其废气排放优于欧5）废气排放标准。2014年实施欧6排放标准，这些机型必须重新开发。Mercedes-Benz公司以OM93x柴油机系列为基础进行开发，目标是尽可能继承柴油机的零部件和特性值，使柴油机系列与M936G天然气发动机系列之间具有互换性。这种天然气机型能用于搭载220 kW柴油机机型适用的所有车型[1]。这款天然气发动机既要满足废气排放法规和小型化或提高功率等要求，同时仍要达到开发目标，即至少保持2种老机型的燃油耗以及在使用压缩天然气（CNG）的CO2排放量比使用柴油时降低25%。发动机和废气后处理系统结实可靠并有利于运行成本,采用λ=1运行方案与废气再循环相结合,不仅能使用三元催化转化器,而且能达到良好的效率,并且在运行范围内低于柴油机的噪声水平。

3发动机结构

气缸体曲轴箱和气缸盖的几何形状和尺寸与OM936柴油机相同，并按照采用CNG运行情况进行调整，并把废气再循环内的增压、增压空气管路、点火和混合气准备等所必需的零部件进行匹配调整。图2示出了计算机辅助设计（CAD）彩图以及带有天然气管路及其执行器的天然气发动机。图中天然气管路为黄色，新鲜空气或混合气管路为灰色，废气管路为红色。CNG通过20 MPa压力的燃油罐喷出，在气体压力调节器中释放压力后进入CNG进气阀,6个进气阀将CNG经过一根公共管道释放到混合器中，并与新鲜空气流混合。空气在增压器的压气机中被压缩，并经增压空气冷却器冷却后，由节流阀根据功率进行调节。再循环废气在CNG混合器后被引入EGR混合器，所得到的混合气被输送到增压空气罐中。发动机废气有一部分经过EGR冷却器、EGR阀和EGR混合器掺入到CNG-空气混合气中。

废气质量流量的主要部分流经双涡道涡轮增压器以产生增压压力。涡轮后紧接着一个前置催化转化器，降低一部分废气排放。废气从前置催化转化器通过汽车上专用的废气管道流入主催化转化器，并进一步降低到欧6排放限值水平。以化学计量比混合气运行只需要使用一个三元催化转化器，采用选择性催化还原（SCR）系统进行氮氧化物（NOx）后处理车载诊断系统（OBD）需采用第2个λ传感器来监测废气后处理的状况。为了保护发动机免受爆震燃烧的影响，已集成了爆震传感器和爆震调节功能，并根据测量的温度来监控废气温度。

4功率特性

M906LAG与M447hLAG机型的排量相差5 L，这对于M936G天然气发动机的开发颇具挑战[4]。图3示出了新开发的M936G天然气发动机与2种老机型特性值的比较。与M906LAG机型相比，排量增大了12%，扭矩增大了14%，功率增加了8%；与M447hLAG机型相比，排量减小了36%，扭矩减小了4%，功率减小了8%。

与柴油机一样，M936G天然气发动机的最大扭矩也为1200 N•m，功率则提高到222 kW。考虑到了现有变速器的要求，全负荷特性曲线的差别很小，图4示出了天然气和柴油机型之间的差异。此外，考虑到冷却系统最大热负荷的原因，与功率为220 kW的OM936柴油机相比，M936G天然气发动机的额定转速降低到了2000 r/min。

M936G天然气发动机通过夏季和冬季的耐久运行和行驶试验确保了发动机在汽车上的使用，在-26℃温度时不采用其他方法就能起动，并成功已搭载Econic车型在高达2800 m海拔高度地区拖挂23 t，并且在增加8 %的拖挂重量下，完成了起步和行驶运行。

5燃烧过程

燃烧过程中使用柴油机的活塞毛坯和气缸盖上的进气部分，为了实现28.8 kW/L升功率，选择了Miller燃烧过程，在不会损失功率的情况下，故意放弃一部分气缸充量，并采用化学计量比，无需过量的空气。废气涡轮增压器是为高增压压力设计的，而预压缩的空气在增压空气冷却器中冷却，从而达到较低的压缩终了温度，降低燃烧峰值温度和废气温度，较低的温度水平有利于零部件热负荷的耐久性和抗爆震性能。燃烧室凹坑的几何形状和尺寸通过多个方案在单缸试验机上进行优化，以改善爆震和废气温度状况。高充量扰动水平有利于提高燃烧速度，获得EGR高兼容性。通过应用EGR降低了峰值温度并减少了壁面热损失，同时提高了效率，减少了进入零部件中的热量，并降低了废气温度（图5）[5]。当活塞向上运动时，气缸盖底面与横向间隙之间的涡流被压扁，并被挤向燃烧室中间的火花塞，因充量具有高扰动和良好的均质化，提高了燃烧和放热速率。在一定的充量扰动程度或者EGR兼容性的情况下会产生一个目标冲突，气缸中的流动场必须保持适当，既能减少热损失，又有利于提供良好的点火条件。

6空气和天然气管理

在开发时特别重视空气/废气与CNG的混合,获得尽可能良好的均质化。空气与CNG的混合是在混合器中进行的，并与在EGR分开。出于可靠性的原因，CNG是采用几个CNG喷射阀通过中央进气管喷气方式供应发动机的，若有一个CNG喷射阀发生故障时，仅使发动机功率降低，不会导致汽车停车。CNG和EGR废气在一个复合管中导入，在管中就已达到了气体流动的均质化，采用这种方法就能使增压空气罐中3个气体均匀分布，从而使各个气缸获得均匀的混合气。另一方面，混合气导入要保证各个气缸获得均匀的充量，流入增压空气罐有助于各个气缸获得均匀的混合气充量，通过仔细的优化步骤使气缸充量保持一致。

采用化学计量比运行的汽油机的质量流量明显比柴油机小，因此在计算时和试验中废气涡轮增压器的涡轮和压气机的流量特性值设计得比柴油机小，特别是在质量流量较小的情况下，涡轮增压器的加速响应特性与发动机充气效率决定发动机低转速时的动态加速性能。正如柴油机那样，M936G天然气发动机的增压器也具有不对称的涡轮几何形状[6]，采用这种具有2股分开运行大小不同的废气流，仅有3个气缸（废气流）的废气动压头用于EGR，剩余的3个气缸（λ废气流）在某些特性曲线场范围内处于正扫气压差之下，而用于EGR 的另外3个气缸则可能处于负扫气压差状况。

为了建立起EGR废气流的动压头，涡轮中的废气流必须较小，这通常会导致废气背压提高，在发动机无需EGR运行时不要出现。为了消除发动机的节流，在增压器的EGR废气流中集成了第2个废气放气阀，在无需扫气压差时使用放气阀能明显地降低废气背压，其位置的调节应使EGR 扫气压差和预先控制的增压压力之间达到一个最佳状态。发动机的扭矩通过质量流量来调节，并根据再循环的废气质量流量的目标参数, 将驾驶员所期望的扭矩转换成所需的进气管压力,而进气管压力则由节气门和与废气放气阀来调节,直至进气全负荷。

在应用高压EGR的情况下，增压压力的调节是一个调节技术优化的问题，因为EGR废气的热焓不再用于产生增压压力，从而提高了对增压压力的需求，必须找到一个最佳的调节量，使增压压力和EGR率同时被调节到所期望的数值。如可变几何截面（VTG）涡轮，通过两股废气流的设计和第2个废气放气阀，就较好的解决了此类问题，因此在同时调节增压压力的情况下优先调节EGR率。图6示出了使用废气放气阀和气体控制阀的特性曲线场范围以及具有2个电动废气放气阀调节的废气涡轮增压器。

7废气排放和动力性能

随着欧6废气排放法规的实施，废气排放标准已经相当严苛，天然气发动机通过燃料就显示了比柴油机明显CO2减排潜力[4]，同等条件下的柴油机CO2排放比M936G天然气发动机高1.2倍多（图7）,因此在高负荷时M936G的减排优势超过20%,甚至在有节流的部分负荷时M936G天然气发动机的CO2排放比柴油机低约10%。与12 L的OM447hLAG相比，部分负荷时CO2排放的优势高达30%，新的M936G天然气发动机CO2排放低1.3倍多（见图7）。

与固定式气体发动机相比，M936G天然气发动机也是非常高效的，在大型发动机的分散带中处于这种气缸直径机型中非常好的位置，它位于按化学计量比设计的发动机上方稀薄运行发动机范围的边缘（图8）。

这种新的天然气发动机已通过的欧6废气排放C级认证，排放已满足颗粒数和氨（NH3）的排放限值。在各种重要的试验循环中，新的欧6气体发动机的氮氧化物（NOx）比欧5-EEV（环保型汽车）稀薄运行发动机还低得多，而且无需其他辅助材料。（采用SCR时需使用的尿素水溶液催化还原剂AdBlue）。

图9示出了分别使用G25和Gr试验气体燃料经认证的比排放。这些标准燃料大部分由甲烷（Gr 87%，G25 86%）组成。Gr含有13%乙烷，是一种低甲烷数的气体燃料，G25含有14%惰性气体氮是一种低热值气体燃料。与OM447hLAG发动机的239.1 g/kWh燃油耗相比，使用热值为39 MJ/kg的气体燃料的最佳点燃油耗降低到230.8g/kWh，而与M960LAG发动机相比，虽然功率有所提高但燃油耗不变，而用户使用的实际燃油耗则要根据发动机的使用状况而定。

M936G天然气发动机还有一个重要的开发目标，是比相同功率的柴油机具有更低的噪声排放，在整个转速范围内其噪声水平降低了约2%（图10）。

按发展趋势而言，排量较大的发动机具有较好的动态性能，在实际使用中动态性能与老机型的比较对于发动机的实际使用具有重要意义。图11示出了具有相当传动系统的试验汽车之间起步性能的比较，其中一辆车搭载12 L OM447hLAG柴油机，另一辆则搭载7.7 L M936G天然气发动机。为了进行这种比较，两辆车都装载了22 t重量，并在停用的机场起飞跑道上行驶，搭载新开发的M936G天然气发动机的汽车减排降低了36%，但是达到相同的行驶速度所花的时间略长几秒。

8结论和展望

Mercedes-Benz公司已拓展了OM936柴油机系列，增添了一种天然气机型。OM936G天然气发动机开发建立在结构空间、连接尺寸、功率和运行特性与柴油机相当，因此天然气机型具有很高的零部件通用化程度和适用性，其燃烧过程应用了EGR和Miller方法，只需要一个三元废气后处理装置，并具有大幅度的充量运动，其零部件不超过柴油机的极限温度，而且爆震倾向较小并达到了较好的效率。为了获得这些性能，已优化了混合气准备和增压，并按汽油机运行要求匹配了传感器和执行器。在CO2排放、燃油耗以及噪声和加速性等方面都显示出超出同类柴油机型的性能。