Deutz公司新型3缸燃气发动机

从2019年开始，Deutz公司将第一种用于移动式非道路作业机械的燃气发动机投放市场。这种型号为G2.2的3缸燃气发动机是以新型的D/TD/TCD2.2柴油机平台为基础设计而成的，其中3缸变型机涉及到已有的D/TD/TCD2.9发动机系列。G2.2发动机首先是以LPG为燃料而设计的，但是稍作调整同样就能使用CNG运行。本文不仅介绍了该发动机与作为改型基础的柴油机的共性，而且还介绍了燃气发动机用于工业应用场合所显现出的不同特征。

1 市场状况和设计技术条件

Deutz公司曾以EU Ⅲ B排放等级的TCD2.9机型替代现有机油冷却的2011款发动机系列。这种机型成功投放市场6年后，2018年4月又推出了一种2.9机型的改型机，其型号为D/TD/TCD2.2，以便由D2.2自然吸气发动机将现有的功率范围向下扩展到19 kW。因为从2019年开始低于56 kW的柴油机必须配备柴油机颗粒捕集器（DPF），以满足EU-V级排放标准的要求，现在这种发动机的技术要求依然较高，相应成本也较贵。特别是在这种低功率范围内仍存在着更简单的可选方案，尤其是在诸如叉车、工作平台和伸缩臂叉车等起重运输应用场合能用于替代柴油机，燃气发动机尤其是以LPG运行时能满足相关市场需求。在一项用该方法推动的项目框架中，Deutz公司已开发了一种采用化学计量比燃烧过程的增压CNG发动机，该机型仍在继续开展相关试验。因为欧V排放标准首次要求被确定用于燃气发动机标准，因此现在必须采用化学计量比燃烧过程的过量空气系数λ调节发动机。在这种细分市场中，第一个设计步骤采用G2.2机型来进行，其被开发成单燃料LPG发动机，但是经修改后也能燃用CNG。

正如图1所示，G2.2机型是2.2/2.9发动机系列的一部分，其被开发成具有多种用途的模块化平台，所必需的结构空间等同于2.2 L柴油机，而且此类机型可满足各种不同的废气排放标准，包括欧V、US EPA Tier 4和CARB（加州环境保护局），此外还可将所谓排放降级（EDG）用于欧Ⅲ-A排放标准。G2.2机型的功率应超过40 kW，视用途而定。其使用寿命可长达20 000 h，机油更换周期为1 000 h，火花塞使用寿命超过3 000 h，并且在要求的负荷范围内这种机型的燃油耗和机油消耗量也较低。这种机型使用了久经考验的可靠技术，以便在市场缺口中依然保有较高的品质。G2.2煤气发动机的设计与D/TD/TCD-2.2柴油机相类似，因此以基础发动机作为应用的基础，只需要极小的调整就能使用LPG运行。由于市场方面的需求，大约1年后即推出了G2.9煤气发动机。最重要的数据归于表1。

图1 Deutz公司2.2/2.9L发动机平台

表1 G2.2和G2.9机型的尺寸和性能数据

项目

参数

机型

G2.2

G2.9

气缸数

3

4

缸径/mm

92

行程/mm

110

排量/L

2.19

2.92

额定转速/（r·min^-1）

2 200～2 800

功率/kW

42

53

最大扭矩/（N·m）

160（1 300 r/min）

216（1 400 r/min）

2 燃料准备和控制系统

发动机电控单元（ECU）是一种可用于各种不同工业用途的灵活解决方案，其可用于控制单燃料燃气发动机和柴油/煤气或汽油/煤气双燃料发动机，用于燃气发动机时的最重要的功能是节气门控制、点火定时控制、过量空气系数λ调节和爆燃调节。采用两个λ传感器就能实现化学计量比燃烧（λ=1），这是满足欧V、US EPA和CARB排放标准的前提条件。该两种点火特性曲线场能用于工业应用场合时经常使用的各种不同的煤气品质等级。双点火特性曲线场使其能依据当时使用的燃料和改善爆震适应性以进行合适的点火定时预调节，其差异可从丁烷与丙烷的各种不同混合比例得出，通过爆燃调节来识别煤气品质。

图2 煤气供应系统的重要部件

图2示出了煤气供应系统最重要的部件，其在工业用发动机细分市场的使用中已被证实是有效而可靠的。蒸发器将液态燃料转换成气态燃料，并由一个机械式调节阀将气态燃料压力降低到3 MPa。这种压力调节器（DEPR）是一种电控主动工作部件，其在第二个设计步骤中逐渐匹配煤气压力。从而通过预调节使空气与燃料逐渐达到化学计量比，然后通过混合器将吸入的空气与煤气混合成均质混合气。在混合器中还涉及到一个被动元件，其通过发动机进气压力打开。当发动机停机时，由煤气储存箱与蒸发器之间的单向阀切断煤气供应。

图3示出了系统部件在发动机上的布置。要获得与柴油机相适应的紧凑性空间设计是极具挑战性的，特别是为了达到此类技术规格和集成进气管，需进行详细的计算和试验，将在下文予以介绍。

图3 系统总览

3 基础发动机的开发

除了匹配煤气系统部件之外，还应对基础发动机作一些设计调整。因为既无废气涡轮增压器也未配置有废气再循环（EGR），要通过简单的冷却管路以取代柴油机的EGR系统，以此就能避免修改整个冷却循环回路。因为用于化学计量比燃烧的进气空气压力仅为0.02 MPa，因此有必要调整活塞环，以避免出现曲轴箱漏气现象，曲轴箱气体倒流和过高的机油排放，首先需通过刮油环的U形弯曲设计来解决。因为柴油机的活塞环是专门依照涡轮增压发动机的压力峰值所设计的，而自然吸气型燃气发动机的活塞环张力以及第一和第二道环的厚度都能相应减小，这有助于减小摩擦和优化燃油耗。第一道环的形状要改成矩形断面轮廓。

另一个挑战是气门座。初看起来似乎自然吸气式煤气发动机的气缸压力峰值较小，使气门座的负荷随之减小，但是在化学计量比工况下运行的发动机废气温度显著提高，且废气较为干燥，以此会对滑动性产生不利，因此对气门/气门座的优化要予以特别关注。主要因低负荷运行和倒拖运行时产生的气门座积碳，时刻都会引起错误点火，因为在煤气进入气缸期间积碳会变得更为灼热并点燃混合气。不正常点火现象所引起的温度峰值和压力峰值会使进气装置失效，并烧毁空气滤清器。为了减小错误点火的后果，进气管的容积要小，以减少会被不正常点火现象所点燃的燃料混合气数量，相反为了补偿压力脉动则必需配备较大的进气管容积，这种矛盾冲突对于3缸发动机而言是一项较为艰巨的挑战。采用回火盒作为解决方案，其可提供附加的容积，以降低由回火所引起的温度峰值和压力峰值，而回火盒进口处的铁丝栅栏则起到整流器的作用，从而优化控制品质。

4 燃烧系统

由于设计任务书并非是要开发一种纯粹以化学计量比运行的燃气发动机，而是将当前已有的柴油机作为基础，对燃烧系统作一些必要的调整。基础设计并没有配置能为汽油机和燃气发动机提供最佳燃烧状态的屋顶形燃烧室，及其与滚流进气道相结合应用的可能性。但针对进气道进行了相关调整，并以此降低气流涡流，同时使流量最大化。取消了气门座涡流坡口，用平底浅盆形燃烧室取代柴油机活塞顶ω形燃烧室凹坑，并根据废气排放进行优化。在考虑到爆燃极限的情况下，以获得最大有效功率来优化压缩比。此外，活塞顶上需布设有气门凹陷，以此避免在出现不正常点火现象时与进气门相接触。为适配点火线圈和火花塞，对原有的喷油器喷孔进行了调整。压缩比被确定为11:1，是对甲烷值在16（60%丁烷和40%丙烷）和32（95%丙烷）之间的煤气品质等级的折中值，通过该方式可使额定功率实现最大化，同时保持较低的燃油耗。

进排气门座的角度和直径是针对最大流量和尽可能长的使用寿命之间尽可能好的折中来选择的，而凸轮轴相位调节和气门升程曲线则借助于过程模拟工具针对尽可能好的换气、残余废气和热力学节流损失进行优化。加大了进气管，以减小压力波动（在3缸机上则是一个重要问题），同时其也是必不可少的，正如上文所述，以减小不正常点火带来的不良后果的影响。此外，进气管被设计成能确保气缸负荷的均匀分配，而且减小压力波动对于良好的过量空气系数λ调节也是必不可少的，其有助于优化催化转化器效率和尽可能低的排放。

为此对排气管的直径和排出废气的转向进行了优化，以减小热力学节流损失。为了使流动分布均匀，并尽可能减小三元催化转化器的节流损失，为此改进了其进出口法兰。催化转化器的贵金属含量根据其效率和成本来确定，并由催化转化器在980 ℃温度下长达8 h的液力热老化试验结果来进行检验。其废气排放值远低于EU、US EPA和CARB标准限值。通过优化点火定时和λ调节，燃油耗达到了最佳值221 g/（kW·h），最大扭矩160 N·m，最大功率40 kW（2 600 r/min）或42 kW（2800 r/min）。

5 发动机监控系统

发动机配备了常规传感器，其用于控制和诊断系统运行。在开发阶段重点关注某些特殊的特征，尤其是关于系统可靠性和安全性方面的。重要的诊断因素之一是以备用为基础的方法，其被用于识别漏气，确保使用这种发动机的机械能在封闭的场合中运行。正如上文所述，在点火开关钥匙拔出后单向阀即已关闭。点火开关钥匙拔出后残余煤气被耗尽，发动机即随之停机，以此可确保仍处于进气装置中的全部煤气均得以燃尽。单向阀是一类技术成熟的部件，甚至即使在几乎不可能发生的单向阀卡死的情况下，软件也能根据压力调节阀和进气管的压力调节可靠地识别相关故障并使煤气流至单向阀后方。传感器布置的位置及其各自的诊断功能（图中括号中的说明）示于图4。在此要特别提及的是错误点火识别，因为在3缸发动机上，根据流动速度波动的分析来识别错误点火的技术要求是相对较高的。

图4 传感器、调节器件和监控系统

6 结论和展望

新型G2.2发动机可使用LPG，也可燃用CNG，其可替代用于装卸材料和其他市场的移动式非道路作业机械的Deutz发动机，那些应用场合需要坚固可靠的发动机，但是增压柴油机及其复杂的废气排放控制并非是首选。这种发动机是一种可靠的解决方案，其考虑到了经济观点，设计也较紧凑。由于与D/TD/TCD2.2柴油机平台的协同运作，这种发动机能配装到相同的使用场合，其最大扭矩160N·m，额定功率42 kW（2 800 r/min），以此满足技术需求。

目前，Deutz公司致力于发展这种发动机系列中的G2.9-4缸机型，并计划将燃气发动机的机型扩充到更大的排量，以达到70 kW及以上的额定功率。此外，同时还在计划开发双燃料机型，这种机型也可燃用汽油，当然在该类情况下需采用较小的压缩比作为折中方案。

【德】 H.BÜLT E等

【整理】范明强

【编辑】伍赛特