天然气:从柴油到电气化的桥梁

当柴油价格在2008年飙升至历史最高价格时,用于中型和重型公路商用车的天然气发动机得到了加速发展。这种发展主要分为两个方向。一些主机厂专注于将现有柴油发动机改装为使用天然气运行,而另一些则开发出专门针对压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)或可再生天然气(RNG)进行优化的专用发动机。

然而,当柴油价格下跌以后,投入天然气发动机开发和基础设施的大部分投资也逐渐减少。这感觉有些类似于行业的繁荣-萧条周期。这是可以理解的,因为大多数主机厂都希望以更低的燃料成本实现与柴油等效的性能,而天然气的内能仅为柴油的六分之一。随着价格差异缩小,投资进行天然气相关开发的动力也随之减小。然而,柴油的价格水平目前已经开始回升,天然气投资也开始变得有意义。

天然气发动机作为减排替代方案也可能再次引发业界的兴趣。Cummins Westport的ISL-G已经通过认证,符合美国环境保护署(EPA)和加州空气资源委员会(CARB)的现行排放标准。此外,该发动机的某些版本还通过了“近零排放”认证,满足未来0.02 g/bhp-hr的预期CARB超低氮氧化物排放要求。随着要求低排放、零排放或禁止柴油发动机的城市、州和国家名单不断增长,主机厂将寻找替代技术以满足市场需求。大多数汽车主机厂都已将配备Cummins Westport ISL-G和ISX12-G NG的发动机作为其动力配置选择,以确保在天然气成为高限制性排放环境的关键促成技术时不会坐失良机。

中国可能是天然气发动机技术有望卷土重来的另一个原因。由于中国政府希望出于排放原因而使其燃料来源多样化, 预计中国将成为全世界最大的天然气进口国。中国所有重型商用发动机主机厂都在其产品组合中为客户提供天然气发动机,并且在重型发动机总容量中的占有率高于其他任何地理区域。

采用天然气装备的公路柴油发动机存在一些技术难题。其中之一就是发动机制动性能。在从柴油改装到天然气时,发动机的压缩比显著降低,而且通常需要减小涡轮尺寸以适应按化学计量燃烧所需的较低空燃比。这两个变化相结合,会对发动机制动性能产生不利影响,最高可达30%。这进而将对车辆在不使用传统刹车的情况下保持下坡坡道速度的能力产生不利影响。传统刹车使用增加可能导致制动衰减并增加刹车的磨损率。在欧洲、中国和印度等一些市场,这可能影响车辆满足E13C规定的辅助减速要求的能力,并可能需要降低最大车辆总重认证。

这个问题现在有了解决方案。Jacobs的高功率密度(HPD)系统以及传动系统缓速器将提高车辆的总体减速能力,减少对传统刹车的依赖。这些系统将能够达到或超过柴油发动机的缓速性能,帮助驾驶员提高安全性和生产率。

使天然气发动机在动力输出与能量吸收性能方面均达到与柴油发动机相当的水平对于该技术的应用至关重要。随着天然气发动机开始面临着电气化这个新的竞争对手,这一点变得更加重要。越来越多的主机厂研发资金正投入电气化技术。尽管完全电气化仍然需要数年时间才能达到商用车市场的现有能力,但天然气内燃机似乎可以在短期内作为过渡技术发挥重要作用。