康明斯的HELM发动机支持替代燃料

康明斯 X15N 北美市场版（图片：康明斯）

发动机制造商正不断探索不同替代燃料的潜力，旨在为客户带来更高的燃油经济性、更少的排放和更低的总拥有成本。

尽管氢能潜力巨大，但它作为柴油的直接替代品，其早期前景已有所黯淡。简而言之，氢能仍然昂贵，开发利用氢能的技术也同样耗资不菲。此外，氢能供应有限也是一个问题。

由于这些因素，一些公司已转而专注于天然气（甲烷），包括压缩天然气 (CNG)、液化天然气 (LNG) 或生物甲烷（有时也称为沼气、可再生天然气或 RNG）。与氢气一样，使用生物甲烷的发动机从油井到车轮的整个生命周期内，二氧化碳排放量几乎可以减少 100%。

当被问及替代燃料市场的现状时，康明斯发动机业务平台战略总监威廉·兰姆表示，人们对天然气作为燃料的兴趣无疑正在复苏。“至少从欧洲和英国的角度来看，人们对天然气的兴趣日益浓厚；近年来，中国对天然气的需求也十分强劲。在全球范围内，不同地区的趋势各不相同，这取决于这些地区的能源来源以及当地的排放法规。”

威廉·兰姆，康明斯

虽然天然气已经引起了一些关注，但他表示，人们对沼气的兴趣更大。兰姆认为，这归因于一系列因素，包括使用气态燃料可能降低运营成本，以及为了满足监管标准而需要减少温室气体排放。

启动计划

为了简化其发动机产品线及其下属的各种型号，康明斯推出了HELM平台。每个平台上的型号都基于同一缸体，但每个型号都配备了适用于特定燃料类型的缸盖和喷射系统。HELM系列通常以柴油发动机的形式推出，随后会推出天然气发动机和氢燃料发动机，其中氢燃料发动机目前仍在研发中。

当被问及推出 HELM 发动机的驱动力是为了帮助客户减少发动机排放，还是为了提供使用各种燃料的选择时，Lamb 表示，答案有两方面。

“在大多数市场，柴油发动机还会存在很多年，在一些地区甚至会存在更长时间。我们投资开发了新的平台，以提高燃油经济性、功率密度并降低寄生功率损耗。旧平台无法实现这些目标，因此这是我们开发 HELM 产品的一个动力。”

另一个好处是，我们设计的发动机可以同时使用压燃式燃料和火花点火式燃料，性能毫不妥协。经过一些改装，普通的柴油发动机也可以使用天然气，但这会在动力和效率方面有所妥协。

与大多数发动机制造商一样，康明斯开发的天然气技术采用火花点火。兰姆表示，压燃式点火技术在使用气体燃料时具有一些优势，但也存在一些缺点，例如需要复杂的尾气后处理系统。

发动机选择

兰姆表示，由于一系列优势，康明斯的 HELM 发动机持续受到广泛关注。

“客户对此的看法各不相同，但无论燃料类型如何，他们都明白，在同一空间内，使用相同的接口，可以安装柴油发动机或天然气发动机。如果您为一个市场安装 HELM 柴油发动机，为另一个市场安装天然气发动机，只需对机器进行极少的改动，即可支持两种不同的型号。”

康明斯 X10 欧 7 标准发动机（图片：康明斯）

“由于它们使用相同的平台，无论选择哪款发动机，都意味着发动机已经针对车辆或机器进行了定制；所有部件都已集成，并与变速箱和其他子系统完美对接。从根本上来说，无需妥协。无论您选择柴油发动机还是天然气发动机，您都将获得目前最好的发动机——甚至还为未来氢燃料的到来做好了准备。”

Lamb指出，HELM系统的直接受益者是原始设备制造商（OEM），因为该系统的发动机具有很高的灵活性，能够确保其设备在未来几年内都能保持领先地位。对于终端客户而言，这意味着他们能够获得最新的发动机技术，从而有助于降低总体拥有成本。

Lamb表示，如果没有HELM系列发动机，一些汽车制造商可能不会提供替代燃料解决方案。如果这些发动机基于不同的平台，并且需要单独的开发项目才能使其适用于特定应用，那么车辆或机械制造商很可能只会提供柴油版本。

设计差异化

兰姆表示，气缸盖是区分不同燃料发动机的主要区别。对于采用压燃式点火的柴油发动机，其气缸盖表面是平的。气门相对于燃烧室呈垂直方向，但其设计旨在产生高涡流，从而更好地混合空气和燃料。

兰姆说：“这种装置将柴油燃料集中在气缸盖的中心，从而有助于在压燃条件下实现更好的燃烧。”

兰姆指出，无论应用领域如何，天然气发动机和汽油发动机都普遍采用火花点火和天然气燃烧的版本，其设计为“五角形顶”结构，并配备单点喷射系统。这种设计会产生高度翻滚，空气和燃料混合物以首尾相交的方式运动，而非涡流式运动。

康明斯 EPA27 X15 柴油发动机（图片：康明斯）

“这是两款引擎之间的两个根本区别，由于设计架构的限制，描述起来比开发起来容易得多，”他补充道。

虽然输送机油的油道在发动机缸体内部循环相同，与燃料类型无关，但气缸盖组件却并非如此。由于每种燃料类型和发动机设计所使用的进气门、排气门和凸轮轴各不相同，气缸盖组件也有其特定的要求。

虽然有人可能会认为，声称发动机缸体与燃料类型无关是一种营销手段，但兰姆指出，铸造时两者并无区别——这些部件确实与燃料类型无关。可以使用不同的活塞和连杆，但这更多地与应用类型（例如公路或非公路）有关，而非燃料类型。

物质变化

兰姆表示，为了适应天然气的使用，一些部件的材料已经进行了更换。例如，其中一种情况是，阀座经过硬化处理，以防止过早磨损，这主要是因为天然气不具备柴油的润滑性能。

此外，由于温度更高，涡轮增压器采用了不同的材料来保持其完整性。“天然气发动机上使用的涡轮增压器采用了不同的涡轮壳体，由耐高温铸铁或镍基耐火铁合金制成，”兰姆说道。

他接着说，涡轮叶轮必须承受更高的热负荷，因此采用镍基高温合金因科镍合金（Inconel）制造。而压缩机壳体由于工作温度较低，则采用铸造铝合金制造，这种合金具有更高的导热性。

再来看尾气后处理系统，柴油版车型将采用SCR/DPF系统。而天然气版车型则采用了兰姆所说的相对简单的设计。“这些车型使用三元催化器来处理氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳。这是一种更被动的系统，它不需要再生或添加尿素。”

他表示，美国正在密切关注氮氧化物排放，而这套系统能够使天然气发动机符合相关规定。“火花点火式发动机的运行压力比柴油发动机低，因此不会产生高浓度的氮氧化物，”他解释道。即便其整体运行温度更高。