柴油一天然气双燃料汽车技术研究

    随着我国经济和汽车工业的迅速发展，石油资原短缺的形势越来越严峻。与此同时，环境污染日益严重，这严重地影响和制约着我国经济快速发展，环境保护和可持续发展成为21世纪我国需要解决拘重要问题。在环境污染中，汽车尾气排放所造成拘污染占大气污染的60％～70％，降低汽车尾气排畋已成为环境保护的迫切要求。

    在诸多替代能源中，天然气兼具资源丰富、分布广泛、燃料成本低廉和低排放等多方面的优点，因此发展天然气汽车对于合理利用能源和改善大气环境具有非常重要的意义。目前我国的天然气汽车产业发展很快，但主要是对汽油车进行改装。由于柴油发动机具有压缩比大、热效率高、经济性好、故障率低等特点，汽车发动机的柴油化倾向越来越明显，柴油车在整个汽车中的比例呈不断上升趋势。然而由于技术、政策等诸多因素的影响，柴油一天然气双燃料汽车一直没有得到有效推广，成为制约燃气汽车发展的瓶颈，严重影响燃气汽车的发展。

    柴油一天然气双燃料汽车技术的开发，可以有效地解决柴油车烧天然气的技术难题，打破柴油车烧天然气的技术瓶颈，拓宽天然气的应用渠道，有效缓解我国石油紧张的局面，并可显著改善大气环境。

    与汽油一天然气两用燃料汽车和天然气单燃料汽车相比，柴油一天然气双燃料汽车具有如下技术优势：

    ①  动力性能不降低；

    ②  热效率高；

③  采用柴油引燃，点火能量高，着火稳定，避免失火，并提高甲烷相对较慢的火焰传播速度；

    ④  由于柴油引燃比火花塞点燃的能量大得多，对点火正时的控制要求可以降低，能够在较宽的空燃比范围内工作，对稀燃很有利，可实现较稀薄燃烧；

    ⑤  可极大地降低柴油发动机的烟气排放，降低柴油发动机的颗粒物排放；

    ⑥  对柴油发动机的改动很小；

    ⑦  既可在柴油一天然气双燃料状态下运行，又可在纯柴油状态下运行，在加气站不很普及的情况下，是一个比较理想的选择。

    柴油一CNG双燃料汽车在技术上也有一些不足，如气瓶自重大；连续行驶里程比较短；发动机低速工作不良等。由于LNG能量密度大(约为CNG的3倍)，气液体积比为625：l，柴油一LNG双燃料汽车的连续行驶里程就比较长(可达400 km)。世界各国在发展天然气汽车的过程中都碰到了柴油车改装这一难题，多年来全球的天然气汽车行业一直在探索和寻求理想的柴油车改装技术，但直到现在还没有取得非常成功的例子。近年来，欧美一些发达国家将开发重点转向原装天然气发动机技术，我国及其他一些发展中国家仍在研究和探索对柴油发动机的改装技术。

  ①  改装成天然气单燃料发动机

    此种改装方式实际上是将柴油发动机改为电火花点火式的天然气发动机，去掉柴油发动机的燃料供给系统，增加天然气供给系统和点火系统。此种改装方式改装难度大，技术要求高，发动机缸套与活塞的配合间隙、配气相位也要相应改变，改装成本较高；并且是不可逆的，一旦改装，很难再恢复原状。

    国内有些单位在这方面曾有过大胆尝试。他们的目的是把柴油车改装成单一燃料天然气汽车，把几十辆柴油客车改装成天然气汽车，因大量出现发动机活塞拉缸、曲轴抱瓦等故障，最后不得不全部更换新的柴油发动机，或转而改装成柴油一天然气双燃料发动机。

②  改装成柴油一天然气双燃料发动机

    柴油一天然气双燃料发动机改装方式是保留柴油发动机的燃料供给系统和发动机的压缩比，以一定量的柴油作为引燃剂，引燃天然气和空气的混合气。目前国内外柴油一天然气双燃料汽车主要有3种供气方式。

   a．机械控制混合器供气。这种供气方式应用较早，优点是结构简单，成本低；缺点是空燃比尊剖不准确，替代率低。此种方式在国外已经不采用，在国内一些地方仍在使用。

    b．电子控制混合器供气。由电子控制单元来控制气体燃料的供给量和引燃的油量，它提高了空燃比的控制精度，降低了双燃料发动机的排放。

   c．电子控制气缸直接喷射。这种方式可以严格地控制燃料喷射量，可以实现定时供气和定量供气，可根据发动机的转速与负荷更准确地控制空燃比，可以取得良好的动力性及排放性能。但造价很高，国内目前还处于初期研发阶段。

    在充分调研柴油一天然气双燃料汽车技术现状的基础上，认真分析双燃料汽车存在的问题和需要解决的技术难题，根据汽车的动力性、经济性、环保性以及安全性等要求，确定项目的技术方案，然后对各子系统进行开发。

    在系统开发上，对柴油一CNG双燃料电控系统和混合器等核心部件进行了自主研发，对减压系统以及传感器等通用部件进行优化选型、订购，对特殊部件和安装支架等进行设计和外协加工。通过大量的试验、研究，开发出简单实用、安全可靠的柴油一天然气电控双燃料汽车技术。

    柴油一天然气双燃料汽车以原柴油发动机为基础，在保留原发动机的所有结构和柴油燃烧方式不变的前提下，增加了柴油一天然气双燃料发动机系统。该车既可以在柴油一天然气双燃料状态下工作，也可以在单一柴油状态下工作，双燃料的工作状态由电子转换开关控制。

   ①  柴油一CNG双燃料汽车系统构成    柴油一CNG双燃料汽车系统由CNG供气系统、柴油油量限制系统和电子控制系统3部分组成， CNG供气系统主要由CNG气瓶、滤清器、高压电磁阀、减压调节阀、低压电磁阀、动力调节阀以及混合器等组成；柴油油量限制系统用来控制双燃料工作状态下的引燃油量，它主要由油门执行器和推杆组成；电子控制系统主要由电子控制单元。

   ②  柴油一LNG双燃料汽车系统构成柴油一LNG双燃料汽车系统由LNG供气系统、柴油油量限制系统和电子控制系统3部分组成， LNG供气系统主要由LNC储罐、截止阀、低温软管、水浴式气化器、电磁阀、减压调节阀、动力调节阀以及混合器等组成；柴油油量限制系统和电子控制系统与柴油一CNG双燃料汽车系统相同。

   ③  柴油一CNG双燃料发动机工作原理柴油一CNC双燃料发动机采用柴油引燃天然气和空气的混合气的工作方式，该双燃料发动机在起动和怠速工况下均以柴油为燃料。当ECU感受到发动机的加载信号时，ECU根据传感器传人的发动机油门位置、转速等信号，由控制软件进行模拟分析和对比，并输出控制参数，控制天然气的供给量和引燃柴油的喷油量。由CNG减压调节阀流出的天然气通过天然气一空气混合器与空气混合，进入气缸。

  ①   改造后，动力性不降低，发动机的额定功率和****扭矩与原柴油车相当；

  ②   天然气的最高替代率为80％：

  ③   汽车行驶速度大于50 km／h时，天然气平均替代率为60％～70％：

  ④   按热量计算，汽车的双燃料消耗总量不大于原车柴油消耗量：

  ⑤   汽车排放达到环保要求；

  ⑥   原车的操作性能和安全性能不受影响。

    改装1辆柴油一CNG双燃料槽车，改装费用约2×10⁴元。若该车耗柴油(以下均指0号柴油)量为0.4 L／kin，行驶300 km／d，天然气的平均替代率为65％，1.1 m³天然气燃烧所放出的热量等于1 L柴油燃烧所放出的热量，压缩天然气的单价为2.5元m³，柴油的单价为6形L，则改装后槽车可节约燃料成本：253.5 元／(辆·d)。以每辆车每年运行360 d计算，则可节约燃料费：91 260形(辆．a)，不到3个月即可收回改装成本。

    柴油一天然气双燃料汽车系统开发完成后，我们对1辆槽车进行了柴油一LNG双燃料汽车改装，并进行了多次空载和重载路试运行。

 ① 某次路试试验报告

    行驶里程为1 050 km，按原车油耗定额应耗柴油量为483 L；在双燃料状态下，实际耗柴油量为158 L，天然气对柴油的替代率为67.3％。车辆在柴油一LNG双燃料状态下路试，在整个行驶过程中，车辆的动力性与改装前相当，发动机的工作温度为60～80℃，发动机工作正常。

 ②  路试经济性分析

    已知：1.1 m。天然气燃烧所放出的热量等于1 L柴油燃烧所放出的热量，液化天然气的单价为2.0形m’，柴油的单价为6形L。该车在改装前应耗柴油量为483 L，则燃料成本为2 898元。改装后，在柴油一LNG双燃料状态下的燃料成本为l 663元，节约燃料成本1 235元，单位行驶里程节约燃料成本：1.176元／km，燃料成本降低：42.6％。

    逾5 000 km的实际运行表明，该槽车的动力性和经济性都很理想，天然气对柴油的平均替代率在65％左右，用户对此非常满意。此外，我们还在各地改装逾20辆槽车和大客车，改装效果良好，给用户带来了显著的经济效益。