柴油-LNG雙燃料技術(shù)在重型汽車上的應(yīng)用

馮凡，王江鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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柴油-LNG雙燃料技術(shù)在重型汽車上的應(yīng)用

馮凡，王江鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章分析了天然氣進(jìn)氣噴射、預(yù)混合供氣和缸內(nèi)直接噴氣三種雙燃料實現(xiàn)技術(shù)。根據(jù)我國的發(fā)展現(xiàn)狀選擇預(yù)混合供氣技術(shù)進(jìn)行重型汽車的工程應(yīng)用，并對柴油-LNG雙燃料重型汽車的前景及趨勢加以展望。

柴油-LNG雙燃料；供氣技術(shù)；工程應(yīng)用；環(huán)保

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.044

CLC NO.: TF058 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-128-03

前言

2013年開始，占國土面積1/3的大中城市，接連遭遇嚴(yán)重霧霾天氣，引起公眾極大憂慮。中科院大氣物理研究所的研究結(jié)果顯示，主要的顆粒物PM2.5排放源為機動車、工業(yè)和電廠。其中，機動車排放和道路揚塵所占比例超過50%。

根據(jù)2013年國家環(huán)保部發(fā)布的《2012機動車污染防治年報》，2011年全國汽車保有量中，客車 7478.4萬輛，占80.7%，中型客車147.4萬輛，大型客車126.6萬輛；貨車1788.0萬輛，占19.3%，中型貨車267.8萬輛，重型貨車460.6萬輛。全國汽車排放一氧化碳（CO）796.0 萬噸，碳?xì)浠衔铮℉C）339.2 萬噸，氮氧化物（NOX）576.4萬噸，顆粒物（PM）59.0萬噸。其中占汽車總量只有10.8%的重型載貨汽車、中型載貨汽車、大型載客汽車和中型載客汽車顆粒物（PM）排放貢獻(xiàn)達(dá)88.6%，NOX排放占總量的85.5%，而以上四類汽車所用發(fā)動機中基本上都是柴油發(fā)動機。大城市空氣中的PM2.5微細(xì)顆粒的最主要來源是汽車尾氣，尤其是柴油汽車的尾氣，機動車污染已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染中最突出、最緊迫的問題之一。

清潔天燃?xì)馄嚨奈矚馕廴疚锏呐欧泡^柴油車有大幅降低，其CO2 減少24%，CO 減少97%，HC減少72%，NOX減少70%，苯、鉛、粉塵等固體顆粒物減少100%，綜合排放指標(biāo)降低約80%。推廣使用天然氣作為汽車替代燃料是解決困擾城市大氣污染的有效措施。

1、技術(shù)路線

柴油-LNG雙燃料發(fā)動機的核心問題在于能否精確地控制柴油引燃量和天然氣供氣量，使發(fā)動機達(dá)到最佳的動力、經(jīng)濟性能和滿足排放要求。按照供給方式可分為有缸外供氣和缸內(nèi)直接噴氣兩種，其中缸外供氣方式還可分為進(jìn)氣噴射和進(jìn)氣管混合器供氣兩種。現(xiàn)對以上雙燃料實現(xiàn)方法的優(yōu)劣分析如下：

1.1缸外供氣方式

1.1.1進(jìn)氣噴射方式

此方式是將天然氣引至進(jìn)氣總管或進(jìn)氣口，用天然氣噴射閥對燃?xì)鈱嵤┛刂啤Ｈ籼烊粴鈬娚溟y流量較大，在發(fā)動機的進(jìn)氣總管上安裝，就形成電控單點噴射式。該方式對空燃比的控制相對精確，使產(chǎn)生的排放性和經(jīng)濟性相對良好。若有多個天然氣噴射閥在進(jìn)氣口的地方安裝，這種噴射方式屬于電控多點噴射式。利用噴射閥將天然氣向進(jìn)氣口進(jìn)行直接噴射，對燃料在空氣中和氣體中的流量進(jìn)行分別精確測量、計量，使得精確度和穩(wěn)定性保持在一個較高的水平上。

氣體燃料噴射始點和噴射量密切相關(guān)于進(jìn)排氣門及活塞運動的相位關(guān)系，可以實施嚴(yán)格控制，從而使層狀供氣和定時供氣比較容易操作，更準(zhǔn)確地對空燃比實施控制，可以以發(fā)動機負(fù)荷與轉(zhuǎn)速為根據(jù)進(jìn)行。

1.1.2進(jìn)氣管混合器供氣方式

將混合器安裝在進(jìn)氣總管上，在雙燃料發(fā)動機里將空氣-天然氣的混合氣送入，由機械裝置控制混合器燃?xì)鈮毫Γ沟拓?fù)荷前提下天然氣壓力在最小的狀態(tài)下保持，滿負(fù)荷前提下使天然氣壓力在最大的狀態(tài)下保持；或者控制閥門開啟角度，從而使供氣量得以調(diào)節(jié)。該類型的優(yōu)點非常明顯，低廉的價格、簡單的結(jié)構(gòu)。然而，因閉環(huán)控制難以開展，對空燃比難以實施有效地、精確地控制，所以提升排放控制水平較難。

電控混合器方式在國外上個世紀(jì)9O 年代初出現(xiàn)了。由電子控制單元（ECU）、天然氣供給系統(tǒng)和柴油供給系統(tǒng)構(gòu)成整個系統(tǒng)。測定發(fā)動機的一系列參數(shù)是通過電控單元利用傳感器來完成的，從而確定發(fā)動機的運行工況，再通過對油泵的控制調(diào)節(jié)流量控制閥的位置和齒桿，在不同條件下，按照發(fā)動機對空燃比的要求，對引燃柴油的噴射量和噴射時刻、天然氣供應(yīng)量進(jìn)行靈活地調(diào)整。

1.2缸內(nèi)直接噴氣

缸內(nèi)氣體噴射技術(shù)是把天然氣利用氣體噴射器向氣缸內(nèi)直接噴射，可分為兩種：低壓噴射式和缸內(nèi)高壓噴射式。通常應(yīng)用在壓縮比較低的發(fā)動機上的主要供氣方式是低壓噴射；應(yīng)用在壓縮終點噴射發(fā)動機上的主要供氣方式是高壓噴射。

圖1　HPDI發(fā)動機噴嘴

高速發(fā)動機和大型發(fā)動機采用的是高壓噴射（HPDI），類似于汽油機缸內(nèi)直噴技術(shù)，將噴射閥直接安裝在氣缸蓋上，將天然氣直接噴在燃燒室內(nèi)（見圖 1）。這種噴射方式可以使燃料供給量維持在較高的狀態(tài)下，以及使供氣噴射在短時間上的延續(xù)。缸內(nèi)噴射技術(shù)可以降低和消除燃料供給對空氣充量的影響，易于實現(xiàn)稀薄燃燒，提高排放性能、動力性和避免爆震的效果。但其明顯缺點是技術(shù)難度高，費用高昂。加拿大西港公司的HPDI發(fā)動機為此領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

2、工程應(yīng)用

2.1技術(shù)路線當(dāng)前我公司在進(jìn)行工程應(yīng)用是采用進(jìn)氣管混合式進(jìn)行雙燃料系列車型的開發(fā)

以柴油機為本體，在進(jìn)氣系統(tǒng)中加入天然氣，與空氣形成可燃混合氣。通過少量柴油引燃混合氣做功。雙燃料燃燒方式兼具點燃式和壓燃式發(fā)動機特點。柴油既起高能點火作用，在某些工況也作為主要燃料，起到“調(diào)質(zhì)”的作用。原理圖如圖2、圖3。

圖2　雙燃料原理

圖3　雙燃料控制原理

為保證雙燃料發(fā)動機有更貼近純柴油發(fā)動機的性能，根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)路線，采用新的控制策略-全控技術(shù)，即雙燃料ECU截取電子油門踏板信號，給原機電控單元輸入設(shè)定比例油量信號，達(dá)到減小油量的效果，同時進(jìn)行天然氣的噴射，補足發(fā)動機實際功率與扭矩。

2.2雙燃料發(fā)動機標(biāo)定

柴油機高壓縮比、高增壓，以及高空燃比的特點。對天然氣燃燒方式形成了很大挑戰(zhàn)。需要根據(jù)不同工況特點，靈活控制兩種燃料的供應(yīng)，以最大化發(fā)揮雙燃料優(yōu)勢。

為此，對改裝完成的雙燃料發(fā)動機進(jìn)行了重新標(biāo)定，以獲取良好的工作性能。根據(jù)不同工況特點，使發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速，不同負(fù)荷下，功率與原機相同，綜合考慮替代率和氣油比，選擇合適的油氣比率。標(biāo)定過程中，邊界條件為：缸壓、排溫以及壓力升高率不超過原機。

(替代率=(純柴油油耗-雙燃料油耗)/純柴油油耗×100%；替代比=雙燃料氣耗/ (純柴油油耗-雙燃料油耗)×100% ；柴油單位：L，天然氣單位：Kg )

圖4　發(fā)動機負(fù)荷

圖5　燃油替代率

圖6　氣油比

全新標(biāo)定的雙燃料的特點：

（1）保留了壓燃式發(fā)動機效率高、功率大的特點，多點引燃，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤紵浞帧?/p>

（2）降低排放，降低原機污染物排放一半以上。

（3）車輛可在純柴油模式和混燃模式之間自由切換，使用靈活。

（4）由于依然保留柴油的潤滑作用，雙燃料對氣門及座圈的磨損要比純氣體機小得多；熱負(fù)荷與原機一樣，從而使柴油機本體不用大改即可適用于雙燃料。

（5）動力性、駕駛性與原機相同，噪音低。

3、整車應(yīng)用

根據(jù)雙燃料發(fā)動機特性適應(yīng)性開發(fā)了渣土車、牽引車、水泥攪拌車等多個車型。

現(xiàn)以渣土車為例說明實際運行狀況：開發(fā)的雙燃料渣土車在2014年12月至2015年7月完成了用戶試用，試用期共運行23400余公里。期間無發(fā)動機和雙燃料系統(tǒng)故障，使用可靠。通過統(tǒng)計計算，得出該車型在實際使用中的替代率及替代比為：替代率：74.4%；替代比：0.75。

通過持續(xù)8個月的客戶試用，驗證此雙燃料系統(tǒng)可靠性高，LNG對柴油的替代率綜合維持在74%。

4、結(jié)束語

目前國家對汽車排放尾氣問題關(guān)切，正在推動天然氣作為代用燃料的發(fā)展。其次，柴油與天然氣的價格差異，導(dǎo)致使用天然氣作為燃料會獲得更好的經(jīng)濟效益，從而將使用者和經(jīng)營者的積極性調(diào)動起來。在重型商用車的應(yīng)用上純天然氣車型收到氣源問題的制約有一定的局限性，因此柴油-LNG雙燃料技術(shù)可以作為一個突破，推動天然氣的發(fā)展。

[1] 姚冬梅.LNG/柴油雙燃料發(fā)動機供氣技術(shù)發(fā)展趨勢.技術(shù)與市場,2013.7.

[2] 耿志勇,李麗君.柴油-天然氣雙燃料重卡簡介及市場前景分析[J].汽車實用技術(shù).2012.8.

Application of diesel -LNG dual fuel technology in heavy duty truck

Feng Fan, Wang Jiangpeng
（Shaanxi Heavy-duty Motor Company Limited, ShaanxiXi'an 710200）

In this paper, three kinds of dual fuel technologies are analyzed, which are natural gas injection, pre mixed gas and direct injection in cylinder.According to the development situation of our country, the application of pre mixed gas supply technology is selected, and the prospect and trend of the diesel -LNG dual fuel heavy vehicle are forecasted.

Diesel -LNG dual fuel; Gas supply technology; engineering application; environmental protection

馮凡，就職于陜西重型汽車有限公司。

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1671-7988（2016）06-128-03