柴油一天然氣雙燃料汽車技術研究

    隨著我國經濟和汽車工業的迅速發展，石油資原短缺的形勢越來越嚴峻。與此同時，環境污染日益嚴重，這嚴重地影響和制約著我國經濟快速發展，環境保護和可持續發展成為21世紀我國需要解決拘重要問題。在環境污染中，汽車尾氣排放所造成拘污染占大氣污染的60％～70％，降低汽車尾氣排畋已成為環境保護的迫切要求。

    在諸多替代能源中，天然氣兼具資源豐富、分布廣泛、燃料成本低廉和低排放等多方面的優點，因此發展天然氣汽車對于合理利用能源和改善大氣環境具有非常重要的意義。目前我國的天然氣汽車產業發展很快，但主要是對汽油車進行改裝。由于柴油發動機具有壓縮比大、熱效率高、經濟性好、故障率低等特點，汽車發動機的柴油化傾向越來越明顯，柴油車在整個汽車中的比例呈不斷上升趨勢。然而由于技術、政策等諸多因素的影響，柴油一天然氣雙燃料汽車一直沒有得到有效推廣，成為制約燃氣汽車發展的瓶頸，嚴重影響燃氣汽車的發展。

    柴油一天然氣雙燃料汽車技術的開發，可以有效地解決柴油車燒天然氣的技術難題，打破柴油車燒天然氣的技術瓶頸，拓寬天然氣的應用渠道，有效緩解我國石油緊張的局面，并可顯著改善大氣環境。

    與汽油一天然氣兩用燃料汽車和天然氣單燃料汽車相比，柴油一天然氣雙燃料汽車具有如下技術優勢：

    ①  動力性能不降低；

    ②  熱效率高；

③  采用柴油引燃，點火能量高，著火穩定，避免失火，并提高甲烷相對較慢的火焰傳播速度；

    ④  由于柴油引燃比火花塞點燃的能量大得多，對點火正時的控制要求可以降低，能夠在較寬的空燃比范圍內工作，對稀燃很有利，可實現較稀薄燃燒；

    ⑤  可極大地降低柴油發動機的煙氣排放，降低柴油發動機的顆粒物排放；

    ⑥  對柴油發動機的改動很小；

    ⑦  既可在柴油一天然氣雙燃料狀態下運行，又可在純柴油狀態下運行，在加氣站不很普及的情況下，是一個比較理想的選擇。

    柴油一CNG雙燃料汽車在技術上也有一些不足，如氣瓶自重大；連續行駛里程比較短；發動機低速工作不良等。由于LNG能量密度大(約為CNG的3倍)，氣液體積比為625：l，柴油一LNG雙燃料汽車的連續行駛里程就比較長(可達400 km)。世界各國在發展天然氣汽車的過程中都碰到了柴油車改裝這一難題，多年來全球的天然氣汽車行業一直在探索和尋求理想的柴油車改裝技術，但直到現在還沒有取得非常成功的例子。近年來，歐美一些發達國家將開發重點轉向原裝天然氣發動機技術，我國及其他一些發展中國家仍在研究和探索對柴油發動機的改裝技術。

  ①  改裝成天然氣單燃料發動機

    此種改裝方式實際上是將柴油發動機改為電火花點火式的天然氣發動機，去掉柴油發動機的燃料供給系統，增加天然氣供給系統和點火系統。此種改裝方式改裝難度大，技術要求高，發動機缸套與活塞的配合間隙、配氣相位也要相應改變，改裝成本較高；并且是不可逆的，一旦改裝，很難再恢復原狀。

    國內有些單位在這方面曾有過大膽嘗試。他們的目的是把柴油車改裝成單一燃料天然氣汽車，把幾十輛柴油客車改裝成天然氣汽車，因大量出現發動機活塞拉缸、曲軸抱瓦等故障，最后不得不全部更換新的柴油發動機，或轉而改裝成柴油一天然氣雙燃料發動機。

②  改裝成柴油一天然氣雙燃料發動機

    柴油一天然氣雙燃料發動機改裝方式是保留柴油發動機的燃料供給系統和發動機的壓縮比，以一定量的柴油作為引燃劑，引燃天然氣和空氣的混合氣。目前國內外柴油一天然氣雙燃料汽車主要有3種供氣方式。

   a．機械控制混合器供氣。這種供氣方式應用較早，優點是結構簡單，成本低；缺點是空燃比尊剖不準確，替代率低。此種方式在國外已經不采用，在國內一些地方仍在使用。

    b．電子控制混合器供氣。由電子控制單元來控制氣體燃料的供給量和引燃的油量，它提高了空燃比的控制精度，降低了雙燃料發動機的排放。

   c．電子控制氣缸直接噴射。這種方式可以嚴格地控制燃料噴射量，可以實現定時供氣和定量供氣，可根據發動機的轉速與負荷更準確地控制空燃比，可以取得良好的動力性及排放性能。但造價很高，國內目前還處于初期研發階段。

    在充分調研柴油一天然氣雙燃料汽車技術現狀的基礎上，認真分析雙燃料汽車存在的問題和需要解決的技術難題，根據汽車的動力性、經濟性、環保性以及安全性等要求，確定項目的技術方案，然后對各子系統進行開發。

    在系統開發上，對柴油一CNG雙燃料電控系統和混合器等核心部件進行了自主研發，對減壓系統以及傳感器等通用部件進行優化選型、訂購，對特殊部件和安裝支架等進行設計和外協加工。通過大量的試驗、研究，開發出簡單實用、安全可靠的柴油一天然氣電控雙燃料汽車技術。

    柴油一天然氣雙燃料汽車以原柴油發動機為基礎，在保留原發動機的所有結構和柴油燃燒方式不變的前提下，增加了柴油一天然氣雙燃料發動機系統。該車既可以在柴油一天然氣雙燃料狀態下工作，也可以在單一柴油狀態下工作，雙燃料的工作狀態由電子轉換開關控制。

   ①  柴油一CNG雙燃料汽車系統構成    柴油一CNG雙燃料汽車系統由CNG供氣系統、柴油油量限制系統和電子控制系統3部分組成， CNG供氣系統主要由CNG氣瓶、濾清器、高壓電磁閥、減壓調節閥、低壓電磁閥、動力調節閥以及混合器等組成；柴油油量限制系統用來控制雙燃料工作狀態下的引燃油量，它主要由油門執行器和推桿組成；電子控制系統主要由電子控制單元。

   ②  柴油一LNG雙燃料汽車系統構成柴油一LNG雙燃料汽車系統由LNG供氣系統、柴油油量限制系統和電子控制系統3部分組成， LNG供氣系統主要由LNC儲罐、截止閥、低溫軟管、水浴式氣化器、電磁閥、減壓調節閥、動力調節閥以及混合器等組成；柴油油量限制系統和電子控制系統與柴油一CNG雙燃料汽車系統相同。

   ③  柴油一CNG雙燃料發動機工作原理柴油一CNC雙燃料發動機采用柴油引燃天然氣和空氣的混合氣的工作方式，該雙燃料發動機在起動和怠速工況下均以柴油為燃料。當ECU感受到發動機的加載信號時，ECU根據傳感器傳人的發動機油門位置、轉速等信號，由控制軟件進行模擬分析和對比，并輸出控制參數，控制天然氣的供給量和引燃柴油的噴油量。由CNG減壓調節閥流出的天然氣通過天然氣一空氣混合器與空氣混合，進入氣缸。

  ①   改造后，動力性不降低，發動機的額定功率和****扭矩與原柴油車相當；

  ②   天然氣的最高替代率為80％：

  ③   汽車行駛速度大于50 km／h時，天然氣平均替代率為60％～70％：

  ④   按熱量計算，汽車的雙燃料消耗總量不大于原車柴油消耗量：

  ⑤   汽車排放達到環保要求；

  ⑥   原車的操作性能和安全性能不受影響。

    改裝1輛柴油一CNG雙燃料槽車，改裝費用約2×10⁴元。若該車耗柴油(以下均指0號柴油)量為0.4 L／kin，行駛300 km／d，天然氣的平均替代率為65％，1.1 m³天然氣燃燒所放出的熱量等于1 L柴油燃燒所放出的熱量，壓縮天然氣的單價為2.5元m³，柴油的單價為6形L，則改裝后槽車可節約燃料成本：253.5 元／(輛·d)。以每輛車每年運行360 d計算，則可節約燃料費：91 260形(輛．a)，不到3個月即可收回改裝成本。

    柴油一天然氣雙燃料汽車系統開發完成后，我們對1輛槽車進行了柴油一LNG雙燃料汽車改裝，并進行了多次空載和重載路試運行。

 ① 某次路試試驗報告

    行駛里程為1 050 km，按原車油耗定額應耗柴油量為483 L；在雙燃料狀態下，實際耗柴油量為158 L，天然氣對柴油的替代率為67.3％。車輛在柴油一LNG雙燃料狀態下路試，在整個行駛過程中，車輛的動力性與改裝前相當，發動機的工作溫度為60～80℃，發動機工作正常。

 ②  路試經濟性分析

    已知：1.1 m。天然氣燃燒所放出的熱量等于1 L柴油燃燒所放出的熱量，液化天然氣的單價為2.0形m’，柴油的單價為6形L。該車在改裝前應耗柴油量為483 L，則燃料成本為2 898元。改裝后，在柴油一LNG雙燃料狀態下的燃料成本為l 663元，節約燃料成本1 235元，單位行駛里程節約燃料成本：1.176元／km，燃料成本降低：42.6％。

    逾5 000 km的實際運行表明，該槽車的動力性和經濟性都很理想，天然氣對柴油的平均替代率在65％左右，用戶對此非常滿意。此外，我們還在各地改裝逾20輛槽車和大客車，改裝效果良好，給用戶帶來了顯著的經濟效益。