2018柴油-天然气双燃料发动机的研究

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　　引言
　　目前，柴油价格虽逐渐回落，天然气价格有上升的趋势，但不足以降低人们对天然气的使用信心。
　　从排放方面来讲，柴油的排放性是远远高于天然气的，尤其是碳烟的排放，对环境污染以及人类的健康带来了极大的威胁[1]。从储量方面来讲，天然气的使用期限起码要比石油多用50 年[2]。在中国新疆地区，越来越多的煤层气、油田气、气田气以及泥火山气被发现，极大了鼓舞了人们使用天然气的信心。在价格方面，天然气刚刚由家用天然气向车用天然气转型，其固定使用量还处于上升时期，其价格虽有上升的趋势，但百公里费用是远远低于柴油价格[3]。
　　1、 双燃料发动机技术的使用
　　柴油/天然气双燃料发动机技术是在不改变原来发动机机械构造的基础上进行的，它是在原机上增加燃气进气系统、油气切换系统以及电控模块ECU 来实现的。国产发动机完全可以改装为双燃料发动机，但是燃油替代率再高也要柴油参与燃烧，不如改装为单燃料发动机更经济。对于进口发动机，若是改装为单燃料发动机，就要增加一套点火系统，无疑破坏了原发动机的机械构造，对于几十万的发动机如此改装是很不科学的[4]。
　　在国内，天然气站的建设还处于普及中，也许在某些城区加气比较方便，但是在高速公路沿线的建设还远远没有加油站普及。若是长途汽车改装为双燃料发动机，也许只有出发后的几百公里是经济的，天然气使用完后只能采用纯柴油燃烧，效果并不是很理想。
　　所以柴油/天然气双燃料发动机技术更适用于做短途运输，发动机昂贵的车辆。
　　2、 燃气供给系统
　　天然气经净化处理(脱除重烃、硫化物、CO2、水等)后，在常压下深冷至-162C，由气态转变成液态，称为液化天然气(LNG)[5]。LNG 在液化前必须经过严格的预净化，因而LNG 中的杂质含量远远低于CNG，汽车使用LNG 燃料其尾气排放可达到国四标准。
　　LNG 的体积约为同量气态天然气体积的1/600，重量仅为同体积水的45%左右，大大方便存储和运输，节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高能等优点，越来越被人们所采用[6]。
　　双燃料发动机的燃气供气系统如所示，主要有LNG 储液罐、蒸发器、流量计以及过滤器、高压减压器、缓冲罐、电磁阀、低压减压器和喷嘴组等组成。
　　由于 LNG 是在低温下存储的，所以LNG 储液罐必须有真空层，以保证天然气在出罐体之前主要以液体的状态存储;蒸发器的主要作用是气化天然气，其内部流过发动机冷却液;气化后的天然气压力瞬间增大，在通过一个高压减压器后暂存在缓冲罐中，缓冲罐也可弥补加速时供气不足所带来的缺陷;为减轻气体对低压减压器以及喷嘴的影响，在低压减压器前端安装电磁阀，由ECU 控制通断;低压减压器的出口压力调至喷嘴所能正常打开的压力值，防止喷嘴不能正常打开或供气不足[7]。
　　3、 双燃料发动机的一个例子
　　新疆一生产天然气公司，拥有几百辆原装奔驰重卡车，承担着新疆大部分以及内地部分天然气运输任务。原装奔驰车的标定百公里耗油量为46 升，而车辆拉的货物就为液化天然气，百公里三四百元的运费增加了公司的运营成本。如果能将在新疆地区运营的车辆改装为双燃料发动机，将大大降低运输费用。
　　双燃料控制模块所采集的信号基本源于原发动机本身，包括水温、油门踏板位置、转速等。其示意图如所示。
　　当发动机运行时，所采集的信号经进入ECU，为ECU 所识别。这些信号处理合适是不会对原机产生影响的。这样，即节省了费用，又减少了传感器的安装。
　　根据国内外做双燃料的经验，在怠速工况下，没有天然气参与燃烧，当发动机工况达到ECU 所既定工况点，即按照ECU 控制策略来喷如适量的天然气。
　　4、 路试结果
　　柴油/天然气双燃料奔驰车辆经过几千公里的路试，得出了燃油替代率、掺烧经济性和燃气能耗比等数据。
　　4.1 燃油替代率
　　燃油替代率，就是百公里节省油量与纯柴油模式下耗油量比值。
　　如:在纯柴油模式下百公里耗油量A(L);
　　掺烧模式百公里耗油量B(L);
　　则燃油替代率=(A-B)/A;
　　由于在路试中，奔驰车辆的仪表上可显示当前所行驶公里数以及在纯柴油模式下理应耗油量。经过3000 余公里(负荷有轻载、重载;路况有平原、山地等)的路试，9 次数据记录，得到的如燃油替代率。
　　4.2 掺烧经济性
　　掺烧经济性，可直接反应出在掺烧模式下，百公里可节省的费用。按照目前市场每升柴油6.12 元，每公斤的液化天然气4.4 元计算：
　　如：掺烧模式下百公里耗液量C(kg)
　　则掺烧经济性=6.12A-4.4  C-6.12B
　　4.3 油气能耗比
　　油气能耗比，就是节省1 升的柴油需要多少方的天然气来代替。由于液化天然气在添加中都是以公斤来计量的，在新疆地区，每公斤的液化天然气可转化为1.33 方的天然气。
　　则油气能耗比=(C 1.33)/(A-B)
　　5、 结论
　　(1)柴油/天然气双燃料发动机技术更适用于做短途运输，发动机昂贵的车辆。
　　(2)为保证双燃料发动机燃气供给系统的稳定性、安全性和车辆的加速性，需要加装二级减压器以及缓冲罐。
　　(2)对于电控柴油机(高压共轨、单体泵或泵喷嘴)，改装为双燃料发动机后，在保证动力性的同时，燃油替代率达到了70%左右，其经济性有了很大的提高，燃料的燃烧比在纯柴油模式下更充分。
　　[参考文献]
　　[1] 李骏，徐振波，杜喜云等.柴油/天然气双燃料发动机的开发研究，中国汽车工程学会2003 学术年会
　　[2] 熊树生，何文华，楚书华等，车用柴油/CNG 双燃料发动机工作性能的研究[A]，学业机械学报，2004.7(3);
　　[3] 张红光，盛宏至，潘奎润等，车用柴油/天然气双燃料发动机的开发[A]，农业机械学报，2003.9(5)
　　[4] 李克，杨铁皂，徐斌等，天然气/柴油双燃料发动机研发现状及发展，河南科技大学学报，2004，4(2);