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柴油发动机燃气化技术,北京富地红华动力技术有限责任公司201209,1引言,为何采用天然气作为汽车燃料,环保方面-天然气为清洁燃料；经济方面-天然气价格便宜；燃料结构-中国缺油多气。,汽车排放对北京大气环境的污染,汽车排放所占比例%,大气主要污染物,清华大学和北京环保局提供,我国汽车及能源状况,1990年代以来，我国汽车工业年均增长12.7%；从1994年起，我国从石油出口国变为进口国；2000年进口石油7000万吨，支付外汇250亿美元；进口石油量已超过总需求量的50%。,我国石油产量与缺口现状,亿吨,我国汽车燃气化现状,15个城市正在推进示范工程；已建成加气站1300余座；已改造车辆约14万辆,车辆燃气化分布,98%,汽油车,2%,柴油车,为什么柴油车燃气化进展缓慢,柴油机为压燃式而天然气为非压燃燃料，所以天然气不能直接取代柴油；柴油机型号繁多，结构差异较大，改造困难；目前国内所采用的系统有全电控与非全电控，改装效果差异明显。,2柴油发动机燃气化技术,柴油发动机燃汽化改造方案,NG单燃料发动机,双燃料发动机,柴油机,柴油机改为单燃料发动机技术方案,去掉燃油系统；换为火花塞高压点火系统；降低发动机压缩比；增加燃气系统；工作原理与汽油机相同。,天然气燃料电控喷射系统,单燃料发动机为什么要降压缩比,目前的火花塞点火系统效率很低，只能在压缩比大约为12：1和LAMBDA为1.6下工作，而柴油机的压缩比大多在18：1以上。为了使点火系统正常工作，必须降低发动机压缩比。因此，火花点火发动机集中在低压缩温度和低LAMBDA条件下工作。,卡车柴油和纯天然气发动机功率比较,柴油机改为双燃料发动机技术方案,在燃油系统上加装限油装置；增加燃气系统；柴油仅用于点火(1020%)。,双燃料发动机的燃烧过程,天然气发动机的压缩比,对于双燃料发动机，既没必要也没期望将发动机的压缩比降低到低于柴油机的的压缩比。由于预混合的燃气和空气的压缩温度总是保持在自燃温度之下，因此不存在爆震问题。空气和甲烷的在LAMBDA为2时的自燃温度大约为1000K，由于峰值压力总是维持在70倍进气压力之下，因此，燃气和空气的混合气不会出现自燃，也不存在后期的燃气自燃而产生爆震问题。目前的火花塞点火系统效率很低，只能在压缩比大约为12：1和LAMBDA为1。6下工作，因此，火花点火发动机集中在低压缩温度和低LAMBDA条件下工作。,压缩比对爆震和效率的影响,注：爆震在温度为1000K以上发生。,双燃料系统的种类,机械式双燃料系统；电控单点喷射双燃料系统；电控多点喷射双燃料系统。,天然气发动机性能,过量空气系数,各种燃烧过程发动机的热效率,天然气发动机燃料消耗与柴油机比较,天然气发动机动力效率与柴油机比较,目前国内柴油天然气双燃料发动机现状,目前国内柴油天然气双燃料发动机已有1000台左右，采用的系统为全电控、非全电控、机械混合式系统。,混合式天然气燃料供给系统,空气滤清器,发动机,混合式天然气燃料供给系统的问题,混合器为负压吸入层流混合,天然气计量不精确，空气与燃气混合不充分,燃烧效率低;由于调节系统为机械式，无法在所有工况状态下进行优化，天然气替代率不高，燃料利用率较低，排放较差。,解决途径,采用天然气电子喷射技术；采用微电子控制技术；采用空燃比控制技术；采用后处理催化技术。,空燃比控制方法,降低进气道压力减少进气量；采用断缸喷气提高喷气缸的燃气浓度。,空燃比控制方法,柴油-天然气双燃料电喷发动机,柴油机柴油-天然气双燃料电控喷射系统,天然气喷射阀,两通常闭型，材料为不锈钢，插装式结构，PWM控制方式，压力可达14MPa,建议采用超音速流速，建议采用1滤清器。,天然气高马赫数喷射方法,燃气喷射阀与发动机进气系统的匹配图,双燃料发动机天然气替代率,%负载（1100RPM，1800RPM）,%天然气替代率,单燃料发动机的优缺点,优点：排放较低；运行经济。,缺点需重新设计发动机，费用较高；功率下降；热效率较低；需对火花塞进行维护。,双燃料发动机的优缺点,优点：对原机基本不做改动；功率与原机相同；热效率较高成本较低,缺点运行经济性不显著；需两种燃料箱。,3北京富地红华柴油-天然气双燃料电喷系统,开发柴油天然气双燃料电喷系统的指导思想,采用先进技术；应与国内技术对接；系统构成尽可能国产化。,柴油-天然气双燃料电控喷射系统,系统简介,该系统目前的配套对象为柴油机。使用该系统后，柴油机燃料供给方式由原来单一的柴油模式改为柴油-天然气双燃料模式和全柴油模式两种模式工作。该系统在柴油-天然气双燃料模式工作时，进入发动机汽缸的微量柴油主要起引燃作用，而天然气作为主燃燃料为发动机提供动力能源。该系统由ECU、天然气过滤器、天然气减压系统、脉宽调制型天然气喷射器、混合器、油门执行器、发动机转速传感器、油门位置传感器、进气压力传感器、排气温度传感器、线束总成、天然气、管路等组成。ECU根据各个传感器感受的发动机工作参数以及油门踏板指令，通过油门执行器精确控制柴油供给量，通过脉宽调制型天然气喷射器精确控制天然气供给量，从而对发动机的燃烧和排放进行优化，使发动机的燃料管理系统数字化。,试验中的柴油天然气双燃料发动机,性能及热效率与柴油机相同，动力不下降不改变柴油发动机结构，外挂式安装适应性好，可以与发动机厂配套，也可以改造现有的柴油发动机平均替代率70%可随时由双燃料状态返回全柴油状态,电控天然气计量装置,脉宽调制型天然气喷射器:关键部件，计量喷射进入发动机气体燃料线性度好、速度快、动作准确、耐用可靠,电控柴油计量装置,采用PID控制技术，控制精度高动态响应好根据发动机的工况对柴油量进行精确控制，提高了天然气对柴油的替换率,ECU电控单元,严格遵守车用标准，通过重庆检验院检验双控制器冗余，可靠的防护自诊断及记录功能，可对不同车辆进行优化,电控系统所用传感器,系统的核心技术及创新性,柴油泵柴油微量控制采用步进电机电控技术；天然气流量采用数字阀并联组合控制技术；天然气供给采用正压喷射技术。,4柴油天然气双燃料电喷发动机试验报告,柴油-天然气双燃料电控系统特点,该系统适合于直列泵柴油机；天然气燃料采用高马赫数喷射，使空气与燃料充分混合；引燃燃油可精确控制,使燃烧更充分，排放更干净;天然气燃料的使用率可达到80%以上;发动机功率，驾驶性与原机相同。,5双燃料对发动机寿命的影响CAT3174B双燃料发动机1000小时耐久性试验,双燃料发动机1000小时耐久性试验性能数据,发动机机油分析烟尘吸收率,发动机工作时间（H）,A%,发动机机油分析铁含量,发动机工作时间（H）,Fe(PPM),发动机机油分析TBN,发动机工作时间（H）,TBN,双燃料对发动机寿命的影响,延长发动机寿命，增大发动机保养间隔时间，降低更换机油费用。,总结,只要设计合理，双燃料发动机在获得优良的性能同时，同样可以保证低的排放；轻型发动机单燃料；重型发动机双燃料；随着LNG的普及，双燃料发动机的使用将会更广泛。,车用柴油发动机双燃料改造,双燃料系统部分示范车辆,双燃料主要部件的安装,柴油-天然气双燃料系统的安装特点：外挂式系统，发动机改动小，对纯柴油运行无影响，燃料转换容易。,LNG气瓶安装,确定LNG钢瓶安装位置；确定钢瓶支架固定点；加气方便；底盘受力平衡；安装应牢固。,将发动机中冷器之后的进气管拆除，并根据混合器尺寸将橡胶管截断一部分，并用卡套上紧。,混合器的安装,共轨喷射阀组的安装,减压器和共轨喷射阀组的连接用低压橡胶管。减压器出口连接喷射阀入口，喷射阀出口连接混合器。,油门执行器的安装,通过限制油泵齿条的位置来限制油量，采用专门油控机构，将油泵上的齿条限制镙母拆下，安装油门执行器,ECU及线束电路安装,ECU安装位置：驾驶室内副驾驶位置前的仪表盘下方，ECU的安装位置应远离热源ECU线束沿着车辆大梁布置，固定；转换开头安装在驾驶员操作方便的地方，左侧仪表台上线束布置位置距离排气管不得小于300mm；,富地红华双燃料产品应用,城市公交客运车辆,富地红华双燃料产品应用,牵引运输车,富地红华双燃料产品应用,运输车,经济性对比计算公式：,经济分析,302号船装有三台6135发动机，根据发动机参数计算，两台动力机满负荷油耗为63升/小时，发电机70%负荷的油耗为22升/小时，三台发动机合计油耗为85升/小时，按该船每天运行8小时计，该船运行一天需858=680升柴油。改装前每天的燃料成本为：680升5.8元/升=3944元（柴油油价按5.8元/升计）改装后，原来所使用柴油的70%被天然气替代，柴油只消耗原来的30%，每天的燃料成本=柴油成本+天然气成本改装后柴油成本：680升30%5.8元/升=1183.2元改装后天然气成本：680升70%4.5元/方=2142元改装后燃料合计成本：1183.2元+2142元=3325.2元改装后每天可节约燃料成本：3944-3325.2元=618.8元全年300天总节能经济效益为18.564万元。,船用柴油发动机双燃料改造,指导规范,气体燃料动力船检验指南（2011）；双燃料发动机动力系统设计与安装指南；LNG加注趸船审图原则；气体燃料动力船法定检验补充规定（已报批）；船用LNG储气罐审图原则；LNG/柴油双燃料动力船舶试点的技术要求。,81,船用双燃料发展历程,82,试点船舶现状,2010年8月,我国内河第一艘“油改气”船，武轮拖302号船获国家船检总局肯定，湖北西蓝天然气有限公司、武汉轮渡公司，油气3:7，燃料成本降低30%，80%的SOx，20%的CO2,长航集团选择了旗下2500吨级散装货轮“长讯三号”作为实验船，进行了双燃料系统改造，2011年3月1113日，进行了双燃料系泊和航行试验，72%，通过了CCS检验。,漓江碧水34号,燃气的生产、供应物流运输方式及环节加气站选点及受气方式,船用供气体系,国内LNG燃料动力试点船舶技术要求1,管系及布置和材料通风消防可燃气体探测防爆电气设备使用,机器处所,国内LNG燃料动力试点船舶技术要求,开敞甲板布置,次屏保护通风可燃气体探测消防,气罐处所,容量要求布置要求防碰撞要求防泄漏要求消防要求,舱内布置,国内LNG燃料动力试点船舶技术要求,发动机,ECU,气罐,热交换设备,功能可靠性防爆要求,控制监测故障处理,可靠性,储存及保温能力安全及可靠性材料,材料及可靠性供气品质,加装LNG储罐,加装LNG管线,加装双燃料发动机控制系统,改造施工过程,实船航行实验,长江航运科学研究所测试报告,双燃料技术的经济性,长江航运科学研究所测试结果,柴油双燃料发电机组,2004年与贵州柴油厂成功开发6138增压柴油-天然气发动机，两