气体燃料发动机新技术

1、气体燃料发动机新技术摘要：综合介绍了国内外气体燃料发动机（包括双燃料发动机）的发展现状、技术水平和应用领域，重点介绍了代用燃料及主要生产厂家和所采用的预燃室、增压中冷、稀薄燃烧、电子控制等先进技术。Abstract:thegasfuelengineat home and abroad(including dualfuel engine)development status,technique level and the applicationfield,focuses onalternative fuels andmajor manufacturers andtheprecombustion

2、chamber,turbocharged,lean combustion,electronic controland other advancedtechnology。关键词：气体代用燃料；发动机；可燃性气体；发展趋势Keywords:gasfuelengine; flammable gas;development trend随着世界范围内发动机保有量的快速增长、全球石油资源的过度开发，燃油料矛盾日益加剧，开发新能源迫在眉睫；环保意识的加强，人们越来越意识到使用清洁燃料在人们生活中的重要性。作为高清洁燃料的天然气等可燃气体的开发利用已成为世界性的研究课题。可燃性气体如天然气、煤层气、瓦斯气、水

3、煤气和石油炼化尾气被世界公认为清洁、价廉、丰富、现实的发动机代用燃料，气体燃料发动机包括双燃料发动机被公认为世纪的理想动力。 1 国内外气体燃料发动机发展及应用概况1气体燃料发动机发展状况以天然气等可燃性气体作为发动机燃料，在世界上已有多年的历史，与其它燃料相比，可燃气体具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经济可行等特点，在世界上得以迅速发展。美国、德国、奥地利、日本和芬兰是世界上气体燃料发动机技术水平较发达的国家，它们主要研制的对象是以天然气、沼气、垃圾气等为燃料的气体燃料发动机，并且拥有先进成熟的技术和产品，特别是大功率、大缸径机型技术非常成熟。从技术特点上看，美国侧重于使用真空度

4、膜片机械式燃气预混合技术，而德国、奥地利等国侧重于使用电控燃气预混合技术，芬兰则主要使用单缸进气门前电控喷射的混合方式。我国燃气机技术发展时间较短，技术水平相对落后。自年代以来，国内部分内燃机生产厂家，如胜利石油管理局动力机械厂、济南柴油机厂、潍坊柴油机厂和重庆红岩机器厂先后涉足这一领域，开始在柴油机基础上改制或重新设计天然气发动机。改制的气体燃料发动机功率较小，且技术水平相对比较落后。但是最近几年，国内气体燃料发动机技术有了实质性的变化，特别是年以后，进步很快。以胜利石油管理局动力机械厂为例，该厂加大了科技投入，将电子技术引入气体燃料发动机，开发研制了电控、电喷型气体燃料发动机，使原来很多不

5、能应用气体燃料发动机的场合，也可加以利用。年该厂成功地开发了电控型气体燃料发动机，该型机可适应低甲烷浓度的煤层气、石油炼化尾气、水煤气等各种燃料，其空燃比的控制技术接近或达到国际先进水平。该厂根据不同机型和不同使用场合，分别采用机械控制混合和闭环电控混合进气系统，其特点一是燃气进气压力为常压，不需要单独对气体进行加压；二是能够适应各种可燃性气体，如沼气、水煤气、发生炉煤气和化工生产中施放的以一氧化碳、甲烷、乙炔或氢气等为主的可燃性气体。国内其它厂家的气体燃料发动机技术水平，由于各家都不同程度地存在着技术保密，从公开的技术资料及用户调查看，都普遍使用机械混合技术和机械喷射技术。早期的车用气体燃料

6、发动机多采用改装技术，即在不改变原汽油机的基础上，增加一套天然气的储存、供给和燃料转换系统。目前，国内外都开发出了专用天然气的单一燃料天然气汽车。天然气汽车的关键部件是供气系统及其控制装置，目前供气系统技术已经发展到第三代。第一代供气技术为机械式气体预混合系统；第二代为电控气体混合系统；第三代为电喷系统，可根据不同工况控制天然气喷射量以实现佳空燃比，并由初期的开环控制发展到闭环控制。1 气体燃料发动机应用状况用作汽车动力是气体燃料发动机的主要用途。欧洲是世界上最早推广天然气汽车的地区之一，最具有代表性的国家是意大利和前苏联，早在上世纪年代末便开始发展天然气汽车。到目前为止，意大利已拥有万辆天然

7、气汽车，前苏联拥有万辆天然气汽车（其中俄罗斯拥有万辆）。中国的天然气汽车开发较早，但真正大规模发展是年以后，尤其是近三年发展最快。到目前为止，全国拥有天然气汽车万余辆，汽车万辆。年，胜利石油管理局动力机械厂成功地开发了系列的燃气发电机组，该机组为国产气缸直径最大、功率最大的燃气发电机组。机组采用预混合进气方式和预燃室、增压中冷技术，实现了主燃烧室内的稀薄燃烧，大幅度降低了发动机的排气温度。目前，大功率电控燃气机组已在实验室装机调试，预计年底，具有更先进技术的大功率燃气机组即可面世。目前，国内气体燃料发动机市场很好，随着我国加入，国外气体燃料发动机在国内也有应用。相对来说，国外气体燃料发动机质量

8、比国内要好，但是价格昂贵，服务也不如国内及时、到位。目前在国内运行的气体燃料发动机机组大部分还是国内厂家生产的。1 双燃料发动机通常讲的双燃料发动机主要是指用柴油引燃、以可燃气体为主要燃料的内燃机目前双燃料发动机技术已经发展到第三代。第一代是机械控制的双燃料发动机。这种技术是将被改装柴油机台架试验得到的空负荷最低稳定。转速下的燃料供给量作为双燃料运行时的引燃油量。当负荷或转速增加需要增加燃料供给时，靠增加进入混合器的气体燃料来满足。通过调试气燃料的空燃比、柴油的喷油提前角等参数来实现它的最大功率。匹配效果好的双燃料发动机基本可以达到原柴油机的功率或下降很少。第二代是电子和机械混合控制的双燃料发

9、动机。其主要特点是引燃柴油仍由机械式喷油泵来提供，天然气则通过电磁阀来控制。这种系统是在机械式双燃料供给系统的基础上发展而成的，它为了对天然气进行电磁阀喷射控制而引入了微处理器，对引燃油量也实行了电子控制。同时，它也是对带电子调速器的柴油机进行双燃料改装时对天然气的供气量进行电子控制。年初，胜利石油管理局动力机械厂生产销往台湾的一台的双燃料发动机就是采用这种系统。 第三代是全电子控制的双燃料发动机。这种发动机的柴油和天然气都用电子喷射阀来控制其供应量。这种全电子控制系统是年代后期开发的，它有一个专门开发好的电控单元，根据发动机运行工况，如转速、负荷、排温、排气等参数的变化，给出相应的运行参数，

10、以及柴油、天然气喷射阀的开启和关闭的时间2.气体燃料发动机主要燃用的气体燃料及特性气体作为燃料就必须使用气体发动机，当前使用单气体燃料作为能力源的发动机，主要有LNG(液化天然气)发动机、CNG(压缩天然气)发动机和LPG(液化石油气)发动机三种。气体发动机与同排量的柴油机相比，动力性相当，环保优势明显，更容易达到国IV、国V排放。且当前生产技术趋于成熟，生产工艺设备与柴油机可通用。在油气价差保持的前提下，燃料经济性显著。不过气体发动机也有一定的缺陷，比如续驶里程短、燃料加注时间长、加气站的建设投资太大等。2.1气体代用燃料的组成目前常见汽车代用燃料的类型主要有天然气、石油气、氢气、液化石油气

11、、液化气以及二甲醚等。2.2气体燃料的性能特点气体作为汽车代用燃料有别于普通燃料，它们共同点在存储、加注不同于以往的液体燃料，下面为了有助于更好的了解气体燃料的性能特点，让我们来分析以下它们各自存在的优缺点。天然气的优势：成本低廉、运行平稳。安全可靠使CNG汽车具有较为广阔的发展前景，CNG作为车用燃料，在环保和能源安全方面有较大的优势是具有发展潜力的汽车替代燃料。天然气的缺点：资源有限（主要工业及民用）、汽车续驶里程短、储运加注等基础设施要求高、投资大、只适用于在富产天然气的地区和大中城市推广。随着CNG运输管网分布范围的扩大以及加气站的增多，CNG汽车的应用范围可以扩大到城市之间。石油气的

12、优势：燃烧清洁、排放污染物少，安全可靠、经济可行等特点石油气的缺点：LPG主要来源于石油，其供应性受到石油供应的限制，价格也会随着石油价格变化而波动；LPG对加气站、管网等基础设施的建设要求也很高。氢气的优势：良好的行进加速性；良好的燃料适应性；低温起动性好；超低排放全工况高效率等优点；氢具有巨大的价格优势；强大的工业基础。 氢气的不足：利用可再生能源制氢还存在一定的问题；氢气能量密度最小、储运条件十分苛刻、续驶里程短、加注不方便；目前氢气的制取、储运、加注、氢能汽车成本等存在很多问题，短期内氢气作为汽车能源的发展受到了限制。但氢来源的广泛性、可再生性和燃烧清洁性使氢成为世界各国汽车代用燃料的

13、长期发展战略目标。二甲醚的优势：二甲醚十六烷值高，自燃点低，在发动机气缸内蒸发速度快，有利于混合气的形成，燃烧速度快，滞燃期短；汽化潜热高于柴油，蒸发过程吸收热量较柴油多，可有效地降低气缸内最高燃烧温度，有利于降低NOX排放和噪声；作为含氧化合物，可提高燃烧效率，在燃烧过程中几乎无碳烟生成，CO、PM的排放都比较小；以DME为燃料的发动机，其动力性和起动性与柴油机相当。 二甲醚的不足：需要开发新的燃料供应系统及新的发动机技术和整车技术；发动机技术不成熟、储运不便、能量密度低；续驶里程短，液态密度随温度变化较大容易使燃料供给系统运动件发生磨损；并且同CNG、LPG一样，对基础设施要求较高；受便利

14、性、燃料加注基础设施等因素限制，发展空间有限，适合于在区域间运行的大型客车上应用。3.气体燃料发动机性能相对于LNG发动机，CNG发动机和LPG发动机的技术成熟程度、经济成本等都更现实，目前CNG发动机已经广泛应用其第三代电控喷射CNG的技术，采用高压喷射，通过节气门传感器，气体流量传感器，转速传感器，水温传感器，进气温度传感器，压力传感器和氧传感器等经过中央处理单元来控制点火、空燃比等。更先进的LNG缸内直喷技术目前已得到小批试用，动力性、经济性和排放俱佳，但开发难度较大，费用昂贵，成本也高，国内尚未开始研制。与传统柴油机相比，气体发动机取消了原柴油机的燃油喷射系统相关的零部件，增加了蒸发调

15、压器(LPG发动机)、减压器(CNG发动机)等供给气体燃料的相关零部件。传统柴油机是压燃式发动机，而气体发动机由于受燃料特性限制(抗爆振性能)，采用的是与汽油机一样的点燃方式。在取消了喷油器后，将原缸盖上的喷油器孔改为了火花塞孔。在取消了油泵后，在原油泵安装位置装上了一个点火传动装置，通过点火正时传感器获得发动机的点火正时信号。增加了以点火模块、点火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。气体发动机的控制系统多采用电控，与机械式柴油机相比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实现了更精确更科学的控制。为满足这些控制要求，增加了相应的MAP、MAT、ECT、点火正时以及氧浓度等传感器。由于我国能源

16、战略结构的调整，未来将有更多的气体燃料资源通过进口为国内使用。目前在国内正在实施LNG加气系统的城市有北京、乌鲁木齐、长沙等，约有近百辆LNG单一燃料公交示范车辆正在运营。CNG车则已在四川、重庆、北京、西安、内蒙、等地推广。LPG环保节能型气体城市客车也在北京、上海、广东、四川、重庆、海南、甘肃等许多城市的公交系统已经试行。在国外，LPG被用作轻型车辆燃料已有许多年。 气体燃料发动机技术发展趋势 全电子管理技术 国外大型气体燃料发动机组普遍采用电子管理系统，对发动机的燃气系统、点火系统、调速系统进行统一控制和监测，对发动机的运行数据和故障进行实时监测和记录，并可通过互联网进行远程数据传输与控

17、制。 稀薄燃烧技术稀薄燃烧是降低排放、减少环境污染重要途径，美国公司的气体燃料发动机，空燃比可达，过量空气系数为。德国公司的气体燃料发动机其的排放只是（德国清洁空气标准）的（）。日本公司的气体燃料发动机，当为时，其的排放量低为。 爆震控制技术 德国公司和奥地利公司生产的气体燃料发动机组均有单缸爆震控制装置，对发动机的爆震情况进行实时监测，并相应地作出调整。 电控多点顺序喷气技术电喷技术在国内外汽车发动机（包括柴油机、汽油机、气体燃料发动机）上已经得到广泛的应用。最近，东风汽车公司研制的大型公交车用单一燃料（压缩天然气）电喷发动机通过了国家鉴定和验收。电喷技术在大型气体燃料发动机上的应用还未见资

18、料介绍，胜利石油管理局动力机械厂正在开展这方面的工作。5.气体燃料发动机与传统燃油发动机的区别CNG发动机的燃料是压缩天然气，主要成分是甲烷；LPG发动机的燃料则为液化石油气，其主要成分是丙烷和丁烷。与原柴油机相比，气体单燃料发动机主要存在以下方面的差别：5.1燃料供给系统取消了原柴油机的燃油喷射系统相关的零部件，增加了蒸发调压器（LPG发动机）、减压器（CNG发动机）等供给LPG或CNG的相关零部件。5.2点火系统柴油机是压燃式发动机，而LPG和CNG由于受燃料特性限制（抗爆振性能）采用的是与汽油机一样的点燃方式。在取消了喷油器后，将原缸盖上的喷油器孔改为了火花塞孔。在取消了油泵后，在原油泵

19、安装位置装上了一个点火传动装置，通过点火正时传感器获得发动机的点火正时信号。增加了以点火模块、点火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。5.3控制系统LPG发动机与CNG发动机采用电控，与原机械式柴油机相比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实现了更精确的控制，为满足这些控制要求，增加了相应的MAP、MAT、ECT、点火正时以及氧浓度等传感器。5.4压缩比压缩比的选取与燃料的抗爆震性能密切相关，抗爆震性能是用燃料的辛烷值来衡量，辛烷值越高抗爆震性能越好，常用的几种燃料按辛烷值高低排序依次为：柴油、CNG（甲烷）、丙烷、丁烷（LPG是丙烷和丁烷的混合物）和汽油。根据这种燃料特性，一般CNG发动

20、机压缩比比LPG发动机高但比柴油机低，而LPG发动机的压缩比又可以比汽油机略高，当然，由于LPG是丙烷和丁烷的混合物，混合比例不同也影响其压缩比的选择。在柴油机的基础上改进设计为LPG和CNG发动机，为了降低压缩比就需要加大燃烧室容积，由于柴油机的缸盖结构上一般都没有改动的余地，只有将活塞上的燃烧室容积加大。因此，LPG和CNG发动机为了满足压缩比的要求，都加大了燃烧室容积。5.5LPG发动机的基本工作原理：LPG单燃料发动机的燃气系统包含：发动机控制模块、点火控制模块、点火线圈、火花塞、电子节气门、混合器、主燃料控制阀（FTV阀）、怠速燃料控制阀、蒸发调压器、高压电磁阀、废气旁通控制阀和喘振

21、阀构成。另外，还包括各种传感器和线束。整套系统控制着发动机和车辆的性能、排放和安全。LPG发动机系统原理图液态的LPG从气瓶出来到高压电磁阀，高压电磁阀的打开受发动机ECM的控制，液态的LPG经高压电磁阀后到蒸发调压器，在蒸发调压器内经两级减压蒸发汽化变为气态LPG，由于LPG蒸发汽化需要吸收大量的热量，因此蒸发调压器接有发动机的冷却水进行加热，以防止蒸发调压器结冰堵塞。从蒸发调压器出来有两路气，一路是一级减压经怠速燃料控制阀后到混合器，另一路是二级减压经主燃料控制阀到混合器。一级减压的压力相对稳定，比1个大气压高几十千帕，为发动机怠速提供大部份燃料并由ECM对怠速燃料控制阀进行闭环控制，保证

22、怠速时混合气的浓度。二级减压压力受增压压力反馈控制，为发动机全工况提供燃料并由ECM对主燃料控制阀进行闭环控制，以保证发动机各工况点混合气的浓度。点火时间控制是由储存在ECM中的标定表对各工况点的点火时间进行开环控制。通过废气旁通控制阀控制增压器旁通阀的开度来控制增压压力。5.6CNG发动机的基本工作原理：高压的CNG从气瓶出来到高压电磁阀，高压电磁阀的打开受发动机ECM的控制，高压的CNG经高压电磁阀后到减压器，经减压器后CNG的压力由20MPa（满瓶时气压力）降到6到9Bar，由于CNG减压后温度大幅度下降，因此在减压器后接有一个热交换器，利用发动机的冷却水进行加热，以防止管路结冰堵塞。并

23、且在热交换器后有一个节温器，通过控制冷却水的流量来控制CNG的温度。CNG经过节温器后到计量阀，计量阀上装有八个喷嘴，喷嘴的开启时间受ECM的控制，控制了发动机各工况点混合气的浓度。CNG从计量阀出来后到混合器，在混合器处与空气混合后经电子节气门进入气缸。点火控制、增压压力控制、怠速及高速调速控制与LPG发动机相同。6.气体发动机发展前景气体发动机的电控系统和传统柴油机电控系统有所不同，其增压、后处理均有特殊要求，且将先进的电子控制燃料喷射技术应用于气体发动机，以便根据发动机的温度、负荷、转速等关键参数对气体燃料的供给、混合气浓度、点火正时等进行精确控制，以提高发动机的功率和降低排气污染。空燃

24、比控制在电子控制燃料喷射发动机的应用效果非常好，它通过监控发动机排放状态实时调节空燃比，并通过高能、精确点火等自动协调优化方式实现最佳的经济性和排放性。而从成本来看，气体发动机电控系统成本竟还稍低于柴油机电控系统。因此深入开发电控系统的潜力十分巨大，未来必将有更好的发展。由于欧IV排放法规，不仅要求限制天然气发动机非甲烷碳氢(NMHC)的排放，而且还要求控制总碳氢排放(THC)。但先进的氧化型后处理技术如何成功地运用于气体发动机也是关键的技术之一，具有很大研究价值。广州市LPG公交车污染一事有关专家也指出与其尾气后处理系统有关。当前国内气体燃料客车的基础设施和相关零部件产业尚不完善，用户对气体

25、发动机电控技术也还感觉到神秘，并对国产电控气体发动机持怀疑的态度。以北京、上海为代表的发达城市，主要还是采用进口的气体发动机。近年来，国产气体发动机不仅在配套的功率范围上实现了拓宽，而且在配套领域也有突破，运行过程中的故障报修率也大大降低。以上柴、玉柴、潍柴等为代表的国内发动机厂不断研制出新技术和新机型，代表了中国内燃机行业的技术实力，也代表了中国未来动力的发展方向。此外，气体燃料大客车的发展对于降低排气污染、节约石油资源有着重要的意义，我国较为丰富的天然气和液化石油气资源也为气体燃料大客车的推广应用提供了有力的能源保障，且气体燃料的使用成本相对于日渐上扬的油价明显具有竞争力，应该为更多客车用户所接受。气体发动机是21世纪的一种新型、绿色动力，未来城市必将由于它的出现而面貌焕然。高效率、低污染的气体发动机的开发与生产，将是中国乃至世界的客车行业未来共同努力的方向。7.个人对气体燃料发动机看法7.1原油供求矛盾将成为制约我国国民经济发展的长期压力。发展替代燃料对于我国减少对进口原油的依赖具有十分重要的战略意义。7.2现代汽车发动机向高压缩比高转速和大功率方向发展，要想实现必须对汽车燃料进行探寻。7.3天然气、石油气、氢气、液化石油气、液化气以及二甲醚等气体作为代用燃料时，对汽车发动机的改造较大，但气体发动机与同排量的柴油机相比，动力性相当，环保优势