天然气、柴油双燃料发动机的可行性分析报告

1、天然气、柴油双燃料发动机的可行性分析报告密级：XX工程研究院 汶川大地震时，四川大批量使用的天然气汽车由于燃料供给链临时断裂，导致交通瘫痪，单燃料汽车无法应对突发事件导致的燃料供给问题。为解决这一问题，市场对双燃料（天然气/柴油）汽车有一定的期待。 广东、四川等地为了缓解能源压力，希望推广使用天然气车，但目前天然气汽车续航里程太短，无法满足长途客车的要求，为此，希望XX开发一款天然气/柴油双燃料车，既能实现天然气/柴油双燃料使用，又能单独使用柴油。课题背景优点：柴油机的压缩比高，而天然气的辛烷值也很高，这样可充分利用天然气良好的抗爆性能。利用柴油引燃，点火能量远远高于火花点火时的能量，从而有利

2、于保证着火稳定，并加快甲烷相对较慢的火焰传播速度，提高燃料经济性。同时，由于点火能量大，引燃点多，天然气能够在较宽的空燃比范围内燃烧，对稀燃有利。使用柴油和天然气双燃料发动机的车辆，连续行驶里程较长，并且在天然气缺乏的情况下，可单独使用柴油。双燃料（柴油/天然气）发动机特点缺点：相对柴油机来说，需要增加一套天然气控制系统，控制复杂，成本较高；由于需要兼顾两种燃料控制模式，经济性无法达到最优；目前世界上没有非常成熟的双燃料控制系统选择，项目风险比较大；双燃料（柴油/天然气）发动机特点隐患： 开发一款既能实现天然气/柴油双燃料使用，又能单独使用柴油的发动机，为保证单独使用柴油时的经济性和动力性，要

3、求发动机在原柴油机基础上燃烧系统、进排气系统不能做任何更改。压缩比、进排气相位完全保持原发动机状态，但对于天然气/柴油混燃来说，存在三个比较大的隐患： 爆振：高压缩比导致爆振倾向增加，安全性比较差； 回火：柴油机气门重叠角大导致回火倾向严重、同时扫气严重导致排放、经济性差； 失火：由于柴油机没有电子节气门，目前柴油机在部分负荷下，空燃比是很大的，由于天然气混合气有稀燃极限和失火极限的限制，虽然在柴油引燃情况下，点火能量高，稀燃极限有所拓宽，但在发动机中低负荷，空燃比依然超出失火极限。双燃料（柴油/天然气）发动机特点 双燃料（柴油/天然气）燃烧分析通过试验研究表明，中间区域空气量相对适中，允许的

4、天然气替代率最高，能达到90，从该区域向外，天然气替代率逐渐降低由于爆振限制，外特性工况下，天然气替代率最高只能达到60左右，如果进一步提高，空燃比减少，燃料综合辛烷值降低，将会导致爆振。由于没有节气门限制，部分负荷的空气流量太大，导致空燃比太大，即使柴油引燃，点火能量比较大，混合气点不着，导致CH4、CO排放太高，并且经济性比较差怠速时如果添加天然气，空燃比太大，将会导致燃烧极不稳定，失火很严重由于没有空气流量控制，要实现负荷控制，只能调整天然气和柴油量，从而可能导致空燃比过大，为保证燃烧稳定，只能增加柴油量，减少天然气量，从而导致替代率下降解决部分负荷失火问题的方法有两种：1、采用电子节气

5、门2、部分负荷使用柴油方案一：机械式油泵+机械式燃气供给系统 各种双燃料发动机方案的对比 喷油泵人工转换天然气罐减压器混合器进气排气系统方案特点 ： 与XX早期开发的双燃料发动机类似， 完全保留柴油机各零部件，通过机械切换装置改变油泵的喷油量，增加一套纯机械燃气供给装置 ；系统优点 ： 对发动机改动极小，成本低廉；系统缺点： 不能实现燃气和油量的精确控制，不能灵活控制天然气流量和柴油引燃量，爆振、失火、回火倾向严重，发动机可靠性、排放极差。方案系统分析掺烧比列 ： 为防止爆振和失火，天然气平均掺烧比例为2030% 系统成本 ： 成本约8000元 小结：发动机成本增加，由于掺烧比例低，经济效益不

6、明显。发动机排放水平较难达到标准要求，能否顺利上排放公告等都存在风险，并且发动机存在爆振、失火、回火等隐患，建议不采用。 方案系统分析方案二（机械式油泵电控燃气供给 ）各种双燃料发动机方案的对比 中冷后空气混合器气罐减压器步进电机燃气控制进气压力和温度控制指令油门位置传感器发动机水温发动机转速喷油泵人工或电控转换系统方案特点 ： 该系统是在方案一基础上增加燃气电控装置，增加燃气控制精度，具体方案如下：完全保留柴油机各零部件，通过机械切换装置改变油泵的喷油量（整理偏置）增压一套电控燃气供给系统；系统优点 ： 对发动机改动极小，成本较低；系统缺点： 油量控制精度差； 掺烧比例低，部分负荷无法掺烧（

7、失火），中高转速可以掺烧； 排放仅能达到国二。方案系统分析掺烧比列 ： 由于部分负荷不能掺烧，并且在允许掺烧比例较高工况区域，由于柴油量无法灵活控制，整体掺烧比例较低，特别针对城市公交，掺烧比例非常低，没有经济效益。 小结：该方案由于仅对油量控制整体偏置，部分负荷可以采用纯柴油控制，以避免失火问题。中高负荷加天然气掺烧，系统成本低，但同时掺烧比例也低。可以考虑在卡车上使用。 方案系统分析方案三（电控控油机构电控燃气供给） 各种双燃料发动机方案的对比 系统方案特点 ：采用机械油泵柴油机作为基础机型；通过步进电机带动油门的齿条来控制柴油供给量，油泵不做调整，保留原来的调速器；在高压减压器之后采用步

8、进电机来控制天然气供给量；中冷后进气管处使用混合器来使天然气和空气充分混合；控制器采用自行研发的控制器或采购合适的控制器。系统优点 ： 成本低，控制自由度增加。 系统缺点：控制精度差，为避免部分负荷失火问题，掺烧比例低。 方案系统分析掺烧比列 ： 40%-60%（不同的发动机掺烧比例不同，大缸径发动机掺烧比列小些） 系统成本：市场上目前系统售价万元左右/套。成熟供应商： 深圳华江科技国内使用情况： 目前主要用于西部改装市场（四川、新疆、山西）主要改装客运和货运柴油车辆。部分整车厂在进行改装使用，如陕西重汽、重庆恒通等。发动机厂主要是潍柴培新公司匹配该系统出口伊朗。 开发周期：1年方案系统分析方

9、案四（电控机械泵+多点喷射 ） 各种双燃料发动机方案的对比 系统方案特点 ：采用电控装置控制机械泵齿条位置，从而控制燃油量；燃气采用多点喷射方案，从而可以实现燃料灵活控制；部分负荷可以采用顺序断缸的方法，从而可以避免部分负荷空燃比过稀的问题，从而达到比较好的排放。全负荷减少天然气量、加大柴油量避免爆振。 系统优点 ：中低负荷工况可以提高掺烧比例，实现均质燃烧，并且排放低，经济性好。燃气控制采用多点喷射，控制精度高。系统缺点：多点喷射系统成本相对较高；控制策略复杂。 方案系统分析掺烧比列 ： 50%-80%（不同的发动机掺烧比例不同，大缸径发动机掺烧比列小些） 开发周期：2年方案系统分析方案五（燃气柴油缸内高压直喷） 各种双燃料发动机方案的对比 系统方案特点 ：采用高压共轨柴油机作为基础机型；天然气采用共轨管储压；喷嘴能适用于柴油喷射和天然气喷射；压缩终点喷入柴油、然后直接将天然气直接喷入缸内；系统优点 ：燃料控制精度较好、经济性和排放较好。系统缺点：