柴油发动机燃气化技速VER10

1、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2012 091 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

2、 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

3、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发动机型号额定功率（马力）纯天然气/柴油比 值Cummins5.9B/5.9G230/2750.84Cummins8.3C/8.3G275/3500.79CumminsL10/L10G300/3300.91DDCS-50/50G270/3250.83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(10 20 %)。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

4、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压缩比压力比温度比热效率%平均/峰值1229.7732K/323K2.3228/381848.1863K/323K2.6741/432470.7952K/3

5、23K2.9540/43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

6、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（1100 RPM，1800 RPM） % 天然气替代

7、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

8、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电控单元转速传感器油门执行器进气压力及温度传感器混合器喷射阀性能及热效率与柴油机相同，动

9、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

10、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 CAT 3174B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工作时间（hour)02501000转 速 （RPM）160016001600功 率 （HP）234.5241.0243.5扭 矩 （NM） 140014341455燃 气 消

11、 耗 率（当量柴油lb/hr)93.4993.7494.90柴油消耗率（lb/hr)12.5113.1212.55燃气替代率（%）88.286.988.3燃料消耗(lb/hp-hr)0.3370.3340.329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

12、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序号发动机型号功率(KW)综合替代率燃料类型161028865%CNG2610813270%CNG3611013572%CNG4411213565%CNG5YC6J-19019067%CNG6奔驰OM44223084%LNG7奥威6DL23575%LNG8尼桑RF625083%LNG9WD615.4425073%LNG10YC6M32025078%LNG11WD615.8222073%LNG12奔驰OM44123580%LNCNG14PT26125082%CNG 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

13、： 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

14、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；柴油双燃料百公里燃料消耗柴油：20.48L柴油：6.62LCNG：16.2方燃油替代率/67.6%发动机水温50-80摄氏度50-80摄氏度驾驶性正常正常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车全柴油 双燃料发动机马力360PS360PS载 重35T35T百公里燃油 消耗柴油42L柴油13.4LCNG33M燃油替代率68%燃油节省率油气价比3:144%续航能力CNG4瓶X140L300KM牵引运输车富地红华双燃料产品应用自卸车全柴油 双燃料发动机马力336PS336PS

15、载重65T65T百公里燃油 消耗柴油50L柴油15LCNG40.3M燃油替代率70%燃油节省率油气价比3:145%续航能力CNG7瓶X80L250KM运 输 车经济性对比计算公式：项目计算公式替代率计算（纯油耗-现油耗）纯油耗100%气油消耗比计算气耗（纯油耗现油耗）=1.1：1双燃料模式油耗计算纯油耗（100%-替代率）双燃料模式气耗计算（纯油耗双燃料模式油耗）1.1燃料节省费用（元/100KM)纯油耗费用（双燃料油耗费+双燃料气耗费）节约率（%/100KM)燃料节省费用纯油耗费用经济分析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

16、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

17、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。船用双燃料发展历程81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

18、双燃料系泊和航行试验，72%，通过了CCS检验。漓江碧水34号82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 机器处所本质安全型ESD防护型本质安全型国内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

19、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实船试验结果证明，“长迅3号”燃用柴油/天然气双燃料的改造具备良好的经济性。双燃料技术中天然气对柴油平均替代率达70%以上，平均替代比为1：1.05；按照国家油气定价机制，双燃料技术在常用经济转速下可节省22.03%的燃料成本，最优可达30.58%。双燃料技术的经济性船舶航行状态稳定，动力设备工作正常航行柴油替代率为：空载57.8%，满载72.1%改造具备良好的经济性，可在二年左右收回投资。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，两种工作模式下发动机的功率、扭矩、动力性、起动性均保持相同，同原6138纯柴油机相比具有如下特点：发动机的排放更清洁；采用电子调速，提高调速性能 稳态调整率：1.4%，瞬态调整率：4.47%， 稳定时间：3.22s；天然气的替代率大于80。柴油-天然气发电机双 燃 料 试 验 表序 号转速名义功率扭矩双 燃 料原 机替代率当量比燃油消耗量燃油消