柴油发动机燃气化技速VER

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2012091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油发发动动机机燃燃汽汽化化改改造造方方案案NG单燃燃料料发发动动机机双燃燃料料发发动动机机柴油油机机柴油油机机改为为单单燃料料发发动动机机技技术术方方案案去掉掉燃燃油油系系统统；；换为为火火花花塞塞高高压压点点火火系系统统；；降低低发发动动机机压压缩缩比比；；增加加燃燃气气系系统统；；工作作原原理理与与汽汽油油机机相相同同。。天然然气气燃燃料料电电控控喷喷射射系系统统单燃料料发发动动机机为为什什么么要要降降压压缩缩比比目前前的的火火花花塞塞点点火火系系统统效效率率很很低低，，只只能能在在压压缩缩比比大大约约为为12：1和LAMBDA为1.6下工工作作，，而而柴柴油油机机的的压压缩缩比比大大多多在在18：1以上上。。为为了了使使点点火火系系统统正正常常工工作作，，必必须须降降低低发发动动机机压压缩缩比比。。因因此此，，火火花花点点火火发发动动机机集集中中在在低低压压缩缩温温度度和和低低LAMBDA条件件下下工工作作。。卡车车柴柴油油和和纯纯天天然然气气发发动动机机功功率率比比较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柴油油机机改改为为双双燃燃料料发发动动机机技技术术方方案案在燃燃油油系系统统上上加加装装限限油油装装置置；；增加加燃燃气气系系统统；；柴油油仅仅用用于于点点火火(10––20%)。双燃燃料料发发动动机机的的燃燃烧烧过过程程

天然然气气发发动动机机的的压压缩缩比比对于于双双燃燃料料发发动动机机，，既既没没必必要要也也没没期期望望将将发发动动机机的的压压缩缩比比降降低低到到低低于于柴柴油油机机的的的的压压缩缩比比。。由于预混混合的燃燃气和空空气的压压缩温度度总是保保持在自自燃温度度之下，，因此不不存在爆爆震问题题。空气和甲甲烷的在在LAMBDA为2时的自燃燃温度大大约为1000K，由于峰峰值压力力总是维维持在70倍进气压压力之下下，因此此，燃气气和空气气的混合合气不会会出现自自燃，也也不存在在后期的的燃气自自燃而产产生爆震震问题。。目前的火火花塞点点火系统统效率很很低，只只能在压压缩比大大约为12：1和LAMBDA为1。6下工作，，因此，，火花点点火发动动机集中中在低压压缩温度度和低LAMBDA条件下工工作。压缩比对对爆震和和效率的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/323K2.9540/43注：爆震震在温度度为1000K以上发生生。双燃料系系统的种种类机械式双双燃料系系统；电控单点点喷射双双燃料系系统；电控多点点喷射双双燃料系系统。天然气发发动机性性能过量空气气系数各种燃烧烧过程发发动机的的热效率率天然气发发动机燃燃料消耗耗与柴油油机比较较天然气发发动机动动力效效率与柴柴油机比比较目前国内内柴油天天然气双双燃料发发动机现现状目前国内内柴油天天然气双双燃料发发动机已已有1000台左右，，采用的的系统为全全电控、、非全电电控、机机械混合式系系统。混合式天天然气燃燃料供给给系统空气滤清清器发动动机机混合式天天然气燃燃料供给给系统的的问题混合器为为负压吸吸入层流流混合,天然气计计量不精精确，空空气与燃燃气混合合不充分分,燃烧效率率低;由于调节节系统为为机械式式，无法法在所有有工况状状态下进进行优化化，天然然气替代代率不高高，燃料料利用率率较低，，排放较较差。解决途径径采用天然气电电子喷射技术术；采用微电子控控制技术；采用空燃比控控制技术；采用后处理催催化技术。空燃比控控制方方法降低进气道压压力—减少进气量；；采用断缸喷气气—提高喷气缸的的燃气浓度。。空燃比控控制方方法柴油-天然气双燃料料电喷发动机机柴油机柴油-天然气双燃料料电控喷射系系统天然气喷喷射阀阀两通常闭型，，材料为不锈钢钢，插装式结构，，PWM控制方式，压力可达14MPa,建议采用超音音速流速，建议采用1滤清器。天然气高马赫赫数喷射方法法燃气喷射阀与与发动机进气气系统的匹配配图双燃料发动机机天然气替代代率%负载（1100RPM，1800RPM）%天然气替代率率单燃料发动机机的优缺点优点：排放较低；运行经济。缺点需重新设计发发动机，费用用较高；；；功率下降；热效率较低；；需对火花塞进进行维护。双燃料发动机机的优缺点优点：对原机基本不不做改动；功率与原机相相同；热效率较高成本较低缺点运行经济性不不显著；需两种燃料箱箱。3北京富地红华柴柴油-天然气双燃料料电喷系统开发柴油天然然气双燃料电电喷系统的的指导思想采用先进技术术；应与国内技术术对接；系统构成尽可可能国产化。。柴油-天然气双燃料料电控喷射系系统系统简简介该系统目前的的配套对象为为柴油机。使使用该系统后后，柴油机燃燃料供给方式式由原来单一一的柴油模式式改为柴油---天然气双燃料料模式和全柴柴油模式两种种模式工作。。该系统在柴柴油---天然气双燃料料模式工作时时，进入发动动机汽缸的微微量柴油主要要起引燃作用用，而天然气气作为主燃燃燃料为发动机机提供动力能能源。该系统统由ECU、天然气过滤滤器、天然气气减压系统、、脉宽调制型型天然气喷射射器、混合器器、油门执行行器、发动机机转速传感器器、油门位置置传感器、进进气压力传感感器、排气温温度传感器、、线束总成、、天然气、管管路等组成。。ECU根据各个传感感器感受的发发动机工作参参数以及油门门踏板指令，，通过油门执执行器精确控控制柴油供给给量，通过脉脉宽调制型天天然气喷射器器精确控制天天然气供给量量，从而对发发动机的燃烧烧和排放进行行优化，使发发动机的燃料料管理系统数数字化。试验中的柴油油天然气双燃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率与柴油机相相同，动力不不下降不改变柴油发发动机结构，，外挂式安装装适应性好，可可以与发动机机厂配套，也也可以改造现现有的柴油发发动机平均替代率≥≥70%可随时由双燃燃料状态返回回全柴油状态电控天然气计计量装置脉宽调制型天天然气喷射器器:关键部件件，计量量喷射进进入发动动机气体体燃料线性度好好、速度度快、动动作准确确、耐用用可靠电控柴油油计量装装置采用PID控制技术术，控制制精度高高动态响响应好根据发动动机的工工况对柴柴油量进进行精确确控制，，提高了了天然气气对柴油油的替换换率ECU电控单元严格遵守守车用标标准，通通过重庆庆检验院院检验双控制器器冗余，，可靠的的防护自诊断及及记录功功能，可可对不同同车辆进进行优化化电控系统统所用传传感器系统的核核心技术术及创新新性柴油泵柴柴油微量量控制采采用步进进电机电电控技术术；天然气流流量采用用数字阀阀并联组组合控制制技术；；天然气供供给采用用正压喷喷射技术术。4柴油天然然气双燃燃料电喷喷发动机机

试验验报报告柴油-天然气双双燃料电电控系统统特点该系统适适合于直直列泵柴柴油机；；天然气燃燃料采用用高马赫赫数喷射射，使空空气与燃燃料充分分混合；；引燃燃油油可精确确控制,使燃烧更更充分，，排放更更干净;天然气燃燃料的使使用率可可达到80%以上;发动机功功率，驾驾驶性与与原机相相同。5双燃料对对发动机机寿命的的影响CAT3174B双燃料发发动机1000小时耐久久性试验验双燃料发发动机1000小时耐久久性试验验性能数数据工作时间（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发动机机机油分析析—烟尘吸收收率发动机工工作时间间（H）A%发动机机机油分析析—铁含量发动机工工作时间间（H）Fe(PPM)发动机机机油分析析—TBN发动机工工作时间间（H）TBN双燃料对对发动机机寿命的的影响延长发动动机寿命命，增大发动动机保养养间隔时时间，降低更换换机油费费用。总结结只要设计计合理，，双燃料料发动机机在获得得优良的的性能同同时，同同样可以以保证低低的排放放；轻型发动机机——单燃料；重型发动机机——双燃料；随着LNG的普及，双双燃料发动动机的使用用将会更广广泛。车用柴油发发动机双燃燃料改造双燃料系统统部分示范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双燃料主要要部件的安安装柴油-天然气双燃燃料系统的的安装特点点：外挂式系统统，发动机改动动小，对纯柴油运运行无影响响，燃料转换容容易。LNG气瓶安装确定LNG钢瓶安装位位置；确定钢瓶支架固定点；加气方便；底盘受力平平衡；安装应牢固。将发动机中中冷器之后后的进气管管拆除，并并根据混合合器尺寸将将橡胶管截截断一部分分，并用卡卡套上紧。。混合器的安安装共轨喷射阀阀组的安装装减压器和共共轨喷射阀阀组的连接接用低压橡橡胶管。减减压器出口口连接喷射射阀入口，，喷射阀出出口连接混混合器。油门执行器器的安装通过限制油油泵齿条的的位置来限限制油量，，采用专门门油控机构构，将油泵泵上的齿条条限制镙母母拆下，安安装油门执执行器ECU及线束电路路安装ECU安装位置：：驾驶室内内副驾驶位位置前的仪仪表盘下方方，ECU的安装位置置应远离热热源ECU线束沿着车车辆大梁布布置，固定定；转换开头安安装在驾驶驶员操作方方便的地方方，左侧仪仪表台上线束布置位位置距离排排气管不得得小于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

正常富地红华双双燃料产品品应用城市公交客客运车辆富地红华双双燃料产品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13.4LCNG33M³燃油替代率68%燃油节省率油气价比3:144%续航能力CNG4瓶X140L300KM牵引运输车车富地红华双双燃料产品品应用自卸车全柴油双燃料发动机马力336PS336PS载重65T65T百公里燃油消耗柴油50L柴油15LCNG40.3M³燃油替代率70%燃油节省率油气价比3:145%续航能力CNG7瓶X80L250KM运输车车经济性对比计算公公式：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号船装有三三台6135发动机，根根据发动机机参数计算算，两台动动力机满负荷油耗耗为63升/小时，发电电机70%负荷的油耗耗为22升/小时，三台台发动机合计油油耗为85升/小时，按该该船每天运运行8小时计，该该船运行一一天需85×8=680升柴油。改装前每天天的燃料成成本为：680升×5.8元/升=3944元（柴油油油价按5.8元/升计）改装后，原原来所使用用柴油的70%被天然气替替代，柴油油只消耗原原来的30%，每天的燃燃料成本=柴油成本+天然气成本本改装后柴油油成本：680升×30%××5.8元/升=1183.2元改装后天然然气成本：：680升×70%××4.5元/方=2142元改装后燃料料合计成本本：1183.2元+2142元=3325.2元改装后每天天可节约燃燃料成本：：3944-3325.2元=618.8元全年300天总节能经经济效益为为18.564万元。船用柴油发发动机双燃燃料改造指导规范《气体燃料动动力船检验验指南》（2011）；《双燃料发动动机动力系系统设计与与安装指南南》；《LNG加注趸船审审图原则》；《气体燃料动动力船法定定检验补充充规定》（已报批））；《船用LNG储气罐审图图原则》；《LNG/柴油双燃料料动力船舶舶试点的技技术要求》。81船用双燃料料发展历程研发期2003-20086135、6138台架试验长航科技部技术鉴定试验期2008-2011302号拖轮、长迅三号试航试验，经济性论证推广期2011-2012巴南、秭归加气站建设川江段船改工程82试点船舶现现状2010年8月,我国内河第第一艘“油油改气”船船，武轮拖拖302号船获国家家船检总局局肯定，，湖北西蓝蓝天然气有有限公司、、武汉轮渡渡公司，油油气3:7，燃料成本本降低30%，80%的SOx，20%的CO2长航集团选选择了旗下下2500吨级散装货货轮“长讯讯三号”作作为实验船船，进行了了双燃料系系统改造，，2011年3月11~13日，进行了了双燃料系系泊和航行行试验，72%，通过了CCS检验。漓江碧水34号燃气的生产产、供应物流运输方方式及环节节加气站选点点及受气方方式船用供气体体系国内LNG燃料动力试试点船舶技技术要求1管系及布置置和材料通风消防可燃气体探探测防爆电气设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燃料动力试试点船舶技技术要求开敞甲板布布置次屏保护通风可燃气体探探测消防气罐处所容量要求布置要求防碰撞要求求防泄漏要求求消防要求舱内布置国内LNG燃料动力试试点船舶技技术要求发动机ECU气罐热交换设备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温能力安全及可靠靠性材料材料及可靠靠性供气品质加装LNG储罐加装LNG管线加装双燃料料发动机控控制系统改造施工过过程功率对比排温对比实船航行实实验长江航运科科学研究所所测试报告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%。双燃料技术术的经济性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。长江航运科科学研究所所测试结果果柴油双燃料料发电机组组2004年与贵州柴柴油厂成功功开发6138增压柴油-天然气发动动机，两种种工作模式式下发动机机的功率、、扭矩、动动力性、起动性均保保持相同，，同原6138纯柴油机相相比具有如如下特点：：发动机的排排放更清洁洁；采用电子调调速，提高高调速性能能稳态调整