1、柴油發動機燃氣化技術北京富地紅華動力技術有限責任公司2012 091 引 言為何采用天然氣作為汽車燃料環保方面-天然氣為清潔燃料；經濟方面-天然氣價格便宜；燃料結構-中國缺油多氣。汽車排放對北京大氣環境的污染汽車排放所占比例%大氣主要污染物清華大學和北京環保局提供我國汽車及能源狀況1990年代以來，我國汽車工業年均增長12.7%；從1994年起，我國從石油出口國變為進口國；2000年進口石油7000萬噸，支付外匯250億美元；進口石油量已超過總需求量的50%。我國石油產量與缺口現狀億噸我國汽車燃氣化現狀15個城市正在推進示范工程；已建成加氣站1300余座；已改造車輛約14萬輛車 輛 燃 氣 化

2、 分 布98%汽油車2%柴油車為什么柴油車燃氣化進展緩慢柴油機為壓燃式而天然氣 為非壓燃燃料，所以天然氣不能直接取代柴油；柴油機型號繁多，結構差異較大，改造困難；目前國內所采用的系統有全電控與非全電控，改裝效果差異明顯。2 柴油發動機燃氣化技術柴油發動機燃汽化改造方案NG單燃料發動機雙燃料發動機柴油機柴油機改為單燃料發動機技術方案去掉燃油系統；換為火花塞高壓點火系統；降低發動機壓縮比；增加燃氣系統；工作原理與汽油機相同。天然氣燃料電控噴射系統單燃料發動機為什么要降壓縮比 目前的火花塞點火系統效率很低，只能在壓縮比大約為12：1和LAMBDA為1.6下工作，而柴油機的壓縮比大多在18：1以上。為

3、了使點火系統正常工作，必須降低發動機壓縮比。因此，火花點火發動機集中在低壓縮溫度和低LAMBDA條件下工作。卡車柴油和純天然氣發動機功率比較發動機型號額定功率（馬力）純天然氣/柴油比 值Cummins5.9B/5.9G230/2750.84Cummins8.3C/8.3G275/3500.79CumminsL10/L10G300/3300.91DDCS-50/50G270/3250.83柴油機改為雙燃料發動機技術方案在燃油系統上加裝限油裝置；增加燃氣系統；柴油僅用于點火(10 20 %)。雙燃料發動機的燃燒過程 天然氣發動機的壓縮比對于雙燃料發動機，既沒必要也沒期望將發動機的壓縮比降低到低于柴

4、油機的的壓縮比。由于預混合的燃氣和空氣的壓縮溫度總是保持在自燃溫度之下，因此不存在爆震問題。空氣和甲烷的在LAMBDA為2時的自燃溫度大約為1000K，由于峰值壓力總是維持在70倍進氣壓力之下，因此，燃氣和空氣的混合氣不會出現自燃，也不存在后期的燃氣自燃而產生爆震問題。目前的火花塞點火系統效率很低，只能在壓縮比大約為12：1和LAMBDA為1。6下工作，因此，火花點火發動機集中在低壓縮溫度和低LAMBDA條件下工作。壓縮比對爆震和效率的影響壓縮比壓力比溫度比熱效率%平均/峰值1229.7732K/323K2.3228/381848.1863K/323K2.6741/432470.7952K/3

5、23K2.9540/43注：爆震在溫度為1000K以上發生。雙燃料系統的種類機械式雙燃料系統；電控單點噴射雙燃料系統；電控多點噴射雙燃料系統。 天然氣發動機性能過量空氣系數各種燃燒過程發動機的熱效率天然氣發動機燃料消耗與柴油機比較天然氣發動機動力 效率與柴油機比較目前國內柴油天然氣雙燃料發動機現狀 目前國內柴油天然氣雙燃料發動機已有1000臺左右，采用的系統為全電控、非全電控、機械混合式系統。 混合式天然氣燃料供給系統空氣濾清器發 動 機混合式天然氣燃料供給系統的問題混合器為負壓吸入層流混合, 天然氣計量不精確，空氣與燃氣混合不充分,燃燒效率低;由于調節系統為機械式，無法在所有工況狀態下進行優

6、化，天然氣替代率不高，燃料利用率較低，排放較差。解 決 途 徑采用天然氣電子噴射技術；采用微電子控制技術；采用空燃比控制技術；采用后處理催化技術。空 燃 比 控 制 方 法降低進氣道壓力減少進氣量；采用斷缸噴氣提高噴氣缸的燃氣濃度。空 燃 比 控 制 方 法柴油-天然氣雙燃料電噴發動機柴油機柴油-天然氣雙燃料電控噴射系統天 然 氣 噴 射 閥兩通常閉型，材料為不銹鋼，插裝式結構，PWM控制方式，壓力可達14MPa,建議采用超音速流速，建議采用1濾清器。天然氣高馬赫數噴射方法燃氣噴射閥與發動機進氣系統的匹配圖雙燃料發動機天然氣替代率% 負 載（1100 RPM，1800 RPM） % 天然氣替代

7、率 單燃料發動機的優缺點 優 點：排放較低；運行經濟。缺 點需重新設計發動機，費用較高； ；功率下降；熱效率較低；需對火花塞進行維護。雙燃料發動機的優缺點 優 點：對原機基本不做改動；功率與原機相同；熱效率較高成本較低缺 點運行經濟性不顯著；需兩種燃料箱。3 北京富地紅華柴油-天然氣雙燃料電噴系統開發柴油天然氣雙燃料電噴系統的指導思想采用先進技術；應與國內技術對接；系統構成盡可能國產化。柴油-天然氣雙燃料電控噴射系統系 統 簡 介 該系統目前的配套對象為柴油機。使用該系統后，柴油機燃料供給方式由原來單一的柴油模式改為柴油-天然氣雙燃料模式和全柴油模式兩種模式工作。該系統在柴油-天然氣雙燃料模式

8、工作時，進入發動機汽缸的微量柴油主要起引燃作用，而天然氣作為主燃燃料為發動機提供動力能源。該系統由ECU、天然氣過濾器、天然氣減壓系統、脈寬調制型天然氣噴射器、混合器、油門執行器、發動機轉速傳感器、油門位置傳感器、進氣壓力傳感器、排氣溫度傳感器、線束總成、天然氣、管路等組成。ECU根據各個傳感器感受的發動機工作參數以及油門踏板指令，通過油門執行器精確控制柴油供給量，通過脈寬調制型天然氣噴射器精確控制天然氣供給量，從而對發動機的燃燒和排放進行優化，使發動機的燃料管理系統數字化。 試驗中的柴油天然氣雙燃料發動機電控單元轉速傳感器油門執行器進氣壓力及溫度傳感器混合器噴射閥性能及熱效率與柴油機相同，動

9、力不下降不改變柴油發動機結構，外掛式安裝適應性好，可以與發動機廠配套，也可以改造現有的柴油發動機平均替代率70%可隨時由雙燃料狀態返回全 柴油狀態電控天然氣計量裝置脈寬調制型天然氣噴射器:關鍵部件，計量噴射進入發動機氣體燃料線性度好、速度快、動作準確、耐用可靠電控柴油計量裝置采用PID控制技術，控制精度高動態響應好根據發動機的工況對柴油量進行精確控制，提高了天然氣對柴油的替換率ECU電控單元嚴格遵守車用標準，通過重慶檢驗院檢驗雙控制器冗余，可靠的防護自診斷及記錄功能，可對不同車輛進行優化電控系統所用傳感器系統的核心技術及創新性柴油泵柴油微量控制采用步進電機電控技術；天然氣流量采用數字閥并聯組合

10、控制技術；天然氣供給采用正壓噴射技術。4 柴油天然氣雙燃料電噴發動機試 驗 報 告柴油-天然氣雙燃料電控系統特點該系統適合于直列泵柴油機；天然氣燃料采用高馬赫數噴射，使空氣與燃料充分混合；引燃燃油可精確控制,使燃燒更充分，排放更干凈;天然氣燃料的使用率可達到80%以上;發動機功率，駕駛性與原機相同。5 雙燃料對發動機壽命的影響 CAT 3174B雙燃料發動機1000小時耐久性試驗雙燃料發動機1000小時耐久性試驗性能數據工作時間（hour)02501000轉 速 （RPM）160016001600功 率 （HP）234.5241.0243.5扭 矩 （NM） 140014341455燃 氣 消

11、 耗 率（當量柴油lb/hr)93.4993.7494.90柴油消耗率（lb/hr)12.5113.1212.55燃氣替代率（%）88.286.988.3燃料消耗(lb/hp-hr)0.3370.3340.329發動機機油分析煙塵吸收率發動機工作時間（H）A %發動機機油分析鐵含量發動機工作時間（H）Fe (PPM)發動機機油分析TBN發動機工作時間（H）TBN雙燃料對發動機壽命的影響延長發動機壽命，增大發動機保養間隔時間，降低更換機油費用。總 結 只要設計合理，雙燃料發動機在獲得優良的性能同時，同樣可以保證低的排放；輕型發動機單燃料；重型發動機雙燃料；隨著LNG的普及，雙燃料發動機的使用將會

12、更廣泛。車用柴油發動機雙燃料改造雙燃料系統部分示范車輛序號發動機型號功率(KW)綜合替代率燃料類型161028865%CNG2610813270%CNG3611013572%CNG4411213565%CNG5YC6J-19019067%CNG6奔馳OM44223084%LNG7奧威6DL23575%LNG8尼桑RF625083%LNG9WD615.4425073%LNG10YC6M32025078%LNG11WD615.8222073%LNG12奔馳OM44123580%LNCNG14PT26125082%CNG 雙燃料主要部件的安裝柴油-天然氣雙燃料系統的安裝特點

13、： 外掛式系統， 發動機改動小， 對純柴油運行無影響， 燃料轉換容易。LNG氣瓶安裝 確定LNG鋼瓶安裝位置；確定鋼瓶支架固定點；加氣方便；底盤受力平衡；安裝應牢固。 將發動機中冷器之后的進氣管拆除，并根據混合器尺寸將橡膠管截斷一部分，并用卡套上緊。混合器的安裝共軌噴射閥組的安裝減壓器和共軌噴射閥組的連接用低壓橡膠管。減壓器出口連接噴射閥入口，噴射閥出口連接混合器。油門執行器的安裝通過限制油泵齒條的位置來限制油量，采用專門油控機構，將油泵上的齒條限制鏍母拆下，安裝油門執行器ECU及線束電路安裝ECU安裝位置：駕駛室內副駕駛位置前的儀表盤下方， ECU的安裝位置應遠離熱源ECU線束沿著車輛大梁布

14、置，固定；轉換開頭安裝在駕駛員操作方便的地方，左側儀表臺上線束布置位置距離排氣管不得小于300mm；柴油雙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%發動機水溫50-80攝氏度50-80攝氏度駕駛性正常正常富地紅華雙燃料產品應用城市公交客運車輛富地紅華雙燃料產品應用牽引車全柴油 雙燃料發動機馬力360PS360PS載 重35T35T百公里燃油 消耗柴油42L柴油13.4LCNG33M燃油替代率68%燃油節省率油氣價比3:144%續航能力CNG4瓶X140L300KM牽引運輸車富地紅華雙燃料產品應用自卸車全柴油 雙燃料發動機馬力336PS336PS

15、載重65T65T百公里燃油 消耗柴油50L柴油15LCNG40.3M燃油替代率70%燃油節省率油氣價比3:145%續航能力CNG7瓶X80L250KM運 輸 車經濟性對比計算公式：項目計算公式替代率計算（純油耗-現油耗）純油耗100%氣油消耗比計算氣耗（純油耗現油耗）=1.1：1雙燃料模式油耗計算純油耗（100%-替代率）雙燃料模式氣耗計算（純油耗雙燃料模式油耗）1.1燃料節省費用（元/100KM)純油耗費用（雙燃料油耗費+雙燃料氣耗費）節約率（%/100KM)燃料節省費用純油耗費用經濟分析302號船裝有三臺6135發動機，根據發動機參數計算，兩臺動力機滿負荷油耗為63升/小時，發電機70%負

16、荷的油耗為22升/小時，三臺發動機合計油耗為85升/小時，按該船每天運行8小時計，該船運行一天需858=680升柴油。 改裝前每天的燃料成本為： 680升5.8元/升=3944元（柴油油價按5.8元/升計） 改裝后，原來所使用柴油的70%被天然氣替代，柴油只消耗原來的30%，每天的燃料成本 = 柴油成本+天然氣成本 改裝后柴油成本： 680升30% 5.8元/升=1183.2元 改裝后天然氣成本： 680升70% 4.5元/方=2142元 改裝后燃料合計成本： 1183.2元+ 2142元=3325.2元 改裝后每天可節約燃料成本： 3944 - 3325.2元=618.8元 全年300天總節

17、能經濟效益為18.564萬元。船用柴油發動機雙燃料改造指導規范氣體燃料動力船檢驗指南（2011）；雙燃料發動機動力系統設計與安裝指南；LNG加注躉船審圖原則；氣體燃料動力船法定檢驗補充規定（已報批）；船用LNG儲氣罐審圖原則；LNG/柴油雙燃料動力船舶試點的技術要求。船用雙燃料發展歷程81試點船舶現狀2010年8月,我國內河第一艘“油改氣”船，武輪拖302號船獲國家船檢總局肯定 ，湖北西藍天然氣有限公司、武漢輪渡公司，油氣3:7，燃料成本降低30%，80%的SOx，20%的CO2長航集團選擇了旗下2500噸級散裝貨輪“長訊三號”作為實驗船，進行了雙燃料系統改造，2011年3月1113日，進行了

18、雙燃料系泊和航行試驗，72%，通過了CCS檢驗。漓江碧水34號82燃氣的生產、供應物流運輸方式及環節加氣站選點及受氣方式船用供氣體系國內LNG燃料動力試點船舶技術要求1管系及布置和材料通風消防可燃氣體探測防爆電氣設備使用 機器處所本質安全型ESD防護型本質安全型國內LNG燃料動力試點船舶技術要求開敞甲板布置次屏保護通風可燃氣體探測消防 氣罐處所容量要求布置要求防碰撞要求防泄漏要求消防要求艙內布置國內LNG燃料動力試點船舶技術要求發動機ECU氣罐熱交換設備功能可靠性防爆要求控制監測故障處理可靠性儲存及保溫能力安全及可靠性材料材料及可靠性供氣品質加裝LNG儲罐加裝LNG管線加裝雙燃料發動機控制系統

19、改造施工過程實船航行實驗長江航運科學研究所測試報告實船試驗結果證明，“長迅3號”燃用柴油/天然氣雙燃料的改造具備良好的經濟性。雙燃料技術中天然氣對柴油平均替代率達70%以上，平均替代比為1：1.05；按照國家油氣定價機制，雙燃料技術在常用經濟轉速下可節省22.03%的燃料成本，最優可達30.58%。雙燃料技術的經濟性船舶航行狀態穩定，動力設備工作正常航行柴油替代率為：空載57.8%，滿載72.1%改造具備良好的經濟性，可在二年左右收回投資。長江航運科學研究所測試結果柴油雙燃料發電機組2004年與貴州柴油廠成功開發6138增壓柴油-天然氣發動機，兩種工作模式下發動機的功率、扭矩、動力性、起動性均保持相同，同原6138純柴油機相比具有如下特點：發動機的排放更清潔；采用電子調速，提高調速性能 穩態調整率：1.4%，瞬態調整率：4.47%， 穩定時間：3.22s；天然氣的替代率大于80。柴油-天然氣發電機雙 燃 料 試 驗 表序 號轉速名義功率扭矩雙 燃 料原 機替代率當量比燃油消耗量燃油消