车用发动机柴油天然气双燃料改装研究综述

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(1.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116；2.中集安瑞科(荆门)能源装备有限公司，湖北 荆门 448124)

车用发动机柴油天然气双燃料改装研究综述

彭育辉1，林腾飞1，孙太平2，窦卫东2

(1.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116；2.中集安瑞科(荆门)能源装备有限公司，湖北 荆门 448124)

对在用柴油发动机进行柴油—天然气双燃料改装不仅可以降低燃料费用成本，而且可以显著减少汽车尾气污染物的排放。基于不同的天然供给方式和柴油引燃量的控制方法，分析国内外柴油—天然气双燃料改装的不同技术特点和存在的问题，并对柴油—天然气双燃料改装市场初期的技术选用提出基本准则。

柴油发动机；双燃料；改装技术；天然气；柴油引燃量

0 引言

2012年全国汽车保有量达到10 837.8万辆，排放一氧化碳(CO)2865.5万t，碳氢化合物(HC)345.2万t，氮氧化物(NOx)582.9万t，颗粒物(PM)59.2万t。其中占汽车总量只有8.9%的重型载货汽车、中型载货汽车、大型载客汽车和中型载客汽车颗粒物(PM)排放贡献达87.4%，氮氧化物(NOx)排放占总量的84.8%，而以上四类汽车所用发动机中柴油发动机占90%以上[1]。

天然气作为一种清洁能源，与柴油相比，排放尾气中的CO和HC含量降低80%～90%，几乎没有颗粒物的排放。同时，天然气燃烧后产生的温室气体只有煤炭的1/2、石油的2/3，对环境造成的污染远远小于石油和煤炭，并且价格便宜，是国际公认的车用替代清洁燃料之一，是21世纪汽车能源应用的重要方向[2]。

车用天然气主要以压缩天然气(CNG，Compressed Natural Gas)和液化天然气(LNG，Liquified Natural Gas)两种形式储存。在用汽车柴油发动机进行柴油—天然气改装应用可分为:柴油—CNG双燃料系统和柴油—LNG双燃料系统。由于LNG的气化比率是1∶625，而CNG的比率是1∶200，所以同样容积的CNG钢瓶充装天然气后，可使汽车行驶的距离仅为LNG车的三分之一，因此使用LNG日趋成为主流。虽然CNG与LNG有储存方式上的差别，但最终都以不同压力状态下的天然气气体方式进入气缸，在天然气喷射量的控制方面临的问题是一样的。

发动机柴油—天然气双燃料改装技术的核心问题在于能否精确地控制柴油引燃量和天然气供气量，使发动机达到最佳的动力、经济性能和满足排放要求。本文对国内外主要的发动机柴油—天然气双燃料改装的不同技术特点进行分析研究，为柴油发动机双燃料改装的方案研究和系统研发提供参考。

1 天然气供气量的控制方式

按天然气供气量的控制方式可分为机械控制式和电子控制式。

1.1 机械控制天然气供气量

机械控制式的天然气供气系统通常将天然气的流量调节装置安装在混合器的前端或后端，通过机构控制，实现天然气的供气量。熊树生等通过操纵油泵齿条，控制油量和天然气量按一定比例进入气缸[3]；李志军等在原柴油机的基础上设计了一个三通结构的燃气压力调节器来控制天然气的供给量[4]；杨新桥等设计了型板式天然气流量控制结构来控制安装在混合器后面的锥形阀开度，进而控制天然气的流量[5]；日本早稻田大学的学者研发的双燃料发动机，其天然气供气量调节也是基于机械控制混合器方式[6]。

天然气供气量机械控制方法的优点是控制结构相对简单，改装方便，成本较低；缺点是供气量控制精度不高，改装后的发动机排放很难满足排放法规的要求。

1.2 电子控制天然气供气量

根据ECU的输出信号控制供气管路上“控制阀”实现供气量的控制，根据“控制阀”安装的位置可分为:电子控制单点供气、电子控制多点供气和电子控制缸内直接供气三种方式。

1.2.1 电子控制单点供气

指供给发动机各缸所需天然气通过在天然气管路上或是进气道的单个“控制阀”来实现的。张春化等通过在天然气管路上安装了一个流量控制阀，电控单元接收转速和负荷信号，控制步进电机改变其行程来调节流量控制阀的开度达到调节天然气流量的目的[7]；张宏光等根据发动机负荷通过ECU调节进气道内的节流阀的开度来控制天然气的供给量[8]。

电控单点供气方式需要专门的混合器，普遍安装在涡轮增压后的进气管，高压的天然气通过混合器与空气进行混合进入气缸。为了提高天然气供气量的控制精度，目前所采取的主要方式是用多个天然气喷射阀来代替“控制阀”。徐富水等采用3组天然气喷射阀来实现天然气供给[9]；胡准庆等将喷射阀安装在进气道的根部，ECU根据工况信息和活塞冲程控制天然气的喷射时间和喷射始点，喷射阀不受气缸内高温高压的影响[10]；一汽集团公司采用天然气单点喷射系统，并设计了气体流量阀，ECU可根据实测天然气压力和温度，并与目标天然气压力比较，调节气体流量阀内容积室的容积来精确控制天然气喷射量[11]；日本冈山大学U Azimov等通过混合气预混合喷射，混合气在尾气区域自动点燃之前扩散，减少了HC和CO的排放，但NOX排放有所增加[12]。

单点供气方式的进气位于进气管，在一定程度上会降低空气的进给量。此外，由于受不同发动机进气管结构不同的影响，混合器安装位置不一，不能精确地对天然气的供气时刻进行控制，不可避免存在气门重叠时的漏气和进气管回火的风险。但是，单点供气方式的改装方案由于对发动机原机结构改动破坏小，在发动机双燃料改装市场的初始阶段，用户往往更愿意接受。目前在国内，福州大学、北京富地红华、北京生宝力源、深圳华江等设计的双燃料改装方案均采用电控单点供气方式。

1.2.2 电子控制多点供气

指在进气歧管末端钻安装孔，将天然气喷射阀安装在各缸进气门前端，通过电控单元实现对各缸的定时定量供气，达到对混合气浓度的精确控制，即多点顺序喷射控制方式。

苏万华等在每个气缸进气口安装电磁阀，根据转速、喷气脉宽反算而得到喷气开始时刻，通过改变电磁阀喷射脉宽(PWM)控制天然气的喷射量[13]；高青等根据发动机转速、空气流量、天然气供气量、排气温度和脉谱图等信息，采用开环和闭环相结合的方式控制天然气和空气的流量，发动机燃烧性能和排放性能得到了改善[14]；Hosseinzadeh等基于多点喷射开发了准二区燃烧模型控制系统，有效地解决发动机在不同负荷下热效率低、CO排放多和燃油利用率低的问题[15]；Kennon等分别在进气歧管和进气道内安装喷射阀，集合了多点喷射精确控制和单点喷射混合均匀的特点，消除了回火现象并且控制方法灵活[16]。

多点供气位置位于进气歧管，对空气的进气量影响小，能根据各缸的气门相位信息精确控制各缸天然气喷射阀的喷气时刻，消除了气门重叠时的漏气和进气管回火的可能。双燃料运行时发动机的动力性、经济性和排放性能均能得到较好地控制。但是，因为需要在进气管末端钻喷射阀的安装孔，对发动机原机结构破坏较大，在市场初期用户通常不大愿意接受，目前国内泰德燃气设备(上海)有限公司、恒驰科技等正在推广其多点供气方式的车用双燃料改装系统。

1.2.3 电子控制缸内直接供气

直接供气指将喷射阀安装在气缸盖上，将天然气直接喷进燃烧室内。

Philip等最早提出天然气缸内高压喷射技术(High Pressure Direct Injection System，HPDI)、缸内扩散燃烧理论和CNG直喷技术(CNG-DI)。基于HPDI理论，Westport公司在此基础上开发了一系列的HPDI燃烧系统天然气发动机，使NOx、HC和PM分别减少了45%、85%和71%[17]；潍柴与Westport公司联合推出了国内首台基于HPDI的缸内直喷天然气发动机，替代率可达95%，排放达到国Ⅴ标准[18]；Alberto Boretti将CNG喷嘴直接安装在气缸盖上[19]；Kumarappa在活塞缸壁上安装喷射器[20]；魏威等改进喷油器，利用喷油器内的增压泵将天然气直接喷入气缸内，实现了缸内直喷供气[21]。

缸内喷射技术可以降低和消除燃料供给对空气充量的影响，易于实现稀薄燃烧，提高排放性能，提高动力性和避免爆震的效果。但其明显缺点是对发动机改动大，技术难度高，改装费用高。

2 柴油引燃量的控制方式

对发动机进行双燃料改装的另一个核心问题是如何在不同工况下精确控制柴油引燃量。柴油引燃量的控制方式直接受原机柴油供给方式的影响，分为两类:(1)柴油引燃量的机械控制；(2)柴油引燃量的电子控制。

2.1 柴油引燃量的机械控制

目前全部“国Ⅱ”和部分“国Ⅲ”排放标准的柴油发动机采用机械式喷油泵进行柴油供给，柴油的供给量由喷油泵齿条位置决定，而齿条位置由调速器和调速手柄工作状态确定。

陈永斌等对调速器凸轮板进行修正，并在进气管和调速器之间安装增压补偿器和两位三通电磁阀，可实现调速器按设定供油曲线控制柴油引燃量[22]；张宏光等在喷油泵调速手柄与油门踏板直接用拉线相连，通过调节踏板的行程控制喷油泵调节手柄的角位移量来控制齿条位置[8]；熊树生等在喷油泵齿杆的端部加装限位机构并由电磁铁控制油量[3]；李志军等通过对停车电磁阀进行改进，使油门改变时，齿条位置以较小的位移移动达到控制油量的目的[4]。

通过调速器和齿条位置的机械控制方式对发动机物理结构改动较小，方便满足不同客户的需求。采用机械控制方式，改装方便，结构简单，但是控制精度不高。

2.2 柴油引燃量的电子控制

自2006年1月1日北京在全国范围内率先实施“国III”排放标准，自此车用柴油发动机迈入了电控时代。为实现电控喷射柴油引燃量的控制，吴光耀等通过对喷油信号进行断油处理，控制柴油引燃量[23]；王铮等通过步进电机调节进油管路的阀值来调整供油量[24]；美国BKM公司开发基于Serbojet电控液压泵喷嘴控制柴油引燃量的“微引燃”系统[25]；Cheikh等研发的双燃料电控液压系统，利用限压阀和精细控制针阀，在可变范围内控制柴油引燃量低于1%[26]；British Columnbia大学设计的电控油气共用喷射器，喷射器的喷射持续时间和喷射时刻由电磁阀和液压系统共同控制[27]；基于福特全球技术中心和日本电装公司的改进喷油器专利[28-29]、HPDI理论和Brown等开发的联合喷射系统(Co-injection)，实现在同一喷嘴下对油量和天然气量的精确控制[30]。

通过改变原发动机的喷油器结构，对发动机结构改动大，技术难度大，改装成本和风险较高，在市场应用的推广阶段终端客户接受度低。

3 结束语

汽车尾气排放的污染物已经成为城市大气的主要污染源，而且随着汽车保有量的增加，污染将日益严重。我国现有中大功率车用发动机主要为柴油机，燃料消耗量多，废气排量大，污染重。仅2012年全年，全国车用柴油机的产销量就达到332.08万台和339.52万台。在全社会对节能减排问题的空前关注下，除了大力推广应用汽车新能源、替代燃料技术外，对在用柴油发动机的柴油—天然气双燃料改装是缓解燃油供求矛盾，减少尾气排放，治理城市大气污染的重要举措，符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的基本国策。

截至2009年底，除西藏、台湾、澳门外，全国其余省、直辖市、自治区80多个城市正在推广天然气汽车。2012国内已建LNG加气站404座，CNG加气站2300座。除了推广应用CNG/LNG汽车外，目前四川、重庆、山东、新疆、贵州、甘肃、安徽、河南、湖北、安徽、广西等省、地区相继开放对在用车辆的柴油—天然气双燃料改装，市场需求巨大。为此，在目前市场初期阶段，我们建议改装技术应满足以下准则:

(1)对原发动机的结构破坏要最小；

(2)容易现场施工、改装；

(3)改装成本应能在10个月内回收；

(4)改装技术适用的普遍性要好，能适应大量的不同类别与型号的柴油发动机。

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ReviewoftheRetrofittingTechnologyforDual-fuelNaturalGasDieselEngine

PENG Yu-hui1，LIN Teng-fei1，SUN Tai-ping2，DOU Wei-dong2

(1.College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China;2.CIMC Enric (Jingmen) Energy Equipments CO.，LTD，Jingmen 448124，China)

The retrofitting technology of natural gas-diesel dual fuel engine for transportation vehicles can not only decrease the fuel cost，but also reduce the harmful exhaust emission significantly. According to the different methods of natural gas supply and pilot fuel control，the retrofitting technical schemes of dual fuel engine are classified and analyzed. Finally，the essential rules of retrofitting technology for dual fuel engine are supposed especially in the initial stage of application market.

diesel engine;dual fuel;retrofitting technology;natural gas;pilot fuel

2013-10-22修订稿日期2014-02-28

彭育辉(1975～)，男，博士，副教授，研究方向为清洁能源汽车技术。

U464.173

A

1002-6339 (2014) 05-0461-04