青海油田在用车辆CNG改装技术浅析

2013-01-27解海潮

装备制造技术 2013年6期

解海潮

（青海油田机械厂，甘肃敦煌736202）

天然气作为绿色能源是被公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料，天然气是一种洁净的能源，主要成分是甲烷，燃烧后的主要生成物为二氧化碳和水，几乎没有污染，天然气汽车已在世界和我国得到了推广应用。青海油田积极响应国家节能减排的号召，充分利用天然气资源，节约能源，降低环境污染，积极发展低碳经济，达到油田清洁发展的要求。青海油田目前拥有皮卡车的数量约600辆，大多是用于短途巡井，油田公司已经筹建几个基地的天然气推广项目，沿途建立天然气加气站，这就为我们将在用的车辆进行CNG改装提供了基础保证。

1 CNG特性

天然气（CNG）有如下特性：

（1）经济性好。天然气（CNG）具有极强的抗爆性（最小辛烷值ROZ达到130，而汽油的最小辛烷值位于91和100之间）汽车改天然气后可适当提高压缩比，实现稀薄燃烧，因此CNG汽车热效率较高。

（2）起动性能好。由于是气态燃料，无须雾化就可以与空气均匀混合，所以CNG汽车冷的起动性能好。

（3）低排放。由于压缩天然气(CNG)在汽车上与空气混合时同为气态，与汽油相比,混合气更均匀，燃烧也更完全。同时，CNG是低碳燃料，排放低。

（4）安全性好。常温常压下天然气比空气轻，其密度为0.6~0.74 g/m3，跟空气混合后的火浓度范围为4.7%~15%，着火温度为650°（汽油的着火温度为450°）。

（5）压缩天然气（CNG）是以压缩状态储存的天然气。我国车用压缩天然气（CNG）的额定压力为≤20 MPa。

2 CNG汽车燃料供给系统的种类

CNG汽车燃料供给系统的种类主要分成以下几类：

（1）单燃料发动机燃气供给系统。一般利用节气门根据工况要求实现对混合气量的控制，而可燃混合气一般利用火花塞点燃。

（2）两用燃料发动机供气系统。汽油/CNG两用燃料：在原汽油机上加装一套CNG燃气供给系统，包括高压钢瓶、高压管路、滤清器、调节器、混合装置等，在燃用天然气时，替代原汽油机供给系统向发动机提供天然气－空气混合气。

（3）双燃料发动机供给系统。柴油/CNG混合燃料发动机供给系统组成：燃料供给系统、发动机控制保护系统、天然气供给和调节系统、天然气储存系统。

3 车辆CNG改装的技术现状及特点

3.1 CNG汽车燃料控制系统的发展

CNG汽车燃料控制系统的发展到目前为止经历了五代的发展，叙述如下：

（1）第一代产品：文丘里混合器系统。

（2）第二代产品：闭环电控混合器系统。

（3）第三代产品：多点（单点）连续喷射系统。

（4）第四代产品：多点顺序喷射系统。

（5）第五代产品：多点顺序缸内直喷系统。

3.2 CNG车辆改装的现状

目前，在车辆中针对汽油车主要是采用双燃料（汽油、天然气）的方式，针对柴油车主要以单燃料为主，双燃料由于燃料分配控制技术不成熟没有得到推广。

在车辆CNG改造技术中按照燃气燃料供给方式主要有文丘里管混合气形式、单点喷射、多点顺序喷射三种形式，三种形式各有优缺点，文丘里管改造成本非常低廉，技术要求不高，应用广泛，但同时系统的故障率较高，发动机的空燃比控制困难，节能效果差，冷启动很差；单点喷射是在文丘里管方式上进行了改进，对喷射的燃气量和时间用电脑进行控制，但是混合气的供气方式，没有做到每个汽缸的定量供气，节能和减排的效果都不理想，改造成本相对适中，故障率比较高，冬季启动困难；多点顺序喷射彻底解决了燃料定量定点供给，解决了节能减排、冷启动困难的问题，但是该方式成本相对较高，用户（尤其是私人用户）接受较困难。

按照点火方式分有两种形式，ECU电脑控制单元控制点火和专用分电器点火。分电器点火成本低廉，精度不准确、故障率高；ECU电脑控制单元点火准确，故障率较低，但是成本较高。结合青海油田的实际情况，选用适合青海油田的改造方式为多点顺序喷射的ECU电脑控制单元，主要解决高海拔、低气温、在用车辆技术状况不统一的现状，减少故障率，提高运行的效果和节能减排的效果。

4 青海油田车辆CNG改装技术分析

天然气（CNG）汽车燃料系统通常包括：天然气气瓶、减压调压器、各类阀门和管件、混合器（或者天然气喷射装置）、各类电控装置等。青海油田作业区的平均海拔在2 800米左右，常年温差较大，冬季室外温度可低到－30℃左右，夏季地表温度可以达到60℃左右，温差跨度较大，因此在进行在用车辆CNG改造时主要考虑车辆运行的可靠稳定性。进过调查对比分析，结合油田车辆的使用情况，在进行汽油车改造时选用多点顺序喷射的ECU电脑自动控制系统，针对汽油车的特点选用双燃料方式，利用原车的点火系统，增加天然气燃料的定量供给，增加安全的供气减压系统，调整合理的空燃比，对使用的条件进行海拔、气温的标定，使之能够满足在任何工况下稳定工作。

目前，青海油田柴油巡井车辆主要是4JB1-T或者是4JB1的柴油发动机，由于降低柴油发动机的压缩比，需要专用的活塞和缸盖，国内开发柴油机专用活塞的企业比较少，机型较少，因此针对油田在用柴油机改造的机型比较固定（4JB1-T，4JB1）。由于天然气燃烧后废气温度比柴油燃烧废气温度高，为了保证车辆在夏季高温季节稳定运行，对车辆的缸盖和齿轮箱进行改进，增加发动机的冷却效果，使用专用的缸盖和齿轮以及齿轮室盖。在电喷系统配置采用的是多点顺序喷射，完全整合的主从式管理系统。具有系统稳定，节能效果明显的特点，其原理是：高压CNG气体从CNG气瓶连接到减压器，减压器将高压气体减压到大约高于进气歧管压力200 kPa的压力，然后CNG经过低压气体滤清器进入气轨。燃气再通过气轨分配到喷嘴，根据发动机的负荷，喷嘴在发动机的进气门处喷入所需的燃气量。

5 改造的经济性分析

我们将CNG改造的皮卡车与同批同类型庆龄柴油皮卡车的经济性进行了对比分析，将燃烧柴油的皮卡改装成燃烧天然气单一燃料后，每100 km可节省近54.4%的燃料消耗费，车辆经过改装后，每百公里燃料费用可以节约35.2元，节能效果十分明显，经过试车后车辆的技术性能能够达到该车辆行驶要求，功率损失较小，值得推广应用。尤其是车辆经过改造后，极大地降低了污染排放，对建设节约型和清洁型油田都有极其重要的意义。