柴油-LNG双燃料技术在重型汽车上的应用
2016-07-26冯凡王江鹏
冯凡，王江鹏
（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）
柴油-LNG双燃料技术在重型汽车上的应用
冯凡，王江鹏
（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）
文章分析了天然气进气喷射、预混合供气和缸内直接喷气三种双燃料实现技术。根据我国的发展现状选择预混合供气技术进行重型汽车的工程应用，并对柴油-LNG双燃料重型汽车的前景及趋势加以展望。
柴油-LNG双燃料；供气技术；工程应用；环保
10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.044
CLC NO.: TF058 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-128-03
前言
2013年开始，占国土面积1/3的大中城市，接连遭遇严重雾霾天气，引起公众极大忧虑。中科院大气物理研究所的研究结果显示，主要的颗粒物PM2.5排放源为机动车、工业和电厂。其中，机动车排放和道路扬尘所占比例超过50%。
根据2013年国家环保部发布的《2012机动车污染防治年报》，2011年全国汽车保有量中，客车 7478.4万辆，占80.7%，中型客车147.4万辆，大型客车126.6万辆；货车1788.0万辆，占19.3%，中型货车267.8万辆，重型货车460.6万辆。全国汽车排放一氧化碳（CO）796.0 万吨，碳氢化合物（HC）339.2 万吨，氮氧化物（NOX）576.4万吨，颗粒物（PM）59.0万吨。其中占汽车总量只有10.8%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88.6%，NOX排放占总量的85.5%，而以上四类汽车所用发动机中基本上都是柴油发动机。大城市空气中的PM2.5微细颗粒的最主要来源是汽车尾气，尤其是柴油汽车的尾气，机动车污染已经成为大气环境污染中最突出、最紧迫的问题之一。
清洁天燃气汽车的尾气污染物的排放较柴油车有大幅降低，其CO2 减少24%，CO 减少97%，HC减少72%，NOX减少70%，苯、铅、粉尘等固体颗粒物减少100%，综合排放指标降低约80%。推广使用天然气作为汽车替代燃料是解决困扰城市大气污染的有效措施。
1、技术路线
柴油-LNG双燃料发动机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。按照供给方式可分为有缸外供气和缸内直接喷气两种，其中缸外供气方式还可分为进气喷射和进气管混合器供气两种。现对以上双燃料实现方法的优劣分析如下：
1.1缸外供气方式
1.1.1进气喷射方式
此方式是将天然气引至进气总管或进气口，用天然气喷射阀对燃气实施控制。若天然气喷射阀流量较大，在发动机的进气总管上安装，就形成电控单点喷射式。该方式对空燃比的控制相对精确，使产生的排放性和经济性相对良好。若有多个天然气喷射阀在进气口的地方安装，这种喷射方式属于电控多点喷射式。利用喷射阀将天然气向进气口进行直接喷射，对燃料在空气中和气体中的流量进行分别精确测量、计量，使得精确度和稳定性保持在一个较高的水平上。
气体燃料喷射始点和喷射量密切相关于进排气门及活塞运动的相位关系，可以实施严格控制，从而使层状供气和定时供气比较容易操作，更准确地对空燃比实施控制，可以以发动机负荷与转速为根据进行。
1.1.2进气管混合器供气方式
将混合器安装在进气总管上，在双燃料发动机里将空气-天然气的混合气送入，由机械装置控制混合器燃气压力，使低负荷前提下天然气压力在最小的状态下保持，满负荷前提下使天然气压力在最大的状态下保持；或者控制阀门开启角度，从而使供气量得以调节。该类型的优点非常明显，低廉的价格、简单的结构。然而，因闭环控制难以开展，对空燃比难以实施有效地、精确地控制，所以提升排放控制水平较难。
电控混合器方式在国外上个世纪9O 年代初出现了。由电子控制单元（ECU）、天然气供给系统和柴油供给系统构成整个系统。测定发动机的一系列参数是通过电控单元利用传感器来完成的，从而确定发动机的运行工况，再通过对油泵的控制调节流量控制阀的位置和齿杆，在不同条件下，按照发动机对空燃比的要求，对引燃柴油的喷射量和喷射时刻、天然气供应量进行灵活地调整。
1.2缸内直接喷气
缸内气体喷射技术是把天然气利用气体喷射器向气缸内直接喷射，可分为两种：低压喷射式和缸内高压喷射式。通常应用在压缩比较低的发动机上的主要供气方式是低压喷射；应用在压缩终点喷射发动机上的主要供气方式是高压喷射。
图1 HPDI发动机喷嘴
高速发动机和大型发动机采用的是高压喷射（HPDI），类似于汽油机缸内直喷技术，将喷射阀直接安装在气缸盖上，将天然气直接喷在燃烧室内（见图 1）。这种喷射方式可以使燃料供给量维持在较高的状态下，以及使供气喷射在短时间上的延续。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、动力性和避免爆震的效果。但其明显缺点是技术难度高，费用高昂。加拿大西港公司的HPDI发动机为此领域的领导者。
2、工程应用
2.1技术路线当前我公司在进行工程应用是采用进气管混合式进行双燃料系列车型的开发
以柴油机为本体，在进气系统中加入天然气，与空气形成可燃混合气。通过少量柴油引燃混合气做功。双燃料燃烧方式兼具点燃式和压燃式发动机特点。柴油既起高能点火作用，在某些工况也作为主要燃料，起到“调质”的作用。原理图如图2、图3。
图2 双燃料原理
图3 双燃料控制原理
为保证双燃料发动机有更贴近纯柴油发动机的性能，根据实现技术路线，采用新的控制策略-全控技术，即双燃料ECU截取电子油门踏板信号，给原机电控单元输入设定比例油量信号，达到减小油量的效果，同时进行天然气的喷射，补足发动机实际功率与扭矩。
2.2双燃料发动机标定
柴油机高压缩比、高增压，以及高空燃比的特点。对天然气燃烧方式形成了很大挑战。需要根据不同工况特点，灵活控制两种燃料的供应，以最大化发挥双燃料优势。
为此，对改装完成的双燃料发动机进行了重新标定，以获取良好的工作性能。根据不同工况特点，使发动机在不同转速，不同负荷下，功率与原机相同，综合考虑替代率和气油比，选择合适的油气比率。标定过程中，边界条件为：缸压、排温以及压力升高率不超过原机。
(替代率=(纯柴油油耗-双燃料油耗)/纯柴油油耗×100%；替代比=双燃料气耗/ (纯柴油油耗-双燃料油耗)×100% ；柴油单位：L，天然气单位：Kg )
图4 发动机负荷
图5 燃油替代率
图6 气油比
全新标定的双燃料的特点：
（1）保留了压燃式发动机效率高、功率大的特点，多点引燃，火焰传播速度快，燃烧更充分。
（2）降低排放，降低原机污染物排放一半以上。
（3）车辆可在纯柴油模式和混燃模式之间自由切换，使用灵活。
（4）由于依然保留柴油的润滑作用，双燃料对气门及座圈的磨损要比纯气体机小得多；热负荷与原机一样，从而使柴油机本体不用大改即可适用于双燃料。
（5）动力性、驾驶性与原机相同，噪音低。
3、整车应用
根据双燃料发动机特性适应性开发了渣土车、牵引车、水泥搅拌车等多个车型。
现以渣土车为例说明实际运行状况：开发的双燃料渣土车在2014年12月至2015年7月完成了用户试用，试用期共运行23400余公里。期间无发动机和双燃料系统故障，使用可靠。通过统计计算，得出该车型在实际使用中的替代率及替代比为：替代率：74.4%；替代比：0.75。
通过持续8个月的客户试用，验证此双燃料系统可靠性高，LNG对柴油的替代率综合维持在74%。
4、结束语
目前国家对汽车排放尾气问题关切，正在推动天然气作为代用燃料的发展。其次，柴油与天然气的价格差异，导致使用天然气作为燃料会获得更好的经济效益，从而将使用者和经营者的积极性调动起来。在重型商用车的应用上纯天然气车型收到气源问题的制约有一定的局限性，因此柴油-LNG双燃料技术可以作为一个突破，推动天然气的发展。
[1] 姚冬梅.LNG/柴油双燃料发动机供气技术发展趋势.技术与市场,2013.7.
[2] 耿志勇,李丽君.柴油-天然气双燃料重卡简介及市场前景分析[J].汽车实用技术.2012.8.
Application of diesel -LNG dual fuel technology in heavy duty truck
Feng Fan, Wang Jiangpeng
（Shaanxi Heavy-duty Motor Company Limited, ShaanxiXi'an 710200）
In this paper, three kinds of dual fuel technologies are analyzed, which are natural gas injection, pre mixed gas and direct injection in cylinder.According to the development situation of our country, the application of pre mixed gas supply technology is selected, and the prospect and trend of the diesel -LNG dual fuel heavy vehicle are forecasted.
Diesel -LNG dual fuel; Gas supply technology; engineering application; environmental protection
冯凡，就职于陕西重型汽车有限公司。
TF058
A
1671-7988（2016）06-128-03
