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(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116；2.中集安瑞科(荊門(mén))能源裝備有限公司，湖北 荊門(mén) 448124)

車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)柴油天然氣雙燃料改裝研究綜述

彭育輝1，林騰飛1，孫太平2，竇衛(wèi)東2

(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116；2.中集安瑞科(荊門(mén))能源裝備有限公司，湖北 荊門(mén) 448124)

對(duì)在用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行柴油—天然氣雙燃料改裝不僅可以降低燃料費(fèi)用成本，而且可以顯著減少汽車(chē)尾氣污染物的排放?；诓煌奶烊还┙o方式和柴油引燃量的控制方法，分析國(guó)內(nèi)外柴油—天然氣雙燃料改裝的不同技術(shù)特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，并對(duì)柴油—天然氣雙燃料改裝市場(chǎng)初期的技術(shù)選用提出基本準(zhǔn)則。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；雙燃料；改裝技術(shù)；天然氣；柴油引燃量

0 引言

2012年全國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)到10 837.8萬(wàn)輛，排放一氧化碳(CO)2865.5萬(wàn)t，碳?xì)浠衔?HC)345.2萬(wàn)t，氮氧化物(NOx)582.9萬(wàn)t，顆粒物(PM)59.2萬(wàn)t。其中占汽車(chē)總量只有8.9%的重型載貨汽車(chē)、中型載貨汽車(chē)、大型載客汽車(chē)和中型載客汽車(chē)顆粒物(PM)排放貢獻(xiàn)達(dá)87.4%，氮氧化物(NOx)排放占總量的84.8%，而以上四類(lèi)汽車(chē)所用發(fā)動(dòng)機(jī)中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)占90%以上[1]。

天然氣作為一種清潔能源，與柴油相比，排放尾氣中的CO和HC含量降低80%～90%，幾乎沒(méi)有顆粒物的排放。同時(shí)，天然氣燃燒后產(chǎn)生的溫室氣體只有煤炭的1/2、石油的2/3，對(duì)環(huán)境造成的污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油和煤炭，并且價(jià)格便宜，是國(guó)際公認(rèn)的車(chē)用替代清潔燃料之一，是21世紀(jì)汽車(chē)能源應(yīng)用的重要方向[2]。

車(chē)用天然氣主要以壓縮天然氣(CNG，Compressed Natural Gas)和液化天然氣(LNG，Liquified Natural Gas)兩種形式儲(chǔ)存。在用汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行柴油—天然氣改裝應(yīng)用可分為:柴油—CNG雙燃料系統(tǒng)和柴油—LNG雙燃料系統(tǒng)。由于LNG的氣化比率是1∶625，而CNG的比率是1∶200，所以同樣容積的CNG鋼瓶充裝天然氣后，可使汽車(chē)行駛的距離僅為L(zhǎng)NG車(chē)的三分之一，因此使用LNG日趨成為主流。雖然CNG與LNG有儲(chǔ)存方式上的差別，但最終都以不同壓力狀態(tài)下的天然氣氣體方式進(jìn)入氣缸，在天然氣噴射量的控制方面臨的問(wèn)題是一樣的。

發(fā)動(dòng)機(jī)柴油—天然氣雙燃料改裝技術(shù)的核心問(wèn)題在于能否精確地控制柴油引燃量和天然氣供氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性能和滿(mǎn)足排放要求。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外主要的發(fā)動(dòng)機(jī)柴油—天然氣雙燃料改裝的不同技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料改裝的方案研究和系統(tǒng)研發(fā)提供參考。

1 天然氣供氣量的控制方式

按天然氣供氣量的控制方式可分為機(jī)械控制式和電子控制式。

1.1 機(jī)械控制天然氣供氣量

機(jī)械控制式的天然氣供氣系統(tǒng)通常將天然氣的流量調(diào)節(jié)裝置安裝在混合器的前端或后端，通過(guò)機(jī)構(gòu)控制，實(shí)現(xiàn)天然氣的供氣量。熊樹(shù)生等通過(guò)操縱油泵齒條，控制油量和天然氣量按一定比例進(jìn)入氣缸[3]；李志軍等在原柴油機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)三通結(jié)構(gòu)的燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器來(lái)控制天然氣的供給量[4]；楊新橋等設(shè)計(jì)了型板式天然氣流量控制結(jié)構(gòu)來(lái)控制安裝在混合器后面的錐形閥開(kāi)度，進(jìn)而控制天然氣的流量[5]；日本早稻田大學(xué)的學(xué)者研發(fā)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其天然氣供氣量調(diào)節(jié)也是基于機(jī)械控制混合器方式[6]。

天然氣供氣量機(jī)械控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，改裝方便，成本較低；缺點(diǎn)是供氣量控制精度不高，改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)排放很難滿(mǎn)足排放法規(guī)的要求。

1.2 電子控制天然氣供氣量

根據(jù)ECU的輸出信號(hào)控制供氣管路上“控制閥”實(shí)現(xiàn)供氣量的控制，根據(jù)“控制閥”安裝的位置可分為:電子控制單點(diǎn)供氣、電子控制多點(diǎn)供氣和電子控制缸內(nèi)直接供氣三種方式。

1.2.1 電子控制單點(diǎn)供氣

指供給發(fā)動(dòng)機(jī)各缸所需天然氣通過(guò)在天然氣管路上或是進(jìn)氣道的單個(gè)“控制閥”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。張春化等通過(guò)在天然氣管路上安裝了一個(gè)流量控制閥，電控單元接收轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)改變其行程來(lái)調(diào)節(jié)流量控制閥的開(kāi)度達(dá)到調(diào)節(jié)天然氣流量的目的[7]；張宏光等根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷通過(guò)ECU調(diào)節(jié)進(jìn)氣道內(nèi)的節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制天然氣的供給量[8]。

電控單點(diǎn)供氣方式需要專(zhuān)門(mén)的混合器，普遍安裝在渦輪增壓后的進(jìn)氣管，高壓的天然氣通過(guò)混合器與空氣進(jìn)行混合進(jìn)入氣缸。為了提高天然氣供氣量的控制精度，目前所采取的主要方式是用多個(gè)天然氣噴射閥來(lái)代替“控制閥”。徐富水等采用3組天然氣噴射閥來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣供給[9]；胡準(zhǔn)慶等將噴射閥安裝在進(jìn)氣道的根部，ECU根據(jù)工況信息和活塞沖程控制天然氣的噴射時(shí)間和噴射始點(diǎn)，噴射閥不受氣缸內(nèi)高溫高壓的影響[10]；一汽集團(tuán)公司采用天然氣單點(diǎn)噴射系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了氣體流量閥，ECU可根據(jù)實(shí)測(cè)天然氣壓力和溫度，并與目標(biāo)天然氣壓力比較，調(diào)節(jié)氣體流量閥內(nèi)容積室的容積來(lái)精確控制天然氣噴射量[11]；日本岡山大學(xué)U Azimov等通過(guò)混合氣預(yù)混合噴射，混合氣在尾氣區(qū)域自動(dòng)點(diǎn)燃之前擴(kuò)散，減少了HC和CO的排放，但NOX排放有所增加[12]。

單點(diǎn)供氣方式的進(jìn)氣位于進(jìn)氣管，在一定程度上會(huì)降低空氣的進(jìn)給量。此外，由于受不同發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)不同的影響，混合器安裝位置不一，不能精確地對(duì)天然氣的供氣時(shí)刻進(jìn)行控制，不可避免存在氣門(mén)重疊時(shí)的漏氣和進(jìn)氣管回火的風(fēng)險(xiǎn)。但是，單點(diǎn)供氣方式的改裝方案由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)破壞小，在發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料改裝市場(chǎng)的初始階段，用戶(hù)往往更愿意接受。目前在國(guó)內(nèi)，福州大學(xué)、北京富地紅華、北京生寶力源、深圳華江等設(shè)計(jì)的雙燃料改裝方案均采用電控單點(diǎn)供氣方式。

1.2.2 電子控制多點(diǎn)供氣

指在進(jìn)氣歧管末端鉆安裝孔，將天然氣噴射閥安裝在各缸進(jìn)氣門(mén)前端，通過(guò)電控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)各缸的定時(shí)定量供氣，達(dá)到對(duì)混合氣濃度的精確控制，即多點(diǎn)順序噴射控制方式。

蘇萬(wàn)華等在每個(gè)氣缸進(jìn)氣口安裝電磁閥，根據(jù)轉(zhuǎn)速、噴氣脈寬反算而得到噴氣開(kāi)始時(shí)刻，通過(guò)改變電磁閥噴射脈寬(PWM)控制天然氣的噴射量[13]；高青等根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣流量、天然氣供氣量、排氣溫度和脈譜圖等信息，采用開(kāi)環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的方式控制天然氣和空氣的流量，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能和排放性能得到了改善[14]；Hosseinzadeh等基于多點(diǎn)噴射開(kāi)發(fā)了準(zhǔn)二區(qū)燃燒模型控制系統(tǒng)，有效地解決發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下熱效率低、CO排放多和燃油利用率低的問(wèn)題[15]；Kennon等分別在進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道內(nèi)安裝噴射閥，集合了多點(diǎn)噴射精確控制和單點(diǎn)噴射混合均勻的特點(diǎn)，消除了回火現(xiàn)象并且控制方法靈活[16]。

多點(diǎn)供氣位置位于進(jìn)氣歧管，對(duì)空氣的進(jìn)氣量影響小，能根據(jù)各缸的氣門(mén)相位信息精確控制各缸天然氣噴射閥的噴氣時(shí)刻，消除了氣門(mén)重疊時(shí)的漏氣和進(jìn)氣管回火的可能。雙燃料運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能均能得到較好地控制。但是，因?yàn)樾枰谶M(jìn)氣管末端鉆噴射閥的安裝孔，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)結(jié)構(gòu)破壞較大，在市場(chǎng)初期用戶(hù)通常不大愿意接受，目前國(guó)內(nèi)泰德燃?xì)庠O(shè)備(上海)有限公司、恒馳科技等正在推廣其多點(diǎn)供氣方式的車(chē)用雙燃料改裝系統(tǒng)。

1.2.3 電子控制缸內(nèi)直接供氣

直接供氣指將噴射閥安裝在氣缸蓋上，將天然氣直接噴進(jìn)燃燒室內(nèi)。

Philip等最早提出天然氣缸內(nèi)高壓噴射技術(shù)(High Pressure Direct Injection System，HPDI)、缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒理論和CNG直噴技術(shù)(CNG-DI)?；贖PDI理論，Westport公司在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一系列的HPDI燃燒系統(tǒng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，使NOx、HC和PM分別減少了45%、85%和71%[17]；濰柴與Westport公司聯(lián)合推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于HPDI的缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，替代率可達(dá)95%，排放達(dá)到國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)[18]；Alberto Boretti將CNG噴嘴直接安裝在氣缸蓋上[19]；Kumarappa在活塞缸壁上安裝噴射器[20]；魏威等改進(jìn)噴油器，利用噴油器內(nèi)的增壓泵將天然氣直接噴入氣缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)直噴供氣[21]。

缸內(nèi)噴射技術(shù)可以降低和消除燃料供給對(duì)空氣充量的影響，易于實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，提高排放性能，提高動(dòng)力性和避免爆震的效果。但其明顯缺點(diǎn)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)大，技術(shù)難度高，改裝費(fèi)用高。

2 柴油引燃量的控制方式

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行雙燃料改裝的另一個(gè)核心問(wèn)題是如何在不同工況下精確控制柴油引燃量。柴油引燃量的控制方式直接受原機(jī)柴油供給方式的影響，分為兩類(lèi):(1)柴油引燃量的機(jī)械控制；(2)柴油引燃量的電子控制。

2.1 柴油引燃量的機(jī)械控制

目前全部“國(guó)Ⅱ”和部分“國(guó)Ⅲ”排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械式噴油泵進(jìn)行柴油供給，柴油的供給量由噴油泵齒條位置決定，而齒條位置由調(diào)速器和調(diào)速手柄工作狀態(tài)確定。

陳永斌等對(duì)調(diào)速器凸輪板進(jìn)行修正，并在進(jìn)氣管和調(diào)速器之間安裝增壓補(bǔ)償器和兩位三通電磁閥，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速器按設(shè)定供油曲線控制柴油引燃量[22]；張宏光等在噴油泵調(diào)速手柄與油門(mén)踏板直接用拉線相連，通過(guò)調(diào)節(jié)踏板的行程控制噴油泵調(diào)節(jié)手柄的角位移量來(lái)控制齒條位置[8]；熊樹(shù)生等在噴油泵齒桿的端部加裝限位機(jī)構(gòu)并由電磁鐵控制油量[3]；李志軍等通過(guò)對(duì)停車(chē)電磁閥進(jìn)行改進(jìn)，使油門(mén)改變時(shí)，齒條位置以較小的位移移動(dòng)達(dá)到控制油量的目的[4]。

通過(guò)調(diào)速器和齒條位置的機(jī)械控制方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)物理結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，方便滿(mǎn)足不同客戶(hù)的需求。采用機(jī)械控制方式，改裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是控制精度不高。

2.2 柴油引燃量的電子控制

自2006年1月1日北京在全國(guó)范圍內(nèi)率先實(shí)施“國(guó)III”排放標(biāo)準(zhǔn)，自此車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)邁入了電控時(shí)代。為實(shí)現(xiàn)電控噴射柴油引燃量的控制，吳光耀等通過(guò)對(duì)噴油信號(hào)進(jìn)行斷油處理，控制柴油引燃量[23]；王錚等通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)進(jìn)油管路的閥值來(lái)調(diào)整供油量[24]；美國(guó)BKM公司開(kāi)發(fā)基于Serbojet電控液壓泵噴嘴控制柴油引燃量的“微引燃”系統(tǒng)[25]；Cheikh等研發(fā)的雙燃料電控液壓系統(tǒng)，利用限壓閥和精細(xì)控制針閥，在可變范圍內(nèi)控制柴油引燃量低于1%[26]；British Columnbia大學(xué)設(shè)計(jì)的電控油氣共用噴射器，噴射器的噴射持續(xù)時(shí)間和噴射時(shí)刻由電磁閥和液壓系統(tǒng)共同控制[27]；基于福特全球技術(shù)中心和日本電裝公司的改進(jìn)噴油器專(zhuān)利[28-29]、HPDI理論和Brown等開(kāi)發(fā)的聯(lián)合噴射系統(tǒng)(Co-injection)，實(shí)現(xiàn)在同一噴嘴下對(duì)油量和天然氣量的精確控制[30]。

通過(guò)改變?cè)l(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)大，技術(shù)難度大，改裝成本和風(fēng)險(xiǎn)較高，在市場(chǎng)應(yīng)用的推廣階段終端客戶(hù)接受度低。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)尾氣排放的污染物已經(jīng)成為城市大氣的主要污染源，而且隨著汽車(chē)保有量的增加，污染將日益嚴(yán)重。我國(guó)現(xiàn)有中大功率車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要為柴油機(jī)，燃料消耗量多，廢氣排量大，污染重。僅2012年全年，全國(guó)車(chē)用柴油機(jī)的產(chǎn)銷(xiāo)量就達(dá)到332.08萬(wàn)臺(tái)和339.52萬(wàn)臺(tái)。在全社會(huì)對(duì)節(jié)能減排問(wèn)題的空前關(guān)注下，除了大力推廣應(yīng)用汽車(chē)新能源、替代燃料技術(shù)外，對(duì)在用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油—天然氣雙燃料改裝是緩解燃油供求矛盾，減少尾氣排放，治理城市大氣污染的重要舉措，符合我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的基本國(guó)策。

截至2009年底，除西藏、臺(tái)灣、澳門(mén)外，全國(guó)其余省、直轄市、自治區(qū)80多個(gè)城市正在推廣天然氣汽車(chē)。2012國(guó)內(nèi)已建LNG加氣站404座，CNG加氣站2300座。除了推廣應(yīng)用CNG/LNG汽車(chē)外，目前四川、重慶、山東、新疆、貴州、甘肅、安徽、河南、湖北、安徽、廣西等省、地區(qū)相繼開(kāi)放對(duì)在用車(chē)輛的柴油—天然氣雙燃料改裝，市場(chǎng)需求巨大。為此，在目前市場(chǎng)初期階段，我們建議改裝技術(shù)應(yīng)滿(mǎn)足以下準(zhǔn)則:

(1)對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)破壞要最小；

(2)容易現(xiàn)場(chǎng)施工、改裝；

(3)改裝成本應(yīng)能在10個(gè)月內(nèi)回收；

(4)改裝技術(shù)適用的普遍性要好，能適應(yīng)大量的不同類(lèi)別與型號(hào)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

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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，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 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修訂稿日期2014-02-28

彭育輝(1975～)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榍鍧嵞茉雌?chē)技術(shù)。

U464.173

A

1002-6339 (2014) 05-0461-04