柴油发动机燃气化技速VER10

柴油发动机燃气化技术北京富地红华动力技术有限责任公司201209FORTUNE富地红华1引言FORTUNE富地红华为何采用天然气作为汽车燃料环保方面----天然气为清洁燃料；经济方面----天然气价格便宜；燃料结构----中国缺油多气。FORTUNE富地红华汽车排放对北京大气环境的污染6876880102030405060708090NoxCOHC汽车排放所占比例%大气主要污染物清华大学和北京环保局提供FORTUNE富地红华我国汽车及能源状况1990年代以来，我国汽车工业年均增长12.7%；从1994年起，我国从石油出口国变为进口国；2000年进口石油7000万吨，支付外汇250亿美元；进口石油量已超过总需求量的50%。FORTUNE富地红华我国石油产量与缺口现状00.20.40.60.811.21.41.61.822000年2005年2010年国产石油进口石油亿吨FORTUNE富地红华我国汽车燃气化现状15个城市正在推进示范工程；已建成加气站1300余座；已改造车辆约14万辆FORTUNE富地红华车辆燃气化分布98%汽油车2%柴油车FORTUNE富地红华为什么柴油车燃气化进展缓慢柴油机为压燃式而天然气为非压燃燃料，所以天然气不能直接取代柴油；柴油机型号繁多，结构差异较大，改造困难；目前国内所采用的系统有全电控与非全电控，改装效果差异明显。FORTUNE富地红华2柴油发动机燃气化技术FORTUNE富地红华柴油发动机燃汽化改造方案双燃料发动机柴油机FORTUNE富地红华柴油机改为单燃料发动机技术方案去掉燃油系统；换为火花塞高压点火系统；降低发动机压缩比；增加燃气系统；工作原理与汽油机相同。FORTUNE富地红华气源压力表压力传感器温度传感器天然气喷射阀天然气喷射阀天然气喷射阀天然气喷射阀低压开关阀减压阀高压开关阀高压滤清器手动开关天然气储气瓶天然气燃料电控喷射系统FORTUNE富地红华单燃料发动机为什么要降压缩比目前的火花塞点火系统效率很低，只能在压缩比大约为12：1和LAMBDA为1.6下工作，而柴油机的压缩比大多在18：1以上。为了使点火系统正常工作，必须降低发动机压缩比。因此，火花点火发动机集中在低压缩温度和低LAMBDA条件下工作。FORTUNE富地红华卡车柴油和纯天然气发动机功率比较发动机型号额定功率（马力）纯天然气/柴油比值Cummins5.9B/5.9G230/2750.84Cummins8.3C/8.3G275/3500.79CumminsL10/L10G300/3300.91DDCS-50/50G270/3250.83FORTUNE富地红华柴油机改为双燃料发动机技术方案在燃油系统上加装限油装置；增加燃气系统；柴油仅用于点火(10–20%)。FORTUNE富地红华双燃料发动机的燃烧过程FORTUNE富地红华FORTUNE富地红华FORTUNE富地红华天然气发动机的压缩比对于双燃料发动机，既没必要也没期望将发动机的压缩比降低到低于柴油机的的压缩比。由于预混合的燃气和空气的压缩温度总是保持在自燃温度之下，因此不存在爆震问题。空气和甲烷的在LAMBDA为2时的自燃温度大约为1000K，由于峰值压力总是维持在70倍进气压力之下，因此，燃气和空气的混合气不会出现自燃，也不存在后期的燃气自燃而产生爆震问题。目前的火花塞点火系统效率很低，只能在压缩比大约为12：1和LAMBDA为1。6下工作，因此，火花点火发动机集中在低压缩温度和低LAMBDA条件下工作。FORTUNE富地红华压缩比对爆震和效率的影响压缩比压力比温度比热效率%平均/峰值1229.7732K/323K2.3228/381848.1863K/323K2.6741/432470.7952K/323K2.9540/43注：爆震在温度为1000K以上发生。FORTUNE富地红华双燃料系统的种类机械式双燃料系统；电控单点喷射双燃料系统；电控多点喷射双燃料系统。FORTUNE富地红华天然气发动机性能010203040500.911.11.21.31.41.51.611.81.922.12.22.32.42.5CoolantHeatRej.-%Eficiency-%Nox-g/hp-hBMEP-bar过量空气系数FORTUNE富地红华各种燃烧过程发动机的热效率FORTUNE富地红华天然气发动机燃料消耗与柴油机比较020406080100120140柴油稀燃单燃料机械双燃料电控双燃料柴油天然气FORTUNE富地红华天然气发动机动力效率与柴油机比较020406080100120柴油稀燃单燃料机械双燃料电控双燃料功率效率FORTUNE富地红华目前国内柴油天然气双燃料发动机现状目前国内柴油天然气双燃料发动机已有1000台左右，采用的系统为全电控、非全电控、机械混合式系统。FORTUNE富地红华混合式天然气燃料供给系统气源压力表混合器低压开关阀减压阀高压开关阀高压滤清器手动开关天然气储气瓶空气滤清器发动机FORTUNE富地红华混合式天然气燃料供给系统的问题混合器为负压吸入层流混合,天然气计量不精确，空气与燃气混合不充分,燃烧效率低;由于调节系统为机械式，无法在所有工况状态下进行优化，天然气替代率不高，燃料利用率较低，排放较差。FORTUNE富地红华解决途径采用天然气电子喷射技术；采用微电子控制技术；采用空燃比控制技术；采用后处理催化技术。FORTUNE富地红华空燃比控制方法降低进气道压力—减少进气量；采用断缸喷气—提高喷气缸的燃气浓度。FORTUNE富地红华空燃比控制方法FORTUNE富地红华柴油-天然气双燃料电喷发动机FORTUNE富地红华柴油机柴油-天然气双燃料电控喷射系统FORTUNE富地红华天然气喷射阀两通常闭型，材料为不锈钢，插装式结构，PWM控制方式，压力可达14MPa,建议采用超音速流速，建议采用1滤清器。FORTUNE富地红华NATUREGASINJECTORDELIVERYCOMPARISON@690kpa02040608010012014016018005101520Energizetimemsmg/pulseSP-010SP-014SP-021SP-051FORTUNE富地红华天然气高马赫数喷射方法FORTUNE富地红华燃气喷射阀与发动机进气系统的匹配图FORTUNE富地红华双燃料发动机天然气替代率01020304050607080901000102030405060708090100%负载（1100RPM，1800RPM）%天然气替代率FORTUNE富地红华单燃料发动机的优缺点优点：1.排放较低；2.运行经济。缺点1.需重新设计发动机，费用较高；；2.功率下降；3.热效率较低；4.需对火花塞进行维护。FORTUNE富地红华双燃料发动机的优缺点优点：1.对原机基本不做改动；2.功率与原机相同；3.热效率较高4.成本较低缺点1.运行经济性不显著；2.需两种燃料箱。3北京富地红华柴油-天然气双燃料电喷系统FORTUNE富地红华开发柴油天然气双燃料电喷系统的指导思想采用先进技术；应与国内技术对接；系统构成尽可能国产化。FORTUNE富地红华柴油-天然气双燃料电控喷射系统ECU涡轮增压器A/F控制阀混合器发动机LNG汽化器减压阀低压开关阀喷油泵天然气喷射阀转速传感器DKGF油门执行器空滤器发动机负荷命令压力传感器温度传感器FORTUNE富地红华系统简介该系统目前的配套对象为柴油机。使用该系统后，柴油机燃料供给方式由原来单一的柴油模式改为柴油---天然气双燃料模式和全柴油模式两种模式工作。该系统在柴油---天然气双燃料模式工作时，进入发动机汽缸的微量柴油主要起引燃作用，而天然气作为主燃燃料为发动机提供动力能源。该系统由ECU、天然气过滤器、天然气减压系统、脉宽调制型天然气喷射器、混合器、油门执行器、发动机转速传感器、油门位置传感器、进气压力传感器、排气温度传感器、线束总成、天然气、管路等组成。ECU根据各个传感器感受的发动机工作参数以及油门踏板指令，通过油门执行器精确控制柴油供给量，通过脉宽调制型天然气喷射器精确控制天然气供给量，从而对发动机的燃烧和排放进行优化，使发动机的燃料管理系统数字化。FORTUNE富地红华试验中的柴油天然气双燃料发动机FORTUNE富地红华电控单元转速传感器油门执行器进气压力及温度传感器混合器喷射阀性能及热效率与柴油机相同，动力不下降不改变柴油发动机结构，外挂式安装适应性好，可以与发动机厂配套，也可以改造现有的柴油发动机平均替代率≥70%可随时由双燃料状态返回全柴油状态FORTUNE富地红华电控天然气计量装置脉宽调制型天然气喷射器:关键部件，计量喷射进入发动机气体燃料线性度好、速度快、动作准确、耐用可靠FORTUNE富地红华电控柴油计量装置采用PID控制技术，控制精度高动态响应好根据发动机的工况对柴油量进行精确控制，提高了天然气对柴油的替换率FORTUNE富地红华ECU电控单元严格遵守车用标准，通过重庆检验院检验双控制器冗余，可靠的防护自诊断及记录功能，可对不同车辆进行优化FORTUNE富地红华电控系统所用传感器FORTUNE富地红华系统的核心技术及创新性柴油泵柴油微量控制采用步进电机电控技术；天然气流量采用数字阀并联组合控制技术；天然气供给采用正压喷射技术。4柴油天然气双燃料电喷发动机试验报告FORTUNE富地红华6108双燃料机与原机扭矩性能对比010020030040050060070026002400220020001800160014001170转速rpm扭矩（Nm）原机扭矩双燃料机扭矩FORTUNE富地红华原机与双燃料机功率性能比较02040608010012014016026002400220020001800160014001170转速rpm功率(kw)原机功率双燃料机功率FORTUNE富地红华原机与双燃料燃料消耗性能比较0510152025303526002400220020001800160014001170转速rpm燃油消耗kg/h原机油耗双燃料柴油量天然气消耗量FORTUNE富地红华0246810COHCNOxPTg/kw·h柴油-天然气双燃料系统在6110柴油机上的排放FORTUNE富地红华柴油-天然气双燃料电控系统特点该系统适合于直列泵柴油机；天然气燃料采用高马赫数喷射，使空气与燃料充分混合；引燃燃油可精确控制,使燃烧更充分，排放更干净;天然气燃料的使用率可达到80%以上;发动机功率，驾驶性与原机相同。5双燃料对发动机寿命的影响CAT3174B双燃料发动机1000小时耐久性试验FORTUNE富地红华双燃料发动机1000小时耐久性试验性能数据工作时间（hour)02501000转速（RPM）160016001600功率（HP）234.5241.0243.5扭矩（NM）140014341455燃气消耗率（当量柴油lb/hr)93.4993.7494.90柴油消耗率（lb/hr)12.5113.1212.55燃气替代率（%）88.286.988.3燃料消耗(lb/hp-hr)0.3370.3340.329FORTUNE富地红华发动机机油分析—烟尘吸收率01020304050607001002003004005006007008009001000双燃料柴油发动机工作时间（H）A%FORTUNE富地红华发动机机油分析—铁含量051015202530354001002003004005006007008009001000双燃料柴油发动机工作时间（H）Fe(PPM)FORTUNE富地红华发动机机油分析—TBN02468101201002003004005006007008009001000双燃料柴油下限发动机工作时间（H）TBNFORTUNE富地红华双燃料对发动机寿命的影响延长发动机寿命，增大发动机保养间隔时间，降低更换机油费用。FORTUNE富地红华总结只要设计合理，