柴油汽车改用LNG燃料的实用技术及研究

                                                                                                  摘? 要? 攻克柴油汽车改用LNG燃料的技术难关，有助于推进清洁燃料汽车产业的发展进程。为此，指出了柴油汽车改用LNG燃料的技术关键在于对发动机(包括点火系统)、燃料供应系统以及相应控制系统的改装，提出了两种柴油汽车改用LNG燃料的实用技术:①将原车改装为柴油LNG双燃料混合供应的掺烧汽车；②将原柴油发动机改装成专用的LNG发动机，使之成为单燃料供应的LNG汽车。在分析了柴油车改装技术的通用性，柴油改装车的适用对象及特点，天然气发动机动力性下降之原因，改装成本、改装技术的成熟度与改装效果，改装后汽车排放指标的变化等基础上，提出了提高柴油改装车动力性的举措:①利用稀薄燃烧技术增加动力性；②利用进气增压技术增加动力性。最后从技术层面和政策层面讨论了改装柴油车存在的问题。研究与实例分析结果表明:改装双燃料掺烧车较单燃料车相对来讲技术优势明显，其经济性也高一些，尽管这类改装车因为进入汽缸内的“天然气+空气”混合气较原“柴油+空气”混合气热值低、甲烷火焰传播速度也比柴油低而导致发动机最高功率、动力性和加速性能略有下降，但综合考虑认为，改装车排放效果有改善，发动机功率、扭矩等基本上能满足原车需要，车辆操作、行驶情况正常。经济分析结果则表明:单从燃料成本方面考虑，当LNG与柴油的比价低于0.75:1.00时，柴油改装车具有经济性；而当比价低于0.50:1.00时，柴油汽车改用LNG燃料的经济效益更显著。
关键词? 柴油汽车 天然气发动机 LNG 掺烧 单燃料 改装 动力 经济性
截至2011年底，全国汽车保有量已超过1×108辆，其中，柴油车占据相当大的份额，超过总量的55％。2011年的统计数据表明，中国柴油表观消费量超过l.7×108 t／a，而汽车柴油消耗量达到了6 500×104t／a。由此推算，柴油汽车l年所排放的温室气体C02总量接近1.6×108 t。可见，在环境承载压力日趋增大的今天，如何让更多的柴油汽车改用清洁高效的低碳能源——LNG(液化天然气)，这是环境保护的需要，也是LNG汽车产业发展的需要，有助于改善大气环境、优化国家能源消费结构。
大力发展LNG汽车产业，尤其是在产业发展初期，存在大量既有柴油车改装的市场需求，因此，开发出经济合理的柴油汽车改装技术，是一项具有现实意义的重要课题。
1 LNG用作车用燃料的优势
相对于汽、柴油甚至压缩天然气(CNG)，LNG作为车用燃料具备许多优势。
1)LNG能量密度大，汽车续驶里程长。公交车配置275 L的LNG瓶，其续驶里程可超过400 km；重型汽车配置410 L的LNG瓶，其续驶里程可超过500km。
2)LNG作为气体燃料，能与空气均匀混合、充分燃烧，且燃料本身基本不含硫、苯等有害物质，燃烧后排放的产物洁净环保。与汽、柴油车相比，LNG汽车综合排放量降低85％:C0排放量降低97％；HC排放量降低75％；NOx排放量降低35％；C02排放量降低26％，且无铅、苯等致癌物质以及硫化物的排放。1台重型柴油运输车改用LNG燃料后，较使用柴油燃料可减排C02约33 t／a。
3)在综合考虑热值与效率的前提下，LNG作为汽车燃料相对于汽、柴油存在着一定的价差，其经济性对车主具有吸引力。
4)通过耐久性以及其他相关的性能测试后发现，使用LNG燃料的发动机比柴油发动机寿命长，两次维修间隔久，维护保养费用低。
2 柴油汽车改用LNG燃料的实用技术
2.1 LNG汽车与柴油汽车的比较
一般来说，大型公交车、各类重型汽车大多使用柴油燃料，将这类汽车改装成使用LNG燃料的汽车，主要是对发动机及相关控制系统等进行改装，具体有两种改装方法:①将柴油发动机改装成柴油一LNG两种燃料掺烧发动机，并且在保留原有柴油供应回路基础上，增设l套LNG供气系统以及柴油、LNG流量控制系统，使汽车既可以在双燃料同时供应的状态下工作，也可以在纯柴油单燃料供应的状态下工作，并可依据行驶状况合理控制油气比(柴油与LNG之比)，形成双燃料混合供应的柴油-LNG掺烧汽车；②将柴油发动机改装成专用的LNG发动机，成为和CNG汽车一样以气相LNG为燃料的天然气发动机，取消原有柴油供应回路，增加l套LNG燃料供应系统，形成单燃料供应的LNG汽车。
2.2 柴油车改装技术
柴油汽车改用LNG燃料的技术关键在于对发动机(包括点火系统)、燃料供应系统以及相应控制系统的改装。其中，柴油-LNG双燃料掺烧技术是以原车的柴油机为基础，保留原机基本结构和压燃点火方式，通过限制柴油喷射量，用天然气替代的方式“限油补气”，两种燃料进入发动机掺烧为汽车提供动力。LNG单燃料汽车则是用LNG燃料供应系统全面替代原柴油供应回路，并对原柴油发动机进行包括增加电火花塞点火系统、调整发动机压缩比、重新设计控制单元等内容的改造，气相LNG燃料进入发动机为汽车提供动力。
2.2.1改装内容
因为柴油与天然气是两种不同性质的燃料，在相态、燃烧特性等诸多方面都存在较大差异，因而，将柴油汽车改装成LNG汽车，除了重点对发动机系统进行改装之外，还涉及许多其他环节。一般情况下，要改装1辆柴油汽车，完整的改装内容包括:数据采集系统；ECU(电子控制单元)控制系统；执行系统；天然气供给系统；发动机点火系统；燃料流量控制系统等[1]。涉及柴油汽车改装的主要零部件如图l所示。





2.2.1.1数据采集系统
增加或调整诸如LNG储气瓶压力、进入发动机汽缸前的天然气压力、天然气温度、发动机排气温度、冷却水温度、节气门开度、曲轴位置等相关数据监测单元，并将所有监测数据上传给电子控制单元(ECU)。
2.2.1.2 ECU控制系统
由于增加或调整了许多数据采集点，且部分控制 回路按照需要进行了重新调整，因而，ECU控制系统也必须相应地进行重新设置，重点是合理调控柴油量、燃气量以及两种燃料喷人的时间，对助燃空气量进行控制。
2.2.1.3 执行系统
增设LNG储气瓶超压保护系统、燃气泄漏监测系统等。
2.2.1.4 天然气供给系统
包括LNG车载瓶(LNG储存与增压)、水浴式汽化器(将LNG由液态转换成气态)、压力调节装置(调节并稳定进入发动机的天然气压力)以及相应的管路与阀门。
2.2.1.5 发动机系统
燃烧和进气控制是汽车发动机的关键技术。柴油-LNG掺烧汽车的发动机系统仍保留原机结构和压燃点火方式，压缩比也不改变，因而，改装内容相对较少。主要改装内容是天然气与空气混入点位置及压力的确定、混入时间、流量控制、油气比调整等。
而将柴油发动机改装成单燃料LNG发动机(实质上就是CNG汽车发动机)，则改装工作量极大，几乎相当于发动机系统整体更换，需要增加天然气火花塞点火系统，改变发动机缸套与活塞的配合间隙、配气相位，精确控制燃气与空气的混合比等。
2.2.2改装技术方案
2.2.2.1 柴油-LNG掺烧汽车的改装
柴油-LNG双燃料掺烧汽车改装的核心部位在于燃料供应系统、柴油油量限制系统和电子控制系统这3部分，图2是改装后的柴油一LNG双燃料发动机系统示意图[1]。



从图2可以看出，LNG供气部分主要由LNG储罐、溢流阀、低温金属软管、水浴式气化器、电磁阀、天然气减压调节器、动力调节阀以及混合器等组成。柴油油量控制部分用于控制双燃料工作状态下的引燃油量，它主要由油门执行器和推杆组成。电子控制系统则主要由电子控制单元(ECU)、油门位置传感器、转速传感器、控制线路等组成。
这种双燃料掺烧发动机气缸中被压缩的介质，将不是原柴油机中的纯空气，而是“天然气+空气”混合气，发动机在启动和怠速工况下均使用柴油，汽车行驶过程中，ECU依据行驶速度、发动机油门位置、转速等参数，经过运算后输出控制指令，分别控制进入发动机的柴油、天然气与空气量，实现三者合理配比。一般情况下，以现有的改装技术，天然气掺烧量可在0～70％之间调整，柴油供给量保持在30％～l00％，汽车在高速平稳运行状态时，天然气掺烧量要大一些。
目前，几种较为先进的双燃料掺烧发动机技术[3]如下:
1)高压直喷技术。天然气和引燃柴油一样，直接由喷嘴喷人气缸内。当汽缸中的空气被压缩到接近冲程末点时，按照一定配比的柴油与天然气先后通过同一个燃料喷射孔，以很高压力直接喷人汽缸内混合燃烧而做功。引燃柴油先于天然气喷入气缸实施点火，随后喷入l2～16 MPa压力的天然气。依据发动机的运行工况，电子控制系统发出指令，准确控制进入气缸的柴油与天然气量以及喷人的时问。
2)正压单点喷射技术。采用多个可控制天然气流量的高压电磁喷射阀及ECU电控单元等，组成单点喷射供气系统。经调压器调压后的天然气以高于进气总管中空气的压力通过上述高压电磁阀控制流量后，经由进气喷嘴从中冷器之后的进气总管喷人(即单点喷射)，与空气混合后进人各个气缸，形成可燃混合气。电控单元以发动机转速、油门踏板位置、冷却水温度、进气管压力等参数来控制柴油喷射泵齿杆和天然气流量控制阀，以此精确控制引燃油量和天然气流量及喷射时刻，满足不同工况下空燃比的要求。采用这种技术的发动机，其天然气掺烧率可达到较高水平，但改装费用很大。
3)模糊电控双燃料混燃技术。该类发动机技术有3大特点:①ECU电控系统采用了模糊优选控制软件技术；②进气系统的天然气与空气在具有特殊腔道的混合器里进行混合，并对混合气体进行增压与中冷(针对增压发动机)；③与高压直喷技术、正压单点喷射技术不同，该技术对天然气的供气压力没有要求。
除发动机本体之外，与发动机系统息息相关、起引燃作用的柴油控制回路也是改装双燃料掺烧车的一项关键内容，可直接影响到发动机低负荷运行时的排放指标。其改装的宗旨是尽可能减少引燃柴油使用量，以利于提高LNG掺烧率，减少污染物的排放。
目前，国内外对双燃料发动机的研究主要集中在燃烧特性及排放特性、燃烧模型、稀薄燃烧技术、油气电子调节与控制、控制排放的缸内燃烧技术、机外催化技术和废气再循环技术等多个方面，其技术发展趋势可概括为3个方面:①稀薄燃烧技术；②爆震控制技术；③电控多点顺序喷气技术[3]。
2.2.2.2 单一燃料LNG汽车的改装
对其发动机系统的改装实质上就是将原车柴油发动机变为纯天然气发动机，主要改装内容是发动机再制造和发动机总成互换，包括设置火花塞点火系统，重新确定压缩比，并对燃烧室、汽缸、活塞盖、排气管、进气门、座圈、凸轮轴等进行改进设计。具体内容包括[4]:
1)降低发动机的排气温度的冷却系统改造。
2)发动机的润滑油冷却改造。
3)发动机气门座垫冷却改造，气门油封的更改，新的活塞环的更换。
4)降低发动机的压缩比，设计新凸轮轴。
5)安装新的点火系统，发动机缸盖安装火花塞。
6)安装曲轴位置或凸轮位置传感器以及信号出发盘。
柴油汽车改装为单一燃料LNG汽车，其改装难度大、成本高，技术要求也高。通常情况下不是客户的首选方案。
2.3 柴油车改装技术的特点与效果分析
2.3.1柴油车改装技术的通用性
与汽油车改装成天然气汽车的技术相比，柴油车改装技术较为复杂，其改装技术(改装件)通用性特别差。比如，桑塔纳、捷达、富康等品牌的汽油车改装为LNG汽车，所涉及的零部件基本上都是通用的，变换较小，而改装柴油车却不一样，基本上是“一事一议”，即便是相同类型的发动机，零部件也几乎不能通用。若要改装成单燃料车，其变化更大。因此，柴油车的改装成本较高。
2.3.2柴油改装车的适用对象及特点
1)通过分析上述各类发动机的工作原理后不难发现，柴油-LNG掺烧车比较适用于城际大巴、长途客车、中型和重型柴油运输车等起步停车次数少、怠速时间较短的车辆，单燃料LNG汽车则适用于城市公交车等起步停车次数多、怠速时间较长的车辆。
2)相对来讲，柴油-LNG掺烧汽车的优点较为突出:保持了原柴油机的高压缩比，高热效点火能量大，能确保气体燃料着火稳定，避免失火现象产生；多个点火源可加快气体燃料的火焰传播速度，有利于提高发动机的动力性，保证发动机在较宽的空燃比范围内工作，并可实现较稀薄的燃烧；发动机结构改动小，各部件与原机型之间具有良好的互换性，从而降低了改装成本；基本上不影响原柴油机工作模式，操作简单，车辆运行平稳；发动机功率、扭矩与原机基本一致，能满足需要。
3)无论是柴油-LNG掺烧车还是单一燃料LNG车，改装车的动力性均有所下降，主要表现在同等档位情况下“爬长坡”时较以前“略感吃力”，有时必须降一档才能实现，但在平直路面上，驾驶感觉良好，尽管加速时间略长，但加速性能变化并不是太大。
2.3.3天然气发动机动力性下降之原因分析
一般来说，改装后的天然气发动机与同等排量的原柴油发动机相比，在使用天然气作燃料时，最高功率会下降10％～l5％，其原因在于:①虽然天然气的热值较高，但天然气与空气形成混合气的热值比柴油的混合气热值约低10.5％，导致功率下降；②天然气作燃料时，燃料本身的体积在整个进气中占有较大比例，因此导致进入气缸的空气量减少，充气系数下降；③天然气的主要成分甲烷的火焰传播速度比柴油低l2％，使发动机总燃烧期增长，造成气缸内压力和温度上升缓慢，致使发动机动力下降。
当然，可以对天然气发动机的动力性进行调整，但需要综合考虑经济性和可靠性等多种因素。
2.3.4改装成本
柴油车改装为LNG汽车，视不同的改装技术成本差异较大。总的来说，掺烧车的改装成本远低于单燃料车的改装成本。
2.3.4.1 柴油-LNG掺烧车
主要成本集中在LNG燃料供应系统、ECU控制单元以及发动机系统的管路方面。按照现今情况，一般来说，l台重型运输车的改装成本为3.0～4.6万元；l台公交车的改装成本为3.2～4.0万元；1台城际大巴的改装成本为3.2～4.0万元。
2.3.4.2 单燃料LNG车
由于对发动机改动较大(几乎相当于整体更换发动机)，因而改装成本较高。按照现今情况，一般来说，1台重型运输车的改装成本为7.0～9.5万元；1台公交车的改装成本为5.8～8.0万元；1台城际大巴的改装成本为6.0～8.6万元。
2.3.5技术成熟度与改装效果
2.3.5.1 技术成熟度
目前情况下，汽车厂家制造的天然气单燃料汽车比双燃料改装技术要成熟。
2.3.5.2 改装效果评价
柴油车改装后，发动机的额定功率、最大扭矩等主要参数与原机相当。双燃料车发动机在额定工况(车速超过65 km／h)工作时，天然气平均替代率(掺烧替代率)可达60％～70％，但是能耗比(替代l L柴油所需的天然气立方数)却不太理想:单燃料车为1:1.5；双燃料车为1:1.3。按等热值计算，l.5 m。天然气的热值较1.0 L柴油的热值高30％，l.3 m3天然气的热值较l.0 L柴油的热值高l3％。也就是说，行驶相同里程，使用天然气与使用柴油燃料相比，耗费燃料的热量要高13％～30％。因此，可以说，柴油改装车燃料的能源转换效率有较大幅度的下降。
2.3.5.3 排放指标
对某公司改装的柴油-LNG掺烧汽车的测试数据表明，柴油改装车排放指标符合国家标准，排放性能优于原车，其中，颗粒物、C02、N0x的排放量数据比原柴油发动机分别降低40％、l0％、9％[5]，但HC与C0排放数据略高于纯柴油模式。
2.3.6存在的问题
2.3.6.1 技术层面的问题
1)个别改装车掺烧模式运行时有烧机油现象发生，原纯柴油模式肘每个保养期间内添加2 L机油，但双燃料模式下的机油添加量是10 L。
2)掺烧模式下由怠速急加速时，相对于纯柴油模式，改装车有比较严重的抖动现象。
3)双燃料模式下爬长坡时感觉动力不如纯柴油模式。
4)LNG温度达不到饱和气的情况时，车用瓶不能提供足够的压力，燃气供给系统不能正常工作。
2.3.6.2 政策层面的问题
1)国家目前还没有正式出台LNG车辆改装方面的技术标准与规范，因此，LNG改装车辆在进行手续变更、年检时存在一定障碍。
2)从中华人民共和国交通运输部、公安部以及保险业的相关规定来看，加装燃气装置的LNG改装车辆尚未被有关法规认可。
2.3.7提高改装车动力性的举措
改装车发动机出现的动力性降低问题，可以通过稀薄燃烧技术或进气增压技术来予以改善[6]。
2.3.7.1 利用稀薄燃烧技术增加动力性
柴油机中等转速时，汽缸内平均有效压力为1.15MPa，改装车却只有0.90 MPa左右。如采取稀薄燃烧，加大空气量，有效降低排气温度并减弱爆震趋势，将平均有效压力增加至l.O0～1.05 MPa，就基本上可以获得所需要的动力。
2.3.7.2 利用进气增压技术增加动力性
通过加压方式，增加进入气缸的“天然气+空气”混合气总量，使发动机获取的“柴油+天然气”混合气热量与改装前柴油的热量相同，以此获得较大的动力性能，这也是一种提高改装车动力性的有效措施，目前较常见的是废气涡轮增压方法[7]。
3 LNG汽车的经济性分析
3.1 燃料经济性比较
天然气低热值(参比条件为20℃)为33.75 MJ／m3，0号柴油低热值为38.44 MJ／L。在相同燃烧效率前提下进行热值比较可知，l.0 m3天然气与0.88 L柴油的热值相当。有关轻柴油与LNG(气相)的相关参数如表l所示。



据日本新能源产业技术综合开发机构《高效率、低公害天然气汽车实用化开发报告》研究结论:l.0 m3天然气进入发动机燃烧后产生的热量相当于0.75 L柴油燃烧后产生的热量。因此，在不考虑车辆购置(或改装)成本及燃料加注便利性等其他因素情况下，LNG销售价格与柴油售价的比价应不得低于0.75:1，否则，LNG燃料将失去经济性。
由此推算:1.0 m3天然气价格与0.5 L柴油价格相等时，LNG汽车约节省燃料费用35％，l.0 m3天然气价格与0.65 L柴油价格相等时，LNG汽车约节省燃料费用25％。
3.2 柴油改装车经济效益分析
3.2.1以某公司单燃料柴油公交车为例
某公司单燃料柴油公交车经济效益测算如表2所示。



3.2.2以某公司双燃料公交车为例
某公司双燃料公交车经济效益测算如表3所示。



4 结束语
在保证改装质量的前提下，柴油改装车同样能够获取良好的排放性能和显著的经济效益。相对来说，改装柴油-LNG双燃料掺烧车具有一定的技术经济优势，市场推广应用前景广阔，需要关注并予以解决的问题是:降低改装成本、改善发动机动力性能、提高能源转换效率。

本文作者：罗东晓
作者单位：新奥能源控股有限公司? 中山大学