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论天燃气柴油及双燃料发动机的技术资料

论天燃气-柴油及双燃料发动机的技术

（金恒信达科技协会任一虎汇编）2012/06/07

双燃料发动机的技术摘要：

简要介绍了气体燃料发动机的主要特点是缓解能源危机和降低摘要有害物排放，按使用燃料的特点可分为单一燃料、两用燃料和双燃料发动机，双燃料发动机是气体燃料使用的主要方式。

综述了国内外双燃料发动机技术的研究进展和现状。

目前国内外天然气--柴油双燃料发动机的研究开发状况及其技术特点，双燃料发动机已成为目前柴油机燃用清洁气体燃料以使发动机燃油经济性、排放和噪声得到改善的技术方案之一。

通过对天然气品质、天然气对柴油的替代率、热效率及排放等问题的分析和探讨，提出了双燃料发动机进一步发展的方向和建议。

天然气-柴油双燃料发动机由于其良好的排放性、动力性、经济性，而成为目前研究的热点。

综述了天然气-柴油双燃料发动机在国内外的研究与开发现状，重点介绍了天然气柴油双燃料发动机天然气供给形式及特点，LPG-柴油双燃料发动机的技术解析。

分析了天然气柴油双燃料发动机目前研究所存在的关键技术问题和发展前景。

当前一种顺序喷射、稀燃、全电控天燃气--柴油双燃料发动机已经被开发出来，电控喷气技术、微喷技术、稀薄燃烧技术乃是天燃气-柴油双燃料发动机关键技术问题。

综述了甲醇-柴油燃料的发展概况，介绍了甲醇-柴油的乳化和节能环保机理，以及近年来燃料配方的研究进展，其中微乳化甲醇-柴油与普通柴油相比，具有燃烧性能好、能耗低、污染少等优点。

并对甲醇-柴油的发展趋势进行了展望。

关键词:

关键词1LPG-dieseldualfuelengineoptimizationAbstract:

ThisarticlebyreducingthecompressionratioforasolutiontotheLPGdieseldualfuelengineknockathighloadconditionsaseriousproblem,focusesontheanalysisofthedualfuelengineatdifferentcompressionratioofmaximumcombustionpressure.Force,themaximumrateofpressurerise,pressureandcombustionheatreleaserateofcyclicvariation,andasabasisforoptimizationofadualfuel.Feedtheenginecompressionratio.Inaddition,intheoptimalcompressionratiooffuelignitionunderafullloadofdifferentsmokeemission.Dischargetest.Theresultsshowedthat:

reducethecompressionratio,dual-fuelenginemaximumcombustionpressureandmaximumpressure.Greatlyreducethepowerrateincrease,whilesmallerchangesinthepressurecycle,buttheignitiondelayperiod,thecombustiondurationis.Willincrease.Optimized,thatwhenthecompressionratioof14.5,ZHll05WLPGasfuelforadieselengine.Dualfueloilaftertheheavyloadconditionswithoutseriousdetonation,thepressurechangeinrelativelysmallcirculation,andtheeconomyisgood,Thermalefficiencytobesignificant.Anotherdual-fuelenginefullloadsmokeemissionsthandieseldecreasedsignificantly,andthedoped.Burnedthanthehigher,moresignificantlyreducethesmoke.However,toomuchblendingratioalsoresultedindecreaseddynamic.optimizedcompressionratiosmokeKeywords:

dualfuelengine

引言

我国的大气污染状况日趋严重，其中最重要的污染源之一是汽车尾气，降低汽车尾气排放刻不容缓。

在目前的技术条件及资源、经济条件下，改善汽车尾气排放最现实有效的方法是对其进行燃气技术改造。

对于用途广泛的柴油汽车，采用双燃料技术是收效最快、费用最低的方法。

在发动机技术发达国家，由于柴油微引燃技术的出现，使得双燃料汽车的排放指标可以达到火花点火、电控喷射、三元催化、闭环反馈单燃料燃气汽车所能达到的排放水平，而同时保持其在动力性、经济性、可靠性、灵活性方面的优势，是一种理想的高效低污染发动机技术。

虽然目前我国的天然气加气站还没有得到普及，但双燃料发动机具有恢复原柴油机工作的特点，其动力性、经济性、排放性等具有潜在的优势，因而，双燃料发动机的研究也成为国内研究的重点与热点。

为了解决由发动机排放造成的环境污染问题和日益严峻的能源问题，世界各国在制定各种严格的车辆排放法规来规范汽车的生产和使用的同时，开始大力发展代用燃料汽车。

由于天然气在资源、成本、环保等方面具有优势，天然气汽车迅速发展起来，汽车改装、天然气储存及加气站的全套技术也日趋成熟。

近年来，我国天然气汽车研究和开发也迅速兴起。

然而由于天然气着火温度较高，发动机在压缩过程中缸内气体温度达不到其自燃点，因此必须依靠电火花点火，或者先喷入少量柴油，柴油自燃再引燃天然气。

按照点火方式的不同，天然气发动机可分为火花塞点火的天然气发动机和柴油引燃的天然气发动机。

柴油引燃的天然气发动机是以天然气作为主燃料，以少量柴油来引燃；而天然气/柴油双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气（以少量柴油引燃）又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机（以下简称双燃料发动机）。

目前，双燃料发动机因其具有使用燃料灵活、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具有良好的推广前景。

第1章实现双燃料改造可行

绪论大量的试验研究结果表明，柴油机可以实现双燃料工作，技术改造可行，功率能达到原柴油机的水平，但还存在一些需要进一步完善和改进的方面。

将柴油机改为双燃料发动机应该达到以下目标：

1.发动机改动小；2.与原机相比，动力性保持不变或略有提高，排放指标应有大幅度的改善；3.具有良好的安全性和可靠性。

目前，大多数双燃料发动机的引燃油量由原来的机械式喷油泵控制，只增加一套供气系统，而不必对柴油机做很大的改动就可实现双燃料运行。

怠速工况一般在柴油单燃料状态运行，中小负荷工况天然气替代柴油的比例较小，而在高负荷工况天然气在所消耗的燃料总量中可达到较大比例。

乌克兰科学院天然气研究所和基辅汽车公路研究所研制的双燃料汽车采用由柴油机改装成的双燃料发动机。

天然气与柴油采用联动控制机构。

试验表明天然气替代了45%的柴油。

新西兰T.F.S.公司及荷兰TNO公司开发的双燃料发动机引燃油量的调节采用电控油泵齿条方法，而KAMAZ采用机械控制加电磁铁限位。

国内一般是对齿条作有级限位。

为了提高双燃料发动机天然气替代柴油的比例!

有的柴油机在原有的输油管路与喷油器之间增加一小型高压油泵（点火油泵）控制点火用的少量柴油，可大大提高控制精度，点火油量可减少至柴油运行时全负荷喷油量的1%。

点火油泵和主喷油泵的进油口连接在同一输油管路上，两油泵的出油口分别与喷油器的两个进油口相连，喷油器两个进油口内部均设有单向阀，防止由主喷油泵和点火油泵供入喷油器的高压燃油倒流。

双燃料运行状态下，气体燃料的导入量决定了发动机的功率大小，而工作于纯柴油运行方式时，发动机的功率大小由主喷油泵的喷油量决定。

美国CleanAirPartner公司与加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统（AFS）公司联营,共同开发出多点喷射的双燃料控制系统,并应用在10.3卡特彼勒3176B重型发动机上。

在发动机压缩比不变的情况下，两种燃料均采用电子控制，使燃用的天然气可达燃料总量的60%~90%，发动机根据需要能转换为100%燃用柴油。

美国BKM公司研制了具有先进水平的微引燃双燃料系统,用接近1%的引燃柴油为天然气发动机提供所需要的点火能量。

这一系统的核心是采用电控液压泵喷嘴控制点火油量及天然气多点电子控制顺序喷射装置和专用的计算机软件。

这一系统为降低小负荷时的未燃HC排放及提高天然气替代柴油的百分率,采用了断缸、增压空气旁路、废气再循环及优化引燃油的喷射正时等措施，从而在所有工况范围内使天然气在所消耗的燃料总量中超过了95%。

DDC6V-92TV增压双燃料发动机采用柴油天然气电子泵喷嘴。

天然气喷射压力在14MPa以上。

电子泵喷嘴对燃料的调节和控制更为精确。

第2章双燃料发动机的燃烧特性及排放特性

双燃料发动机技术研究现状近年来的研究热点是双燃料发动机的燃烧特性及排放特性、燃烧模型、稀燃技术、增压中冷技术、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。

Shui等人提出了双燃料发动机爆震的简化反应机理，Tetsuya和Said等人对天然气一柴油双燃料发动机的爆震极限和爆震机理进行了研究；Mohamed对柴油机和双燃料发动机的燃烧噪声进行了对比研究，在相同运行参数下双燃料发动机的燃烧噪声低于原机；David等人研究了天然气一柴油双燃料发动机催化转化技术；Takuji、Yusaf和Naris等人通过试验研究了天然气一柴油双燃料发动机的性能和排放特性，探讨了不同运行参数对双燃料发动机性能的影响，Naris等人。

列还对增压式双燃料发动机的燃烧特性进行了试验研究；Mohanan和Sudhird。

等人探讨了气体燃料入口温度、引燃油量替代率、喷油提前角等参数对LPG-柴油双燃料发动机燃烧及排放特性的影响，Papagiannakis等人。

对直喷式双燃料发动机的燃烧和污染物形成机理进行了试验和理论研究；AbdAlia、Gamal和Tomita等人通过试验和利用数学模型研究了废气再循环双燃料发动机中各工况废气再循环率对动力性及排放性能的影响，Tomita还提出了将废气再循环和增大喷油提前角相结合的方法；Stan91．maier等人利用HCCI技术，降低了双燃料发动机中低负荷工况的排放并改善了经济性，Bengtsson等人利用燃烧反应区的离子电流反馈信号对采用HCCI技术的双燃料发动机的燃烧控制进行了研究。

国内在双燃料发动机技术领域也进行了大量的研究。

吉林大学通过试验分析了柴油和天然气的复合燃烧特性和规律，指出了天然气-柴油双燃料燃烧的主要特征和存在的主要问题。

清华大学通过试验着重研究了引燃柴油供给系统参数对柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的影响。

天津大学利用开发的双燃料发动机燃烧放热规律计算软件分析了双燃料发动机的燃烧特陛，并发现控制双燃料发动机着火始点是控制缸内最大爆发压力和NOx排放的关键；通过增置天然气多点顺序喷射系统和比例电磁铁及电控系统，将斯太尔WD615．64增压非中冷柴油机改装为双燃料发动机，NOx和颗粒排放6能达到欧Ⅱ标准。

在自然吸气、混合器混合直列式6缸天然气一柴油双燃料发动机的研究中证实采用进气节流和废气再循环等措施可有效降低HC和CO的排放。

在与大连柴油机厂合作中，采用混合器混合和机械控制柴油量及进气管压力调节控制天然气量的方法将废气涡轮增压直喷式柴油机改装为CA6113BN-01柴汪VCNG双燃料发动机，天然气替代率在50％左右，此后，又进一步利用空一空中冷方案研究了中冷后进气温度对增压双燃料发动机燃烧特性的影响。

长安大学将一台4缸增压直喷式索菲姆柴油机改装为LPG-柴油双燃料发动机，引燃柴油由原柴油机的供给系统提供，气体燃料由电子控制的混合器吸人，通过试验对比了原机和双燃料发动机的动力和排放性能，并进行了汽车道路试验，还利用高分辨率数码相机对柴油与LPG-柴油混合喷雾特性进行了对比研究。

西安交通大学将斯太尔WD615．型增压直喷式柴油机改装为天然气-柴油64双燃料发动机，通过试验得出适当提高进气温度和合适的进气节流可降低CO和HC排放，低负荷工况采用停缸技术可改善双燃料发动机的排放Ⅲ。

北京交通大学研发了双燃料发动机天然气电控喷射系统，并在试验中与原机和混合器双燃料发动机的排放性能进行了对比。

北京工业大学将车用X6130柴油机改装为天然气／柴油双燃料发动机，替代率可超过70％，同时输出的转矩和功率并没有降低|。

武汉理工大学将D6114型增压柴油机改装成单点电控的柴油／CNG双燃料发动机，动力性与原机相当，常用工况天然气替代率为50％左右。

浙江大学将490Q型柴油机改装成柴油-LPG双燃料发动机，试验对比了原机和双燃料发动机的动力性、经济性、排放和噪声等性能指标，针对双燃料发动机由纯柴油工况向双燃料工况切换过程时出现了转速大幅波动现象，改进了油气切换过程的控制模型，实现了油气切换的平稳过渡。

江苏大学将LR6105型柴油机改装为电控多点顺序喷射LPG-柴油双燃料发动机。

现正在开展生物制气一柴油双燃料发动机的研究。

北京理工大学将北京内燃机厂生产的F6L912Q型风冷柴油机改装为电子控制多点顺序喷射双燃料发动机，排放指标除HC外均可达到欧三标准。

今后研究方向由上可知，为使双燃料发动机技术更加完善，尚需作进一步的研究，解决一些实际问题：

1．目前，国产双燃料供气装置缺少配套产品，性能优良的双燃料供气装置的引进、开发和研制是我国今后面临的一项重要任务。

同时应保证天然气具有优良的品质（如CH含量应保证在95%,N2、2、2S等废气成分比例应严格控制）COH。

2．进行双燃料发动机燃烧规律和燃烧特性的研究，侧重稀薄燃烧技术的应用研究，特别是中、小负荷工况的燃烧恶化问题。

3．针对13工况排放试验中某些排放物和某些工况排放量略高的问题，特别是HC排放量高的问题，研究双燃料发动机有关排放物的形成规律及其控制，包括缸内燃烧技术及机外催化技术。

对于HC、CO采取缸内充分燃烧，同时选择新型有效的催化剂实施机外处理的技术方案。

为降低HC、CO排放，同时也限制全负荷工况的NOx排放，可试用废气再循环（EGR）技术。

4．采用电控技术，特别是电控喷气和喷油技术，将是彻底解决双燃料发动机动力性、替代率、热效率和排放问题的较佳方案。

双燃料发动机采用电控技术后，驾驶员操作与原柴油机一样方便，过程不会复杂化。

电控单元采集油门踏板位置、转速及其他信号，根据这些信号自动调节所需天然气量和引燃柴油量，使每一工况的天然气替代率均达到最佳值，有效地控制燃烧，从而使发动机的每一工况的性能均达到最佳。

国外采用电控喷气技术的双燃料发动机动排放量已达到较低的数量指标，并完全在“欧洲四号标准”排放限值以下，也有的仅是HC还略高于原柴油机燃烧工况。

8气体燃料柴油双燃料发动机技术研究综述燃料-柴油双燃料

第3章气体燃料柴油双燃料发动机技术研究综述

3.1气体燃料发动机定义以可燃气体为燃料的内燃机统称为气体燃料发动机。

天然气、石油气、煤气、甲烷、氢气、沼气和生物制气等多种气体均可作为气体燃料发动机的燃料。

1860年lenior制成世界上最早的以煤气为燃料的气体燃料发动机，表明人们在使用液体燃料之前，就通过实践证明了各种成分的可燃气体同样可以作为发动机的燃料。

1908年，我国上海均和安机器厂制造出了我国首台以煤气为燃料的内燃机。

20世纪30年代，在意大利、俄罗斯、荷兰等天然气储存和产量较大的国家中开始发展压缩天然气（CNG，CompressedNaturalGas）和液化石油气（LPG，LiquefiedPetroleumGas）汽车及发动机。

进入20世纪80年代后，气体燃料发动机的研究与开发异常活跃，气体燃料发动机的应用技术、燃烧机理和燃烧过程优化成为研究的热点。

巨大的市场前景还吸引了GM、Deutz、Benz、Honda、Detorit，Toyota，Caterpillar、Cummins等众多知名的发动机和汽车制造厂商都参与到此领域的研究。

3.2气体燃料发动机的特点使用气体燃料除了能替代石油燃料缓解能源危机，降低石油燃料对环境造成的污染外还具有以下特点：

（1）由于气体燃料的使用，使得气缸内积碳减少，减小发动机磨损，从而延长了发动机的寿命；

（2）与使用液体燃料不同，不需要精密的喷油设备或雾化装置；

（3）能与空气很好的混合，各缸问分配较均匀，并能进行较充分的燃烧，有利于组织稀混合气的燃烧；

（4）形成混合气时，气体燃料占有一定的体积，减小了进入气缸的新鲜空气量，对发动机的动力性有不利的影响；

（5）由于气体燃料的成分、气量及压力不稳定。

需对混合气的调节控制系统进行精心的设计。

3.3气体燃料发动机的分类气体燃料发动机按其使用燃料的特点分为：

（1）单一气体燃料发动机专门针对一种气体燃料的特性而设计制造的专用发动机，可以最大限度的发挥气体燃料的优势，多用于气源供应充足的固定场所，如油田电站，气源供应稳定的城市公交车辆，中大型生物制气发电站等。

（2）两用燃料发动机同时兼顾液体燃料与气体燃料的特点，即可单独使用液体燃料也可单独使用气体燃料。

两用燃料发动机可以方便的由现有的火花点火汽油发动机改造而实现，例如汽油-LPG或汽油-CNG等，这对于气体燃料供气系统未形成网络的地区使用两用燃料发动机尤为重要。

（3）双燃料发动机可以同时使用气体燃料与液体燃料，例如柴油-CNG，柴油-LPG和柴油-生物制气等。

这种发动机以少量的柴油引燃进入气缸的气体燃料。

气体燃料发动机按其混合物的着火方式可分为两类：

a.点燃式单一气体燃料发动机和两用燃料发动机，由点火系统的火花塞点燃。

在将柴油机改装为单一气体燃料发动机时，需要增加点火系统，并同时降低压缩比，避免气体燃烧时产生爆燃现象。

b.压燃式可燃气与空气进入气缸后在压缩阶段均匀混合，混合气依靠喷入气缸的少量柴油自燃放出的热量引燃。

双燃料发动机根据工况按比例调节引燃油量和进气量，也可单独使用柴油。

与点燃式发动机相比，压燃式双燃料发动机具有以下优点：

第一，保持了柴油机的高压缩比，热效率高，燃料经济性好；

第二，引燃柴油所释放的能量大大高于火花点火的能量，有利于保证气体燃料着火稳定，避免失火，双燃料发动机的循环变动也较点燃式发动机小；

第三，引燃柴油可形成多个点火源，加快气体燃料的火焰传播速度，提高动力性能够在较宽的空燃比范围内工作，可实现较稀薄的燃烧；

第四，柴油机结构的改动小，各部件与原机型之间具有良好的互换性，从而降低了制造和配套成本，使用和维修比较方便；

第五，可双燃料运行，也可在气体燃料成本较高或短缺时纯柴油工作。

3.4天然气-柴油双燃料发动机研发现状及发展

3.4.1天然气品质问题天然气品质（气质）对双燃料发动机的动力性有很大的影响。

柴油机进行双燃料发动机技术改造后，在其标定功率达到原柴油机指标的前提下，对于含有95%甲烷的天然气，多数运转工况下的天然气替代柴油比率可达到90%以上，最低也达80%。

对于气质好的天然气，其替代率在80%"以上时，扭矩储备系数比原柴油机有较大幅度提高，可较大幅度提高低速高负荷时的动力性能。

对于气质条件较差的天然气，无法保证较高的替代率，从而使标定工况和低速高负荷时的动力性下降。

3.4.2天然气的替代率问题天然气对柴油的替代率是衡量双燃料发动机性能的一个重要指标。

只有提高替代率，才能充分发挥天然气燃料的显著优点。

但替代率的提高受到燃烧性能、工作稳定性、排放等一系列问题的制约。

原因是天然气-空气的混合气浓度过稀，必须加大引燃柴油量比例。

随着负荷的增加，混合气中天然气量越来越多，即混合气浓度增大，使燃烧更快捷和充分，用相对较少的引燃柴油即可达到稳定燃烧，替代率也随之增大。

但混合气的浓度不能太大，适当浓度的混合气只需少量的引燃柴油点燃就可达到稳定燃烧，而过稀或过浓的混合气都需要更多的柴油引燃。

因此合理的替代率应该是：

在怠速时仅以柴油作为燃料，中小负荷时替代率较小，而在高负荷时替代率可达到较大值。

因此，协调控制天然气量、空气量和柴油量，使每一工况下的天然气对柴油的替代率都达到最佳，从而实现双燃料发动机最佳的燃烧性能是今后必须解决的重要问题。

3.5LPG-柴油双燃料发动机优化研究

3.5.1柴油机燃用液化石油气问题的提出汽车是现代社会必不可少的交通运输工具，也是人类文明的重要标志之一，而能源与环保始终是汽车工业发展过程中的重要问题。

1973年中东战争触发了许多国家早己潜在的石油危机，人们逐渐意识到石油资源终将减少直至枯竭;据资料介绍，截止1994年1月1日，世界石油探明储量为9991.2亿桶（约1440亿11吨），如果按现在全世界石油的日需求量6500万桶再加上增长的150万桶计算，预计2035年之前地球上的石油资源将会消耗殆尽。

因此，开发代用燃料已经成为解决石油危机的主要途径。

传统的汽车发动机以汽油、柴油作为燃料，必然也受到了石油危机的困扰，找寻汽油、柴油以外的汽车燃料已经成为重要的研究方向。

与此同时，随着世界汽车工业的迅猛发展，当今世界汽车保有量达到6亿多辆。

按现在的速度计算，预计到2030年，世界汽车保有量将增至10亿辆，汽车引起的污染问题将日益严重。

随着汽车柴油机化的发展趋势，柴油汽车所占比例不断增加，柴油机排放问题日益受到人们的关注。

与汽油机相比，柴油机排放中的CO、HC及NOx含量较少，但碳烟排放要明显高于汽油机。

碳烟颗粒具有很强的吸附力，对人体的呼吸器官危害极大，可以导致慢性肺病并有致癌作用。

因此，降低柴油机碳烟排放已经成为汽车工业急待解决的问题。

目前为止，柴油机燃用液化石油气是缓解石油资源紧缺，降低柴油机碳烟排放较为有效的方法之一。

3.5.2液化石油气的特点液化石油气（LiquefiedPetroleumGas,简称LPG）是油气田开采和炼油厂加工过程中的一种副产品，亦可以煤为原料制取。

LPG主要是含有三个或四个碳原子的烃类如丙烷（C3H3）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）、丁烯（C4H8）等。

石油气在常温常压下以气态形态存在，且临界温度高而临界压力较低，适当加压或在不太低的温度下，即可成为便于储存和运输的液体。

汽油、柴油、天然气、石油气的理化特性列于表1-1中。

分子式液相密度kg／l沸点（℃）自燃点（℃）可燃范围体积比，％低热值（MJ／kg）汽油C