汽車改裝CNG和LNG技術(shù)是否已經(jīng)成熟

【專家解說】：汽油車的改裝 轎車類目前普遍使用汽油車。由汽油車改裝成天然氣車，其發(fā)動機仍然是奧托式火花點火內(nèi)燃機。 (1)在用汽油車改裝技術(shù) 在用汽油車的改裝，從燃?xì)馄嚾剂瞎┙o控制技術(shù)的發(fā)展來看，大致可分為第一代技術(shù)、第二代技術(shù)和第三代技術(shù)三個階段: ○1第一代技術(shù) 第一代技術(shù)對應(yīng)于汽車化油器技術(shù)，它在不改變汽車原有燃燒系統(tǒng)的前提下，加裝一套燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，采用文丘里管或比例調(diào)節(jié)式機械控制混合器，利用發(fā)動機進(jìn)氣真空的變化調(diào)節(jié)燃?xì)夤┙o量，以適應(yīng)發(fā)動機不同工況對供氣量的要求，保證發(fā)動機的正常燃燒。它無電控系統(tǒng)和尾氣后處理裝置，這種技術(shù)成本較低，對發(fā)動機或整車排放的改善效果有限，大量的統(tǒng)計結(jié)果表明，裝用這一簡單系統(tǒng)的汽車，其排放水平可以達(dá)到《輕型汽車排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB14761.1-1993(即ECER15/04)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但難以達(dá)到《汽車排放污染物限值及測試方法》GB14761-2001(即歐洲1號)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。 ○2第二代技術(shù) 第二代技術(shù)是在第一階段的基礎(chǔ)上，采用閉環(huán)電控技術(shù)，根據(jù)安裝在排氣管上三元催化器前的氧傳感器的信號，加上其他傳感器(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、水溫等)信號，通過電腦控制供給發(fā)動機的燃?xì)饬?，使發(fā)動機空燃比保持在在理論空燃比附近以充分發(fā)揮三元催化器的效率。這種技術(shù)方案可以使汽車排放水平達(dá)到歐洲1號乃至歐洲II號法規(guī)的要求。目前第二代技術(shù)在國外仍大量使用。國內(nèi)在這方面也做了大量的工作，取得了令人滿意的效果。我國在主要轎車車型如夏利、捷達(dá)、桑塔納、小紅旗、富康等開展了CNG第二代技術(shù)的研究開發(fā)工作，取得了良好的效果，基本掌握了核心技術(shù)，具備產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)基礎(chǔ)。目前在用車改裝主要采用此技術(shù)。 ○3第三代技術(shù) 第三代技術(shù)對應(yīng)于汽油閉環(huán)電控噴射技術(shù)。主要特征是完全意義上的閉環(huán)電控噴射加上與所用燃料相適應(yīng)的三元催化器?？刂凭瓤膳c汽油電控噴射媲美，根據(jù)所采用技術(shù)的先進(jìn)程度不同，其排放可達(dá)到歐洲II號乃至更高的排放法規(guī)的要求。福特汽車公司開發(fā)的電控噴射單一燃料CNG轎車、以及單一燃料CNG卡車，其排放指標(biāo)可以達(dá)到美國加州ULEV和SULEV排放法規(guī)的要求。在第三代技術(shù)中，還有單點電控噴射和多點電控噴射、進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直接噴射、氣態(tài)噴射和液態(tài)噴射之分。目前國外在第三代技術(shù)方面已經(jīng)基本成熟，處于產(chǎn)業(yè)化初期階段，尚沒有大批量使用。中國國家科技部在清潔汽車關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化項目中，組織了全國轎車和發(fā)動機主機廠、汽車行業(yè)主要科研院所及有關(guān)高校的技術(shù)力量，開展轎車、中巴和大型公交客車燃?xì)獍l(fā)動機第三代技術(shù)的研究工作，同時制定了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)。目前項目進(jìn)展順利，取得了一些階段性成果，預(yù)計在不久將來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并推廣應(yīng)用。 (2)改裝費 通過對天然氣汽車改裝廠調(diào)研，4缸汽油車改裝費(不含瓶)開環(huán)結(jié)構(gòu)一般2400~2600元/臺 ，閉環(huán)結(jié)構(gòu)一般3500~3700元/臺。 (3) 在用車進(jìn)行油改氣的選擇 在用車中出租車、私家車、公務(wù)車及少部分中巴車為汽油發(fā)動機，汽油車改裝主要集中在這幾類車。從國內(nèi)其他天然氣汽車示范城市的經(jīng)驗來看，在天然氣汽車發(fā)展初期主要是這部分車輛的改裝。在加氣站建設(shè)還未達(dá)到規(guī)模時，改裝的雙燃料汽車適應(yīng)能力強，發(fā)展靈活。出租車進(jìn)行油改氣一般選擇車況較好，運行時間在3年以內(nèi)。對運行4年以上車，改車后的尾氣治理效果不明顯，建議更新天然氣汽車。 公交車、載貨汽車配置4~8瓶90L水容積鋼瓶，一次充足量后，可行駛220~280公里左右。出租車配置1瓶55L水容積鋼瓶，一次充足量后可行駛120公里左右。 4、柴油車的改裝 大、中巴類的公交車、長途客運車及各類載貨車普遍使用柴油車。汽油車改裝成CNG/汽油兩用燃料車的技術(shù)日臻成熟。然而占全國汽車保有量約30%左右的柴油車改用天然氣作燃料的卻微乎其微,只有1000多輛。從統(tǒng)計資料來看，雖然柴油車的總數(shù)只有汽油車的40%，但耗用的燃料總量卻是汽油車的1.78倍還多。這是因為約有15~20%左右的柴油車都是大功率的載重型卡車，其油耗量大都是汽油車的2~3倍左右。因此數(shù)量龐大的在用柴油汽車改用天然氣作燃料，對于燃油的節(jié)約和環(huán)保要求的重大意義。 (1) 柴油車改裝CNG/柴油雙燃料車的難點 2000年左右西安市曾先后改裝了幾十臺柴油公交車，都由于當(dāng)時的技術(shù)方案不成熟等各種原因而告失敗;最近某公司將一臺在用柴油車改裝成CNG單燃料車，不但動力下降很多，而且燃料消耗從原先60升/百公里的柴油，上升到100標(biāo)方/百公里的天然氣(正常情況下1升柴油約等于1.1~1.2標(biāo)方天然氣);去年西安一公司花費了5萬多元，采用某國進(jìn)口技術(shù)將一臺柴油車改裝成CNG單燃料車，該技術(shù)方案主要是通過加厚汽缸墊以降低壓縮比，同時修改了燃燒室，并加裝了火花塞等，其結(jié)果很不理想。缸內(nèi)燃燒溫度過高，一遇到爬坡水箱就開鍋，最后不得已將水箱加大，還沒有完全解決問題。 以上這些的例子說明，柴油汽車改用天然氣，從技術(shù)角度看的確有許多難點。主要表現(xiàn)在，柴油發(fā)動機的壓縮比高，燃用天然氣容易引起爆震;天然氣著火溫度高于柴油，因此改成天然氣發(fā)動機難于采用壓燃方式，不得已采用火花點燃方式;柴油車改用天然氣，汽缸內(nèi)燃燒溫度和排氣溫度都很高，易造成水箱開鍋;電控系統(tǒng)如何依據(jù)發(fā)動機的運行參數(shù)，精確控制進(jìn)入發(fā)動機的燃料與空氣的流量;以上各項技術(shù)如果解決得不好，不但會使原柴油車的動力性能下降，而且會使燃料的消耗量大大增加，經(jīng)濟(jì)性大幅度下降。 (2) 常見的幾種改裝技術(shù)方案 目前常見的柴油汽車改裝技術(shù)方案主要有兩大類，將原柴油車改裝成天然氣單燃料車和改裝成天然氣/柴油雙燃料車。兩類技術(shù)各有其成功之處，也有它的局限性。 ○1天然氣單燃料車的改裝技術(shù) a)柴油發(fā)動機制造廠的改裝技術(shù) 一般是以原有某型號柴油機為基礎(chǔ)，重新研制開發(fā)出新型天然氣發(fā)動機。主要做了三方面的改進(jìn)設(shè)計: 結(jié)構(gòu)設(shè)計:針對天然氣發(fā)動機的燃燒特性，重新確定了壓縮比，并對燃燒室、活塞、氣缸蓋、排氣管、進(jìn)氣門及座圈、凸輪軸等少數(shù)零件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。其余保持與原柴油機不變。 燃料供給系統(tǒng)與點火系統(tǒng):以燃?xì)夤┙o系統(tǒng)取代原柴油機的燃油供給系統(tǒng)，采用進(jìn)氣總管與混合供氣方式。采用高電壓、高能量直接點火方式。每缸設(shè)置獨立的點火線圈、火花塞與高壓線。 電子控制系統(tǒng):采用閉環(huán)控制技術(shù)，系統(tǒng)依據(jù)多個傳感器所采集的發(fā)動機的運行工況參數(shù)，經(jīng)ECU電子控制單元集中處理后，通過執(zhí)行器對燃料噴射裝置、節(jié)氣門、排放氣閥、點火系統(tǒng)等進(jìn)行精確控制。 這種專業(yè)改裝技術(shù)不但保證了原柴油機的動力性能，其他指標(biāo)均優(yōu)于原柴油機。 b)非發(fā)動機專業(yè)廠的改裝技術(shù) 這種技術(shù)主要應(yīng)用于在用柴油車的改裝。它不具備對原柴油發(fā)動機的機體結(jié)構(gòu)和零部結(jié)構(gòu)件進(jìn)行專業(yè)性改進(jìn)加工的能力。只能做些修修補補的簡單工作，如為了降低壓縮比加厚汽缸墊;在原柴油機噴油嘴位置加裝點火系統(tǒng);在原有的空氣進(jìn)氣系統(tǒng)加裝天然氣混和裝置;在電控系統(tǒng)所作的改進(jìn)工作量最大，目的是解決好天然氣與空氣的混合比，使發(fā)動機氣缸的燃燒性能保持最佳。 這種改裝技術(shù)，原柴油機的機體結(jié)構(gòu)和燃燒機制畢竟沒有完全改變，依然是符合柴油機的燃燒特性，現(xiàn)在改用天然氣，將原先柴油機的迪塞爾循環(huán)的熱力學(xué)工作原理，改變?yōu)榛鸹ㄈc火的汽油機工作原理，原機的動力性能難免受到影響(動力約降低10%左右)。 ○2天然氣/柴油雙燃料車的改裝技術(shù) 這種技術(shù)仍然立足于原柴油機的迪塞爾循環(huán)的熱力學(xué)工作原理。保留原柴油機的壓燃點火方式不變，高壓縮比不變，發(fā)動機機體和零部件基本不變。但在氣缸中被壓縮的介質(zhì)，由原來柴油機中的單純空氣變?yōu)樘烊粴馀c空氣的混合氣體。發(fā)動機工作時變原來的純柴油燃燒為柴油與天然氣的混合燃燒。電控系統(tǒng)主要用于依據(jù)各種傳感器檢測的發(fā)動機運行信號，分別控制進(jìn)入發(fā)動機的柴油、天然氣與空氣量，以實現(xiàn)柴油、天然氣與空氣的合理配比。 a)HPDI高壓直噴技術(shù) 以加拿大西港公司的HPDI技術(shù)為代表的高壓直噴技術(shù)，其主要特點是采用雙重共軌的高壓雙燃料噴射系統(tǒng)，當(dāng)汽缸中的空氣被壓縮到接近沖程末點時，按一定配比的柴油與天然氣先后通過同一個燃料噴射孔，以很高壓力直接噴入汽缸而混燃作功;電子控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)依據(jù)發(fā)動機的運行工況參數(shù)，精確控制進(jìn)入氣缸的柴油與天然氣量以及噴入的時間，這種技術(shù)在保留了發(fā)動機原有效率和性能的同時，減少了排放。天然氣對柴油的替代率高達(dá)90%以上。主要應(yīng)用對象是重型和中型大馬力柴油卡車。 b)正壓單點噴射雙燃料技術(shù) 該技術(shù)的核心是采用多個可控制天然氣流量的高壓電磁噴射閥及ECU電控單元等組成的單點噴射供氣系統(tǒng)。經(jīng)減壓器穩(wěn)壓后的天然氣壓力，始終要高于增壓后的進(jìn)氣總管中的空氣壓力，即保持一定正壓的天然氣，通過上述電磁閥門和分配器控制流量，經(jīng)由進(jìn)氣噴嘴從中冷器之后的進(jìn)氣總管噴入(稱為單點噴射)，在總管中與空氣混合進(jìn)入各個氣缸，形成可燃混合氣。同時，由ECU電控單元指令步進(jìn)電機油控機構(gòu)動作，對噴油系統(tǒng)原來的齒條進(jìn)行隨機限位，以減少每個汽缸壓縮沖程末噴入引燃的柴油量。另外，電控系統(tǒng)可以精確控制燃料的供給量，針對車輛不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的工況進(jìn)行分級控制。 因該技術(shù)采用了六個高壓電磁噴射閥和功能強大的ECU電控單元等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，雖然該系統(tǒng)控制精確，替代率較高，但其可靠性較差，套件成本較高，改裝費用投入較大，目前還難以大面積推廣使用。 c)模糊電控雙燃料混燃技術(shù) 該技術(shù)主要有三項突出特點。一是ECU電控系統(tǒng)采用了模糊優(yōu)選控制軟件技術(shù)，不同于其他方案的精確控制技術(shù);二是進(jìn)氣系統(tǒng)天然氣與空氣的混合是通過具有特殊腔道的混合器進(jìn)行，并對混合氣體進(jìn)行增壓與中冷(針對增壓發(fā)動機)。也就是在空氣增壓前在總進(jìn)氣管中吸入天然氣，實現(xiàn)兩者的混合;三是系統(tǒng)對天然氣的供氣壓力沒有要求，或者說，該系統(tǒng)適用的供氣壓力范圍很寬，既適應(yīng)高壓的CNG供氣，也適應(yīng)低壓的CNG供氣。 目前幾種改裝方案都有企業(yè)進(jìn)行嘗試，并取得了一定的成果，但距離大批量改裝還有一定難度。相信隨著廣大企業(yè)和技術(shù)人員的努力，在用柴油車的改裝技術(shù)將會越來越成熟，也將會得到大面積的推廣。