汽车改装CNG和LNG技术是否已经成熟

【专家解说】：汽油车的改装 轿车类目前普遍使用汽油车。由汽油车改装成天然气车，其发动机仍然是奥托式火花点火内燃机。 (1)在用汽油车改装技术 在用汽油车的改装，从燃气汽车燃料供给控制技术的发展来看，大致可分为第一代技术、第二代技术和第三代技术三个阶段: ○1第一代技术 第一代技术对应于汽车化油器技术，它在不改变汽车原有燃烧系统的前提下，加装一套燃气供给系统，采用文丘里管或比例调节式机械控制混合器，利用发动机进气真空的变化调节燃气供给量，以适应发动机不同工况对供气量的要求，保证发动机的正常燃烧。它无电控系统和尾气后处理装置，这种技术成本较低，对发动机或整车排放的改善效果有限，大量的统计结果表明，装用这一简单系统的汽车，其排放水平可以达到《轻型汽车排气污染物排放标准》GB14761.1-1993(即ECER15/04)标准的要求，但难以达到《汽车排放污染物限值及测试方法》GB14761-2001(即欧洲1号)排放标准的要求。 ○2第二代技术 第二代技术是在第一阶段的基础上，采用闭环电控技术，根据安装在排气管上三元催化器前的氧传感器的信号，加上其他传感器(如发动机转速、节气门位置、水温等)信号，通过电脑控制供给发动机的燃气量，使发动机空燃比保持在在理论空燃比附近以充分发挥三元催化器的效率。这种技术方案可以使汽车排放水平达到欧洲1号乃至欧洲II号法规的要求。目前第二代技术在国外仍大量使用。国内在这方面也做了大量的工作，取得了令人满意的效果。我国在主要轿车车型如夏利、捷达、桑塔纳、小红旗、富康等开展了CNG第二代技术的研究开发工作，取得了良好的效果，基本掌握了核心技术，具备产业化的技术基础。目前在用车改装主要采用此技术。 ○3第三代技术 第三代技术对应于汽油闭环电控喷射技术。主要特征是完全意义上的闭环电控喷射加上与所用燃料相适应的三元催化器。控制精度可与汽油电控喷射媲美，根据所采用技术的先进程度不同，其排放可达到欧洲II号乃至更高的排放法规的要求。福特汽车公司开发的电控喷射单一燃料CNG轿车、以及单一燃料CNG卡车，其排放指标可以达到美国加州ULEV和SULEV排放法规的要求。在第三代技术中，还有单点电控喷射和多点电控喷射、进气道喷射和缸内直接喷射、气态喷射和液态喷射之分。目前国外在第三代技术方面已经基本成熟，处于产业化初期阶段，尚没有大批量使用。中国国家科技部在清洁汽车关键技术攻关和产业化项目中，组织了全国轿车和发动机主机厂、汽车行业主要科研院所及有关高校的技术力量，开展轿车、中巴和大型公交客车燃气发动机第三代技术的研究工作，同时制定了产业化的发展目标。目前项目进展顺利，取得了一些阶段性成果，预计在不久将来实现产业化并推广应用。 (2)改装费 通过对天然气汽车改装厂调研，4缸汽油车改装费(不含瓶)开环结构一般2400~2600元/台 ，闭环结构一般3500~3700元/台。 (3) 在用车进行油改气的选择 在用车中出租车、私家车、公务车及少部分中巴车为汽油发动机，汽油车改装主要集中在这几类车。从国内其他天然气汽车示范城市的经验来看，在天然气汽车发展初期主要是这部分车辆的改装。在加气站建设还未达到规模时，改装的双燃料汽车适应能力强，发展灵活。出租车进行油改气一般选择车况较好，运行时间在3年以内。对运行4年以上车，改车后的尾气治理效果不明显，建议更新天然气汽车。 公交车、载货汽车配置4~8瓶90L水容积钢瓶，一次充足量后，可行驶220~280公里左右。出租车配置1瓶55L水容积钢瓶，一次充足量后可行驶120公里左右。 4、柴油车的改装 大、中巴类的公交车、长途客运车及各类载货车普遍使用柴油车。汽油车改装成CNG/汽油两用燃料车的技术日臻成熟。然而占全国汽车保有量约30%左右的柴油车改用天然气作燃料的却微乎其微,只有1000多辆。从统计资料来看，虽然柴油车的总数只有汽油车的40%，但耗用的燃料总量却是汽油车的1.78倍还多。这是因为约有15~20%左右的柴油车都是大功率的载重型卡车，其油耗量大都是汽油车的2~3倍左右。因此数量庞大的在用柴油汽车改用天然气作燃料，对于燃油的节约和环保要求的重大意义。 (1) 柴油车改装CNG/柴油双燃料车的难点 2000年左右西安市曾先后改装了几十台柴油公交车，都由于当时的技术方案不成熟等各种原因而告失败;最近某公司将一台在用柴油车改装成CNG单燃料车，不但动力下降很多，而且燃料消耗从原先60升/百公里的柴油，上升到100标方/百公里的天然气(正常情况下1升柴油约等于1.1~1.2标方天然气);去年西安一公司花费了5万多元，采用某国进口技术将一台柴油车改装成CNG单燃料车，该技术方案主要是通过加厚汽缸垫以降低压缩比，同时修改了燃烧室，并加装了火花塞等，其结果很不理想。缸内燃烧温度过高，一遇到爬坡水箱就开锅，最后不得已将水箱加大，还没有完全解决问题。 以上这些的例子说明，柴油汽车改用天然气，从技术角度看的确有许多难点。主要表现在，柴油发动机的压缩比高，燃用天然气容易引起爆震;天然气着火温度高于柴油，因此改成天然气发动机难于采用压燃方式，不得已采用火花点燃方式;柴油车改用天然气，汽缸内燃烧温度和排气温度都很高，易造成水箱开锅;电控系统如何依据发动机的运行参数，精确控制进入发动机的燃料与空气的流量;以上各项技术如果解决得不好，不但会使原柴油车的动力性能下降，而且会使燃料的消耗量大大增加，经济性大幅度下降。 (2) 常见的几种改装技术方案 目前常见的柴油汽车改装技术方案主要有两大类，将原柴油车改装成天然气单燃料车和改装成天然气/柴油双燃料车。两类技术各有其成功之处，也有它的局限性。 ○1天然气单燃料车的改装技术 a)柴油发动机制造厂的改装技术 一般是以原有某型号柴油机为基础，重新研制开发出新型天然气发动机。主要做了三方面的改进设计: 结构设计:针对天然气发动机的燃烧特性，重新确定了压缩比，并对燃烧室、活塞、气缸盖、排气管、进气门及座圈、凸轮轴等少数零件进行了改进设计。其余保持与原柴油机不变。 燃料供给系统与点火系统:以燃气供给系统取代原柴油机的燃油供给系统，采用进气总管与混合供气方式。采用高电压、高能量直接点火方式。每缸设置独立的点火线圈、火花塞与高压线。 电子控制系统:采用闭环控制技术，系统依据多个传感器所采集的发动机的运行工况参数，经ECU电子控制单元集中处理后，通过执行器对燃料喷射装置、节气门、排放气阀、点火系统等进行精确控制。 这种专业改装技术不但保证了原柴油机的动力性能，其他指标均优于原柴油机。 b)非发动机专业厂的改装技术 这种技术主要应用于在用柴油车的改装。它不具备对原柴油发动机的机体结构和零部结构件进行专业性改进加工的能力。只能做些修修补补的简单工作，如为了降低压缩比加厚汽缸垫;在原柴油机喷油嘴位置加装点火系统;在原有的空气进气系统加装天然气混和装置;在电控系统所作的改进工作量最大，目的是解决好天然气与空气的混合比，使发动机气缸的燃烧性能保持最佳。 这种改装技术，原柴油机的机体结构和燃烧机制毕竟没有完全改变，依然是符合柴油机的燃烧特性，现在改用天然气，将原先柴油机的迪塞尔循环的热力学工作原理，改变为火花塞点火的汽油机工作原理，原机的动力性能难免受到影响(动力约降低10%左右)。 ○2天然气/柴油双燃料车的改装技术 这种技术仍然立足于原柴油机的迪塞尔循环的热力学工作原理。保留原柴油机的压燃点火方式不变，高压缩比不变，发动机机体和零部件基本不变。但在气缸中被压缩的介质，由原来柴油机中的单纯空气变为天然气与空气的混合气体。发动机工作时变原来的纯柴油燃烧为柴油与天然气的混合燃烧。电控系统主要用于依据各种传感器检测的发动机运行信号，分别控制进入发动机的柴油、天然气与空气量，以实现柴油、天然气与空气的合理配比。 a)HPDI高压直喷技术 以加拿大西港公司的HPDI技术为代表的高压直喷技术，其主要特点是采用双重共轨的高压双燃料喷射系统，当汽缸中的空气被压缩到接近冲程末点时，按一定配比的柴油与天然气先后通过同一个燃料喷射孔，以很高压力直接喷入汽缸而混燃作功;电子控制系统可以实现依据发动机的运行工况参数，精确控制进入气缸的柴油与天然气量以及喷入的时间，这种技术在保留了发动机原有效率和性能的同时，减少了排放。天然气对柴油的替代率高达90%以上。主要应用对象是重型和中型大马力柴油卡车。 b)正压单点喷射双燃料技术 该技术的核心是采用多个可控制天然气流量的高压电磁喷射阀及ECU电控单元等组成的单点喷射供气系统。经减压器稳压后的天然气压力，始终要高于增压后的进气总管中的空气压力，即保持一定正压的天然气，通过上述电磁阀门和分配器控制流量，经由进气喷嘴从中冷器之后的进气总管喷入(称为单点喷射)，在总管中与空气混合进入各个气缸，形成可燃混合气。同时，由ECU电控单元指令步进电机油控机构动作，对喷油系统原来的齿条进行随机限位，以减少每个汽缸压缩冲程末喷入引燃的柴油量。另外，电控系统可以精确控制燃料的供给量，针对车辆不同转速和负荷的工况进行分级控制。 因该技术采用了六个高压电磁喷射阀和功能强大的ECU电控单元等复杂结构，虽然该系统控制精确，替代率较高，但其可靠性较差，套件成本较高，改装费用投入较大，目前还难以大面积推广使用。 c)模糊电控双燃料混燃技术 该技术主要有三项突出特点。一是ECU电控系统采用了模糊优选控制软件技术，不同于其他方案的精确控制技术;二是进气系统天然气与空气的混合是通过具有特殊腔道的混合器进行，并对混合气体进行增压与中冷(针对增压发动机)。也就是在空气增压前在总进气管中吸入天然气，实现两者的混合;三是系统对天然气的供气压力没有要求，或者说，该系统适用的供气压力范围很宽，既适应高压的CNG供气，也适应低压的CNG供气。 目前几种改装方案都有企业进行尝试，并取得了一定的成果，但距离大批量改装还有一定难度。相信随着广大企业和技术人员的努力，在用柴油车的改装技术将会越来越成熟，也将会得到大面积的推广。