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1、深圳市国炬天然气汽车技术有限公司试论双燃料汽车的技术路线及其实用经济性李 勇（深圳市国炬天然气汽车技术有限公司 广东深圳 518006）摘 要：本文简要地阐述了笔者所在公司深圳市国炬天然气汽车技术有限公司研发的CGJ系列天然气/柴油电控双燃料混燃汽车技术的技术路线、技术特点及其系统组成套件情况；并以深圳市国炬天然气汽车技术有限公司在西安市和晋城市改装的22辆柴油重卡为天然气（CNG）/柴油电控双燃料混燃汽车运行一年半时间的实际数据和节油效果为依据，试对天然气/柴油电控双燃料混燃汽车的可行性和经济性予以讨论，以便抛砖引玉，引起关注。关键词：天然气/柴油电控双燃料混燃汽车、多火花塞火花点燃式发动机
2、预混合压燃式天然气柴油双燃料发动机引 言：汽车，这个体现现代文明的人类宠物，它确实给现代人的生活带来方便、快捷和惬意，使人们越来越喜欢它，越来越离不开它；然而，巨大的燃油消耗，使地球上已存量不多的石油资源的供应就紧张局势雪上加霜，因此由它引发并制造了多起石油战争和国际能源争端；随着全球石油短缺和国际油价居高不降，我们国家的能源安全及供应紧张形势更加严峻，这也严重地影响了我国经济的可持续发展。为了保护人类生存环境和子孙后代的能源供应及其生存空间，寻找清洁的、无污染或少污染的汽车替代燃料，是摆在全人类面前最为紧迫而又艰巨的任务。经过多年来的寻觅，世界各国不约而同地走在了同一条道路上清洁汽车燃料行动
3、和清洁发展机制（CDM）。品种多样、优点各异的清洁汽车代用燃料纷至沓来，像雨后春笋般涌现在汽车燃料市场。天然气、煤层气、液化石油气、生物乙醇、甲醇燃料、稳定轻烴、生物柴油、二甲醚、氢燃料它们在各自的示范地域和示范项目中显示着各自的优势但在我国经济处发展中国家的国情下，我们认为：目前最现实、最经济且很快能市场化供应的清洁汽车燃料就是天然气和煤层气（瓦斯）。其原因有二。一是天然气和煤层气二者在我国的资源储量都非常丰富（都在35万亿立方米以上），且当前开发利用率还很低，其市场潜力极其巨大；二是二者都是地下天然生成并赋存的清洁气体燃料，只须开发和简单加工即可利用，无须化学合成加工等化工生产过程，故其成
4、本较为低廉，其性能/价格比在目前是其它合成类燃料无法相比的。据不完全统计，目前我国全国已有近千座天然气汽车加气站，大约有35万辆天然气汽车在运行，但这几乎全都是汽油发动机汽车经改装而成的两用燃料汽车，而柴油发动机汽车改烧天然气或煤层气的双燃料混燃汽车仅处于小批量试用阶段，还没有大面积推广应用。在“九五”和“十五”期间，我国不少省市开展了柴油/天然气双燃料汽车技术的研发，但因对柴油汽车改装为双燃料汽车技术的复杂性认识不足，对柴油/天然气两种燃料在气缸内混燃的特点把握不够，所采取的改装技术路线和套件设计不尽合理，致使双燃料汽车的应用在很多城市和地区以失败而告终，全国双燃料汽车的推广出现反复而沉寂。
5、在这种技术背景下，笔者潜心研究了国内外双燃料汽车的成功经验和失败的教训，并根据我国柴油汽车的技术现状，成功研发一种具有我国自主知识产权并具有中国特色的电控双燃料汽车技术及其改装套件，经近一年的实际使用和权威部门检测，其应用效果良好。如将该技术进一步完善并能在政府的关注下精心组织推广使用，相信会成为我国燃气汽车行业中一个重要的产品品种。一、现代柴油发动机的发展及其优点1、说到柴油机发动机，很多人马上会联想到笨重、嘈杂、排黑烟，将柴油车看成是“大乌贼”。在汽车工业的发展历史上，柴油几乎就是“肮脏”的代名词。看看今天地方二三级公路上，不乏排放浓厚黑烟的各型柴油车在路上奔驰，也难怪很多人对柴油发动机存
6、有不良印象，甚至敌视它。2、事实上，柴油发动机的应用非常广泛，原因之一为其小至数千瓦，大至数百千瓦匹马力动力输出的可变化性，从小客车、大客车、载货车、拖车、建设机械，以及割草机、快艇、轮船、发电用发动机等均可适用，没有其他的内燃机能有如此宽广范围的使用，足以证明柴油发动机对人类生活的重要性。柴油发动机的优点3、在以往，柴、汽油发动机的优缺点的比较，如表1.1所示。表1.1 柴、汽油发动机的优缺点比较(www.isuzu.co.jp)项目柴油发动机汽油发动机尾气NOx较少PM较少CO2(与燃料消耗有关)较少性能噪声发动机功率发动机转矩较大耐久性较佳4、而现代柴油发动机，由于各项先进技术的应用，以
7、及各国严格废气排放的结果，其优点为：(1) 大功率：搭配中间冷却器(Intercooler)的涡轮增压器使用。(2) 低转速高转矩：加速性能优异。(3) 高热效率：达35%42%，而汽油发动机热效率25%30%。(4) 低油耗：比汽油发动机低20%40%。(5) 低CO2排放量。(6) 低NOx排放量。(7) 低PM排放量。(PM为烟尘等微粒物)(8) 耐久性佳：发动机寿命可达30万100万公里，甚至更高，而汽油发动机为10万30万公里或更高。如果先进柴油发动机科技上居于领先地位的柴油发动机寿命可达85万公里，汽油发动机则为40万45万公里。(9) 维护成本低：先进的柴油发动机的维护周期为50
8、,000km，而汽油发动机平均约为7,000km。至于在维修成本上，常用汽油发动机的点火系统零件多，如分电盘、点火线圈、高压线、火花塞等，容易出现故障，因此维修成本高。清洁燃料(极低污染燃料)汽车简介5、清洁燃料汽车的种类压缩天然气汽车(CNGV)液化天然气汽车(LNGV)二甲基醚汽车(DMEV)清洁燃料汽车的种类柴油复合动力汽车(DHV)燃料电池汽车(FCV)液化石油气汽车(LPGV)二、天然气柴油双燃料汽车的概念预混合压燃式天然气柴油双燃料发动机的原理及其性能车用柴油机改装为天然气柴油双燃料发动机，必须保留原柴油供给系统，用来提供引燃空气与天然气混合气的少量柴油，并需要配备一套天然气供给系
9、统。这时发动机同既要考虑天然气的控制，又要考虑柴油的控制；既要处理好天然气与柴油之间的合理配比，又要处理好天然气、柴油与空气之间的合理配比。双燃料发动机中的燃料与火花点燃式等容加热循环发动机相似，不同的是充量的点燃能源不是电火花，而是引燃柴油的自燃。控制功率输出时，双燃料发动机很少用节流阀控制进入气缸内的混合气量来控制功率输出。而通过改变预混合充量中的天然气的浓度来控制功率。在这方面以及很多其它技术方面，与火花点燃式发动机相比较，双燃料发动机又类似于柴油机。在双燃料发动机中，和柴油机一样，引燃柴油是在上止点之前以极高的压力喷入燃烧室。燃料雾化，与气缸中的热充量接触被加热，进行焰前反应，然后自燃
10、，引燃天然气。由于柴油燃料只是作为着火火源，而不是燃烧能量主要的来源，要求的柴油燃料供给量很少。对于，现有的大部分双燃料发动机，保持有回复到100%柴油工作的能力，最小的柴油引燃油量由燃料喷射系统的调节来限制。它是满负荷最大燃料量的15%25%或更高些。由于双燃料燃烧的工作过程是气体燃料与空气混合后经压缩到低于混合气自燃温度，由喷入的少量柴油引燃。天然气空气混合气开始燃烧是由多处火焰前峰扩散穿过混合气作用的结果，这就像多火花塞火花点燃式发动机。这样，双燃料发动机的燃烧更像电火花点燃式发动机而不像柴油机。柴油引燃燃料所提供的能量远大于一个火花塞所提供的能量。这就允许双燃料发动机在相当稀的空燃比下
11、运行，因此通常不需要对空气进气节流，甚至在发动机部分负荷条件下亦是如此。与火花点燃式发动机相比，柴油燃料提供的分布广、高能量的点火源可使天然气充量(对很稀的空燃比的混合气更好)更可靠地着火和更迅速地燃烧。因此，双燃料发动机可以成功地在比火花点燃式发动机稀着火极限更稀的混合比情况下工作。在高负荷工况下，柴油机的输出功率一般受限，低于它的最大理论值，以避免在等于或者接近化学当量空燃比情况下不完全燃烧而产生过度的炭烟。所有柴油机都以过量的空气运行，过量空气比率可达120%200%。尽管天然气在进气时挤掉了相当的空气量(约为化学当量下的10%)，但在发动机工作范围内仍有供双燃料全功率输出的足够的空气量
12、。理论上，双燃料发动机在高负荷时的效率高于单纯用柴油运行时的效率。但由于诸多因素的影响，一般地说，双燃料发动机的效率与标准柴油机在高负荷时的效率大约相等。供气系统的选型和优化匹配，对于天然气柴油双燃料发动机性能的影响是至关重要的。三、天然气/柴油双燃料汽车及其市场前景1、天然气/柴油双燃料汽车技术分类及其优缺点（1）机械控制式双燃料混燃系统的缺点：机械式双燃料混燃系统的基本控制信息（信号）来自柴油机的转速和加速踏板、油门拉杆（或拉线）拨叉等连杆及传动等部件的空间位置或距离，这些机械部件往往由于磨损和传动偏差，使之供气时刻和供气量、喷油时刻和喷油量等产生误差，因此天然气替代率低下、耗气和耗油率都
13、偏高，其结果是既不省油，又要耗气，和100%烧柴油相比没有多少经济性。（2）电控（即电子控制式）双燃料混燃系统的优点：与机械控制式不同的是：电控双燃料混燃系统的基本控制信息（信号）来自多个检测并敏感柴油机各种运行工况的电子传感器（如氧传感器、转速传感器、绝对压力传感器、油门位置传感器等），并由功能强大的ECU电控单元组件即时计算并发出各种适应柴油机运行工况的信号指令，然后由机电式执行器（如电磁阀，混合器、步进电机阀等）实施控制动作，因此电子控制既精确又灵敏。2、双燃料汽车的市场全国在用的1550万辆柴油汽车会有人问，在国内外燃气发动机研制已经成熟并可大批量工业生产时，为什么还推广不能100%全
14、烧天然气的双燃料汽车？据全国汽车工业协会不完全统计并公布的可靠数据，2007年中国全国汽车保有量为5355万辆。其中，汽油车总量约为3830万辆，占总保有量的71.52%。2007年汽油车全年耗用汽油量8083万吨；2007年全国柴油汽车总数约为1525万辆，占总保有量28.48%；2007年全年柴油消耗量高达：14425万吨/年；从统计资料看出，虽然柴油车总数还不到汽油车总数的40%；但耗用的燃料总量却是汽车耗量的1.78倍还多，这是因为约有30%40%左右的柴油车是大功率的柴油重卡，每辆柴油重卡的油耗量大都是汽油车的3-5倍左右。本文列举10种类型柴油汽车图片如下：3、在用柴油车改装双燃料
15、汽车的产业市场前景 上列权威数据已经表明，我国在用的柴油汽车总量已超过1550万辆，据专家估计从事长途能源物流货物运输载重型柴油卡车至少占柴油汽车总量的30%，那么全国柴油重卡总数即为：465万辆。如在若干年内能将50%柴油重卡改装为电控双燃料汽车（即232万辆），若每辆改装总费用平均4.0万元/辆（包括LNG车载气瓶在内），此改装产业约可产生928亿元的产值，其中利润在230亿元以上；若能在56年内改装10%即46万辆柴油重卡为电控双燃料汽车，其产值约为184亿元（人民币），其利润至少也有46亿元左右。四、单一燃料与双燃料汽车并存发展的前景1、为什么单一燃料汽车当前还难以马上大面积推广？目前，单一燃料（天然气）汽车还难以大面积推广。主要原因之一是，单一燃料发动机汽车，当天然气（LNG或CNG）用尽时，它不能返回原机的燃油供应系统而难以继续行驶，这在目前加气站稀少地区或加气站尚未形成网络的现状下，其使用受很大的限制，特别是在长途运输油气煤等能源物流载重车上难以推广。2、其次，柴油汽车改为单一燃气燃料后，必须更新为专门烧天然气的发动机，若改装原车的烧柴油的发动机，其
