天然氣是未來幾十年最具前途的發(fā)動機代用燃料。天然氣發(fā)動機以其良好的經(jīng)濟性和低排放性在公交車、出租車、載重汽車和發(fā)電機組等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
自1998年以來，上柴公司通過國內(nèi)外合作方式一直進行天然氣發(fā)動機的開發(fā)，從而逐步建立起自己的天然氣發(fā)動機研究開發(fā)平臺，開展天然氣發(fā)動機研發(fā)和電控系統(tǒng)研究。先后完成了國家、上海市多個電控天然氣發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化課題，在天然氣發(fā)動機技術(shù)、研發(fā)、應(yīng)用方面始終走在國內(nèi)同行的前列，研制出系列化的相關(guān)產(chǎn)品，形成了自主開發(fā)能力和批量生產(chǎn)能力。上柴瑯馳T6114ZLQ3B型CNG發(fā)動機憑借其優(yōu)良的技術(shù)性能和實用成果戰(zhàn)勝對手，榮獲2005年度“BAAV年度最佳發(fā)動機” 大獎。2006年1月，上柴SC6CT250Q3型天然氣發(fā)動機獨領(lǐng)風(fēng)騷，率先通過國III排放認證。
2． 天然氣發(fā)動機開發(fā)
2.1 總體方案
上柴114系列天然氣發(fā)動機是在批量生產(chǎn)的114系列柴油機的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的，普遍采用增壓中冷、電控噴射、高能電子點火技術(shù)，先進的發(fā)動機計算機管理系統(tǒng)全面控制整個運轉(zhuǎn)范圍的轉(zhuǎn)速、負荷、點火時間及空燃比等，并具有完善的自診斷和安全保護功能。114系列天然氣發(fā)動機采用火花點火稀燃方式。這種方式帶來的好處是，缸內(nèi)燃燒和排氣溫度較低，使熱負荷仍在原機設(shè)計的范圍之內(nèi)；發(fā)動機具有較高的平均有效壓力和熱效率，NOx排放可以控制在很低的水平。114系列天然氣發(fā)動機采用氧化型催化后處理措施，排放指標可滿足歐III、歐Ⅳ標準。
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
針對天然氣發(fā)動機的燃燒特性，對活塞、氣缸蓋、排氣管、進氣門及座圈、凸輪軸等少數(shù)零件進行改進設(shè)計，并重新匹配增壓器，其余絕大部分零部件與114系列柴油機通用，例如機體、曲軸、連桿、凸輪軸、配氣機構(gòu)、齒輪系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。原柴油機的進氣道采用螺旋進氣道，發(fā)動機進氣時會產(chǎn)生較強的渦流，這對于預(yù)混合點燃式發(fā)動機來說不利于火花塞點火和火焰?zhèn)鞑?，為此燃燒室需要重新設(shè)計。114系列天然氣發(fā)動機均采用淺盆型燃燒室，這樣可降低缸內(nèi)渦流的強度，有利于火花塞點火和燃燒過程改善。經(jīng)熱力學(xué)模擬計算和臺架試驗驗證，天然氣發(fā)動機的壓縮比確定在10.5～11之間。
2.3 燃料供給系統(tǒng)及點火系統(tǒng)
天然氣發(fā)動機以燃氣供給系統(tǒng)取代柴油機的燃油供給系統(tǒng)，采用進氣總管預(yù)混合供氣方式。燃氣供給系統(tǒng)包括燃氣噴射閥、混合器、減壓器、燃料截止閥、濾清器等部件。燃料供給系統(tǒng)保證燃氣與空氣良好地混合，并使混合氣均勻的分配給各缸。為了形成穩(wěn)定的燃燒，增壓稀燃114系列天然氣發(fā)動機采用高電壓、高能量的直接點火方式，每缸設(shè)有獨立的點火線圈，配置專用的火花塞和高壓線。
2.4電子控制系統(tǒng)
天然氣發(fā)動機采用閉環(huán)的電控系統(tǒng)，系統(tǒng)中設(shè)置了多個傳感器采集發(fā)動機運行信息，經(jīng)電控單元的集中處理，通過執(zhí)行器對燃料噴射裝置、節(jié)氣門、排氣放氣閥、點火系統(tǒng)等進行控制。在所有運行工況下，電控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)天然氣供給量，以達到預(yù)定的空燃比。為了提高天然氣發(fā)動機的瞬態(tài)特性，電控單元通過排氣放氣控制閥，對增壓壓力實行柔性調(diào)節(jié)，這給發(fā)動機性能優(yōu)化提供了附加的自由度，同時也增強了發(fā)動機對海拔高度變化的適應(yīng)能力。114系列天然氣發(fā)動機均配有電子式節(jié)氣門，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)速功能。
2.5 性能水平
通過大量的優(yōu)化匹配試驗工作，對各種典型運行工況的空燃比、點火正時等MAP進行細致標定，使114系列天然氣發(fā)動機的效率、排放和穩(wěn)定性達到滿意的折中。發(fā)動機最高熱效率可達到38％，最低燃料消耗率為195g/kW.h，缸內(nèi)最高燃燒壓力均小于11MPa，工作十分柔和，噪聲水平遠遠低于同等功率柴油機。采用氧化型催化器的114系列天然氣發(fā)動機廢氣排放可滿足歐Ⅳ標準。
2.6 針對LNG的適應(yīng)性開發(fā)
對于單點噴射的天然氣發(fā)動機而言，燃用CNG和LNG沒有本質(zhì)的區(qū)別，發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)無需改變，只是外圍的燃氣供給裝置有所不同。為了使天然氣發(fā)動機能夠適用于LNG汽車，對燃氣系統(tǒng)做了相應(yīng)的改進，采用電控文邱里式混合器和二級減壓器供氣方式。臺架試驗表明，只要保證LNG蒸發(fā)器的出口壓力為0.55Mpa，燃氣流量大于40kg/h，采用上述燃氣系統(tǒng)的T6114天然氣發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放指標完全可以到達原CNG發(fā)動機水平。
3. 天然氣發(fā)動機產(chǎn)品及應(yīng)用
經(jīng)過多年持續(xù)不斷的開發(fā)和研制，上柴天然氣發(fā)動機產(chǎn)品已形成系列化，具有5.3L、8.3L、8.8L、12.8L四種排量，功率覆蓋118kW~206kW，可適用于8~12m客車、中重型客車及發(fā)電機組，其中車用發(fā)動機機型見下表。
上柴車用天然氣發(fā)動機型譜
發(fā)動機
參數(shù)
歐2機型
T6114ZLQ4B T6114ZLQ3B 6CTL280-2 4CT160
4CT180
歐3機型
8DT230Q3
8DT250Q3
9DT280Q3
5DT160Q3 5DT180Q3
缸數(shù)x缸徑x沖程
mm
6x114x135
6x114x144
4x114x130
排量
l
8.3
8.8
5.3
進氣方式
增壓中冷
燃燒方式
均質(zhì)稀燃/火花點火
壓縮比
10.5:1
標定功率
kW/r/min
170/2200
184/2200
206/2200
118/2300
132/2300
最大扭矩
N.m/r/min
825/1400
920/1400
1100/1400
580/1500
650/1500
燃料供給
單點噴射、預(yù)混合
預(yù)混合
控制方式
閉環(huán)電控
上柴公司2003年初研制成功T6114ZLQ3B型天然氣發(fā)動機，同年11月第一臺發(fā)動機在烏魯木齊公交上線運行以來，得到用戶和業(yè)內(nèi)專家的一致好評。2004年底，上海申沃客車有限公司就SWB6115系列城市客車采用奔馳M906LAG、康明斯CG250和上柴T6114ZLQ3B三種天然氣發(fā)動機在同一公交線路（上海218路）上做對比試驗。經(jīng)整車性能測試及一年多的用戶使用表明，上柴T6114ZLQ3B型天然氣發(fā)動機的故障率最低，維修成本最低，燃料經(jīng)濟性居中，總體的性價比最好。該型發(fā)動機也因此榮獲2005年度“BAAV年度最佳發(fā)動機” 大獎。在此基礎(chǔ)上，上柴公司天然氣發(fā)動機推廣應(yīng)用全面展開，陸續(xù)完成對國內(nèi)主要客車的配套。2005年10月，與陜汽奧龍牽引車的成功配套，實現(xiàn)了天然氣發(fā)動機在重卡應(yīng)用領(lǐng)域的突破。目前，配備上柴天然氣發(fā)動機的陜汽重卡已在西安、延安、包頭、南京、?？诘鹊嘏渴褂茫⒊隹诘教﹪?。2006年初，銀川公交選用40輛配備T6114ZLQ3B天然氣發(fā)動機的丹東黃?？蛙?，經(jīng)過近2個月的試運營，用戶對上柴的發(fā)動機相當滿意，從而進一步增強了廣大用戶選用放量的信心。另外，4CT180天然氣發(fā)動機配套應(yīng)用進展迅速。到5月末，已完成對江淮、金旅、申龍、中通、重慶宇通客車的配套，還為清華大學(xué)提供2臺發(fā)動機作混合動力客車配套。事實證明，上柴天然氣發(fā)動機產(chǎn)品在市場競爭中贏得了先機，使得廣大用戶對我們的產(chǎn)品倍加關(guān)注。
4. 天然氣發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化
上柴公司在氣體燃料發(fā)動機方面持續(xù)不斷地投入、研發(fā)、改進和推廣應(yīng)用，不僅培養(yǎng)、鍛煉了一支專業(yè)化的技術(shù)隊伍，而且逐步建立起較完善的研發(fā)、生產(chǎn)、配套和服務(wù)體系。目前，天然氣發(fā)動機產(chǎn)品已溶入大批量生產(chǎn)的114系列柴油機的生產(chǎn)系統(tǒng)，年生產(chǎn)能力達到5000臺。為了全面推進天然氣發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化，我們還要做好以下幾方面工作。一、針對氣體發(fā)動機關(guān)鍵零部件進行二次開發(fā)，研制國產(chǎn)化的電控燃氣供給系統(tǒng)，進一步降低成本，形成核心競爭力；二、產(chǎn)品系列化，擴大產(chǎn)品的功率覆蓋，為用戶提供全面的燃氣動力解決方案；三、產(chǎn)品標準化，建立健全企業(yè)標準，為國家和地方標準建設(shè)提供依據(jù)；四、應(yīng)用多樣化，拓展配套應(yīng)用范圍，從車用延伸到電站、船舶及其他工業(yè)用途?？傊?，堅持走專業(yè)化、系列化、標準化之路，上柴公司必將樹立自主的天然氣發(fā)動機品牌，創(chuàng)造出良好經(jīng)濟效益和社會效益。
5. 結(jié)束語
上柴公司經(jīng)過多年堅持不懈的努力，在天然氣發(fā)動機研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面取得了一些成果，研制出系列化的達到國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先水平的114系列天然氣發(fā)動機產(chǎn)品，逐步形成了自主開發(fā)能力和批量生產(chǎn)能力。我們要感謝全國清潔汽車領(lǐng)導(dǎo)小組各位領(lǐng)導(dǎo)和專家對上柴的大力支持，感謝國家科技部、發(fā)改委、上海市科委、經(jīng)委對上柴的大力支持，感謝廣大用戶和業(yè)內(nèi)專家對上柴的大力支持。上柴公司將進一步打造自己的天然氣發(fā)動機品牌，不斷豐富自主產(chǎn)權(quán)的天然氣發(fā)動機產(chǎn)品，使之系列化、產(chǎn)業(yè)化，為廣大用戶提供一攬子的燃氣動力解決方案和滿意的服務(wù)。
（轉(zhuǎn)載）
