LNG技术国内外研究应用现状液化天然气发动机研究应用

LNG国内外研究应用现状

游伏兵. LNG“老化”及其对发动机性能影响研究. [D]武汉：武汉理工大学硕士学位论文. 2004

1．3．1各种不同类型的天然气发动机[1]

[1]王珂，张幽彤．天然气发动机技术发展研究．车辆与动力技术，2002(4)，54-57

一种类型的天然气发动机是通过对柴油机进行相应的改造得到的，采用压燃式的工作方式，依靠柴油机引燃。它继承了柴油机高效率的特点，而且具有较好的动力性。这种形式的天然气发动机通常用于大功率运输车辆上，通过改变柴油与天然气的比例可作为双燃料发动机使用。

另一类天然气发动机则采用与汽油机相似的结构，采用火花塞点燃，根据其供气方式和控制技术又可以大致分为3种。

第一种系统包含一个与化油器类似的部件，用于形成混合气，例如美国底特律柴油机公司50G NGV的预混合供气系统。这种类型的优点是结构简单，价格较低，便于对现有的化油器式汽油机进行改造。但是由于无法进行闭环控制，难于精确地控制空燃比，因而难于达到较高的排放控制水平，不能充分发挥天然气改善排放性能的潜力。

第二种系统采用电控单点喷射(SI)，并结合氧传感器进行闭环控制以较精确地控制空燃比，从而使发动机具有较好的经济性和排放性。但是由于单点喷射器与废气氧传感器之间有较长的距离，因而系统对空燃比的变化相应较迟钝，难于依靠氧传感器的信号在设定的空燃比附近实现快速振荡控制，尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变化，从而使混合气在较长的时间过稀或过浓，使这些工况下的排放性能较差，影响了整体排放指标。

第三种是电控多点喷射系统(MI)，目前已经有电控多点进气口喷射系统产品。这种系统可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制，具有良好的响应性，能实现精确地爆震控制，从而可以采用较高的压缩比，因而排放性、动力性和经济性都有很大提高。例如本田公司研制的天然气发动机采用了在电控燃油喷射系统(PGM-FI)的基础上发展的电控多点气体喷射系统(PGM-GI)，天然气由气体喷射器供到发动机进气门处，发动机的排放值明显降低，CO和HC分别比燃用汽油时下降了78％和80％。美国福特公司1998年推出的天然气发动机也采用多点喷射系统．新一代缸内喷射系统也正在接近实用化，例如美国西南研究院(SWRI)开发的天然气电控缸内直喷(NGDI)系统，采用专用喷气装置通过电子控制实现天然气的缸内直接喷射，稀薄燃烧，结合催化技术实现发动机超低排放。

1．3．2提高天然气发动机功率的对策

研究

由于与汽油和柴油相比天然气的能量密度较低，且天然气大多是以气态形式供应会占用有效充气体积，因而天然气发动机开发遇到的一个问题是改用天然气后发动机功率的下降，对此研究者提出各种解决方案。由于天然气具有很高的辛烷值，因而可以通过提高压缩比的办法弥补功率的损失。

应用

例如日本研制的Nissan AD Van小型超低污染天然气汽车，采用天然气单一燃料，将压缩比由原型汽油机的9.5提高到12.8，使发动机功率和扭矩均有较大提高，低速时扭矩与原机相同，排放结果NOx为0．48g／km,T H C为0．07g／km，大大低于其限定值。废气涡轮增压技术作为提高发动机动力性的有效措施也被广泛采用。

1．3．3降低天然气发动机排放的措施

应用

目前天然气发动机的排放控制策略主要有两种：

一种是美国和欧洲的一些公司采用的稀燃技术加氧化催化剂方案降低排放。例如美国康明斯(CumminsEngine)公司的B5．9G电子控制发动机采用稀薄燃烧、闭环空燃比控制，它是第一个达到1999年美国国家环保局(EPA)清洁燃料车队(CFFV)低排放车辆(LEV)标准认证的天然气发动机，同时也是第一个接受EPA 和加州空气质量委员会(CARB)认证的6L重型发动机，华盛顿大学则成功地将GMC3／4-ton汽车改为NGV，发动机采用稀燃、双涡轮增压、双中冷器，使排放性、经济性、动力性都得到提高。

一种则是最低排放策略。如意大利IVECO公司选用最低排放策略，即以λ传感器为基础进行闭环控制，将NOx排放维持在1g／(kw·h)，然后利用三元催化剂处理。2000年FIAT研究中心将多点喷射(MPI)运用于2．8L 和9．5L发动机上。这种新一代的IVECONGV主要用于城市公共汽车和公用运输车辆。

研究

天然气发动机的废气再循环(EGR)技术应用也得到了广泛的重视。例如West Virginia大学进行了天然气稀燃和EGR研究。美国德州奥斯丁大学(Texas at Austin)针对天然气系统进行采用EGR降低峰值温度、利用排气氧传感器进行闭环控制、采用三元催化装置的研究。随着天然气发动机技术的不断完善，天然气发动机的排放在不断地降低。西南研究院研制的John Deere 8．1L大功率天然气发动机排放已满足加州空气质量协会(CARB)的极低排放标准(ULEV)。

应用

日本本田公司推出了EIVIC系列NGV，在保持原车性能的情况下，其CO，NOx，THC排放量比1997年美国联邦政府制定的标准低60倍，比世界最严格的美国加州ULEV标准低10倍。而且在全电子数字控制基础上，对天然气发动机空燃比和进气量的控制愈来愈精确，控制功能愈来愈丰富和完善。

1．3．4液化天然气(LNG)发动机的研究

国外应用

美国近10年来在LNG汽车的开发方面有显着的进展，美国的MVE公司已成为世界上最大的LNG设备设计生产商，这家公司有长期从事低温设备设计生产的经验，可以提供包括车用气瓶、加气站、大型储存罐、自动加气机和各种真空绝热管在内的全套LNG设备。世界上90％以上的车用LNG气瓶是MVE公司的产品，大部分的LNG加气站也是MVE制造的。美国的各大汽车公司如Caterpillar，Cummills，Detroit Diesel，JohnDeere，BWM，Ford，Mack，Dodge Gasoli rl，都生产LNG发动机，其排放都至少满足美国的低排放标准(LEV)，Cummins 的发动机甚至可以满足超低排放标准(ULEV)。另外，现在已有30多家美国汽车生产厂商制造LNG车辆。日本的SuzukiMotor，Nisshinbo Industriesl等多家公司和研究机构已成功地研制出了LNG电控进气道多点喷射发动机应用于微型客车上。

国内应用

1．3．5国内天然气发动机的研究与应用[2]

[2]张笑波，林在犁．液化天然气汽车的开发与应用．汽车研究与开发，2001(3)，l0-13

地处河南的中原油田为推广液化天然气车(LNGV)采取了一系列举措，已建成LNG一期工程，日产LNGl5X104Nm3，同时正在着手一期扩建工程和二期工程，2005年以前日产LNG能力可提高10倍，可以推广LNG汽车20000～30000辆。2001～2002年期间，中原油田在北京、天津、青岛等城市以建9座LNG加气示范站，并组建了相应的LNGV示范车队。力争在2～5年的时间内形成中原LNGV网络，带动国内LNGV的快速发展[3]。2003年上海交通大学自行研制的单一燃料的LNG公交汽车已在上海试运行。

[3]杨志毅，王旭辉，叶勇等．车用液化天然气开发及应用．石油与天然气化工，2002(6)，59-61

国内研究

LNG车载燃料系统由LNG车用储罐、汽化器、减压调压阀、混合器、控制系统及安全系统等组成，下图为中原油田开发的LNG车载燃料系统的流程图[4]。LNG车用储罐采用双层金属加真空多层缠绕绝热技术，LNG