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氣體發動機:節能減排,為環保而生

2009-12-16 作者:吳正剛 來源:www.yfzyy.cn

   好萊塢年度科幻災難大片《2012》日前在全球上映,影片講述了全球生態環境日漸惡化最終迎來了世界末日的到來。環境惡化是21世紀人類面臨的最主要問題。傳統能源對于環境的破壞,傳統能源的日漸短缺,將直接影響人類社會的持續發展,威脅著人類的健康和生存環境。于是尋找和發展新能源、替代能源對整個人類社會有著極其重要的意義。


   作為能耗大戶,汽車行業的節能減排一直是各國政府高度關注的焦點問題之一。當前全球資源充足、利用技術成熟的汽車替代能源當屬氣體燃料。但是氣體燃料在汽車上的利用,有時也會因為技術的缺陷而引發污染環境的問題。2009年10月,中國廣州市人大代表對廣州市LPG公交車的環保性提出了質疑,并由此引發了一系列的論證與反論證。在這一事件中有一件引發爭議的核心零部件與節能減排有著密切和直接的聯系,便是氣體燃料向動力能量的轉化地——氣體發動機。


   氣體發動機環保優勢明顯


   當前使用單氣體燃料作為能力源的發動機,主要有LNG(液化天然氣)發動機、CNG(壓縮天然氣)發動機和LPG(液化石油氣)發動機三種。氣體發動機與同排量的柴油機相比,動力性相當,環保優勢明顯,更容易達到國IV、國V排放。且當前生產技術趨于成熟,生產工藝設備與柴油機可通用。在油氣價差保持的前提下,燃料經濟性顯著。不過氣體發動機也有一定的缺陷,比如續駛里程短、燃料加注時間長、加氣站的建設投資太大等。


   既然環保優勢明顯,為何廣州市會出現LPG公交車污染事件的爭議呢?其實2009年10月事件發生時很多專家已經給出了解答,稱問題在于引發爭議的“不對等測試”沒有可比性,就好像“快報廢的名車肯定比不過新出廠的低檔車”,而對比香港LPG巴士的良好運營情況可以發現,原裝LPG公交車和改裝LPG公交車的排放量差別明顯,這或許才是廣州LPG公交污染事件的真正原因。

 

廣州LPG公交車

廣州LPG公交車


   而目前我國公交行業應用氣體燃料清潔動力已取得顯著成效,北京、上海、廣東、四川、重慶、海南、甘肅等許多城市公交公司在發展環保節能型氣體城市客車上已經邁出了堅實的基礎。隨著我國“西氣東輸”管網的建成與投入使用,國外氣源供應日漸穩定增大,氣體燃料客車也迎來了發展高峰期。近年來國內各大盛事的舉辦,都離不開氣體燃料清潔能源客車的身影,從2008年奧運會,到2010年廣州亞運和上海世博,都已經或者即將出現氣體清潔能源燃料大客車的參與。


   國內外主流的發動機廠家正是看到這一形勢,紛紛推出環保節能技術的客車氣體發動機,如玉柴近年研發上市的YC6M、YC6L、YC6G和YC4F等九大系列環保發動機、上柴2009年主推的天然氣發動機,國際知名的發動機廠商如康明斯、依維柯和戴姆勒-克萊斯勒等也在不遺余力地大力研發和推廣氣體發動機等。可以說,配載氣體發動機的大客車已經成為各大城市必不可少的一份子,并越來越有成為城市公交客車主流的趨勢。


   氣體發動機發展現狀


   我國20世紀50年代開始發展低壓天然氣汽車,80年代中后期改革開放之后,氣體燃料汽車開發應用的步伐加快。國內大型發動機廠和汽車廠如玉柴、上柴、濰柴、東風和解放等廠家相繼推出了各自的氣體發動機產品在市場上推廣應用。1988年我國從澳大利亞、新西蘭、加拿大等國引進CNG加氣站的全套設施、改裝汽車部件及高壓氣瓶,分別建站于南充、大慶等地,開啟了CNG汽車發展的新時代。

 

東風康明斯B、C系列天然氣發動機

東風康明斯B、C系列天然氣發動機


   相對于LNG發動機,CNG發動機和LPG發動機的技術成熟程度、經濟成本等都更現實,目前CNG發動機已經廣泛應用其第三代電控噴射CNG的技術,采用高壓噴射,通過節氣門傳感器,氣體流量傳感器,轉速傳感器,水溫傳感器,進氣溫度傳感器,壓力傳感器和氧傳感器等經過中央處理單元來控制點火、空燃比等。更先進的LNG缸內直噴技術目前已得到小批試用,動力性、經濟性和排放俱佳,但開發難度較大,費用昂貴,成本也高,國內尚未開始研制。


   與傳統柴油機相比,氣體發動機取消了原柴油機的燃油噴射系統相關的零部件,增加了蒸發調壓器(LPG發動機)、減壓器(CNG發動機)等供給氣體燃料的相關零部件。傳統柴油機是壓燃式發動機,而氣體發動機由于受燃料特性限制(抗爆振性能),采用的是與汽油機一樣的點燃方式。在取消了噴油器后,將原缸蓋上的噴油器孔改為了火花塞孔。在取消了油泵后,在原油泵安裝位置裝上了一個點火傳動裝置,通過點火正時傳感器獲得發動機的點火正時信號。增加了以點火模塊、點火線圈及火花塞等零件組成的點火系統。

 

上柴SC8DT系列天然氣發動機

上柴SC8DT系列天然氣發動機


   氣體發動機的控制系統多采用電控,與機械式柴油機相比,各工況點的空燃比、點火提前角、增壓壓力都實現了更精確更科學的控制。為滿足這些控制要求,增加了相應的MAP、MAT、ECT、點火正時以及氧濃度等傳感器。


   由于我國能源戰略結構的調整,未來將有更多的氣體燃料資源通過進口為國內使用。目前在國內正在實施LNG加氣系統的城市有北京、烏魯木齊、長沙等,約有近百輛LNG單一燃料公交示范車輛正在運營。CNG車則已在四川、重慶、北京、西安、內蒙、等地推廣。LPG環保節能型氣體城市客車也在北京、上海、廣東、四川、重慶、海南、甘肅等許多城市的公交系統已經試行。在國外,LPG被用作輕型車輛燃料已有許多年。


   氣體發動機發展前景


   氣體發動機的電控系統和傳統柴油機電控系統有所不同,其增壓、后處理均有特殊要求,且將先進的電子控制燃料噴射技術應用于氣體發動機,以便根據發動機的溫度、負荷、轉速等關鍵參數對氣體燃料的供給、混合氣濃度、點火正時等進行精確控制,以提高發動機的功率和降低排氣污染。空燃比控制在電子控制燃料噴射發動機的應用效果非常好,它通過監控發動機排放狀態實時調節空燃比,并通過高能、精確點火等自動協調優化方式實現最佳的經濟性和排放性。而從成本來看,氣體發動機電控系統成本竟還稍低于柴油機電控系統。因此深入開發電控系統的潛力十分巨大,未來必將有更好的發展。


   由于歐IV排放法規,不僅要求限制天然氣發動機非甲烷碳氫(NMHC)的排放,而且還要求控制總碳氫排放(THC)。但先進的氧化型后處理技術如何成功地運用于氣體發動機也是關鍵的技術之一,具有很大研究價值。廣州市LPG公交車污染一事有關專家也指出與其尾氣后處理系統有關。

 

裝載上柴天然氣發動機的公交車

裝載上柴天然氣發動機的公交車


   當前國內氣體燃料客車的基礎設施和相關零部件產業尚不完善,用戶對氣體發動機電控技術也還感覺到神秘,并對國產電控氣體發動機持懷疑的態度。以北京、上海為代表的發達城市,主要還是采用進口的氣體發動機。近年來,國產氣體發動機不僅在配套的功率范圍上實現了拓寬,而且在配套領域也有突破,運行過程中的故障報修率也大大降低。以上柴、玉柴、濰柴等為代表的國內發動機廠不斷研制出新技術和新機型,代表了中國內燃機行業的技術實力,也代表了中國未來動力的發展方向。


   此外,氣體燃料大客車的發展對于降低排氣污染、節約石油資源有著重要的意義,我國較為豐富的天然氣和液化石油氣資源也為氣體燃料大客車的推廣應用提供了有力的能源保障,且氣體燃料的使用成本相對于日漸上揚的油價明顯具有競爭力,應該為更多客車用戶所接受。氣體發動機是21世紀的一種新型、綠色動力,未來城市必將由于它的出現而面貌煥然。高效率、低污染的氣體發動機的開發與生產,將是中國乃至世界的客車行業未來共同努力的方向。

 

 

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