天然氣是未來幾十年最具前途的發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)性和低排放性在公交車、出租車、載重汽車和發(fā)電機(jī)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(jìn)行天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，從而逐步建立起自己的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究開發(fā)平臺(tái)，開展天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和電控系統(tǒng)研究。先后完成了國家、上海市多個(gè)電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化課題，在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)憑借其優(yōu)良的技術(shù)性能和實(shí)用成果戰(zhàn)勝對手，榮獲2005年度“BAAV年度最佳發(fā)動(dòng)機(jī)” 大獎(jiǎng)。2006年1月，上柴SC6CT250Q3型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，率先通過國III排放認(rèn)證。

2．  天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)

2.1 總體方案

上柴114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是在批量生產(chǎn)的114系列柴油機(jī)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(diǎn)火技術(shù)，先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)全面控制整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、點(diǎn)火時(shí)間及空燃比等，并具有完善的自診斷和安全保護(hù)功能。114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用火花點(diǎn)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(fù)荷仍在原機(jī)設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)采用氧化型催化后處理措施，排放指標(biāo)可滿足歐III、歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，對活塞、氣缸蓋、排氣管、進(jìn)氣門及座圈、凸輪軸等少數(shù)零件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并重新匹配增壓器，其余絕大部分零部件與114系列柴油機(jī)通用，例如機(jī)體、曲軸、連桿、凸輪軸、配氣機(jī)構(gòu)、齒輪系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。原柴油機(jī)的進(jìn)氣道采用螺旋進(jìn)氣道，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，這對于預(yù)混合點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)來說不利于火花塞點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ィ瑸榇巳紵倚枰匦略O(shè)計(jì)。114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)均采用淺盆型燃燒室，這樣可降低缸內(nèi)渦流的強(qiáng)度，有利于火花塞點(diǎn)火和燃燒過程改善。經(jīng)熱力學(xué)模擬計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比確定在10.5～11之間。

2.3 燃料供給系統(tǒng)及點(diǎn)火系統(tǒng)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以燃?xì)夤┙o系統(tǒng)取代柴油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)，采用進(jìn)氣總管預(yù)混合供氣方式。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)包括燃?xì)鈬娚溟y、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?xì)馀c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(dòng)機(jī)采用高電壓、高能量的直接點(diǎn)火方式，每缸設(shè)有獨(dú)立的點(diǎn)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(dòng)機(jī)采用閉環(huán)的電控系統(tǒng)，系統(tǒng)中設(shè)置了多個(gè)傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(diǎn)火系統(tǒng)等進(jìn)行控制。在所有運(yùn)行工況下，電控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)天然氣供給量，以達(dá)到預(yù)定的空燃比。為了提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)行柔性調(diào)節(jié)，這給發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化提供了附加的自由度，同時(shí)也增強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)對海拔高度變化的適應(yīng)能力。114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)均配有電子式節(jié)氣門，實(shí)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(yàn)工作，對各種典型運(yùn)行工況的空燃比、點(diǎn)火正時(shí)等MAP進(jìn)行細(xì)致標(biāo)定，使114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、排放和穩(wěn)定性達(dá)到滿意的折中。發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率可達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等功率柴油機(jī)。采用氧化型催化器的114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放可滿足歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 針對LNG的適應(yīng)性開發(fā)

對于單點(diǎn)噴射的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃用CNG和LNG沒有本質(zhì)的區(qū)別，發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)無需改變，只是外圍的燃?xì)夤┙o裝置有所不同。為了使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)能夠適用于LNG汽車，對燃?xì)庀到y(tǒng)做了相應(yīng)的改進(jìn)，采用電控文邱里式混合器和二級減壓器供氣方式。臺(tái)架試驗(yàn)表明，只要保證LNG蒸發(fā)器的出口壓力為0.55Mpa，燃?xì)饬髁看笥?/SPAN>40kg/h，采用上述燃?xì)庀到y(tǒng)的T6114天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)完全可以到達(dá)原CNG發(fā)動(dòng)機(jī)水平。

3. 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)組，其中車用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型見下表。

上柴車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)型譜

發(fā)動(dòng)機(jī)

參數(shù)

 歐2機(jī)型

 T6114ZLQ4B T6114ZLQ3B 6CTL280-2 4CT160

 4CT180

歐3機(jī)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(jìn)氣方式

 增壓中冷

燃燒方式

 均質(zhì)稀燃/火花點(diǎn)火

壓縮比

 10.5:1

標(biāo)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(diǎn)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(dòng)機(jī)，同年11月第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在烏魯木齊公交上線運(yùn)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(dòng)機(jī)在同一公交線路（上海218路）上做對比試驗(yàn)。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(dòng)機(jī)的故障率最低，維修成本最低，燃料經(jīng)濟(jì)性居中，總體的性價(jià)比最好。該型發(fā)動(dòng)機(jī)也因此榮獲2005年度“BAAV年度最佳發(fā)動(dòng)機(jī)” 大獎(jiǎng)。在此基礎(chǔ)上，上柴公司天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在重卡應(yīng)用領(lǐng)域的突破。目前，配備上柴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的陜汽重卡已在西安、延安、包頭、南京、?？诘鹊嘏渴褂?，并出口到泰國曼谷。2006年初，銀川公交選用40輛配備T6114ZLQ3B天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的丹東黃?？蛙嚕?jīng)過近2個(gè)月的試運(yùn)營，用戶對上柴的發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)滿意，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了廣大用戶選用放量的信心。另外，4CT180天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)配套應(yīng)用進(jìn)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)作混合動(dòng)力客車配套。事實(shí)證明，上柴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在市場競爭中贏得了先機(jī)，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(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化

上柴公司在氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方面持續(xù)不斷地投入、研發(fā)、改進(jìn)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(duì)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(dòng)機(jī)產(chǎn)品已溶入大批量生產(chǎn)的114系列柴油機(jī)的生產(chǎn)系統(tǒng)，年生產(chǎn)能力達(dá)到5000臺(tái)。為了全面推進(jìn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行二次開發(fā)，研制國產(chǎn)化的電控燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，進(jìn)一步降低成本，形成核心競爭力；二、產(chǎn)品系列化，擴(kuò)大產(chǎn)品的功率覆蓋，為用戶提供全面的燃?xì)鈩?dòng)力解決方案；三、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，建立健全企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為國家和地方標(biāo)準(zhǔn)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瑘?jiān)持走專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化之路，上柴公司必將樹立自主的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)品牌，創(chuàng)造出良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5. 結(jié)束語

上柴公司經(jīng)過多年堅(jiān)持不懈的努力，在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平的114系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步打造自己的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)品牌，不斷豐富自主產(chǎn)權(quán)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)鈩?dòng)力解決方案和滿意的服務(wù)。

（轉(zhuǎn)載）