天然气发动机车的改装.doc

天然气发动机汽车的改装吴宇波，邢磊（上海柴油机股份有限公司，上海 200438）摘要 面对石油日益紧张、柴油价格不断上涨的局面,不断恶化的环境以及越来越苛刻严格的排放限制，浅谈利用清洁能源天然气为汽车燃料，将天然气发动机改装为汽车发动机的方法。Abstract: Facing the situation of lacking petroleum and the diesel price rising day and day, worsening environment and stricter and stricter emission limit, a method is simply described to repower the vehicle engine using CNG engine, due to clean fuelCNG as the fuel of vehicle.关键字：天然气发动机 改装 汽车Key words: CNG engine, repower, vehicle1 前言世界范围内石油资源短缺和生态环境恶化是21世纪人类面临的主要问题。能源的短缺将直接影响各国经济的持续发展，而环境污染则直接威胁着人类的健康和生存环境。面对石油日益紧张、柴油价格不断上涨的局面、不断恶化的环境以及越来越苛刻严格的排放要求，世界各国政府和汽车制造企业都在寻找一种清洁能源替代石油的使用，从而缓解社会发展与能源缺乏、经济增长与环境污染之间的矛盾。据研究资料显示, 按汽车现在消耗的速度,世界已探明的石油储量,还能支撑4070年，而已探明的天然气储量,预计可以开采200年。天然气以其清洁、储量大、热值高、排污低、使用经济性好、储量大等众多优点而越来越受到各国政府、汽车制造企业以及汽车用户的青睐。在车辆现有基础上，将汽车的动力由柴油机改装为天然气发动机、并配备完善的配套设施，不仅能够以较低的费用尽快有效的应对世界柴油价格高涨的局面，还能够满足各国政府对车辆排放的限制和要求。本文将简要介绍如何把柴油机汽车改装为天然气发动机汽车。2 天然气发动机车气瓶组及燃气管路布置、安装对于天然气发动机汽车而言，取代了柴油油箱的天然气气瓶组及燃气管路的布置和安装是车辆改装的核心环节之一。天然气发动机汽车的天然气气瓶组和燃气管路主要包括：天然气气瓶组、过流保护阀、高压燃气管路、充气阀、手动阀、压力表、高压燃气滤清器、高压截止阀。天然气气瓶组和燃气管路的布置、安装位置大致如图1所示。图1 天然气气瓶组和燃气管路1天然气气瓶组；2过流保护阀（集成于气瓶口阀门处，防止天然气大流量泄漏）；3高压燃气管路；4充气阀；5手动阀；6压力表；7高压燃气滤清器；8高压截止阀将柴油机汽车改装为天然气发动机汽车，去掉了柴油油箱，天然气气瓶组的布置有了较多的选择。由于天然气气瓶需要承受高达20MPa的压缩天然气压力，气瓶质量较重，因此天然气气瓶组的布置不但需要考虑安装方便，安装还必须牢靠，支架与支架之间尽量选择螺栓连接而不采用焊接，选用强度高的螺栓连接并且应有防松动装置。气瓶与固定卡子间应有橡胶软垫，软垫厚度不小于6mm，气瓶紧固后，沿汽车纵向施加8倍于气瓶质量的力，气瓶不得发生位移或者松动。天然气气瓶组应安装在汽车的安全部位，不得影响汽车行驶性能；天然气气瓶组安装前应充分考虑安装部位的强度，对安装部位最好有加强措施，安装后不允许降低安装部位强度和刚度。一般而言，对卡车，天然气气瓶组安装在驾驶室后面的空间或者车架梁下，天然气气瓶组选择水平安装而不采用垂直安装，如图2所示；对客车，天然气气瓶组安装在原油箱位置以及将行李仓隔出部分用于安装气瓶，考虑到车身强度因素，不建议将天然气气瓶组布置安装在客车顶部。图2 天然气气瓶组水平及垂直安装过流保护阀通常集成于气瓶口阀门中。当天然气流量超过其允许流量值时，尤其是燃气管路出现天然气泄漏，过流保护阀能自动截断天然气供给。气瓶口阀门应得到保护，防止与其它部件碰撞而造成损坏致使高压天然气泄漏。通常，气瓶口阀距车辆边缘不小于200mm。高压燃气管路材料为不锈无缝钢管，选用的钢管直径因发动机功率的变化而有不同，钢管直径的选择通常遵循表1。管路与其它零部件采用卡套式接头连接，且连接处管路应有抗震弯曲，弯曲半径不小于5倍管径，所有管路接头应排列整齐，布置合理，不得安装在高热源、易磨损或易受冲击的位置，各管路接头在使用中不应因变形而与其他部件接触。 同样，为了消除热胀冷缩影响，管路每隔1米至少有一个弯曲，弯曲半径不小于5倍管径。管路需要稳定牢靠固定，因此固定管路的卡子间距不得大于600mm，如果管路与相邻部件接触或穿越孔板，应采用橡胶衬垫保护。燃气管路中的所有接头应通风顺畅，以利于一旦接头出现燃气泄漏，泄漏的天然气能够迅速排出。表1 高压燃气管路钢管选择发动机额定功率Pe钢管直径选择Pe160hp6mmPe180hp8mm160hpPe180hp6mm或者8mm均可充气阀实际上是一个单向截止阀，一般安装于靠近天然气气瓶组处。充气阀的加气口应安装有适当防护以避免外界对加气口的冲击，并且充气阀要易于充气操作。通常，加气口距车辆边缘应不小于15mm。在燃气管路中安装手动阀是必须的，目的是在对天然气气瓶组加注天然气以及对燃气管路和发动机做维修保养时，截断燃气管路，停止燃气供应并将天然气气瓶组与发动机隔开。因此，手动阀的安装位置也是靠近天然气气瓶组为宜，且手动阀最好旋转90即可实现管路完全打开和完全关闭。压力表安装在燃气管路的高压段，显示天然气气瓶组和燃气管路中的天然气压力，并提示车辆使用人员是否需要向天然气气瓶组加注天然气，也有利于对发动机故障的判断。对于有些配置要求较高的车辆，还在燃气管路中安装了电子显示的压力表，并将压力显示器接入驾驶室，利于驾驶员时刻监测天然气气瓶组的天然气压力。由于加入的天然气中，含有油（主要来自天然气压缩机）、水及其它杂质，因此高压燃气滤清器是改装天然气发动机时必须安装的，一般安装在压力表之后尤其是高压截止阀之前。对高压燃气滤清器的要求是：能够过滤0.30.6微米直径的微粒，尤其是要能够过滤天然气中的油。安装高压截止阀是从安全角度考虑，高压截止阀是电子控制的，通常由发动机的ECU控制。一旦发动机不工作，高压截止阀就关闭，截断燃气供应至发动机。高压截止阀的工作电压有12V或者24V，具体工作电压由控制它的发动机ECU确定：即选择满足发动机ECU要求的高压截止阀安装。3 天然气发动机安装及相关设备匹配3.1天然气发动机的选择从改装成本考虑，用户不太愿意在改装了车辆发动机的状态下，再更换变速箱甚至车辆其它动力传动机构，因此选择天然气发动机时要注意新发动机的额定功率、额定转速以及最大扭矩是否与原发动机一致。若不一致，一般的考虑是：新发动机的额定功率1.05原发动机的额定功率0.95且新发动机的最大扭矩1.06 原发动机的最大扭矩0.94，或者新发动机的额定功率0.95原发动机的额定功率1.05且新发动机的最大扭矩0.94原发动机的最大扭矩1.06；同时新发动机的额定转速与原发动机的额定转速相差不超过5。否则，改装前后，车辆的性能相差很大，如车辆功率不足扭矩不够、加速慢、发动机经常处于超速状态、车辆最高车速不够、百公里燃料消耗偏高发动机使用时间长了甚至会导致离合器、变速箱损坏。3.2天然气发动机燃气供应系统的布置与连接天然气发动机的燃气供应系统主要包括高压减压器、热交换器、天然气供应装置、混合器（混合空气与天然气）以及氧传感器。高压减压器能够将高压的天然气从20MPa减压到810bar，因此需要用发动机的冷却液流过高压减压器，目的是：1、加热高压减压器，避免高压减压器内部热应力集中，因为减压后的天然气温度会降到接近80，2、加热减压后的天然气。高压减压器的出气管路也必须能够承受80低温，为了使高压减压器的出气管路有足够的强度承受管内外的巨大温差而出现的热应力，建议高压减压器出气管路材料选用不锈钢管，并且管路有足够的弯曲以承受热膨胀。另外，高压减压器都有一个卸压阀，一旦高压减压器内部故障，高压减压器不能减压，卸压阀将顺利有效的将高压天然气卸去。因此，高压减压器必须安装在通风顺畅且易于天然气迅速扩散的位置；如果高压减压器的实际安装位置无法保证通风顺畅以及易于天然气迅速扩散，那么必须另接一根通气管至高压减压器的卸压阀，以便于迅速、安全、有效的排出卸去的高压天然气。来自高压减压器的天然气虽然在高压减压器内经过加热，但温度仍然很低，因此在对有些天然气发动机而言，还需要另外安装一个热交换器，用发动机的冷却液加热减压后的天然气。目前，发动机冷却液流过高压减压器和热交换器的顺序普遍为：（来自发动机的）冷却液高压减压器热交换器发动机水泵进口。为了提高换热效果以及减小热应力，天然气与发动机冷却液在热交换器内应交叉流动，即逆流，如图3所示。为了防止热交换器内出现“冰堵”，发动机的冷却液应使用防冻液。图3 热交换器内天然气和发动机冷却液流向天然气从天然气气瓶组到发动机的流动顺序为：天然气气瓶组过流保护阀手动阀（中途经过充气阀）压力表高压燃气滤清器高压截止阀高压减压器热交换器天然气供应装置混合器（在混合器中与空气混合后的燃气进入）发动机。有的地区使用的天然气比较脏，含有较多的杂质和油（油主要来自天然气压缩机），那么建议在热交换器与天然气供应装置之间再安装一个低压燃气滤清器，从而确保干净的天然气进入天然气供应装置，因为天然气供应装置对进去其的天然气往往有较高的要求。氧传感器的作用是：测量排气中的氧浓度，将测量结果反馈给发动机的ECU，从而精确控制发动机的燃气供应，实现发动机的燃烧最优化。因此，氧传感器的安装位置对传感器的正常工作非常关键。氧传感器安装在离增压器出口或排气管路弯头下游至少3-5个直径的长度。氧传感器绝对不能安装在排气管路弯头处。在满足以上限制条件的情况下，最好将传感器安装在离增压器尽可能近的地方。安装时，氧传感器要垂直于废气流过方向，这样能够提高传感器读数的准确性。为了提高氧传感器的使用寿命，建议氧传感器向下或者斜向下安装，如图4所示，并注意庇护氧传感器的连接线束。图4 氧传感器的安装角度和位置3.3天然气发动机电气控制部件的布置与连接发动机电气控制部分包括发动机ECU、各传感器和执行器以及发动机线束。发动机ECU正如人的大脑，是发动机的核心。在对发动机ECU布置和安装时，应注意：1) 发动机ECU需防水防油防腐蚀；2) 发动机ECU安装橡胶防振软垫；3) 易于发动机ECU通风散热；4) 便于安装和拆卸。布置、安装车辆排气管时，一定要注意远离发动机的各传感器和执行器（氧传感器按照其要求安装），因为高温环境严重影响了传感器和执行器的性能。对发动机线束的布置连接要求主要有以下几方面：1) 线束应保证接地可靠；2) 线束应远离高温零部件（如排气系统、增压器、空压泵排气管路），以避 免受热变形；3) 线束布置合适，不得受力；4) 线束应有必要的支撑，且有预防磨损的措施；5) 所有没有使用的线头和接插件需要密封，防止短路；6) 所有接插件须防水密封；7) 线束及所有接插件需要防水、防油、防尘和防腐蚀。通常，在驾驶室的仪表台上还应安装一个故障指示灯和诊断开关。一旦发动机出现故障，故障指示灯将发出警告，驾驶员可通过接通诊断开关来判读发动机的故障，便于维修人员尽快、及时的对发动机做维修。故障指示灯和诊断开关的布置位置要便于驾驶员识别和操作。3.4 助力转向泵、空气压缩机的重新匹配在选择要更换的天然气发动机时，要注意新发动机的助力转向泵与原车辆转向系统的匹配。新发动机的助力转向泵如果没有与原车辆的转向系统匹配良好，将会给车辆的行驶带来安全隐患，如车辆行驶中转向困难或转向异响，严重时会因转向发卡而造成恶性的交通事故。一般来说，转向油泵与方向机的匹配原则是：方向机带卸荷的情况下，转向泵可以不带安全阀，系统由方向机来卸荷。方向机不带卸荷，则转向泵的压力略大于方向机的最高压力，一般为转向油泵的最大压力：PP= P1+P其中P1 为方向机的最大压力；P为管路损失,一般取(0.3-0.5)MPa转向泵的排量为：qQ/Np式中：q为助力转向泵的几何排量；Q为车辆转向系统在发动机最低稳定转速时方向机所需要的最小流量；Np为在发动机最低稳定转速时助力转向泵的转速，即发动机最低稳定转速助力转向泵与发动机的速比。动力转向油泵的控制流量为： Qp（1.05-1.15）Qmax。式中：Qp：为转向泵油泵的控制流量Qmax 为方向机所需的最大流量； 如果无法确定车辆对助力转向泵排量的匹配要求，那么选择的天然气发动机的助力转向泵的排量应不小于原发动机助力转向泵的几何排量。目前很多车辆的主要制动方式为气压制动，而空气压缩机是气压制动方式的最主要部件。目前，一般的客车及普通的卡车，空压泵排量在300L/min就能够满足使用需求，对于10L和12L发动机的重卡及使用空气悬架的客车，排量一般是400L/min以上，12L发动机最大配置的空压泵排量有达到600L/min以上。一般空压机的排量由储气筒的和制动管路的容积相关，国标有规定储气筒由自然状态气压上升至额定气压（制动系统的最高工作压力，也即卸荷阀开启压力）的时间。而储气筒的工作容积又与制动系统基本参数：各制动气室总的工作容积Vs，全部制动管路总容积Vg相关。一般储气筒总容积为（2040）*（Vs+Vg）。在选择要更换的天然气发动机时，如果无法确定车辆的空气压缩机排量需求，为了确保改装后车辆的行驶安全，新发动机的空气压缩机的排量应不小于原发动机的空气压缩机排量。3.5发动机进气系统、整车冷却散热系统重新匹配和安装3.5.1发动机进气系统车辆改装前后，发动机的额定功率变化不大，空气滤清器不需要重新匹配，但是发动机的进气口可能会有变化，发动机的进气管路可能需要重新设计。重新设计进气管路时，进气管路应尽量短并且不能有90拐弯，任何一次拐弯都要有圆弧过渡，过渡圆弧半径不小于管径的1.5倍。增压器压气机进气阻力小于5kPa，增压器压气机出口至发动机最大压降不超过13.6kPa，且发动机的进气阻力越小越好。 3.5.2整车冷却散热系统车辆在改装前后其发动机功率可能变化不大，但是由于天然气与柴油的热值及燃烧特性，决定了天然气发动机的发热量明显大于柴油发动机，因此车辆发动机改装换为天然气发动机后，整车的冷却散热系统必须重新匹配。最好在完成车辆改装后，对车辆的冷却散热系统做热平衡试验，以检验车辆的冷却散热系统匹配是否合理，并改进不满足热平衡试验的冷却散热系统，确保改装后发动机能够安全、可靠的运行。重新匹配整车的冷却散热系统需根据发动机的技术要求确定，尤其是中冷器、散热器和风扇的匹配，不同发动机匹配的冷却散热系统可能会不同。若无法确定发动机的冷却散热技术要求，可参照比天然气发动机动力性高出15%（如若天然气发动机为250hp，则参照280马力的柴油发动机；若天然气发动机为280hp，则参照320hp的柴油发动机）的柴油发动机的技术要求来匹配天然气发动机汽车。对气候炎热地区，冷却散热系统在匹配时，参数应做适当的放大；对气候寒冷地区，冷却散热系统在匹配时，参数可适当缩小。通常采用串连方式来布置中冷器和散热器，空-空中冷器需放在气流的最上游，以使温度最低的空气流过中冷器。中冷器不能阻碍气流通过水箱。水箱牢靠固定在底盘上以防止剧烈抖动和对硬管连接头的过分挤压。发动机进水管用硬管连接，软管连接长度不超过500mm。由于汽车发动机布置有前置式和后置式，因此决定了风扇为吹风式或吸风式，原则是风扇空气流动方向必须与车辆行驶时迎风空气流方向一致。对改装车辆而言，新匹配的风扇的类型与原风扇保持一致，即原风扇为吸风式，新匹配的风扇也为吸风式，原风扇为吹风式，新匹配的风扇也为吹风式。由于通过提高风扇扫过散热器芯的面积可以提高通过散热器芯的空气流量，因此风扇的直径最好等于或稍微小于散热器芯的最小尺寸（为了保证通过散热器芯的空气流量不变，风扇转速可能会有所降低，这样有利于降低风扇噪声和耗功）。风扇导风罩以最小阻力将气流从方形的散热器平稳导流到圆形的风扇，以利于空气流动。发动机冷却液中需加入防冻液，冷却散热系统的水管路连接如图5所示。 图5 冷却散热系统的水管路连接图3.7天然气发动机其它连接管路的匹配推荐使用纤维的高压橡胶作为助力转向泵的进油管和出油管材料，而带钢丝的高压橡胶软管建议不要使用，因为车辆一旦出现漏电事故，带钢丝的高压橡胶软管可能会通电，这样将引起橡胶燃烧，进而导致转向油着火，致使车辆发生火灾。为了保证车辆转向可靠，助力转向泵的进油管和出油管内径也是有所要求，通常为：进油管内径不小于14mm，出油管内径不小于12mm。空气压缩机通常从空气滤清器后或者中冷器后取气，为了保证空气压缩机工作正常、稳定、可靠，空气压缩机的进气管内径要求是不小于19mm；而对空气压缩机的排气管而言， 其材料必须能够承受高达250的高温，而其内径应在13mm以上。考虑到空气压缩机的排气管路可能出现的高温，空气压缩机的排气管不允许与任何的线束及橡胶件接触，尤其是采用铜管或者不锈钢管作为空气压缩机的排气管时。空气压缩机的排气管到干燥器的长度必须大于4米，以保证高温的压缩空气到干燥器时温度不超过65。4 整车部分零部件的重新匹配、布置和安装4.1整车电瓶的选择由于车辆改装前是柴油机，改装后是天然气发动机，两者所带的起动电机可能会有不同，因此对整车电瓶的匹配也会有不同。对电瓶容量的选择是：实际安装的电瓶容量起动电机所要求的电瓶容量。4.2助力转向泵油壶的重新布置、安装发动机改装至整车上后，要检查助力转向泵油壶的安装位置是否合适。转向泵油壶必须远离高温零部件（如排气系统、增压器、空气压缩机排气管路），尤其是不能安装在发动机排气管或增压器的上方，以避免因转向油溢出而引起火灾，并且要防止转向油溢后出流至电气线束造成电路短路。车用发动机大多使用的是转向油泵为叶片泵时，其自吸能力较差，应注意液压油壶的正确安装位置，要求油壶出油口位置高于液压转向油泵进口20mm以上，同时管路尽可能避免转弯，如不可避免时，转弯角度和转弯半径应尽可能大，避免管路的压力损失。4.3空调压缩机及相关部分的重新匹配发动机更换后，车辆的空调压缩机及其相关零部件可能需要改变。考虑到更换前后的发动机额定转速不同，需要改变空调压缩机的驱动轮半径，使得在发动机处于额定转速时，空调压缩机的驱动轮转速不改变，从而实现发动机更换前后空调压缩机的工作性能一致。由于更换了发动机，空调压缩机的安装位置可能需要改变。对于车载独立顶置式和独立内置式空调，空调压缩机是用独立的柴油发动机驱动。车辆发动机更换为天然气发动机后，考虑到用户的使用成本，以及从便于用户使用天然气发动机车辆角度考虑，需要将原先用于驱动空调压缩机的柴油发动机取消而将独立式空调压缩机转变为非独立式空调压缩机，用作为车辆动力的天然气发动机来驱动空调压缩机。这样，需要重新设计空调压缩机的安装位置、相应支架和相关管路，并且重新确定空调压缩机的驱动轮，实现车载空调系统的性能不变。这类车辆的发动机改装比较复杂，难度也比较大。4.4排气制动装置、尾气后处理装置、消声器对有的天然气发动机，排气制动装置是不允许安装的，如美国康明斯天然气发动机、中国上柴天然气发动机。是否允许安装排气制动装置需根据所选用的天然气发动机的技术要求确定。对发动机排放有限制的地区，车辆还需要安装尾气后处理装置（该装置一般都随发动机配套给用户）。尾气后处理装置一般要求有较高的工作温度，因而建议为尾气后处理装置准备单独的隔热仓，将尾气后处理装置与周围隔开，以避免尾气后处理装置周围的零部件受到其热辐射影响。尾气后处理装置需按照安装说明布置安装。一般来说，只要车辆的排气背压满足发动机的要求，可以不用考虑重新匹配消声器，除非车辆使用所在地区对噪声控制有要求。4.5整车排气系统车辆改装发动机时，需要考虑到不同的发动机对排气背压要求不同。发动机改装完成后，需要对车辆的排气管路测试排气背压，对排气背压超过发动机允许值的车辆，其排气管路需要做适当的改动，使得车辆的排气背压满足发动机的要求。一般来说，对未安装尾气后处理装置的发动机，其排气背压不超过10kPa；对安装了尾气后处理装置的发动机，其排气背压不超过18kPa。排气管内径建议大于85mm。4.6车辆线束发动机电气线路与原车辆的线路连接完成后，一定要重新整理车辆线束，尤其是通过车辆底盘的线束。重新整理车辆底盘线束时，注意线束避让发动机及车辆的高温零部件，如发动机排气管、车辆排气系统、发动机增压器、以及空气压缩机排气管路，并更换所有老化的线路。所有可能会造成短路的接头或线束接插件都要求有庇护或者更换，特别是起动电机和发电机的正极接线桩子，需要使用橡胶帽子以保护其不会因雨水而造成短路，尤其是卡车。5 天然气发动机功率修正由于不通地区，不同国家的天然气，其成分是不同的，尤其是甲烷含量是不同的，因而天然气发动机车改装完成之后，需要根据车辆使用地区的天然气成分，修正发动机程序中的相关数据，以保证发动机的实际功率与发动机出厂时的功率一致。表2为中国上海地区、马来西亚新山地区以及泰国曼谷地区的天然气主要成分。一般来说，若发动机实际使用地区的天然气甲烷含量（天然气中主要成分为甲烷）高于发动机出厂使用的天然气甲烷含量，那么实际使用时，发动机程序中的燃气浓度应适当变稀；若发动机实际使用地区的天然气甲烷含量（天然气中主要成分为甲烷）低于发动机出厂使用的天然气甲烷含量，那么实际使用时，发