摘要：采用单点电控喷气系统、增压中冷技术、稀薄燃烧方式、匹配新型高效增压器，及用于天然气废气的特殊催化器，开发了一种以天然气和柴油为燃料的CA6110ZLA5N2 双燃料发动机。试验结果表明，该发动机不仅保持原柴油机的动力性，而且排放满足欧Ⅱ标准的要求。
关键词：柴油/天然气双燃料发动机 开发 性能 排放
1 前言
环境保护（降低CO2 、NOx 和臭氧排放）和能源问题已经变成全球日益关心的重要问题。天然气以其丰富的资源和清洁燃烧特性而成为改善环境的一种好的清洁燃料。世界各大发动机公司都在积极研究开发可代替汽油机和柴油机的天然气发动机。
柴油/天然气双燃料发动机同时燃用柴油和天然气两种燃料，具有不同于柴油机或汽油机的工作特点。双燃料发动机的性能不仅取决于电控系统的优劣，而且取决于柴油、天然气和空气的合理组织。CA6110ZLA5N2 双燃料发动机在结构上采用电控单点天然气喷射系统。同时，通过匹配新型高效增压器、优化空燃比、燃烧过程、柴油供油提前角以及天然气替代率等方面进行了性能开发，使该双燃料发动机不仅具有原柴油机的动力性，而且排放满足欧Ⅱ标准的要求。
2 CA6110ZLA5N2 双燃料发动机的结构开发
CA6110ZLA5N2 柴油/天然气双燃料发动机采用电控单点喷气控制方式。其供气系统如图1 所示，主要由天然气瓶（包括逆止阀、安全泄放阀、充气阀、手动关闭阀等）、燃气压力调节器与电磁阀、气体流量阀、燃气喷射器、节流阀体、中央控制器、燃气压力传感器、燃气温度传感器、进气温度传感器、进图1 CA6110ZLA5N2 发动机供气系统电子控制图气压力传感器、油门位置传感器、柴油油量控制器、冷却液温度传感器、转速传感器、天然气储量传感器、控制面板和线束等组成。
图1 CA6110ZLA5N2 发动机供气系统电子控制图
天然气从气瓶通过高压不锈钢管流入燃气压力调节器，在此天然气的压力由20MPa 降低到1MPa。发动机的冷却液被引入燃气压力调节器，以避免因天然气压力降低吸收热量而使压力调节器冻结。然后，天然气通过电磁阀进入气体流量阀，由燃气喷射器喷入节流阀体，在节流阀体内天然气与空气混合，流入进气歧管，最后到达各气缸内。
2.1 燃气压力调节器
燃气压力调节器可以将天然气的压力从20MPa降到1MPa 左右，而且在压力调节器上装有压力传感器，与驾驶室内控制面板相连，这样司机在驾驶室内即可通过压力值了解气瓶内天然气的储量。燃气压力调节器内部带有40μm 的滤清器，可以滤除气体中的杂质。燃气压力调节器后连接电磁阀，当发动机出现故障或发动机熄火时，电磁阀自动切断天然气的供给。
2.2 气体流量阀
气体流量阀精确控制双燃料工作状态下的燃气流量。其内有一小容积室，燃气喷射器、天然气压力和温度传感器与其相连。天然气压力和温度传感器分别测量出容积室中天然气的压力和温度，ECU 将实测天然气压力与存储在ECU 内的目标压力值相比较，根据实测压力与目标压力的差值调整容积室的容积，保证精确的天然气喷射量。天然气的喷射压力为100～800bar，天然气喷入节流阀体内，与空气充分混合后进入气缸。燃气喷射器的喷孔与空气的流向相反，使天然气与空气充分混合。
2.3 节流阀体
节流阀体安装在中冷器和进气接管之间并通过支架固定在发动机的前端。节气门的开度通过中央控制器内由发动机转速和油门位置（即负荷）确定的节气门开度MAP 决定，并通过步进电机的步数调整节气门开度，进而控制空气的流量。
2.4 中央控制器（ECU）
ECU 是CA6110ZLA5N2 双燃料发动机的控制核心。它不但可以设定和储存燃料MAP 与节气门开度MAP，同时能检测和记录发动机的故障信息，通过控制面板显示出来或输送到外接设备中。ECU 接受转速传感器、油门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、燃气压力传感器、燃气温度传感器、冷却液温度传感器和天然气储量传感器等8 个传感器的信息，通过计算分析处理后，向节流阀体、柴油油量控制器及气体流量阀等3 个主要执行器发出指令，操纵和控制它们的运动，来控制节气门开度、控制双燃料状态下的柴油量以及燃气的流量，进而保证发动机的性能。
ECU 具有故障自诊断功能，当控制系统出现问题时，ECU 自动记录错误信息，并将错误代码在控制面板上显示出来。ECU 可自动记录天然气流量、柴油流量、天然气温度和压力、进气温度、进气压力等30 余个参数随时间变化的曲线，方便地进行分析。
2.5 油门位置传感器
油门位置信号和转速信号是决定燃料MAP 和节气门开度MAP 的两个主要参数，油门位置传感器固定在喷油泵的油门操纵杆上，并通过油门拉线与油门脚踏板连接，由司机直接控制。ECU根据它所测得的信号确定天然气、空气和柴油。
2.6 柴油油量控制器
柴油油量控制器安装在喷油泵的后端，由步进电机驱动直接控制喷油泵齿条行程。发动机在双燃料工作状态时，ECU 按照其内设定的燃料MAP，通过控制步进电机的行程从而控制齿条的位移量来控制在双燃料工作状态的柴油油量。在纯柴油工作状态时，柴油油量控制器不起作用，由喷油泵调速器直接控制发动机的柴油喷射量。
2.7 冷却液温度传感器
冷却液温度传感器安装在发动机的出水管上，测量发动机冷却液温度，当发动机冷却液温度达65℃以上，转速达到900r/min 以上时，发动机自动转换到双燃料的工作状态。
2.8 转速传感器
转速传感器安装在齿轮室罩盖-飞轮壳上测量发动机的转速，其信号是决定燃料MAP 和节气门开度MAP 的主要参数。
2.9 控制面板
控制面版固定在驾驶室内的仪表板上。控制面板上有控制发动机工作状态的转换开关，还可以显示双燃料工作状态下的天然气替代率及气瓶内的天然气储量。当双燃料工作状态下出现故障时，控制面板上的故障显示灯就会提醒司机，同时可以通过外接设备端口把故障的原因打印出来。
3 CA6110ZLA5N2 柴油/天然气双燃料发动机的性能开发
3.1 匹配新型增压器
增压器对发动机的性能影响很大，尤其对低速低负荷影响更加敏感，匹配合适的增压器可以保证发动机低速充足的进气量，同时使高速时的进气量在可接受的范围内，这样双燃料发动机不仅能够保证良好的低速性能同时能够保证高速性能。CA6110ZLA5N2 双燃料发动机匹配了新型增压器，不仅大幅度改善了发动机中低速工况的动力性和经济性，同时对发动机高速工况的动力性和经济性影响不大。发动机在1200r/min 时，转矩提高了5%，功率提高了6.3%，油耗降低了2%。
3.2 空燃比优化
空燃比对发动机的排放影响很大。图2 为本田公司开发的天然气发动机的试验结果[1]，表明不同的排放污染物随空燃比的变化趋势不同。该发动机在2000r/min 时，当空燃比接近23 时，发动机的各种排放污染物均达到较佳的水平。
图2 天然气发动机的空燃比对排放的影响
根据这个规律，对CA6110ZLA5N2 发动机的空燃比进行优化，随着空燃比增大，NOx 排放降低，其它污染物增加。但是，空燃比过大会造成发动机缺火，发动机性能恶化。
3.3 控制燃烧过程
CA6110ZLA5N2 双燃料发动机采取天然气和柴油混合燃烧的方式，发动机的缸内压力与柴油机时不同，图3 为柴油与双燃料发动机额定工况和最大转矩工况的缸内压力比较图。可见不同工况时双燃料发动机的最大爆发压力有时比柴油机低，有时比柴油机高。因此，在发动机性能开发时，随时控制双燃料发动机的缸内压力，保持其低于柴油机的水平，以保持双燃料发动机具有柴油机的机械强度。 
图3 柴油与双燃料发动机外特性缸内压力曲线
3.4 柴油供油提前角优化
表1 为不同柴油供油提前角时的发动机排放结果。可见，随着柴油供油提前角的提前，双燃料发动机的NOx 排放增加，THC 和CO 排放减小。这是由于随着柴油供油提前角加大，滞燃期延长，柴油-空气-天然气混合物的数量较多。在较大预混合区域内燃烧速率高，产生较高的燃烧温度，于是降低了THC 排放。另一方面，喷油定时提前较多时燃烧温度较高，引起排气中的NOx 升高。
表1 柴油供油提前角对发动机排放的影响
柴油供油提前角 小提前角 小提前角+2°
THC(g/kW.h) 12.02 11.83
NOx(g/kW.h) 6.387 9.673
CO(g/kW.h) 1.043 1.026
3.5 使用氧化型催化器
由于CA6110ZLA5N2 双燃料发动机采取稀薄燃烧方式，优化控制空燃比，NOx 排放很低，只需使用氧化型催化器来降低CO 和NMHC 的排放。不同配方的氧化型催化器对排放的效果不同，根据CA6110ZLA5N2 双燃料发动机的排放情况，使用特殊配方的催化器，双燃料发动机的排放达到了欧Ⅱ排放要求（以NMHC 考核）。
4 CA6110ZLA5N2 双燃料发动机的性能试验结果
CA6110ZLA5N2 双燃料发动机匹配了新型增压器、优化了空燃比、控制了燃烧过程、优化了柴油供油提前角，采用高天然气替代率后的发动机性能及排放试验结果如下。
4.1 发动机的动力性
图4、图5 是CA6110ZLA5N2 发动机柴油工作状态与双燃料工作状态的台架试验对比结果。从试验结果可以看出，在高速工况时，柴油工作状态的功率、转矩略大于双燃料工作状态的功率和转矩，但在中低转速时，柴油工作状态的功率、转矩略小于双燃料工作状态的功率和转矩。
图4 CA6110ZLA5N2 发动机外特性功率曲线 图5 CA6110ZLA5N2 发动机外特性转矩曲线
在双燃料工作状态时，额定功率达到154.7kW/2500(r/min)，最大转矩达到713N·m/1500(r/min)；纯柴油工作状态时，额定功率达到160 kW/2500(r/min)，最大转矩达到693 N·m/1500(r/min)。可以看出，CA6110ZLA5N2 发动机在动力性上与原柴油机水平相当，达到了开发目标的要求。在高速工况时，完全可以通过提高天然气的供给量达到与柴油工作状态相同的功率和转矩。
4.2 发动机的经济性
图6 为CA6110ZLA5N2 双燃料发动机外特性比油耗曲线。从图6 可以看出，在双燃料工作状态下，最低当量比油耗达到了207.3g/kW·h；纯柴油工作状态下，最低比油耗达到了198.8g/kW·h。
图6 CA6110ZLA5N2 发动机外特性比油耗曲线
4.3 发动机的排放表2 CA6110ZLA5N2 发动机排放结果表
 由表2 可以看出，当在双燃料工作状态时，NMHC 排放为0.78g/kW·h，本次将NMHC 排放控制在低于1.1g/kW.h；在纯柴油工作状态时，满足欧Ⅰ排放法规。
图7 为CA6110ZLA5N2 发动机外特性烟度试验结果。由图7 可见，CA6110ZLA5N2 双燃料发动机双燃料工作状态时的烟度比柴油工作状态时的烟度小得多。
图7 CA6110ZLA5N2 发动机外特性烟度 图8 CA6110ZLA5N2 发动机全负荷替代率
4.4 发动机的替代率
从图8 可以看出，在中高速大负荷时，CA6110ZLA5N2 发动机的替代率达到85%以上。这对于降低发动机的排放，尤其对降低微粒排放大有裨益。
5 结论
通过发动机结构和性能的研究开发，柴油/天然气双燃料发动机在保持原柴油机动力性的同时，排放满足欧Ⅱ法规要求，烟度远低于柴油机水平。而且，天然气替代率在外特性上可达到高于85%的水平，充分发挥了天然气的燃料优点。
参考文献
1 Yamammoto Y et al.Study of Combustion Characteristics of Compressed Natural Gas as Automotive Fuel. SAE paper 940761(end)
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