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现役内燃机再制造升级——清洁能源动力

05日

现役内燃机再制造升级——清洁能源动力

   时间: 2014-06-05

来源:《财经界•再制造》

北京柴发动力技术有限公司总经理 王景恒

 

 现役内燃机是指商用车、工程机械、农业机械、船舶、发电机组、内燃机车等正在使用的柴油发动机。现役内燃机再制造升级,即以再制造技术为手段,匹配燃气电控系统和相关专用件,制造全新的清洁能源动力,置换原车辆的现役内燃机。

 

 一、现役内燃机再制造升级理念的主要依据

 

 1、当前内燃机能耗大、污染严重,亟待转型

 

 据统计,当前中国内燃机产品保有量约为3亿台,2012年中国内燃机消耗商品燃油2.81亿吨,占中国消耗总量的58.7%,与世界先进水平相比,平均每台油耗高出15%~20%。内燃机排放二氧化碳量占中国二氧化碳排放总量的10%,氮氧化物排放量占排放总量的30%,权重比例大,排放的颗粒物已成为城市雾霾的主要成分。

 

 2、顺应国家政策,响应政府号召

 

 2009年,哥本哈根气候会议,中国政府宣布:到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%到45%。

 国务院提出“十二五”目标:非化石能源占一次能源消耗比重达11.4%,GDP能耗降低16%,碳排放降低17%。

 2013年,国办发12号文件《关于加强内燃机工业节能减排的意见》进一步提出内燃机节能减排具体指标。

 

 3、天然气-替代能源大势所趋

 

 清洁、安全、储量丰富、热值高等特质,被公认为石油的理想替代能源,尤其是LNG能源,在车、船等动力上逐渐广泛使用。与汽、柴油车相比,LNG汽车综合污染物排放量可减少85%,而且没有铅、苯等致癌物质以及硫化物的排放,可减少煤和石油用量,降低碳排放,间接改善环境污染。

 

 4、现有“油改气”模式的节能减排实效性不足

 

 内燃机行业过分强调新机制造,对现役发动机关注不够,生产模式单一。新机投放量与投放速度不足,与市场庞大的保有量相比比例太低,如若淘汰旧机、制造新机又会造成资源和能源的重复消耗、增加二次排放,形成恶性循环。

 

 二、柴发动力的“再制造升级”方案

 

 1、通过对天然气汽车运营状况的调查,发现大多数LNG发动机普遍存在以下三个问题:

 

 (1)可靠性欠佳。因高温,发动机裂缸盖、烧气门、溶活塞、损坏涡轮增压器等事故发生频率高。

 (2)经济性不佳。普遍油气比在1:1.15以上,加之故障率高。

 (3)动力性不好。与同等排量柴油机相比,动力下降约20%以上。

 

 2、基于以上不足,我们柴发公司提出以下解决方案

 

 (1)运用再制造技术,保障燃气机机械性能;

 通过和再制造国家重点实验室合作,我们对发动机的基础零部件进行再制造修复,使用专用设备加工尺寸还原,使其达到新机装配标准。如缸体、飞轮、飞轮壳、齿轮室、曲轴、连杆等,还有起动机、发电机、空压机等配件。

 

 (2)优化设计并定制燃气机专用件及相关系统;

 针对天然气发动机的燃烧特性,公司对以下五类零部件进行优化重新设计制造。

 

 a、缸盖

 重新设计气缸盖,增加点火系统,更换天然气专用气门座圈、专用气门,改变匹配间隙。

 

 b、运动件

 重新设计匹配活塞、活塞环与缸套、轴瓦、凸轮轴等。

 

 c、配套件

 针对天然气发动机的热特性,重新设计匹配水泵、机油泵等散热装置的匹配,以保证发动机的热平衡,提高发动机使用寿命。

 针对天然气发动机增压压力控制功能,依据负荷变化,重新设计匹配涡轮增压器,控制增压系统压力,提高系统安全性,保证动力性。

 

 d、进气系统

 重新设计制造进气管,以保证可燃混合气均匀分配到每个气缸,增加空气流速,提高低转速时的充气系数,实现低转速大扭矩。

 

 e、排气系统

 改进排气歧管设计,在涡轮增压器前加装排温传感器,通过EMS进行高排温保护,控制排气温度,故障率大幅降低,提高可靠性。

 

 (3)电控系统无缝嵌入,燃气动力完美释放;

 

 燃气电控系统采用的是公司战略合作伙伴美国Omnitek公司专有系统。经联合研发与调试,采取先进的电子控制策略,最终实现电控系统与所有零部件的最佳匹配。

 

 a、闭环控制

 EMS系统采用德国博世宽谱五线氧传感器,实现闭环控制。过量空气系数(λ值)可以达到1.65(空燃比达到 26.6:1)。通过ECU的精确控制,λ值可精确保持在设定范围内,实现真正意义的稀薄燃烧。

 

 b、高能多次点火

 高能点火技术,针对天然气发动机的燃料理化特性,点火电压可达 42000V,点火能量最高可达 80mJ,确保缸内可燃混合气成功点燃,避免失火现象发生。

 

 c、独立点火线圈设计

 每个气缸对应一个点火线圈,即独立点火线圈设计,使点火系统性能可靠,降低故障率。

 

 d、专用铱金火花塞

 中心电极为铱金,侧电极为钇金,点火能量高,专为燃气发动机设计的更冷型火花塞。

 

 e、专用高压点火线

 专为燃气发动机设计,内置电容,具有反充电功能,提高点火能量。

 

 (4)突破性的标定策略;

 标定策略即目标标定和自标定,其突破传统发动机控制系统标定方法,更多的工作交给计算机。

 

 (5)针对性的机车匹配方案。

 通过对机车使用情况的统计分析和数据计算,优化发动机的万有特性曲线,有针对的进行数据匹配。

 

 三、性能测试与装机测试表现

 

 公司再制造升级的天然气(LNG)发动机,经大连实验室严格检测,以及实际装机路试,主要性能指标表现出色,较好的解决了上述天然气发动机的问题。主要指标特点表现为以下四个方面:

 

 1、环保性好

 

 产品出厂可满足欧州Ⅲ号排放,加装后处理系统可满足欧洲Ⅴ号排放,即将完成欧洲Ⅵ号排放测试。在尾气排放方面可减少综合污染物排放85%以上,其中PM2.5减少97%以上,且无铅、苯等致癌物质以及硫化物的排放。

 

 2、经济节省

 

 空燃比可达到26.6:1,λ=1.65以上,实现了真正意义上的稀薄燃烧,1L柴油=1NM天然气,燃料成本可节约40%以上。

 

CP10NG360E3D天然气发动机外特性测试数据

 

 3、动力强劲

 

 在空燃比稀薄状况下,确保混合气燃烧释放能量不变。根据不同的转速及工况下点火提前角ECU自主控制多次点火,并始终保持混合气最佳的有效容积率,保证燃气充分燃烧和能量充分发挥,使动力不低于原内燃机,且有提升。

 

CP10NG380E3U LNG发动机外特性曲线图

 

 4、可靠性高

 

 发动机涡轮增压器前测试排温与原内燃机近同,除正常保养易耗件外,故障率大幅度降低。

 

CP12NG420E3D与市场主流机型排温对比

 

 5、装机案例表现

 

 

 

 四、结束语

 

 面对能源危机,面对环境污染,内燃机节能减排刻不容缓。柴发动力始终以“改善人类呼吸环境”为己任,诚挚携手业内同行,为改善能源结构平衡,为生态文明建设做出一点贡献,为我们赖以生存的星球、为子孙后代留下碧水蓝天。