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莱芜职业技术学院毕业论文（设计）

职业技术学院机械与汽车工程系

2015届毕业生毕业论文

论文题目：

专 业： 汽车电子技术
年 级： 汽车电子班
学 生 姓 名:
联 系 方 式：
指 导 老 师：
职 称：
完 成 日 期： 2016 年 5月 11日

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目 录

摘 要 ： - 2 -
关键词: - 2 -
第1章柴油车改装CNG/柴油双燃料车的难点 - 3 -
1.1常见的几种改装技术方案 - 3 -
1.2天然气单燃料车的改装技术 - 3 -
1.3柴油发动机制造厂的改装技术 - 4 -
第2章非发动机专业厂的改装技术 - 1 -
2.1天然气/柴油双燃料车的改装技术 - 1 -
2.2 HPDI高压直喷技术 - 2 -
2.3正压单点喷射双燃料技术 - 4 -
2.4模糊电控双燃料混燃技术 - 6 -
第3章西蓝公司所尝试的柴油车改装情况 - 9 -
3. 改装前的车辆技术数据 - 9 -
3.2改装后路试检测数据 - 10 -
第4章道路试验结果 - 13 -
4.1双燃料的经济性估算 - 13 -
4.2对深圳国炬公司电控双燃料改车技术的评价 - 14 -
4.3 CGJ2006系列智能电控双燃料混燃喷射系统简介 …………………………………………………………- 15 -
4.4工作原理…………………………………………………………………………………………………………………- 16 -
4.5运行特点…………………………………………………………………………………………………………………………-17 -
4.6供气系统的构成………………………………………………………………………………………………………………- 18-
4.7系统的技术精髓………………………………………………………………………………………………………………- 19 -
参考文献 - 20 -

摘要：
本文依据作者多年探索柴油车改装技术的经历，简单陈述了柴油车改装的难点问题，并对目前国内常见的几类改装技术的特点和实用性，进行了简要分析与对比。通过柴油车改装成CNG/柴油双燃料车的实践活动，不但找到了适合中国国情的先进改装技术，还根据个人的亲身体验，提出了一些柴油车改装方案选择中应注意的原则意见，供同仁们参考。
随着“西气东输”工程、深圳大鹏湾进口LNG接收站工程等大型天然气储运工程的相继投运，全国上下很快掀起了天然气推广应用的新高潮。来势之猛，波及范围之大前所未有。各大中城市除了迅速兴起的天然气气化工程外，天然气汽车的广泛应用更是热不可及。汽油车改装成CNG/汽油两用燃料车的技术日臻成熟。然而占全国汽车保有量约30%左右的柴油车改用天然气作燃料的却微乎其微。从统计资料来看，虽然柴油车的总数只有汽油车的40%，但耗用的燃料总量却是汽油车的1.78倍还多。这是因为约有15～20%左右的柴油车都是大功率的载重型卡车，其油耗量大都是汽油车的2～3倍左右。因此近千万辆在用柴油汽车改用天然气作燃料，对于燃油的节约和环保要求的重大意义，已经成为广大运输企业和天然气行业的共识。

第1章 柴油车改装CNG/柴油双燃料车的难点
    2000年左右西安市曾先后改装了几十台柴油公交车，都由于当时的技术方案不成熟等各种原因而告失败；最近外地某公司将一台在用柴油车改装成CNG单燃料车，不但动力下降很多，而且燃料消耗从原先60升/百公里的柴油，上升到100标方/百公里的天然气（正常情况下1升柴油约等于1.1～1.2标方天然气）；去年西安一公司花费了5万多元，采用某国进口技术将一台柴油车改装成CNG单燃料车，该技术方案主要是通过加厚汽缸垫以降低压缩比，同时修改了燃烧室，并加装了火花塞等，其结果很不理想。缸内燃烧温度过高，一遇到爬坡水箱就开锅，最后不得已将水箱加大，还没有完全解决问题。
以上这些不成功的例子说明，柴油汽车改用天然气，从技术角度看的确有许多难点。主要表现在，柴油发动机的压缩比高，燃用天然气容易引起爆震；天然气着火温度高于柴油，因此改成天然气发动机难于采用压燃方式，不得已采用火花点燃方式；柴油车改用天然气，汽缸内燃烧温度和排气温度都很高，易造成水箱开锅；电控系统如何依据发动机的运行参数，精确控制进入发动机的燃料与空气的流量；改装成CNG/柴油双燃料车的柴油替代率很小，实用价值很低；以上各项技术如果解决得不好，不但会使原柴油车的动力性能下降，而且会使燃料的消耗量大大增加，经济性大幅度下降。不可能为广大用户所接受。尽管柴油车的改装存在着诸多拦路虎，许多企业和技术人员经历了一次又一次失败的教训，据不完全统计，近十年来，全国约有20多家柴油汽车改用天然气使用不成功的例子。故曾有学者发表文章对在用柴油车改用天然气技术判了“死刑”。但是人们探讨柴油车改装技术的努力并没有放弃，热情未减。经过多年的不懈努力与修炼，终于获得了累累硕果。许多改装技术方案纷纷在各种研讨会上亮相，不少技术已经得到实践的考验，取得了比较理想的结果。

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第2章.常见的几种改装技术方案
 目前常见的柴油汽车改装技术方案主要有两大类，将原柴油车改装成天然气单燃料车和改装成天然气/柴油双燃料车。两类技术各有其成功之处，也有它的局限性。
2.1天然气单燃料车的改装技术
2.1.1柴油发动机制造厂的改装技术
    一般是以原有某型号柴油机为基础，重新研制开发出新型天然气发动机。主要做了三方面的改进设计：
   （1）结构设计：针对天然气发动机的燃烧特性，重新确定了压缩比，并对燃烧室、活塞、气缸盖、排气管、进气门及座圈、凸轮轴等少数零件进行了改进设计。其余保持与原柴油机不变。
   （2）燃料供给系统与点火系统：以燃气供给系统取代原柴油机的燃油供给系统，采用进气总管与混合供气方式。采用高电压、高能量直接点火方式。每缸设置独立的点火线圈、火花塞与高压线。
   （3）电子控制系统：采用闭环控制技术，系统依据多个传感器所采集的发动机的运行工况参数，经ECU电子控制单元集中处理后，通过执行器对燃料喷射装置、节气门、排放气阀、点火系统等进行精确控制。
这种专业改装技术不但保证了原柴油机的动力性能，其他指标均优于原柴油机。
2.1.2非发动机专业厂的改装技术
    这种技术主要应用于在用柴油车的改装。它不具备对原柴油发动机的机体结构和零部结构件进行专业性改进加工的能力。只能做些修修补补的简单工作，如为了降低压缩比加厚汽缸垫；在原柴油机喷油嘴位置加装点火系统；在原有的空气进气系统加装天然气混和装置；在电控系统所作的改进工作量最大，各家都有自己的高招，目的是解决好天然气与空气的混合比，使发动机气缸的燃烧性能保持最佳。
    这种改装技术，原柴油机的机体结构和燃烧机制毕竟没有完全改变，依然是符合柴油机的燃烧特性，现在改用天然气，将原先柴油机的迪塞尔循环的热力学工作原理，改变为火花塞点火的汽油机工作原理，原机的动力性能难免受到影响（动力约降低10%左右）。
2.2 天然气/柴油双燃料车的改装技术
    这种技术仍然立足于原柴油机的迪塞尔循环的热力学工作原理。保留原柴油机的压燃点火方式不变，高压缩比不变，发动机机体和零部件基本不变。但在气缸中被压缩的介质，由原来柴油机中的单纯空气变为天然气与空气的混合气体。发动机工作时变原来的纯柴油燃烧为柴油与天然气的混合燃烧。电控系统主要用于依据各种传感器检测的发动机运行信号，分别控制进入发动机的柴油、天然气与空气量，以实现柴油、天然气与空气的合理配比。
    当然，在具体的实施细节上，各企业均有自己的专有技术和秘诀。
2.2.1 HPDI高压直喷技术
    以加拿大西港公司的HPDI技术为代表的高压直喷技术，其主要特点是采用双重共轨的高压双燃料喷射系统，当汽缸中的空气被压缩到接近冲程末点时，按一定配比的柴油与天然气先后通过同一个燃料喷射孔，以很高压力直接喷入汽缸而混燃作功；电子控制系统可以实现依据发动机的运行工况参数，精确控制进入气缸的柴油与天然气量以及喷入的时间，这种技术在保留了发动机原有效率和性能的同时，减少了排放。天然气对柴油的替代率高达90%以上。主要应用对象是重型和中型大马力柴油卡车。
2.2.2正压单点喷射双燃料技术
    该技术的核心是采用多个可控制天然气流量的高压电磁喷射阀及ECU电控单元等组成的单点喷射供气系统。经减压器稳压后的天然气的压力，始终要高于增压后的进气总管中的空气压力，即保持一定正压的天然气，通过上述电磁阀门和分配器控制流量，经由进气喷嘴从中冷器之后的进气总管喷入（称为单点喷射），在总管中与空气混合进入各个气缸，形成可燃混合气。同时，由ECU电控单元指令步进电机油控机构动作，对喷油系统原来的齿条进行随机限位，以减少每个汽缸压缩冲程末喷入引燃的柴油量。另外，电控系统可以精确控制燃料的供给量，针对车辆不同转速和负荷的工况进行分级控制。
    因该技术采用了六个高压电磁喷射阀和功能强大的ECU电控单元等复杂结构，虽然该系统控制精确，替代率较高，但其可靠性较差，套件成车较高，改装费用投入较大，目前还难以大面积推广使用。
2.2.3模糊电控双燃料混燃技术
    该技术主要有三项突出特点。一是ECU电控系统采用了模糊优选控制软件技术，不同于其他方案的精确控制技术；二是进气系统天然气与空气的混合是通过具有特殊腔道的混合器进行，并对混合气体进行增压与中冷（针对增压发动机）。也就是在空气增压前在总进气管中吸入天然气，实现两者的混合；三是系统对天然气的供气压力没有要求，或者说，该系统适用的供气压力范围很宽，既适应高压的CNG供气，也适应低压的CNG供气。

第三章 西蓝公司所尝试的柴油车改装情况
 西安市西蓝天然气公司从2006年11月份开始，与深圳市国炬天然气汽车技术公司合作，先后改装了12台压缩天然气长管拖车的牵引机车，其中5台东风EQ4163W,发动机为东风·康明斯C-260-20型柴油发动机，功率260匹马力，5辆陕汽生产的德龙牵引车新车，车辆型号SX4254NP294，发动机型号WD615.44，功率320匹马力，还有一台陕汽生产的奥龙牌牵引车，250匹斯太尔发动机，一台清障车。
这些改装车辆，最长的已经安全行驶了一年半。合作双方对运行中的双燃料车辆进行了路试检测，又先后两次委托西安汽车产品质量监督检验站作了道路试验测试。现将部分检测数据提供给大家参考。
3.1改装前的车辆技术数据：
（1）牵引车编号/型号：陕AB0029/东风牌EQ4163W
（2）柴油发动机型号：东风·康明斯C-260-20
（3）CNG长管拖车编号/总质量：1号/约40吨
（4）该车改装前的平均油耗：37.5升/百公里（数月实际运行统计平均值）
3.2改装后路试检测数据：
（1）路试里程：86公里（21892Km---21806Km）
（2）路试车速：70公里/小时
（3）路试柴油耗量：8.9升/86公里  （折算为10.3升/百公里）
（4）路试CNG耗量：22.5Nm3/86公里（折算为26.2Nm3/百公里）
3.3道路试验结果：
（1）天然气对柴油替代率：（37.5-10.3）/37.5×100%=72.5%
（2）动力性能：司机感觉动力比改装前要大得多。
（3）油气消耗比：
 1 Nm3天然气=（37.5-10.3）/26.2=1.04公升柴油
26.2 Nm3天然气=27.2公升柴油
油气消耗比V=10.3/27.2=38%
3.4双燃料的经济性估算：
    采用深圳国炬公司的CGJ系列型电控双燃料混燃喷射系统，改装后的天然气/柴油双燃料东风牵引车，每辆车每月可节省燃料费10950元（与纯柴油相比），计算如下：
西蓝公司的CNG长管拖车多数每天行驶约500公里左右，按72.5%的柴油替代率计算，每天单程可节省的费用：（西安市场0#柴油价格：4.96元/升、 CNG价格：2.65元/标方）
2.5×37.5×72.5%×（4.96-2.65）=157元/天.单程
返回空车用的是长管拖车气瓶中的剩余气体，故回程用气可按西蓝公司的进气价（1.90元/标方）计算：
2.5×37.5×72.5%×（4.96-1.90）=208元/天.单程
    合计每车每天可节省燃料费365元，每月节省10950元，全年共计可节省燃料费131，400元，可见柴油车改装后的经济性非常突出。
3.5对深圳国炬公司电控双燃料改车技术的评价
    通过改装的东风牵引车六个月来的运行实践与路试结果，可以对该项技术及改装工作总结如下：
  （1）当车速在54公里/小时，柴油的替代率仅有58%，车速低于50公里/小时，替代率更低。所以对运行速度低于40公里/小时，站距小于1公里的城市内公交车的柴油替代率是不理想的，不适于采用该项改装技术。
  （2）当车速在65～70公里/小时左右时，天然气柴油替代率就提高到72.8～76.7%。所以该技术更适合于长途客、货车的改装。
  （3）发动机燃烧性能良好，无论平路行驶加速，还是爬坡翻山，水箱的温度始终保持正常,和未改装前烧柴油的情况一样。
   （4）根据司机操作时的个人感觉，当踩油门加速时感觉动力比改装前大得多，只能轻轻点。
   （5）几个月行驶以来，采用CGT电控双燃料套件改装过的五辆东风康明斯发动机系统未发生任何故障。
    以上情况说明，深圳市国炬天然气汽车技术公司的CGT电控双燃料改装技术是一项比较成熟的技术，较好的解决了柴油车改装中所存在的一些难题。而且实践证明该项技术方案思路新颖，工作原理先进、性能稳定可靠，安装简单容易，不需对发动机作任何改动，不需改变原发动机的压缩比，和进口技术相比费用较低（随着批量的增加还会进一步降低），维修方便。因此比较适合中国国情，是一项容易为客户接受，也值得大力推广的实用技术。
    很高兴借此机会将这种性能价格比优越、投入回收较快的双燃料改装技术向大家作一简单介绍，与到会的同仁们进行交流。

第四章CGJ2006系列智能电控双燃料混燃喷射系统简介
4.1工作原理
    深圳国炬天然气汽车技术有限公司自主研制的CGJ系列智能电控双燃料混燃喷射系统，属于前面所述的模糊电控双燃料混燃技术，它是在消化吸收国外各种先进发动机技术的基础上自主创新的产物，拥有独特的自主知识产权。
    该项改装技术是以原柴油机的热力循环、压热方式和其结构形状为基础，在保留原机的所有结构、供电系统、进气系统及操作方式不变的前提下，在柴油机的外部进气系统中增装了一套CGJ2006型CNG/柴油双燃料电控混燃喷射系统进行工作。
    其工作原理大致可以这样描述。储气瓶中的高压CNG气体，经过两级减压并经步进电机动率阀后进入空/燃混合器，与从滤清器来的新鲜空气混合。对于增压发动机还需将混合气体增压中冷。增压后的混合气体再经进气歧管而进入发动机汽缸内。当活塞上行接近上止点前的瞬间，由高压油泵喷入适量柴油进入汽缸，混合气体经压缩产生的高温，使喷入的雾状柴油立即燃烧而引燃气缸中的混合气燃烧，从而推动活塞运动作功。在此需要指出的是，所谓由高压油泵喷入气缸的适量柴油的“量”，是由该系统的中枢神经控制系统-ECU电控单元组件的控制指令所控制，由高压油泵齿条限位器所限位后的少许点燃喷油量。另外，本系统还可通过电子转换开关快捷方便地，在全柴油工作方式与双燃料工作方式之间进行转换。
4.2运行特点
     CGJ系列天然气型CNG/柴油双燃料电控混燃喷射改装技术还有如下一些运行特点：
（1）系统的电控喷射混合原理既不同于安全负压吸气型（如文丘里混合器），又不同于高压正压喷射型（如多个高压电磁喷射阀），它对天然气的进气压力没有苛刻要求，或者说该系统适应的天然气的压力范围很宽。
（2）发动机正常运行时，具有模糊数字优选功能的ECU电子控制单元，实时检测发动机负荷、转速、排气温度、油门位置等信号参数，并适时准确地发出指令，使发动机进气系统能随机的跟踪瞬时运行工况，而按需要进足天然气量和空气量，并使在最佳配比下充分混合，以保证天然气和柴油双燃料在发动机汽缸内的燃烧达到最佳状态。
（3）发动机加载负荷时，ECU电控单元接收到发动机的加载信号，即根据传感器输入的发动机油门位置、负荷、转速、和排气温度等信号，经ECU控制软件进行模糊优选和模拟分析对比，并输出控制指令参数，由执行机构去增加天然气的供给量和引燃柴油的喷油量。
（4）双燃料发动机在启动和怠速工况下仍全用柴油。
（5）采用该系统，原柴油机的喷油提前角不需要修正。
4.3供气系统的构成
   CGJ2006型CNG/柴油双燃料供气系统由ECU电控单元、柴油量控制输配系统、天然气与空气的混合控制系统三部分组成。其中天然气与空气的混合控制系统包括高压滤清器、高压电磁阀、CNG组合减压调节器、低压电磁阀、动力调节阀以及专利混合器等部件。
4.4系统的技术精髓
    该项技术的精华所在，是将构思巧妙的模糊电控软件技术与具有特殊腔道的空/燃混合器等硬件技术的完美结合。该混合器既能敏感汽缸内的绝对压力，又可利用空气进气旋流所造成的负压来吸引调节天然气的进气量，这种简化了的原理与机制，可大大减轻电控单元的工作量，使它不必进行大量复杂的精确计算，就可通过专利空/燃混合器，确保进足动力性能所需的天然气与空气量，同时实现了高速运行的模糊电控系统与动作滞后的机电执行机构的协调一致。这种控制思路的改变与简化，使它有可能省略了其他技术常用的绝对压力传感器、气体流量计、高压电磁喷射阀等价格昂贵的元器件，故使该系统的成本大幅度降低。
4.5技术竞争优势
（1）对发动机本体不做任何改动，只附加一套天然气供气的进气以及与空气混合的混气系统。系统结构简单、改装快捷方便。
（2）压燃点火，比火花塞点火能量高，着火稳定，并能加快甲烷相对较慢的火焰传播速度。对点火正时的控制要求较低，能在较宽的空燃比范围内工作，实现稀薄燃烧，降低燃料消耗。
（3）发动机动力性能略有升高，且额定功率和扭矩均不低于原机，这是改两用燃料的汽油车（动力下降15%左右）和改造后的CNG单燃料车作不到的。
（4）系统运行可靠、故障率极低，发动机使用寿命有较大延长。
（5）柴油替代率高、经济性优越，比单纯用柴油节省费用30～40%左右。
（6）双燃料燃烧性能良好，汽车的废气排放，自由加速烟度为0.83（m-1）。
（7）和进口技术相比改装费用较低、凡中、重型柴油车辆的改装投资费用大都可在3～6个月内从节约的燃料费用中收回。
（8）安全性能优于原机，操作性能与方式不变。油气切换方便自如，可随时转换为纯柴油行驶。
5.尝试柴油车改装的一些体会
    目前尽管只改装了12台柴油车，也取得了一些成功的经验，但长时间来在方案和技术选型的过程中确有很深的体验。

第五章改装方案应选用CNG单燃料还是CNG/柴油双燃料
（1）城市内CNG加气站较多的情况下，站距短低速运行的柴油公交车辆，应首先选择单燃料CNG发动机。因为单燃料CNG车可以充分发挥天然气的优势，又不担心无处加气。
（2）CNG单燃料车最好选用专业厂生产的专用CNG发动机。因为在用车辆的柴油发动机改装成CNG单燃料车，原柴油发动机机体难以按天然气的燃烧特性进行彻底的改进加工，必然在动力性能与排放指标方面存在一些缺陷和不足（热效率较低，动力性能普遍下降10%～20%左右，经常需对火花塞进行维护更换，系统故障率较高）。
（3）有条件高速行驶（60公里/小时以上）的长途客、货车辆宜选择CNG/柴油双燃料改装方案。既可以获得较高的柴油替代率，降低燃料消耗费用，又不担心路途找不到加气站。
（4）长途客、货车的选择，直接购买采用CNG单一燃料发动机的车辆，不如选购柴油发动机的车辆，然后改装成CNG/柴油双燃料车。因为一方面，目前单一燃料汽车价格约是柴油车价格的2-3倍左右，而改装费用却低得多。另一方面，目前城际之间加气站还很少，单一燃料汽车难免出现中途抛锚的困境。
（5）在当前加气站尚不普及的情况下，柴油车改双燃料是比较实用方便的选择。
5.2采用进口改装技术还是国内改装技术
（1）进口改装技术，无论是电控技术还是高压喷射技术都很先进。改装后的车辆既可保持原柴油发动机的动力性与高扭矩，还可获得很高的柴油替代率（90%以上）。在相同效率下，大大降低了汽车尾气的排放。其中NOX排放降低了40%的、颗粒排放降低了70%的、CO2排放降低了25%。但是其高昂的改装费用，却使国内的广大用户望而却步。
（2）国内自创的双燃料发动机的改装技术，如深圳国炬公司的CGJ系列天然气柴油双燃料电控混燃喷射改装技术，虽然柴油的替代率没有进口技术高，却有着进口技术无法比拼的许多优点。如不改变原柴油机的结构，配套适应性较强；热效率较高，功率与原机相同或略高；改装与维修费用低廉等。因此这项技术符合中国国情，容易为广大用户所接受，可迅速得到推广应用。

第六章CNG压缩机的创新技术分析
6 气缸无油润滑，降低了运行成本
    目前气体压缩机气缸润滑多采用有油润滑、少油润滑与无油润滑方式。有油润滑与少油润滑的机械传动式子站压缩机，每小时润滑油消耗量常常超过200g，日消耗3.2kg，一年的消耗总量高达1吨（费用约1万多元）。采用无油润滑方式的子站压缩机，虽然气缸不注油，但是压缩气体中却常常发现大量的润滑油。估计是活塞杆密封填料的结构或材料缺陷，或者由于磨损间隙增大，使曲轴箱、十字头等处飞溅的润滑油被带进气缸，造成了润滑油的消耗量大大增加。而KZ3×22型液力驱动式CNG子站压缩机气缸也采用无油润滑结构，同时通过一个特殊的减压隔离装置，确保油缸中的机油不会进入压缩气缸。这样，一方面压缩气体不会混进机油，保证了输出压缩气体的质量，另一方面也不存在润滑油的消耗，降低了运行成本。

6.1 机组振动很小、运行平稳
    机械传动式气体压缩机，其工作原理是通过曲轴连杆机构，将曲轴的旋转运动，转变成活塞的往复直线运动。在这个力的传递过程中，不可避免地会产生冲击与振动。加之这种压缩机曲轴的旋转速度一般为750～1500转/分，这么高的转速更加剧了冲击与振动的强度。这种振动如果处理不当，会对设备产生严重影响，造成油、气管、阀门等部件连接处开裂，压缩气体泄漏，甚至曲轴断裂等重大事故。为了降低冲击力减小振动，压缩机安装时就需要浇注一个深达1.5～2米的混凝土基础，有些立式压缩机还需要通过二次灌浆，将压缩机与基础牢牢地连成一体。仅这一项费用就高达两万元以上。
    KZ3×22型液力驱动式CNG子站压缩机，采用了油气缸水平对称分布，同轴运动的结构形式，既取消了旋转运动与往复直线运动方式的转换，活塞的对称运动抵消了部分水平冲击力，更使垂直对地的冲击力为零。这种结构与运行方式则使压缩机运行时的振动大幅降低。而且活塞往复运动的速度很低，仅为10～20次/分，运转十分平稳。因此，机组可直接放在水泥地面上不需固定即可安全运行，不需建造费用较高的钢筋混凝土设备基础，安装费用大大节约。

参考文献
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[8]苑玉凤 高红丽 张毅 陈水革；《汽车营销》；机械工业出版社2008年
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