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 fuel——CNG as the fuel of vehicle.
关键字：天然气发动机 改装 汽车
Key words: CNG engine, repower, vehicle
1 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40～70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
北京改装车
发动机额定功率Pe
钢管直径选择
Pe≤160hp
Ø6mm
Pe≥180hp
Ø8mm
160hp<Pe<180hp
Ø6mm或者Ø8mm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90º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0.3～0.6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8～10bar，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：