柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)車上的應(yīng)用前景分析與預(yù)測

【摘要】本文結(jié)合國內(nèi)外雙燃料機(jī)車的發(fā)展情況，提出我公司雙燃料機(jī)車的技術(shù)方案，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保等方面進(jìn)行評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) 機(jī)車 評(píng)估

一、前言

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是我公司研制的一種既可以在天然氣-柴油模式下工作，也可以在柴油模式下工作的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，在船舶動(dòng)力、發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，我國環(huán)境惡化嚴(yán)重，霧霾天氣威脅人民健康。國家逐步加大環(huán)保投入并從法律法規(guī)上嚴(yán)格要求，內(nèi)燃機(jī)車作為柴油消耗大戶，對(duì)環(huán)境的傷害是有目共睹的。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，讓內(nèi)燃機(jī)車的節(jié)能減排成為可能。本文從國內(nèi)外雙燃料機(jī)車的發(fā)展出發(fā)，結(jié)合我公司雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案，探討雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用在鐵路機(jī)車上的可能性。

二、國內(nèi)外雙燃料機(jī)車的歷史及現(xiàn)狀

在國內(nèi)，由于我國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)發(fā)展長期落后于西方，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等氣體機(jī)的研究還不深刻，加上相對(duì)寬松的環(huán)保法規(guī)，使得機(jī)車制造廠失去了對(duì)雙燃料機(jī)車的研制動(dòng)力，因此國內(nèi)沒有研制雙燃料機(jī)車的先例。在國外，美國是對(duì)雙燃料機(jī)車探索最早、研究最多的國家。由于燃料費(fèi)用一直是鐵路公司運(yùn)營成本的重要組成部分，所以鐵路公司早期研制雙燃料機(jī)車的動(dòng)力是降低燃料費(fèi)用。而目前美國環(huán)?？偩郑‥PA）針對(duì)鐵路內(nèi)燃機(jī)車及柴油機(jī)排放制定了EPA 40 CFR Part 1033標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)對(duì)逐步嚴(yán)格的排放法規(guī)，解決內(nèi)燃機(jī)車的排放問題就成為鐵路公司和機(jī)車制造商研制雙燃料機(jī)車的新動(dòng)力。

三、雙燃料機(jī)車技術(shù)方案

我公司是擁有研究、制造柴油機(jī)和內(nèi)燃機(jī)車能力的綜合性企業(yè)，可以在已有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)車的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)雙燃料機(jī)車，現(xiàn)提出雙燃料機(jī)車的基本技術(shù)方案。

（一）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

目前，我公司已研制和正在研制的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有 4種型號(hào)。按不同的氣缸數(shù)劃分，有6缸240、8缸240、V型12缸240和V型16缸240雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，都可以提供給機(jī)車使用。

（二）雙燃料機(jī)車主要結(jié)構(gòu)

事實(shí)上雙燃料機(jī)車的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)車并沒有本質(zhì)不同，只需對(duì)傳統(tǒng)機(jī)車稍加改動(dòng)就可以滿足雙燃料機(jī)車的需要，但必須特殊考慮的是天然氣貯存供給系統(tǒng)。天然氣是雙燃料機(jī)車的主要燃料，為了減少天然供給站的數(shù)量，延長重新加注天然氣的距離間隔，雙燃料機(jī)車必須盡可能多攜帶天然氣，在這一方面，液化天然氣（LNG）顯然比壓縮天然氣（CNG）更具有優(yōu)勢，通常雙燃料機(jī)車都會(huì)加掛一列低溫貯存罐式軌道車，在貯存罐內(nèi)裝有高純度的液化天然氣（LNG）。貯存罐的內(nèi)部溫度需要保持在-162℃，以始終保持天然氣的液體狀態(tài)，為了長時(shí)間維持低溫狀態(tài)，貯存罐通常采用不銹鋼材料、雙層壁“熱水瓶”式結(jié)構(gòu)。

在雙燃料機(jī)車運(yùn)行時(shí)，首現(xiàn)要將低溫液態(tài)天然氣轉(zhuǎn)化成氣體狀態(tài)，通常是利用一套安裝在軌道車上的熱交換系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化之后氣態(tài)天然氣通過連接在機(jī)車與軌道車之間的柔性管道流到雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中。

在機(jī)車與軌道車之間需要安裝保護(hù)裝置，確保當(dāng)兩車意外脫開時(shí)，軌道車的天然氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)關(guān)閉，避免天然氣大量泄漏造成危險(xiǎn)。

四、面臨的技術(shù)困難

雙燃料機(jī)車的研制過程中還有很多技術(shù)上的困難需要解決。

（一）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失

由于大多數(shù)雙燃料機(jī)車都是試驗(yàn)性質(zhì)的，沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營，國內(nèi)外還沒有制定相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)。

（二）低溫貯存罐式軌道車制造

低溫貯存罐式軌道車是雙燃料機(jī)車的關(guān)鍵部件，是機(jī)車長距離運(yùn)行的重要保障，低溫貯存罐需要具有容量大、保溫性好的特點(diǎn)，需要擁有專業(yè)資質(zhì)的公司設(shè)計(jì)和制造，來保證低溫貯存罐式軌道車在運(yùn)行時(shí)的安全性、可靠性。

（三）可靠性及安全管理

天然氣是一種易燃易爆的氣體，為防止發(fā)生嚴(yán)重的事故，要求雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有很高的可靠性。為了保證人員和發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上運(yùn)用特殊的安全設(shè)計(jì)及安裝安全裝置，同時(shí)也需要周密、穩(wěn)健的控制策略來監(jiān)控運(yùn)行，在發(fā)生天然氣泄漏時(shí)，能及時(shí)停機(jī)處理。在雙燃料機(jī)車運(yùn)行過程，需要制定嚴(yán)格的安全規(guī)程，要求相關(guān)人員嚴(yán)格執(zhí)行，避免因?yàn)槿藶橐蛩卦斐墒鹿省?/p>

五、雙燃料機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性

（一）雙燃料機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性

雙燃料機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性包括燃料經(jīng)濟(jì)性和燃料設(shè)施經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。

燃料經(jīng)濟(jì)性方面， 2010年，國家發(fā)改委下發(fā)《關(guān)于提高國產(chǎn)陸上天然氣出廠基準(zhǔn)價(jià)格的通知》，宣布6月1日零時(shí)起將國產(chǎn)陸上天然氣出廠基準(zhǔn)價(jià)格每千立方米提高230元， 提價(jià)幅度為24.9%。同時(shí)提到“理順車用天然氣與汽油比價(jià)關(guān)系，各地要按照與90號(hào)汽油最高零售價(jià)格不低于0.75：1的比價(jià)關(guān)系，理順車用天然氣價(jià)格，保持車用氣的合理比價(jià)?！?/p>

由此對(duì)國內(nèi)的天然氣價(jià)格做出以下結(jié)論：一是在未來天然氣價(jià)格將保持上漲的態(tài)勢，最終逐步實(shí)現(xiàn)與國際原油價(jià)格聯(lián)動(dòng)、掛鉤；二是天然氣相對(duì)汽油、柴油依舊保持著一定價(jià)格上的優(yōu)勢。

目前天然氣的價(jià)格優(yōu)勢可以為雙燃料機(jī)車節(jié)約25％的燃料成本，對(duì)于使用壽命在20～25年的機(jī)車來說，是一筆非常可觀的效益。

燃料設(shè)施經(jīng)濟(jì)性方面主要包括天然氣加氣設(shè)施的建設(shè)和低溫貯存罐式軌道車的成本。

現(xiàn)有的天然氣加氣設(shè)施主要是給機(jī)動(dòng)車提供燃料，從地理分布上很難滿足雙燃料機(jī)車的要求，而目前一座1×104m3/d的LNG加氣站的造價(jià)為136萬元，1×104 m3天然氣可以使功率為1100kw的6240雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行34小時(shí)，如果考慮更大功率的機(jī)車及機(jī)車的數(shù)量，1×104m3/d的LNG加氣站遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，因此使用雙燃料機(jī)車的路局和用戶必然要在鐵路沿線、廠區(qū)投入大量資金建設(shè)一批數(shù)量眾多天然氣加氣站，以方便機(jī)車得到充足的燃料供給。

低溫貯存罐式軌道車研究、制造費(fèi)用還無法估計(jì)，根據(jù)美國BN鐵路公司1987年的經(jīng)驗(yàn)，一臺(tái)低溫貯存罐式軌道車造價(jià)接近一百萬美元。

雖然使用天然氣可以為雙燃料機(jī)車節(jié)省大量燃料費(fèi)用，但是需要投資建設(shè)專用的加氣設(shè)施，投資制造低溫貯存罐式軌道車，再加上保證機(jī)車安全運(yùn)行及保養(yǎng)費(fèi)用，雙燃料機(jī)車整體的經(jīng)濟(jì)性還需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。

（二）雙燃料機(jī)車的環(huán)保性

表2 雙燃料機(jī)車與柴油機(jī)車的

在2007年，美國鐵路協(xié)會(huì)為更好了解雙燃料機(jī)車的性能，利用ECI公司技術(shù)將一臺(tái)EMD 645-E3機(jī)車改裝成雙燃料機(jī)車，對(duì)其排放進(jìn)行測試，將結(jié)果與可以滿足EPA Tier2排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)機(jī)車進(jìn)行對(duì)比（見表6），得到的結(jié)論是除了NOx的結(jié)果比較理想外，其他排放物都是柴油機(jī)車的4倍～5倍。不僅無法滿足EPA Tier2標(biāo)準(zhǔn)，而且在HC、CO等方面尚不能達(dá)到我國的排放標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然也不能因此就否定雙燃料機(jī)車，畢竟這只是針對(duì)一種機(jī)型的測試。對(duì)于雙燃料機(jī)車的排放，還需要依照我國的排放標(biāo)準(zhǔn)及測試規(guī)則進(jìn)行具體測試，用試驗(yàn)結(jié)果來評(píng)判雙燃料機(jī)車。

六、結(jié)論

內(nèi)燃機(jī)車在我國還是柴油消耗大戶，而研發(fā)雙燃料機(jī)車是解決能源危機(jī)的重要措施之一，技術(shù)比較成熟，安全也可以得到保障，但考慮天然氣相關(guān)設(shè)施的成本，以及日后天然氣的價(jià)格走勢，再加之排放優(yōu)勢還有待于實(shí)際認(rèn)證，所以真正到實(shí)際運(yùn)用階段還要有很長的路要走。

參考文獻(xiàn)：

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