天然气是未来几十年最具前途的发动机代用燃料。天然气发动机以其良好的经济性和低排放性在公交车、出租车、载重汽车和发电机组等领域得到越来越广泛的应用。
自1998年以来，上柴公司通过国内外合作方式一直进行天然气发动机的开发，从而逐步建立起自己的天然气发动机研究开发平台，开展天然气发动机研发和电控系统研究。先后完成了国家、上海市多个电控天然气发动机关键技术攻关及产业化课题，在天然气发动机技术、研发、应用方面始终走在国内同行的前列，研制出系列化的相关产品，形成了自主开发能力和批量生产能力。上柴琅驰T6114ZLQ3B型CNG发动机凭借其优良的技术性能和实用成果战胜对手，荣获2005年度“BAAV年度最佳发动机” 大奖。2006年1月，上柴SC6CT250Q3型天然气发动机独领风骚，率先通过国III排放认证。
2． 天然气发动机开发
2.1 总体方案
上柴114系列天然气发动机是在批量生产的114系列柴油机的基础上研制开发的，普遍采用增压中冷、电控喷射、高能电子点火技术，先进的发动机计算机管理系统全面控制整个运转范围的转速、负荷、点火时间及空燃比等，并具有完善的自诊断和安全保护功能。114系列天然气发动机采用火花点火稀燃方式。这种方式带来的好处是，缸内燃烧和排气温度较低，使热负荷仍在原机设计的范围之内；发动机具有较高的平均有效压力和热效率，NOx排放可以控制在很低的水平。114系列天然气发动机采用氧化型催化后处理措施，排放指标可满足欧III、欧Ⅳ标准。
2.2 结构设计
针对天然气发动机的燃烧特性，对活塞、气缸盖、排气管、进气门及座圈、凸轮轴等少数零件进行改进设计，并重新匹配增压器，其余绝大部分零部件与114系列柴油机通用，例如机体、曲轴、连杆、凸轮轴、配气机构、齿轮系统、润滑系统和冷却系统等。原柴油机的进气道采用螺旋进气道，发动机进气时会产生较强的涡流，这对于预混合点燃式发动机来说不利于火花塞点火和火焰传播，为此燃烧室需要重新设计。114系列天然气发动机均采用浅盆型燃烧室，这样可降低缸内涡流的强度，有利于火花塞点火和燃烧过程改善。经热力学模拟计算和台架试验验证，天然气发动机的压缩比确定在10.5～11之间。
2.3 燃料供给系统及点火系统
天然气发动机以燃气供给系统取代柴油机的燃油供给系统，采用进气总管预混合供气方式。燃气供给系统包括燃气喷射阀、混合器、减压器、燃料截止阀、滤清器等部件。燃料供给系统保证燃气与空气良好地混合，并使混合气均匀的分配给各缸。为了形成稳定的燃烧，增压稀燃114系列天然气发动机采用高电压、高能量的直接点火方式，每缸设有独立的点火线圈，配置专用的火花塞和高压线。
2.4电子控制系统
天然气发动机采用闭环的电控系统，系统中设置了多个传感器采集发动机运行信息，经电控单元的集中处理，通过执行器对燃料喷射装置、节气门、排气放气阀、点火系统等进行控制。在所有运行工况下，电控系统精确调节天然气供给量，以达到预定的空燃比。为了提高天然气发动机的瞬态特性，电控单元通过排气放气控制阀，对增压压力实行柔性调节，这给发动机性能优化提供了附加的自由度，同时也增强了发动机对海拔高度变化的适应能力。114系列天然气发动机均配有电子式节气门，实现连续稳定的调速功能。
2.5 性能水平
通过大量的优化匹配试验工作，对各种典型运行工况的空燃比、点火正时等MAP进行细致标定，使114系列天然气发动机的效率、排放和稳定性达到满意的折中。发动机最高热效率可达到38％，最低燃料消耗率为195g/kW.h，缸内最高燃烧压力均小于11MPa，工作十分柔和，噪声水平远远低于同等功率柴油机。采用氧化型催化器的114系列天然气发动机废气排放可满足欧Ⅳ标准。
2.6 针对LNG的适应性开发
对于单点喷射的天然气发动机而言，燃用CNG和LNG没有本质的区别，发动机本体结构无需改变，只是外围的燃气供给装置有所不同。为了使天然气发动机能够适用于LNG汽车，对燃气系统做了相应的改进，采用电控文邱里式混合器和二级减压器供气方式。台架试验表明，只要保证LNG蒸发器的出口压力为0.55Mpa，燃气流量大于40kg/h，采用上述燃气系统的T6114天然气发动机的动力性、经济性和排放指标完全可以到达原CNG发动机水平。
3. 天然气发动机产品及应用
经过多年持续不断的开发和研制，上柴天然气发动机产品已形成系列化，具有5.3L、8.3L、8.8L、12.8L四种排量，功率覆盖118kW~206kW，可适用于8~12m客车、中重型客车及发电机组，其中车用发动机机型见下表。
上柴车用天然气发动机型谱
发动机
参数
欧2机型
T6114ZLQ4B T6114ZLQ3B 6CTL280-2 4CT160
4CT180
欧3机型
8DT230Q3
8DT250Q3
9DT280Q3
5DT160Q3 5DT180Q3
缸数x缸径x冲程
mm
6x114x135
6x114x144
4x114x130
排量
l
8.3
8.8
5.3
进气方式
增压中冷
燃烧方式
均质稀燃/火花点火
压缩比
10.5:1
标定功率
kW/r/min
170/2200
184/2200
206/2200
118/2300
132/2300
最大扭矩
N.m/r/min
825/1400
920/1400
1100/1400
580/1500
650/1500
燃料供给
单点喷射、预混合
预混合
控制方式
闭环电控
上柴公司2003年初研制成功T6114ZLQ3B型天然气发动机，同年11月第一台发动机在乌鲁木齐公交上线运行以来，得到用户和业内专家的一致好评。2004年底，上海申沃客车有限公司就SWB6115系列城市客车采用奔驰M906LAG、康明斯CG250和上柴T6114ZLQ3B三种天然气发动机在同一公交线路（上海218路）上做对比试验。经整车性能测试及一年多的用户使用表明，上柴T6114ZLQ3B型天然气发动机的故障率最低，维修成本最低，燃料经济性居中，总体的性价比最好。该型发动机也因此荣获2005年度“BAAV年度最佳发动机” 大奖。在此基础上，上柴公司天然气发动机推广应用全面展开，陆续完成对国内主要客车的配套。2005年10月，与陕汽奥龙牵引车的成功配套，实现了天然气发动机在重卡应用领域的突破。目前，配备上柴天然气发动机的陕汽重卡已在西安、延安、包头、南京、海口等地批量使用，并出口到泰国曼谷。2006年初，银川公交选用40辆配备T6114ZLQ3B天然气发动机的丹东黄海客车，经过近2个月的试运营，用户对上柴的发动机相当满意，从而进一步增强了广大用户选用放量的信心。另外，4CT180天然气发动机配套应用进展迅速。到5月末，已完成对江淮、金旅、申龙、中通、重庆宇通客车的配套，还为清华大学提供2台发动机作混合动力客车配套。事实证明，上柴天然气发动机产品在市场竞争中赢得了先机，使得广大用户对我们的产品倍加关注。
4. 天然气发动机产业化
上柴公司在气体燃料发动机方面持续不断地投入、研发、改进和推广应用，不仅培养、锻炼了一支专业化的技术队伍，而且逐步建立起较完善的研发、生产、配套和服务体系。目前，天然气发动机产品已溶入大批量生产的114系列柴油机的生产系统，年生产能力达到5000台。为了全面推进天然气发动机产业化，我们还要做好以下几方面工作。一、针对气体发动机关键零部件进行二次开发，研制国产化的电控燃气供给系统，进一步降低成本，形成核心竞争力；二、产品系列化，扩大产品的功率覆盖，为用户提供全面的燃气动力解决方案；三、产品标准化，建立健全企业标准，为国家和地方标准建设提供依据；四、应用多样化，拓展配套应用范围，从车用延伸到电站、船舶及其他工业用途。总之，坚持走专业化、系列化、标准化之路，上柴公司必将树立自主的天然气发动机品牌，创造出良好经济效益和社会效益。
5. 结束语
上柴公司经过多年坚持不懈的努力，在天然气发动机研发、应用和产业化方面取得了一些成果，研制出系列化的达到国际先进、国内领先水平的114系列天然气发动机产品，逐步形成了自主开发能力和批量生产能力。我们要感谢全国清洁汽车领导小组各位领导和专家对上柴的大力支持，感谢国家科技部、发改委、上海市科委、经委对上柴的大力支持，感谢广大用户和业内专家对上柴的大力支持。上柴公司将进一步打造自己的天然气发动机品牌，不断丰富自主产权的天然气发动机产品，使之系列化、产业化，为广大用户提供一揽子的燃气动力解决方案和满意的服务。
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