柴油-天然气双燃料发动机在机车上的应用前景分析与预测

【摘要】本文结合国内外双燃料机车的发展情况，提出我公司双燃料机车的技术方案，并从技术、经济性、环保等方面进行评估。

【关键词】双燃料发动机 机车 评估

一、前言

双燃料发动机是我公司研制的一种既可以在天然气-柴油模式下工作，也可以在柴油模式下工作的新型发动机，在船舶动力、发电机组等领域拥有广阔的应用前景。近年来,我国环境恶化严重,雾霾天气威胁人民健康。国家逐步加大环保投入并从法律法规上严格要求，内燃机车作为柴油消耗大户，对环境的伤害是有目共睹的。双燃料发动机的出现，让内燃机车的节能减排成为可能。本文从国内外双燃料机车的发展出发，结合我公司双燃料发动机的技术方案，探讨双燃料发动机应用在铁路机车上的可能性。

二、国内外双燃料机车的历史及现状

在国内，由于我国内燃机工业发展长期落后于西方，对双燃料发动机等气体机的研究还不深刻，加上相对宽松的环保法规，使得机车制造厂失去了对双燃料机车的研制动力，因此国内没有研制双燃料机车的先例。在国外，美国是对双燃料机车探索最早、研究最多的国家。由于燃料费用一直是铁路公司运营成本的重要组成部分，所以铁路公司早期研制双燃料机车的动力是降低燃料费用。而目前美国环保总局（EPA）针对铁路内燃机车及柴油机排放制定了EPA 40 CFR Part 1033标准，为应对逐步严格的排放法规，解决内燃机车的排放问题就成为铁路公司和机车制造商研制双燃料机车的新动力。

三、双燃料机车技术方案

我公司是拥有研究、制造柴油机和内燃机车能力的综合性企业，可以在已有双燃料发动机和内燃机车的基础上进一步开发双燃料机车，现提出双燃料机车的基本技术方案。

（一）双燃料发动机

目前，我公司已研制和正在研制的双燃料发动机有 4种型号。按不同的气缸数划分，有6缸240、8缸240、V型12缸240和V型16缸240双燃料发动机，都可以提供给机车使用。

（二）双燃料机车主要结构

事实上双燃料机车的结构与传统机车并没有本质不同，只需对传统机车稍加改动就可以满足双燃料机车的需要，但必须特殊考虑的是天然气贮存供给系统。天然气是双燃料机车的主要燃料，为了减少天然供给站的数量，延长重新加注天然气的距离间隔，双燃料机车必须尽可能多携带天然气，在这一方面，液化天然气（LNG）显然比压缩天然气（CNG）更具有优势，通常双燃料机车都会加挂一列低温贮存罐式轨道车，在贮存罐内装有高纯度的液化天然气（LNG）。贮存罐的内部温度需要保持在-162℃，以始终保持天然气的液体状态，为了长时间维持低温状态，贮存罐通常采用不锈钢材料、双层壁“热水瓶”式结构。

在双燃料机车运行时，首现要将低温液态天然气转化成气体状态，通常是利用一套安装在轨道车上的热交换系统来实现，转化之后气态天然气通过连接在机车与轨道车之间的柔性管道流到双燃料发动机中。

在机车与轨道车之间需要安装保护装置，确保当两车意外脱开时，轨道车的天然气转化系统关闭，避免天然气大量泄漏造成危险。

四、面临的技术困难

双燃料机车的研制过程中还有很多技术上的困难需要解决。

（一）相关标准缺失

由于大多数双燃料机车都是试验性质的，没有实现商业运营，国内外还没有制定相关的设计、制造标准。

（二）低温贮存罐式轨道车制造

低温贮存罐式轨道车是双燃料机车的关键部件，是机车长距离运行的重要保障，低温贮存罐需要具有容量大、保温性好的特点，需要拥有专业资质的公司设计和制造，来保证低温贮存罐式轨道车在运行时的安全性、可靠性。

（三）可靠性及安全管理

天然气是一种易燃易爆的气体，为防止发生严重的事故，要求双燃料发动机有很高的可靠性。为了保证人员和发动机的安全，需要在发动机上运用特殊的安全设计及安装安全装置，同时也需要周密、稳健的控制策略来监控运行，在发生天然气泄漏时，能及时停机处理。在双燃料机车运行过程，需要制定严格的安全规程，要求相关人员严格执行，避免因为人为因素造成事故。

五、双燃料机车的经济性与环保性

（一）双燃料机车的经济性

双燃料机车的经济性包括燃料经济性和燃料设施经济性两个方面。

燃料经济性方面， 2010年,国家发改委下发《关于提高国产陆上天然气出厂基准价格的通知》，宣布6月1日零时起将国产陆上天然气出厂基准价格每千立方米提高230元, 提价幅度为24.9%。同时提到“理顺车用天然气与汽油比价关系，各地要按照与90号汽油最高零售价格不低于0.75：1的比价关系，理顺车用天然气价格，保持车用气的合理比价。”

由此对国内的天然气价格做出以下结论：一是在未来天然气价格将保持上涨的态势，最终逐步实现与国际原油价格联动、挂钩；二是天然气相对汽油、柴油依旧保持着一定价格上的优势。

目前天然气的价格优势可以为双燃料机车节约25％的燃料成本，对于使用寿命在20～25年的机车来说，是一笔非常可观的效益。

燃料设施经济性方面主要包括天然气加气设施的建设和低温贮存罐式轨道车的成本。

现有的天然气加气设施主要是给机动车提供燃料，从地理分布上很难满足双燃料机车的要求，而目前一座1×104m3/d的LNG加气站的造价为136万元，1×104 m3天然气可以使功率为1100kw的6240双燃料发动机运行34小时，如果考虑更大功率的机车及机车的数量，1×104m3/d的LNG加气站远远不能满足需求，因此使用双燃料机车的路局和用户必然要在铁路沿线、厂区投入大量资金建设一批数量众多天然气加气站，以方便机车得到充足的燃料供给。

低温贮存罐式轨道车研究、制造费用还无法估计，根据美国BN铁路公司1987年的经验，一台低温贮存罐式轨道车造价接近一百万美元。

虽然使用天然气可以为双燃料机车节省大量燃料费用，但是需要投资建设专用的加气设施，投资制造低温贮存罐式轨道车，再加上保证机车安全运行及保养费用，双燃料机车整体的经济性还需要实践的检验。

（二）双燃料机车的环保性

表2 双燃料机车与柴油机车的

在2007年，美国铁路协会为更好了解双燃料机车的性能，利用ECI公司技术将一台EMD 645-E3机车改装成双燃料机车，对其排放进行测试，将结果与可以满足EPA Tier2排放标准的柴油机机车进行对比（见表6），得到的结论是除了NOx的结果比较理想外，其他排放物都是柴油机车的4倍～5倍。不仅无法满足EPA Tier2标准，而且在HC、CO等方面尚不能达到我国的排放标准。

当然也不能因此就否定双燃料机车，毕竟这只是针对一种机型的测试。对于双燃料机车的排放，还需要依照我国的排放标准及测试规则进行具体测试，用试验结果来评判双燃料机车。

六、结论

内燃机车在我国还是柴油消耗大户，而研发双燃料机车是解决能源危机的重要措施之一，技术比较成熟，安全也可以得到保障，但考虑天然气相关设施的成本，以及日后天然气的价格走势，再加之排放优势还有待于实际认证，所以真正到实际运用阶段还要有很长的路要走。

参考文献：

1 彭雪竹.国内外双燃料发动机发展状况分析.船舶物资与市场，2012.3

2 Larry Caretto 等.. An Evaluation of Natural Gas-fueled Locomotives.USA，2007.11

3 Paul Jensen、孙文华.双燃料机车发动机的开发.国内外内燃机车，1993.5

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