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柴油车改装成CNG双燃料研究

柴油车改装成CNG双燃料研究

一、燃气汽车发动机国际发展趋势及发展现状

 随着世界经济的飞速发展,汽车保有量的急剧增加,汽车给人们带来了极大的便利,对人类社会发展作出了巨大贡献,但同时消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体,并对人类生存环境造成较大的危害,成为城市污染的主要污染源。

为解决这一问题,人们一直在寻求改变能源结构,采用低公害的汽车代用燃料的途径。

国际上一些大的汽车公司相继开发出电动汽车、醇类汽车、天然气汽车。

从技术成熟度、经济性、易普及程度、资源等方面因素看,天然气汽车优于电动汽车、醇类汽车。

因此近年来世界上汽车总保有量超过7.5亿辆,其中天然气汽车保有量已超过600万辆,加气站数量6000座以上,主要分布在富气贫油的意大利、新西兰、阿根廷、印尼等国家和环保法规严格的美国、日本等。

戴-克、康明斯、依维柯等国际知名公司都在不遗余力地大力研发和推广各自的天然气发动机(附表1)。

特别值得一提的是,美国在LNG车用技术上处于领先位置,从推广车型来看,LNG不但适用于城市公交车,同样也适用于出租车和大型货运车辆,尤其是长途车辆。

从美国和欧洲的趋势看,各国的天然气汽车的研制重心已经由CNGV汽车转向LNGV。

我国燃气汽车保有量目前已超过22万量,19个重点推广应用城市(地区)加气站数量达712座以上。

  天然气汽车发展迅速的主要原因在于:

  环境保护的需要 

  天然气汽车是清洁燃料汽车,尾气排放少,环境污染少,与汽油车、柴油车相比,排放物降低情况如下:

  表1CNG与燃油汽车尾气排放比较

  在美国为了达到《1990年清洁空气条例修正案》(CAAA)标准,天然气已成为广泛使用的汽车代用燃料。

美国有31个州制定了强制使用天然气汽车的办法。

纽约州制定了6年清洁燃料车的应用计划,计划到1996年燃气汽车达到80%;德克萨斯州规定,1994年9月前,50%的校车、15%的公共汽车和政府机构汽车必须具有双燃料的能力。

  天然气汽车技术日趋成熟 

  天然气汽车发展从上世纪30年代起,已有70多年的历史,特别是经过近些年的发展,技术已趋于成熟,先进的电子技术和机械制造技术使天然气汽车的安全性和控制性能得到保证,续驶里程由初始50~70公里提高到300-400公里以上;天然气汽车气瓶重量和加气站的体积大为减少;给汽车加注天然气同加注汽油一样方便,快速充气仅需2~5分钟。

  天然气汽车基础设施逐渐完备

 随着天然气汽车的发展,天然气汽车加气站逐渐形成网络。

据估计,目前世界上已有加气站6000座以上。

  安全、经济

  与汽油、柴油及其它代用燃料相比,天然气汽车的使用费用较低一般为汽油价格的50%,天然气为高燃点的轻量气体,在正常温度和压力下,危险性比汽油小。

天然气汽车冷启动性能好,运行平稳,维修费用低(约为常规燃料车50%),直接用甲烷作燃料,不仅可大大降低汽车机械摩擦的耗损,延长使用寿命,且运行操作简单方便,噪音也比燃油汽车降低40%。

发动机使用寿命长。

  政府制定优惠政策 

  为保护环境,减少污染,许多国家政府制定一系列鼓励性政策促进燃气汽车的发展。

如天然气价格优惠、天然气汽车税费取费较低、生产燃料供给设备及建设加气站等均在资金方面、税收方面给予优惠政策。

  二、我国燃气汽车发动机的发展现状

  目前,国外CNG发动机已在广泛应用第三代的技术,更先进的LNG缸内直喷技术已得到小批试用,其动力性、经济性和排放俱佳,但其开发难度大,费用昂贵,成本也高,国内尚未开始研制。

第一代产品是机械式,第二代属于简单闭环控制,第三代是采用电控喷射CNG技术。

电控喷射CNG系统采用高压喷射,通过节气门传感器,气体流量传感器,转速传感器,水温传感器,进气温度传感器,压力传感器和氧传感器等经过中央处理单元来控制点火、空燃比等。

  我国燃气汽车发展始于50年代,即低压天然气汽车。

80年代中、后期天然气汽车的开发及应用的步伐加快。

国内大型汽车厂和发动机厂如东风、解放、上柴、潍柴、玉柴不断加大产品开发力度,相继推出了各自的产品在市场上推广应用(附表1),主要产品分为单一天然气燃料汽车和双燃料汽车(天然气/汽油或柴油)。

  根据燃气汽车使用天然气的不同形态,可分为:

压缩天然气(CNG),主要成分为甲烷,压力一般在20-30MPa;液化天然气(LNG),天然气在超低温(-162°C)常压状态下液化,天然气经净化处理后通过压缩升温,在混合制冷剂N2、C1、C2、C3、C4作用下冷却移走热量,再节流膨胀而得到液态天然气,在标准大气压常温状态下,其体积约为同量气态天然气的1/625,天然气液化后为标态体积的1/625,绝热容器压力为0.05-0.5MPa,液化天然气的液化过程中几乎完全去除硫、汞等杂质。

两种形态的燃料发动机在国内均已得到应用。

  1、压缩天然气汽车 1988年我国分别从新西兰、澳大利亚、加拿大等国家引进了CNG加气站的全套设施、改装汽车部件及高压气瓶。

分别建站于南充、大庆等地。

同时进行了加气站设施及汽车改装部件的国产化工作。

目前,业内人士已普遍认识到采用单一CNG作为燃料的优点,国内主要发动机生产企业均在进行第三代天然气发动机研发,正在不断替换技术水平较低的机械式发动机。

CNG车已在四川、重庆、北京、西安2、液化天然气汽车 是继CNG汽车和LPG汽车之后于近年才开始发展起来的一种新型环保汽车,从本质上讲也是天然气汽车,但由于汽车携带的LNG比CNG具有更高的燃料密度、压力低、所需燃料箱自重轻,汽车一次充气的行驶里程(300~800km)较CNG远得多,LNG同时又能像油品一样运输,同时具有CNG和LPG的优点,而克服了它们的不足,因此具有更强的实用性,且由于我国能源战略结构的调整,今后将有更多的LNG资源通过进口进入我国使用,被认为是今后燃气汽车的发展方向。

目前在国内正在实施的LNG加气系统有北京LNG示范加气站,共有11辆公交示范车辆正在运营;乌鲁木齐单一燃料LNG公交示范项目工程课题,有20辆单一燃料LNG公交示范车辆正在运营;长沙市单一燃料LNG公交示范项目工程课题,有52辆单一燃料LNG公交示范车辆正在运营,运行情况都正常。

  三、我国天然气汽车发动机发展前景

  1、天然气汽车对降低汽车排气污染、节约石油资源具有重要意义。

  目前大中城市由于汽车尾气造成的大气污染相当严重,对人民生活造成了严重的灾害。

以某市环境为例,现汽车保有量仅100多万辆,其大气污染程度与国外400万辆汽车大城市相当,市区的氮氧化物已连续多年超标,交通干线沿线超标更为严重。

为此,政府各有关部门、部分高校、科研院所越来越重视天然气汽车的开发、推广、应用。

国家产业政策亦鼓励发展节能、低公害产品。

                                                  从1996年11月,全国汽车标准化技术委员会成立了天然气汽车工作组,着手建立我国天然气汽车标准体系;1997年9月,国家技术监督局批准成立天然气和液化石油气汽车标准化分技术委员会使我国天然气汽车标准化工作全面展开。

  2、我国天然气和液化石油气资源较为丰富,具备发展天然气汽车的基本条件

  我国天然气可采储量令人比较乐观。

据调查,我国天然气资源量约为38万亿m3,已探明的资源储量为1.8万亿m3,为资源量的5%,可采300年左右。

2005年,我国天然气产量为300亿m3,除用于化工原料和民用燃料外尚有剩余(约20%),其中部分天然气被浪费(约10亿m3)。

据专家测算,10万辆天然气汽车耗气约15亿m3,仅为目前天然气产量的7.5%。

  3、燃气汽车使用成本低,易被用户接受

  较经济的使用成本是推广天然气汽车的有利条件,以我国汽油、柴油与天然气现行价格比较,综合考虑发动机使用寿命、维修费用、机油费用等因素,使用天然气汽车经济效益显著。

  四、国内外天然气发动机产品技术

  天然气发动机主要采用以下一些技术:

  绝大部分采用柴油机为基础进行开发,以汽油机为基础的仅占一少部分,主要是因为能利用柴油机的增压中冷成熟技术。

  燃烧采用稀燃技术较多而理论空然比燃烧的天然气发动机也占一定比例。

天然气缸内喷射技术。

  天然气发动机闭环电控技术。

  天然气零部件开发可靠性技术。

如活塞、气阀、气阀座、喷嘴等。

  天然气催化器应用技术。

柴油/CNG双燃料车的安全性是有保障的,主要体现在以下几个方面:

(1)天然气的爆炸下限高。

天然气的爆炸下限为5%,柴油的爆炸下限为1.4%,天然气较安全。

(2)天然气燃点高。

甲烷燃点为645℃,柴油燃点为260℃,天然气与柴油相比不易点燃。

(3)天然气密度低,比重约为0.6,若有泄漏,气体会在空气中很快散发掉。

(4)车用压缩天然气储气钢瓶属于高压容器,其材质、制造及检验实验均有严格的规程控制,气瓶可以承受的最高压力为3Ompa(实验压力),以20mpa的压力充气,可充气15000次。

当瓶中压力达到30mpa时,瓶口阀门会自动开裂泄气降压,并安装有防爆设施,不会因汽车碰撞或颠覆造成失火或爆炸。

而柴油的油箱不属于压力容器,受外力易破裂,引起着火爆炸。

五、柴油天然气汽车改装经济效益分析

单车改装经济效益(以中型柴油客车为案例)

柴油天然气汽车改装:

以目前中型柴油客车每日燃油费用为人民币500元为例,若使用HJ智能电控燃气系统改装的柴油/天然气双燃料汽车,按天然气对柴油的最低替代率50%计算,每天的燃料费用为人民币357.21元,比较两种模式的经济性,在柴油-天然气双燃料模式下运行比在纯柴油模式下运行,每日可节约燃料费用人民币142.79元。

每月营运30日,可节约燃料费用人民币4283.70元,每年可节约燃料费用人民币51404.40元。

                                                   经济效益及投资回收估算表

每日纯柴油费用(元)

改装后每日双燃料费用(元)

每日可节约(元)

每月可节约(元)

1年可节约(元)

平均替代率为50%

柴油:

6.30元/升

CNG:

2.70元/M3

 

400.00

285.76

114.24

3427.20

41126.4

500.00

357.21

142.79

4283.70

51404.40

600.00

428.57

171.43

5142.78

61713.36

1000.0

714.33

285.67

8570.13

102841.56

2、100辆车改装后的经济效益

从以上的数据可以测算出改装100辆柴油车(每日燃油费用为人民币500元为例),每月节约的燃料费用为人民币428,370元,每年节约的燃料费用为人民币514万元。

节约部分再投入,可进一步促进经济发展:

无论是车辆降低的燃料费用支出,还是节约的短缺能源,都会再投入到各种经济活动中去,根据循环经济规律,都将创造出更大的经济效益。

中国已于2004年成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。

汽车保有量的增长,使得环境污染与能源安全两个问题愈显严峻。

当前我国经济持续快速的发展势头仍在继续,但是保障经济的能源动力却极度紧缺。

在国际石油价格节节升高的情势之下,我国的能源紧缺越发显得更加严重。

我国的能源结构以煤炭为主,石油、天然气只占到很小的比例,远远低于世界平均水平。

使用CNG将优化我国的能源结构,有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题,将对实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。

我国对CNG产业的发展相当重视,除规划并在逐步实施4000公里的西气东输工程外。

目前建成的CNG卫星站已超过40个,正在规划和实施的沿海CNG项目有广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁,这些项目将最终构成一个沿海CNG接收站与输送管网。

规划中的CNG接收站全部建成后总储存中转能力可达1800万吨/年,我国的CNG产业正处在蓬勃发展的阶段。

第一、              推广天然气汽车的重要意义

    一)、汽车对国民经济发展的重要作用

交通运输是一个国家经济发展和社会进步的重要基础,公路运输则是交通运输业的重要组成部分,在我国公路运输更是经济发展的大动脉,全社会客运增长量的90%和货运增长量的88%由公路完成。

2006年1-10月份,全国公路货运量达到116.8亿吨,公路旅客运输量达到152.4亿人次,公路建设投资达到4869.9亿元,2006年春运40天,道路运输旅客18.77亿人次,占春运客运总量的90%以上。

据预测,到2030年,汽车工业对我国的GDP的贡献率将达到36%,随着交通运输业的发展,汽车工业必将得到持续的发展并成为我国的产业支柱。

二)、交通运输的发展带来的问题

1、能源短缺问题

我国是一个“贫油”国家,早在1993年我国就已是石油“净进口国”,而汽车是石油的主要消耗源,随着交通运输业的发展,供应的缺口还在不断扩大,如果没有可靠的替代能源,现有的公路交通运输体系将会陷入瘫痪,将对国民经济的发展和国家安全构成严重威胁。

2、环境污染问题

现代汽车工业的发展给社会带来了巨大财富,但也同样带来了严重的废气排放污染和噪声污染,其中汽车排放污染对大气污染的分担率达到了30%—60%,已成为城市污染的主要污染源,汽车排污问题已经严重制约了公路运输业和城市的发展,因此采用替代能源已受到国际社会的广泛认同。

三)、发展天然气汽车是解决能源和环保问题的有效措施

我国人均石油储量为世界平均值的10%,石油进口依存度(净进口量占需求量的比例)已经超过20%,2010年将达到30%。

我国一方面存在石油严重短缺,而另一方面我国具有丰富的煤炭、天然气资源。

为了平衡和有效利用资源,发挥我国的能源优势,缓减石油资源的供应压力,消除国际政治、经济和军事等因素造成的世界性石油危机对我国国家安全和经济安全构成的威胁,大力发展燃气汽车是必然的选择。

四)、发展燃气汽车是实现国民经济持续发展的有力保障

在现有技术条件下,燃气汽车尾气中的有害污染物的排放量远远低于传统石油燃料汽车。

通过实验表明,汽车尾气中的CO2排放量可降低19%—25%,CO可降低90%—97%、NOX可降低30%—50%、SO2可降低70%—90%、微颗粒物减少40%左右。

主要排放指标亦能够达到欧Ⅲ以上排放标准。

数据表明,燃气汽车是一种清洁能源汽车,发展燃气汽车是减少大气污染和保护生态环境的重要举措,是实现国民经济持续发展的有力保障。

第二、              在目前条件下发展柴油/天然气双燃料车的积极作用

1、我国天然气资源分布特征

天然气聚集规律研究表明,天然气在地下的分布是极其不均的,是受相同的地质条件控制呈聚集区或聚集带分布。

全国天然气资源集中分布在塔里木、四川、鄂尔多斯、东海陆架、柴达木、松辽、莺歌海、琼东南和渤海湾九大盆地,其可采资源量18.4万亿立方米,占全国的83.64%。

天然气勘探取得较大进展并已形成了一定储量规模的地区主要有:

鄂尔多斯盆地上古生界、塔里木盆地库车地区、四川盆地川东地区、柴达木盆地三湖地区和莺歌海盆地。

2、我国CNG加气站的分布特征

目前我国加气站建设,CNG汽车发展较快的地区主要集中在天然气气田周边省份,如川渝地区、河南和新疆;或是天然气管道经过的城市,如北京、天津等。

四川省是我国CNG汽车、CNG加气站发展最好的省份,但CNG站数量及其分布仍不能满足蓬勃发展的CNG汽车的燃料供应。

我国19个重点推广应用城市(地区)加气站数量虽然达到730座以上,但主要集中在大中城市,基本上不能满足运输距离达到300公里以上的运营车辆的充装CNG的需要。

3、发展柴油/天然气双燃料车的积极作用

3.1使用CNG可以降低车辆的使用成本

在用车改烧CNG,易被用户接受的是较经济使用成本,以我国油气现行价格比较,综合考虑发动机使用寿命、维修费用、机油费用等因素,使用天然气汽车经济效益显著,可以极大的降低车辆的运营成本。

3.2调整柴油车燃料结构是实现柴油车治污节能的有效措施

柴油车由于其高效率、使用可靠、寿命长等特点,在客运行业和物流行业中起着举足轻重的作用。

但是,动力强劲的柴油车也是高能源消耗、高环境污染的典型。

从全国机动车污染物分担率看,柴油车排放的氮氧化合物占到了43%,小于10微米的颗粒物占到了83%。

我国对柴油车排放污染相当重视,《柴油车排放污染防治技术政策》要求柴油车在2008年达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平,2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。

天然气主要成分是甲烷,燃烧后的主要生成物为二氧化碳和水,已被证实是一种非常安全、环保的能源,是一种优良的汽车绿色代用燃料。

因此,在有条件的地区实现柴油车改烧天然气,既能保证车辆的正常运营,减少柴油的消耗,又能解决柴油车排放污染,有效保护环境。

3.3发展柴油/天然气双燃料车是缓减CNG供需矛盾的有效途径和保障车辆正常运营的有效手段

由于天然气的地区分布不平衡,CNG加气站不但集中在富气地区的大中城市,且CNG供应地点,供应量也远不能满足CNG汽车的需要,CNG汽车存在载着气瓶寻找CNG站,甚至发生CNG用完车辆搁置于运输途中的现象,严重制约了功率大、运距长的柴油车无法改烧CNG,该部分柴油车仍在不断的排放污染,仍在不断的侵害城市人居环境。

而柴油/天然气双燃料车在工作时可以是油气混燃,也可以是单独燃烧柴油,即在用完CNG的情况下仍可继续使用柴油,从而保障了车辆的正常运营。

因此,在现阶段柴油/天然气双燃料车是缓减CNG供需矛盾的有效途径和保障车辆正常运营的有效手段。

第三、              柴油/天然气双燃料车介绍

天然气汽车发展从上世纪30年代起,已有70多年的历史,特别是经过近些年的发展,技术已非常成熟,先进的电子技术和机械制造技术使天然气汽车的安全性和控制性能得到保证。

早些时候,有将汽油车改造成油气两用燃料汽车的技术和产品加以调整用于柴油车燃气化改装,但存在问题较多,如机械式燃气系统和半电控式燃气系统自然吸气方式,这种方式结构简单,供气和限油都要通过机械结构保证,缺乏精确控制和调整功能,能解决混烧天然气,但替代比例不确定,有降低原发动机的部分功率的现象,使用燃气时,又因燃气的燃点高,燃烧不完全,造成汽车排放的HC指标升高,使用在非增压的普通柴油机尚可;如果应用于增压发动机改造,此种供气方式只能限定混合器放在增压器前,给改装车辆带来严重的安全隐患,推广使用会存在些问题,另一个不足的方面是没有一个能随车辆工况变化的柴油油量限制机构。

随汽车电子技术的发展,柴油/天然气双燃料汽车的改装装置系统也逐步升级为电控系统并渐成主流,电控喷射式燃气系统将燃气燃料正压喷入发动机进气管部位,燃料供给控制为ECU控制,在柴油发动机上需安装传感器给系统以支持,系统的控制精度较高,能够获得非常满意的替代率和排放,这种技术方案非常适用于现在比较普遍的增压发动机。

就目前国内应用情况来看,对在用柴油车改装为柴油/天然气双燃料的智能电控系统,使用较多的是深圳市华江科技有限公司提供的“HJ”双燃料电控系统。

改装柴油/CNG双燃料车不对原柴油车基本结构作任何改动,增加一套CNG供给系统(主要由储气瓶、减压器、电子控制单元ECU、传感器、燃气喷嘴等组成),使其具有两种燃料模式(纯柴油模式和柴油+天然气模式),并可以在两种模式之间自由进行转换,以灵活使用所携带的燃料。

先进的电子控制,实现了双燃料各种工况下对燃料配比的最佳调节,保证了燃料燃烧的高效率、低排放,达到大幅度降低柴油车排放污染和柴油车使用成本的目的。

使用该系统已改装的车型有厦门金龙、郑州宇通、山东中通、川马客车、安凯客车、东风环卫车、康明斯货车、斯太尔重型车、北方奔驰重型车以及推土机等等,涉及到发动机有潍柴、杭发、扬柴、康明斯、玉柴、东风发动机等厂家产品。

第四、              柴油/天然气双燃料车的产业化建议

汽车能源结构的多元化是大势所趋,其具体进程取决于多种因素。

我国土面积广阔,各地资源条件、经济发展存在差别,能源消费结构也必然不会完全相同,因此,根据当地实际情况,研究和制定各地区的能源策略及积极出台鼓励发展燃气汽车的相关政策和管理办法也是十分必要的。

  1、政府推动,市场化运作是加快产业化进程的最佳途径。

观察国内外燃气汽车的发展历程,其必然经历试验示范、产业化示范和市场化推广几个阶段,在不同阶段政府、企业所处的位置,发挥的作用都是不同的。

在试验阶段由于试验规模有限,企业行为力小势薄,政府行为则应突出保护培育作用;产业化示范阶段由于关系到行业发展的战略定位,因此政府行为居于主导地位,工作的重心是扶持和规范管理,引导行业发展;而市场化推广阶段因随着产业化条件的成熟,企业作为市场的主体,实施力度不断加大,而政府部门则侧重于适度的宏观调控。

从柴油/天然气双燃料车的市场情况来看,柴油/天然气双燃料车目前正处于产业化示范阶段,在此阶段只有实现政府行为为主体和企业行为合理配置才能加快产业化的进程。

  2、加大科技攻关力度,解决好整个系统链的每个细节的问题,是产业化的保证。

加大科技投入,认真解决好系统链上的每一个细节问题,使柴油/天然气双燃料车的软件和硬件得以不断优化升级,确保整个系统的可靠性、稳定性和科学性是实现产业化的根本保证。

3、操作规范是降低风险的重要环节。

政府职能部门必须制定相关的行业标准、产品标准、技术标准,规范市场操作,这是保证柴油/天然气双燃料车产业化进程良性发展的重要环节。

  4、加大企业之间,企业与科研单位间的合作,是产业周期得以优化的有效措施。

根据产业周期理论,任何产业都必然经历导入期、成长期、成熟期、完全成熟期和衰退期几个阶段,在各个阶段甚至每个阶段的不同时期其市场状态都是完全不同的。

目前柴油/天然气双燃料车正处于导入期与成长期之间,在此期间加大行业内企业与企业之间,企业与科研单位之间的合作,取长补短,优势互补,资源共享是降低此阶段的时间成本和优化整个产业周期的最有效措施。

HJ燃气汽车智能电控燃气系统应用情况 

自2004年HJ柴油/天然气双燃料智能电控系统产品投放市场以来,柴油/CNG双燃料汽车:

绵竹至成都的川F72112川马客车已经连续运行4年,累计行程43万多公里,乐山至峨眉的川L19647金龙客车已经连续运行2年半,累计行程18万多公里。

第三代产品目前已经安装到北方奔驰牵引车、斯太尔牵引车、中通客车上,并对山东潍柴的WD615系列发动机进行配套,出口到伊朗。

目前已改装的车型有厦门金龙、郑州宇通、山东中通、川马客车、安凯客车、东风环卫车、康明斯货车、斯太尔重型车、北方奔驰重型车以及推土机等等,涉及到的发动机有潍柴、杭发、扬柴、康明斯、玉柴、东风发动机等厂家产品。

改装车型典型案例(部分):

柴油车/CNG双燃料系统应用案例:

2.1、整车厂配套:

2.1.1、潍柴动力WD615.65等发动机型配套,已经销往伊朗等国;

2.1.2、陕西重汽生产的陕汽德龙重型柴油车配套;

2.1.3、重庆恒通客车配套;

2.1.4、北汽福田汽油-CNG两用燃料汽油车配套。

2.2、在用柴油车燃气化技改:

2.2.1、山东东营胜利油田水罐车燃气化技改。

2.2.2、山西阳泉煤业集团公司运输车辆燃气技改(燃料类型为瓦斯气)。

2.2.3、深圳首个柴油车油改气项目中标(燃料类型为提纯沼气),并已经开始实施技改(包括推土机、渣土运输车等)。

2.2.4、新疆广汇、新疆新捷燃气的CNG气体运输车技改。

2.2.5、四川绵竹-成都,乐山-峨嵋线路

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