1、简单比喻，其工作原理就像喷气机的喷气引擎一样。空气从燃气轮机是进气口进入，通过压气叶片将其压力升高，空气进入燃烧室后，与周围喷入的天然气混合，并点火燃烧。气体燃烧受热后膨胀，进入涡轮区经过一级一级的叶片，并逐级推动叶片转动，直至从出气口排出，成为废气。叶片转动后带动轴也转动，轴上带着的机械也就转动了。压气机的压缩空气和燃料在燃烧室中燃烧使得气体温度升高而膨胀，从而推动后面的涡轮连续旋转，把内能转化为机械能。原理虽然简单实现非常之困难呐，因为涡轮叶片要在燃烧的温度下工作，同时高速的旋转也伴随很大的离心力，所以这些高温热部件是燃气轮机真正的难点，为了在工作中保护叶片，把压气机的冷空气引入到叶片上，
2、从叶片上的孔中喷出，与燃烧膨胀的热空气逆流，形成冷却的气膜包裹叶片，在一种动平衡下持续工作。和冲程发动机不同，没有往复过程，燃气轮机是连续不间断的旋转做功，效率比柴油机高的多，单位体积出能大，体积小，多用于航空，轮船舰艇动力，地面应用多为带压缩机或带发电机，在沿海缺电的地方用于调峰电厂，或在内地不便于输送电的地方用于自备电厂。3. 天然气做内燃机燃料的特点天然气的着火温度高，当天然气用于柴油机改装成的内燃机时，混合气难以自行着火，必须使用柴油引燃方式或者增加一个点火系统，才能使混合气点火燃烧。天然气常温下为气体，可与空气均匀混合，在内燃机中的燃烧比较完全。优化内燃机的工作过程可降低内燃机有害物
3、质排放。天然气是一种低密度的气体燃料，若采用缸外混合方式，就会减少进入气缸的空气量；另外，天然气混合气热值低，因此会导致内燃机的功率和动力性有一定程度的下降。天然气内燃机的润滑性能差，对喷气系统等关键部件应采取相应措施以保证内燃机的可靠工作。天然气作为火车代用燃料的续驶里程较传统液体燃料短，并且不能利用现有的燃料储运、分配、销售系统，需建立独立的储运，销售网络。天然气内燃机车燃料与石油基燃料相比，具有一系列热力学和生态学方面的优点。天然气与柴油的特性比较：项 目柴 油天 然 气低热值，MJ/Kg42.546.7混合气热值，MJ/m33.533.12当量空燃比，Kgkg-114.617十六烷值4
4、065辛烷值130沸点，180370-162在内燃机车发动机中采用天然气燃料有如下优点： 燃烧热较高（约高10% ）； 抗爆稳定性良好； 可在更稀的混合物中工作及大大减少有害废气的排放等。使用天然气发动机时，其使用期限和大修之间的走行公里可提高0.5l倍，提高内燃机机油的使用限，从而使其消耗量降低30%40%。气体燃料的能量特点可以制造出比柴油机具有更高的燃料经济性、寿命和生态指标的天然气发动机和双燃料发动机。从生态学上来说，天然气内燃机燃料是最清洁的。由于这一事实，在许多国家中，都确定在运输业中要广泛采用天然气。使用天然气燃料时，其有毒物质CO的排放量降低80 9O ，碳氢化合物（HC）的排
5、放量降低66%，氮氧化合物（NOx）捧放量降低33%60%。过渡到双燃料发动机后，其排烟浓度大为减少。4. 天然气机车的发展概况随着城市大气质量问题的日益突出，世界各国铁路也开始对生态环境予以重视。铁路运输业往往是各国的能源消耗大户，为了达到降低运营费用和符合未来废气排放的标准，目前世界许多国家都开展了以天然气作为内燃机车代用燃料的研究工作，在这一方面具有代表性的是美国和俄罗斯。美国和俄罗斯在九十年代初都有天然气机车问世，并有天然气机车投入运营的报道。另外，澳大利亚埃穆湾铁路公司也已开发了功率为4252206Kw的调车用天然气内燃机车，并准备投入生产；德国成功地对165Kw功率的燃用压缩天然气
6、（CNG）的调车内燃机车进行了试验；加拿大也把4千台左右的3600型内燃机车改造成为燃用液化天然气（LNG）的机车；日本、芬兰、捷克也正在积极进行天然气发动机的研制工作。5. 天然气机车的改型方案上述国家的研究报告指出，为了取得满意的功率和经济性指标以及实现天然气燃料的热动力和生态方面的优势，必须在现有柴油机的基础上，进行天然气柴油双燃料发动机的改装。燃烧系统改装方案的不同，产生了不同形式的天然气机车。目前已出现的两种形式是：采用少量柴油作为引燃燃料的双燃料天然气发动机和电火花点燃的单燃料发动机。俄罗斯推出的二冲程10l00型、四冲程64H31.8/33型、四冲程1型发动机都属于双燃料天然气发
7、动机，其共同特点是喷油系统的结构基本保持不变，柴油供给系统既能保证发动机在柴油机工况下工作，也能保证它在双燃料发动机工况下工作，不同的是天然气供送装置不同。l0100型采用了在压缩冲程中直接向发动机每一气缸供气的系统，该系统由具有机械驱动机构的天然气阀和定量器组成。定量器由转速功率联合调节器带动的附加控制杠杆进行控制。1型双燃料发动机，则采用每个气缸单独的电磁驱动式气体定量调节阀，电磁驱动装置保证按给定的相位和曲轴转角的持续期，供应必要的天然气。64H31.8/33型双燃料发动机的特点，是发动机每一气缸上装有气阀，气阀由与进气阀摇臂相连的摇臂来驱动。美国GM 公司制造的EMD402型机车，采用
8、的是645E3B型二冲程双燃料发动机，其燃料供给由一个计算机系统控制。该系统负责控制适量的柴油用来点火和适量的气体燃料用来满足机车司机所选择的功率范围的需要。一旦气体燃料供给系统出现异常或停止运转，该系统可使发动机恢复到全部烧柴油。所以，柴油喷射器作为原装设备而被保留下来。和美国改型方案一样，加拿大也在双燃料机车上，安装了采用微机处理技术的柴油供气系统的综合调节系统及电控喷油器。上述双燃料机车的气体燃料的替代率随负荷而变。在满负荷时，发动机烧90%以上的气体燃料；在起动空转工况及在全功率2030% 的功率下，基本上是烧柴油。对于具有按双燃料发动机循环工作的柴油机的干线内燃机车来说，天然气燃料代
9、替柴油燃料量大约可达7080 。对于调车内燃机车来说，这个量是5055% 。与双燃料发动机相比，用单燃料天然气发动机的燃烧系统改型方案，可减少一套燃料供给和贮运系统。例如美国MK公司和卡特彼勒公司合作开发的Caterpillar V-16G3516型发动机就是一种火花点火式天然气发动机，该发动机装有可优化空燃比和点火定时的电子控制系统。此外还装有可提供协调点火的高能点火系统和一个高效燃烧室。该燃烧室包括一个深杯油道的活塞，以提供充分燃烧5.1. 天然气供送系统天然气在正常条件下的比能容量较低所以它必须以压缩和液化状态储存（储存在高压和低温容器中），其结果大大地增加了机车中燃料储存系统的重量和尺
10、寸。对于具有双燃料发动机的干线内燃机车来说，为了保障与装柴油机内燃机车有同样的走行里程，通常在机车中加挂了装有天然气的储存车。在天然气调车内燃机车中，气体容器设在批量制造的内燃机车的车底架上，一次加气后的工作时间是三昼夜。美国MK1200G型机车是单燃料的调车，在机车上有3个最大贮量为5300升的燃料箱它们是由绝热材料包裹的可装运低温（-162）液化天然气的不锈钢罐体，绝热材料为玻璃纤维和铝箔交替分层，绝热层外侧为12.7ram 高抗拉强度的碳素钢壁，此钢壁用以保护低温罐体免遭撞损。同时，为了加强罐体绝热特性，在两层钢体间抽成真空。燃料箱装在机车司机室下方转向架之间的一个坚固的框架内。即使机车
11、脱轨，该框架可支持着车体重量，以防止燃料箱被压碎或遭其它损坏，框架在应力试验中可承受136t的力和2g的加速度。全苏管道运输科学院制成了一台用CNG工作的TaMex 型调车内燃机样车，在这台机车上装载压力为20MPa压缩天然气的容器，是采用批量生产的碳钢容器。双燃料天然气机车往往要加挂一节天然气储存车，例如俄罗斯2TaIOM型机车和2T9116型机车由两节相同的牵引机车和一节天然气储存车（低温车）组成。天然气储存车位于两节牵引机车之间，并用自动车钩相连。天然气储存车包括装在二轴转向架上的承载式车体组成的走行部。走行部上要装汽化器，还设有填加液化天然气的高压容器和管路的保护、控制仪表等辅助设备。
12、美国EMD双燃料机车发动机和LNG 供应车，供送给机车的LNG，装载在一个单独的燃料车里。该燃料车是将一个双层壁的圆柱形贮罐，安装在一个普通的中心梁车底架的转向架总成上，可装载35t LNG，能够向两台机车供送燃料，两端可以各联挂一台机车。燃料车还装有两台汽化器，和为保证燃料安全供送和在燃料站快速加装燃料所需要的阀门装置和控制装置。运行试验情况美国EMD双燃料发动机经过500小时耐久试验后，1992年初安装在伯灵顿北方铁路的BN7890号机车上，该机车牵引运煤列车，运行路段是该铁路运煤线路中最艰巨的一段，BN7890号样车无论是在烧天然气工况还是在烧柴油工况，均能做到全功率性能良好。该车与19
13、92年8月改装的第二台天然气机车一起投入全工作日的运煤工作，现同属于伯灵顿北方铁路格伦代夫编组站标准机车车队。到目前为止，这两台机车没有因转换系统而出现大的故障，运行很正常。另外，EMD双燃料发动机在500小时台架试验报告中表明：烧双燃料时，有害物NOX的排放量明显减少。俄罗斯的双燃料机车，在1993年通过了一系列的出厂检验测试，在试验专用路段运行时，汽化器和天然气内燃机车均未发现异常。然而，苏联解体以后2T10型机车被划归乌克兰铁道部门所有，由于乌克兰的科研资金短缺，因此被迫暂停了天然气机车的研究和开发。至今，其中一组2T10型机车已被报废拆解，余下一组也面临着相同命运。两台以LNG为燃料的
14、机车已在美国圣菲铁路位于洛杉矶市东南部的货运调车场投入运行，这两台机车在交付之前的发动机台架试验表明：此种只烧LNG 的发动机也大大减少了NOX的排放量。5.2. 主要技术措施5.3.1.机组状态的选择天然气可以有两种状态：液化天然气和压缩天然气。不论在哪种情况下，送入发动机气缸中的天然气均为压缩天然气。所以这种选择取决于内燃机车上天然气储备的转化状态。天然气在液化状态下的温度为-160。为了储存这种状态下的天然气，需要有低温容器。在这样的冷态下，密度几乎要提高600倍；而在压力为25 MPa以下的压缩状态下（这是天然气瓶一般的压力），密度提高约250倍。因此，从理论上讲，在同一几何形状的容积
15、中，液化天然气的储存量比压缩天然气的储存量可以多1.4倍。但是，实际上在使用液化天然气时需要有气水热交换器，而且气水热交换器的热水要由柴油机提供。当内燃机车负荷工况急剧变化时，由于热交换器热惯性的原因，必须设置压缩天然气备用容器。这样，它的密度的优点就不能完全实现。这些机组、自动控制装置、安全装置以及初级天然气空气热交换器都应该装在内燃机车上。例如，在2T116型天然气内燃机车的低温天然气存储车中可以用压力为25 MPa的压缩天然气瓶来代替低温容器和上述设备。在这种天然气瓶中可以储存10 t天然气。在这同一低温天然气存储车中也可以存放17 t液化天然气，其中3 t液化天然气为工艺储备用气，用于
16、保证天然气的储存温度。因此，内燃机车上液化天然气的储存量实际上比压缩天然气的储存量多25 28。此外，从工艺和运用来看，与压缩天然气相比，液化天然气是一种形式比较复杂的燃料。低温容器的成本比压缩天然气瓶高。当有泄漏时，液化天然气或是很快气化，充满整个存储车，或是下沉（大量泄漏时），造成火险、爆炸、中毒和烧伤乘务人员。为了获取、储存和运送液化天然气，需要有专用设备、附设场地和高专业水平的工作人员。运用过程中，在低温容器上部有气化了的天然气，而且天然气的压力在逐渐上升。在由容器强度决定的压力下，天然气必须排向大气，这就限制了内燃机车在封闭式厂房内的停留时间。在电气化线路上，会产生损坏架空线的危险。
17、压缩天然气处在适合向发动机气缸供送的状态，但为其储存需要建立高的压力。这对天然气管道的密封和运用安全性的保证会带来一定的难度。此外，压缩天然气高的压力需要进行深度减压。因此，每一种机组状态均有其自身的不足之处，所以必须根据内燃机车的运用条件来选择其中一种。例如，在调车内燃机车上，工况变化次数可达每小时100次，因此由于气化器的惯性原因，采用液化天然气就有困难。所以在 18型天然气调车内燃机车上采用了压缩天然气。该车上储存的压缩天然气数量为850 m3，压力为20 MPa，从而保证了两次充气的周期为253.0天。对于干线内燃机车来说，其工况较为稳定。但是，干线内燃机车由于离机务段的距离很远，所以
18、两次充气间的走行里程数比调车内燃机车更为重要。但是显而易见，液化天然气只可能用在能够生产液化天然气的地区，建立供气基础设备的费用很高，要有足够数量的天然气内燃机车，其花费才合算。5.3.2.天然气内燃机车的结构基础用天然气作为燃料的内燃机车柴油机可以有两种方案来组织其工作过程：第一方案天然气循环，气缸中的天然气空气混合气用火花点火；第二方案天然气柴油循环，气缸中的天然气空气混合气用柴油进行点火。采用第一方案时，必须降低发动机中天然气的压缩度，改变燃烧室，建立电子点火系统。在这种情况下，功率将会降低，发动机的燃料经济性将会恶化。例如，下高洛特市卢莫工厂提出的6H2228型发动机，在采用天然气柴油
19、循环方案时的功率仍为750 kW，而在采用天然气循环方案时的功率下降到560 kW（降低26），燃料消耗率增加了12。还有一种情况也很重要，即当采用天然气柴油循环时，应保证发动机的转换性，即保证用天然气和用柴油的工作能力。对于保证调车内燃机车和干线内燃机车转换可靠性来说，这具有重要的意义。内燃机车柴油机改用天然气较为简单，并且其改造费用也不高，能保持功率和燃料经济性，保证运用可靠性和方便性。根据这一切可以作出结论：在内燃机车发动机上采用天然气柴油循环是合理的。因此，在天然气内燃机车上应该装有天然气容器和柴油容器，还要用简单的方法，不增加任何辅助操作就能保证发动机工作的转换。5.3. 试验型天然
20、气内燃机车俄罗斯从1980年年末开始天然气内燃机车的研制工作。卢岗斯克内燃机车制造厂制成了3台干线天然气内燃机车，其中2台是在2T10型内燃机车的基础上制成的；1台是在2T116型内燃机车的基础上制成的。这些天然气内燃机车的型号分别为2T10和2T116，这些天然气内燃机车均带有天然气储存车，车上设有2个低温容器，能储存17 t液化天然气。1991年，2T10型天然气内燃机车进行了热工试验。在试验中暴露出10100型柴油机和气化器的一些不足之处。后来有关天然气内燃机车的研制工作就中断了。2T10型天然气内燃机车留在了乌克兰，后来被解体。在2T116型天然气内燃机车上对天然气发动机气缸供气的电子
21、控制系统进行了研制。后来，由于这一系统的可靠性较低，这种内燃机车节机车上的1型天然气柴油机-发电机组改装了机械驱动式天然气气阀，并对它进行了调整试验。为了制定一些主要技术措施，1994年在批量生产的T2型内燃机车的基础上制成了1台调车天然气内燃机车样车。1998年，布良斯克机械制造厂制成了2台T18型天然气调车内燃机车样车，车上采用了奔萨柴油机厂制造的-50型天然气柴油机-发电机组。2000年年末对它进行了运行试验。这些内燃机车的天然气柴油机在起动和小负荷工况下工作时使用柴油，从司机控制器第4手柄位起就过渡到天然气柴油工作过程。点火用的柴油为总消耗量（天然气+柴油）的15 。天然气柴油机功率和
22、机车起动牵引力与批量生产型内燃机车一样，分别为882 kW和318 kN。天然气的储备量可以保证内燃机车不充气运行2、53天。额定功率时的燃料当量消耗率比使用柴油时的相应消耗率低3 5，排气毒性降低33 50。在莫斯科铁路局的运行试验中表明：随着调车作业型式的不同，该天然气内燃机车用天然气代替柴油的比例也有所不同，为35 50。2005年，在目前使用第001号T18型天然气内燃机车的斯维尔德洛夫斯克铁路局，内燃机车用天然气代替柴油工作的比例为44。此时，发动机燃料的消耗量降低了22 。2004年，俄罗斯铁路控股公司、天然气资源部和斯维尔德洛夫斯克区政府签订了协议，制定了研制和在斯维尔德洛夫斯克
23、铁路局试用干线和调车天然气内燃机车的计划。计划规定要研制2T116型干线天然气内燃机车、T18型天然气调车内燃机车、3型天然气调车内燃机车、T2型天然气内燃机车样车及其供气基础设备。目前正在完善2T116型天然气内燃机车1型天然气柴油机-发电机组的工作过程。已制成1台3型调车天然气内燃机车，并正在全俄铁道运输科学研究院的环形试验线上进行试验。正在设计带增力车的T18型天然气内燃机车，增力车上储存有天然气，这样，不仅能使天然气内燃机车起动和加速时的牵引力提高1倍，而且还可以增加车载天然气的储备量，保证内燃机车两次充气之间的走行里程达到1215天。全俄机车车辆设计工艺科学研究院和全俄铁道运输科学研
24、究院正在研制干线和调车用燃气轮机车。俄罗斯试验型天然气内燃机车的主要技术参数见表1。美国、德国、加拿大、澳大利亚也在研究用天然气作为发动机燃料的工作。例如，美国于19921994年，对2台SD402型内燃机车和2台MK1200CC型调车内燃机车进行了天然气柴油循环的改造。前者采用GM公司的功率为2200kW的柴油机，后者采用Caterpillar公司的功率为1527 kW的柴油机。目前正在进行将机车用EMD 645、KTASOG3型（Cummins公司）柴油机改造成燃用天然气的工作。德国为采用天然气改装了Ktif 360系列调车内燃机车，制造了KG230和MAK G1600型工矿用天然气内燃机
25、车。澳大利亚制成了1台功率为2200kW的GE 3000型干线货运天然气内燃机车。5.4. 天然气内燃机车的改进T18型天然气内燃机车在试运过程中发现其一系列结构上的不足之处，因此对天然气内燃机车结构及其保养修理工艺的改进提出了一些建议。主要问题之一是在调车内燃机车上提高用天然气代替柴油的比例，方法是扩大天然气柴油机-发电机组燃用天然气燃料的工况范围。在T18型天然气内燃机车上，从司机控制器第4手柄位起开始用天然气工作，其原因是：在柴油机曲轴转速低于400 rrnin时，批量生产的燃油设备不能保证稳定地供给点火用柴油（15）。在低转速情况下，出现供油不匀，甚至循环中漏喷柴油的情况，从而导致天然
26、气在气缸中不着火。为保证低负荷和低转速下的工作，需要解决的另一个问题是：在实际上没有增压压力的情况下，组织这些工况下的混合气形成。2005年，设计、制造并在试验台上试验了能在曲轴转速低到300 rmin时保证稳定供给点火用柴油的喷油器组。期望在-50型天然气柴油机的试验过程中能确定柴油天然气的供应参数，保证在司机控制器第23手柄位上按天然气柴油循环进行工作，这样可以使天然气替代柴油的比例达到60左右。提高这一比例的另一可能性是用内燃机车上的天然气转换成合成天然气来代替点火用柴油。正在研究具有能保证压缩点火的十六烷值的合成天然气的合成方法。这样能使天然气代替点火柴油的比例提高6 7。完善天然气内
27、燃机车的主要方向之一是研制和采用天然气柴油机气缸喷油电子控制系统。科洛姆纳机车制造厂和全俄铁道运输科学研究院目前正在为1和-50型天然气柴油机-发电机组研制这种控制系统。采用这种控制系统将会使内燃机车用天然气的改装工作大为简化，并可以使其供送燃料实现自动控制。6. 成本分析目前，我市的加气站基本上以压缩天然气为主。压缩天然气（简称CNG）指压缩到压力大于或等于10MPa且不大于25MPa的气态天然气，是天然气加压并以气态储存在容器中。市场价格为3.56元/m3。以0#柴油（工作温度在4以上）为例，市场价格为7.57元/L。由天然气、柴油的热值、比重可知，其转换公式大概为：1 m3天然气热值相当
28、于0.792 kg 0#柴油热量而1 kg 0#柴油大约是1.1621.190 L，在放出等量的热能情况下，天然气的成本是3.56元，而0#柴油的成本是6.81元，由此可见天然气的成本仅为柴油成本的52.3%，成本优势巨大，市场前景非常广阔。7. 最新动态7.1. 国外动态7.1.1巴菲特公司2013年3月6日，巴菲特旗下的BNSF铁路公司总裁Matt Rose宣布，该公司计划于今年开始测试利用液化天然气作为机车的替代能源。如果实验获得成功，将削弱石油作为运输燃料的支配地位，并为北美充足的廉价天然气提供一个新的市场出路。 由于使用了新的开采技术，天然气已经过剩，天然气价格由此大跌。从电气公司到
29、拖船企业都开始转向使用天然气，如果铁路货运公司也转向使用天然气，铁路工业将迎来这十年来最重大的转变。BNSF是美国最大的铁路公司，也是美国第二大柴油消费者，排名第一的是U.S. Navy。BNSF在1980年代晚期就开始考虑使用燃气动力机车，但随后天然气价格上涨，该计划被束之高阁。现在形势已经不同以前。根据联邦统计数据，去年平均每加仑柴油价格为3.97美元，而使用提供相等能量的天然气只需花费48美分。 当然，BNSF也需要承担巨大的花费，用以将天然气进行液体储存。同时对其现有的大约6900辆机车进行改造也将产生巨大的成本，但分析认为，未来数年天然气价格将明显低于柴油。BNSF首席执行官Matt Rose透露，BNSF正与通用电气和EMD内燃机车公司一起开发一种能同时使用柴油和天然气的机车，这不仅有助于节省费用，也符合两年前
