天然气发动机的研究

黄鹏超 李光辉 刘文龙

（柳州职业技术学院， 广西 545006）

1 引言

汽车给人们带来了极大的方便，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，现在机动车废气污染已成为城市污染的主要污染源。据统计，全世界石油产量的50%消费在交通运输部门上，用作汽车燃料的就要占到 30%左右；而造成全球环境污染的 60～70%烟雾和 50%以上酸雨又来自交通运输业。因而，汽车能源利用效率、有害物排放、车用新能源的开发和利用等问题，近30年来一直受到各国政府、专家和公众的关注。因此要实现经济、社会的可持续发展，寻找新的替代能源迫在眉睫。

天然气(Natural Gas，简称NG)是一种无色、无味的气体，90%以上成分为甲烷(CH4)。由于天然气拥有资源丰富、污染很小、经济和安全上的优势，从而得到了大力地推广，它是一种很好的清洁燃料。

2 天然气的优点

与其他燃料相比，天然气具有如下较为突出的优点：

(1)着火极限宽。天然气与空气的混合气具有很宽的着火极限。其过量空气系数的变化范围为0.6～1.8，可在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气。所以，使用天然气可以实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。

(2)抗爆燃性能好。天然气的辛烷值为130，比汽油高得多，其抗爆性能非常好。在这种情况下，为充分发挥其抗爆能力，可适当提高发动机的压缩比，进而可提高发动机的热效率，增大汽车的动力性。

(3)排放污染小。以天然气为燃料的汽车(Natural Gas for Vehicle,简称NGV)又被称为“蓝色动力”汽车。NGV与燃油汽车相比，噪音降低40%左右，且无苯、铅及粉尘污染。NGV与传统汽油车相比，汽车尾气排放有较大改善。如 CO降低98%左右、HC降低62%、NOx降低30～40%、CO2降低10～20%、SO2降低90%左右。与柴油车相比，没有碳烟和颗粒排放，彻底解决了城市公交车冒黑烟问题。

(4)发动机寿命延长。与传统汽油相比，天然气对发动机润滑油破坏较小，气缸不积炭，可减少发动机磨损，从而节约维修费用，延长发动机使用寿命。

(5)燃料经济性好，使用费较低。从热能含量看，1 m3的天然气相当于1.13 L的汽油当量，根据目前的市场价格，使用天然气的汽车费用要比使用汽油节省。这对于顾客而言是个很大的潜在影响因素。

(6)安全性高。NG的储运和加注均是在严格封闭的管道内进行，不易泄露。此外，NG的储运设备都严格遵循了国家有关标准、法规，对高压系统使用的零部件均留有 1.5～4倍以上的安全系数。在储气瓶、减压阀等关键部件上均安装了安全阀，控制系统中配置了紧急断气装置。

正是由于天然气汽车具有上述优点，在世界日益重视环境保护、车辆安全性能和经济性能的背景下，天然气汽车的发展前景越来越广阔。

3 天然气的存在形式

作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形式不同，分为压缩天然气(Compressed Natural Gas，简称CNG)和液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称 LNG)。

(1)压缩天然气是将天然气经过脱水、脱硫净化处理后，经多级压缩至20 Mpa左右存贮在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可。

现在天然气汽车中运用最为广泛的就是CNG，它的技术要求较 LNG要低，但也存在一些问题，如续驶里程小等缺点。

(2)液化天然气是将天然气经过一定工艺，使其在-162℃左右变为液态，存贮在高压气瓶中。

由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这从一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。但由于液化天然气在贮存能量密度、汽车续驶里程、贮存容器压力等方面均优于压缩天然气，能解决压缩天然气汽车存在的一些问题，所以液化天然气作为天然气的使用方式之一，是今后的重点发展方向。

4 天然气汽车存在的问题

与柴油机相比，天然气发动机普遍存在平均压力低和热效率不高等问题。目前投入运行的天然气汽车大多是两用燃料汽车，这种由汽车改装的汽油/天然气双燃料NVG在燃用天然气时，都存在动力性显著下降的问题。发动机台架试验表明，新老解放、东风和跃进牌汽车发动机燃用天然气后，最大功率下降 18.0%～24.2%[1]。于此同时，阻碍天然气汽车普及的一个很大问题就是诸如加气站等后备设施未能得到很好的保障。

5 问题产生原因

天然气汽车的动力性下降主要原因在于燃料本身的特性和发动机的构造两个方面。

首先，热值是燃料能量的量度，是单位质量的燃料完全燃烧释放出的热量。如表1所示，虽然天然气的燃烧热值较高，但天然气与空气形成混合气的热值为3.39，比柴油与空气形成的混合气热值的 3.786低大约 9%，从而造成了天然气发动机的功率损失，这是动力下降的主要原因。

其次，通过表1可以看出，1 kg天然气完全燃烧需要 17.16 kg的空气，较柴油完全燃烧的14.3 kg多。也就是说，对于相同排量的发动机，天然气的燃烧质量比汽油的燃烧质量少，这是造成天然气发动机动力下降的另一个原因。

表1 天然气与轻柴油的性能指标的比较[2]

第三，天然气的燃烧特点是着火温度高，火焰发展期长。根据表1有关数据，在同一空燃比范围内，天然气的主要成分甲烷的层流火焰传播速度比柴油要低12%，使得发动机总燃烧期增长，燃烧峰值偏离上止点，从而造成气缸内压力和温度上升缓慢，致使发动机动力下降[3]。

另外，加装节气门后，使得部分负荷时泵气损失增加；排气管处加装催化剂反应器，带来排气的损失，同样是造成发动机功率下降的原因。

在发动机构造方面，决定发动机功率的主要因素是发动机的压缩比，压缩比越大，热效率越高，有效功率就越大。同时，压缩比越大，发动机爆震的倾向也越大。因此，发动机压缩比还必须与燃料的抗爆性(辛烷值)相适应。汽油的抗爆性决定了汽油机的压缩比不可能太大，但天然气的抗爆性很好，完全可以用于压缩比较大的发动机，从而提高其功率。这种两用燃料汽车为了兼顾使用汽油的需要，压缩比提高较小或者没有提高。因此天然气高抗爆性的特性并未得到充分发挥，导致发动机功率下降。

6 改善对策

6.1 提高充气系数

充气系数下降是导致天然气汽车功率下降的重要原因，从理论上讲，提高充气系数是提高功率的一种途径。但充气系数下降是由天然气本身的性质所决定的，从燃料方面显然无法解决这一问题，解决办法是采取进气增压、增浓措施，以及优化燃气和空气混合器的设计，提高进气歧管和进气道的内腔表面精度，降低进气阻抗，提高进气效率。

6.2 稀薄燃烧和增压中冷技术

稀薄燃烧方式可提高 CNG发动机的平均有效压力，使发动机热效率提高，经济性得到改善。天然气的着火界限比汽油宽广，火花点火天然气发动机的稀燃混合气过量充气系数上限可达1.7。采用稀燃技术有明显提高平均有效压力的能力，还可以降低燃烧温度和NOx排放。但在低负荷时容易出现过稀的混合气，造成失火或者燃烧不完全，使CO和HC排放量增加。研究表明，天然气发动机HC排放物的主要成分是未燃甲烷，而甲烷燃烧温度较高很难氧化[4]。在稀薄燃烧的情况下采用增压中冷技术是提高发动机动力性的有效措施。

耿聪等人对研制的 CNG样机在稀燃条件下的性能进行了试验研究，并重点进行了过量空气系数φat对CNG发动机动力性、经济性和排放特性影响的分析，结果表明：在过量空气系数达到φat=1.5时，可获得良好燃油经济性。稀燃条件下的CO和CO2的排放明显降低，另外稀薄燃烧的最大优点是明显降低了NOx的排放量[5]。

6.3 适当提高发动机压缩比

天然气的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接在汽油机上使用天然气，就不能充分发挥天然气的优点。如果适当提高发动机的压缩比，就可以提高发动机的功率，在一定程度上弥补部分功率损失。随着压缩比的不断提高，发动机的输出功率不断增大，有效燃气消耗率逐步降低。这主要是由于压缩比的增大使整个燃烧过程在更小的容积下完成，燃气膨胀更加充分，热能转化成的有用功增加，指示热效率提高，发动机功率也随之增大，燃料消耗率则随之降低。但是，两用燃料汽车，发动机压缩比不可能提高太多，否则一旦换用汽油作燃料，有可能产生爆震。因此对于两用燃料天然气汽车，压缩比的提高有一定限度，应根据实际情况确定。例如，原来使用 90号汽油的汽车，改成两用燃料汽车时，可将压缩比提高到8.0～8.5；原来使用93号或95号汽油的发动机改成两用燃料汽车时，可将压缩比提高到8.5～9.0。随着增压比的提高，发动机的动力性和经济性都能得到明显的改善[6]。对于城市公共汽车、出租车等天然气供应有保障的汽车，应当提倡使用高压缩比的单一燃料天然气汽车，充分发挥天然气高抗爆性的特点，以提高汽车发动机功率。

6.4 优化燃烧室设计和点火提前角

根据天然气的特点，结合稀薄燃烧理论，优化燃烧室设计，实验表明天然气发动机采用盆型燃烧室能达到最佳的效果。在气缸内形成贴近点火点的可燃混合气涡流，采用电子控制多次点火、分层燃烧技术，使天然气燃烧更充分，提高发动机输出功率。

6.5 使用专用天然气汽车发动机润滑油

天然气汽车发动机润滑油与汽油机润滑油相比具有较高的碱值，有很强的酸中和能力，可以有效防止气门、活塞环等燃烧室部件的腐蚀与磨损，防止气缸压力下降引起的功率损失。而且天然气汽车发动机润滑油粘度较低，适用于气体燃料，并可以减少曲轴、连杆、活塞等运动副的摩擦损失，提高发动机的效率。

7 结束语

天然气具有拥有资源丰富、污染很小、经济和安全性好等一些优点，所以天然气被认为是比较理想的清洁能源。天然气发动机目前还存在一些问题，最显著的就是平均压力低和热效率不高。但通过一些措施能较好的解决这方面的问题，主要对策有：提高充气系数、采用稀薄燃烧和增压中冷技术、适当提高发动机压缩比、优化燃烧室设计和点火提前角、使用专用天然气汽车发动机润滑油。

[1]张 蕊. 浅析天然气汽车存在的问题及改善对策[M],科技信息，2007.

[2]贾友昌，黄海波. 柴油机改装单燃料天然气发动机关键技术分析[M], 轻型汽车技术, 2002.6

[3]Douville B, Ouellette P, Touchette A. Performance and Emis-sions of a Two Stroke Engines Fueled Using High-pressure Di-rect Injection of Natural Gas[C].SAE Paper 981160,1998.

[4]Hassaneen Ahmed E, Varde Keshav S. Study of the Flame Development and Rapid Burn Durations in a Lean-burn Fuel Injected Natural Gas S.I. Engine[C].SAE Paper 981384, 1998

[5]耿聪, 张欣. 车用稀燃天然气(CNG)发动机的开发研究, 小型内燃机与摩托车, 2004.6

[6]郑士卓, 王玉君. 天然气发动机整机性能的预测与分析[M], 北京汽车, 2008.2.