天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究

黃鵬超 李光輝 劉文龍

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 545006）

1 引言

汽車給人們帶來(lái)了極大的方便，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，但同時(shí)消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，并對(duì)人類生存環(huán)境造成較大的危害，現(xiàn)在機(jī)動(dòng)車廢氣污染已成為城市污染的主要污染源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界石油產(chǎn)量的50%消費(fèi)在交通運(yùn)輸部門上，用作汽車燃料的就要占到 30%左右；而造成全球環(huán)境污染的 60～70%煙霧和 50%以上酸雨又來(lái)自交通運(yùn)輸業(yè)。因而，汽車能源利用效率、有害物排放、車用新能源的開發(fā)和利用等問(wèn)題，近30年來(lái)一直受到各國(guó)政府、專家和公眾的關(guān)注。因此要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，尋找新的替代能源迫在眉睫。

天然氣(Natural Gas，簡(jiǎn)稱NG)是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，90%以上成分為甲烷(CH4)。由于天然氣擁有資源豐富、污染很小、經(jīng)濟(jì)和安全上的優(yōu)勢(shì)，從而得到了大力地推廣，它是一種很好的清潔燃料。

2 天然氣的優(yōu)點(diǎn)

與其他燃料相比，天然氣具有如下較為突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)著火極限寬。天然氣與空氣的混合氣具有很寬的著火極限。其過(guò)量空氣系數(shù)的變化范圍為0.6～1.8，可在大范圍內(nèi)改變混合比，提供不同成分的混合氣。所以，使用天然氣可以實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的能量消耗與排放污染。

(2)抗爆燃性能好。天然氣的辛烷值為130，比汽油高得多，其抗爆性能非常好。在這種情況下，為充分發(fā)揮其抗爆能力，可適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，進(jìn)而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，增大汽車的動(dòng)力性。

(3)排放污染小。以天然氣為燃料的汽車(Natural Gas for Vehicle,簡(jiǎn)稱NGV)又被稱為“藍(lán)色動(dòng)力”汽車。NGV與燃油汽車相比，噪音降低40%左右，且無(wú)苯、鉛及粉塵污染。NGV與傳統(tǒng)汽油車相比，汽車尾氣排放有較大改善。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。與柴油車相比，沒(méi)有碳煙和顆粒排放，徹底解決了城市公交車冒黑煙問(wèn)題。

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命延長(zhǎng)。與傳統(tǒng)汽油相比，天然氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油破壞較小，氣缸不積炭，可減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，從而節(jié)約維修費(fèi)用，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

(5)燃料經(jīng)濟(jì)性好，使用費(fèi)較低。從熱能含量看，1 m3的天然氣相當(dāng)于1.13 L的汽油當(dāng)量，根據(jù)目前的市場(chǎng)價(jià)格，使用天然氣的汽車費(fèi)用要比使用汽油節(jié)省。這對(duì)于顧客而言是個(gè)很大的潛在影響因素。

(6)安全性高。NG的儲(chǔ)運(yùn)和加注均是在嚴(yán)格封閉的管道內(nèi)進(jìn)行，不易泄露。此外，NG的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備都嚴(yán)格遵循了國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)，對(duì)高壓系統(tǒng)使用的零部件均留有 1.5～4倍以上的安全系數(shù)。在儲(chǔ)氣瓶、減壓閥等關(guān)鍵部件上均安裝了安全閥，控制系統(tǒng)中配置了緊急斷氣裝置。

正是由于天然氣汽車具有上述優(yōu)點(diǎn)，在世界日益重視環(huán)境保護(hù)、車輛安全性能和經(jīng)濟(jì)性能的背景下，天然氣汽車的發(fā)展前景越來(lái)越廣闊。

3 天然氣的存在形式

作為車用燃料的替代品，天然氣根據(jù)其存在形式不同，分為壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，簡(jiǎn)稱CNG)和液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱 LNG)。

(1)壓縮天然氣是將天然氣經(jīng)過(guò)脫水、脫硫凈化處理后，經(jīng)多級(jí)壓縮至20 Mpa左右存貯在氣瓶中，使用時(shí)經(jīng)減壓器減壓后供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒即可。

現(xiàn)在天然氣汽車中運(yùn)用最為廣泛的就是CNG，它的技術(shù)要求較 LNG要低，但也存在一些問(wèn)題，如續(xù)駛里程小等缺點(diǎn)。

(2)液化天然氣是將天然氣經(jīng)過(guò)一定工藝，使其在-162℃左右變?yōu)橐簯B(tài)，存貯在高壓氣瓶中。

由于液化天然氣對(duì)貯存技術(shù)要求較高，使得貯存容器的成本高，這從一定程度上限制了液化天然氣汽車的發(fā)展。但由于液化天然氣在貯存能量密度、汽車?yán)m(xù)駛里程、貯存容器壓力等方面均優(yōu)于壓縮天然氣，能解決壓縮天然氣汽車存在的一些問(wèn)題，所以液化天然氣作為天然氣的使用方式之一，是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。

4 天然氣汽車存在的問(wèn)題

與柴油機(jī)相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在平均壓力低和熱效率不高等問(wèn)題。目前投入運(yùn)行的天然氣汽車大多是兩用燃料汽車，這種由汽車改裝的汽油/天然氣雙燃料NVG在燃用天然氣時(shí)，都存在動(dòng)力性顯著下降的問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表明，新老解放、東風(fēng)和躍進(jìn)牌汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣后，最大功率下降 18.0%～24.2%[1]。于此同時(shí)，阻礙天然氣汽車普及的一個(gè)很大問(wèn)題就是諸如加氣站等后備設(shè)施未能得到很好的保障。

5 問(wèn)題產(chǎn)生原因

天然氣汽車的動(dòng)力性下降主要原因在于燃料本身的特性和發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造兩個(gè)方面。

首先，熱值是燃料能量的量度，是單位質(zhì)量的燃料完全燃燒釋放出的熱量。如表1所示，雖然天然氣的燃燒熱值較高，但天然氣與空氣形成混合氣的熱值為3.39，比柴油與空氣形成的混合氣熱值的 3.786低大約 9%，從而造成了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失，這是動(dòng)力下降的主要原因。

其次，通過(guò)表1可以看出，1 kg天然氣完全燃燒需要 17.16 kg的空氣，較柴油完全燃燒的14.3 kg多。也就是說(shuō)，對(duì)于相同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣的燃燒質(zhì)量比汽油的燃燒質(zhì)量少，這是造成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降的另一個(gè)原因。

表1 天然氣與輕柴油的性能指標(biāo)的比較[2]

第三，天然氣的燃燒特點(diǎn)是著火溫度高，火焰發(fā)展期長(zhǎng)。根據(jù)表1有關(guān)數(shù)據(jù)，在同一空燃比范圍內(nèi)，天然氣的主要成分甲烷的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺炔裼鸵?2%，使得發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)紵谠鲩L(zhǎng)，燃燒峰值偏離上止點(diǎn)，從而造成氣缸內(nèi)壓力和溫度上升緩慢，致使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降[3]。

另外，加裝節(jié)氣門后，使得部分負(fù)荷時(shí)泵氣損失增加；排氣管處加裝催化劑反應(yīng)器，帶來(lái)排氣的損失，同樣是造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的原因。

在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造方面，決定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的主要因素是發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，壓縮比越大，熱效率越高，有效功率就越大。同時(shí)，壓縮比越大，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的傾向也越大。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比還必須與燃料的抗爆性(辛烷值)相適應(yīng)。汽油的抗爆性決定了汽油機(jī)的壓縮比不可能太大，但天然氣的抗爆性很好，完全可以用于壓縮比較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高其功率。這種兩用燃料汽車為了兼顧使用汽油的需要，壓縮比提高較小或者沒(méi)有提高。因此天然氣高抗爆性的特性并未得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。

6 改善對(duì)策

6.1 提高充氣系數(shù)

充氣系數(shù)下降是導(dǎo)致天然氣汽車功率下降的重要原因，從理論上講，提高充氣系數(shù)是提高功率的一種途徑。但充氣系數(shù)下降是由天然氣本身的性質(zhì)所決定的，從燃料方面顯然無(wú)法解決這一問(wèn)題，解決辦法是采取進(jìn)氣增壓、增濃措施，以及優(yōu)化燃?xì)夂涂諝饣旌掀鞯脑O(shè)計(jì)，提高進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道的內(nèi)腔表面精度，降低進(jìn)氣阻抗，提高進(jìn)氣效率。

6.2 稀薄燃燒和增壓中冷技術(shù)

稀薄燃燒方式可提高 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，經(jīng)濟(jì)性得到改善。天然氣的著火界限比汽油寬廣，火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃混合氣過(guò)量充氣系數(shù)上限可達(dá)1.7。采用稀燃技術(shù)有明顯提高平均有效壓力的能力，還可以降低燃燒溫度和NOx排放。但在低負(fù)荷時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)稀的混合氣，造成失火或者燃燒不完全，使CO和HC排放量增加。研究表明，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放物的主要成分是未燃甲烷，而甲烷燃燒溫度較高很難氧化[4]。在稀薄燃燒的情況下采用增壓中冷技術(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的有效措施。

耿聰?shù)热藢?duì)研制的 CNG樣機(jī)在稀燃條件下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并重點(diǎn)進(jìn)行了過(guò)量空氣系數(shù)φat對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性影響的分析，結(jié)果表明：在過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到φat=1.5時(shí)，可獲得良好燃油經(jīng)濟(jì)性。稀燃條件下的CO和CO2的排放明顯降低，另外稀薄燃燒的最大優(yōu)點(diǎn)是明顯降低了NOx的排放量[5]。

6.3 適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比

天然氣的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接在汽油機(jī)上使用天然氣，就不能充分發(fā)揮天然氣的優(yōu)點(diǎn)。如果適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，就可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，在一定程度上彌補(bǔ)部分功率損失。隨著壓縮比的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不斷增大，有效燃?xì)庀穆手鸩浇档?。這主要是由于壓縮比的增大使整個(gè)燃燒過(guò)程在更小的容積下完成，燃?xì)馀蛎浉映浞?，熱能轉(zhuǎn)化成的有用功增加，指示熱效率提高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也隨之增大，燃料消耗率則隨之降低。但是，兩用燃料汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比不可能提高太多，否則一旦換用汽油作燃料，有可能產(chǎn)生爆震。因此對(duì)于兩用燃料天然氣汽車，壓縮比的提高有一定限度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。例如，原來(lái)使用 90號(hào)汽油的汽車，改成兩用燃料汽車時(shí)，可將壓縮比提高到8.0～8.5；原來(lái)使用93號(hào)或95號(hào)汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)改成兩用燃料汽車時(shí)，可將壓縮比提高到8.5～9.0。隨著增壓比的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都能得到明顯的改善[6]。對(duì)于城市公共汽車、出租車等天然氣供應(yīng)有保障的汽車，應(yīng)當(dāng)提倡使用高壓縮比的單一燃料天然氣汽車，充分發(fā)揮天然氣高抗爆性的特點(diǎn)，以提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

6.4 優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)和點(diǎn)火提前角

根據(jù)天然氣的特點(diǎn)，結(jié)合稀薄燃燒理論，優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用盆型燃燒室能達(dá)到最佳的效果。在氣缸內(nèi)形成貼近點(diǎn)火點(diǎn)的可燃混合氣渦流，采用電子控制多次點(diǎn)火、分層燃燒技術(shù)，使天然氣燃燒更充分，提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

6.5 使用專用天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油

天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油與汽油機(jī)潤(rùn)滑油相比具有較高的堿值，有很強(qiáng)的酸中和能力，可以有效防止氣門、活塞環(huán)等燃燒室部件的腐蝕與磨損，防止氣缸壓力下降引起的功率損失。而且天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油粘度較低，適用于氣體燃料，并可以減少曲軸、連桿、活塞等運(yùn)動(dòng)副的摩擦損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

天然氣具有擁有資源豐富、污染很小、經(jīng)濟(jì)和安全性好等一些優(yōu)點(diǎn)，所以天然氣被認(rèn)為是比較理想的清潔能源。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)目前還存在一些問(wèn)題，最顯著的就是平均壓力低和熱效率不高。但通過(guò)一些措施能較好的解決這方面的問(wèn)題，主要對(duì)策有：提高充氣系數(shù)、采用稀薄燃燒和增壓中冷技術(shù)、適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)和點(diǎn)火提前角、使用專用天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。

[1]張 蕊. 淺析天然氣汽車存在的問(wèn)題及改善對(duì)策[M],科技信息，2007.

[2]賈友昌，黃海波. 柴油機(jī)改裝單燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[M], 輕型汽車技術(shù), 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]耿聰, 張欣. 車用稀燃天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)研究, 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車, 2004.6

[6]鄭士卓, 王玉君. 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的預(yù)測(cè)與分析[M], 北京汽車, 2008.2.