汽车用天然气发动机及其关键技术的探讨

赵升吨，贲宁宇，崔敏超，陈超，张琦

（西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

设计研究

汽车用天然气发动机及其关键技术的探讨

赵升吨，贲宁宇，崔敏超，陈超，张琦

（西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

发展天然气替代石油燃料意义重大，是优化能源结构，降低尾气污染的有效的措施。天然气相比传统石油燃料具有可燃成分高，着火范围宽，抗爆震能力强，经济性好等特性，能够更好的满足汽车运行以及相关排放法规的要求。本文根据天然气作为石油替代燃料所具有的特性，分析了天然气作为发动机燃料的可行性。介绍了天然气发动机的发展情况，并以稀燃点燃式发动机和HCCI发动机为例分析了天然气发动机相比传统发动机的优势。并对汽车天然气发动机的改进措施和关键技术进行了介绍。

天然气；发动机；汽车；动力性

CLC NO.: U464.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-01-04

引言

随着石油的日益消耗，汽车燃油费用不断攀升。石油燃料的广泛使用也使得尾气排放成为大气污染的主要原因。寻找石油替代燃料意义重大。天然气具有储量丰富、价格低廉、燃烧充分、环保清洁等优点，能够满足汽车运行以及相关排放法规的要求。发展压缩天然气汽车不但满足了人们生产生活的需要，而且实现了调整能源结构的作用。天然气作为汽车燃料相比传统的汽油与柴油既有优势又存在不足。天然气的特性能否与发动机的燃烧过程相契合，需要对汽车用天然气发动机进行改进与技术革新。

1、天然气特性

天然气相比石油燃料，具有适于作为发动机燃料的多方面优势，其化学组成成分决定其具有以下特性：

（1） 可燃成分高

天然气标准组成为H2、He、N2、CO2、Ar、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、neo-C5H12、iC5H12、nC5H12。主要燃烧成分含量及其低热值见下表1，可燃成分可达98%（其中仅甲烷含量就占97.27%），低热值约为33520kJ/m3，密度相当于空气密度的0.572，辛烷值高达110。

（2）易与空气混合

相比于汽油与柴油，天然气无需雾化就能与空气均匀混合。这一点相比于传统发动机可减化燃料处理过程，使得燃烧更加充分。同时排气中的污染物也较燃用汽油时低得多。

（3）不会稀释润滑油

所谓机油稀释，指的是燃油、不完全燃烧的产物、机油氧化物及摩擦产生的不容物等混入机油，从而造成机油粘度非正常下降，导致机油早期报废的现象。燃用天然气，不会稀释发动机的润滑油, 故可延长发动机大修间隔里程1倍以上，还能延长润滑油的换油周期50%以上。

（4）着火范围宽

着火范围即着火浓度范围。汽油的着火范围一般仅为1.2-6%，而天然气则为5-15%，这就有利于进行混合气的稀薄燃烧。稀薄燃烧用于发动机可降低燃料使用量，也就污染物的排放，因而稀薄燃烧同时满足燃油经济性与相关排放法规要求的有效途径。

（5）抗爆震能力强

发动机燃烧室内的燃烧是一个伴有大量能量释放的化学反应传输过程。一般的爆震是因为燃烧室内油气点火后，火焰尚未完全扩散，远程未燃的油气即因为高温或高压而自燃，其火焰与正规燃烧的火焰撞击而产生极大压力，使得发动机产生不正常的敲击。爆震现象可通过改变压缩比进行调节。而天然气本身的特点为大幅度地提高发动机的压缩比提供了前提条件[1]。

（6） 经济性好

影响天然气经济性的两个主要因素为热值和价格。利用单位热值作为衡量单位，将汽油与天然气进行对比，便可得到天然气相比于汽油的经济性优势。采用表2中的数据得出天然气热值约为33.52MJ/m3。查找市售93号汽油与天然气价格，通过计算可得如表2所示的对比结果。1L的93号汽油相当于1.37m3的天然气。而在同等热值情况下，93号汽油的价格为天然气价格的1.14倍[2]。

表1 天然气主要成分及低热值

表2 天然气与汽油热值对比

2、天然气发动机的发展现状

天然气汽车的发展促进了天然气发动机的研究。汽车用天然气发动机不仅仅局限于在原有汽油发动机基础上进行改进，越来越多的天然气发动机进入市场。天然气发动机技术可分为三个阶段，第一代技术是在不改变原有汽油发动机燃烧系统的前提下，仅改变燃料供给系统，将燃料替换为天然气。第二代技术是在第一代技术的基础上，加装氧传感器以控制发动机燃烧室内的空燃比，从而实现闭环控制。第三代技术是天然气发动机的系统革新。该代技术主要针对天然气这一单一燃料，采用了闭环电喷技术和适用于天然气燃料的专用催化转换器[3]。由于第二代技术控制更加精确，改进措施相对比较方便，目前已经在我国广泛应用。但其相比于第三代技术仍存在燃烧效率低，动力性不足，且排放难以满足越来越苛刻的国家标准等诸多缺点。第三代技术的研究以稀燃点燃式发动机和HCCI（homogeneous charge compression ignition）发动机为主。稀燃点燃式发动机如前所述，具有经济性好，污染物排放低的优点。HCCI发动机的燃烧模式适用于多种燃料，而且具有较高的效率[4]。

2.1 稀燃点燃式发动机

稀薄燃烧是指发动机燃烧室内混合气浓度大于理论空燃比，这是由天然气着火范围宽的特性所决定的。稀燃点燃式发动机具有以下特点：

（1）热效率高。随着混合气的空燃比增大，循环热效率提高；稀混合气的燃烧温度较低，一方面可减少燃烧室壁的传热，降低发动机温度。温度降低缓解发动机水冷系统压力，为发动机水冷系统的简化提供了前提。另一方面可减少燃烧产物的分解，有助于燃料的完全燃烧。对于传统的火花式点火发动机一般采用调节节气门开度的方法改变发动机的负荷，导致在小负荷时，进气节流和泵气损失大以致于发动机的燃料消耗增加。稀燃发动机采用控制混合气浓度的方式来调节负荷，在较大的节气门开度下也能减小节流与泵气损失，解决了传统发动机的的问题，从而改善发动机的燃油经济性。由于稀混合气燃烧过程中不容易产生爆震现象，发动机还可以继续提高压缩比，从而进一步提高发动机的热效率。

（2）污染物排放低。使用稀混合气，发动机燃烧室内温度降低，从而降低了发动机的NOx排放。缸内氧气充足，有利于燃料的完全燃烧，从而减小了发动机的CO 和HC 排放[4]。

2.2 HCCI发动机

HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式。HCCI发动机在缸内形成均质混合气，利用压缩方式实现着火。由于HCCI燃烧是缸内多点同时着火，燃烧迅速，放热接近理想的等容过程。因此，HCC I发动机的热效率高；其低温燃烧使NOx排放降低；均质燃烧又使HCCI发动机的微粒排放极低。

（1）热效率高。对于传统的发动机，当压缩冲程快结束时，汽油通过直喷油咀喷进汽缸，而HCCI 发动机的压缩比相比传统发动机要高，所以喷出的天然气在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布。这时汽缸的压力足够使均匀分布的天然气自动压燃，所有的燃料都在同一时间点燃。而相比传统的汽油和柴油机的非均匀扩散式燃烧，其在扩散的同时便浪费了部分的能量。所以该技术提高了燃料的使用效率。而且由于点燃方式为压缩点燃，所以燃烧式内可采用相当稀薄的混合气，从而实现稀薄燃烧。在工作工程中也可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。

（2）燃烧温度低。HCCI发动机的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，能够减少辐射热的传递，还能大幅降低氮氧化合物的形成。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，可以使燃烧周期比传统发动机机短。

3、天然气发动机的关键技术

基于天然气相比传统石油燃料所具有的特性，天然气发动机也需要相关技术对工作过程进行调整。不但需要调节发动机以适应天然气燃烧过程，还需要增加热效率。

3.1 机械结构的改进技术

由于大多数压缩天然气发动机为汽油机改装而成，直接使用天然气作为石油燃料的替代燃料，导致动力性降低。原因不仅是由于天然气本身的特性所致，也由于汽油发动机对于汽油燃料所进行的结构优化与性能调节，并不能与天然气完全匹配。提高天然气的动力性，也需要对发动机燃烧过程进行优化。

（1）提高燃烧速度。燃烧速度影响做功冲程的效率，燃烧速度减慢也会造成发动机动力性能的下降。影响燃烧速度的因素包括燃料的性能、混合气的浓度、以及气缸内混合气的运动。天然气与汽油相比，除自身燃烧速度较慢外，混合气的浓度也影响了燃烧速度。实验证明,当过量空气系数为0.85～0.95 时，混合气具有最高的燃烧速度，相应的也就取得较高的热效率与动力性。而燃烧天然气时为1.1，较慢的燃烧速度造成了天然气汽车动力性能的下降。天然气的燃烧速度可通过增大点火提前角度进行弥补。这就要求重新设计凸轮轴，以及凸轮轴与曲轴的正时关系。在提高点火提前角的同时，也提高了充气效率[5]。

（2）提高压缩比。压缩比是发动机的一个结构参数，它与发动机所使用的燃料辛烷值密切相关，当发动机设计好之后压缩比也就随之确定下来。压缩比是影响发动机热功转换效率的最重要因素之一，对于低压缩比的汽油机尤其重要。压缩比与热效率的关系式可由下述公式进行计算：

对于目前的天然气、汽油两用燃料发动机，发动机的压缩比对于以汽油为燃料时是适用的，但对于以天然气为燃料就过于偏低，从而使发动机以天然气为燃料时的热效率大大降低。对于型号为CA6102 的汽油机其压缩比为7.4，按照天然气的辛烷值估算，在以天然气为燃料时估计压缩比可达10以上，两种压缩比下的理论循环热效率分别如下。

压缩比10与压缩比7.4相比理论循环热效率可以提高11.6%，可见采用高压缩比时动力性能也会相应提高[6]。

3.2 高能量数字点火技术

天然气燃料着火性能相比传统的石油燃料较差。这样传统的汽油机点火系统根本不适应于天然气发动机。因而需要采用高能量数字点火技术，也就是利用计算机芯片来精确控制点火的能量和时间。在现有部件能够承受的条件下, 采用高能量数字点火技术将点火能量控制到一个能够满足需要的合适程度是十分必要的。准确的点火时间对发动机的燃烧效率至关重要，利用计算机技术可以控制点火时间精度达到微秒级。

该技术有利于改善天然气发动机的起动性和怠速稳定性，特别是改善了天然气的低温冷起动性能，这对于寒冷地区具有非常重要的意义。其次，有利于稀薄可燃混合气体充分燃烧，从而改善了发动机的动力性， 节省燃料，降低排放。除此之外，为了应对当前国家对汽车排气污染物的控制，采用该技术可以提高天然气发动机排放水平[3]。

3.3 电热塞助燃缸内高压直喷技术

天然气发动机中通常选用陶瓷外壳内热式热面管电热塞来防止氧化，延长使用期。该电热塞由发动机驱动的发电机提供电源，其控制系统根据发动机运转条件调节外加电压。为保证混合气可靠着火，电热塞表面温度一般高于1200K[7]。使用该电热塞开发的高压缸内直喷天然气发动机，天然气的喷射压力显著增加。电控系统可实现对天然气喷射进行定时定量的灵活控制。电热塞助燃天然气发动机使用单一燃料，因而可以达到更低的排放水平。但是当使用一个或两个电热塞时，在燃烧之前要求天然气喷束与空气大量混合，则会延长滞燃期，增加预混合燃烧，不利于抑制NOx排放。电热塞温度的控制、能量消耗及使用可靠性是影响发动机性能的关键因素[8]。

4、结论

（1）天然气具有可燃成分高，

着火范围宽，抗爆震能力强，经济性好等特性，能够满足汽车运行以及相关排放法规的要求。发展压缩天然气汽车不但满足了人们的要求，而且实现了调整能源结构的作用。

（2）天然气发动机具有热效率高，污染物排放低的特点。以稀燃点燃式发动机和HCCI发动机为代表的第三代发动机相比由汽油机改进的二代发动机效率高。

（3）提高天然气发动机的热效率需要在传统发动机基础上进行改进，并应用新技术以实现与燃料的匹配。针对以天然气为燃料的第三代发动机所研发的新技术，能够有效提高燃料的热效率。

[1] 李永昌,提高天然气汽车的动力性和经济性[J].汽车技术,1991,(3): 34-38.

[2] 谷鹏,刘艳苹,天然气汽车应用技术的研究[J],今日科苑,2007,(24):42.

[3] 刘凯，席跃进,车用天然气发动机关键技术研究与发展[J].柴油机设计与制造,2008,(3):337-340.

[4] 范岚岚,何邦全,天然气发动机的研究现状[J],小型内燃机与摩托车,2007,(36):74-79.

[5] 赵建宁，压缩天然气汽车性能分析[J].青海科技,2011, (5):116-118.

[6] 刘生全,马志义,司利增,边耀璋,天然气汽车性能影响因素的试验[J].长安大学学报(自然科学版),2003,(1):76-79.

[7] 宋震寰,斯蒂芬D,直喷式柴油机燃用天然气燃料的研究[J].大连理工大学学报,2000,(1):67-69.

[8] 宋钧，张武高，黄震，车用天然气发动机技术与性能研究[J].车用发动机,2001,(6):8-13.

Discussion of Natural Gas Engine for Vehicles and the Relevant Key Technologies

Zhao Shengdun, Ben Ningyu, Cui Minchao, Chen Chao, Zhang Qi
(School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049)

Replacing oil fuel with natural gas is significant, which can optimize the energy structure and reduce the exhaust pollution. Compared with oil fuel, natural gas is more suitable for the requirements of the car running and related emission regulations because of high combustible component, wide range of fire, the antiknock ability and more economical. In this paper, based on the property of natural gas, the feasibility of natural gas is analysised. The development of natural gas engine is introduced. Taking the lean combustion ignition engines and HCCI engine for example, the advantage of natural gas engine is analysised. The improvement measures and key technology of natural gas engine is also introduced.

Natural gas; Engine; Vehicles; Dynamic property

U464.3

A

1671-7988(2015)02-01-04

赵升吨，西安交通大学教授，博士生导师，研究方向为汽车节能机电一体化设备开发。

国家科技重大专项（课题编号：2011ZX04001-011-3）。苏州市科技计划项目（SYG201137 ）。