黃鵬超 李光輝 劉文龍

（柳州職業(yè)技術(shù)學院， 廣西 545006）

1 引言

汽車給人們帶來了極大的方便，對人類社會發(fā)展作出了巨大貢獻，但同時消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，并對人類生存環(huán)境造成較大的危害，現(xiàn)在機動車廢氣污染已成為城市污染的主要污染源。據(jù)統(tǒng)計，全世界石油產(chǎn)量的50%消費在交通運輸部門上，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%以上酸雨又來自交通運輸業(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)和利用等問題，近30年來一直受到各國政府、專家和公眾的關(guān)注。因此要實現(xiàn)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展，尋找新的替代能源迫在眉睫。

天然氣(Natural Gas，簡稱NG)是一種無色、無味的氣體，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)濟和安全上的優(yōu)勢，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

與其他燃料相比，天然氣具有如下較為突出的優(yōu)點：

(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，使用天然氣可以實現(xiàn)稀薄燃燒，能有效降低發(fā)動機在部分負荷時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，可適當提高發(fā)動機的壓縮比，進而可提高發(fā)動機的熱效率，增大汽車的動力性。

(3)排放污染小。以天然氣為燃料的汽車(Natural Gas for Vehicle,簡稱NGV)又被稱為“藍色動力”汽車。NGV與燃油汽車相比，噪音降低40%左右，且無苯、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，沒有碳煙和顆粒排放，徹底解決了城市公交車冒黑煙問題。

(4)發(fā)動機壽命延長。與傳統(tǒng)汽油相比，天然氣對發(fā)動機潤滑油破壞較小，氣缸不積炭，可減少發(fā)動機磨損，從而節(jié)約維修費用，延長發(fā)動機使用壽命。

(5)燃料經(jīng)濟性好，使用費較低。從熱能含量看，1 m3的天然氣相當于1.13 L的汽油當量，根據(jù)目前的市場價格，使用天然氣的汽車費用要比使用汽油節(jié)省。這對于顧客而言是個很大的潛在影響因素。

(6)安全性高。NG的儲運和加注均是在嚴格封閉的管道內(nèi)進行，不易泄露。此外，NG的儲運設(shè)備都嚴格遵循了國家有關(guān)標準、法規(guī)，對高壓系統(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，在世界日益重視環(huán)境保護、車輛安全性能和經(jīng)濟性能的背景下，天然氣汽車的發(fā)展前景越來越廣闊。

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，簡稱CNG)和液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡稱 LNG)。

(1)壓縮天然氣是將天然氣經(jīng)過脫水、脫硫凈化處理后，經(jīng)多級壓縮至20 Mpa左右存貯在氣瓶中，使用時經(jīng)減壓器減壓后供給發(fā)動機燃燒即可。

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

(2)液化天然氣是將天然氣經(jīng)過一定工藝，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、汽車續(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，是今后的重點發(fā)展方向。

4 天然氣汽車存在的問題

與柴油機相比，天然氣發(fā)動機普遍存在平均壓力低和熱效率不高等問題。目前投入運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，都存在動力性顯著下降的問題。發(fā)動機臺架試驗表明，新老解放、東風和躍進牌汽車發(fā)動機燃用天然氣后，最大功率下降 18.0%～24.2%[1]。于此同時，阻礙天然氣汽車普及的一個很大問題就是諸如加氣站等后備設(shè)施未能得到很好的保障。

5 問題產(chǎn)生原因

天然氣汽車的動力性下降主要原因在于燃料本身的特性和發(fā)動機的構(gòu)造兩個方面。

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)動機的功率損失，這是動力下降的主要原因。

其次，通過表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，對于相同排量的發(fā)動機，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)動機動力下降的另一個原因。

表1 天然氣與輕柴油的性能指標的比較[2]

第三，天然氣的燃燒特點是著火溫度高，火焰發(fā)展期長。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)動機總?cè)紵谠鲩L，燃燒峰值偏離上止點，從而造成氣缸內(nèi)壓力和溫度上升緩慢，致使發(fā)動機動力下降[3]。

另外，加裝節(jié)氣門后，使得部分負荷時泵氣損失增加；排氣管處加裝催化劑反應器，帶來排氣的損失，同樣是造成發(fā)動機功率下降的原因。

在發(fā)動機構(gòu)造方面，決定發(fā)動機功率的主要因素是發(fā)動機的壓縮比，壓縮比越大，熱效率越高，有效功率就越大。同時，壓縮比越大，發(fā)動機爆震的傾向也越大。因此，發(fā)動機壓縮比還必須與燃料的抗爆性(辛烷值)相適應。汽油的抗爆性決定了汽油機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)動機，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，導致發(fā)動機功率下降。

6 改善對策

6.1 提高充氣系數(shù)

充氣系數(shù)下降是導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，從燃料方面顯然無法解決這一問題，解決辦法是采取進氣增壓、增濃措施，以及優(yōu)化燃氣和空氣混合器的設(shè)計，提高進氣歧管和進氣道的內(nèi)腔表面精度，降低進氣阻抗，提高進氣效率。

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)動機的平均有效壓力，使發(fā)動機熱效率提高，經(jīng)濟性得到改善。天然氣的著火界限比汽油寬廣，火花點火天然氣發(fā)動機的稀燃混合氣過量充氣系數(shù)上限可達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。但在低負荷時容易出現(xiàn)過稀的混合氣，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)動機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)動機動力性的有效措施。

耿聰?shù)热藢ρ兄频?CNG樣機在稀燃條件下的性能進行了試驗研究，并重點進行了過量空氣系數(shù)φat對CNG發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放特性影響的分析，結(jié)果表明：在過量空氣系數(shù)達到φat=1.5時，可獲得良好燃油經(jīng)濟性。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)點是明顯降低了NOx的排放量[5]。

6.3 適當提高發(fā)動機壓縮比

天然氣的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接在汽油機上使用天然氣，就不能充分發(fā)揮天然氣的優(yōu)點。如果適當提高發(fā)動機的壓縮比，就可以提高發(fā)動機的功率，在一定程度上彌補部分功率損失。隨著壓縮比的不斷提高，發(fā)動機的輸出功率不斷增大，有效燃氣消耗率逐步降低。這主要是由于壓縮比的增大使整個燃燒過程在更小的容積下完成，燃氣膨脹更加充分，熱能轉(zhuǎn)化成的有用功增加，指示熱效率提高，發(fā)動機功率也隨之增大，燃料消耗率則隨之降低。但是，兩用燃料汽車，發(fā)動機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。因此對于兩用燃料天然氣汽車，壓縮比的提高有一定限度，應根據(jù)實際情況確定。例如，原來使用 90號汽油的汽車，改成兩用燃料汽車時，可將壓縮比提高到8.0～8.5；原來使用93號或95號汽油的發(fā)動機改成兩用燃料汽車時，可將壓縮比提高到8.5～9.0。隨著增壓比的提高，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性都能得到明顯的改善[6]。對于城市公共汽車、出租車等天然氣供應有保障的汽車，應當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，以提高汽車發(fā)動機功率。

6.4 優(yōu)化燃燒室設(shè)計和點火提前角

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

6.5 使用專用天然氣汽車發(fā)動機潤滑油

天然氣汽車發(fā)動機潤滑油與汽油機潤滑油相比具有較高的堿值，有很強的酸中和能力，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)動機潤滑油粘度較低，適用于氣體燃料，并可以減少曲軸、連桿、活塞等運動副的摩擦損失，提高發(fā)動機的效率。

7 結(jié)束語

天然氣具有擁有資源豐富、污染很小、經(jīng)濟和安全性好等一些優(yōu)點，所以天然氣被認為是比較理想的清潔能源。天然氣發(fā)動機目前還存在一些問題，最顯著的就是平均壓力低和熱效率不高。但通過一些措施能較好的解決這方面的問題，主要對策有：提高充氣系數(shù)、采用稀薄燃燒和增壓中冷技術(shù)、適當提高發(fā)動機壓縮比、優(yōu)化燃燒室設(shè)計和點火提前角、使用專用天然氣汽車發(fā)動機潤滑油。

[1]張 蕊. 淺析天然氣汽車存在的問題及改善對策[M],科技信息，2007.

[2]賈友昌，黃海波. 柴油機改裝單燃料天然氣發(fā)動機關(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)動機的開發(fā)研究, 小型內(nèi)燃機與摩托車, 2004.6

[6]鄭士卓, 王玉君. 天然氣發(fā)動機整機性能的預測與分析[M], 北京汽車, 2008.2.