趙升噸，賁寧宇，崔敏超，陳超，張琦

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

設(shè)計(jì)研究

汽車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的探討

趙升噸，賁寧宇，崔敏超，陳超，張琦

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

發(fā)展天然氣替代石油燃料意義重大，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低尾氣污染的有效的措施。天然氣相比傳統(tǒng)石油燃料具有可燃成分高，著火范圍寬，抗爆震能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好等特性，能夠更好的滿足汽車運(yùn)行以及相關(guān)排放法規(guī)的要求。本文根據(jù)天然氣作為石油替代燃料所具有的特性，分析了天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的可行性。介紹了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展情況，并以稀燃點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)為例分析了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。并對(duì)汽車天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)措施和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。

天然氣；發(fā)動(dòng)機(jī)；汽車；動(dòng)力性

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

引言

隨著石油的日益消耗，汽車燃油費(fèi)用不斷攀升。石油燃料的廣泛使用也使得尾氣排放成為大氣污染的主要原因。尋找石油替代燃料意義重大。天然氣具有儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、燃燒充分、環(huán)保清潔等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足汽車運(yùn)行以及相關(guān)排放法規(guī)的要求。發(fā)展壓縮天然氣汽車不但滿足了人們生產(chǎn)生活的需要，而且實(shí)現(xiàn)了調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的作用。天然氣作為汽車燃料相比傳統(tǒng)的汽油與柴油既有優(yōu)勢(shì)又存在不足。天然氣的特性能否與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程相契合，需要對(duì)汽車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)與技術(shù)革新。

1、天然氣特性

天然氣相比石油燃料，具有適于作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的多方面優(yōu)勢(shì)，其化學(xué)組成成分決定其具有以下特性：

（1） 可燃成分高

天然氣標(biāo)準(zhǔn)組成為H2、He、N2、CO2、Ar、CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、neo-C5H12、iC5H12、nC5H12。主要燃燒成分含量及其低熱值見下表1，可燃成分可達(dá)98%（其中僅甲烷含量就占97.27%），低熱值約為33520kJ/m3，密度相當(dāng)于空氣密度的0.572，辛烷值高達(dá)110。

（2）易與空氣混合

相比于汽油與柴油，天然氣無需霧化就能與空氣均勻混合。這一點(diǎn)相比于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)可減化燃料處理過程，使得燃燒更加充分。同時(shí)排氣中的污染物也較燃用汽油時(shí)低得多。

（3）不會(huì)稀釋潤(rùn)滑油

所謂機(jī)油稀釋，指的是燃油、不完全燃燒的產(chǎn)物、機(jī)油氧化物及摩擦產(chǎn)生的不容物等混入機(jī)油，從而造成機(jī)油粘度非正常下降，導(dǎo)致機(jī)油早期報(bào)廢的現(xiàn)象。燃用天然氣，不會(huì)稀釋發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油, 故可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)大修間隔里程1倍以上，還能延長(zhǎng)潤(rùn)滑油的換油周期50%以上。

（4）著火范圍寬

著火范圍即著火濃度范圍。汽油的著火范圍一般僅為1.2-6%，而天然氣則為5-15%，這就有利于進(jìn)行混合氣的稀薄燃燒。稀薄燃燒用于發(fā)動(dòng)機(jī)可降低燃料使用量，也就污染物的排放，因而稀薄燃燒同時(shí)滿足燃油經(jīng)濟(jì)性與相關(guān)排放法規(guī)要求的有效途徑。

（5）抗爆震能力強(qiáng)

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒是一個(gè)伴有大量能量釋放的化學(xué)反應(yīng)傳輸過程。一般的爆震是因?yàn)槿紵覂?nèi)油氣點(diǎn)火后，火焰尚未完全擴(kuò)散，遠(yuǎn)程未燃的油氣即因?yàn)楦邷鼗蚋邏憾匀迹浠鹧媾c正規(guī)燃燒的火焰撞擊而產(chǎn)生極大壓力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不正常的敲擊。爆震現(xiàn)象可通過改變壓縮比進(jìn)行調(diào)節(jié)。而天然氣本身的特點(diǎn)為大幅度地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提供了前提條件[1]。

（6） 經(jīng)濟(jì)性好

影響天然氣經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)主要因素為熱值和價(jià)格。利用單位熱值作為衡量單位，將汽油與天然氣進(jìn)行對(duì)比，便可得到天然氣相比于汽油的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。采用表2中的數(shù)據(jù)得出天然氣熱值約為33.52MJ/m3。查找市售93號(hào)汽油與天然氣價(jià)格，通過計(jì)算可得如表2所示的對(duì)比結(jié)果。1L的93號(hào)汽油相當(dāng)于1.37m3的天然氣。而在同等熱值情況下，93號(hào)汽油的價(jià)格為天然氣價(jià)格的1.14倍[2]。

表1 天然氣主要成分及低熱值

表2 天然氣與汽油熱值對(duì)比

2、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

天然氣汽車的發(fā)展促進(jìn)了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。汽車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不僅僅局限于在原有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，越來越多的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可分為三個(gè)階段，第一代技術(shù)是在不改變?cè)衅桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的前提下，僅改變?nèi)剂瞎┙o系統(tǒng)，將燃料替換為天然氣。第二代技術(shù)是在第一代技術(shù)的基礎(chǔ)上，加裝氧傳感器以控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空燃比，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。第三代技術(shù)是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)革新。該代技術(shù)主要針對(duì)天然氣這一單一燃料，采用了閉環(huán)電噴技術(shù)和適用于天然氣燃料的專用催化轉(zhuǎn)換器[3]。由于第二代技術(shù)控制更加精確，改進(jìn)措施相對(duì)比較方便，目前已經(jīng)在我國(guó)廣泛應(yīng)用。但其相比于第三代技術(shù)仍存在燃燒效率低，動(dòng)力性不足，且排放難以滿足越來越苛刻的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等諸多缺點(diǎn)。第三代技術(shù)的研究以稀燃點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和HCCI（homogeneous charge compression ignition）發(fā)動(dòng)機(jī)為主。稀燃點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)如前所述，具有經(jīng)濟(jì)性好，污染物排放低的優(yōu)點(diǎn)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模式適用于多種燃料，而且具有較高的效率[4]。

2.1 稀燃點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)

稀薄燃燒是指發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)混合氣濃度大于理論空燃比，這是由天然氣著火范圍寬的特性所決定的。稀燃點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：

（1）熱效率高。隨著混合氣的空燃比增大，循環(huán)熱效率提高；稀混合氣的燃燒溫度較低，一方面可減少燃燒室壁的傳熱，降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。溫度降低緩解發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)壓力，為發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)化提供了前提。另一方面可減少燃燒產(chǎn)物的分解，有助于燃料的完全燃燒。對(duì)于傳統(tǒng)的火花式點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度的方法改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，導(dǎo)致在小負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣節(jié)流和泵氣損失大以致于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗增加。稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)采用控制混合氣濃度的方式來調(diào)節(jié)負(fù)荷，在較大的節(jié)氣門開度下也能減小節(jié)流與泵氣損失，解決了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的的問題，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于稀混合氣燃燒過程中不容易產(chǎn)生爆震現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)還可以繼續(xù)提高壓縮比，從而進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

（2）污染物排放低。使用稀混合氣，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度降低，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。缸內(nèi)氧氣充足，有利于燃料的完全燃燒，從而減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的CO 和HC 排放[4]。

2.2 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)

HCCI是一種以往復(fù)式汽油機(jī)為基礎(chǔ)的一種新型燃燒模式。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在缸內(nèi)形成均質(zhì)混合氣，利用壓縮方式實(shí)現(xiàn)著火。由于HCCI燃燒是缸內(nèi)多點(diǎn)同時(shí)著火，燃燒迅速，放熱接近理想的等容過程。因此，HCC I發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高；其低溫燃燒使NOx排放降低；均質(zhì)燃燒又使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒排放極低。

（1）熱效率高。對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)壓縮沖程快結(jié)束時(shí)，汽油通過直噴油咀噴進(jìn)汽缸，而HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)要高，所以噴出的天然氣在壓縮沖程完成時(shí)有時(shí)間在汽缸內(nèi)形成均勻的分布。這時(shí)汽缸的壓力足夠使均勻分布的天然氣自動(dòng)壓燃，所有的燃料都在同一時(shí)間點(diǎn)燃。而相比傳統(tǒng)的汽油和柴油機(jī)的非均勻擴(kuò)散式燃燒，其在擴(kuò)散的同時(shí)便浪費(fèi)了部分的能量。所以該技術(shù)提高了燃料的使用效率。而且由于點(diǎn)燃方式為壓縮點(diǎn)燃，所以燃燒式內(nèi)可采用相當(dāng)稀薄的混合氣，從而實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。在工作工程中也可以按照變質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，直接通過調(diào)節(jié)噴油量來調(diào)節(jié)扭矩，不需要節(jié)氣門。

（2）燃燒溫度低。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度低，對(duì)燃燒室壁的傳熱很低，能夠減少輻射熱的傳遞，還能大幅降低氮氧化合物的形成。因?yàn)槿紵^程主要是受化學(xué)反應(yīng)而不是受混合過程的支配，可以使燃燒周期比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)短。

3、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

基于天然氣相比傳統(tǒng)石油燃料所具有的特性，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)也需要相關(guān)技術(shù)對(duì)工作過程進(jìn)行調(diào)整。不但需要調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)以適應(yīng)天然氣燃燒過程，還需要增加熱效率。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)技術(shù)

由于大多數(shù)壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油機(jī)改裝而成，直接使用天然氣作為石油燃料的替代燃料，導(dǎo)致動(dòng)力性降低。原因不僅是由于天然氣本身的特性所致，也由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于汽油燃料所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能調(diào)節(jié)，并不能與天然氣完全匹配。提高天然氣的動(dòng)力性，也需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化。

（1）提高燃燒速度。燃燒速度影響做功沖程的效率，燃燒速度減慢也會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的下降。影響燃燒速度的因素包括燃料的性能、混合氣的濃度、以及氣缸內(nèi)混合氣的運(yùn)動(dòng)。天然氣與汽油相比，除自身燃燒速度較慢外，混合氣的濃度也影響了燃燒速度。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)過量空氣系數(shù)為0.85～0.95 時(shí)，混合氣具有最高的燃燒速度，相應(yīng)的也就取得較高的熱效率與動(dòng)力性。而燃燒天然氣時(shí)為1.1，較慢的燃燒速度造成了天然氣汽車動(dòng)力性能的下降。天然氣的燃燒速度可通過增大點(diǎn)火提前角度進(jìn)行彌補(bǔ)。這就要求重新設(shè)計(jì)凸輪軸，以及凸輪軸與曲軸的正時(shí)關(guān)系。在提高點(diǎn)火提前角的同時(shí)，也提高了充氣效率[5]。

（2）提高壓縮比。壓縮比是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，它與發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃料辛烷值密切相關(guān)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)好之后壓縮比也就隨之確定下來。壓縮比是影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效率的最重要因素之一，對(duì)于低壓縮比的汽油機(jī)尤其重要。壓縮比與熱效率的關(guān)系式可由下述公式進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于目前的天然氣、汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比對(duì)于以汽油為燃料時(shí)是適用的，但對(duì)于以天然氣為燃料就過于偏低，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣為燃料時(shí)的熱效率大大降低。對(duì)于型號(hào)為CA6102 的汽油機(jī)其壓縮比為7.4，按照天然氣的辛烷值估算，在以天然氣為燃料時(shí)估計(jì)壓縮比可達(dá)10以上，兩種壓縮比下的理論循環(huán)熱效率分別如下。

壓縮比10與壓縮比7.4相比理論循環(huán)熱效率可以提高11.6%，可見采用高壓縮比時(shí)動(dòng)力性能也會(huì)相應(yīng)提高[6]。

3.2 高能量數(shù)字點(diǎn)火技術(shù)

天然氣燃料著火性能相比傳統(tǒng)的石油燃料較差。這樣傳統(tǒng)的汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)根本不適應(yīng)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。因而需要采用高能量數(shù)字點(diǎn)火技術(shù)，也就是利用計(jì)算機(jī)芯片來精確控制點(diǎn)火的能量和時(shí)間。在現(xiàn)有部件能夠承受的條件下, 采用高能量數(shù)字點(diǎn)火技術(shù)將點(diǎn)火能量控制到一個(gè)能夠滿足需要的合適程度是十分必要的。準(zhǔn)確的點(diǎn)火時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率至關(guān)重要，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以控制點(diǎn)火時(shí)間精度達(dá)到微秒級(jí)。

該技術(shù)有利于改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性和怠速穩(wěn)定性，特別是改善了天然氣的低溫冷起動(dòng)性能，這對(duì)于寒冷地區(qū)具有非常重要的意義。其次，有利于稀薄可燃混合氣體充分燃燒，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性， 節(jié)省燃料，降低排放。除此之外，為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前國(guó)家對(duì)汽車排氣污染物的控制，采用該技術(shù)可以提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平[3]。

3.3 電熱塞助燃缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中通常選用陶瓷外殼內(nèi)熱式熱面管電熱塞來防止氧化，延長(zhǎng)使用期。該電熱塞由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)提供電源，其控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件調(diào)節(jié)外加電壓。為保證混合氣可靠著火，電熱塞表面溫度一般高于1200K[7]。使用該電熱塞開發(fā)的高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣的噴射壓力顯著增加。電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣噴射進(jìn)行定時(shí)定量的靈活控制。電熱塞助燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用單一燃料，因而可以達(dá)到更低的排放水平。但是當(dāng)使用一個(gè)或兩個(gè)電熱塞時(shí)，在燃燒之前要求天然氣噴束與空氣大量混合，則會(huì)延長(zhǎng)滯燃期，增加預(yù)混合燃燒，不利于抑制NOx排放。電熱塞溫度的控制、能量消耗及使用可靠性是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素[8]。

4、結(jié)論

（1）天然氣具有可燃成分高，

著火范圍寬，抗爆震能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好等特性，能夠滿足汽車運(yùn)行以及相關(guān)排放法規(guī)的要求。發(fā)展壓縮天然氣汽車不但滿足了人們的要求，而且實(shí)現(xiàn)了調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的作用。

（2）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱效率高，污染物排放低的特點(diǎn)。以稀燃點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的第三代發(fā)動(dòng)機(jī)相比由汽油機(jī)改進(jìn)的二代發(fā)動(dòng)機(jī)效率高。

（3）提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率需要在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與燃料的匹配。針對(duì)以天然氣為燃料的第三代發(fā)動(dòng)機(jī)所研發(fā)的新技術(shù)，能夠有效提高燃料的熱效率。

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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

趙升噸，西安交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠嚬?jié)能機(jī)電一體化設(shè)備開發(fā)。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（課題編號(hào)：2011ZX04001-011-3）。蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（SYG201137 ）。