竇小紅

摘 要：天然氣被認為是內燃機較為理想的替代燃料，但是天然氣內燃機存在燃燒放熱，燃燒循環(huán)變動，燃料特性等方面的問題。對此，本文主要介紹了天然氣發(fā)動機的燃燒和排放的特點、降低天然氣發(fā)動機NOx排放的措施，以及對天然氣發(fā)動機功率下降問題的應對措施。

關鍵詞：天然氣；發(fā)動機；內燃機

1.天然氣汽車的發(fā)展及發(fā)動機燃燒過程的研究

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對石油的需求量越來越大，而汽油和柴油都是不可再生資源?，F(xiàn)在天然氣發(fā)動機越來越受到汽車公司和各高校的青睞，我國20世紀50年代就已開展對天然氣汽車的研究，五六十年代在我國四川省開始局部推廣使用常壓天然氣汽車，特別是壓縮天然氣汽車已在全國各地推廣應用。正是因為天然氣汽車具有很好的經濟、環(huán)保和社會效益，所以近幾年在我國發(fā)展非常迅速，從1999年初的不足1萬輛發(fā)展到2006年底，全國已擁有天然氣汽車近15萬輛，而到了2014年是中國天然氣汽車爆發(fā)式發(fā)展的一年，數(shù)量雖未可統(tǒng)計，以北京市為例，部分公交車已使用燃用液化石油氣（LPG）等代用燃料，并且這種應用將會更加普及。

如今隨著汽車運行的經濟性的要求和排放限值的提高，對發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)的設計提出了越來越高的要求，近幾十年來，各個國家的汽車公司，高等院校都投入了大量的人力物力進行火化點火發(fā)動機燃燒的基礎研究工作，涉及到燃燒室內的氣體流動，燃燒過程的傳質傳熱，化學反應動力學，火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娼Y構，有害排放的生成機理與控制，燃燒過程的數(shù)值模擬，稀薄混合氣和分層燃燒的實現(xiàn)等等。由于實際發(fā)動機的燃燒、傳熱、蒸發(fā)與擴散等過程十分復雜，加之伴隨有循環(huán)變動，要控制每個循環(huán)的燃燒條件不變化非常困難，試驗結果的可比性不強，因此內燃機的燃燒研究大都在模擬裝置中進行，尤其在定容燃燒彈中進行的居多。

2.天然氣的理化特性

天然氣是一種復雜的碳氫化合物，其主要成分是甲烷（CH4），體積分數(shù)占80～95%（因其產地而異），另外還含有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、正丁烷（C4H8）、異丁烷（C4H8）、戊烷（C5H10）、氮氣（N2）、二氧化碳（CO2）等，它們各自所占的體積分數(shù)因產地而異。車用天然氣必須經脫水、脫烴、脫硫等凈化處理，才能成為一種優(yōu)質、高效、清潔的代用燃料。天然氣與汽油、柴油理化特性的比較如表l所示：

3.天然氣內燃機燃燒問題基礎分析

3.1增壓中冷技術

為了補償稀薄燃燒帶來的功率損失，通常采用增壓中冷技術提高天然氣發(fā)劫機的功率。發(fā)動機的輸出功率與每一循環(huán)進入各缸的充氣量有關，增加進氣管的充氣密度可提高功率，這就是渦輪增壓器得到廣泛應用的原因。但隨著壓力增加，擴壓器出口的空氣溫度隨之升高，在一定程度上限制了空氣密度的提高。要想進一步增加空氣密度，必須降低增壓空氣的溫度，就要采用中間冷卻措施。實驗表明，在給定的增壓壓力下，增壓空氣溫度每下降10℃，密度就增大3%，在這樣的空燃比下，實際功率可提高約3.5%。

3.2電子控制噴射系統(tǒng)

天然氣的成分復雜，加之發(fā)動機實際工況多變，要想提高汽車的動力性，天然氣的準確噴射時刻和精確的噴射量是關鍵，這須由電控多點燃氣順序噴射系統(tǒng)完成。電控單元根據從各傳感器得到發(fā)動機進氣壓力、轉速、節(jié)氣門開度和進氣溫度等數(shù)據分析發(fā)動機的具體工作工況，然后從存儲單元中讀取與發(fā)動機實際工況相對應的噴氣控制脈寬，并根據發(fā)動機的反饋信號進行修正，最后根據曲軸位置信號設置天然氣噴射閥的控制命令，完成對天然氣多點順序噴射時刻和噴射量的精確控制，以提高天然氣發(fā)動機的動力性。

3.3點火的優(yōu)化措施

天然氣著火溫度高，火焰發(fā)展期長，`火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?，造成燃燒持續(xù)期增加，使燃燒的最大壓力偏離上止點而使發(fā)動機的功率有所下降。因此提高點火能量，實現(xiàn)快速燃燒，有利于發(fā)動機功率的部分恢復。因此可以采用二級點火或高能點火的方式。高能點火控制系統(tǒng)主要通過定時器T0、Tl、T2的中斷來進行控制，在系統(tǒng)程序處于脈譜圖處理階段時，通過串口的中斷與CUP根據協(xié)議進行數(shù)據傳遞和處理。二級點火分為互相連通的主燃燒和預燃燒室。由于混合器的調節(jié)作用，經進氣管進入主燃燒室的是稀混合氣。一部分天然氣經止回閥進入體積較小的預燃燒室。在壓縮行程中，由于活塞上行，主燃燒室內的部分稀混合氣被壓入預燃室，在預燃室內形成紊流，并與純天然氣混合形成理論濃度混合氣。

4.結束語

在石油危機和環(huán)境污染日益嚴重的今天，天然氣發(fā)動機以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點將越來越多地被人們采用，因此，其在燃燒和排放方面的特點也受到了的人們的關注。隨著天然氣發(fā)動機研究的不斷深入和設備的不斷完善，其在燃燒和排放方面的優(yōu)點將得到更充分的發(fā)揮，在燃燒和排放方面的缺點將在相關措施的輔助下得以適當?shù)膹浹a，以使其在動力性能方面能夠滿足使用要求，在排放性能方面能夠滿足日益嚴格的排放法規(guī)要求。

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