壓縮天然氣發(fā)動機的設(shè)計及性能研究*

晏 娟 曾 契 宋金燕 毛小群

（1-重慶三峽學(xué)院 重慶 4 0 4 0 0 0 2-瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3-重慶電子工程職業(yè)學(xué)院）

引言

石油資源的日益短缺和環(huán)境污染的日趨嚴重促進了內(nèi)燃機領(lǐng)域內(nèi)新型替代能源的研究和開發(fā)。天然氣資源儲藏豐富，成本低廉，是一種理想、清潔的替代能源。目前，天然氣主要以壓縮存儲的方式（CNG）應(yīng)用于汽油車上，通過加裝一套天然氣燃料供給系統(tǒng)，直接在汽油發(fā)動機上燃用，這種方法雖然簡單實用，但無法發(fā)揮天然氣作為發(fā)動機燃料的優(yōu)點。因此，考察壓縮天然氣的理化特性，研究發(fā)揮壓縮天然氣燃料優(yōu)勢的燃用手段和技術(shù)方法，設(shè)計匹配壓縮天然氣燃料的發(fā)動機，將具有工程實用價值[1，2]。

基于上述原因，本文在分析壓縮天然氣燃料理化特性的基礎(chǔ)上，提出在柴油機上進行壓縮天然氣發(fā)動機改裝，然后對改裝的壓縮天然氣發(fā)動機進行臺架試驗研究，研究壓縮天然氣發(fā)動機的動力性、負荷特性和萬有特性，最后通過與柴油機原機主要性能指標(biāo)的對比，評價壓縮天然氣發(fā)動機的綜合性能，為天然氣發(fā)動機的改裝與設(shè)計提供技術(shù)參考和理論支撐。

1 壓縮天然氣發(fā)動機的改裝和設(shè)計

1.1 壓縮天然氣的理化特性

天然氣的基本理化特性不同于傳統(tǒng)的化石能源，如汽油、柴油等。天然氣的主要成分是甲烷，在燃燒時發(fā)出微藍色的火焰，密度比空氣小，天然氣的理化特性如表1所示。CNG是天然氣經(jīng)高壓壓縮的產(chǎn)物。在標(biāo)準狀態(tài)下，壓縮后的天然氣體積大約為壓縮前的1/600，它是一種無色無味的氣體，其密度為1.5 kg/m3，燃點為450℃，爆炸極限范圍大致在5%～15%左右，被公認為一種十分清潔的新型能源。

表1 天然氣的主要理化特性指標(biāo)

從表1對比可以看出，天然氣的化學(xué)計量空燃比、研究法辛烷值、低熱值、著火溫度比傳統(tǒng)的汽油和柴油都要高，而混合氣熱值略低，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖绕吐饦O限也不同于其他兩種燃料。因此，改裝天然氣發(fā)動機時，為了提升CNG發(fā)動機各方面性能，必須要對比天然氣特性的不同，探索和尋找適合的改裝設(shè)計方法。

1.2 壓縮天然氣發(fā)動機改裝設(shè)計原則

在確定CNG發(fā)動機改裝的原型機時，必須考慮發(fā)動機的壓縮比、燃燒方式、比功率及升功率等問題。改裝發(fā)動機時主要考慮的要素如下：

1）壓縮比

天然氣發(fā)動機將采用比汽油發(fā)動機更大的壓縮比，原因是為了發(fā)揮天然氣抗爆性強的優(yōu)勢。發(fā)動機的壓縮比越高，熱效率越高，其經(jīng)濟性自然會更好。

天然氣發(fā)動機的壓縮比范圍一般在10.5～12之間。因為各燃料的理化特性不同，采用的燃燒方式及壓縮比也不同，傳統(tǒng)的汽油機和柴油機分別采用均質(zhì)燃燒和稀薄燃燒，壓縮比分別為8～11、16～22左右。汽油機燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，不易提高壓縮比，而在柴油機上可以方便地通過改變活塞頂面結(jié)構(gòu)來降低壓縮比，以滿足天然氣發(fā)動機的壓縮比要求[3，4]。

2）燃燒方式

傳統(tǒng)汽油機在大部分工況下是化學(xué)計量空燃比均質(zhì)燃燒方式，而柴油機則采取預(yù)混燃燒和擴散燃燒的方式，是空燃比較大的稀燃模式，因此汽油機的升功率和比功率都高于柴油機。

天然氣與汽油的供給形態(tài)不同，如果在汽油機上采用均質(zhì)燃燒，把燃料從汽油改成天然氣，此時，發(fā)動機的動力性必將大幅下降。這是由于天然氣的混合氣熱值低于汽油，氣體狀態(tài)供給天然氣燃料會嚴重影響發(fā)動機的充氣效率。此外，汽油機的轉(zhuǎn)速很高，燃燒時間相對較短，天然氣相對較慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?dǎo)致熱效率的下降，經(jīng)濟性變差[5，6]。

基于上述原因，同時考慮到天然氣燃料是以氣態(tài)方式供給，提出在轉(zhuǎn)速相對較低、進氣量相對較多的柴油機上采用化學(xué)計量空燃比均質(zhì)燃燒方式，進行天然氣燃料的使用，以期提升柴油機原機的動力性、升功率和比功率。

3）著火方式

天然氣的著火溫度比汽油和柴油都要高，為537℃左右，這是因為天然氣的辛烷值較高（120），十六烷值卻十分小（小于10）。因此，天然氣發(fā)動機上不能使用壓燃方式，應(yīng)采取點燃的著火方式，為了保證天然氣能夠順利燃燒并不產(chǎn)生爆震，需要增加高能點火器[7，8]。

綜合上述分析可以認為，為了發(fā)揮天然氣燃料的優(yōu)勢，改裝天然氣發(fā)動機原型機不能選擇汽油機，而應(yīng)選擇柴油機比較適宜，為了獲得更好的發(fā)動機性能，本文對一款柴油機的燃料供給系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)進行改裝設(shè)計，具體型號和參數(shù)如表2所示。

表2 柴油機原型機型號和主要參數(shù)

1.3 壓縮天然氣發(fā)動機的改裝設(shè)計

為了完成天然氣發(fā)動機的改裝設(shè)計，在柴油機原機的基礎(chǔ)上，為天然氣發(fā)動機設(shè)計供給系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)，改裝完成的壓縮天然氣發(fā)動機示意圖如圖1所示。

2 壓縮天然氣發(fā)動機臺架試驗結(jié)果

圖1 CNG發(fā)動機基本原理示意圖

分別在天然氣發(fā)動機上進行了速度特性（外特性）、負荷特性和萬有特性試驗研究，獲取了天然氣燃料對發(fā)動機性能影響的變化規(guī)律。

2.1 壓縮天然氣發(fā)動機外特性試驗

本文進行了天然氣發(fā)動機節(jié)氣門全開時的速度特性（即為外特性）試驗研究，以得到天然氣發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率。試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，發(fā)動機燃用天然氣時的最大轉(zhuǎn)矩是255.5 N·m，此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是1800 r/min，其額定功率、額定轉(zhuǎn)速分別為75.3 kW和3600 r/min。同時天然氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)出先變大后變小的規(guī)律，且經(jīng)濟性最好時是中等轉(zhuǎn)速，此時有效燃油消耗率有最小值。

2.2 壓縮天然氣發(fā)動機負荷特性試驗

本文分別進行了發(fā)動機在1800 r/min和3600 r/min的負荷特性試驗研究，以獲取有效燃氣消耗率隨負荷的變化規(guī)律。天然氣發(fā)動機負荷最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速的負荷特性試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3天然氣發(fā)動機的負荷特性可以看出，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，有效燃氣消耗率持續(xù)下降，低負荷時下降幅度較大，高負荷時下降幅度較小。

2.3 壓縮天然氣發(fā)動機萬有特性試驗

圖2 天然氣發(fā)動機的外特性

圖3 壓縮天然氣發(fā)動機的負荷特性

圖4 天然氣發(fā)動機的萬有特性

根據(jù)發(fā)動機萬有特性的試驗方法，試驗研究了天然氣發(fā)動機的萬有特性，試驗結(jié)果如圖4所示。從壓縮天然氣發(fā)動機萬有特性曲線上，能夠直接讀出發(fā)動機的絕對最低有效燃氣消耗率為，194 g/（kW·h）。

3 壓縮天然氣發(fā)動機性能綜合評價

在對天然氣發(fā)動機的性能進行試驗研究后，可以將其動力性（標(biāo)定功率和最大轉(zhuǎn)矩）和經(jīng)濟性與改裝前的原柴油機進行對比，以評價改裝后CNG發(fā)動機的綜合性能。

3.1 發(fā)動機基本性能指標(biāo)對比

基本性能指標(biāo)對比包括標(biāo)定功率、最大轉(zhuǎn)矩和最低有效燃油消耗率（對天然氣為有效氣耗率），對比結(jié)果如表3所示。

表3 天然氣發(fā)動機和柴油機基本性能指標(biāo)對比

為了便于比較天然氣發(fā)動機的最小能源消耗率和柴油機的最低有效燃油消耗率，應(yīng)用公式（1）將天然氣發(fā)動機的有效燃氣消耗率轉(zhuǎn)換成柴油有效燃油消耗率。

式中：bequivalence，methane為天然氣發(fā)動機等效柴油有效燃油消耗率，單位為g/（kW·h），Hmethane和Hdiesel分別為甲烷和柴油的低熱值，單位為MJ/kg。

從表3可以看出，天然氣發(fā)動機的標(biāo)定功率相比于原柴油機增加了10.3 kW，最大轉(zhuǎn)矩也有一定程度的增加，但等熱值最低有效燃油消耗率也有所上升。

分析認為，標(biāo)定功率、轉(zhuǎn)矩和等熱值有效燃油消耗率變化的主要原因是天然氣發(fā)動機和柴油機的燃燒方式不同。天然氣發(fā)動機以化學(xué)計量空燃比的混合氣燃燒，并采用λ等于1閉環(huán)控制策略，而柴油機是過量空氣系數(shù)大于1的稀薄燃燒。在兩臺發(fā)動機進氣量相同的情況下，天然氣為燃料的發(fā)動機燃料供給量更多，因此標(biāo)定功率增大，最大轉(zhuǎn)矩增加；但是柴油機的壓縮比高于天然氣發(fā)動機，且稀薄燃燒的熱效率較高[9]，經(jīng)濟性更好，所以柴油機等熱值最低有效燃油消耗率較天然氣發(fā)動機低。

3.2 升功率和比功率對比

1）升功率

升功率PL（kW/L）的定義是在額定工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。可用公式（2）表示。

式中：Pe為發(fā)動機的標(biāo)定功率，單位為kW，i為氣缸數(shù)，Vs為氣缸工作容積，單位為L。

天然氣發(fā)動機和柴油機的排量均為2.8 L，根據(jù)公式（2）得出天然氣發(fā)動機和柴油機的升功率分別為26.9 kW/L和21.7 kW/L，這表明天然氣發(fā)動機的強化程度更高，發(fā)出相同功率的發(fā)動機尺寸更小，具有比柴油機更強的動力性。

2）比功率

比功率PG（kW/kg）的定義是發(fā)動機標(biāo)定功率與發(fā)動機重量的比值。可用公式（3）表示。

式中：PG為發(fā)動機的標(biāo)定功率，單位為kW，G為發(fā)動機的質(zhì)量，單位為kg。

天然氣發(fā)動機和柴油機的質(zhì)量可以認為相同，約為235 kg。根據(jù)公式（3）得出天然氣發(fā)動機和柴油機的比功率分別為0.32 kW/kg和0.28 kW/kg，這表明天然氣發(fā)動機的比功率較高，在整車上應(yīng)用時能夠相對降低整車的油耗。

4 結(jié)論

1）壓縮天然氣發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)的改裝與設(shè)計表明，所改進的發(fā)動機能夠滿足燃用壓縮天然氣的使用要求。

2）外特性試驗結(jié)果表明，天然氣發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩為255.5 N·m，最低有效燃氣消耗率為194 g/（kW·h），都出現(xiàn)在發(fā)動機的1800 r/min轉(zhuǎn)速；負荷特性試驗中的有效燃氣消耗率，隨著負荷的增加逐漸下降。

3）天然氣發(fā)動機和柴油機原機型的最大轉(zhuǎn)矩分別為255.5 N·m和210 N·m，標(biāo)定功率分別為75.3 kW和65 kW，這表明動力性增強；而且升功率分別為26.9 kW/L和21.7 kW/L，比功率分別為0.32 kW/kg和0.28 kW/kg，說明發(fā)動機強化程度加強。

1 吳聿東.CNG發(fā)動機燃氣供給系統(tǒng)仿真及噴射控制研究[D].成都：西華大學(xué)，2013

2 周怡沛，周志斌.中國CNG汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢與策略[J].國際石油經(jīng)濟，2009，17（10）：44～48

3 張曉東，劉興華，張幽彤.柴油機改為火花點火式天然氣發(fā)動機技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機，2002（6）：6～9

4 鄭建軍，黃佐華，王金華，等.直噴式天然氣發(fā)動機不同壓縮比下燃燒循環(huán)變動規(guī)律 [J].內(nèi)燃機學(xué)報，2011，29（2）：97～104

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6 Zheng Zunqing，Yao Mingfa，Lin Zhiqiang，et al.Development of combustion system of an electric controlled lean burn CNG engine for meeting China stageⅣ emission regulations[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（5）：7～11

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8 宋君花，冒曉建，王都，等.壓縮天然氣發(fā)動機點火驅(qū)動的設(shè)計與研究[J].內(nèi)燃機工程，2010，31（3）：34～38

9 廉樂明.工程熱力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999