油改氣對汽車發動機的影響淺析

錢成彬

摘 要：汽車尾氣排放嚴重污染環境，油改氣成為一項重要的解決方案被廣泛采用。通過探究汽車發動機油改氣的工作原理，發現油改氣后發動機存在燃燒不充分、動力不足、故障增多等問題，進而提出加裝高能點火線圈、進氣增壓器及提升天然氣活性的方法來完善油改氣技術，以降低油改氣導致的不利影響，提高發動機動力、延長發動機使用壽命。

關鍵詞：發動機;油改氣;工作原理;影響

Abstract： Vehicle exhaust emissions seriously pollute the environment， and oil-to-gas conversion has become an important solution and is widely used. By exploring the working principle of changing oil from gas to automobile engine， it is found that the engine has insufficient combustion， insufficient power， and increased faults after changing from oil to gas. Then it proposes ways to install high-energy ignition coils， intake superchargers， and improve the activity of natural gas Improve oil-to-gas technology to reduce the adverse effects of oil-to-gas conversion， increase engine power， and extend engine life.

Keywords： Engine; Oil to gas; Working principle; Affect

1 前言

隨著環境污染的不斷加劇，燃油成本不斷上升，汽車油改氣應運而生。油改氣有效減少了石油的消耗，降低了環境污染，減輕了車主的經濟負擔，得到了廣泛的認可[1]。歐美是現代油改氣技術研究的領軍者。美國在2003年天然氣汽車就已經突破十萬輛，并且制定了相關的政策法規。我國油改氣技術起步較晚，經過十余年的發展，油改氣技術也日趨成熟。截至2018年底，我國天然氣汽車保有量為670萬輛，加氣站保有量9000座，連續四年居世界第一[2]。

汽車油改氣也會對發動機的性能帶來一定的影響，燃用天然氣會降低發動機的動力輸出，在較高負重或者爬坡的情況下油改氣汽車顯得有氣無力，甚至出現直接熄火的情況。目前，國內外對發動機動力下降的問題都無法完美解決，只能通過調整發動機的一些參數來配合天然氣的理化特性，最大程度上的提升發動機的動力[3]。

2 油改氣的結構和原理

以汽油機改裝的兩用燃料發動機為研究對象。

2.1 油改氣改裝結構

油改氣汽車增設了一套燃氣系統，一般是將氣瓶放置在后備箱里面，相關外部部件包括：加氣閥、壓力傳感器、高壓接頭和配套管線、高壓管線及增壓器等。

供給內部配件主要由燃氣高壓電磁閥、三級組合式的減壓閥、熱交換器、節溫器、混合器、油氣轉換開關、噴軌、氧傳感器等多個部件組成[4]。如圖1所示。

2.2 油改氣改裝的工作原理

汽車在加氣站向儲氣罐中充入20-25Mpa的壓縮天然氣。天然氣中含有少量的雜質，因此需要用天然氣過濾器過濾。同時，油改氣汽車ECU控制天然氣高壓電磁閥通電打開，將過濾后的天然氣輸送到三級高壓減壓器。高壓天然氣通過閥口進入減壓器一級減壓腔，被大幅度減壓。根據氣體的化學性質可知，氣體壓力突然巨幅降低，將導致氣體膨脹吸熱，可能使減壓器和附近的管線被凍住而發生的堵塞。為了防止結冰，在減壓器和混合器之間還裝有熱交換器，利用發動機水循環系統的水對一級減壓后的天燃氣進行加熱。為了保證天然氣溫度的恒定，通常由安裝在缸蓋的節溫器對加熱水流量進行調控。

天然氣在三級高壓減壓器內降至低壓，經過發動機循環水的加熱，形成低壓適溫的天然氣。然后，油改氣汽車ECU通過空氣流量感應器送出的信號，調節適量的天然氣進入混合器與泵入的空氣混合。在混合器中天然氣與空氣混合一定的濃度后，達到最佳空燃比，最后進入氣缸?；旌蠚庠跉飧變热紵龉ず螅艢夤艽蜷_，排出廢氣。氧傳感器隨即測算出燃燒后廢氣的氧濃度。油改氣汽車ECU依照氧傳感器反饋回來的信號，通過改變三級減壓調節器到混合器之間的低壓通道通過面積，來調控天然氣的流量，以使天然氣燃燒做功能夠達到最優化。

3 油改氣對發動機的影響

汽油機是根據汽油的相關特性而設計研發的，發動機相關參數也是針對于汽油優化設置的。因為天然氣和汽油的理化性質有著很大不同，發動機油改氣用汽油機燃燒天然氣，對發動機肯定會產生影響，發動機的性能也勢必會有所變化。

3.1 動力性

油改氣之后，發動機的動力性受到空燃比、點火提前角和壓縮比的影響，汽車的動力明顯比燃用汽油時低。

（1）空燃比影響發動機的動力性。由于天然氣是氣態燃料，占據一定的體積。而油改氣后發動機還是原汽油機，氣缸體積不變，天然氣在進氣時的體積占比大，會導致空氣的進入量減少，使天然氣和空氣的混合氣的熱值比汽油低，導致天然氣燃燒后釋放的熱量比汽油燃燒后釋放的少。如圖2所示，當轉速不變的情況下，汽車發動機燃用天然氣的功率比汽油低。

（2）點火提前角影響發動機的動力性。因為天然氣燃料的辛烷值高達130，抗爆性表現較好，導致火花塞點火的難度大大增加，火花塞的工作效率下降。當選擇燃用天然氣時，汽油機的點火提前角應該調整到適合天然氣燃料的數據，正常都是提前8-15度。因為汽油機的點火相位和天然氣的基本屬性不適配，造成汽車回火放炮，功率下降啟動困難等[5]。

如圖3可知，在不加裝點火提前器的情況下，隨著發動機轉速的提高，油改氣之后發動機的功率有著明顯的下降，而加裝點火提前器的情況下，相比于沒加裝點火提前其器的情況，輸出功率有所提高，但是比起汽油還是有差距。點火提前器可以在不暴力傷害發動機的前提下，根據不同的燃料，相應的調節發動機點火提前角，以期達到發動機在不同轉速的工況下都能夠在最佳點火提前角下工作的目的。

（3）壓縮比影響發動機的動力性。發動機氣缸的構造決定發動機的壓縮比，氣缸總容積除以燃燒室容積即是發動機壓縮比[6]，如圖4。在適當范圍內，發動機的壓縮比越大，燃料燃燒釋放的熱能就越高，發動機熱效率也越高，發動機熱能轉化成發動機的輸出功率也就越大。但是，發動機的壓縮比越大，燃料的抗爆性就會提早達到臨界點，活塞在到達最佳點火提前角之前，燃料就開始燃燒，而連桿仍舊帶動活塞向上止點運動，燃燒所得的熱能把活塞往下推，兩種相反的力的作用，使得汽車車身抖動，即發動機產生爆震[7]。因此，發動機的壓縮比應最大程度的與燃料的辛烷值相適應，使發動機燃料燃燒產生的熱能安全并且高效率的轉換成發動機的輸出功率。天然氣的抗爆性很好，但是油改氣汽車發動機還是原汽油機，這就意味著車子油改氣之后天然氣不能充分燃燒或者發動機燃燒的熱能轉化成輸出功率的能力低。

3.2 經濟性

發動機的經濟性指發動機做出的有用功而所消耗的能源的代價。汽車發動機的經濟性體現在有效熱效率。

燃料燃燒所釋放的熱能，在經過發動機的內部消耗之后，轉化成發動機實際的輸出功。二者之比即是發動機的有效熱效率。天然氣有著很高的辛烷值，抗爆性能優秀，適合壓縮比大的發動機。但是油改氣的發動機還是原來的汽油機，沒辦法將天然氣的優點完全發揮出來。天然氣的熱值高，代表天然氣具有比較高的能量，但是單位體積下，天然氣與汽油相比自身占據一定的空間，致使外界的空氣的進入減少，使得燃燒不充分所以天然氣混合氣的熱值沒有汽油混合氣的熱值高。故此，天然氣燃燒后釋放的熱量比燃燒汽油產生的熱量少，所以天然氣的熱效率比汽油的低，即燃用等量的天然氣和汽油，跑不過汽油[8]。

3.3 排放性

排放性就是針對發動機的尾氣排放以及噪音。在發動機的熱功轉換過程中，因為燃燒而生成的對環境有污染的有害物質直接的限制標準。發動機表面對外輻射的噪聲以及由發動孔排氣管向大氣環境排出的有害物質統稱為有害排放物。對于汽油機排出的尾氣，有害排放物主要是一氧化碳，碳化氫和一氧化氮。而燃燒天然氣的排放物是二氧化碳、一氧化碳和很少的二氧化硫[9]。

由發動機的動力性可知，當天然氣過多，空氣的進入量較少，天然氣無法充分燃燒，導致一氧化碳的生成;當混合氣過稀，即天然氣的含量少，氧氣的含量多，天然氣充分燃燒，生成的產物不會對大氣造成危害，但是熱能會降低。天然氣中含有雜質，在充分燃燒后，會有少量的二氧化硫生成。天然氣燃燒之后，不會像汽油一樣產生氮氧化物。

當汽車油改氣之后，為了配合天然氣的理化性質，適當的調整發動機的參數，使得天然氣可以釋放更多的熱能，但是隨之而來的是勢必會造成在燃用汽油時出現的爆燃或者提早造成發動機配件的損壞，使發動機的工作環境遭到破壞。更重要的是，油改氣之后再使用汽油時會造成汽油無法充分燃燒，導致尾氣排放的氣體中含有大量的氮氧化物等一些對大氣有害的污染物[10]。

4 油改氣問題的對策

針對于發動機油改氣之后的動力不足等問題，提出以下解決思路。

（1）加裝高能點火線圈

在油改氣汽車加裝點火提前器之后，解決天然氣的燃燒速度慢的問題的同時，還需要有點燃天然氣混合氣的點火能量。加裝高能點火線圈可以提高發動機的功率和改善發動機的經濟性[11]。

（2）安裝進氣增壓器

在天然氣混合氣進入氣缸之前，對混合氣進行加壓，然后混合氣的密度變高，所以單位混合氣中的天然氣和氧氣都得到了提升，故此天然氣燃燒也就會釋放更多的熱能，提升發動機的動力。

（3）提高天然氣活性

天然氣的性質穩定，和汽油使用能效液一樣，激活天然氣的活性，使天然氣中的碳原子發生裂變，降低天然氣的燃點，也可以提升天然氣的燃燒速度，達到提升發動機功率的目的，并且對發動機沒什么危害。

5 結論

對油改氣發動機的工作原理進行了解釋，分析了汽車油改氣之后動力性不足的真正原因，及可能存在的排放性問題。提出了加裝高能點火線圈、進氣增壓器和提升天然氣的活性來提高發動機動力的方法。

由于油改氣技術目前還不是很成熟，改裝技術也不統一，造成各種油改氣汽車事故頻發、維修困難，致使相當一部分汽車擁有者對油改氣望而卻步。另一方面，國家也鼓勵使用原裝天然汽車，油改氣技術面臨極大的挑戰。

參考文獻

[1] 張德政等.汽車“油改氣”市場需求分析[J].科技創新導報，2015 （7）： 14-14.

[2] 2018年中國天然氣汽車保有量及天然氣加氣站建設態勢分析[E/ OL].http：//www. sohu.com/a/ 324249451_775892.

[3] 吳敏.汽車油改氣效果保障措施及方法[J].汽車工程師，2010（09）： 39-42.

[4] 李紅.汽車油改氣改裝技術淺析[J].汽車實用技術，2018，44（11）： 102-104.

[5] 王茂文.油改氣汽車易熄火的維修與分析[J]河北農機，2015（01）： 53-54.

[6] 明平順.汽車構造[M].武漢：武漢理工大學出版社，2016：15-18.

[7] 林學東.發動機原理[M].北京：機械工業出版社，2014：77-90.

[8] 何田等.天然氣汽車的經濟性分析[J].汽車實用技術，2018，274（19）： 75-78.

[9] 林鈺.天然氣發動機燃燒與排放研究[D].天津：天津大學，2018.

[10] 李陽陽.電控汽油/CNG兩用燃料發動機傳感器故障模擬系統研究[D].西安：長安大學，2011.