壓縮天然氣對汽車發動機性能的影響研究

金安鵬，徐照明

（蘭州現代職業學院，蘭州 730300）

現代的汽車發動機管理系統都直接由電腦管理各系統電路，包括電源、起動、點火、發動機和變速箱等控制系統灶基。以壓縮天然氣替代常規汽油或柴油環節，多應用壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG）裝置來實現對燃料的利用。在國內外天然氣管網控制條件下，以CNG汽車為地區發展的紐帶，并因CNG自燃溫度顯著高于汽油自燃溫度，故還具有相對空氣比重低的突出優勢。經泄漏后的空氣迅速擴散，并不在戶外聚集，且能承載爆炸極限。常通過不同燃料供給方式，來對汽車加以分型。其主要工作原理為：每進行一次工作循環，均能將熱能轉變為機械能，經進氣、壓縮、作功和排氣4個連續的過程來實現。現就壓縮天然氣對汽車發動機性能的影響分析如下。

1 壓縮天然氣概述

壓縮天然氣是以氣態儲存在容器中的天然氣利用裝置類型之一。壓縮天然氣可用油田及天然氣田中的天然氣，還可以人工制造生物沼氣（主要成分是甲烷）來實現。壓縮天然氣主要成分為甲烷（CH4），主要用作車輛燃料、制作液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）。在臨床應用領域，以CNG作為一種最理想的車用替代能源。加之其還具有成本低、效益高、無污染和使用安全便捷等特點。

2 壓縮天然氣汽車發動機性能分析

壓縮天然氣是一種常見的工業和民用燃料，且高效、潔凈和廉價。因其主要成分為甲烷（CH4），故在抗爆震性能、燃料燃燒性能和排放性能方面有良好的突出特點。其中CNG發動機燃燒室結構如圖1所示。

圖1 CNG發動機燃燒室結構圖

①進氣沖程。進氣門開啟，稀薄CNG—空氣混合氣由進氣道進入主燃燒室，并由小孔進入預燃燒室；預燃燒室殘余少部分廢氣由于負壓作用進入主燃燒室，與稀薄燃氣—空氣混合氣混合。②壓縮沖程。進氣門關閉，活塞上行，在壓縮沖程末期，電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）控制CNG噴射器向預燃燒室噴入適量燃氣，增大預燃燒室混合燃氣濃度。③膨脹沖程。當活塞運行至上止點時，預燃燒室火花塞點火，點燃預燃燒室CNG—空氣混合氣；燃燒的高溫氣體迅速膨脹，經小孔高速進入主燃燒室，在主燃燒室形成渦流，帶動主燃燒室稀薄CNG—空氣混合氣迅速燃燒，膨脹做功。④排氣沖程。排氣門開啟，活塞上行，廢氣排出。

2.1 動力性能

CNG發動機動力性能受其輸出功率、扭矩影響，輸出功率和扭矩受混合氣熱值（3 394 kJ/m3）影響，比之汽油機低了12.6%，與此同時，天然氣發動機動力性下降11.6%。CNG汽車發動機輸出功率受其充氣系數影響，是衡量發動機的關鍵性指標。其材料性能與燃料間關系密切，其中應用氣態CH4的缸外預混合方式，對氣缸空氣系數及其因系數降低而造成的發動機功率增加等。隨著辛烷值的增加，不加劇發動機爆震現象。使用中，還不影響發動機水溫、機油壓力，工作狀態較平穩，正常行駛的安全性系數較高。在MR479Q汽油機實驗平臺上改造而成，主體結構基本不發生改變。在原機上增加CNG（壓縮天然氣）供給系統和供給控制系統，完成對天然氣的輸送和分配。在儲氣瓶中，總容量為60 L，充滿后最高壓力可達到20～30 MPa。高壓天然氣從氣瓶中出來后，經過氣瓶閥、流量計和減壓器，通過燃氣噴射器，將減壓后的天然氣（約0.08～0.25 MPa）輸送到各缸進氣歧管中實現天然氣的供給和分配。整個天然氣供氣過程必須受燃氣ECU控制。燃氣ECU以采集的汽油噴射時間為基礎，計算出燃氣的噴射時間，燃氣ECU將汽油噴射的執行命令翻譯成適用天然氣噴射的控制命令。

以斯柯達首款搭載大眾集團MQB A0底盤的車型為例，提供1.0 TSI、1.5 TSI和1.6 TDI的CNG天然氣動力引擎，只是在當時尚未一同亮相的天然氣動力車型。具體動力配置「GNC壓縮天然氣＋1.0 TSI G-TEC引擎」，最大輸出為90 hp/16.3 kgm，變速箱則采用6速設定，CNG天然氣儲罐（約可儲存13.8 kg）可提供約410 km的續航距離。天然氣發動機裝有缸內壓縮釋放制動系統可以有效增加制動功率，使車輛在下坡過程中車速降低、可控；天然氣發動機制動功率比同排量柴油機小9.3%；采用腳踏板制動—缸內壓縮釋放制動形式，腳踏板使用頻率較單腳踏板制動減少68%，較腳踏板制動—排氣蝶閥制動減少58%；壓縮釋放制動系統能夠有效延長車輛下坡行駛時間，制動更安全[1]。具體實驗臺架如圖2所示。

圖2 實驗臺架結構示意圖

2.2 排放性能

對比液態燃料的汽油發動機，壓縮天然氣汽車發動機燃燒更完全，排放的微粒物更少。CH4燃燒產生CO，即為發動機的空燃比。而實際空燃比與理論空燃比的結果，是汽車排放性能的衡量依據。

對比汽油，CNG燃燒中的火焰溫度、傳播速度均較小，辛烷值較大。CO排放控制上，通過CNG天然氣中適當增大點火提前角，來達到延長天然氣燃燒時間，使得燃燒更完全，污染環境系數更低。THC（總烴）生成受CNG燃燒環節對THC排放的激冷作用、積碳吸附影響，加之CNG燃料在同等條件下，減少THC排放物生成；總體來講，天然氣混合均勻，燃燒完全，同時點火提前角增加，可直接延長高溫燃燒時間，CH4能更充分燃燒，進一步降低THC排放量。

排放方面，利用臺架試驗在某六缸增壓中冷、火花點火天然氣發動機1 400 r/min和2 000 r/min 2種轉速下，部分負荷和全負荷上開展壓縮比為11.6、13和14的性能、油耗、燃燒和排放等特性。受壓縮比增加氮氧化物（NOx）排放增加；從發動機燃燒、燃油消耗和排放等綜合指標及特性上，發動機在壓縮比為13時，整體特性最好[2]。

NO含量由燃燒溫度來決定，當天然氣燃燒溫度、混合器熱值下降后，NO含量較低。但受點火提前角和提高空燃比增大后，隨之出現高溫燃燒時間變長及O2含量增多，使NO含量增加、排放含量加劇。CNG投資環節，因耗資較大，故在供氣的可靠性上也隨之增強；氣源價格、運輸距離條件下，CNG對汽車發電機的性能要求較高。

以CNG/汽油兩用燃料發動機為例，其集合了汽油/CNG兩用燃料發動機的突出優勢，并表現為燃用天然氣在發動機轉矩功率上的弱化。為進一步提升發動機的性能，適當提高改裝機壓縮比以減少損耗，并達到改善發動機燃料經濟學的效果。CNG/汽油兩用燃料發動機汽車改裝中，以2.2 L汽油發動機汽車為例，改裝后，可在任何工況條件下獲得最佳點火時間節點。改造柴油機為雙燃料發動機的方法，其特征在于對現有柴油機零部件作少量改動或不改動，增加由進氣閥、過濾器、調壓閥、穩壓罐、進氣電磁閥、調節閥、排空電磁閥和脈沖電磁閥構成的一套供天燃氣系統，再增加曲軸轉角同步傳感器，天然氣通過上述系統控制依發火次序定時定量進入氣缸，當天然氣與空氣的混合氣在缸內壓縮終了時，柴油機原供油系統向缸內噴射少量的柴油，以引燃混合氣。使用CNG替代汽油作為汽車燃料環節，對發電機的CO、CH化合物、NO化合物、CO2、SO2和噪音的頻度分別比原來降低了97%、72%、39%、24%、90%和40%。具體改裝使用技術如圖3所示。

圖3 天然氣—柴油雙燃料發動機改裝

經IMPCO公司開展的試驗驗證工作，證實了天然氣在與空氣混合前，經由減壓器減壓/混合器/進氣總管后，才能與空氣混合，進入發動機氣缸。這一過程主要利用氣管壓力和當前轉速測試力矩，依靠調整控制混合器上電磁閥開度實現對天然氣噴氣量的控制。在實現發動機性能的最優化上，達到上述問題的效果，應摒棄單獨安裝一套天然氣供給控制系統的辦法。以對動力控制模塊系統的控制，實現對電子控制單元信息間的通信共享。進一步實現壓縮天然氣的兩用化效果。如此，可在天然氣燃料工作模式下，由天然氣的電子控制單元、怠速步進電機、點火提前和廢氣再循環系統等智能管理模式模塊化控制。在實際的電子控制單元中，集成自學習模塊的學習效果，并經實際測評后，對非甲烷有機廢氣（NMOG）、碳氫化合物和氧氮化合物分別降低了87%、50%和87%。

2.3 經濟性能

燃料本身的價格和天然氣發動機經濟性與汽車所需設備的附加成本相關。對比汽油，天然氣價格便宜；天然氣發動機應用后，對汽車的燃燒性能、混合氣均勻度和抗暴性等提升度較高，同時還可顯著降低積碳，降低維修次數等，為車輛的后期運營和維護費用降低提供了可能。裝載天然氣發動機的汽車價格等，均表明了其經濟性能較佳。

在壓縮天然氣發動機中，無論是汽油，還是壓縮天然氣CNG，在使用層面，天然氣汽車在排放方面優越性更為明顯，對比汽油車，天然氣汽車顆粒物排放為“0”。在發動機性能要求上，集合了整體降低NOx、CO和HC排放量等的“減排”效果。CNG天然氣汽車發動機在改善空氣質量對比液化天然氣汽車（LNGVs）功率下降更為明顯、發動機腐蝕與早期磨損問題更便捷。

結果表明，CO、THC含量排放顯著下降，但NOX上升。高精度電子控制技術優化燃燒技術，匹配天然氣專用三效催化器，是改善天然氣發動機排放性能的關鍵。

2.4 環保性能

以氣體燃料發動機為主的電控噴氣系統中，常以氣體噴射器作為關鍵性裝置，而為進一步提升燃料噴射質量，常以CNG作為燃料。CNG是高壓天然氣，用作中短途運輸的裝載及小型汽柴油發動機使用，存儲壓力為20 MPa，最高工作壓力為25 MPa，設計壓力為27.5 MPa，試驗壓力為37.5 MPa。

在發動機試驗臺架上，以汽油缸內直噴、天然氣進氣管噴射和天然氣缸內為主的直噴方式，用于汽車行駛控制和調節功能。低壓天然氣噴射器遍布每個氣缸，并由此配備了1個布置于進氣管內的直接噴射，且具有顯著的優勢[3]。天然氣—氫氣混合燃料（HCNG）是將天然氣與氫氣按一定比例混合而獲得的代用氣體燃料。采用摻氫比為28%和36%的天然氣—氫氣混合燃料，在稀燃條件下，NOx排放很低，同時HC排放增加不大。天然氣摻混氫氣之后可以有效擴展燃料的稀燃極限。純天然氣的稀燃極限是1.606，摻混10%、30%和50%氫氣后，其稀燃極限分別是1.753、1.853和2.453[4]。天然氣作為主燃料，通過混合氣同空氣混合入氣缸形成均勻的混合氣；把天然氣發動機分為預混合燃燒型和非均質擴散燃燒型，并分析了這2種天然氣發動機的技術特點、燃燒特點與排放等性能。

2.5 性能優化借鑒

建立某型天然氣發動機的仿真模型，并就模型構筑后的發動機性能和經濟性進行了整體驗算，結果為最大誤差小于5%；分析了發動機部分參數對性能的影響；利用實驗設計（design of experiment，DOE）優化工具，對發動機的壓縮比、進氣歧管長度及進氣門最大升程凸輪角3個參數進行了聯合優化；表明了優化后發動機轉矩和功率最高提高了1.3%，整體油耗減少了1.2%[5]。采用DELIPH公司ITMS-6F電控單元，單點電控CNG噴射，水冷式渦輪增壓中冷，分組高能點火系統，空燃比開環控制。催化器轉化效果更好一些，尤其是在排放比較嚴重的怠速點[6]。采用高壓縮比與加氫措施實現指示熱效率最大增幅6%[7]。M936G天然氣發動機用于搭載25%的CO2排放，節能降噪效果突出[8]。

3 結束語

壓縮天然氣是常規燃油的替代品之一，在汽車發動機系統中具有無法替代的作用。而在實際應用中，結合對壓縮天然氣汽車發動機性能，從其動力性能、排放性能、經濟性能和環保性能等的分析；應充分考慮其動力性能、功率損耗等相關問題，并從技術層面改變現有技術整體性能不佳狀態，為其在應用領域的延伸提供可行性借鑒。