压缩天然气汽车发动机性能分析

压缩天然气汽车发动机性能分析

王浩桓秉源

长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心河北保定071000

摘要：随着我国汽车工业的发展，汽车保有量不断增加，能源紧张和环境污染的问题越来越突出。相关汽车生产厂家不得不寻求更加经济、环保的替代燃料。近年来，我国许多城市，相继推广和使用了压缩天然气城市公交车和出租车。压缩天然气汽车仅需在传统汽车动力供给系统上稍加改装就可正常使用，并且燃料资源丰富，价格低廉，排放废气中CO2含量比汽油少25%左右。所以采用了压缩天然气汽车无论从经济效益还是社会效益都取得了良好的效果。本文对压缩天然气汽车发动机的性能和其中存在的问题做了详细的分析，为天然气汽车的发展提供了理论依据。

关键词：天然气；发动机；性能

一、天然气汽车发动机系统

目前，天然气汽车按燃料供给方式的不同可分为3类：单燃料天然气汽车、两用燃料燃气汽车和双燃料汽车。

（一）单燃料发动机系统

单燃料发动机系统是指使用天然气作为单一燃料的发动机，它是按照天然气特性设计的发动机，去除原有的油箱和燃油滤清器，对发动机进气系统进行调整，整车性能大为提高。但由于压缩天然气供气网络不健全和压缩天然气汽车行驶续航里程小的缘故，使用量较少，成本较高。

（二）两用燃料发动机系统

在汽油车的基础上增加压缩天然气系统而成的既能使用汽油又能使用压缩天然气的两用燃料发动机。可在两种燃料间切换使用，但不可同时使用。由于其改装方便，费用低廉，目前广泛使用。由于发动机机械结构并未发生实质变化，故整车性能下降较多。CNG供给系统流程具体工作过程：气瓶阀开启，高压气体从气瓶内流出，经过高压管路到达减压器，减压器高压截止阀开启，高压气体经过减压器减压和稳压，变成低压气体，通过低压气管进入高频电磁阀组（燃气共轨），在高频电磁阀组的下，通过分配器官和喷嘴接头进入到发动机进气歧管参与燃烧。

（三）双燃料发动机系统

在柴油车上增加CNG系统，能够单独使用柴油，同时又能使用CNG—柴油混合燃料的双燃料车。它是以压燃少量喷入缸内的柴油作为“引燃燃料”，天然气作为主要燃料，通过混合气同空气混合进入气缸，形成比较均匀的混合器。但控制较为复杂，天然气的替代率低、成本相对较高。

二、压缩天然气汽车发动机性能分析

天然气（CNG）是一种高效、洁净、廉价的工业和民用燃料。其主要成分是甲烷，分子式为CH4，具有抗爆震性能高、混合气发火界限宽、燃料燃烧完全、排放较好的特点。

（一）动力性

发动机的输出功率和扭矩决定了发动机的动力性，而混合气热值又决定了发动机的输出功率和扭矩，由于天然气混合气热值为3394kjm-3，仅为汽油机的88.4%，所以二者都在相同混合气浓度下工作，天然气发动机动力性下降11.6%。同时，发动机的充气系数也是衡量发动机输出功率的重要指标之一。采用气态CH4作为燃用燃料，当采用缸外预混合方式时，就会占据部分进入气缸的空气量，充气系数比使用液体燃料大约低10%左右，发动机功率有所下降。由于天然气辛烷值较汽油机大幅度增加，所以发动机很少有爆震现象，发动机水温、机油压力保持原有状态，工作平稳，故天然气发动机动力性下降不会影响汽车正常行驶。

（二）排放性

天然气混合均匀性要好于采用液态燃料的汽油发动机，因此燃烧更加完全，排放的微粒物少。CO作为CH4燃烧的中间产物，受发动机空燃比影响较大。当实际空燃比低于理论空燃比时，随空燃比的下降，CO浓度激剧增加；反之，随空燃比上升，CO浓度降低。天然气燃烧时，火焰温度及传播速度均小于汽油，辛烷值却远大于汽油，所以适当增大点火提前角，延长天然气燃烧时间，使得燃烧更加完全，CO的排放含量也会降低。从THC的生成机理考虑，CNG燃烧时造成THC排放的激冷作用、积碳吸附等较汽油有所减少，因此CNG燃料在同等条件下可以较好地减少THC排放物的生成。由于在燃烧时缸壁的激冷作用，使得紧靠缸壁的气体火焰传播不到，这样混合气中CH4就随废气一同排出。但总体来讲，天然气混合均匀，燃烧完全，同时点火提前角的增加，延长了高温燃烧时间，CH4能够更加充分燃烧，THC排放量进一步降低。NO含量的多少由燃烧温度直接所决定。由于天然气燃烧温度及混合器热值比汽油低，所以NO含量不会太高。但由于增大点火提前角和提高空燃比后，高温燃烧时间变长以及O2含量的增多，这使得NO含量增加，故NO排放含量有加剧可能性。试验表明，CO、THC含量较之汽油机排放显著下降，但NOX有所上升。所以必须采用高精度电子控制技术优化燃烧技术，匹配天然气专用三效催化器，方可有效改善天然气发动机排放性能。

（三）经济性

天然气发动机经济性主要由燃料本身的价格和将其应用于汽车时所需设备的附加成本所决定。从生产成本上看，天然气最经济。例如目前，某地区93#汽油价格为7.2元/L，，而压缩天然气价格为3.6元/m3，假定一辆汽车年平均行驶35000km，按市区行驶工况8.5L/100km燃油消耗量和8L/100km燃气消耗量计算，每年最低需耗汽油约2975L，合人民币21420元，如改造成压缩天然气汽车，年共需耗压缩天然气约2800m3，合人民币10080元，可节约资金11340元，由此可见压缩天然气汽车经济效益十分显著。再者天然气发动机燃烧时混合气混合均匀、燃烧完全、抗暴性能好，发动机积碳较少，可有效降低维护与修理次数，车辆后期维护费用大幅降低。同时，随着我国汽车工业的不断发展壮大，装载天然气发动机的汽车价格与其汽油发动机的价格不相上下。所以总体而言，采用天然气发动机的经济性要显著好于汽油发动机。

三、常见故障现象分析

常见故障类型：燃料消耗量高、动力不足、怠速不稳易熄火等。

（一）故障原因：（1）进气系统有漏气处；（2）燃油压力太低；（3）空气滤清器堵塞；（4）喷油器雾化不良、漏油或堵塞；（5）怠速调整不当；（6）怠速控制阀或旁通空气阀工作不良；（7）对于直动节气门式怠速装置，节气门轴支承处或节气门周围过脏发卡；（8）火花塞工作不良；（9）空气流量计有故障；（10）气缸压缩压力过低、不均。

（二）故障诊断与排除：（1）先进行故障自诊断，检查有无故障代码出现。如有，则按所显示的故障代码内容查找故障部位。对于直动节气门式怠速装置，必要时用解码器重新进行怠速设定。（2）检查进气系统各管路接头、各真空软管、废气再循环系统和燃油蒸气回收系统是否漏气。（3）检查怠速控制阀的工作是否正常。拔下怠速控制阀接线插头，如果发动机转速无变化，说明怠速控制阀或控制电路有故障，应检修电路、清洗插头、清洗或更换怠速控制阀。（4）怠速时逐个短路各缸高压线，检查发动机转速的下降值是否相等。如果某缸在短路高压线时，发动机转速基本不变，说明该缸工作不良或不工作，应检查该缸火花塞或喷油器是否有故障，喷油器控制电路是否正常，该缸压力是否过低。（5）仔细听各缸喷油器在怠速时工作的声音（用螺丝刀抵住喷油器外壳查听）。如果各缸喷油器工作声音有差异，说明各缸喷油量不相等，应清洗、拆检或更换喷油器。

结语：压缩天然气作为一种常规燃油的替代品之一，有着其他燃料发动机无法取代的优势，具有重要的环境保护作用和良好的社会经济效益。但其动力性下降，功率损失较严重的问题仍然存在，如何利用好现有的高精度发动机电控技术，是提高压缩天然气汽车发动机整体性能的关键。

参考文献：

[1]孙济美.天然气和液化石油气汽车.北京：北京理工大学出版社，2010（03）.

[2]压缩天然气（CNG）汽车及其发动机系统的研究[J].内燃机，2012（12）.