壓縮天然氣對內燃機性能的影響

樊俊梅　楊振中　運紅麗

摘 要：文章分別從動力性、經濟性和排放性三方面討論車用替代燃料中的壓縮天然氣對內燃機性能的影響，主要論述了CNG/汽油bi-fuel發動機對比汽油機性能的變化及造成這一現象的原因，概述了純天然氣發動機和CNG/柴油dual-fuel發動機的性能。關鍵詞：壓縮天然氣;動力性;經濟性;排放性中圖分類號：TK41? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-34-03

Abstract： This article mainly discusses the influence of compressed natural gas in alternative fuels for vehicles on the performance of internal combustion engines， respectively from three aspects of power， fuel economy and emission. It mainly discusses the change in the performance of CNG/gasoline bi-fuel engine compared with gasoline engine and the reasons for this phenomenon， and summarizes performance of pure natural gas engine and CNG/ diesel dual-fuel engine.Keywords： CNG; Power performance; Economy; EmissionCLC NO.： TK41? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-34-03

前言

汽車保有量的增長帶來能源與環境問題。據《BP》67版報告，2017年全球一次能源消費增長，主要由CNG和可再生能源引領。能源需求和環境問題促使人們探索高效、環保的替代燃料。

本文主要討論CNG對內燃機性能的影響，分別從動力性、經濟性和排放性三方面進行論述。

1 壓縮天然氣對發動機性能的影響

1.1 動力性

在表1中，對采用bi-fuel（多種燃料不混合）燃燒系統的發動機為實驗裝置所得的結論進行了對比。從表1可以明顯看出，對于采用bi-fuel燃燒系統的同一改裝發動機，使用CNG燃料獲得的動力小于使用汽油所得動力，即CNG發動機的有效功率損失。造成這一現象的主要原因是^[1]-[4]：

（1）CNG燃料火焰傳播速度慢。由于甲烷是天然氣的主要成分，甲烷的火焰速度最慢，低于汽油和柴油等常規燃料。較低的火焰傳播速度造成較長的點火延遲和較長總燃燒時間。因此，與汽油相比，CNG發動機需要更大的點火提前角，在上止點之前活塞向上所做的負功更多。這都增加了熱量傳遞造成的能量損失，從而使發動機功率輸出減少。解決天然氣火焰傳播速度慢的問題的一個有效方法是將CNG與燃燒速度快的燃料混合使用。氫氣是CNG的最佳添加劑^[1]。

（2）CNG發動機的容積效率損失。CNG在氣相中的密度低于空氣，CNG占據更多的空間，相對進入汽缸的空氣較少;汽油并沒有減少吸入氣缸的空氣量。這促使汽油的容積效率高于CNG，汽油的有效效率高。因此，將為汽油燃料設計的發動機轉換為CNG運行將產生低峰值功率。提高CNG發動機容積效率的途徑有：增加每缸進氣閥數、增加氣門正時和升程優化、使用增壓CNG發動機和設計一種改進的進氣歧管，但這些都會影響成本和可靠性。

純天然氣發動機的動力性顯著高于簡單改裝的采用bi-fuel燃燒系統發動機。

CNG/柴油Dual-fuel（兩種燃料混合）發動機的大部分動力輸出是由氣體燃料提供的，而在壓縮行程結束時注入的液體柴油的先導量僅用作氣體燃料-空氣混合物的點火源。與常規柴油運行時觀測值的相比，CNG/柴油dual-fuel發動機在低負荷下觀察到的氣態燃料利用不良，導致發動機性能下降和高濃度的一氧化碳排放^[5]。

1.2 經濟性

有效燃油消耗率（BSFC）是比較不同燃料的內燃機性能的重要特征。各種研究證實，使用CNG燃料的有效燃油消耗率比汽油在整個速度范圍內低12%至20%^[1]。這可歸因于以下兩個因素^[1]-[4]：CNG的低熱值高于汽油，即相同的功率輸出需要較少的CNG燃料質量;CNG與汽油相比，可達稀燃極限更廣和燃燒速度更緩慢。

由于有效燃油消耗率低，CNG熱值高，天然氣發動機的有效熱效率比汽油機高5-12%^[1]。改裝后的CNG發動機與汽油發動機熱效率的差異主要取決于CNG的熱值和工況^[2]。

純天然氣發動機的經濟性顯著高于簡單改裝的采用bi-fuel燃燒系統發動機。

CNG/柴油dual-fuel發動機在低負荷和部分負荷下比柴油具有更低的熱效率和更高的燃油消耗率，在中、高負荷下具有更高的熱效率和更低的燃油消耗率。在高負荷下只有加入較多的CNG才能提高熱效率，這是由于燃燒持續時間縮短和燃燒階段向最佳燃燒階段轉變，在低負荷下觀察到的熱效率下降是由于添加的氣體燃料燃燒效率低^[5]。

1.3 排放性

Bi-fuel發動機燃用CNG的排放與燃用汽油的排放對比如表1所示，下面對CO、CO₂、HC減小和NO_x增多的主要原因進行論述。

CO由燃料不完全燃燒形成的。天然氣發動機除了具有最高的氫碳比以外，還具有兩個額外的重要特點：與汽油相比，低熱值較高;與其他燃料相比，火焰傳播速度較低。這兩個因素降低了燃燒室內的最高溫度，從而減少了CO₂的解離。在較高的燃燒溫度下，在燃燒過程中CO轉化為CO₂。由于CNG具有優良的稀燃極限，有利于減少排放中的一氧化碳和氮氧化物的產生。

CO₂排放量很大程度上取決于燃料的H/C。H/C越高，CO和CO₂的含量就越低。CNG的H/C比汽油和柴油高，這導致CNG的CO₂低于汽油或柴油。

HC的排放CNG低于汽油，主要原因：汽油的分子量遠高于CNG。作為輕質燃料，CNG可以形成更好的均勻混合燃料;液體燃料需要時間才能完全霧化和蒸發，才能產生均勻的混合物^[8];燃料化學成分，汽油含有更多的亞種和更復雜的結構^[4]。

NO_x的形成主要是由于空氣中氮氣在燃燒室內的氧化，CNG的稀薄混合氣和較高的燃燒溫度（與汽油相比）是CNG排放NO_x的主要原因。

Xiaoyan Huang^[6]等研究了bi-fuel汽車燃用CNG-汽油的CO，HC和NO_x， 研究表明CO排放與車速密切相關;HC排放與速度的相關性是相對周期性的，在加速度和恒速下運行的HC排放差別很小，而燃用汽油時排放的HC比CNG高2.39-12.59倍;工況對NO_x排放的影響不明顯，且隨行駛工況的變化而變化，雖然CNG車輛排放的氮氧化物比汽油車輛多，但系數范圍為1-1.2，非常小。

對于采用bi-fuel燃燒系統發動機，純天然氣發動機的排放性可達更高標準。甲烷排放是純天然氣發動機的一個挑戰。

CNG/柴油發動機比柴油機排放的NO_x和PM更少，HC和CO排放更多。NO_x排放的減少主要歸因于：先導柴油的用量很小;柴油點燃的CNG的預混低溫燃燒產生的NO_x很少^[5]。由于狹隙效應，CNG/空氣混合物容易產生更多HC排放。

CNG大大減少了PM的排放，因為其不含芳香族和多環芳烴化合物，其溶解硫化合物也比石油燃料少。由于甲烷沒有碳-碳分子鍵，CNG的燃燒導致苯排放的可能性明顯降低，這意味著致癌的多環芳烴（多環芳烴）和煙塵的形成減少。K.N ^[7]等研究了壓燃機柴油-CNG雙燃料燃燒煙塵的表征，研究結果表明，隨著CNG的增加，碳煙氧化活性顯著提高。CNG煙塵的起始溫度和50%碳轉化的溫度均較低。D.R ^[8]等對CNG/汽油SI發動機性能分析，結果表明將汽油-CNG混合物與CNG進行比較時，35%汽油和65%CNG混合表現出最佳的排放性能。

2 結論

本文主要討論壓縮天然氣對內燃機性能的影響，分別從動力性、經濟性和排放性三方面進行論述。本文得出的主要結論如下：bi-fuel CNG/汽油機動力性下降，經濟性得到改善，在排放性方面，HC、CO減小，NO_x增多;天然氣發動機和CNG/柴油發動機的性能。

參考文獻

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