恢复天然气(CNG)发动机动力性能的分析研究

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四川工业学院学报恢复天然气（cng）发动机动力性能的分析研究赵作志（四川工业学院汽车与交通工程系，成都610039）（cng）发动机功率的具体措施和优化内容。

收到日期：2⑴002-21我国是天然气资源十分丰富的国家，据有关资料介绍，我国现已探明的石油储量仅够开采22年而天然气可供开采100年以上。在内燃机上使用天然气作燃料，因天然气燃烧较为完善，与汽油发动机相比，nmhc（不含甲烷的未燃碳氢化合物）排放可下降70%左右，co排放下降20%以上，因燃烧温度低，nox排放下降40%~50%；h/c原子比高，它所产生的温室气体co2可望降低25%左右。并且适应了发动机燃料多样化的发展趋势，同时运行成本低，如不计充气站的投资，天然气的运行成本只为汽油的25~30%.所以天然气是一种经济的，低排放的汽油代用燃料。

然而不是简单地在发动机上改用天然气就能得到好的性能和低的排放，必须在对天然气的特性、燃烧特征进行研究的同时，还需对发动机的结构，点火系统以及燃气供给系统，常规调试参数进行优化，才能获得良好性能。目前这些内容在车用cng发动机上远未达到对汽油机和柴油机的研究水平，因此天然气发动机部分性能指标一直处于较低水平。特别是在常规发动机上采用加装气体燃料供给系统的方法，这种方法虽具有使用燃料灵活方便的特点，但使原机功率下降10~25%左右。如何在保持优点的前提下，通过对燃料性质、燃烧过程的分析来进行适当调整其影响参数，从而探讨提高cng发动机的性能是本文研究的目的。

1天然气的主要使用性质1.1天然气的成分及抗爆性天然气是一种复杂的hc混合物，其主要成分是甲烷（ch4），体积分数占80 ~95%（因产地而异）主要成分如表1所示。从表1中可知，天然气的ch4的体积分数占93.63%，而甲烷有很好的抗爆性能，它的研究法辛烷值（ron）可达到130，而抗爆性差的燃料乙烷（2）、丙烷（3）虽会降低天然气的抗爆能力，但含量较低，其影响不大。而常用的90汽油ron辛烷值只有92现有汽油机，因受爆燃限制，其压缩比较小，若改用天然气作燃料，远未发挥该种燃料的潜质。

表1天然气的主要成分分子式体积分数燃料中相对分子质量/mol质量分数总量1.2天然气燃料的使用特征天然气燃料特性如表2所列，其中，热质是燃料能量的量度，是单位质量的燃料完全燃烧放出的热量。

从表2中可知，天然气的燃烧热值比汽油的燃烧热值高10%，但天然气与空气形成混合气的热值比汽油与空气形成的混合气热值低8%.则因天燃气（chg）发动机吸入气缸的混合气热值下降而造成发动机功率损失，这便是cng汽车动力性下降的重要因素之-表2天然气燃料的特性燃料种类汽油（0）天然气甲烷h/c原子比分子量m理想混合气热低热值/m°kgd空燃比a/f着火温度（常压）/°c火焰传播速度“（m、1）2天然气混合气浓度和燃烧过程分析2.1混合气浓度对点燃式气体燃料发动机，当负荷变化时，只允许过量空气系数（a）在较小的范围内变化，0a过大将造成燃烧不稳定，0a过小，则会引起爆燃，对中小负荷，为保证经济性，0a值一般在1.~1.4对大负荷和加速工况，为使发动机发出最大功率0a=.9~1.1.但通过理论计算，1kg天然气完全燃烧需要（汽油为1489kg）空气。对于相同体积的理论混合气，则天然气理论混合气中的ch4含量少于汽油理论混合气中c8h18含量，即与汽油机相比，天然气机在相同化学当量比的情况下，气缸内总能量减少，对于相同排量的发动机，天然气的燃料质量比汽油的燃料质量少，则输出功率下降。若天然气成分变化，如co2含量增大，发动机的功率将进一步降低。

2.2天然气（cng）发动机燃烧过程分析2.21火焰发展期和主燃烧阶段天然气的着火温度高，火焰发展期长，据。因此与汽油机相比，天然气机的火焰发展期和主燃烧阶段明显变长，使天然气机初期燃烧偏上止点，致使气缸内温度，压力上升缓慢，从而影响燃烧峰值接近上止点，导致指示热效率降低。示出了点火提前角对天然气发动机火焰发展期和主燃烧阶段的影响，对于汽油机，当点火提前角较小时，因气缸内温度压力较高，用曲轴转角和时间表示的火焰发展角均变小，反之则增大，而天然气机随着点火提前角减小（以°a计）火焰发展期有少量变化，但主燃烧阶段随着点火提前角的减少而增长，因此，天然气机需加大点火提前角，以缩短总燃烧期，使燃烧峰值接近上止点。此外，混合气浓度，汽油一空气混合气在0a=.8~0.9时，火焰发展期最短，天然气一空气混合气在0a=1时，火焰发展期和主燃烧阶段的燃烧持续期最短，表明理论混合气的着火性最好，燃烧速度最快，这点与汽油机接近，如所由于天然气发动机初始燃烧阶段和主燃烧阶段总体比汽油机长，初始燃烧速度和主要燃烧期的燃烧速度均低于汽油机，结果使燃烧持续时间增长，造成部分燃烧在膨胀冲程燃烧，循环热效率下降，使有效功减小，造成天然气机功率下降。

3燃用天然气对发动机工作过程主要参数影响分析前面分析了天然气的燃料特性，混合气成分以及燃烧过程与汽油机的差异，从而导致发动机性能下降，所示ca6102n1型汽油机使用两种不同燃料的性能特性曲线表现出来的差异，其原因分析如下：由功率公式平均有效压力（mpa）vs一气缸工作容积（l）；发动机转速（r/min）；行程数，四行程t=4，二二行程t=2气缸数；又pe则由式和式得发动机的扭矩ttq与平均有效压力pme的关系式对于一定气缸总工作容积（vs）的发动机，平均有效压力值反映了发动机输出扭矩的大小。

率。

即分析发动机使用不同燃料产生输出扭矩（或功率）的差异，只需分析影响（3）的工作过程参数即可知晓。

3.1燃用天然气指示热效率n下降分析天然气发动机在燃烧过程中，火焰传播速度慢，燃烧持续时间长，部分燃料远离上止点燃烧，同时压缩比较低，膨胀不充分，以及天然气燃料特性，导致指示热效率下降。此外发动机转速较低时，缸内气流扰动减弱，使层流燃烧速度和湍流燃烧速度减慢，散热及漏气损失增加，使n下降。转速较高时，燃烧所占曲轴转角加大，也使n下降。

3.2燃用天然气充气效率n下降分析充气效率反映了发动机换气过程完善程度的指标，其表达如下：残余废气系数；-几何压缩比；-进气状态，进气管内的压力、温度；pa，ta进气终了气缸内的压力、温度。

高充气效率最有效的措施。

cng发动机、天然气一空气混合气的形成，主要是在气缸外部的混合器中进行，一般改装车其混合器串接于化油器上，空气流过混合器和化油器的喉管，流通截面减小，节流损失增大，进气阻力加大，进气终了压力下降，使进入气缸新鲜充量减少，n下降；同时泵损失增大，造成机械效率n下降；传统化油器式汽油机，进排气管布置在机体同侧，排气管加热新鲜充量，造成进气温升，使进气终了温度ta提高，造成天然气一空气混合气密度下降，使实际进入气缸新鲜充量减少。此外，汽油机燃油在进气过程中的蒸发和汽化吸收热量，从而降低进气管内空气的温度，使进气终了温度ta下降，从而提高其进气终了空气密度，而天然气作为气体燃料无此作用。并且，天然气是气体燃料，在其本身的混合气中占有相当的体积比，汽油为燃料，进入气缸的空气量等于混合气量，汽油占的体积非常小，而以天然气作燃料，进入气缸的空气量只占混合气量的90%即表明进入气缸的可燃混合气中，天然气所占体积比，不同点火能量和火花烷下降，即相当于输入发动机缸内总能量下降。由于天然气与汽油密度上的差异，进气过程中，气流流动惯性不一，所需配气相位也应不同。示出了cng发动机与汽油机充气效率差异的变化趋势。

4恢复cng发动机功率的措施4.1提高压缩比e压缩比是影响汽油机性能最重要的结构参数，因天然气研究法（on）辛烷值达130，因此可适当提高压缩比，使cng发动机功率得到部分恢复，表3示出ca6102n型汽油机燃用天然气采用不同压缩比时功率的变化情况。但是压缩比过高将受到爆燃的限制，而不同燃料和不同混合气浓度对爆燃的影响如所示，不同燃料的最大爆燃出现在0a=.85~0.95处，混合气过浓过稀爆燃均有减轻倾向。一般发动机宜在混合气稍稀（0a=1.05~1.15）条件下工作，不仅爆燃减轻，而且可获得较大功率和最低油耗。不同燃料其临界压缩比如表4所示，选用压缩比高于临界压缩比值，就难免出现爆燃。据试验资料介绍，燃用天然气的专用型发动机应采用的合理压缩比为12，允许压缩比可达15.表3ca6102型发动机燃用cng采用不同压缩比时的功率变化燃料能参数压缩比标定功率/kw标定损失功率70汽油90汽油表4不同燃料的临界压缩比值燃料名称临界压缩比甲烷ch4乙烷c2h，丙烷c3h8正丁烷c4hi0不同燃料的混合气对爆燃的影响4.2提高点火能量，并配以较大火花塞间隙，加大点火提前角天然气燃点高，火焰发展期长，火焰传播速度低，造成燃烧持续期增长，使燃烧的最高压力点偏离上止点而使功率油耗受到影响，而提高点火能量，增大火花塞间隙，加大点火提前角，对实现快速燃烧，缩短燃烧持续期非常有利，这使功率可以获得部分恢复。

4.2.1点火能量和火花塞间隙对火焰速度vt的影响点火能量和火花塞间隙对火焰速度、火焰生成和火焰初期发展阶段影响很大，而火焰速度是决定主燃烧阶段长短的主要因素，示出了常规点火与增大点火能量并采用不同火花塞间隙，火焰的发展情况，当点火能量增大，但不加大火花塞间隙，与常规点火相比，对火焰发展情况和火焰速度影响不大，如曲线1、2，其原因是：间隙不变，击穿火花塞间隙内混合气能量输入不变，仅靠辉光放电阶段输入能量的增加对于火核发展影响不大。当间隙值增大时，击穿阶段能量增大，火核迅速成长，并在较短时间内，火焰速度达最小值后便迅速增加，且火焰速度比常规点火大约高出一倍左右。如中的曲线3.采用高能点火，不增加火花塞间隙，与常规点火相比，火焰速度和火焰最小速度与火焰半径的关系曲线如中曲线1和曲线2所示：火焰速度和最小速度相应时刻都相差无几，只是最小火焰速度所对应的火焰半径y有增加，当增大点火能量的同时又增大火花塞间隙，则最小火焰速度所对应的火焰半径yf从2 1mm增大到3mm如曲线3这对实现天然气发动机快速燃烧非常有利。

4.3优化cng发动机结构参数和常规调试参数恢复cng发动机功率是一项复杂的技术，必须结合具体机型和工况综合考虑，从而列出优化项目优选最佳方案，才能达到事半功倍的效果。表5列出了cng发动机优化的主要项目内容。

5结束语天然气（cng）发动机功率下降的主要原因是由于发动机部分结构参数、运行因素等没随天然气的物化特性作适当改变而不能充分发挥天然气燃料物化特性所致。如果适当改变发动机结构参数，优化进气系统，点火系统，优化调试影响参数，则可使天然气发动机动力性下降幅度减小，甚至可与原汽油机功率相当。

表5改善cng发动机性能的途径优化项目名称优化内容进气系统点火系统1.调整进气系统结构参数；2供气系统与发动机的匹配（减压调节器和混合器优化调试）3.气门间隙和配气相位优化调试1.高能点火优化调试；2点火提前角，火花塞间隙、白金触点间隙调试；3.火花塞在燃烧室中的位置压缩比1.在不影响结构强度和产生爆震燃烧前提下选择较高压缩比；2燃烧室适宜速燃、稀燃增压技术选用不同增压方式，提高进气密度pk cng电控喷身寸技术1.优化燃料供给形式（采用缸内供气方式或缸外供气方式；2采用电控天然气混合器，电控气体喷射器3由开环控制到闭环优化控制

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