压缩天然气发动机的设计及性能研究*

晏 娟 曾 契 宋金燕 毛小群

（1-重庆三峡学院 重庆 4 0 4 0 0 0 2-泸州职业技术学院 3-重庆电子工程职业学院）

引言

石油资源的日益短缺和环境污染的日趋严重促进了内燃机领域内新型替代能源的研究和开发。天然气资源储藏丰富，成本低廉，是一种理想、清洁的替代能源。目前，天然气主要以压缩存储的方式（CNG）应用于汽油车上，通过加装一套天然气燃料供给系统，直接在汽油发动机上燃用，这种方法虽然简单实用，但无法发挥天然气作为发动机燃料的优点。因此，考察压缩天然气的理化特性，研究发挥压缩天然气燃料优势的燃用手段和技术方法，设计匹配压缩天然气燃料的发动机，将具有工程实用价值[1，2]。

基于上述原因，本文在分析压缩天然气燃料理化特性的基础上，提出在柴油机上进行压缩天然气发动机改装，然后对改装的压缩天然气发动机进行台架试验研究，研究压缩天然气发动机的动力性、负荷特性和万有特性，最后通过与柴油机原机主要性能指标的对比，评价压缩天然气发动机的综合性能，为天然气发动机的改装与设计提供技术参考和理论支撑。

1 压缩天然气发动机的改装和设计

1.1 压缩天然气的理化特性

天然气的基本理化特性不同于传统的化石能源，如汽油、柴油等。天然气的主要成分是甲烷，在燃烧时发出微蓝色的火焰，密度比空气小，天然气的理化特性如表1所示。CNG是天然气经高压压缩的产物。在标准状态下，压缩后的天然气体积大约为压缩前的1/600，它是一种无色无味的气体，其密度为1.5 kg/m3，燃点为450℃，爆炸极限范围大致在5%～15%左右，被公认为一种十分清洁的新型能源。

表1 天然气的主要理化特性指标

从表1对比可以看出，天然气的化学计量空燃比、研究法辛烷值、低热值、着火温度比传统的汽油和柴油都要高，而混合气热值略低，火焰传播速度也比汽油慢，着火极限也不同于其他两种燃料。因此，改装天然气发动机时，为了提升CNG发动机各方面性能，必须要对比天然气特性的不同，探索和寻找适合的改装设计方法。

1.2 压缩天然气发动机改装设计原则

在确定CNG发动机改装的原型机时，必须考虑发动机的压缩比、燃烧方式、比功率及升功率等问题。改装发动机时主要考虑的要素如下：

1）压缩比

天然气发动机将采用比汽油发动机更大的压缩比，原因是为了发挥天然气抗爆性强的优势。发动机的压缩比越高，热效率越高，其经济性自然会更好。

天然气发动机的压缩比范围一般在10.5～12之间。因为各燃料的理化特性不同，采用的燃烧方式及压缩比也不同，传统的汽油机和柴油机分别采用均质燃烧和稀薄燃烧，压缩比分别为8～11、16～22左右。汽油机燃烧室结构紧凑，不易提高压缩比，而在柴油机上可以方便地通过改变活塞顶面结构来降低压缩比，以满足天然气发动机的压缩比要求[3，4]。

2）燃烧方式

传统汽油机在大部分工况下是化学计量空燃比均质燃烧方式，而柴油机则采取预混燃烧和扩散燃烧的方式，是空燃比较大的稀燃模式，因此汽油机的升功率和比功率都高于柴油机。

天然气与汽油的供给形态不同，如果在汽油机上采用均质燃烧，把燃料从汽油改成天然气，此时，发动机的动力性必将大幅下降。这是由于天然气的混合气热值低于汽油，气体状态供给天然气燃料会严重影响发动机的充气效率。此外，汽油机的转速很高，燃烧时间相对较短，天然气相对较慢的火焰传播速度会导致热效率的下降，经济性变差[5，6]。

基于上述原因，同时考虑到天然气燃料是以气态方式供给，提出在转速相对较低、进气量相对较多的柴油机上采用化学计量空燃比均质燃烧方式，进行天然气燃料的使用，以期提升柴油机原机的动力性、升功率和比功率。

3）着火方式

天然气的着火温度比汽油和柴油都要高，为537℃左右，这是因为天然气的辛烷值较高（120），十六烷值却十分小（小于10）。因此，天然气发动机上不能使用压燃方式，应采取点燃的着火方式，为了保证天然气能够顺利燃烧并不产生爆震，需要增加高能点火器[7，8]。

综合上述分析可以认为，为了发挥天然气燃料的优势，改装天然气发动机原型机不能选择汽油机，而应选择柴油机比较适宜，为了获得更好的发动机性能，本文对一款柴油机的燃料供给系统、进气系统、喷射系统、点火系统、后处理系统、燃烧系统进行改装设计，具体型号和参数如表2所示。

表2 柴油机原型机型号和主要参数

1.3 压缩天然气发动机的改装设计

为了完成天然气发动机的改装设计，在柴油机原机的基础上，为天然气发动机设计供给系统、进气系统、点火系统、燃烧系统以及后处理系统，改装完成的压缩天然气发动机示意图如图1所示。

2 压缩天然气发动机台架试验结果

图1 CNG发动机基本原理示意图

分别在天然气发动机上进行了速度特性（外特性）、负荷特性和万有特性试验研究，获取了天然气燃料对发动机性能影响的变化规律。

2.1 压缩天然气发动机外特性试验

本文进行了天然气发动机节气门全开时的速度特性（即为外特性）试验研究，以得到天然气发动机的最大转矩和最大功率。试验结果如图2所示。

由图2可知，发动机燃用天然气时的最大转矩是255.5 N·m，此时发动机的转速是1800 r/min，其额定功率、额定转速分别为75.3 kW和3600 r/min。同时天然气发动机的转矩随着转速变化呈现出先变大后变小的规律，且经济性最好时是中等转速，此时有效燃油消耗率有最小值。

2.2 压缩天然气发动机负荷特性试验

本文分别进行了发动机在1800 r/min和3600 r/min的负荷特性试验研究，以获取有效燃气消耗率随负荷的变化规律。天然气发动机负荷最大转矩转速和标定功率转速的负荷特性试验结果如图3所示。

从图3天然气发动机的负荷特性可以看出，随着转矩的增加，有效燃气消耗率持续下降，低负荷时下降幅度较大，高负荷时下降幅度较小。

2.3 压缩天然气发动机万有特性试验

图2 天然气发动机的外特性

图3 压缩天然气发动机的负荷特性

图4 天然气发动机的万有特性

根据发动机万有特性的试验方法，试验研究了天然气发动机的万有特性，试验结果如图4所示。从压缩天然气发动机万有特性曲线上，能够直接读出发动机的绝对最低有效燃气消耗率为，194 g/（kW·h）。

3 压缩天然气发动机性能综合评价

在对天然气发动机的性能进行试验研究后，可以将其动力性（标定功率和最大转矩）和经济性与改装前的原柴油机进行对比，以评价改装后CNG发动机的综合性能。

3.1 发动机基本性能指标对比

基本性能指标对比包括标定功率、最大转矩和最低有效燃油消耗率（对天然气为有效气耗率），对比结果如表3所示。

表3 天然气发动机和柴油机基本性能指标对比

为了便于比较天然气发动机的最小能源消耗率和柴油机的最低有效燃油消耗率，应用公式（1）将天然气发动机的有效燃气消耗率转换成柴油有效燃油消耗率。

式中：bequivalence，methane为天然气发动机等效柴油有效燃油消耗率，单位为g/（kW·h），Hmethane和Hdiesel分别为甲烷和柴油的低热值，单位为MJ/kg。

从表3可以看出，天然气发动机的标定功率相比于原柴油机增加了10.3 kW，最大转矩也有一定程度的增加，但等热值最低有效燃油消耗率也有所上升。

分析认为，标定功率、转矩和等热值有效燃油消耗率变化的主要原因是天然气发动机和柴油机的燃烧方式不同。天然气发动机以化学计量空燃比的混合气燃烧，并采用λ等于1闭环控制策略，而柴油机是过量空气系数大于1的稀薄燃烧。在两台发动机进气量相同的情况下，天然气为燃料的发动机燃料供给量更多，因此标定功率增大，最大转矩增加；但是柴油机的压缩比高于天然气发动机，且稀薄燃烧的热效率较高[9]，经济性更好，所以柴油机等热值最低有效燃油消耗率较天然气发动机低。

3.2 升功率和比功率对比

1）升功率

升功率PL（kW/L）的定义是在额定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。可用公式（2）表示。

式中：Pe为发动机的标定功率，单位为kW，i为气缸数，Vs为气缸工作容积，单位为L。

天然气发动机和柴油机的排量均为2.8 L，根据公式（2）得出天然气发动机和柴油机的升功率分别为26.9 kW/L和21.7 kW/L，这表明天然气发动机的强化程度更高，发出相同功率的发动机尺寸更小，具有比柴油机更强的动力性。

2）比功率

比功率PG（kW/kg）的定义是发动机标定功率与发动机重量的比值。可用公式（3）表示。

式中：PG为发动机的标定功率，单位为kW，G为发动机的质量，单位为kg。

天然气发动机和柴油机的质量可以认为相同，约为235 kg。根据公式（3）得出天然气发动机和柴油机的比功率分别为0.32 kW/kg和0.28 kW/kg，这表明天然气发动机的比功率较高，在整车上应用时能够相对降低整车的油耗。

4 结论

1）压缩天然气发动机燃料供给系统、进排气系统、点火系统、燃烧系统和后处理系统的改装与设计表明，所改进的发动机能够满足燃用压缩天然气的使用要求。

2）外特性试验结果表明，天然气发动机的最大转矩为255.5 N·m，最低有效燃气消耗率为194 g/（kW·h），都出现在发动机的1800 r/min转速；负荷特性试验中的有效燃气消耗率，随着负荷的增加逐渐下降。

3）天然气发动机和柴油机原机型的最大转矩分别为255.5 N·m和210 N·m，标定功率分别为75.3 kW和65 kW，这表明动力性增强；而且升功率分别为26.9 kW/L和21.7 kW/L，比功率分别为0.32 kW/kg和0.28 kW/kg，说明发动机强化程度加强。

1 吴聿东.CNG发动机燃气供给系统仿真及喷射控制研究[D].成都：西华大学，2013

2 周怡沛，周志斌.中国CNG汽车市场发展现状、趋势与策略[J].国际石油经济，2009，17（10）：44～48

3 张晓东，刘兴华，张幽彤.柴油机改为火花点火式天然气发动机技术研究[J].内燃机，2002（6）：6～9

4 郑建军，黄佐华，王金华，等.直喷式天然气发动机不同压缩比下燃烧循环变动规律 [J].内燃机学报，2011，29（2）：97～104

5 Jiao Yunjing，Dong Hong，Zhang Huiming，et al.Effect of combustion chamber geometry on combustion process in spark ignition natural gas engine[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（4）：28～33

6 Zheng Zunqing，Yao Mingfa，Lin Zhiqiang，et al.Development of combustion system of an electric controlled lean burn CNG engine for meeting China stageⅣ emission regulations[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2009，30（5）：7～11

7 余本雄，汪洋，朱涛，等.超高能点火装置的开发及其在稀薄混合气点火中的应用 [J].汽车工程，2004，26（1）：27～30，106

8 宋君花，冒晓建，王都，等.压缩天然气发动机点火驱动的设计与研究[J].内燃机工程，2010，31（3）：34～38

9 廉乐明.工程热力学[M].北京：中国建筑工业出版社，1999