LNG在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用分析

張 明

(河北建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河北石家莊 050011)

LNG在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用分析

張 明

(河北建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河北石家莊 050011)

隨著中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和低溫制冷和絕熱技術(shù)的快速發(fā)展，LNG(液化天然氣)的使用越來(lái)越廣泛，作為內(nèi)燃機(jī)新能源是LNG應(yīng)用的一個(gè)重要方面。作為清潔能源，LNG擁有占用體積小、能量?jī)?chǔ)存密度大、燃燒性能好、熱值高等諸多優(yōu)點(diǎn)。從LNG的資源情況、物性特征、燃燒特征和安全性等方面介紹了LNG作為內(nèi)燃機(jī)新能源的優(yōu)勢(shì)，從技術(shù)角度分析了LNG內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)、技術(shù)問(wèn)題及展望，分析了應(yīng)用LNG內(nèi)燃機(jī)對(duì)環(huán)境和節(jié)能方面的貢獻(xiàn)。

LNG內(nèi)燃機(jī)；資源優(yōu)勢(shì)；技術(shù)特點(diǎn)；技術(shù)展望；節(jié)能；環(huán)保

煤炭、石油、天然氣是支撐人類(lèi)發(fā)展的三大能源。煤炭一直占據(jù)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位，而被稱(chēng)為“最佳能源形勢(shì)”的石油也因?yàn)槿藗兓顒?dòng)范圍的增大而使用廣泛，僅汽車(chē)就消耗了85%以上的石油資源。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的不斷升溫和石油能源的過(guò)度消耗已經(jīng)成為不可調(diào)和的矛盾。對(duì)比煤炭和石油，中國(guó)國(guó)內(nèi)的天然氣應(yīng)用水平一直較低，僅占到能源消費(fèi)總量的4%，遠(yuǎn)低于世界平均值24.2%[1]。天然氣資源相對(duì)于其他資源具有儲(chǔ)藏量豐富、污染低、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市民用及商用、一般工業(yè)、發(fā)電燃料、化工燃料等領(lǐng)域，而天然氣內(nèi)燃機(jī)的廣泛使用能有效緩解石油能源的壓力。

以天然氣為主要能源動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)研究已經(jīng)成為世界內(nèi)燃機(jī)研究的一個(gè)重點(diǎn)，并取得了一定的成果。天然氣內(nèi)燃機(jī)大體可分為常壓天然氣(NG)發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)、液化天然氣(LNG)發(fā)動(dòng)機(jī)、吸附天然氣(ANG)發(fā)動(dòng)機(jī)和加氫壓縮天然氣(HCNG)發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。目前具有很大應(yīng)用前景的是CNG發(fā)動(dòng)機(jī)和LNG發(fā)動(dòng)機(jī)。CNG發(fā)動(dòng)機(jī)雖然技術(shù)更加成熟，但還是因氣瓶質(zhì)量過(guò)大、儲(chǔ)氣能力有限、高壓存在安全隱患等問(wèn)題制約其廣泛推廣。大力發(fā)展LNG發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)成為天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)新方向。本研究主要從LNG能源優(yōu)勢(shì)、LNG內(nèi)燃機(jī)技術(shù)特點(diǎn)和LNG內(nèi)燃機(jī)降低能源消耗和減少環(huán)境污染等方面，對(duì)LNG在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行分析和展望。

1 LNG作為內(nèi)燃機(jī)新能源的優(yōu)勢(shì)

雖然LNG作為內(nèi)燃機(jī)新燃料也存在著一些技術(shù)問(wèn)題，但是其發(fā)展優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的。近年來(lái)，以LNG為燃料的汽車(chē)已經(jīng)成為繼CNG汽車(chē)、ANG汽車(chē)后的第3代天然氣汽車(chē)。LNG作為內(nèi)燃機(jī)新能源，主要是由其資源特點(diǎn)、物性特征、燃燒特性以及安全性能決定的。

1.1LNG資源特點(diǎn)

天然氣資源儲(chǔ)量十分豐富，1999年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[3]，全球可開(kāi)采天然氣儲(chǔ)量約為145萬(wàn)億m3，相當(dāng)于1 366億t當(dāng)量石油，其儲(chǔ)量與可開(kāi)采石油量接近。與石油相比，天然氣的使用還處于一個(gè)開(kāi)始階段。中國(guó)天然氣資源比較豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的天然氣儲(chǔ)量約為47萬(wàn)億m3，可開(kāi)采100年以上，而現(xiàn)實(shí)技術(shù)可采集量?jī)H為總量的20%。隨著勘探開(kāi)采技術(shù)的提高，天然氣的應(yīng)用前景會(huì)進(jìn)一步被挖掘。

目前，作為老氣區(qū)的四川盆地，產(chǎn)氣量占中國(guó)的1/3，此外還有塔里木盆地氣區(qū)、柴達(dá)木盆地氣區(qū)、鄂爾多斯盆地氣區(qū)、海上氣田東海平湖氣區(qū)和瓊東南盆地氣區(qū)，這6個(gè)氣區(qū)供應(yīng)了中國(guó)80%以上的用氣量。中國(guó)東部沿海地區(qū)還建立了大量的LNG接收站進(jìn)口國(guó)外的LNG資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年世界范圍內(nèi)的LNG交易量為2.12億t，其中的947萬(wàn)t進(jìn)入中國(guó)，比例達(dá)到4.4%。中國(guó)石油資源與天然氣資源相比十分短缺，因此大力開(kāi)發(fā)天然氣內(nèi)燃機(jī)不僅對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)能源多元化結(jié)構(gòu)具有重要意義，還能為中國(guó)的能源安全提供保障[4]。

1.2LNG物性特征

LNG是天然氣的液態(tài)形式，主要成分是甲烷，是天然氣經(jīng)過(guò)脫烴、脫硫、脫水、清除二氧化碳后又經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮制冷液化得到的。因此，LNG具有無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕的特點(diǎn)，基本物性見(jiàn)表1[5]。

表1 燃料物性特征

1.2.1 LNG和汽油在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用的物性對(duì)比

對(duì)比分析不同燃料的物性可以看出，汽油因密度高于LNG而更容易儲(chǔ)存，LNG需要將天然氣的溫度降至-162 ℃，這個(gè)過(guò)程要求的技術(shù)含量高、能源消耗大。此外，雖然LNG的熱值高于汽油，但是混合氣的熱值要低于汽油，因此，和汽油內(nèi)燃機(jī)相比，天然氣內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能會(huì)有所下降。

但是天然氣作為內(nèi)燃機(jī)能源也有其優(yōu)勢(shì)。首先，天然氣的辛烷值明顯高于汽油，因此天然氣應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)的抗爆性能更好，一般的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)根本不需要添加任何的抗爆劑；其次，由于抗爆性的提高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用更高的壓縮比來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，這在一定程度上彌補(bǔ)了天然氣內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力損失。

1.2.2 LNG和CNG在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用的物性對(duì)比

LNG和CNG是天然氣的不同狀態(tài)，其應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)中的優(yōu)點(diǎn)基本相同。但是在儲(chǔ)存形式上，LNG采用低溫微正壓儲(chǔ)存，而CNG采用高壓儲(chǔ)存，因此CNG的儲(chǔ)瓶必須使用質(zhì)量更大的高壓儲(chǔ)瓶，儲(chǔ)瓶的質(zhì)量甚至是罐內(nèi)天然氣質(zhì)量的10倍，而LNG的儲(chǔ)液瓶?jī)H需雙層的絕熱瓶即可。所以，使用過(guò)程中的CNG比LNG儲(chǔ)存質(zhì)量少，有效載重大，高壓充裝時(shí)間長(zhǎng)。

LNG的能量?jī)?chǔ)存密度比CNG高出3倍多，達(dá)到24.90 MJ/L，可以說(shuō)，即使儲(chǔ)量相同，LNG的燃料產(chǎn)生的續(xù)航能力也是CNG的3倍以上。此外，隨著絕熱技術(shù)的完善，LNG在儲(chǔ)存方法上已經(jīng)不存在明顯的瓶頸，因此LNG已經(jīng)逐漸成為新一代天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料形式。

1.3LNG燃燒特性

不同于汽油，天然氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)是氣態(tài)形式，可以與空氣更加均勻混合且燃燒更完全，所以CO和HC等不完全燃燒產(chǎn)物的排放量大幅度降低。LNG在液化過(guò)程中經(jīng)過(guò)了純化處理，脫去了大多數(shù)雜質(zhì)，因此氣缸與燃燒室內(nèi)不會(huì)發(fā)生積炭、腐蝕等現(xiàn)象，LNG內(nèi)燃機(jī)不需要經(jīng)常注入機(jī)油和更換火花塞卻能運(yùn)行地更加平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命也更長(zhǎng)。

1.4LNG安全性能

由表1可見(jiàn)，LNG的爆炸下限為5%，遠(yuǎn)高于汽油的1%和柴油的0.5%，LNG的著火點(diǎn)和點(diǎn)火能也都高于汽油和柴油。此外，由于LNG是低溫-162 ℃的液體，一旦發(fā)生泄漏，LNG氣化吸收熱量使空氣溫度很難達(dá)到著火點(diǎn)，發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸的可能性很低。LNG主要成分是甲烷，其密度小于空氣密度，發(fā)生泄漏后會(huì)逐漸揮發(fā)擴(kuò)散，不會(huì)像汽油泄漏后聚集在一起，保障了安全[6]。

CNG采用高壓儲(chǔ)存，儲(chǔ)存壓力一般大于20 MPa，遠(yuǎn)高于LNG的微正壓儲(chǔ)存(0.1～1.1 MPa)，因此LNG應(yīng)用時(shí)的防撞擊和防爆炸能力都明顯優(yōu)于CNG。此外，LNG處理過(guò)程中經(jīng)過(guò)脫雜質(zhì)的處理，消除了氣瓶材料的氫脆問(wèn)題，進(jìn)一步提高了氣瓶的可靠性。

2 LNG作為內(nèi)燃機(jī)新能源的技術(shù)分析

美國(guó)在LNG車(chē)用研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位，擁有諸如MVE公司、Snyder公司、Chart公司等一系列先進(jìn)技術(shù)的LNG車(chē)用儲(chǔ)瓶公司。同時(shí)，各大汽車(chē)公司如Cummins，F(xiàn)ord等都具有生產(chǎn)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)。中國(guó)的LNG內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用比較晚，2002年和2003年才出現(xiàn)了改裝和研制的LNG內(nèi)燃機(jī)[7]。但是隨著中國(guó)能源戰(zhàn)略的改變和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，LNG內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展非常迅速。LNG作為內(nèi)燃機(jī)的新能源，和汽油機(jī)、柴油機(jī)的主要區(qū)別是燃料特性、儲(chǔ)存和供給方式不同，電控系統(tǒng)也略有差異，但內(nèi)燃機(jī)的主要工作原理和功能組成基本相同。因此，分析LNG內(nèi)燃機(jī)供給系統(tǒng)，對(duì)汽油機(jī)改造為L(zhǎng)NG單燃料內(nèi)燃機(jī)、柴油機(jī)改造為柴油-LNG雙燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)更具現(xiàn)實(shí)意義。

2.1LNG供給系統(tǒng)

LNG儲(chǔ)存溫度約為-162 ℃，作為燃料不能常規(guī)儲(chǔ)存和直接應(yīng)用。LNG供給系統(tǒng)主要由LNG低溫絕熱儲(chǔ)瓶、連接管路、汽化器、減壓裝置、控制閥門(mén)以及控制系統(tǒng)組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—儲(chǔ)瓶；2—副安全閥；3—主安全閥；4—手動(dòng)放氣閥；5—調(diào)節(jié)閥；6—入液噴淋管；7—?dú)怏w排出管；8—截止閥；9—止回閥；10—液體排出管；11—切斷閥；12—液位信號(hào)接口；13—液位變送器；14—燃料指示表；15—汽化器；16—儲(chǔ)瓶壓力表圖1 LNG氣瓶供給系統(tǒng)Fig.1 LNG gas cylinder supply system

其工作流程如下：LNG低溫絕熱儲(chǔ)瓶中的液態(tài)天然氣在自身壓力的作用下流出，經(jīng)過(guò)管道和控制閥門(mén)流入汽化器中被加熱氣化，氣化后的天然氣供汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

2.1.1 低溫絕熱儲(chǔ)瓶

LNG低溫絕熱儲(chǔ)瓶是燃料系統(tǒng)的核心部件，絕熱儲(chǔ)瓶技術(shù)的發(fā)展使得LNG作為內(nèi)燃機(jī)燃料成為可能。LNG絕熱儲(chǔ)瓶一般采用耐低溫的高強(qiáng)度奧氏不銹鋼作為主體材料，高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，夾層達(dá)到0.001 Pa左右的真空度，在合理的纏繞工藝下實(shí)現(xiàn)“超級(jí)絕熱”的目的[8]。目前，作為汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的LNG低溫絕熱儲(chǔ)瓶可以達(dá)到日蒸發(fā)率小于2%，滿足不使用條件下7天(轎車(chē)用瓶3天)安全閥不跳起的要求。儲(chǔ)瓶上設(shè)置主、副安全閥，可以在緊急狀況下泄壓以保證瓶體的安全。目前，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)主要還是應(yīng)用于城市公交、出租車(chē)、大型貨車(chē)上，主要是由于這些車(chē)輛使用頻率比較高、行駛里程比較遠(yuǎn)，不易出現(xiàn)停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)LNG蒸發(fā)量超過(guò)安全閥設(shè)定而泄壓的情況。若想LNG內(nèi)燃機(jī)更廣泛地應(yīng)用于家用轎車(chē)，需要研究加裝緩沖罐或進(jìn)一步提升絕熱工藝，使LNG儲(chǔ)瓶在長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)仍能保證安全。

2.1.2 汽化器

LNG是低溫液體，必須經(jīng)過(guò)汽化器氣化后才能供給發(fā)動(dòng)機(jī)使用。目前的汽化器熱源一般是來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液，少有特殊情況下也可以采用空溫型汽化器。小型車(chē)汽化器基本要求為汽化量達(dá)到20 Nm3/h，而大型車(chē)需達(dá)到50 Nm3/h，汽化器出口溫度要達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作要求。

2.1.3 液位顯示

目前的液位顯示計(jì)種類(lèi)比較多。低溫LNG儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)液位顯示計(jì)主要采用低溫電容液位計(jì)，這種液位計(jì)由探頭和儀表電路組成，通過(guò)分析電容介電常數(shù)的變化監(jiān)測(cè)液位信息，它不與液面接觸，減少了漏熱的可能，達(dá)到最大限度的保溫效果。

2.2LNG單燃料內(nèi)燃機(jī)

LNG作為單一燃料的內(nèi)燃機(jī)，可以看作是由汽油機(jī)改造的。如圖2所示，LNG內(nèi)燃機(jī)和汽油機(jī)的主要區(qū)別體現(xiàn)在加裝LNG供給系統(tǒng)、改裝冷卻系統(tǒng)、加裝混氣系統(tǒng)、調(diào)整電控系統(tǒng)4個(gè)方面。

圖2 LNG單燃料內(nèi)燃機(jī)流程Fig.2 LNG single fuel internal combustion engine processes

汽油機(jī)改造LNG內(nèi)燃機(jī)的LNG供給系統(tǒng)如2.1所述，冷卻系統(tǒng)的改造主要是將冷卻液系統(tǒng)和汽化器結(jié)合，通過(guò)控制手段使汽化器出口氣體達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的用氣要求。此外，還可通過(guò)部分系統(tǒng)改造達(dá)到利用LNG冷能的目的，如汽車(chē)用內(nèi)燃機(jī)可以使用LNG冷能作為空調(diào)冷源。改裝原車(chē)的配氣系統(tǒng)主要指加裝混合器，使空氣、燃?xì)獬浞只旌虾筮M(jìn)入缸內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更充分燃燒。電控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)改變進(jìn)行調(diào)整。

2.3LNG-柴油雙燃料內(nèi)燃機(jī)

柴油內(nèi)燃機(jī)和汽油內(nèi)燃機(jī)工作原理最大的不同在于點(diǎn)火方式：汽油內(nèi)燃機(jī)采用直接點(diǎn)火方式，而柴油內(nèi)燃機(jī)采用的是壓燃點(diǎn)火方式。LNG-柴油雙燃料內(nèi)燃機(jī)是指在保留柴油機(jī)所有結(jié)構(gòu)和燃燒工作方式不變的前提下，增加一套LNG供氣系統(tǒng)和柴油-天然氣雙燃料電控噴射系統(tǒng)，既可以使用柴油單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以采用柴油-天然氣混合驅(qū)動(dòng)[9]，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 雙燃料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Dual fuel system structure

雙燃料內(nèi)燃機(jī)在啟動(dòng)和怠速情況下采用柴油，在運(yùn)行中通過(guò)ecu(電子控制單元)控制天然氣的噴射，噴射出的天然氣和空氣混合導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，同時(shí)導(dǎo)入的少量柴油壓燃后作為天然氣的點(diǎn)火源。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)大大降低了柴油的消耗量，并且具有更好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)在可應(yīng)用于LNG運(yùn)輸船和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)呢涇?chē)等。

2.4LNG內(nèi)燃機(jī)技術(shù)展望

LNG內(nèi)燃機(jī)還存在著一些技術(shù)問(wèn)題，解決這些技術(shù)問(wèn)題能使LNG內(nèi)燃機(jī)得到更廣泛的應(yīng)用。

2.4.1 汽油機(jī)或柴油機(jī)改造而產(chǎn)生的問(wèn)題

現(xiàn)有的LNG內(nèi)燃機(jī)多數(shù)由汽油機(jī)或柴油機(jī)直接改造，但是天然氣的燃燒特性是著火溫度高，火焰發(fā)展期長(zhǎng)。

針對(duì)LNG內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力缺失問(wèn)題可以通過(guò)改變壓縮比、改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)、增大點(diǎn)火能及點(diǎn)火提前角等技術(shù)手段解決。尾氣溫度過(guò)高問(wèn)題可以通過(guò)增大散熱器、增大曲軸與水泵皮帶輪的傳動(dòng)比等方法解決。因此，需要針對(duì)LNG重新設(shè)計(jì)和制造內(nèi)燃機(jī)，并專(zhuān)門(mén)配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

2.4.2 LNG儲(chǔ)存問(wèn)題

LNG采用的是低溫絕熱儲(chǔ)存，但現(xiàn)代工藝不可能做到完全絕熱，漏熱使LNG在不使用的情況下最多保存7天就會(huì)因?yàn)槁釟饣瑝盒狗?，泄放天然氣不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，也會(huì)在遇到明火時(shí)產(chǎn)生安全隱患。此外，LNG是一種多組分混合物，長(zhǎng)時(shí)間靜置會(huì)出現(xiàn)分層和“翻滾”現(xiàn)象，很有可能造成瞬間大量氣化而產(chǎn)生超壓危害。

目前，防止LNG分層和翻滾主要靠改善充裝工藝、增強(qiáng)參數(shù)監(jiān)控、避免不同氣源LNG等方式。未來(lái)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮增加循環(huán)系統(tǒng)，統(tǒng)一氣源標(biāo)準(zhǔn)等方式。針對(duì)LNG保存問(wèn)題，除了可以進(jìn)一步發(fā)展絕熱工藝，還可以考慮增設(shè)緩沖罐等方式進(jìn)一步延長(zhǎng)LNG的儲(chǔ)存時(shí)間。

2.4.3 泄漏傷害問(wèn)題

LNG在低溫-162 ℃儲(chǔ)存，過(guò)大的溫差可能會(huì)使管路因熱脹冷縮而破壞導(dǎo)致泄漏，LNG泄漏后可能產(chǎn)生比較嚴(yán)重的冷凍傷害或窒息傷害。除了在管線上加裝限流閥防止LNG大量泄漏外，還應(yīng)該在工藝和材料上進(jìn)一步改善，減少甚至杜絕LNG因管路熱脹冷縮而發(fā)生泄漏。此外，應(yīng)普及LNG知識(shí)，避免不必要的傷害。

2.4.4 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編制問(wèn)題

標(biāo)準(zhǔn)的缺乏不僅體現(xiàn)在沒(méi)有統(tǒng)一的LNG內(nèi)燃機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還缺乏統(tǒng)一的氣源標(biāo)準(zhǔn)，以及統(tǒng)一的加氣站標(biāo)準(zhǔn)等，應(yīng)盡快編制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以適合LNG能源的快速發(fā)展步伐。

3 LNG內(nèi)燃機(jī)的環(huán)保和節(jié)能分析

近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題成為社會(huì)發(fā)展的焦點(diǎn)問(wèn)題，節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展成為中國(guó)能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略。相對(duì)于傳統(tǒng)的石油、煤炭以及CNG等資源，液化天然氣能源對(duì)環(huán)境更加友好且節(jié)能。

3.1常規(guī)能源的尾氣排放

表2列出了常規(guī)能源的尾氣排放情況。

表2 城市正常行駛和交通擁擠條件下各種燃料污染物的排放對(duì)比

Tab.2 Contrast of pollutants of various fuels in cities under normal driving conditions and traffic congestion g·km-1

由表2數(shù)據(jù)可知，壓縮天然氣(CNG)的CO，NOx的排放都要明顯低于汽油和柴油，但是固體顆粒的排放要高于汽油，HC的排放量高于汽油和柴油。在擁堵情況下，CNG尾氣排放中的固體顆粒量和汽油、柴油基本相同，這主要是因?yàn)镃NG在制造時(shí)并沒(méi)有經(jīng)過(guò)更嚴(yán)格的凈化處理。LNG制造時(shí)比CNG多出許多工藝過(guò)程，燃燒后的排放物主要為CO2和H2O。實(shí)驗(yàn)證明，與汽油相比，LNG作為內(nèi)燃機(jī)燃料CO排放量較少97%，HC排放量減少70%～80%，NOx排放量減少30%～40%，固體微粒排放量較少，基本不排放含鉛、硫化物及苯等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的改善和保護(hù)效果非常明顯[10-11]。

3.2LNG內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用節(jié)能分析

天然氣應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)，先與空氣在混合室混合，因此燃燒更充分，效率更高。天然氣可以使用更高的壓縮比，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性也更高。

傳統(tǒng)汽油機(jī)的汽車(chē)空調(diào)一般采取氟里昂蒸罐氣壓縮制冷，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連軸驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)耗費(fèi)了大量動(dòng)力，而氟里昂一旦泄漏會(huì)對(duì)大氣層造成嚴(yán)重的破壞。在LNG內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，只要將LNG冷能部分回收應(yīng)用于汽車(chē)空調(diào)，就無(wú)需配備單獨(dú)的空調(diào)系統(tǒng)，既節(jié)約了汽車(chē)制造成本，又解決了空調(diào)制冷劑泄漏的潛在危害，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)空調(diào)真正意義的“綠色化”。

LNG除了可以給普通的汽車(chē)提供夏季的空調(diào)冷量外，還可以將冷量應(yīng)用于冷藏車(chē)中，省去了車(chē)載制冷設(shè)備，有效減少了噪聲污染、制冷劑污染等。可見(jiàn)，LNG內(nèi)燃機(jī)冷藏車(chē)的應(yīng)用前景十分廣闊。

在LNG運(yùn)輸船中，大量的BOG(閃蒸氣)需BOG壓縮機(jī)再壓縮后重新導(dǎo)入儲(chǔ)瓶，浪費(fèi)了很多能量，如果采用雙燃料內(nèi)燃機(jī)，在有效利用BOG的同時(shí)還可減少燃料的消耗。

4 結(jié) 論

對(duì)LNG作為內(nèi)燃機(jī)燃料的優(yōu)勢(shì)和其他傳統(tǒng)燃料進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)LNG成為內(nèi)燃機(jī)主要燃料的技術(shù)進(jìn)行了分析和展望，對(duì)LNG內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用于汽車(chē)等領(lǐng)域后的節(jié)能效果和環(huán)保效果進(jìn)行了討論，得出以下結(jié)論。

1)天然氣資源具有分布廣闊、資源豐富的特點(diǎn)。LNG無(wú)論從物性、燃燒特性，還是安全性上都具有發(fā)展成為內(nèi)燃機(jī)燃料的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景十分廣闊。

2)無(wú)論是由汽油機(jī)改造成為L(zhǎng)NG單一燃料的內(nèi)燃機(jī)，還是由柴油機(jī)改造成為L(zhǎng)NG-柴油雙燃料內(nèi)燃機(jī)，技術(shù)發(fā)展相對(duì)都比較成熟，目前改造的內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)可以應(yīng)用于城市公交、出租車(chē)、長(zhǎng)途運(yùn)輸貨車(chē)、LNG運(yùn)輸船舶等。隨著低溫絕熱技術(shù)的進(jìn)一步完善，在LNG不能長(zhǎng)時(shí)間靜止儲(chǔ)存、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題得以解決后，LNG內(nèi)燃機(jī)有望應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。

3)LNG內(nèi)燃機(jī)排氣污染更小，噪聲污染更少，此外，LNG冷能可以應(yīng)用于汽車(chē)空調(diào)、冷藏車(chē)，具有環(huán)保和節(jié)能的雙重意義。

4)LNG資源利用作為中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要組成部分，必然隨著LNG內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步成熟和完善而得到更快速的發(fā)展。

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Application of LNG in internal combustion engine

ZHANG Ming

(Hebei Institute of Architectural Design & Research Company Limited， Shijiazhuang Hebei 050011， China )

With the energy structure adjustment and the rapid development of low temperature refrigeration and insulation technology in China, LNG (liquefied natural gas) is more and more widely used. LNG is a new energy of internal combustion engine and is very important aspect of LNG applications. As a clean energy, LNG has many advantages like occupied small, energy storage density, combustion performance, high calorific value etc. This paper presents several advantages of LNG from resources viewpoint, like physical characteristics, combustion characteristics and safety aspects etc. Then, it introduces the characteristics and technology problems of the LNG engine. Finally, it analyzes the energy saving contribution when using LNG in internal combustion engin.

LNG engine; resources; technical characteristics; technology foresight; energy conservation; environmental

1008-1534(2013)06-0493-06

TK433

A

10.7535/hbgykj.2013yx0620

2013-06-07;

2013-08-31

責(zé)任編輯：張士瑩

張 明(1985-)，女，河北衡水人，助理工程師，主要從事內(nèi)燃機(jī)燃料方面的研究。

E-mail：442686116@qq.com