壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及性能研究*

晏 娟 曾 契 宋金燕 毛小群

（1-重慶三峽學(xué)院 重慶 4 0 4 0 0 0 2-瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3-重慶電子工程職業(yè)學(xué)院）

引言

石油資源的日益短缺和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域內(nèi)新型替代能源的研究和開發(fā)。天然氣資源儲(chǔ)藏豐富，成本低廉，是一種理想、清潔的替代能源。目前，天然氣主要以壓縮存儲(chǔ)的方式（CNG）應(yīng)用于汽油車上，通過加裝一套天然氣燃料供給系統(tǒng)，直接在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用，這種方法雖然簡單實(shí)用，但無法發(fā)揮天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的優(yōu)點(diǎn)。因此，考察壓縮天然氣的理化特性，研究發(fā)揮壓縮天然氣燃料優(yōu)勢的燃用手段和技術(shù)方法，設(shè)計(jì)匹配壓縮天然氣燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，將具有工程實(shí)用價(jià)值[1，2]。

基于上述原因，本文在分析壓縮天然氣燃料理化特性的基礎(chǔ)上，提出在柴油機(jī)上進(jìn)行壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝，然后對改裝的壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)研究，研究壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、負(fù)荷特性和萬有特性，最后通過與柴油機(jī)原機(jī)主要性能指標(biāo)的對比，評價(jià)壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝與設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和理論支撐。

1 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝和設(shè)計(jì)

1.1 壓縮天然氣的理化特性

天然氣的基本理化特性不同于傳統(tǒng)的化石能源，如汽油、柴油等。天然氣的主要成分是甲烷，在燃燒時(shí)發(fā)出微藍(lán)色的火焰，密度比空氣小，天然氣的理化特性如表1所示。CNG是天然氣經(jīng)高壓壓縮的產(chǎn)物。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，壓縮后的天然氣體積大約為壓縮前的1/600，它是一種無色無味的氣體，其密度為1.5 kg/m3，燃點(diǎn)為450℃，爆炸極限范圍大致在5%～15%左右，被公認(rèn)為一種十分清潔的新型能源。

表1 天然氣的主要理化特性指標(biāo)

從表1對比可以看出，天然氣的化學(xué)計(jì)量空燃比、研究法辛烷值、低熱值、著火溫度比傳統(tǒng)的汽油和柴油都要高，而混合氣熱值略低，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖绕吐?，著火極限也不同于其他兩種燃料。因此，改裝天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，為了提升CNG發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能，必須要對比天然氣特性的不同，探索和尋找適合的改裝設(shè)計(jì)方法。

1.2 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝設(shè)計(jì)原則

在確定CNG發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的原型機(jī)時(shí)，必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、燃燒方式、比功率及升功率等問題。改裝發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)主要考慮的要素如下：

1）壓縮比

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)將采用比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更大的壓縮比，原因是為了發(fā)揮天然氣抗爆性強(qiáng)的優(yōu)勢。發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比越高，熱效率越高，其經(jīng)濟(jì)性自然會(huì)更好。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比范圍一般在10.5～12之間。因?yàn)楦魅剂系睦砘匦圆煌?，采用的燃燒方式及壓縮比也不同，傳統(tǒng)的汽油機(jī)和柴油機(jī)分別采用均質(zhì)燃燒和稀薄燃燒，壓縮比分別為8～11、16～22左右。汽油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，不易提高壓縮比，而在柴油機(jī)上可以方便地通過改變活塞頂面結(jié)構(gòu)來降低壓縮比，以滿足天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比要求[3，4]。

2）燃燒方式

傳統(tǒng)汽油機(jī)在大部分工況下是化學(xué)計(jì)量空燃比均質(zhì)燃燒方式，而柴油機(jī)則采取預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的方式，是空燃比較大的稀燃模式，因此汽油機(jī)的升功率和比功率都高于柴油機(jī)。

天然氣與汽油的供給形態(tài)不同，如果在汽油機(jī)上采用均質(zhì)燃燒，把燃料從汽油改成天然氣，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性必將大幅下降。這是由于天然氣的混合氣熱值低于汽油，氣體狀態(tài)供給天然氣燃料會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。此外，汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，燃燒時(shí)間相對較短，天然氣相對較慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)導(dǎo)致熱效率的下降，經(jīng)濟(jì)性變差[5，6]。

基于上述原因，同時(shí)考慮到天然氣燃料是以氣態(tài)方式供給，提出在轉(zhuǎn)速相對較低、進(jìn)氣量相對較多的柴油機(jī)上采用化學(xué)計(jì)量空燃比均質(zhì)燃燒方式，進(jìn)行天然氣燃料的使用，以期提升柴油機(jī)原機(jī)的動(dòng)力性、升功率和比功率。

3）著火方式

天然氣的著火溫度比汽油和柴油都要高，為537℃左右，這是因?yàn)樘烊粴獾男镣橹递^高（120），十六烷值卻十分?。ㄐ∮?0）。因此，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上不能使用壓燃方式，應(yīng)采取點(diǎn)燃的著火方式，為了保證天然氣能夠順利燃燒并不產(chǎn)生爆震，需要增加高能點(diǎn)火器[7，8]。

綜合上述分析可以認(rèn)為，為了發(fā)揮天然氣燃料的優(yōu)勢，改裝天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)不能選擇汽油機(jī)，而應(yīng)選擇柴油機(jī)比較適宜，為了獲得更好的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，本文對一款柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，具體型號和參數(shù)如表2所示。

表2 柴油機(jī)原型機(jī)型號和主要參數(shù)

1.3 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝設(shè)計(jì)

為了完成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝設(shè)計(jì)，在柴油機(jī)原機(jī)的基礎(chǔ)上，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)供給系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)，改裝完成的壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖如圖1所示。

2 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

圖1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理示意圖

分別在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了速度特性（外特性）、負(fù)荷特性和萬有特性試驗(yàn)研究，獲取了天然氣燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的變化規(guī)律。

2.1 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)

本文進(jìn)行了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全開時(shí)的速度特性（即為外特性）試驗(yàn)研究，以得到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩是255.5 N·m，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是1800 r/min，其額定功率、額定轉(zhuǎn)速分別為75.3 kW和3600 r/min。同時(shí)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)出先變大后變小的規(guī)律，且經(jīng)濟(jì)性最好時(shí)是中等轉(zhuǎn)速，此時(shí)有效燃油消耗率有最小值。

2.2 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)

本文分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)在1800 r/min和3600 r/min的負(fù)荷特性試驗(yàn)研究，以獲取有效燃?xì)庀穆孰S負(fù)荷的變化規(guī)律。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性可以看出，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，有效燃?xì)庀穆食掷m(xù)下降，低負(fù)荷時(shí)下降幅度較大，高負(fù)荷時(shí)下降幅度較小。

2.3 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性試驗(yàn)

圖2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性

圖3 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性

圖4 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)研究了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線上，能夠直接讀出發(fā)動(dòng)機(jī)的絕對最低有效燃?xì)庀穆蕿椋?94 g/（kW·h）。

3 壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能綜合評價(jià)

在對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究后，可以將其動(dòng)力性（標(biāo)定功率和最大轉(zhuǎn)矩）和經(jīng)濟(jì)性與改裝前的原柴油機(jī)進(jìn)行對比，以評價(jià)改裝后CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本性能指標(biāo)對比

基本性能指標(biāo)對比包括標(biāo)定功率、最大轉(zhuǎn)矩和最低有效燃油消耗率（對天然氣為有效氣耗率），對比結(jié)果如表3所示。

表3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)基本性能指標(biāo)對比

為了便于比較天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最小能源消耗率和柴油機(jī)的最低有效燃油消耗率，應(yīng)用公式（1）將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃?xì)庀穆兽D(zhuǎn)換成柴油有效燃油消耗率。

式中：bequivalence，methane為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)等效柴油有效燃油消耗率，單位為g/（kW·h），Hmethane和Hdiesel分別為甲烷和柴油的低熱值，單位為MJ/kg。

從表3可以看出，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率相比于原柴油機(jī)增加了10.3 kW，最大轉(zhuǎn)矩也有一定程度的增加，但等熱值最低有效燃油消耗率也有所上升。

分析認(rèn)為，標(biāo)定功率、轉(zhuǎn)矩和等熱值有效燃油消耗率變化的主要原因是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃燒方式不同。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以化學(xué)計(jì)量空燃比的混合氣燃燒，并采用λ等于1閉環(huán)控制策略，而柴油機(jī)是過量空氣系數(shù)大于1的稀薄燃燒。在兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量相同的情況下，天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給量更多，因此標(biāo)定功率增大，最大轉(zhuǎn)矩增加；但是柴油機(jī)的壓縮比高于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，且稀薄燃燒的熱效率較高[9]，經(jīng)濟(jì)性更好，所以柴油機(jī)等熱值最低有效燃油消耗率較天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)低。

3.2 升功率和比功率對比

1）升功率

升功率PL（kW/L）的定義是在額定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率?？捎霉剑?）表示。

式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率，單位為kW，i為氣缸數(shù)，Vs為氣缸工作容積，單位為L。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的排量均為2.8 L，根據(jù)公式（2）得出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的升功率分別為26.9 kW/L和21.7 kW/L，這表明天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度更高，發(fā)出相同功率的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸更小，具有比柴油機(jī)更強(qiáng)的動(dòng)力性。

2）比功率

比功率PG（kW/kg）的定義是發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率與發(fā)動(dòng)機(jī)重量的比值?？捎霉剑?）表示。

式中：PG為發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率，單位為kW，G為發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，單位為kg。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的質(zhì)量可以認(rèn)為相同，約為235 kg。根據(jù)公式（3）得出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的比功率分別為0.32 kW/kg和0.28 kW/kg，這表明天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率較高，在整車上應(yīng)用時(shí)能夠相對降低整車的油耗。

4 結(jié)論

1）壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)的改裝與設(shè)計(jì)表明，所改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足燃用壓縮天然氣的使用要求。

2）外特性試驗(yàn)結(jié)果表明，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為255.5 N·m，最低有效燃?xì)庀穆蕿?94 g/（kW·h），都出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的1800 r/min轉(zhuǎn)速；負(fù)荷特性試驗(yàn)中的有效燃?xì)庀穆?，隨著負(fù)荷的增加逐漸下降。

3）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)原機(jī)型的最大轉(zhuǎn)矩分別為255.5 N·m和210 N·m，標(biāo)定功率分別為75.3 kW和65 kW，這表明動(dòng)力性增強(qiáng)；而且升功率分別為26.9 kW/L和21.7 kW/L，比功率分別為0.32 kW/kg和0.28 kW/kg，說明發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度加強(qiáng)。

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