油改氣對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的影響淺析

錢成彬

摘 要：汽車尾氣排放嚴(yán)重污染環(huán)境，油改氣成為一項(xiàng)重要的解決方案被廣泛采用。通過(guò)探究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油改氣的工作原理，發(fā)現(xiàn)油改氣后發(fā)動(dòng)機(jī)存在燃燒不充分、動(dòng)力不足、故障增多等問(wèn)題，進(jìn)而提出加裝高能點(diǎn)火線圈、進(jìn)氣增壓器及提升天然氣活性的方法來(lái)完善油改氣技術(shù)，以降低油改氣導(dǎo)致的不利影響，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);油改氣;工作原理;影響

Abstract： Vehicle exhaust emissions seriously pollute the environment， and oil-to-gas conversion has become an important solution and is widely used. By exploring the working principle of changing oil from gas to automobile engine， it is found that the engine has insufficient combustion， insufficient power， and increased faults after changing from oil to gas. Then it proposes ways to install high-energy ignition coils， intake superchargers， and improve the activity of natural gas Improve oil-to-gas technology to reduce the adverse effects of oil-to-gas conversion， increase engine power， and extend engine life.

Keywords： Engine; Oil to gas; Working principle; Affect

1 前言

隨著環(huán)境污染的不斷加劇，燃油成本不斷上升，汽車油改氣應(yīng)運(yùn)而生。油改氣有效減少了石油的消耗，降低了環(huán)境污染，減輕了車主的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，得到了廣泛的認(rèn)可[1]。歐美是現(xiàn)代油改氣技術(shù)研究的領(lǐng)軍者。美國(guó)在2003年天然氣汽車就已經(jīng)突破十萬(wàn)輛，并且制定了相關(guān)的政策法規(guī)。我國(guó)油改氣技術(shù)起步較晚，經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，油改氣技術(shù)也日趨成熟。截至2018年底，我國(guó)天然氣汽車保有量為670萬(wàn)輛，加氣站保有量9000座，連續(xù)四年居世界第一[2]。

汽車油改氣也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能帶來(lái)一定的影響，燃用天然氣會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，在較高負(fù)重或者爬坡的情況下油改氣汽車顯得有氣無(wú)力，甚至出現(xiàn)直接熄火的情況。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降的問(wèn)題都無(wú)法完美解決，只能通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的一些參數(shù)來(lái)配合天然氣的理化特性，最大程度上的提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力[3]。

2 油改氣的結(jié)構(gòu)和原理

以汽油機(jī)改裝的兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象。

2.1 油改氣改裝結(jié)構(gòu)

油改氣汽車增設(shè)了一套燃?xì)庀到y(tǒng)，一般是將氣瓶放置在后備箱里面，相關(guān)外部部件包括：加氣閥、壓力傳感器、高壓接頭和配套管線、高壓管線及增壓器等。

供給內(nèi)部配件主要由燃?xì)飧邏弘姶砰y、三級(jí)組合式的減壓閥、熱交換器、節(jié)溫器、混合器、油氣轉(zhuǎn)換開關(guān)、噴軌、氧傳感器等多個(gè)部件組成[4]。如圖1所示。

2.2 油改氣改裝的工作原理

汽車在加氣站向儲(chǔ)氣罐中充入20-25Mpa的壓縮天然氣。天然氣中含有少量的雜質(zhì)，因此需要用天然氣過(guò)濾器過(guò)濾。同時(shí)，油改氣汽車ECU控制天然氣高壓電磁閥通電打開，將過(guò)濾后的天然氣輸送到三級(jí)高壓減壓器。高壓天然氣通過(guò)閥口進(jìn)入減壓器一級(jí)減壓腔，被大幅度減壓。根據(jù)氣體的化學(xué)性質(zhì)可知，氣體壓力突然巨幅降低，將導(dǎo)致氣體膨脹吸熱，可能使減壓器和附近的管線被凍住而發(fā)生的堵塞。為了防止結(jié)冰，在減壓器和混合器之間還裝有熱交換器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)的水對(duì)一級(jí)減壓后的天燃?xì)膺M(jìn)行加熱。為了保證天然氣溫度的恒定，通常由安裝在缸蓋的節(jié)溫器對(duì)加熱水流量進(jìn)行調(diào)控。

天然氣在三級(jí)高壓減壓器內(nèi)降至低壓，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水的加熱，形成低壓適溫的天然氣。然后，油改氣汽車ECU通過(guò)空氣流量感應(yīng)器送出的信號(hào)，調(diào)節(jié)適量的天然氣進(jìn)入混合器與泵入的空氣混合。在混合器中天然氣與空氣混合一定的濃度后，達(dá)到最佳空燃比，最后進(jìn)入氣缸。混合氣在氣缸內(nèi)燃燒做工后，排氣管打開，排出廢氣。氧傳感器隨即測(cè)算出燃燒后廢氣的氧濃度。油改氣汽車ECU依照氧傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)改變?nèi)?jí)減壓調(diào)節(jié)器到混合器之間的低壓通道通過(guò)面積，來(lái)調(diào)控天然氣的流量，以使天然氣燃燒做功能夠達(dá)到最優(yōu)化。

3 油改氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

汽油機(jī)是根據(jù)汽油的相關(guān)特性而設(shè)計(jì)研發(fā)的，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)也是針對(duì)于汽油優(yōu)化設(shè)置的。因?yàn)樘烊粴夂推偷睦砘再|(zhì)有著很大不同，發(fā)動(dòng)機(jī)油改氣用汽油機(jī)燃燒天然氣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)肯定會(huì)產(chǎn)生影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也勢(shì)必會(huì)有所變化。

3.1 動(dòng)力性

油改氣之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性受到空燃比、點(diǎn)火提前角和壓縮比的影響，汽車的動(dòng)力明顯比燃用汽油時(shí)低。

（1）空燃比影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。由于天然氣是氣態(tài)燃料，占據(jù)一定的體積。而油改氣后發(fā)動(dòng)機(jī)還是原汽油機(jī)，氣缸體積不變，天然氣在進(jìn)氣時(shí)的體積占比大，會(huì)導(dǎo)致空氣的進(jìn)入量減少，使天然氣和空氣的混合氣的熱值比汽油低，導(dǎo)致天然氣燃燒后釋放的熱量比汽油燃燒后釋放的少。如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速不變的情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣的功率比汽油低。

（2）點(diǎn)火提前角影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。因?yàn)樘烊粴馊剂系男镣橹蹈哌_(dá)130，抗爆性表現(xiàn)較好，導(dǎo)致火花塞點(diǎn)火的難度大大增加，火花塞的工作效率下降。當(dāng)選擇燃用天然氣時(shí)，汽油機(jī)的點(diǎn)火提前角應(yīng)該調(diào)整到適合天然氣燃料的數(shù)據(jù)，正常都是提前8-15度。因?yàn)槠蜋C(jī)的點(diǎn)火相位和天然氣的基本屬性不適配，造成汽車回火放炮，功率下降啟動(dòng)困難等[5]。

如圖3可知，在不加裝點(diǎn)火提前器的情況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，油改氣之后發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有著明顯的下降，而加裝點(diǎn)火提前器的情況下，相比于沒(méi)加裝點(diǎn)火提前其器的情況，輸出功率有所提高，但是比起汽油還是有差距。點(diǎn)火提前器可以在不暴力傷害發(fā)動(dòng)機(jī)的前提下，根據(jù)不同的燃料，相應(yīng)的調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角，以期達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速的工況下都能夠在最佳點(diǎn)火提前角下工作的目的。

（3）壓縮比影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的構(gòu)造決定發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，氣缸總?cè)莘e除以燃燒室容積即是發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比[6]，如圖4。在適當(dāng)范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比越大，燃料燃燒釋放的熱能就越高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率也越高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱能轉(zhuǎn)化成發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也就越大。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比越大，燃料的抗爆性就會(huì)提早達(dá)到臨界點(diǎn)，活塞在到達(dá)最佳點(diǎn)火提前角之前，燃料就開始燃燒，而連桿仍舊帶動(dòng)活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，燃燒所得的熱能把活塞往下推，兩種相反的力的作用，使得汽車車身抖動(dòng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震[7]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比應(yīng)最大程度的與燃料的辛烷值相適應(yīng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的熱能安全并且高效率的轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。天然氣的抗爆性很好，但是油改氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)還是原汽油機(jī)，這就意味著車子油改氣之后天然氣不能充分燃燒或者發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的熱能轉(zhuǎn)化成輸出功率的能力低。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指發(fā)動(dòng)機(jī)做出的有用功而所消耗的能源的代價(jià)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在有效熱效率。

燃料燃燒所釋放的熱能，在經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部消耗之后，轉(zhuǎn)化成發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的輸出功。二者之比即是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率。天然氣有著很高的辛烷值，抗爆性能優(yōu)秀，適合壓縮比大的發(fā)動(dòng)機(jī)。但是油改氣的發(fā)動(dòng)機(jī)還是原來(lái)的汽油機(jī)，沒(méi)辦法將天然氣的優(yōu)點(diǎn)完全發(fā)揮出來(lái)。天然氣的熱值高，代表天然氣具有比較高的能量，但是單位體積下，天然氣與汽油相比自身占據(jù)一定的空間，致使外界的空氣的進(jìn)入減少，使得燃燒不充分所以天然氣混合氣的熱值沒(méi)有汽油混合氣的熱值高。故此，天然氣燃燒后釋放的熱量比燃燒汽油產(chǎn)生的熱量少，所以天然氣的熱效率比汽油的低，即燃用等量的天然氣和汽油，跑不過(guò)汽油[8]。

3.3 排放性

排放性就是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放以及噪音。在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程中，因?yàn)槿紵傻膶?duì)環(huán)境有污染的有害物質(zhì)直接的限制標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)表面對(duì)外輻射的噪聲以及由發(fā)動(dòng)孔排氣管向大氣環(huán)境排出的有害物質(zhì)統(tǒng)稱為有害排放物。對(duì)于汽油機(jī)排出的尾氣，有害排放物主要是一氧化碳，碳化氫和一氧化氮。而燃燒天然氣的排放物是二氧化碳、一氧化碳和很少的二氧化硫[9]。

由發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性可知，當(dāng)天然氣過(guò)多，空氣的進(jìn)入量較少，天然氣無(wú)法充分燃燒，導(dǎo)致一氧化碳的生成;當(dāng)混合氣過(guò)稀，即天然氣的含量少，氧氣的含量多，天然氣充分燃燒，生成的產(chǎn)物不會(huì)對(duì)大氣造成危害，但是熱能會(huì)降低。天然氣中含有雜質(zhì)，在充分燃燒后，會(huì)有少量的二氧化硫生成。天然氣燃燒之后，不會(huì)像汽油一樣產(chǎn)生氮氧化物。

當(dāng)汽車油改氣之后，為了配合天然氣的理化性質(zhì)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，使得天然氣可以釋放更多的熱能，但是隨之而來(lái)的是勢(shì)必會(huì)造成在燃用汽油時(shí)出現(xiàn)的爆燃或者提早造成發(fā)動(dòng)機(jī)配件的損壞，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境遭到破壞。更重要的是，油改氣之后再使用汽油時(shí)會(huì)造成汽油無(wú)法充分燃燒，導(dǎo)致尾氣排放的氣體中含有大量的氮氧化物等一些對(duì)大氣有害的污染物[10]。

4 油改氣問(wèn)題的對(duì)策

針對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)油改氣之后的動(dòng)力不足等問(wèn)題，提出以下解決思路。

（1）加裝高能點(diǎn)火線圈

在油改氣汽車加裝點(diǎn)火提前器之后，解決天然氣的燃燒速度慢的問(wèn)題的同時(shí)，還需要有點(diǎn)燃天然氣混合氣的點(diǎn)火能量。加裝高能點(diǎn)火線圈可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性[11]。

（2）安裝進(jìn)氣增壓器

在天然氣混合氣進(jìn)入氣缸之前，對(duì)混合氣進(jìn)行加壓，然后混合氣的密度變高，所以單位混合氣中的天然氣和氧氣都得到了提升，故此天然氣燃燒也就會(huì)釋放更多的熱能，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。

（3）提高天然氣活性

天然氣的性質(zhì)穩(wěn)定，和汽油使用能效液一樣，激活天然氣的活性，使天然氣中的碳原子發(fā)生裂變，降低天然氣的燃點(diǎn)，也可以提升天然氣的燃燒速度，達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的，并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)什么危害。

5 結(jié)論

對(duì)油改氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理進(jìn)行了解釋，分析了汽車油改氣之后動(dòng)力性不足的真正原因，及可能存在的排放性問(wèn)題。提出了加裝高能點(diǎn)火線圈、進(jìn)氣增壓器和提升天然氣的活性來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的方法。

由于油改氣技術(shù)目前還不是很成熟，改裝技術(shù)也不統(tǒng)一，造成各種油改氣汽車事故頻發(fā)、維修困難，致使相當(dāng)一部分汽車擁有者對(duì)油改氣望而卻步。另一方面，國(guó)家也鼓勵(lì)使用原裝天然汽車，油改氣技術(shù)面臨極大的挑戰(zhàn)。

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