【www.zhangdahai.com--其他范文】
金安鹏，徐照明
（兰州现代职业学院，兰州 730300）
现代的汽车发动机管理系统都直接由电脑管理各系统电路，包括电源、起动、点火、发动机和变速箱等控制系统灶基。以压缩天然气替代常规汽油或柴油环节，多应用压缩天然气（Compressed Natural Gas，CNG）装置来实现对燃料的利用。在国内外天然气管网控制条件下，以CNG汽车为地区发展的纽带，并因CNG自燃温度显著高于汽油自燃温度，故还具有相对空气比重低的突出优势。经泄漏后的空气迅速扩散，并不在户外聚集，且能承载爆炸极限。常通过不同燃料供给方式，来对汽车加以分型。其主要工作原理为：每进行一次工作循环，均能将热能转变为机械能，经进气、压缩、作功和排气4个连续的过程来实现。现就压缩天然气对汽车发动机性能的影响分析如下。
压缩天然气是以气态储存在容器中的天然气利用装置类型之一。压缩天然气可用油田及天然气田中的天然气，还可以人工制造生物沼气（主要成分是甲烷）来实现。压缩天然气主要成分为甲烷（CH4），主要用作车辆燃料、制作液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）。在临床应用领域，以CNG作为一种最理想的车用替代能源。加之其还具有成本低、效益高、无污染和使用安全便捷等特点。
压缩天然气是一种常见的工业和民用燃料，且高效、洁净和廉价。因其主要成分为甲烷（CH4），故在抗爆震性能、燃料燃烧性能和排放性能方面有良好的突出特点。其中CNG发动机燃烧室结构如图1所示。
图1 CNG发动机燃烧室结构图
①进气冲程。进气门开启，稀薄CNG—空气混合气由进气道进入主燃烧室，并由小孔进入预燃烧室；
预燃烧室残余少部分废气由于负压作用进入主燃烧室，与稀薄燃气—空气混合气混合。②压缩冲程。进气门关闭，活塞上行，在压缩冲程末期，电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）控制CNG喷射器向预燃烧室喷入适量燃气，增大预燃烧室混合燃气浓度。③膨胀冲程。当活塞运行至上止点时，预燃烧室火花塞点火，点燃预燃烧室CNG—空气混合气；
燃烧的高温气体迅速膨胀，经小孔高速进入主燃烧室，在主燃烧室形成涡流，带动主燃烧室稀薄CNG—空气混合气迅速燃烧，膨胀做功。④排气冲程。排气门开启，活塞上行，废气排出。
2.1 动力性能
CNG发动机动力性能受其输出功率、扭矩影响，输出功率和扭矩受混合气热值（3 394 kJ/m3）影响，比之汽油机低了12.6%，与此同时，天然气发动机动力性下降11.6%。CNG汽车发动机输出功率受其充气系数影响，是衡量发动机的关键性指标。其材料性能与燃料间关系密切，其中应用气态CH4的缸外预混合方式，对气缸空气系数及其因系数降低而造成的发动机功率增加等。随着辛烷值的增加，不加剧发动机爆震现象。使用中，还不影响发动机水温、机油压力，工作状态较平稳，正常行驶的安全性系数较高。在MR479Q汽油机实验平台上改造而成，主体结构基本不发生改变。在原机上增加CNG（压缩天然气）供给系统和供给控制系统，完成对天然气的输送和分配。在储气瓶中，总容量为60 L，充满后最高压力可达到20～30 MPa。高压天然气从气瓶中出来后，经过气瓶阀、流量计和减压器，通过燃气喷射器，将减压后的天然气（约0.08～0.25 MPa）输送到各缸进气歧管中实现天然气的供给和分配。整个天然气供气过程必须受燃气ECU控制。燃气ECU以采集的汽油喷射时间为基础，计算出燃气的喷射时间，燃气ECU将汽油喷射的执行命令翻译成适用天然气喷射的控制命令。
以斯柯达首款搭载大众集团MQB A0底盘的车型为例，提供1.0 TSI、1.5 TSI和1.6 TDI的CNG天然气动力引擎，只是在当时尚未一同亮相的天然气动力车型。具体动力配置「GNC压缩天然气＋1.0 TSI G-TEC引擎」，最大输出为90 hp/16.3 kgm，变速箱则采用6速设定，CNG天然气储罐（约可储存13.8 kg）可提供约410 km的续航距离。天然气发动机装有缸内压缩释放制动系统可以有效增加制动功率，使车辆在下坡过程中车速降低、可控；
天然气发动机制动功率比同排量柴油机小9.3%；
采用脚踏板制动—缸内压缩释放制动形式，脚踏板使用频率较单脚踏板制动减少68%，较脚踏板制动—排气蝶阀制动减少58%；
压缩释放制动系统能够有效延长车辆下坡行驶时间，制动更安全[1]。具体实验台架如图2所示。
图2 实验台架结构示意图
2.2 排放性能
对比液态燃料的汽油发动机，压缩天然气汽车发动机燃烧更完全，排放的微粒物更少。CH4燃烧产生CO，即为发动机的空燃比。而实际空燃比与理论空燃比的结果，是汽车排放性能的衡量依据。
对比汽油，CNG燃烧中的火焰温度、传播速度均较小，辛烷值较大。CO排放控制上，通过CNG天然气中适当增大点火提前角，来达到延长天然气燃烧时间，使得燃烧更完全，污染环境系数更低。THC（总烃）生成受CNG燃烧环节对THC排放的激冷作用、积碳吸附影响，加之CNG燃料在同等条件下，减少THC排放物生成；
总体来讲，天然气混合均匀，燃烧完全，同时点火提前角增加，可直接延长高温燃烧时间，CH4能更充分燃烧，进一步降低THC排放量。
排放方面，利用台架试验在某六缸增压中冷、火花点火天然气发动机1 400 r/min和2 000 r/min 2种转速下，部分负荷和全负荷上开展压缩比为11.6、13和14的性能、油耗、燃烧和排放等特性。受压缩比增加氮氧化物（NOx）排放增加；
从发动机燃烧、燃油消耗和排放等综合指标及特性上，发动机在压缩比为13时，整体特性最好[2]。
NO含量由燃烧温度来决定，当天然气燃烧温度、混合器热值下降后，NO含量较低。但受点火提前角和提高空燃比增大后，随之出现高温燃烧时间变长及O2含量增多，使NO含量增加、排放含量加剧。CNG投资环节，因耗资较大，故在供气的可靠性上也随之增强；
气源价格、运输距离条件下，CNG对汽车发电机的性能要求较高。
以CNG/汽油两用燃料发动机为例，其集合了汽油/CNG两用燃料发动机的突出优势，并表现为燃用天然气在发动机转矩功率上的弱化。为进一步提升发动机的性能，适当提高改装机压缩比以减少损耗，并达到改善发动机燃料经济学的效果。CNG/汽油两用燃料发动机汽车改装中，以2.2 L汽油发动机汽车为例，改装后，可在任何工况条件下获得最佳点火时间节点。改造柴油机为双燃料发动机的方法，其特征在于对现有柴油机零部件作少量改动或不改动，增加由进气阀、过滤器、调压阀、稳压罐、进气电磁阀、调节阀、排空电磁阀和脉冲电磁阀构成的一套供天燃气系统，再增加曲轴转角同步传感器，天然气通过上述系统控制依发火次序定时定量进入气缸，当天然气与空气的混合气在缸内压缩终了时，柴油机原供油系统向缸内喷射少量的柴油，以引燃混合气。使用CNG替代汽油作为汽车燃料环节，对发电机的CO、CH化合物、NO化合物、CO2、SO2和噪音的频度分别比原来降低了97%、72%、39%、24%、90%和40%。具体改装使用技术如图3所示。
图3 天然气—柴油双燃料发动机改装
经IMPCO公司开展的试验验证工作，证实了天然气在与空气混合前，经由减压器减压/混合器/进气总管后，才能与空气混合，进入发动机气缸。这一过程主要利用气管压力和当前转速测试力矩，依靠调整控制混合器上电磁阀开度实现对天然气喷气量的控制。在实现发动机性能的最优化上，达到上述问题的效果，应摒弃单独安装一套天然气供给控制系统的办法。以对动力控制模块系统的控制，实现对电子控制单元信息间的通信共享。进一步实现压缩天然气的两用化效果。如此，可在天然气燃料工作模式下，由天然气的电子控制单元、怠速步进电机、点火提前和废气再循环系统等智能管理模式模块化控制。在实际的电子控制单元中，集成自学习模块的学习效果，并经实际测评后，对非甲烷有机废气（NMOG）、碳氢化合物和氧氮化合物分别降低了87%、50%和87%。
2.3 经济性能
燃料本身的价格和天然气发动机经济性与汽车所需设备的附加成本相关。对比汽油，天然气价格便宜；
天然气发动机应用后，对汽车的燃烧性能、混合气均匀度和抗暴性等提升度较高，同时还可显著降低积碳，降低维修次数等，为车辆的后期运营和维护费用降低提供了可能。装载天然气发动机的汽车价格等，均表明了其经济性能较佳。
在压缩天然气发动机中，无论是汽油，还是压缩天然气CNG，在使用层面，天然气汽车在排放方面优越性更为明显，对比汽油车，天然气汽车颗粒物排放为“0”。在发动机性能要求上，集合了整体降低NOx、CO和HC排放量等的“减排”效果。CNG天然气汽车发动机在改善空气质量对比液化天然气汽车（LNGVs）功率下降更为明显、发动机腐蚀与早期磨损问题更便捷。
结果表明，CO、THC含量排放显著下降，但NOX上升。高精度电子控制技术优化燃烧技术，匹配天然气专用三效催化器，是改善天然气发动机排放性能的关键。
2.4 环保性能
以气体燃料发动机为主的电控喷气系统中，常以气体喷射器作为关键性装置，而为进一步提升燃料喷射质量，常以CNG作为燃料。CNG是高压天然气，用作中短途运输的装载及小型汽柴油发动机使用，存储压力为20 MPa，最高工作压力为25 MPa，设计压力为27.5 MPa，试验压力为37.5 MPa。
在发动机试验台架上，以汽油缸内直喷、天然气进气管喷射和天然气缸内为主的直喷方式，用于汽车行驶控制和调节功能。低压天然气喷射器遍布每个气缸，并由此配备了1个布置于进气管内的直接喷射，且具有显著的优势[3]。天然气—氢气混合燃料（HCNG）是将天然气与氢气按一定比例混合而获得的代用气体燃料。采用掺氢比为28%和36%的天然气—氢气混合燃料，在稀燃条件下，NOx排放很低，同时HC排放增加不大。天然气掺混氢气之后可以有效扩展燃料的稀燃极限。纯天然气的稀燃极限是1.606，掺混10%、30%和50%氢气后，其稀燃极限分别是1.753、1.853和2.453[4]。天然气作为主燃料，通过混合气同空气混合入气缸形成均匀的混合气；
把天然气发动机分为预混合燃烧型和非均质扩散燃烧型，并分析了这2种天然气发动机的技术特点、燃烧特点与排放等性能。
2.5 性能优化借鉴
建立某型天然气发动机的仿真模型，并就模型构筑后的发动机性能和经济性进行了整体验算，结果为最大误差小于5%；
分析了发动机部分参数对性能的影响；
利用实验设计（design of experiment，DOE）优化工具，对发动机的压缩比、进气歧管长度及进气门最大升程凸轮角3个参数进行了联合优化；
表明了优化后发动机转矩和功率最高提高了1.3%，整体油耗减少了1.2%[5]。采用DELIPH公司ITMS-6F电控单元，单点电控CNG喷射，水冷式涡轮增压中冷，分组高能点火系统，空燃比开环控制。催化器转化效果更好一些，尤其是在排放比较严重的怠速点[6]。采用高压缩比与加氢措施实现指示热效率最大增幅6%[7]。M936G天然气发动机用于搭载25%的CO2排放，节能降噪效果突出[8]。
压缩天然气是常规燃油的替代品之一，在汽车发动机系统中具有无法替代的作用。而在实际应用中，结合对压缩天然气汽车发动机性能，从其动力性能、排放性能、经济性能和环保性能等的分析；
应充分考虑其动力性能、功率损耗等相关问题，并从技术层面改变现有技术整体性能不佳状态，为其在应用领域的延伸提供可行性借鉴。
