综述天然气发动机.doc

燃气发动机综述摘要：随着石油资源的不断消耗，能源局势逐渐发生改变，内燃机的燃料广泛化。近几年以来，美国页岩气革命的兴起，深层钻探技术的逐渐完善，石化天然气在内燃机中逐步大规模应用。本文通过对比LPG,CNG,LNG三种天然气发动机的市场应用状况，三种天然气发动机的特点，分别从进气，燃烧，润滑，排放,EGR几方面和传统的液体石化燃料发动机作比较，得出了天然气发动机燃烧循环变动大，储存技术要求高，润滑油液硫酸盐灰分控制严格等特点。在当前的能源局势下将得到快速发展，特别是LNG发动机具有良好的排放和资源丰富等优良特点，其应用前景广泛。关键词：能源局势，天然气发动机，LNG 中图分类号：U464.11前言从世界先进的工业化国家来看，内燃机工业已进个高科技、高投入、高产出时代。尤其以美国，德国，英国等代表的国家利用先进的技术和丰富的设计经验，开发出众多与世界需求相适应的先进动力技术。自从进入能源危机以后，动力燃料来源日益多元化1。石油，天然气，沼气，生物柴油，醇类燃料等相继进入动力燃料市场。各国先后根据自己的国情，制定了相应的能源政策。当前虽然纯电动汽车在国家政策的扶持下，快速发展，但由于昂贵的电池技术2，较低的续航里程等影响大规模市场化。当然部分汽车电动化，有利于促进科技的发展，新能源技术的进步，迎合人们对清洁环境的期望。到2020末期纯电动汽车也只能占5%的市场份额。内燃机动力系统在未来30-50年仍是汽车的主要动力。新能源动力“远水难解近渴”传统汽车发动机谋求环保上位。在当前的技术和能源形势下，仍然需要在传统的内燃机中不断寻求技术改进，需要提高热效率，降低污染物排放。随着石油的可开采量逐渐减少，人类利用能源的代价逐渐加大，寻求相应的能源，减缓石油的消耗，刻不容缓。从开采储存密度大的液体石油向储存密度小深层煤层气、致密气、页岩气等天然气，深海可燃冰进发。在此新形势下，燃气工业进入加速发展阶段34。以美国页岩气为代表的一些国家的页岩气革命兴起，改变了国家的能源结构，从石油进口国变为出口国。天然气的大量供应也使得相应的动力技术也发生相应改变。中国页岩气储量丰富，特别是在四川盆地，重庆，贵州，内蒙古鄂尔多斯等地储量丰富，加之中俄，中缅，沿海地区的天然气管道的逐步建设，为汽车应用天气提供基础保障。据统计，2013中国天然气汽车达到157.7万辆。国内的部分城市的天然气加工厂和加气站逐步建立，这为我国进一步开展使用天然气奠定了基础。天然气发动机与传统发动机在燃烧，润滑，进气，燃油供给系统存在诸多不同点。气体燃料燃烧循环变动量较大，对空燃比敏感，加之采用稀薄燃烧，对ECU的要求进一步提高。随着技术的成熟，重型车大量采用缸内喷射方式，避免进气道喷射降低充量系数导致动力性和排放恶化的结果。1天然气工业形势以及市场情况1.1天然气资源应用形式LPG、CNG和LNG等清洁燃料作为汽车能源具有良好的经济性和较低的排放污物，不仅减轻大气污染，还可以形成多元化的能源结构，减缓石油的消耗，被认为是车用发动机较为理想的代用燃料。天然气汽车释放的二氧化碳要比汽油少1/3以上、HC下降90%、NOx下降40%、CO下降80%5。因此，在未来一段时期内，天然气发动机将有较大的市场空间和发展潜力。计估计2015年国内天然气使用量在2310108m3，如图1所示使用量快速增长。CNG,LNG储运技术和加气站的大量建设为天然气进入市场好基础。得益于天然气工业的发展，四川天然气应用走在全国前列。出租车燃气化率达到98%，银川，濮阳等城市天然气管道沿线城市的出租车燃气化率将近100%。到目前为止巴基斯坦天然气车辆占52%以上。据预测，到2020年天然气汽车用量将达到4000亿m。为了减轻大气污染，北京现已成为世界上最大的单一燃料天然气发动机汽车应用城市。全世界天然气汽车保有量将超过730万辆。世界超过70%的天然气资源位于中东，东欧，前苏联地区。2012年我国天然气消费1328亿立方米，占总量的4.8%。国际消费33100亿立方米。美国，俄罗斯，伊朗、卡塔尔、加拿大、挪威、中国、沙特阿拉伯、阿尔及利亚和印度尼西亚这10个天然气产量排名前十位的国家。图1 1980-3013年我国天然气产量和增长率1.2天然气发动机发展情况 美国的康明斯公司、卡特彼勒、瓦克夏、底特律公司、法国瓦西兰公司、德国道依茨、MAN公司，奥地利延巴赫公司，瑞士苏尔寿公司等世界著名的发动机制造公司均研究和生产燃气发动机，技术水平也已达到相当完善的程度。国内发动机公司也纷纷开发了燃气发动机技术，目前包括上柴，潍柴，玉柴在内的18家企业都开发了自己的燃气发动机技术，并得到实际工业应用，相关发动机型号近百种。2011年6月20日，财政部，交通运输部联合发布交通运输节能减排专项资金管理暂行办法，规定专项资金重点支持公路交通运输节能减排新技术，燃气新产品的普及和应用。国家给予了大量支持，补助资金达到7095万。国家的能源战略为企业的发展提供政策和资金支持。国内潍柴动力，玉柴等发动机企业在燃气动力领域内进入快速发展阶段，相关企业纷纷开发自己的产品。中国天然气工业仍需管控和引导才能继续保持快速发展，促进天然气的发展应从多方面下手。在技术研究方面，加快天然拿起关键技术的研究，提高对燃气供给表1 中国商用车产量及增长率天然气商用车产量年份增长率20042200802005320090.05%27901201039.14%36719201131.6%79352201216.1%和燃烧过程的精确控制，开发先进的后处理技术，降低总碳氢（THC）排放，还应积极研究高性能、大容积的轻质气瓶，在保证天然气汽车安全的基础上改善整车装备。在政策方面，有条不紊的加大基础设施的建设，实现天然气加气站的网络化，鼓励引导生产、改装和购买。潍柴动力股份有限公司在加拿大西港创新公司的技术支持下，6以及香港培新(中国）投资有限责任公司的资金保障下签约成立合资公司一潍柴动力西港新能源发动机有限公司，致力于研发、制造先进的长距离运输重型卡车用LNG发动机。具备年产2万台新能源车用大功率LNG发动机的能力。此前，潍柴生产的CNG、LNG燃气发动机已批量切入城市公交发电等领域，形成了良好的品牌形象。LNG燃料体积较CNG小。LNG使用成本较汽柴油便宜。2011年在传统重卡整体下滑13%的情况下，LNG重卡逆势飙升。2011年我国天然气汽车销量达到18837辆，同比增长29.8%，是行业平均增幅的三倍。矿山等大型运输企业运用天然气发动机能显著降低运输费用，加之国家的政策支持，在中国行车领域内获得巨大发展。玉柴7作为行业内较早开发天然气发动机的企业，从1995年开始气体发动机研发，1998年成功批量配套，2000年天然气发动机大批量进入市场。形成以4D、4G、6J等为代表的天然气发动机，功率覆盖74-323KW,覆盖6-18的客车市场。目前玉柴成为客车销售市场老大，占有率达41.7%，位居行业第一，2008年LNG进入市场后，在8米以上天然气客车占主导地位，尤其是LNG市场占有率超过90%，处于绝对垄断地位。以ECW(电控增压)和稀薄燃烧技术8为企业核心技术，空燃比在1.1-1.5之间，压缩比在11:1的气体发动机具备较好的燃油经济性和动力性。目前贵阳1500辆LNG天然气公交车中90%装备玉柴发动机。城市公交出租车燃气化，有利于减轻城市的空气污染。目前，天然气是汽车代用燃料的主流。在中国有90%的替代燃料为天然气汽车。在美国，把发展7%公交车，50%的出租车和公交车为专用天然气汽车味目标；德国天然气汽车数量将达到10万-40万辆。在不久的将来，中国忍将主要使用CNG，LPG，LNG，乙醇汽油等作为代用燃料。1.3研究现状LPG发动机在传统汽油机上改进而来，而CNG，LNG发动机现阶段由成熟的柴油机发展而来，使用较多的是双燃料发动机，在不同的工况使用不同配比的柴油和天然气比例，以满足工况的需求。现阶段也有纯天然气发动机上市，但技术成本较高，只在北京等少数城市推广应用。在引燃方式上有：少量柴油（5%左右，不同厂商不同）引燃或者高能火花塞点燃。由于气体发动机单位热值高，C-H键的比能高于C-C键，导致燃烧温度普遍较高，针对此问题，大量研究应用稀薄燃烧技术降低燃烧温度；针对燃烧循环变动大，使用电控燃油喷射技术，精确控制空燃比；针对高功率密度的要求，需要加装匹配增压器；排气温度高，开发了耐高温的涡轮机增压器；燃烧温度高，造成NOX排放严重，需要综合各项技术，大部分天然气发动机空燃比在1.1-1.5之间，TWC催化剂转化效率不高，需综合使用SCR，EGR等技术综合平衡从而满足排放要求。目前玉柴的国天然气公交车综合使用EGR,SCR,DFP三项技术。而国发动机只需要EGR,SCR技术即可满足排放要求。2 LPG，CNG，LNG发动机对比2.1 LPG发动机LPG是指液化石油气，石油炼制过程中的轻质气体,是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯。近年来增长较快，预计2014年全球LPG产量在2.75亿吨，资源丰富。LPG是气体石油气混合物在适当的压力下形成的并以常温液态的方式存在特制气瓶中。大部分作为民用天然气，在我国LPG天然气汽车已进入成熟阶段。LPG的单位能量比汽油所能提供的能量要高8%。理论上来说配有LPG的车辆要比汽油驱动的车辆产生更高的效率。然而，这只是针对专门为LPG设计和改造的发动机而言。在传统汽油机的基础改进而来的发动机与专门设计的有显著不同。常规LPG发动机实在汽油机基础上改进而来，仍然由电火花点燃。一开始时燃油在进气道以气态形式喷射，由于LPG气体挤占进气容积，使得发动机充气效率大幅下降，燃烧不稳定，排放恶化，其动力性不如传统化油器发动机。技术改进后，改为进气道液态喷射，这提高了进气效率，功率得到提高，但仍然不能充分发挥气体发动机的优势，气门重叠角不宜过大，否则将造成HC排放增大。随着技术的进步，改为缸内直喷，兼备柴油机充气效率高的特点，无气体节流损失，燃料直接喷入气缸，不占据进气道，液体燃料密度大，体积小，几乎不占据气缸容积，如果喷射发生在进气过程，燃料气化引起温降，将进一步提高充气效率，无论缸内喷射发生在进气行程或者压缩行程，燃料气化引起的降温均能减少爆震倾向，因而压缩比可更高，因而功率也得到了提升。充气效率下降是传统LPG进气道喷射形式动力性较低的主要原因。LPG主要用于城市轻型车辆。目前市场份额逐渐减少，以CNG为主的发动机逐渐在重卡和大型客车中逐渐推广开来。2.2 CNG发动机CNG即指压缩天然气，是天然气加压并以气态形式储存在容器中。具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点。CNG汽车优点突出：燃料价格便宜、汽车排气污染小、不积炭及车辆部件损耗小、安全可靠、车辆改装简单、运行平稳。两用燃料CNG发动机要兼顾使用汽油时的性能，不能充分发挥CNG燃料的优势，双燃料CNG难以满足日益严格的排放法规。单一燃料CNG发动机完全根据CNG特点设计，使得发动机获得良好的经济性、动力性、排放性能。目前我国东风汽车、玉柴，天津大学、玉柴等单位已经开发出一系列单一燃料点燃式CNG发动机。吉林大学霍昆在CA4GAI发动机基础上，研究了点火时刻，过量空气系数，喷气时刻对发动机动力性、经济性、排放的影响9。与传统内燃机相比，CNG发动机设计增加一个重要影响参数：气耗率。气耗率对存储和气体供应有较大影响，应予以精确控制。如图4所示过量空气系数在1.1-1.2时发动机功率最大，气耗率最低，发动机性能最佳。周立迎等人10用火花塞式压电压力传感器测量台缸缸内直喷CNG发动机缸内力，分析最大缸内压力、压力升高率、放热率及缸内温度等随转速、负荷和点火提前角的变化。结果表明：负荷一定时，随着转速升高，最大缸内压力、最大缸内压力升高率、最大放热率及缸内最高温度逐渐减小，燃烧始点推迟，放热速率减小；转速一定时，随着负荷增加，最大缸内压力、最图2点火时刻对CNG发动机排放的影响大缸内压力升高率、放热率及缸内最高温度逐渐增加；转速为3800rmin、全负荷时,随着点火提前角增加，最大缸内压力、最大缸内压力升高率及缸内最高温度逐渐增加，点火提前角为图3过量空气系数对CNG发动机图4过量空气系数对CNG发动机动动力性和经济性的影响力性的影响34曲轴转角时发动机动力性及经济性最佳。当前阶段，双燃料CNG研究趋于成熟化，众多企业和高校针对CNG特性做研究，已取得阶段性的成果。但针对单一CNG燃料发动机的研究还没有达到大规模商业化推广的技术要求，成本以让高昂。2.3 LNG发动机LNG即液化天然气。主要成分是甲烷。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右。液化天然气辛烷值130，适用于高压缩比发动机。将气田生产的天然气净化处理，再经超低温（-162）常压液化就形成LNG。相比较CNG,LPG纯度，辛烷值，储存密度等指标有大幅度提升。液化天然气市场正以每年约12%的高速增长，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，日本、韩国、美国、欧洲都在大规模兴建LNG接收站。在未来10-20年的时间内，LNG将成为中国天然气市场的主力军。随着国家对能源需求的不断增长，引进LNG将对优化中国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。中国正在规划和实施的沿海LNG项目有：广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁、宁夏、河北唐山等，这些项目将最终构成一个沿海LNG接收站与输送管网。为下一阶段推广使用LNG做准备。以LNG作为燃料的汽车，排气质量明显改善。据资料报道：与压缩天然气（CNG）比较，在相同的行程和运行时间条件下，对于中型和中重型车辆而言，LNG汽车燃料成本要低20%，重量要轻2/3；同时供燃系统装置的成本也至少低2/3。市场证明，将天然气液化以液态储运是促使它在运输燃料中应用的最经济有效的方法。以潍柴，中国重汽，陕汽等重型汽车为代表的企业引领者LNG的发展，LNG已进入商业化发展阶段，市场占有率逐步提升。2.4燃气发动机与传统发动机排放对比（1）Kalam等研究了缸内直喷天然气发动机的性能，研究结果表明，直喷天然气发动机氮氧化物排放明显降低，但一氧化碳和碳氢排放升高。（2）Zrante、Mello等研究表明，汽油机燃用天然气后最大功率降低了20%，但一氧化碳和碳氢排放显著降低，总碳排放降低了25%。（3）天津大学尧命发等研究了燃烧室结构形式、压缩比、配气相位等对发动机性能的影响，结果表明直口碗型燃烧室、压缩比为1112、无气门重叠角的凸轮轴有利于提高燃烧速度并降低发动机的排放。但是采用无气门重叠角的凸轮轴影响发动机的换气过程和充量系数导致发动机热负荷高及低速扭矩降低。（4）西安交通大学和天津大学研究了缸内直喷天然气发动机的燃烧和排放特性，认为发动机的最佳压缩比设置在12左右比较合理，当过量空气系数值超过特定稀燃限值后，燃烧循环变动急剧增大、燃烧恶化，发动机不能正常工作。3燃气发动机润滑特点燃气发动机润滑油与燃油发动机油的最主要的区别在于对硫酸盐灰分有严格的要求11。研究表明，硫酸盐灰分在1以上的润滑油窜于燃气发动机燃烧室后，能在燃烧室内形成极为坚硬的沉积物(特别是使用含钙清净剂)，无法清洗，形成潜在的发火点，因为燃气动机采用的是电子点火，所以在运行中就有可能导致发动机提前点火、爆燃等现象的发生，并且污染火花塞，使发动机不能平衡操作，影响发动机正常运行，因而为了消除这种潜在的危险，一般燃气发动机制造商要求使用硫酸灰分小于1.0的高品质润滑油。目前已有完全不含金属盐添加剂的全无灰内燃机油面市，虽然其在高温抗氧、清净分散等方面亦可达到发动机的基本要求，但在高功率增压发动机上使用其磨损率远远高灰分含量为0.5一1左右的润滑油，另外气体不具备对阀座的润滑作用，而油中一定的灰分可减缓阀座的磨损。因此燃气发动机油的硫酸盐灰分一般均要求控制在0.51之间。对于使用LPG或CNG与汽油或柴油两用燃料发动机的车辆，如汽油压缩天然气两用燃料汽车、汽油液化石油气两用燃料汽车等，其发动机具有两套相互独立的燃料供给系统，一套供给天然气或液化石油气，另一套供给汽油或柴油，两套燃料供给系统可分别但不可同时向气缸供给燃料，是两种燃料交替使用，因此其润滑既要具备汽油机油及柴油机油的性能，又要兼顾到使用LPG和CNG的特点。还有一种发动机是双燃料发动机，这种发动机具有两套燃料供给系统，一套供给天然气或液化石油气，另一套供给汽油或柴油，两套燃料供给系统按预定的配比向气缸供给燃料，在缸内混合燃烧，如柴油一压缩天然双燃料汽车，柴油一液化石油气双燃料汽车等。由于是两种燃料在气缸内共同燃烧，比纯气体燃料燃烧要产生较多的积炭和灰分，因此发动机油应具备一定的清净性能，宜使用中灰分燃气发动机油。如图5，6所示，硫酸盐灰分较较大，导致阀门上沉积坚硬的物质，传热不均匀，容易导致阀门烧蚀，映众影响发动机的可靠性12。但较低的灰分不易形成良好的润滑油膜，摩擦副磨损加剧，图7展示了气门杆被磨损后导致气门在燃烧室中内嵌，破坏燃烧室结构，影响进气效果。 图5阀门硫酸盐沉积图6阀门烧蚀图7气门杆磨损4天然气发动机燃烧研究增压稀燃技术是提高天然气发动机功率密度、改善燃料经济性和降低NO。排放的有效技术措施。但稀燃技术应用的主要障碍是燃烧的循环变动，因此充分理解燃烧循环变动产生的机理并加以有效控制对于提高天然气发动机的综合性能具有重要意义。前期研究表明，点燃式发动机燃烧循环变动现象具有内在的非线性动力学特性13。单一气体燃料发动机，缸内直喷，火花塞引燃，由于气体预混和，近似于预混燃烧，燃烧速度快，放热率快速升高，最高燃烧温度升高，压升率较大。由于是气体燃烧，排气时将带走大量热量，为了合理使用排气能量，需精确控制废气涡轮增压效率，与EGR合理匹配，降低燃烧循环变动。为了进一步提高气体发动机的指示功，国内外众多学者研究掺氢CNG的研究14。由于加入氢气后，适当减燃烧提前角，燃烧范围更宽，这有利于进一步实现更稀薄的燃烧或强化稀薄燃烧，一高循环指示功。天津大学的焦运景15等人对改装为火花点火式天然气发动机的柴油机配气机构的配气相位进行了优化设计，在台架上进行了对比试验，研究配气相位对发动机燃烧及排放的影响。试验结果表明：随着气门重叠角的减小，HC和NOx排放量有所降低，但高转速时过小的气门重叠角，不利于HC排放量的降低；气门重叠角的减小使得缸内可燃气体浓度降低，在抑制NOX。生成的同时，也损失了部分功率，因而在降低有害排放的同时，还要兼顾动力性。随着转速的提高，要适当加大点火提前角，保证其动力性。另外焦运景等人16还研究了燃烧室燃烧室形状对燃烧的影响，结果表明适当增大挤气面积有利于提高火焰的传播速度，改善了天然气燃烧速度慢的缺点。双燃料气体发动机采用柴油引燃时，与纯柴油相比，引燃时间长17，一旦引燃，类似于均值混合器压缩着火。着火滞燃期比春柴油长，着火点数量比春柴油多，双燃料着火点数量比纯柴油多，随天然气浓度增加、喷油提前角增大、引燃油量减少，着火点数量会增多，但火焰能量下降。5结论（1） 随着能源结构的逐渐完善，燃气发动机优良的排放特性将得以体现。沿海天然气站，中亚，中俄，中缅，重庆贵州开采的页岩气等基础设施逐渐建立后，天然气的市场分为将得到较大的增长，加之城市对环境的苛刻要求，城市天然气公交车，出租车等一大批动力逐步使用气体燃料。有利于缓解环境和能源的紧张局势。（2） 双燃料发动机难以满足日益严格的排放法规，只是作为现阶段的一种过渡动力，到燃气供应和国内技术成熟化后，LNG,CNG等单一燃料发动机的优点将会逐渐显现。汽柴油机改装的燃气发动机虽然改进较小，但相比单一燃料发动机，成本较大，难以充分发挥单一气体燃料发动机油耗的排放优点。（3） 柴油机燃用天然气需要加装电火花或者使用两套燃料供给系统，控制变量急剧增多，难以实现精确控制。现有的技术无法充分发挥燃料的最大热效率。汽油机改装的燃气发动机由于压缩比小，燃烧时与燃气特性不匹配，动力和经济性也难以实现最优化。（4） 总体上LNG比CNG更适合应用于发动机上，资源丰富，储运方便，排放特性好，对环境污染小。LPG的份额将进一步减少，转为主要面向于民用燃气。（5） 气体发动机燃烧