樊俊梅　杨振中　运红丽

摘 要：文章分别从动力性、经济性和排放性三方面讨论车用替代燃料中的压缩天然气对内燃机性能的影响，主要论述了CNG/汽油bi-fuel发动机对比汽油机性能的变化及造成这一现象的原因，概述了纯天然气发动机和CNG/柴油dual-fuel发动机的性能。关键词：压缩天然气;动力性;经济性;排放性中图分类号：TK41  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-34-03

Abstract： This article mainly discusses the influence of compressed natural gas in alternative fuels for vehicles on the performance of internal combustion engines， respectively from three aspects of power， fuel economy and emission. It mainly discusses the change in the performance of CNG/gasoline bi-fuel engine compared with gasoline engine and the reasons for this phenomenon， and summarizes performance of pure natural gas engine and CNG/ diesel dual-fuel engine.Keywords： CNG; Power performance; Economy; EmissionCLC NO.： TK41  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-34-03

前言

汽车保有量的增长带来能源与环境问题。据《BP》67版报告，2017年全球一次能源消费增长，主要由CNG和可再生能源引领。能源需求和环境问题促使人们探索高效、环保的替代燃料。

本文主要讨论CNG对内燃机性能的影响，分别从动力性、经济性和排放性三方面进行论述。

1 压缩天然气对发动机性能的影响

1.1 动力性

在表1中，对采用bi-fuel（多种燃料不混合）燃烧系统的发动机为实验装置所得的结论进行了对比。从表1可以明显看出，对于采用bi-fuel燃烧系统的同一改装发动机，使用CNG燃料获得的动力小于使用汽油所得动力，即CNG发动机的有效功率损失。造成这一现象的主要原因是^[1]-[4]：

（1）CNG燃料火焰传播速度慢。由于甲烷是天然气的主要成分，甲烷的火焰速度最慢，低于汽油和柴油等常规燃料。较低的火焰传播速度造成较长的点火延迟和较长总燃烧时间。因此，与汽油相比，CNG发动机需要更大的点火提前角，在上止点之前活塞向上所做的负功更多。这都增加了热量传递造成的能量损失，从而使发动机功率输出减少。解决天然气火焰传播速度慢的问题的一个有效方法是将CNG与燃烧速度快的燃料混合使用。氢气是CNG的最佳添加剂^[1]。

（2）CNG发动机的容积效率损失。CNG在气相中的密度低于空气，CNG占据更多的空间，相对进入汽缸的空气较少;汽油并没有减少吸入气缸的空气量。这促使汽油的容积效率高于CNG，汽油的有效效率高。因此，将为汽油燃料设计的发动机转换为CNG运行将产生低峰值功率。提高CNG发动机容积效率的途径有：增加每缸进气阀数、增加气门正时和升程优化、使用增压CNG发动机和设计一种改进的进气歧管，但这些都会影响成本和可靠性。

纯天然气发动机的动力性显著高于简单改裝的采用bi-fuel燃烧系统发动机。

CNG/柴油Dual-fuel（两种燃料混合）发动机的大部分动力输出是由气体燃料提供的，而在压缩行程结束时注入的液体柴油的先导量仅用作气体燃料-空气混合物的点火源。与常规柴油运行时观测值的相比，CNG/柴油dual-fuel发动机在低负荷下观察到的气态燃料利用不良，导致发动机性能下降和高浓度的一氧化碳排放^[5]。

1.2 经济性

有效燃油消耗率（BSFC）是比较不同燃料的内燃机性能的重要特征。各种研究证实，使用CNG燃料的有效燃油消耗率比汽油在整个速度范围内低12%至20%^[1]。这可归因于以下两个因素^[1]-[4]：CNG的低热值高于汽油，即相同的功率输出需要较少的CNG燃料质量;CNG与汽油相比，可达稀燃极限更广和燃烧速度更缓慢。

由于有效燃油消耗率低，CNG热值高，天然气发动机的有效热效率比汽油机高5-12%^[1]。改装后的CNG发动机与汽油发动机热效率的差异主要取决于CNG的热值和工况^[2]。

纯天然气发动机的经济性显著高于简单改装的采用bi-fuel燃烧系统发动机。

CNG/柴油dual-fuel发动机在低负荷和部分负荷下比柴油具有更低的热效率和更高的燃油消耗率，在中、高负荷下具有更高的热效率和更低的燃油消耗率。在高负荷下只有加入较多的CNG才能提高热效率，这是由于燃烧持续时间缩短和燃烧阶段向最佳燃烧阶段转变，在低负荷下观察到的热效率下降是由于添加的气体燃料燃烧效率低^[5]。

1.3 排放性

Bi-fuel發动机燃用CNG的排放与燃用汽油的排放对比如表1所示，下面对CO、CO₂、HC减小和NO_x增多的主要原因进行论述。

CO由燃料不完全燃烧形成的。天然气发动机除了具有最高的氢碳比以外，还具有两个额外的重要特点：与汽油相比，低热值较高;与其他燃料相比，火焰传播速度较低。这两个因素降低了燃烧室内的最高温度，从而减少了CO₂的解离。在较高的燃烧温度下，在燃烧过程中CO转化为CO₂。由于CNG具有优良的稀燃极限，有利于减少排放中的一氧化碳和氮氧化物的产生。

CO₂排放量很大程度上取决于燃料的H/C。H/C越高，CO和CO₂的含量就越低。CNG的H/C比汽油和柴油高，这导致CNG的CO₂低于汽油或柴油。

HC的排放CNG低于汽油，主要原因：汽油的分子量远高于CNG。作为轻质燃料，CNG可以形成更好的均匀混合燃料;液体燃料需要时间才能完全雾化和蒸发，才能产生均匀的混合物^[8];燃料化学成分，汽油含有更多的亚种和更复杂的结构^[4]。

NO_x的形成主要是由于空气中氮气在燃烧室内的氧化，CNG的稀薄混合气和较高的燃烧温度（与汽油相比）是CNG排放NO_x的主要原因。

Xiaoyan Huang^[6]等研究了bi-fuel汽车燃用CNG-汽油的CO，HC和NO_x， 研究表明CO排放与车速密切相关;HC排放与速度的相关性是相对周期性的，在加速度和恒速下运行的HC排放差别很小，而燃用汽油时排放的HC比CNG高2.39-12.59倍;工况对NO_x排放的影响不明显，且随行驶工况的变化而变化，虽然CNG车辆排放的氮氧化物比汽油车辆多，但系数范围为1-1.2，非常小。

对于采用bi-fuel燃烧系统发动机，纯天然气发动机的排放性可达更高标准。甲烷排放是纯天然气发动机的一个挑战。

CNG/柴油发动机比柴油机排放的NO_x和PM更少，HC和CO排放更多。NO_x排放的减少主要归因于：先导柴油的用量很小;柴油点燃的CNG的预混低温燃烧产生的NO_x很少^[5]。由于狭隙效应，CNG/空气混合物容易产生更多HC排放。

CNG大大减少了PM的排放，因为其不含芳香族和多环芳烃化合物，其溶解硫化合物也比石油燃料少。由于甲烷没有碳-碳分子键，CNG的燃烧导致苯排放的可能性明显降低，这意味着致癌的多环芳烃（多环芳烃）和烟尘的形成减少。K.N ^[7]等研究了压燃机柴油-CNG双燃料燃烧烟尘的表征，研究结果表明，随着CNG的增加，碳烟氧化活性显著提高。CNG烟尘的起始温度和50%碳转化的温度均较低。D.R ^[8]等对CNG/汽油SI发动机性能分析，结果表明将汽油-CNG混合物与CNG进行比较时，35%汽油和65%CNG混合表现出最佳的排放性能。

2 结论

本文主要讨论压缩天然气对内燃机性能的影响，分别从动力性、经济性和排放性三方面进行论述。本文得出的主要结论如下：bi-fuel CNG/汽油机动力性下降，经济性得到改善，在排放性方面，HC、CO减小，NO_x增多;天然气发动机和CNG/柴油发动机的性能。

参考文献

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[6] Xiaoyan Huang， Yang Wang， Zhenyu Xing， Ke Du. Emission factors of air pollutants from CNG-gasoline bi-fuel vehicles： Part II. CO， HC and NOx[J]. Science of the Total Environment， 2016， 565： 698- 705.

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[8] D. R， C.Y. Goh， K. K. Engine performance， exhaust emission and combustion analysis of a 4-stroke spark ignited engine using dual fuel injection[J]. Fuel， 2017， 207（1）： 719-728.