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【摘要】 我国天然气储量丰富、清洁环保，是未来的理想替代燃料。本文对天然气发动机采用当量比燃烧、稀薄燃烧以及柴油引燃天然气燃烧三种典型燃烧技术路线进行分析，指出不同燃烧技术条件下发动机动力性能、经济性能、排放性能的特征和差异性，以期为开发满足国V排放标准的天然气发动机选择合理的技术路线提供一定的参考。
【关键词】 天然气；当量比燃烧；稀薄燃烧；柴油引燃；燃烧技术
随着社会发展，汽车保有量不断增加，我国对汽油、柴油的需求量不断加大，能源问题日益凸显，寻找安全高效的替代能源迫在眉睫。另一方面，汽车污染排放对人类危害越来越严重，特别是在大城市，它已成为主要污染源。当前，我国北京、广州、上海等一线城市中来自汽车尾气排放的氮氧化物、碳氢化合物以及一氧化碳等有害气体占到了50%以上，部分污染严重的城市已经达到90%以上[1]。因此，积极寻找新能源替代汽油、柴油等化石燃料，降低汽车尾气排放显得尤为重要。
在各种代用燃料中，天然气因其储量大、清洁、排放低、热值高、使用经济性好而备受关注 [2]。据地质学家预测，全球天然气可开采储量约为1317亿吨石油当量，与石油储量基本相当。据估计我国天然气资源储量为38.4万亿立方米，最终可探明天然气地质储量为13.2万亿立方米[3]。本文分析了不同燃烧技术天然气发动机技术性能，以期为开发满足国V排放标准的天然气发动机选择合理的技术路线提供一定的参考。
一、天然气发动机特征分析
天然气主要成分是甲烷（CH4），燃烧产物是水（H2O）和二氧化碳（CO2），是一种非常清洁的绿色能源。据相关研究表明，与汽油机相比，天然气发动机可将尾气中的HC减少72%，NOx减少39%，CO减少90%，SOX、Pb降为零，与柴油机相比，颗粒物排放几乎为零。另外，虽然天然气辛烷值高，抗爆性能好，能够通过增大发动机压缩比来提高热效率。但天然气由于自身物化特性，其低温启动性能比汽油机差，同时与传统的汽油相比，天然气燃烧速度仅为33.8cm/s，比汽油的燃烧速度39～47cm/s慢。再加之天然气混合气热值为3390KJ/m3，比汽油的3750 KJ/m3低，以及天然气发动机充气效率较差等原因，所以天然气发动机的动力性能比传统化石燃料发动机的动力性差。特别是在小负荷和稀薄燃烧条件下，由于天然气本身着火温度高、火焰传播速度慢、火焰温度低以及发动机本身燃烧组织不完全等因素造成发动机热效率降低，还会产生大量的未然HC和较高的CO排放[5]。所以为了更好地发挥天然气清洁环保的优势，同时保证天然气发动机的动力性和经济性，本文详细分析了天然气发动机采用当量比燃烧、稀薄燃烧、柴油引燃天然气三种典型燃烧技术的特点，对比分析了这三种燃烧技术路线条件下天然气发动机动力性、经济性、排放性的差异，为天然气发动机选择合理的燃烧方式和开发满足国V及更严格排放法规的发动机提供一定的参考。
二、典型燃烧技术
当量比燃烧是将过量空气系数λ控制在1附近区域，同时采用三元催化转化器TWC来处理CO、HC、NOX等排放物的一种燃烧方式。目前，根据进气方式可分为进气道单点喷射、多点顺序喷射以及缸内直接喷射天然气发动机。
稀薄燃烧技术主要是通过电子控制技术和宽氧传感器进行空燃比闭环控制，将发动机过量空气系数λ控制在1以上，失火界限以下（通常在λ在1.3～1.6之间），同时采用催化转换器来处理CO、HC等污染物的一种燃烧方式。另外，稀混合气造成点火困难，需要更高的点火能量。据研究表明，当量比燃烧天然气发动机需要点火的点火能量是汽油机的3倍左右，而稀薄燃烧天然气发动机需要的点火能量是当量比燃烧的1.5倍左右[6]。目前，稀薄燃烧技术主要分为进气道单点喷射和多点顺序喷射。进气道单点喷射由于其各缸均匀性好、循环变动较小等优势得到了广泛应用。
柴油引燃天然气是指在缸内压缩上止点之前先喷射少量柴油，通过压缩柴油自燃，引燃天然气与空气混合气的一种燃烧方式。柴油引燃天然气技术通常主要用于以柴油机为原型机的改装机上面，因此，柴油引燃技术保持了柴油机的高压缩比、高热效率、燃油经济性好等优点[7]。目前按照天然气供气方式，可分为缸外供气和缸内供气两种方式。目前，加拿大西港（Westport Innovation）公司的缸内高压直喷技术能够实现天然气替代90%以上的柴油，而缸外进气道供给天然气方式一般只能替代少于50%的柴油。与同类柴油机相比，采用HPDI技术后颗粒物排放（PM）降低约80%、NOX可降低40%～50%，热效率不低于柴油机，动力性与柴油机相当[8]。
三、基于不同燃烧技术的天然气发动机性能特征对比分析
随着日益突出的能源问题和环境问题，对发动机的性能提出了更高的要求。天然气由于自身理化特性不同于传统汽油和石油，采用不同燃烧技术路线的天然气发动机性能有所不同。下面对比分析了天然气发动机采用当量比燃烧、稀薄燃烧、柴油引燃天然气三种不同燃烧技术发动机动力性、经济性和排放性的特征和差异，本文分析研究的目的是在利用天然气时，选用或组合利用这些技术使发动机的技术性能和排放达到较理想的水平。
（一）动力性分析
当量比燃烧技术由于天然气和空气按照化学计量比混合，混合气燃烧速度快，缸内燃烧温度高，压力升高率和最高压力大，发动机输出功率、扭矩较大，动力性强。
稀薄燃烧由于混合气过量空气系数较大，通常λ在1.3～1.6之间，同时，天然气燃烧时火焰传播速度比汽油、柴油慢，燃烧速度下降导致传热损失增加，缸内燃烧温度较低，最高压力较小，所以其动力性比当量比燃烧有所下降。图1是CA6SE1-21N天然气发动机在1450r/min、50%节气门开度条件下，不同过量空气系数下测得的缸内压力曲线。
柴油引燃天然气技术中引燃柴油相当于多个火源同时着火，其点火能量远远大于传统的火花塞点火，保证发动机点火可靠。并且引燃柴油先被压燃，导致缸内温度压力升高，从而加快天然气的燃烧速度，使缸内燃烧温度、燃烧压力快速升高，发动机动力性较好，与柴油机相当。
（二）经济性分析
三种燃烧技术中，当量比燃烧受爆震限制，其压缩比不可能太高，同时由于燃烧室缸内温度高，传热损失较大，发动机热效率较低，经济性差。
稀薄燃烧技术由于增加了混合气中双原子分子（氧气）的比例，提高了混合气的等熵指数，有利于提高膨胀功。同时，采用稀燃方式缸内燃烧温度较低，通常稀燃发动机排温要比当量比燃烧方式低150℃～200℃[10]，可以在不发生爆震的前提下，适当提高发动机压缩比，因此发动机热效率较高，经济性较好。
柴油引燃天然气技术，由于是在柴油机原型机上改装，基本上保持了原机的高压缩比，同时引燃柴油如同多个火源同时点火，减少了失火的可能性，确保点火可靠，发动机燃烧时热效率较高，燃油经济性较好。双燃料发动机能够在大部分工况下提高燃油经济性10%以上，最高可达35%[11]。
（三）排放特性分析
三种燃烧技术路线中，当量比燃烧路线混合气按照化学家计量比燃烧，缸内燃烧温度高，NOx排放较高，CO和HC排放较低，但通过三元催化转化器处理后能够达到排放要求。Corbo等人在1台6缸CNG增压发动机上用ECE-R49方法对稀燃和加TWC后处理的当量比燃烧排放物进行了对比，结果见表3。目前，美国康明斯公司采用当量比燃烧加废气再循环技术已经能够达到欧Ⅴ标准，甚至是更严格的Ⅵ标准。
稀薄燃烧技术，由于混合气较稀，λ在1.3以上，缸内燃烧温度较低，所以NOx排放低，同时由于氧气充足，CO排放较低。但另一方面稀薄燃烧造成发动机燃烧不稳定，甚至容易出现失火，造成未然HC排放较高。针对稀薄燃烧需要研制专用后处理装置来处理掉排气中的THC、CO及微小颗粒（主要成分是VOC，挥发性有机化合物）。
柴油引燃技术由于采用天然气高替代率，其燃烧排放物主要受天然气的影响，与纯柴油机燃烧相比较而言，其排气污染物得到了较大的改善，特别是颗粒物的排放几乎为零。同时与稀薄燃烧技术引起的未然HC排放较高相比，柴油引燃天然气技术能够更好地控制HC排放。
四、结语
（一）天然气主要成分是甲烷，完全燃烧产物是水和二氧化碳，是理想的化石燃料替代能源。同时，由于其自身的理化特性，采用不同的燃烧技术路线发时动机动力性、经济性、排放特性有所不同。
（二）稀薄燃烧和柴油引燃天然气燃烧技术由于采用较高的压缩比和较大的过量空气系数，因此燃油经济性比当量比燃烧好。
（三）当量比燃烧和柴油引燃天然气燃烧技术由于点火可靠，减少了失火的可能性，缸内燃烧温度和压力较高，发动机动力性比稀薄燃烧好。
（四）稀薄燃烧和柴油引燃天然气燃烧技术由于混合气过量空气系数较大，缸内燃烧温度相对较低，因此，NOx排放比当量比燃烧减少。但三种燃烧技术结合适当的后处理技术，都能够减少汽车污染物排放。
参考文献
[1] 李兴虎.汽车环境保护技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004，（2）：330-331.
[2] 简迎新.天然气发动机应用中的问题及发展方向[J].能源与环境，2008，（1）：21-22.
[3] 邵邙南.发展天然气为汽车燃料的环保和经济前景[J].甘肃科技，2005， 21 （7）： 18-19.
[4] 闫云飞，张力，冉景煜.天然气汽车发动机低NOX燃烧排放技术研究现状[J].天然气工业，2007，27（5）：126-128.
[5] 刘雄，张惠明，吕筱萍，傅茂林.降低双燃料发动机HC和CO排放的研究[J].内燃机学报，2003，21（1）：35-39.
[6] 刘凯，席跃进.车用天然气发动机关键技术研究与发展[J].柴油机设计与制造，2008，15（3）：337-340.
[7] 梁昱，周立迎.双燃料发动机技术研究综述[J].贵阳学院学报（自然科学版），2008，3（3）：18-23.
[8] 王建昕，帅金石.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.
[9] 窦慧莉，刘忠长，闫涛.过量空气系数对天然气发动机燃烧及排放的影响[J].汽车技术，2006，（3）：8-12.
[10] 王宇，马凡华，刘海全.天然气发动机燃烧方式分析[J].车用发动机，2007，171（5）：18-21.
[11] 张春润，李辉，张卫锋.基于原机动力性的柴油-天然气双燃料发动机性能研究[J].车用发动机，2013，209（6）：57-61.
[12] Corbo P，Gambino M，Iannaccone S，et al. Comparison Between Lean-Burn and Stoichiometric Technologies for CNG Heavy-Duty Engines[C]. SAE Paper 950057， 1995.