天然气替代燃料可行性评价.doc

第二章 天然气替代燃料可行性分析
第二章 天然气
2.1 天然气资源状况
世界天然气资源丰富, 据统计，全世界常规天然气的潜在储量在350万亿立方米以上，目前已探明储量约为200万亿立方米。世界上天然气资源最为丰富的地区为俄罗斯的远东地区，其次是中东石油国家，拉美地区的天然气储量也相当可观。全球目前约有123个平均储量达3.24亿桶油当量的陆上天然气开发项目，126个平均储量达3.44亿桶油当量的浅水天然气项目(不包括伊朗北方气田和南帕斯气田)。天然气作为公认的清洁能源，与煤炭、石油并列为世界能源的三大支柱。据研究资料显示，世界已探明的石油储量，按现在的消耗速度只能再支撑40～70年。而已经探明的天然气储量，预计可以开采利用200年以上[1]。
中国拥有丰富的天然气资源。根据第二轮油气资源评价结果，在69个盆地和地区计算天然气资源量为38万亿立方米，已探明天然气储量为2万亿立方米。中国天然气探明储量集中则在10个大型盆地，依次为:渤海湾、四川、松辽、准噶尔、莺歌海一琼东南、柴达木、吐哈、塔里木、渤海、鄂尔多斯。据统计，我国每年探明的天然气储量都在3000亿立方米，未来10年，我国天然气年产量将达到1000亿立方米。可见，现在正是天然气工业大发展的最佳时期[2] 。
2.2 天然气的理化性质
天然气是一种优质的气体燃料，无色、无味、无毒且无腐蚀性，他常产于开采石油的油田或天然气田。油田半生的天然气中含有石油蒸汽，被称为半生气或石油气，他含有较多量的重碳氢化合物。纯粹气田产的天然气因不含石油蒸汽被称为干天然气，其主要成分为甲烷（CH4），还包括乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）等饱和碳氢化合物，其中甲烷含量约为85%-92%。除了碳氢化合物以外，天然气中还含有少量的CO2、N2、O2、H2O等，表2-1比较了天然气与汽油柴油性能的差异。

表 2-1 天然气与汽油、柴油的理化性质比较[3]
项目
天然气
汽油
柴油
H/C原子比
4
2-2.3
2-2.3
标准状况下密度(Kg/m3)
0.715
700-780
840
沸点/℃
-161
30-190
170-350
凝点/℃
-182.5
<-100
0
蒸发潜热/（KJ/kg·k）
510
349
270
气/液容积比（15
℃）
624
150
150
理 论
空 燃 比
质量比
17.25∶1
14.8∶1
14.3∶1
体积比
9.52∶1
8586∶1
9417∶1
低热值(MJ/kg)
49.81
43.90
42.50
混合气热值(MJ/m3)
3.394
3.839
3.790
辛烷值/RON
130
80-90
20-30
十六烷值

14
45-65
着火极限（体积）%
5-15
1.3-7.6
1.5-8.2
着火温度（常压下）/℃
537
390-420
350
层流火焰传播速度v(cm/s)
31.5
35.0-47.0

火焰温度/℃
1875
2197

2.3 天然气燃料的优缺点
天然气燃料的优点：
(1)抗爆性好。压缩天然气性能优良，辛烷值高，在发动机上应用时可适当增大压缩比和点火提前角。
(2)安全性能优良。天然气自燃温度比汽油高，在空气中可燃范围下限值比大, 同时又是一种高燃点的轻质气体，在常温常压下比空气轻，泄漏后很容易扩散，不至于达到燃烧下限值。
(3)可提高汽车的可靠性及使用寿命。天然气燃料在气缸中的燃烧属无爆震燃烧，故润滑油膜不易破坏，润滑良好，有关零部件免受爆震、冲击负荷，且燃烧完全，很少有固体微粒产生，因此减少了气缸等运动件的磨损，提高了可靠性及使用寿命。
(4) 排放性好。天然气燃料与空气混合良好，各缸间分配均匀，燃烧充分，热效率高，大幅度降低有害排放物及颗料排放。
(5) 技术较成熟。天然气汽车技术包括天然气净化处理技术、汽车改装技术、加气站技术、加压或液化储存技术及天然气汽车检测技术，许多发达国家已配套完善，技术上成熟。我国也正在大力推广使用天然气汽车。
天然气燃料的缺点：
（1）由于气体燃料的能量密度(单位容积的能量)低，汽车所能携带的燃料量较少，一般行驶里程较低。
（2）由于目前的天然气汽车是在原来的汽油车或柴油车的基础上改装，原来汽油机或柴油机的燃料系统大多保留。而且需增加发动机的燃料系统的部件，如储气瓶、减压阀、混合器等，这不仅需要一定的改车费用，而且使原来汽车的有效空间减少，本身的自重增加。
（3）天然气是气态燃料，不容易储存和携带，为此需要加压和液化以装瓶，这样就需要建造比汽油、柴油加油站投资都大的加气站，并需要形成一定的网络，一次性投资较大。
（4）LNG的开发和应用的难点之一在于天然气常温下很难液化，因此LNG的制取比CNG要复杂，而且LNG 在常压下只有保持在-162℃ 以下
才能呈现为液态，因此LNG 的气瓶和传输管线需要具有良好的绝热性能，其设计制造相当复杂，成本较高。
2.4 天然气燃料发展状况
近二十多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在2％。预计到2020年，天然气在世界能源组成中的比重将会增加到30％。到2l世纪中后期，天然气在世界能源结构中的比重将超过石油，成为世界第一大能源。截止到2006年2月的统计资料显示，全世界共有486万辆天然气汽车，其中，位居世界第1位的是阿根廷，保有量为145．9万辆；中国居世界第7位，保有量约9．7万辆[4]。
2.4.1 国外发展状况
俄罗斯天然气储量和产量均属世界之首，原苏联从1938年开始用天然气作为汽车发动机燃料，1981年苏联通过了天然气汽车运输发展计划，到1993年俄罗斯的天然气汽车达到100万辆。日本近几年来以燃气协会为中心全力推进天然气汽车的研究和开发。澳大利亚、新西兰所发展的天然气汽车是以意大利引进改装部件为基础，结合本国国情逐步开发出具有本国特色的产品，现在新西兰已拥有天然气汽车约15万辆。美国是世界上天然气汽车保有量最大的国家。早在70年代美国受石油价格的冲击开始开发压缩天然气汽车。联邦环保局从1994年起对各型车辆实行更为严格的排放限制，并在全美实施一项清洁空气示范计划。同时，美国政府作出表率，带头大量使用天然气汽车[5]。
2.4.2 国内发展状况
我国NGV(V-vehicle缩写)从上世纪50年代开始出现，曾中断20年，到80年代、90年代NGV出现了前所未有的发展势头。截至2004年底，我国正式确定的清洁汽车重点推广应用城市(地区)有19个，燃气汽车保有量为21.5万辆，其中使用压缩天然气的汽车已达9.72万辆。我国政府为推广燃气汽车，主要采取了两方面措施。一方面国家启动了“西气东输”工程。随着该工程的逐步实施，天然气长输管道和加气站等配套措施的进一步建设，油气差价减小的矛盾将得到解决。近几年来我国天然气汽车数量增长较快，但总体上缺乏对天然气发动机控制技术的系统研究和试验，使我国在该技术领域与国外水平相比仍有很大差距，因此深入开展车用天然气发动机的研究开发，充分发挥天然气汽车的技术潜力，已经成为我国天然气汽车工业发展的当务之急[6]。
2.5 天然气燃料在汽车上的应用
2.5.1 天然气在汽车发动机上应用形式
天然气在发动机上应用形式按不同标准有不同的划分方法，主要有以下几种方式：（1）按点火方式不同，天然气发动机分为两种，即火花塞点火的天然气发动机及柴油引燃的天然气发动机，（2）按天然气燃料贮存状态的不同，又可分为压缩天然气(CNG)发动机及液化天然气(LNG)发动机。(3)按供气方式可分为缸外(进气管)预混合供气及缸内直接喷气。缸外预混合供气还可分为混合器供气和喷气阀供气两种方式。(4)按控制方式可分为机械式、电子式(开环、闭环)控制等。(5)按增压与否分为增压与非增压方式。本文主要研究柴油机替代燃料可行性，所以主要以柴油机改为天然气发动机为基础进行研究，国内外研究人员针对柴油机改为天然气发动机，开发了许多不同种技术形式的发动机。主要有柴油一天然气双燃料发动机、火花塞点火式天然气发动机、天然气缸内高压直喷式天然气发动机三种形式。
2.5.2 柴油-天然气双燃料发动机
由于天然气着火温度较高，发动机压缩过程中缸内气体温度达不到其自燃点，因此必须靠电火花点火，或者喷人少量柴油，柴油自燃再引燃天然气，双燃料发动机以少量的柴油10%-15%或更低作为引燃油量，点燃大部分燃料燃烧做功。此种类型的天然气发动机是通过对柴油机进行相应的改造得到的，采用压燃式的工作方式，依靠柴油机引燃。它继承了柴油机高效率的特点，而且具有较好的动力性，具有燃料转换方面的灵活性，只需控制一个转换开关，就可实现双燃料和使用纯液体燃料的普通发动机工作状态的切换，适用于加气站设施不完善的地区，尤其适合中国的国情。但发动机需要两套燃料供给系统，增加了系统的复杂性。这种形式的天然气发动机通常用于大功率运输车辆上。
在柴油—天然气双燃料发动机上，天然气的供气方式主要有两种，即缸外供气和缸内直接喷气。缸外供气又有进气管混合器供气和进气歧管喷射两种形式。在混合器供气方式中，混合器控制气体燃料与空气的混合浓度以及混合气的流量，其工作原理是利用混合器喉口形成的真空度，使一定量的天然气与空气在混合器中混合，形成可燃混合气。混合器与汽油机中的化油器类似，不能准确地控制空燃比，导致发动机的排放性能较差。进气歧管喷射方式是采用喷射阀直接向进气道内喷射天然气，而喷射阀一般均采用电子控制方式，又分为单点和多点喷射，后者又分为顺序喷射、分组、同时喷射。电子控制时，空气和气体燃料分开测量，在各种工况下都能精确地计量气体燃料量，而且在整个使用期内可以保持高精度和高稳定性。由于可以严格控制气体燃料喷射量和喷射始点与进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现定时供气及层状供气，可根据发动机转速与负荷更准确地控制空燃比；同时，电子控制的灵活性和高速处理能力使其可以根据发动机的各种运行工况的变化，使发动机优化运行，从而取得良好的排放性能，目前常用[8]。缸内气体喷射技术将在下面单独介绍。
对柴油—天然气双燃料发动机的性能和排放的研究表明，其排放性能强烈地依靠于发动机的运行条件。一般情况是：柴油—天然气双燃料发动机在中等负荷以上工况具有良好的性能，热效率与柴油机相等；在稀混合气条件下能同时降低颗粒和氮氧化物；但在低负荷时有未燃碳氢排放增加的缺点，这是由于在没有节气门的条件下，随着负荷的降低，空气—天然气混合气变得极稀薄，燃烧恶化，在排气中有较多的不完全燃烧产物，同时发动机的扫气也增加了未燃碳氢的排放。
由于机械控制混台器供气方式成本低，国内以前大多采用这种方式，但很难达到较高的排放要求，为解决双燃料发动机低负荷时排放性能差的问题，为了达到更严格的排放标准。必须采用电控气体燃料喷射技术，尽管是一种高成本解决方案，但是大势所趋。下面介绍两种常用电控喷射系统[08]。
1）喷油泵电控、气体燃料电控多点喷射
柴油机原有的喷油泵进行电子控制，天然气采用进气歧管电控单点或多点喷射，实现双燃料发动机柴油和天然气的综合电子控制，全面提高发动机的性能。美国SPI公司为奔驰公司改装的0M352双燃料发动机就是较典型的一种。0M352双燃料发动机既可以用少量的柴油作为着火火源，使天然气作为主要燃料来工作，也可以保持全柴油方式工作。其燃油系统是将原来的机械控制直列式喷油泵改造成电子控制式喷油泵，一方面在全柴油方式工作时进行电子控制以保证获得良好的性能，另一方面可以优化控制各工况下的引燃油量，以确保燃用天然气时获得优良的排放性能。其天然气供给系统采用开关式高速电磁阀作为气体喷射器，定时定量地直接向进气歧管根部喷射天然气，采用电控多点喷射方式。此方法改造较小，响应快，体积小，寿命长，具有较强的抗干扰性。
2）微量柴油引燃、气体燃料电控多点喷射
天然气供给系统采用开关式高速电磁阀作为气体喷射器，采用进气歧管电控多点喷射技术。美国BKM公司提出了在双燃料发动机上采用微量柴油引燃技术，利用该公司的SERVOJET电控共轨蓄压式喷油系统代替了柴油机原来构直到式高压油泵，可以实现引燃柴油的微量喷射，每个循环引燃油量只占全负荷油量的1％ ，而且可以得到精确控制。
由柴油机改装的双燃料发动机的功率一般来说可达到原柴油机的功率，对于原空气利用率不高的柴油机，改装为天然气发动机后，甚至要超过原机功率，且由于引燃柴油火焰能量大，可使天然气实现稀薄燃烧，燃烧温度较低，减少NOx及微粒(PM)排放，且爆震倾向减弱。喷油泵电控和天然气电控多点喷射技术目前已较为成熟，其关键部件HSV高速电磁阀国内也能够生产，整个系统的成本较其它系统也大大降低。因此该项技术可以作为一个重点研究方向，最有可能在我国得到推广。国外将高压共轨喷油系统开始小规模应用也只是近几年的事，国内在这方面的研究刚刚起步，有很多技术问题和工艺问题需要解决，在柴油机上尚难实用化，想要在双燃料发动机上应用，无论从技术上，还是从成本上都是不现实的。电子控制气体燃料喷射技术为达到最低的排放提供了重要的基础，但是还必须与其它技术措施相结合。才能达到最佳的效果。目前可用的技术包括层状进气稀薄燃烧技术、废气再循环技术、增压中冷技术以及催化氧化还原技术等。
2.5.3 点燃式天然气发动机
根据其供气方式和控制技术，火花点燃式天然气发动机又可以大致分为3种。第一种系统包含一个与化油器类似的部件，用于形成混合气，例如美国底特律柴油机公司50G NGV 的预混合供气系统[9]。这种类型的优点是结构简单，价格较低。但是由于无法进行闭环控制，难于精确地控制空燃比，因而难于达到较高的排放控制水平，不能充分发挥天然气改善排放性能的潜力。目前基本被淘汰。第二种系统采用电控单点喷射(SI)，并结合氧传感器进行闭环控制以较精确地控制空燃比，从而使发动机具有较好的经济性和排放性。但是由于单点喷射器与废气氧传感器之间有较长的距离，因而系统对空燃比的变化相应较迟钝，难于依靠氧传感器的信号在设定的空燃比附近实现快速振荡控制，尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变化，从而使混合气在较长的时间过稀或过浓，使这些工况下的排放性能较差，影响了整体排放指标[10]。第三种是电控多点喷射系统(MI)。目前已经有电控多点进气口喷射系统产品。这种系统可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制，具有良好的响应性；能实现精确地爆震控制，从而可以采用较高的压缩比，因而排放性、动力性和经济性都有很大提高。
国外较多在柴油机基础上改装成火花塞点火式天然气发动机，并已投放市场。如依维柯8220及8460TC 型、康明斯B5.9—195G 型、日本的4BEI型，卡特彼勒3306型及福特380型等，其中许多涡轮增压机型的改造也很成功。将柴油机改装为火花塞点火式天然气发动机，首先要降低压缩比，根据国外经验，燃用天然气的专用型非增压发动机合理的压缩比为12左右，允许的最高压缩比可达15[12]。燃烧室的设计应有利于组织燃烧过程，国外的研究表明[012]：使用不同挤气面积的燃烧室结构，产生的NOx和非甲烷HC排放物显著不同，开式燃烧室具有NOx排放低和热效率高的特点；考虑到天然气的燃烧速率较低，排温升高，应改进气门和气门座的材料；另外，天然气发动机由原柴油机的质调节变为量调节，进气管内真空度增大，气门组件等处应采取防漏油措施。若天然气采用混合器预混合供气方式，则扫气过程是用混合气进行，使天然气消耗量增大且增加HC排放，故气门重叠角应适当减小。以减少进气过程中燃料的逃逸量，且气缸中形成自然的废气再循环，降低了最高燃烧温度及NOx的生成量。若采用天然气喷射阀定时喷射方式，可不改变气门重叠角，就可达到更优良的性能。为了提高热效率、减少后燃及爆震的可能性，对于缸径较大的天然气发动机，除了采用高能点火系统外，有的还采用双火花塞点火，以减少火焰传播距离，缩短燃烧持续期。有的天然气发动机采用稀薄混合气燃烧方式，以降低发动机的热负荷、燃料消耗率及排放，如康明斯B5.9 -195G 型天然气发动机，为了补偿稀燃带来的功率损失，通常采用增压中冷措施来提高功率。但对于稀燃天然气发动机，若采用汽油机使用的三元催化剂，转换效率会有所降低，特别是对碳氢化合物，这是由于天然气的主要成分甲烷分子十分稳定，仅仅为了获得50％ 的转化效率，就必须使排气温度高于57℃ ，稀燃天然气发动机较难实现。 因此，稀燃天然气发动机需采用更好的氧化催化剂，其制造难度较大，成本较高。而采用理论混合比的发动机排温较高，可提高氧化催化剂的转化效率，降低甲烷的排放量[13]。
国内对于点燃式天然气发动机试验研究最多的是北京理工大学。北京理工大学把6105Q柴油机改装为火花点火式天然气发动机，其改装方案是：对其进气系统、燃烧系统进行重新设计，去掉柴油喷射系统，增加点火及天然气供气系统。在燃烧系统方面，综合考虑性能与排放等因素，适当降低了压缩比，根据对发动机缸内燃烧放热率及流动状况等的仿真计算结果，确定天然气发动机采用盆型燃烧室。点火系统试验匹配过程中，选用了机械式点火系统和电子控制点火系统两种方式进行比较。进气系统进气总管安装了节气门，使发动机负荷调节方式由原柴油机的质调节变为量调节方式，为改善各缸分配均匀性及提高天然气发动机的动力性，重新设计了谐振腔进气管，且兼顾了各缸进气的均匀性和天然气喷射的方向。实验表明，天然气发动机的最大转矩转速与柴油机相比有所降低，这主要原因是由于进气系统加入了节气门，使高速工况进气阻力增加，充气效率降低，输出转矩下降。而低速时对进气阻力影响相对较小，使天然气发动机的最大转矩点向低速区偏移。天然气发动机配装电控多点喷气及电控点火系统后，动力性与6105Q柴油机基本相当。天然气发动机由于缸内可燃混合气的过量空气系数小于原柴油机，且由于天然气发动机燃烧持续期拖长，排气温度高于原柴油机。因此，燃烧经济性与原柴油机相比有所降低，当量燃料消耗率(换算为柴油质量)比原柴油机高出10％ ～20％。天然气以气态进入发动机气缸，与空气混合均匀，燃烧比较完全，解决了原柴油机的排烟问题。接着做了发动机台架试验，结果表明：采用电控点火及电控顺序喷射技术可显著提高天然气发动机的动力性，排放指标也明显改善[11]。
大量研究表明，由柴油机改装的火花塞点燃式天然气发动机与原机相比，动力性可能有所下降，其原因主要有以下几点：(1)天然气与空气混合气的热值和柴油与空气混合气的热值相比低一些；(2)充气效率降低，主要由于混合器喉口处节流等原因造成；(3)天然气混合气火焰传播速度慢，使后燃严重，排温高，以及为抑制爆燃采用较低的压缩比，都会带来平均有效压力和热效率的下降。(4) 加装节气门后使得部分负荷时泵气损失增加。排气管处加装催化剂反应器，带来排气的损失。目前，由柴油机改装的火花塞点燃式天然气发动机的功率恢复主要是通过稀薄燃烧、合理选择压缩比、优化燃烧室结构、优化控制天然气与空气的混合及燃烧过程，优化点火控制并提高点火能量及采用增压技术等措施来实现。由于天然气的成分复杂，加之发动机实际工况多变，要想提高汽车的动力性，天然气的准确喷射时刻和精确的喷射量是关键，这须由电控多点燃气顺序喷射系统完成。
把柴油机改为火花天然气发动机，虽然平均有效压力和热效率相对于柴油机有所降低，但因其改造费用较低，排放性能好，使用成本低，以及可替代宝贵的石油资源等优点，在国内外天然气藏量丰富的国家都有较大范围的使用。目前，我国许多大、中城市把发展天然气公交客年作为治理城市大气污染的重要举措之一，因此，研究、开发柴油机改为火花点火式天然气发动机具有广阔的市场前景。
2.5.4 缸内直喷式天然气发动机
双燃料发动机一方面要控制柴油的喷射量，另一方面还要控制气体燃料的供给，达到合适的油气混合比例，系统复杂技术难度较大，许多问题仍在研究之中。90年代以来，国外开始研制开发缸内喷气方式，缸内直喷系统将燃料喷射阀安装在气缸盖上，并以较高的压力将燃料直接喷入气缸，缸内气体喷射完全实现了混合气的质调节，对空气充量几乎没有影响，具有和缸外喷射方式相同的优点，能部分地恢复天然气发动机的功率，不会遇到像火花点火CNG发动机功率严重下降的问题，油气共用喷射器、气体燃料缸内直接喷射系统的性能优势明显，也无须对柴油机本体进行改动但其结构复杂，技术要求高，是一种性能价格比较高的方案，需对发动机燃烧系统作较大的改动，同时由于喷射阀处于极恶劣的工作环境，对阀的密封、润滑和可靠性提出很高的要求。下面介绍几种缸内直接喷射系统[14]。
1）油气共用喷射器、缸内高压直接喷射
加拿大British Columbia大学提出了柴油和天然气共用一个喷射器的天然气缸内高压直接喷射技术。该喷射器与原柴油喷嘴的形成和尺寸完全一致，因此不需要改动。该技术采用天然气高压缸内直喷技术，发动机不需要节气门，不存在节流损失和容积效率损失。底特律柴油机公司使用该高压直接喷射系统对6V92TA发动机进行了改装，改装后的双燃料发动机与原柴油机在扭矩、功率和燃料消耗方面基本相同，NO 排放减少了45％ ，CH排放减少了25％ ，颗粒物质(PM)显著减少。
2） 燃油调制喷射、气体燃料缸内直接喷射
目前一种新颖的天然气发动机燃料喷射系统是采用电控RAM调制柴油喷射的气体燃料发动机预喷射系统，由美国BKM公司提供。其方式是将少量柴油先预喷射喷人燃烧室，由柴油的自燃确保在燃烧室中形成足够的着火表面，也就是由柴油引燃天然气，这是一种能引发点火的有效方案。在该系统中，气体燃料采用缸内直喷技术，引燃油量采用电控RAM调制柴油喷射系统控制，喷射的柴油量极少(为全负荷油量的l％～3％)，因而需要对柴油喷射系统进行精确的调节。试验结果表明，气体燃料/空气分层混合气初始着火要求小油量且必须使喷油特性保持不变。RAM调制系统对气体燃料发动机预喷射这一新的应用领域具有非常好的适应性。但天然气的喷射仍然需要另外一套装置，增加了系统的复杂性。
但是，高压喷射系统需要高压的气体燃料CNG，需要一个小型车载压缩机将气体压缩到约20 MPa，这样一来，就要消耗一部分功率，整个系统效率下降，使得成本和能耗上升。考虑到目前我国的工业水平和加工工艺水平，由于缸内直喷方式对天然气喷射系统、缸内流动混合及燃烧控制的要求较高，特别是燃气喷射阀装于气缸盖上对其耐高温和高压性能要求很高，在目前仍然是制约实现缸内直喷的主要因素，但还是可以作为一个以后的发展方向深人做一些工作，加上喷油泵电控和天然气电控多点喷射技术目前已较为成熟，其关键部件HSV高速电磁阀国内也能够生产，整个系统的成本也大大降低。
2.5.5 天然气发动机改装
天然气燃料应用于柴油机，关键是对柴油机的结构改造，为了降低改制成本，应保持原机基本结构不变，如曲柄连杆机构、配气机构、机体、缸盖、冷却系统、润滑系统等。根据国内外成功的经验，改制工作应该考虑以下几个方面[7]：
1）进、供气系统
天然气供气系统一般由高压气瓶、天然气气路关断电磁阀、减压阀、天然气喷射阀组成。在天然气发动机中，有三种燃气—空气混合方式：一是在进气管内混合，这种方法的优点是混合时间长、混合气均匀。其缺点是用混合气扫气，燃气消耗率高。二是在气缸盖气道内混合，可以将燃气控制在扫气过程之后进入气缸内，从而可以避免第一种方式的缺点。其缺点是由于混合时间太短，混合比较难控制。第三种是气缸内混合，采用高压喷射的方法将燃气喷人气缸内，一般采用共轨系统，优点是经济性高、性能良好，但改制成本高、技术难度大，目前还处于研究开发阶段。
2）燃烧系统
一般柴油机的压缩比较高，一般大于16，而火花点火式天然气发动机的压缩比一般都低于10。因此，必须降低压缩比，增加压缩终点时的气缸内容积。柴油机缸盖结构复杂，改制时应该保持缸盖结构不变。降低压缩比有两种途径：一是增加缸垫厚度，这种方法比较简单。但要考虑缸垫加厚后，气门推杆是否能正常工作，通常应加长推杆和缸盖螺栓。另一种是更换活塞，改变活塞压缩高度或活塞顶部的凹坑容积，使压缩比降低到所需要的值。要考虑到活塞顶部形状的改变可能会引起活塞机械强度和热负荷的改变，所以，应保证一定的活塞顶部最小厚度。
3）调速系统
柴油机改制成的天然气发动机大多数是用于发电或直接驱动动力机械，因此，为了确保整个机组运行的稳定性，必须设置调速系统。有两种方案可以选择：一是在原柴油机调速器基础上进行改制。这种方案改动量小、成本低，转速控制精度高。另一种是根据天然气发动机的转速，重新设计或选用调速器。这种方案设计灵活，可以设计或选用任意合适的调速器，包括机械的、液压的或电子的。其缺点是改动工作量大、成本高。
当然，对于柴油机改为火花点燃式的天然气发动机，还要考虑点火系统的改造，一般去掉原机上的燃料供给系，增加火花点火系统。一般在缸盖的喷油器位置上安装火花塞，在缸盖上布置点火线圈，而且点火能量要求较高。
2.6 存在的问题及解决措施
1.由于天然气无润滑性，进排气门及座圈温度又高，而普遍出现气门和气门座面磨损比原柴油机严重。因此，应开发天然气发动机气门及座圈的新材料。
2. 动力性下降是柴油机改装后的主要问题。其技术改善措施有增压中冷、稀薄燃烧、采用电子控制喷射系统、优化点火装置等 [15]。
3.当天然气发动机用混合气进行扫气时，配气定时应是考虑的一个问题，主要是气门重叠角。当气门重叠角较大时，在高负荷、变工况或气源品质变动大时很容易产生回火现象。应该考虑变动配气定时或采取一些措施，因此，除了调整点火提前角之外，设置进气道安全装置是必要的。
4.发动机调试是改制天然气发动机的一项重要、细致的工作，包括空燃比、点火提前角、调速器全负荷调速范围、标定功率点、外特性等的确定。它们最终决定了发动机的性能和使用寿命。必须严加调试合格后方可使用。
2.7 产业化前景
1.全国天然气管网建设发达。陕京线解决了北京及管线沿途的主要城市的用气问题；川渝气区有大小33条输气管线把天然气输向周边地区；涩宁兰、靖银线、靖西线、郑乌管线解决了西北主要城市的用气问题；以西气东输为代表的输气管道又在全国掀起了利用天然气的高潮，西气东输(包括主要的三条支干线)设计输量120亿立方米就被其沿线覆盖的八省一市的各个城市下游市场分配完毕，目前正论证准备建复线、忠武管道、陕京二线的建设，以及西气东输与陕京线的汇合，即我们通常讲的“西气东输、北气南下、海气登陆”将使得我国华北、华东、中南、西南、西北等经济发达地区的绝大部分城市拥有丰富的天然气资源。考虑到国外进口天然气的可能，东北、内蒙和山东也将拥有更加丰富的天然气资源(渤海湾、松辽盆地已建了19条管线)。南方沿海城市也正在加大海上进口液化天然气(LNG)的进程。可以看出，我国的天然气管网建设已比较发达[16]。
2.政策有保证。城市利用天然气现已成为现代化城市建设的重要组成部分，而城市天然气供应的管道化更是城市现代化建设的重要标志之一。大力发展城市天然气己成为各级政府造福于民、体现政绩的主要方面。同时，这也是上级部门考核当地政府工作绩效的重要内容。因此，各级政府都在考虑如何加快利用天然气发展城市天然气来为己增辉。
4.天然气市场广阔。没有天然气资源的各地，一般城市的燃气市场都是利用人工气、液化石油气，使用的规模和量都比较小。虽在各地相当地方都成立有燃气公司，他们惨淡经营燃气市场。据了解全国非使用天然气的城市只有深圳一家燃气公司有盈利，其余无一幸免地亏损，在吃着政府的补贴。这些企业渴望天然气进入他们的城市，渴望注入新鲜的“血液”(资金)，渴望企业从此获得新生。天然气规划当中的城市是天然气市场开发的潜在市场，众多而繁杂。
5.技术日渐成熟。随着天然气汽车的普及和推广，与之相匹配的加气站技术也已成熟，形成工业化的生产能力，根据不同国家和地区的不同情况，快充站、母子站、慢充站、快慢结合站、移动式加气站以及适于家庭的家用移动式充气装置等不同种类的CNG加气站应运而生，并且会随着天然气汽车的发展而不断发展。另外，发动机应用技术逐渐成熟，主要技术有改装技术、储存技术、增压中冷、稀薄燃烧、高压共轨、电子控制喷射、优化点火、三元催化等技术在发动机上应用越来越多，提高了天然气发动机动力性、经济性、排放性。
2.8 发展建议
天然气汽车在国内外发展较快，天然气汽车的应用范围越来越广，并已带来明显的经济效益和社会效益。作者认为目前天然气汽车的研究热点应主要集中在以下方面：
1.发展小型化、高效率的加气设备，并降低其成本。具体包括开展更轻质的铝合金和复合材料气瓶，开发天然气吸附技术及混合燃料贮存技术，提高液化天然气瓶耐热保温技术水平。
2.天然气发动机基础性技术研究。包括天然气发动机功率恢复、增压中冷、稀燃技术、燃烧特性、排放特性及实用的三元催化剂研究等。不管是现在，还是将来都是需要努力探讨的问题。
3.营造市场、引入竞争。放松市场准入，鼓励其它社会资金进入流通领域，营造健康有序的市场环境；充分运用市场经济手段，如建立国内天然气现货和期货交易市场，以达到降低价格、规避风险、调控市场的目的，合理引导石油天然气的生产、经营和消费。
4.政策鼓励和扶持。具体是以法保护和政策扶植。在某些领域内进行社会性限制来保护天然气汽车，在一定地区也可用行政手段强力推广天然气汽车，运用规划、价格、计划等宏观经济手段进行调控。国家应给予税费照顾、财政补贴和贷款优惠、社会性发展基金应予倾斜等措施来为天然气燃料的产业化铺平道路。
本章小结
天然气发动机的应用和发展主要取决于天然气供应的基础设施、国家汽车尾气排放标准以及成本效益的权衡。把天然气说成是一种 “清洁燃料”是不科学的，并不是不管什么发动机，只要燃用天然气就能解决排放问题，恰恰相反，如果不采取一系列技术措施的话。其排放性能甚至远远低于柴油机，尤其是HC和CO排放增多，只是其烟度低于柴袖机。即使是火花点火式单燃料天然气发动机，也必须采用空燃比闭环控制加三元催化转换器才能满足比较严格的排放法规。对于柴油一天然气发动机来讲，其应用及发展前景是有争议的，有些人认为双燃料柴油机是一种市场过渡产品，而且在不采取先进技术措施的情况下，其排放性能也不令人满意。作者认为，我国天然气资源极为丰富，虽然加气站短时期内很难形成一定规模。但在今后很长一段时间内，从降低排放和能源替代的角度面富，柴油-天然气发动机以其既可以燃用柴油又可燃用天然气的灵活性，经过采取经济有效的技术措施以改善排放性能，会有大量的市场需求。另外，实践证明，要想使天然气发动机优良性能得到充分发挥，电喷技术的采用会是必然的，也是我国以后重点研究的方向所在，尤其是缸内直喷技术是天然气发动机最有前途的一个发展方向。

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