天然气发动机

发动机类型

天然气的优点包括资源丰富、排放污染低、价格低廉等，日益受到重视，被认为是一种非常具有发展前景的燃料，大部分人都将天然气作为继煤、石油之后的世界上第三大能源，发挥着越来越重要的角色。其主要成分为甲烷，是一种气态燃料，能够与空气充分混合，因此其燃烧后基本没有微粒排放，燃烧后的CO生成量也很少；与其他化石类燃料相比较而言，在开采、生产、储藏、运输、使用等全生命周期内产生的污染物排放量最少，因此天然气又被人们称之为“清洁燃料”。

应用前景

自上世纪30年代初第一台天然气发动机诞生至今，先后经历了3次大发展：首次大发展出现在第二次世界大战后，石油燃料十分匾乏，大都应用于战争中，为了解决燃料应用问题，此时人们想到了天然气燃料，因此固定式内燃机上大量使用天然气燃料，并且一部分车用内燃机也是用天然气，但是由于天然气储存和携带不方便，限制了其发展，在随后的三四十年内发展缓慢。

第二次大发展是在上世纪的七十年代中期，中东战争和石油危机爆发，使得石油价格暴涨，因此美国、西欧各国及日本等石油进口大国的用油成本急剧增加，另外世界上主要的石油输出国联合起来控制石油的生产、价格；使得这些国家认识到能源不能过分依赖石油，能源的多元化战略开始付诸实施。天然气此时再次被重视起来，由于其燃烧后基本不排放黑烟，被称为“绿色能源”，人们初步认识到其环保价值，天然气发动机获得了再次发展的机会。

第三次快速发展是在上世纪末和本世纪初，全球石油价格持续上涨，加上发展中国家逐步开始工业化进程，因此对能源的需求量急剧增加，从而导致国际上能源的供需矛盾日益突出，因此世界上主要发达国家的政府都大幅度的增加了对发动机代用燃料的开发和扶持力度，发动机的代用燃料技术取得了显著的进步。

近年来，世界上众多国家，例如美国、德国、日本、韩国、泰国等都相继制定了天然气动力应用的发展规划。我国相继实行了“清洁汽车”、“十城千辆”等政策，大力推广新能源汽车，使得天然气发动机在城市公交、出租车上得到的广泛的应用我国对天然气发动机的研发工作起步较晚，从上世纪八十年代开始，但发展迅速，尤其是全国开展“清洁汽车”行动后。天然气发动机未来仍将保持高速发展的态势。

研究现状

自上世纪年代初期天然气发动机问世以来，经过八十年的发展，天然气发动机技术已日趋成熟，目前来看，大部分天然气发动机都是由现有的柴油机或者汽油机机型基础上改型而来的，另外由于目前天然气发动机应用领域广泛，技术水平上差距较大。

虽然我国天然气发动机的发展较快，但在总体技术上与国外先进水平仍有不小的差距，这阻碍了我国天然气发动机的自主研发和更广泛的推广。

近年来，各发动机知名生产厂家、咨询公司及研究机构都针对天然气发动机的燃烧和排放特性、供给系统及控制、稀薄燃烧技术、天然气喷射技术以及天然气柴油双燃料发动机技术等展开了大量的理论和试验研究。

分类

按照其着火方式的不同划分，可以分为点燃式天然气发动机，压燃式天然气发动机和柴油引燃式天然气发动机。

点燃式

点燃式天然气发动机技术就是类似汽油机的工作方式，用火花塞引燃天然气混合气，其供气方式可以分为进气道内供给天然气和燃烧室内直接供给天然气，进气道供气还可分为单点供给天然气和多点供给天然气，多点供气就是在每缸的进气道单独供给，单点供气就是在进气总管供给天然气。单点供气类似于汽油机的进气道单点喷射，各缸会出现抢气导致的工作不均匀现象，因此在大型多缸天然气发动机上，多采用多点供气方式。

的燃料直接从排气系统排出，造成燃料的浪费及排放的提高。

非压燃式

压燃式天然气发动机的燃料供给方式是向缸内直喷高压天然气，喷射时刻一般在上止点前，在压缩上止点前自行着火，实现扩散燃烧。由于甲烷是天然气的主要成分，其着火温度比柴油高因此为了使其可靠着火，直喷式天然气发动机一般需要助燃措施，常用的为电热塞辅助着火。使用中电热塞易于发生氧化，因此通常选用具有陶瓷外壳的内热式热面管形式的电热塞，由发电机提供能量，并且根据发动机的运转条件调节电热塞的外加电压。

压燃式高压缸内直喷的天然气发动机像柴油机一样没有节气门，因此其不存在节流损失和容积效率损失。高压天然气在压缩上止点前喷入燃烧室内，与柴油机的混合气形成方式一样，边混合边燃烧，属于扩散燃烧的范畴，因此该类型的天然气发动机可以采用相对较高的压缩比，能够获得与柴油机相当的热效率，另外可以通过控制燃料的供应量来控制发动机负荷，因此进气道供气的天然气发动机普遍存在的小负荷性能差的缺点能够得到有效的改善。

压燃式

在混合气着火之前，低浓度的均质混合气在燃烧室内形成，当缸内温度压缩到天然气的自燃温度以上时，均质混合气开始着火，即实现均质压燃燃烧。均质压燃燃烧的天然气发动机在工作方式上融合了点火燃烧和压燃燃烧两种燃烧方式的工作特点，混合气形成采用预混形式，燃烧采用压燃燃烧方式，并且采用质调节的方式控制负荷，将节气门去掉。由研究结果可知，均质压燃的燃烧方式适合于多种燃料，包括汽油、柴油、天然气等；天然气是气体燃料，比起汽油和柴油等液体燃料来说，能够更容易的形成成均质混合气，再加上天然气的高辛烷值，有很好的抗爆性能，因此天然气发动机可以采用相对高的压缩比，从而更容易实现压缩着火的燃烧方式。

双燃料

这类发动机大都是有柴油机改装设计，形式上会保留原柴油机上的所有装置和功能，在此基形式础上加装燃气供给装置，气、油控制和切换装置。这种发动机以天然气作为主要燃料，由压缩柴油着火引燃天然气混合气，这种发动机即可以作为纯柴油发动机使用，也可以作为天然气柴油双燃料使用，并可自主控制替代率。

综合应用

经过科研工作者多年的探索，气体机技术有了长足的进步，主要应用的技术包括前面提到的点火技术、HCCI燃烧技术、Miller循环技术、长冲程技术、EGR技术、以及这些技术的综合运用。

天然气发动机的点火技术包括如下几种：预燃室式火花塞点火、预燃室火花塞点火、主燃室柴油引燃着火、预燃室柴油引燃着火，如图1所示。

米勒循环通过改变气门正时来使有效膨胀过程大于有效压缩过程，使有效压缩比减小，降低压缩终点时缸内温度和压力，从而抑制排放的生成。往往是通过进气门早关和进气门晚关实现米勒循环。米勒循环必然导致进气量的减少，在应用中往往配合高增压来使用，采用高的进气压力来弥补由于气门早关或晚关导致的进气量的减少。

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