CNG发动机排放性能分析

CNG发动机排放性能分析
摘要：科技飞速发展的同时，带来的不光有便利的科技产品还有严峻的能源
和环境污染的问题。

从内燃机问世以来，汽车为人们的出行带来了极大的便利，
也拉近了人与人，国家与国家之间的距离。

但同样也消耗了大量的石油资源，排
放出了大量污染环境的尾气。

造成了全球气候变暖，雾霾等一系列环境问题。

而
为了解决这一问题，寻找清洁的可持续发展的能源是世界各国汽车行业的首要任务。

CNG以低排放，无污染，储量丰富，这三大特点成为汽车主流的清洁替代能
源之一。

本文以TU5JP4发动机CNG版发动机为研究对象，研究CNG发动机的排
放新能与其应用。

关键词：CNG；排放；
0 引言
CNG（Compressed Natural Gas）是压缩天然气的简称。

其主要成分是甲烷。

而甲烷燃烧只会产生二氧化碳和水。

但是当天然气在发动机中燃烧时不光会产生
二氧化碳和水还会产生少量的NO x和HC。

天燃气的密度比空气小，当从储存容器、管道中泄漏出来后，天然气将向上移动，扩散到空气中。

在常温、常压下，天然
气为气体状态；甲烷的沸点-162°C，在此温度以上，天然气呈气态。

1 CNG发动机构造
CNG发动机与汽油机差别在于燃料供给方面，目前天然气汽车广泛采用的是CNG燃料喷射系统：类似于汽油机电控喷射技术。

工作稳定性高，正常使用不需
要调试；解决了早期燃气汽车存在的回火放炮问题；对汽油系统没有任何的影响；加装成本高。

虽然整体上看来和一般汽油机的供给系统没有太大的差别但是在
天燃气从储气罐出来后到喷入气缸内的过程与汽油不同。

（图1所示）
图1 CNG发动机简图
天然气从储气罐中并不是像汽油机那样用油泵泵出而是通过调节瓶阀的压力是天然气从高压的储气罐中压出，这是区别之一。

天然气从储气罐出来之后沿着高压管路进入减压器，这里的高压管路就相当于汽油机里的油道。

第二个区别就是天然气要经过减压才能进入气缸内，高压的天然气经过减压器的高压截止阀，经过减压的稳压，变成低压气体。

这时才能通过低压管路进入高频电磁阀组。

而高频电磁阀组就是燃气共轨，将天然气同时分配到几个气缸的进气歧管内。

到这里就与一般汽油机相同了，都要在进气歧管内与空气混合，进入气缸进行燃烧。

2 CNG发动机优缺点
2.1 CANG发动机优点
（1）排放性能
天然气最为公认的清洁能源，在所有碳氢燃料中，天然气的碳氢比小，碳与氢的比例为4：1，其燃烧后CO2的排放量比汽油少25%左右，有利于保护全球的环境质量。

所以国家基于天然气的这一特性，将天然气确定为可以缓解环境污染的途径之一并加于推广使用。

（2）经济性
按1立方米天然气相当1.1升汽油计算，1立方米车用天然气的价格是4.08元，而1升汽油的价格则是6.54元。

这说明CNG汽车在燃料费上要比一般汽车便宜，同时其动力性并不差多少。

所以CNG比汽油的经济性高。

（3）安全性
天然气必须装在储气瓶中，而储气瓶必须是指定的专业的厂家所生产的储气瓶的承压能力是CNG工作压力的数倍；每一支储气瓶出厂之前必须进行检验，每批储气瓶要抽检，抽检检验项目包括火烧、爆破、枪击、坠落等，抽检合格后发批量合格证。

储气瓶阀上设有安全阀、手动截止阀，保证安全使用和便于维护；减压器上设有安全阀，保证在系统出现故障时的安全性；天然气性质稳定，密度小，自燃温度高，安全性好于汽油燃料。

2.2 CNG发动机缺点
（1）动力性
目前的CNG车基本是在汽油车上增加CNG系统而成的两用燃料车，发动机的压缩比、点火系统、进气系统等均没有变动，使用CNG时的性能没有得到充分发挥天然气的体积理论空燃比为10：1，混合气在进入发动机时，天然气将占有约10%的体积空间，导致吸入发动机的空气量减少约10% ，进气效率下降，从而引起动力性的下降；天然气性质稳定，燃烧速度慢，点燃需要更多的能量；与使用汽油相比，使用CNG时的动力性约下降15%。

（2）续航里程
压缩储存天然气，储存燃料的能量密度低，相同体积的储存容器，续驶里程仅相当于汽油的1/4。

3 CNG发动机排放产物及形成机理
研究CNG发动机的排放性能，必须从其排放产物形成机理入手，知道了其产
物形成机理才能研究怎样控制其污染物的产生。

排放物是在燃料燃烧过程中形成的，和燃料的特性密切相关，CNG发动机的燃烧过程和汽油机的燃烧过程很相似。

因为天然气的主要成分是甲烷，排放出的颗粒物少，这里主要研究CO、NOX、HC
这三类排放物。

3.1 CO的形成机理
天然气的主要成分是甲烷，其燃烧方程式是2CH4+3O2=2CO+4H2O;2CO+O2=2CO2
由上述反应时可知CO是甲烷燃烧时产生的中间产物，在甲烷不完全燃烧才
会产生CO。

而不完全燃烧的原因就是空气不足，也就是空燃比过低。

但是CO氧
化反应很慢，当空燃比持续升高时，其在尾气中的浓度并不会降至零而是维持在
一个较低的水平。

当然也可以适当提高点火提前角，来增加燃烧时间方便天然气
完全燃烧，降低CO的排放。

天然气燃烧时火焰传播速度较慢，适当增大点火提前角20 5几延长天然气
高温燃烧时间，也可以降低CO的排放量。

天然气是高燃点的气体轻质燃料，混
合均匀充分，燃烧相对完全，天然气发动机的燃烧过程产生的CO排放量较低。

3.2 NOx的形成机理
NO X是众多氮氧化合物的总称，而其中又以NO占据绝大多数高达99%，所以
这里主要研究NO的形成机理。

其简易的反应方程式是N2+O2=2NO,但是真正在天然气燃烧过程中NO的产生是很复杂的，但是简单来说就是空气中的氮气在燃烧室
内的高温和高压情况下和氧气发生了反应产生出一氧化氮。

因此NO的产生与温
度有关，但是天然气燃烧时火焰的温度要比汽油低所以相比于汽油NO的产生量
略有降低。

但是为了降低天然气燃烧时产生的CO会增大点火提前角，高温燃烧
的时间变长，而NO生成量随高温时间加长而成线性增加，此时NO的量又会有所
增加。

空燃比大于理论空燃比时，NO随温度升高而迅速增加，小于理论空燃比时
因氧气不足，NO急剧减少。

总体而言，因天然气燃料混合比较均匀，NO会稍有
增加。

3.3 HC的形成机理
HC同样燃烧时产生的碳氢化合物的总称，它包括了CH4，CH3，CH2O,CHO等。

其中同样是CH4占大多数达到90%左右。

天然气产生HC的机理与汽油相似，都是
在发动机燃烧过程中，存在于燃烧室缝隙内的燃气未燃排出，紧靠缸壁的那层气体，由于缸壁激冷作用，火焰传播不到，使这层混合气也未能燃烧就随废气排出，主要成分就是CHQ。

但是，由于天然气是气体燃料，总体来讲混合均匀，燃烧比
较完全，所以总体HC排量大幅度下降，如果增大点火提前角，燃料在高温期停
留时间加长，燃烧更加充分，这样HC排放会进一步下降。

4 CNG发动机排放性能控制分析
4.1TU5JP4发动机CNG版概述
TU5JP4发动机装载于东风雪铁龙爱丽舍，东风标致307等车型上，其排量一
般为1.6L。

发动机最大功率为78KW/5750rpm.发动机最大扭矩为
145N·M/4000rpm。

系统特点：1.满足EUIII排放标准2.采用无回油系统3.采用
气缸充量控制技术4.采用软件判别相位。

特色：四冲程、水冷、直列四缸；两个
凸轮轴通过间隙自动补偿的液压挺杆驱动16个气阀；使用Bosch多点顺序喷射
燃料供给系统的汽油发动机。

发动机参数如表1所示。

表1 TU5JP4发动机CNG版参数
4.3 TU5JP4发动机CNG版排放性能分析
4.3.1点火提前角对排放性能的影响
如图2、图3、图4所示为点火提前角的大小与CO、HC、NO X的关系图的关系（注意：在实验室没有没有加装三元催化剂装置，但是仍然可以看出，点火提前角与三种排放污染物的关系。

）图5、图6可看出CO和HC的浓度随点火提前角的增大先减小后稳定，再增大。

说明点火提前角增达到一定角度，CO与HC的排放浓度可以控制在一个较低的水平。

为了减少污染物的排放量，这就要在确定电火提前角的时候权衡各种排放污染物的比例，以确定一个相对排放污染物浓度较小的电火提前角。

图2 点火提前角与CO关系图3 点火提前角与HC关系
图4 点火提前角与NO关系
图5 CO与过量空气系数关系图6 HC与过量空气系数关系
4.3.2过量空气系数对排放性能的影响
如图5，当过量空气系数较小时，混合气的氧浓度低，所以CO的排放较高；随着过量空气系数的增大，CO的排放就会下降；在过量空气系数较大时，此时的混合气浓度比较稀薄，燃烧变得不是十分的稳定，会导致CO排放的升高。

在过量空气系数超过1.04时，CO排放明显降低。

如图6，HC的排放量浓度与发动机混合气的过量空气系数存在一定的联系，当过量空气系数升高时，HC的排放量会逐渐降低，升高到在1.04到1.10之间，HC的排放量是很低的，但是欧量空气系数再持续升高的话，HC的排放量又会上
升。

所以过量空气系数保持在1.01到1.10之间可以使，HC排放保持在一个较低
的水平。

4.4 TU5JP4发动机CNG版动力性能和经济性能分析
4.4.1点火提前角对CNG发动机的动力性能和经济性能的影响
为了提高CNG发动机的动力性和经济性，必须确定一个合适的点火提前角。

如果点火提前角过大点火过早，点火时混合气的压力还比较低，同时，燃烧最大
压力产生的时刻在活塞上止点之前，这样的燃烧压力不但不能提高发动机的动力性，而且还会对活塞上行产生较大的阻力，使活塞在压缩行程消耗的压缩功增加，发动机的功率下降。

另外，如果点火时间过早，会使气缸内未燃烧的混合气因高
温高压的作用，而自行燃烧，这样便产生了爆震燃烧。

如果点火提前角过小点火过迟，混合气的最大燃烧压力出现在活塞已经往下
行的过程中，此时，由于气缸内活塞上部的容积已经增大。

所以，使得气缸内的
燃烧压力降低，燃烧速度减慢。

发动机动力性、经济性都变差。

同时，还会因燃
烧速度的缓慢造成发动机过热。

4.4.2过量空气系数对CNG发动机的动力性和经济性的影响
随着混合气浓度的增加，在过量空气系数为某一值时，发动机发出的功率达到最大值。

这样的混合气被称为理想混合气。

随着混合气浓度的增加，在燃烧过程中，混合气中的燃料
不能够完全燃烧，会使得发动机的功率下降，燃料消耗率上升。

对天然气发动机来说，理论
混合气的过量空气系数一般在0.9至1.1之间。

当过量空气系数为某一值时，发动机的气耗率达到最低值，而火焰温度和发动机功率均
随之下降。

这样的混合气又被成为经济混合气。

对天然气发动机来说经济混合气的过量空气
系数一般在1.1到1.4之间。

在功率混合气与经济混合气之间范围内的混合气成分是天然气
发动机常用的混合气浓度，它可以获得较好的使用性能。

5.总结
作为清洁的替代能源产品，CNG汽车的最大优势是减少了碳烟等污染物的排放。

天然气燃烧清洁，产生的排放物中CO2和NO X成分显著降低。

对汽油机而言，
天然气汽车有害气体排放减少了33％的NO X排放和50％的HC排放以及 70％的CO排放。

通常天然气中几乎不含硫，因此排放物中也不含SO X成分,天然气燃烧时也几乎不产生颗粒物。

同时，CNG发动机的使用寿命长，工作环境柔和，抗爆震能力强，燃烧过程产生的积碳少。

由于CNG汽车的储气瓶加工工艺要求严格，有专门的储气罐生产厂检验合格的才允许装载在CNG汽车上，所以CNG汽车使用过程中更为安全，国内外因储气瓶破裂造成的交通事故也比较少。

参考文献
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