气体燃料发动机

气体燃料发动机概述
天然气发动机发展现状
天然气主要由甲烷组成，有气田气和油田伴生气两类。

作为燃料，天然气有以下特点：（1）天然气的体积热值和质量热值略高于汽油，但理论混合气热值要比汽油低，甲烷含量越高，相差越大。

纯甲烷的理论混合气热值比汽油低10%左右。

（2）抗爆震性能好。

天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，具有高抗爆震性能。

天然气专用发动机的合理压缩比为12，允许压缩比最高可达到15，具有采用提高压缩比来提高发动机动力性、经济性的潜力。

（3）混合气发火界限宽。

天然气混合气具有很宽的发火界限，过量空气系数的变化范围为0.6-1.8，可采用稀薄燃烧技术来提高汽车的经济性和环保效益。

（4）天然气的着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要更高的点火能量。

（5）天然气是清洁燃料。

由于燃烧温度低，NOX生成少，天然气为气态，混合均匀，燃烧较完全，微粒排放极低。

天然气在发动机上应用有多种形式，根据不同分类方法，可分为很多种。

（1）按点火方式可分为电火花点火、柴油引燃和掺加其它气体燃料直接压燃。

（2）按供气方式可分为缸外预混合和缸内直接喷气。

缸外预混合供气又分为混合器式、单点喷射式和多点喷射式，缸内直接喷气又分为低压喷射和高压喷射。

（3）按燃烧方式可分为均质预混燃烧、扩散燃烧和HCCI燃烧方式。

（4）按燃料的使用方式可分为单一燃料发动机、两用燃料发动机和双燃料发动机。

（5）按控制方式可分为机械控制式、机电控制式和电子控制式。

目前使用的天然气发动机主要由传统发动机改装而成，柴油机改装能利用柴油机的高压缩比，是一种有潜力的改装方式。

柴油/天然气双燃料发动机是以少量喷入缸内的柴油作为引燃燃料，天然气作为主要燃料。

其优点是：既可用柴油引燃天然气工作，也可用100%柴油燃料工作。

这对于那些因环境和经济等因素想利用天然气，但天然气供应又不能充分保证的区域特别有价值。

它的另一个突出优点是适合在各种功率的柴油机上进行改装，只需增加一套供气系统，就能用天然气代替大量的柴油（80%以上），且保留了柴油机在动力性和经济性方面的优势。

在技术层面上，柴油/天然气双燃料发动机的技术主要随着天然气供气方式的改进而发展的。

进气道混合器预混合供气方式是应用较早，也是应用最为广泛的方案。

研究发现，在原机改动很小的情况下，柴油/天然气双燃料发动机的最大功率略有下降，烟度排放大幅降低，NOX 略有下降，发动机的排温和噪声也有所下降，但HC和CO有所上升。

这种供气方式的装置简单、成本低，在我国应用较为广泛，国内研究者也对其进行了详细研究。

清华大学的欧阳明高教授研究了供油系统参数（如供油提前角、引燃油量、喷油器参数、针阀开启压力）对柴油/天然气双燃料发动机燃烧特性、动力性、经济性和排放性等的影响，提出了改善双燃料发动机引燃柴油供给系统参数的措施。

采用进气道混合器预混合供气，很难精确控制天然气的进气量，各缸的燃料分配不均匀。

随
着电控技术在内燃机上的广泛应用，双燃料发动机改装技术向柴油和天然气供给的综合电子控制方向发展。

天津大学的苏万华教授利用自主开发的32位电控系统将斯太尔WD615 64增压非中冷柴油机改装成气口顺序喷射的全电控柴油/天然气双燃料发动机，其NOX和颗粒排放达到了欧Ⅱ标准
缸内气体喷射采用气体喷射器直接向气缸内喷射天然气，分高压喷射和低压喷射两种。

低压喷射供气主要用于低压缩比发动机；高压喷射供气主要用于高压缩比发动机和在压缩终点喷射的气体燃料发动机上。

大型发动机和高速发动机往往采用高压喷射，以实现较高的燃料供给量和较短的供气喷射时间。

这种改装技术（尤其是高压喷射式）减少了燃料供给对空气充量的影响，实现了燃料供给的质调节，易于实现稀薄燃烧。

同时，它也会消除因气门重叠造成的气体燃料逸出，保证了发动机高负荷时的动力性，使双燃料发动机的热效率可与柴油机相当。

不过，缸内喷射式双燃料发动机大都采用两个喷射器，需要对柴油机气缸盖进行改动，结构复杂，技术难度大，费用高。

天然气缸内高压喷射和缸内扩散燃烧理论是由加拿大British Columbia大学Philip Hill教授首先提出的。

1997年4月加拿大Westport公司在此基础上推出世界上第一辆采用高压缸内直喷燃烧系统的天然气公共汽车，挪威Trondhein大学也进行了相似的试验研究。

芬兰Wartsila柴油机公司的高压喷射式双燃料发动机已投入商业化生产。

日本Mitsui造船工程公司在缸径为420mm的双喷射器式双燃料发动机上，对天然气喷束速度场进行了系列研究，研究结论认为双燃料发动机的热效率和原机基本相同。

上述三种供气方式中，混合器供气方式的成本低，但很难达到较高的排放要求。

为满足更严格的排放标准，必须采用电控气体燃料喷射技术。

缸内直接喷气是高压喷射，其成本比气口多点顺序电控喷射高。

不过，气口多点顺序电控喷射技术既满足精度要求，在国内又属于基本成熟技术，因此对国内而言，宜采用气口多点顺序电控喷射方式。

目前大部分双燃料发动机都采用原有供油系统，以简化双燃料发动机的改装内容，节约成本。

不过，采用原有供油系统的双燃料发动机存在很大的缺陷。

传统柴油机供油系统在循环喷油量降低至额定工况的5%-15%时，供油系统变得不稳定，柴油雾化质量下降，燃烧过程变差，这会影响双燃料发动机的整体性能。

研究表明采用微量柴油引燃天然气，可以改善缸内天然气的燃烧过程，提高气体燃料的替换率，降低有害排放。

因此，对于双燃料发动机，无论是气口顺序多点电控喷气，还是缸内直接喷气，其喷油系统应重新设计以满足双燃料发动机对小引燃油量的要求。

国外大力开展了双燃料发动机微量引燃喷射系统的研究，目前采用电控多点喷射方式的柴油/CNG双燃料发动机逐渐在柴油喷射系统中采用共轨技术。

例如美国BKM公司利用该公司的SERVOJET电控共轨蓄压式喷油系统代替了柴油机原来的直列式高压油泵，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%，而且能精确控制。

美国Cooper公司在Cooper LSVB系列四冲程发动机基础上开发出具有微量引燃柴油功能的CooperClernbum双燃料发动机。

另外芬兰Coltec公司Enviro Desigll PC25双燃料发动机也采用了类似Cooper Clernbum的喷油系统。

随着博世、德尔福等大公司将共轨喷射技术引入国内，在柴油/天然气双燃料发动机中采用能满足微量引燃柴油的共轨喷油技术，成为柴油/天然气双燃料发动机的一个发展趋势。

1.3.5氢气发动机研究进展
氢是一种二次能源，来源丰富，理化性质见表1-5。

作为燃料时，氢气具有如下特点：（1）氢气点火能量小（0.02MJ），是汽油最低点火能量的十分之一，使用时能可靠着火。

（2）氢气火焰传播速度比汽油快5倍。

（3）氢气的熄火间隙只有0.06，仅为汽油的三分之一，能使火焰传播到接近气缸壁，产生更完全的燃烧；
（4）氢气燃烧后只产生H2O和NOX，不产生HC、CO、CO2和碳烟排放。

（5）氢气的可燃范围宽，稀燃极限低，即使在稀混合气，氢气也可完全燃烧。

密度(kg/m3)0.09 720-750 830 0.71
理论空燃比(kg/kg)34.3 14.8 14.3 17.2
低热值(MJ/kg)119.9 43.9-44.4 42.6-42.9 49.8
着火温度(℃)585 390-420 258 647-547
火焰传播速度(m/s)3.1 1.2 0.34
最小点火能量(MJ)0.02 0.25 0.28
着火界限(%)4-75 4-7.6 6-6.5 5.3-15
扩散系数(cm2/s)0.63 0.08 0.02
火焰淬熄距离(mm)0.64 2.84 1.9
氢作为汽车燃料有两种方法：一是通过氢的燃烧从化学能转化成机械能，一是通过氢的离子化转化为电能。

前者通过内燃机实现，后者则是通过燃料电池实现。

氢在内燃机上的应用主要有两种途径：一种是作单一燃料；另外一种是作添加燃料，如天然气掺氢、汽油掺氢和柴油掺氢。

作为发动机单一燃料，氢燃料供给方式有缸外预混合和缸内直接喷射两种类型。

缸外预混合一般采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷射等方法形成混合气。

国内关于氢发动机的研究较少，还处在基础研究阶段。

如上海交通大学的马捷和中科院的张国强等对氢发动机的工作过程进行了详细的理论研究，分析了进气温度、空燃比和压缩比对氢发动机性能的影响。

相对于国内，国外对于氢发动机的研究较为深入，如Alan N.Drew等人研究了氢发动机的瞬态和稳态过程；J.Yamina等人详细研究了影响氢发动机燃烧期的各种因素；M.Baghdadi等研究了压缩比、当量比和转速对氢发动机的影响。

早期通过化油器输送氢燃料的氢发动机，燃料供给方法简单，但由于氢气点火能量小，容易产生早燃和回火等不正常燃烧。

虽然采用低温火花塞、降低冷却液温度、进气冷却和可变气门定时等技术可以降低其早燃风险，但效果不是很好。

对于进气歧管喷射或进气口喷射的氢发动机，研究表明可通过控制喷射定时、点火定时或进气道喷水来解决早燃和回火问题。

16合肥工业大学博士论文
虽然进气歧管喷射或进气口喷射可以抑制氢发动机的非正常燃烧，但它会影响氢发动机的充气效率，降低发动机功率，缸内直接喷射技术可以弥补这一缺点。

根据喷射压力的不同，缸内直接喷射分低压喷射和高压喷射。

低压喷射是在进气门关闭后压缩行程前半行程喷入氢，喷射压力可降低至1 MPa。

高压喷射是在活塞接近上止点时将氢喷入，喷射压力高于8 MPa。

缸内直喷技术提高了氢发动机的进气效率，还能通过精确控制点火正时来避免回火、早燃和敲缸现象，使发动机产生较高的热效率。

H.Yi等人利用一台单缸氢发动机研究了进气口喷射和缸内直喷氢对发动机性能的影响，认为缸内直喷式氢发动机可以满足大功率车辆的需求，在小负荷和稀混合气下运行时能产生较高的热效率，最高指示热效率超过40%。

但是，缸内直喷式氢发动机循环变动量要比进气歧管喷射氢发动机或汽油机高，为此Verhelst等对直接喷射氢发动机循环变动产生的原因进行了分析，研究结果表明，燃烧初期的循环变动是引起氢发动机循环变动的主要原因。

当前，氢发动机主要存在两个问题：NOX排放和功率恢复。

对于NOX排放，采用进气喷水、废气再循环、进气掺烧N2和CO2可以降低氢发动机的NOX
排放。

功率恢复则较为困难，因为常规的功率提高方法会因氢气的独特性质而受到限制。

如提高压缩比会引起早燃或回火；提高当量燃空比会引起NOX升高和燃烧不完全等问题；采用增压中冷技术会增加早燃机率和NOX排放。

因此，如何兼顾氢发动机的动力性和排放性是个难题。

目前，液态喷射技术、复合喷射技术（中低负荷时气道喷射，高负荷时缸内直喷）和氢混合动力技术是氢发动机的研究重点。

除作为单一燃料外，研究者还将氢气添加到其它碳氢燃料中，利用氢气良好的燃烧特性来改善混合燃料的燃烧过程。

例如，添加一定数量的氢气可以扩展天然气发动机的稀燃极限，缩短着火延迟期和燃烧持续期，提高热效率，同时降低HC排放。

西安交通大学的黄佐华在定容弹中研究了不同比例的天然气/氢气混合气火焰传播规律，研究了掺氢燃烧对缸内直喷天然气发动机燃烧过程和排放的影响。

清华大学的马凡华采用元素势能法计算分析了掺氢燃烧对天然气燃烧的影响，认为天然气掺氢燃烧有利于降低排放，并开发了一种固定掺烧比的混合气配制系统。

汽油机少量掺氢能提高混合气的稀燃极限，提高火焰传播速率和缸内燃烧速度，改善汽油机热效率和经济性，降低有害排放。

Yuksel等人发现汽油机掺氢燃烧能减少冷却和润滑系统的热量损失，Andrea等人认为在稀燃工况下汽油机掺氢可提高发动机的功率，但在理论混合比附近，掺氢效果不明显。

近年来，随着柴油机的广泛使用，人们对柴油机排放日益重视，柴油机排放成本日益增加。

国内外初步研究表明，柴油机掺氢燃烧会显著降低柴油机的烟度排放，而且，掺氢能提高热效率，降低燃油消耗，但NOX排放有所增加。

另外，掺氢燃烧还可以提高生物柴油发动机的热效率。

总之，对于单一燃料式氢气发动机，由于改造成本高，氢气的使用量大，当前很难进行。