改装天然气对汽车使用性能影响与分析.doc

目录
摘要 2
第一章引言 3
第二章改装天然气汽车技术的发展历程 4
2.1改装天然气汽车的发展背景 4
2.2改装天然气汽车的发展历程 4
第三章改装天然气对汽车发动机的影响与分析 6
3.1改装天然气对汽车发动机的影响 6
3.2改装天然气对汽车发动机影响的分析 6
第四章改装天然气对汽车使用性能的影响与分析 8
4.1改装天然气后对汽车动力性造成影响与分析 8
4.2改装天然气后对汽车经济性的影响与分析 10
4.3改装天然气后对汽车排放造成的影响与分析 10
结论 12
致谢 13
参考文献 14
摘 要
汽车保有量的高速增长带来了环境污染和能源短缺。为此，世界各国广泛开展汽车替代燃料的研发工作。汽车改装天然气意义重大，但经过简单改装的汽油/CNG两用燃料发动机的使用性能存在一些问题，包括动力性能大幅下降，排放性能指标达不到预期目标等问题，虽经燃供装置与发动机的优化匹配以及一系列调整，也只能使发动机动力性能得到部分恢复和排放性得到一定程度的改善。但也对汽车的使用造成一定的影响。本文通过对汽车改装天然气的一系列的认知，从对环保、能源、发动机的影响着手，各方面的进行分析，为以后改进汽车改装天然气技术打下一定的基础。
关键词：改装 天然气汽车 使用性能 影响与分析
13

第一章 引言
天然气汽车以其低排放、抑制温室效应和摆脱对石油的依赖这三大特性，正在世界范围内得到普及和推广，成为21世纪汽车工业发展的一个重要方向。天然气汽车在世界上已有70多年的历史。20世纪20年代末、30年代初，意大利人为解决车用汽油短缺问题，率先开发了常压囊式天然气汽车和CNG汽车。到20世纪80年代，由于石油危机加重，改善环境的呼声日渐高涨和压缩机技术的不断进步，天然气汽车获得较快发展。自20世纪90年代以来，天然气汽车发展的要素进一步成熟，俄罗斯、美国等国分别成立了天然气汽车协会。在我国，天然气汽车自2002年以来发展迅速，截至2007年底，16个重点推广城市的CNG(压缩天然气)汽车保有量已达26.5万辆，建成加气站555座
国内外许多专家认为：天然气和其他汽车燃料（如汽油、柴油、LPG/醇类燃料以及二甲醚等）相比，其全寿命周期（包括开采或生产，储存和运输，使用以及燃烧后的排放物）内的污染最低，因此发展天然气汽车，可以有效的缓解石油短缺的紧张局面，合理的利用有效资源，而其可以大大的减少环境污染。但是每一种物体都有它的双面性，天然气虽然具有特有的环保，但由于它的化学成分决定，在汽车使用过程中，对发动机、和汽车的动力性具有一定的影响。
第二章 改装天然气技术的发展历程
2.1改装天然气汽车的发展背景
我国是一个“贫油富气”的国家，2010年进口石油7000万吨，石油供需矛盾日益加剧。按现在的开采能力，石油资源可开采二十年左右。而我国的天然气储量却相当丰富，其消耗量只及开采能力的50%，按现在的开采能力，可开采70~100年左右。另外，大气污染指数（API）测定表明：我国大气污染十分严重，在一些大城市中尤为突出，其中汽车尾气排放对城市低空大气污染的分担率为70%，是城市低空污染的主要之源。而天然气不仅是汽车的代用燃料，更是理想的清洁能源。所以在这个大环境下，改装天然气成为一种主流。
2.2改装天然气汽车的发展历程
1999年，我国启动了“空气净化工程清洁汽车行动”，由原国家科委牵头，联合原国家计委、国家环保总局、建设部等13个部委成立了全国清洁汽车行动协调领导小组，随后启动了北京、上海、重庆四川等12个示范城市和地区，2005年示范城市和地区扩大到19个。2006年，国家再次启动“节能与新能源汽车”高科技计划，继续强力推进天然气汽车发展的进程。中国的天然气汽车进入了快速发展期。
　　截至2007年底，全国已有30个省市自治区的80多个城市推广天然气汽车。其中16个重点推广城市(地区)共发展天然气汽车26.5万辆，比2006年增长近8万辆；建成天然气加气站555座，比2006年增加75座。我国天然气汽车和加气站主要集中在气源地附近，如四川、重庆、乌鲁木齐、西安和兰州等，天然气供应方便，气价低(仅为油价的40%～50%)是CNG汽车快速发展的主要驱动力。CNG汽车技术也基本实现国产化。国内汽油/CNG双燃料汽车改装已完全实现国产化，但也有部分采用进口配件，改车费用根据配件是否需进口而有所不同。汽油、柴油/CNG双燃料和CNG单燃料原产车也已实现国产化。上柴股份、东风汽车、上汽依维柯等开发的天然气电喷发动机(均在柴油机基础上开发)已成功地在内蒙古鄂尔多斯运煤专线、城市客车上应用，在运行车辆超过1000辆。东风爱丽舍、一汽捷达、奇瑞、夏利等双燃料CNG轿车已在很多城市行驶。
2007年，我国天然气汽车(含底盘)产量达到5.7万辆；国内有58家企业生产天然气汽车，累计有347个天然气汽车车型(包括底盘)进入国家机动车新产品公告；有18家企业生产天然气发动机，共有98款天然气发动机产品在市场中销售，发动机功率范围64kW～250kW；已形成全系列天然气气瓶的设计与生产制造技术，产业化能力超过80万只/年；自主开发的减压器、电控单元ECU、燃气喷嘴等燃气汽车专用装置，已开始批量投放市场。
第三章 改装天然气对汽车发动机的影响与分析
天然气汽车使用中的一个主要问题是发动机的功率比使用汽油时有明显下降。据资料报道，汽车在使用天然气作燃料时，功率一般要下降，并且对发动机机部零件造成腐蚀。
3.1改装天然气对汽车发动机的影响
3.1.1 在燃料性质方面
汽油是液体燃料，而天然气是气体燃料。使用汽油时，液态汽油的体积与进气体积相比几乎可以忽略不计，但用天然气作燃料时，燃料本身的体积在整个进气中占有较大比例，因此导致进入气缸的空气量减少，充气系数下降，从而导致发动机功率下降。
3.1.2在发动机构造方面
决定发动机功率的主要因素是发动机的压缩比，压缩比越大，热效率越高，有效功率就越大。同时，压缩比越大，发动机爆震的倾向也越大。因此，发动机压缩比还必须与燃料的抗爆性相适应。汽油的抗爆性决定了汽油机的压缩比不可能太大，但天然气的抗爆性很好，完全可以用于压缩比较大的发动机，从而提高其功率。天然气汽车的应用还处在起步阶段，天然气的供应远不象汽油那样普及，在这种情况下，专门设计的天然气发动机汽车很难推广。目前投入运行的天然气汽车大多是两用燃料汽车，既可以用天然气，也可以用汽油。这种两用燃料汽车为了兼顾使用汽油的需要，压缩比提高较小或者没有提高。因此天然气高抗爆性的特性并未得到充分发挥，导致发动机功率下降。
3.1.3天然气作燃料时对发动机的损坏
汽车以天然气作燃料时，发现燃烧室部件明显腐蚀，甚至曲轴也出现腐蚀，气门、活塞环和气缸磨损严重，与使用汽油时相比，汽车大修期通常要缩短。这是天然气汽车面临的另一个问题。天然气汽车出现腐蚀和早期磨损的原因是由于天然气中含有微量硫化合物。
3.2改装天然气对汽车发动机影响的分析
3.2.1充气系数下降是导致天然气汽车功率下降的重要原因
从理论上讲，提高充气系数是提高功率的一种途径。但充气系数下降是由天然气本身的性质所决定的，从燃料方面显然无法解决这一问题，唯一的解决办法是采取进气增压措施。但进气增压无疑会加大发动机的体积和质量，在实施中存在一定难度。
3.2.2充分发挥天然气高压缩比特性
天然气的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接在汽油机上使用天然气，就不能充分利用天然气的这种优点，提高发动机功率。如果将发动机气缸盖减薄一部分，提高发动机的压缩比，就可以提高发动机的功率，在一定程度上弥补部分功率损失。这种方法是人们通常采用的一种方法。但是，考虑到目前大部分天然气汽车都是两用燃料汽车，发动机压缩比不可能提高太多，否则一旦换用汽油作燃料，有可能产生爆震。因此压缩比的提高有一定限度，应根据实际情况确定。例如对于像城市公共汽车那样在固定线上行驶，天然气供应有保障的汽车，应当提倡使用压缩比与天然气抗爆性相适应的单一燃料天然气汽车，充分发挥天然气高压缩比的特点，以提高汽车发动机功率。
3.2.3使用粘度较低的润滑油
天然气是气体燃料，使用中不会出现发动机润滑油稀释现象，因此可以使用粘度较低的润滑油，这样可以减少粘度造成的功率损失，提高发动机的效率。同时，天然气汽车专用发动机润滑油可以有效防止气门、活塞环等燃烧室部件的腐蚀与磨损，防止气缸压力下降引起的功率损失 。
3.2.4检查和保养汽车油改气的水循环冷却系统
发动机冷却主要依靠水循环冷却系统。此系统能否正常工作直接影响发动机寿命，特别是汽车天然气改装后发动机温度高对此系统要求更高，一定要时常检查保养
3.2.5对天然气进行脱硫处理是减少腐蚀和磨损的重要手段
如前所述，天然气汽车发生腐蚀和早期磨损的根本原因是由于天然气中含有微量硫化氢。但对天然气进行脱硫处理，也很难将硫化氢完全除去，因此，天然气对发动机的腐蚀是很难完全避免的。采用抗硫化物腐蚀的金属材料制造发动机也是防止腐蚀的一个重要措施。但这种方法仅适用于新发动机的制造对于现有发动机是无能为力的。使用天然气汽车发动机润滑油代替目前使用的汽油机润滑油是防止天然气汽车发动机腐蚀的有效措施这种方法不但简便，而且不增加成本。
第四章 改装天然气对汽车使用性能的影响与分析
发展天然气汽车意义重大。但经过简单改装的汽油﹨CNG两用燃料发动机存在动力性能大幅下降，排放性能指标达不到预期目标等问题。
4.1改装天然气后对汽车动力性造成影响与分析
4.1.1改装天然气后对汽车动力性造成的影响
1．对于化油器式的发动机，由于在化油器和空气滤清器之间安装了混合器，一方面增加了进气阻力，发动机充气系数下降；另一方面增加了化油器喉口的真空度，改变了原化油器的工作特性，大量实验证明两用燃料发动机在燃用汽油时的动力性有不同程度的下降（最大功率下降2—7%左右），油耗上升（2—5排放污染物增高，而燃用天然气的动力性大幅下降（较原机最大功率下降17—26%，最大扭矩下降10—18%）。
2．对于电喷式发动机，由于在进气道上安装了混合器，天然气与空气的缸外混合，同样造成燃气时功率、扭矩大幅下降。
3．天然气的混合气热值低降低了发动机的功率和扭矩；密度低的气态，降低了充气效率，影响冲量系数，从而发动机的动力性下降；天然气的着火能量高，着火落后期加长，燃烧过程‘等容度’下降，因而发动机的动力性下降。
4.1.2改装天然气后对汽车动力性造成影响的分析
适当增加压缩比、CNG的直喷和进气增压是比较经济且易实施能大幅提高改装发动机功率、扭矩有效方法。
1.增加压缩比
适当增加压缩比，可以提高发动机的热效率。对于点燃时发动机，热效率可以表示为ητ=1-1／∑κ-1，式中ε——压缩比，κ——等敵指数。对于低压缩比的发动机热效率ητ随压缩比的增加而明显提高，从而提高发动机的功率。例如CA6102发动机的ε=6.75，使用汽油时的最大功率为96KW，使用CNG时的最大功率为76KW；而当ε增加到8.8时，使用CNG时的最大功率为91KW。由于天然气辛烷值高达130，理论上可适应压缩比为18.9的发动机（按公式Y=24.97+24.14X½来计算，Y——辛烷值、X——压缩比，适应度为90%）。为防止高压缩下可能引发的天然气自燃，压缩比为12比较适宜，（现在的单燃CNG发动机的压缩比一般在12左右）。而目前国内汽油机的压缩比绝大数在10以下，因此，可以通过更换专用的活塞或缸盖来适当提高压缩比，这是提高天然气发动机的功率最有效的方法，可使改装的汽油、CNG两用燃料发动机使用CNG时的功率接近或达到原汽油机的功率。如果原汽油机改装成单燃料CNG发动机，压缩比可适当增大一些，但不宜超过12；如果改装成汽油、CNG两用燃料发动机，压缩比不能增加太多，例如原汽油机的压缩比为7，那么两用燃料发动机的压缩比不应超过9，并选用高标号汽油代替原低标号汽油，否则，两用燃料发动机试用期又回到治爆燃。其实，这种以增加压缩比来提高功率的方法特别适用于低压缩比的汽油发动机。在提高压缩比的同时，改进燃烧室结构，使其更加紧凑，以减少火焰的传播时间，缩短燃烧时间；或采取每缸两个火花塞同时点火，都可以提高发动机的热效率，从而提高发动机的动力。
2．压缩天然气（ＣＮＧ）的直喷
由于化油器式发动机的燃料与空气的缸外混合，导致使用天然气时进气量（空气）严重不足，而CNG的直喷是解决进气不足的一种有效手段，其工作原理类似于直喷式柴油机的燃料喷射。在发动机压缩过程接近上止点时，CNG经汽缸盖上的高压燃料阀（或喷阀）直接喷射入汽缸内，并于空气混合形成可燃混合气，这种发动机具有较高的热效率和比功率。能在很大程度上恢复改装发动机的功率，且易实现电控。
3.进气增压
对于改装的汽油、CNG两用燃料发动机，选择合适的增压器，获得适当增压比，能使改装的两用燃料发动机在使用CNG时的最大功率达到甚至超过元发动机的最大功率。但对于改装的汽油、CNG两用燃料发动机，其增压比不能太大，以防止使用汽油时的爆燃，并使用标号更高的汽油代替原标号的汽油；对于改装的单燃料发动机，增压比可适当的大一些，以充分利用天然气辛烷值高的特性，发挥改装的CNG的发动机的最大效率。各种高性能机械增压器的不断涌现，使得汽油机的增压技术在近20多年中获得了重大突破。由汽油机改装的CNG发动机，一般宜选用机械增压。这是因为机械增压对排气系统不做任何改动，更有利于有害物质的消除；由皮带（或曲轴齿轮）直接带动增压器对进气进行预压缩，发动机与增压器之间是机械联系而不是流体联系，动态响应性能好。特别小排量发动机（如小雨2 L）采用涡轮增压很难找到合适的涡轮增压器，而采用机械增压，则可获得比涡轮增压更好的动力、转矩甚至经济性能。
4．这三种改进方案，第一个方案简单易行，成本低，功率提高明显，但对于压缩比较高的汽油机，只适用于改装过的CNG单燃料发动机。第二种方案比较适宜于压缩比较高的汽油机的改装，它有效地解决了使用CNG时进气不足的问题。但由于CNG的混合气热值低，使用CNG时的最大功率达不到原汽油机的最大功率（下降约10%），且结构改动比较大，成本相对比较高。第三种方案可适宜于不同压缩比的汽油机的改装，由于进入发动机的工质增加，因而其功率大幅提高。但对于压缩比较高的汽油机，增压比不能太大或改装成CNG单燃料发动机。
4.2改装天然气后对汽车经济性的影响与分析
对于使用天然气的汽车的经济性，可以直接用每百公里耗用燃料的费用来比较。国家发改委规定，车用天然气价格按照90号汽油的0.6∶1～0.75∶1的比价关系确定。在当前的价格水平下，90号汽油的价格大致为7.12元/升，天然气价格各地不一，一般在4.5～4.6元/立方米。对于出租车来说，若每百公里耗汽油按8升、耗气按8立方米测算，则烧气比烧油要节省燃料费36%～55%。如果每天行使里程按250公里计算，一年可节省燃料费1.46万～2.19万元左右。出租车的改装费用约为4000～6000元/台，4个月左右就可以收回成本。较好的经济效益是当前使用改装天然气汽车在一些地区快速发展的最直接的驱动力。
由于改装天然气这种特效的经济性，天然气公共汽车和出租车的到首要发展。2005年，全国公共汽车保有量达30.8万辆，“十五”期间年均增加6.8%；全国出租汽车保有量达到93.7万辆，“十五”期间年均增加2.6%。如果按照历年增长水平进行简单测算，2010年全国公共汽车的总量将达到43.5万辆，出租汽车总量将达到106.5万辆；2015年则进一步分别增长到62.3万辆和121.2万辆。如果2010年有20%、2015年有40%的公交车及出租车改用天然气，按出租车、公交车耗气量的一定比例考虑其他社会车辆用气，则2010年全国汽车用天然气需求量约为60亿立方米，2015年可增至110亿立方米，汽车使用天然气市场潜力是相当巨大的。
4.3改装天然气后对汽车排放造成的影响与分析
4.3.1改装天然气后对汽车排放造成的影响
1．由于改装改变了化油器的工作特性，使得发动机在燃油时混合气变浓（较未改装前），排放污染物（特别是CO）浓度升高。
2．在绝大数的燃气供给装置中，减压调节器只起稳压作用，文丘里氏混合器只相当于一个简单的化油器。燃用天然气时，它们显然不能提供满足发动机不同工况所需的混合气浓度。如果调整能使其满足发动机的某一特定工况，那么在发动机的其他工况混合气要么国农，要么过稀，从而导致在很多工况下，燃用天然气的排放污染物比燃用汽油时还高。
4.3.2改装天然气后对汽车排放造成影响的分析
1.由于人民的环保意识越来越强，汽车排放法规日趋严厉，解决天然气汽车的排放问题势在必行。严格地说：汽油\CNG两用燃料发动机是不能同时解决燃用天然气的动力损失严重和排放特性差的问题。对于CNG单燃料发动机，通过天然气的稀薄燃烧、电控喷射加三元催化，可以在不牺牲动力性（通过增大压缩比等改进措施）的前提下获得超低排放。而汽油﹨CNG两用燃料发动机以牺牲部分动力性为套间亦可达到同样效果。
2.由于天然气汽车在排放方面具有明显的优越性，与使用汽油车相比，天然气汽车颗粒物排放几乎为零，所以汽车使用天然气作为动力具有很大的环保性。
改装过天然气的汽车具有环保优势，符合国家节能减排政策。与汽油车相比，可减排一氧化碳90%，减排碳氢化合物72%，减排氮氧化物39%。在2007年8月31日国家发改委颁布的《天然气利用政策》中，明确规定天然气汽车属于“优先类”用气项目，国家清洁汽车行动已将CNG列为首选的汽车替代燃料。随着我国经济的发展，国家对环保工作日益重视，天然气汽车以其良好的社会、经济效益正在成为天然气利用的一个重要方向。
3.谈起CNG汽车，人们可能会认为其环保效益非常好，但事实并非如此，需要区别对待。相对于欧Ⅲ标准的燃油车而言目前市场上改装的双燃料汽车基本上没有环保优势，只是可以达到一些中小城市的欧Ⅱ环保标准。对于环保要求较高的城市，如北京要求欧Ⅳ标准，改装的双燃料汽车以及国内双燃料原产车基本上达不到要求，还需要采用价格高、维修成本高、配件供应周期长的进口天然气发动机(如康明斯发动机)，大部分城市望而却步。现阶段国内原产重型燃气发动机、燃气轿车整车排放可满足欧Ⅲ标准，欧Ⅳ轿车、欧Ⅳ中重型天然气发动机处于研发当中。所以要达到真正的环保，还需要一定的发展。
结 论
由于改装天然气后汽车在环保性和经济性上比汽油车有很大的优势，所以改装天然气汽车在世界范围内成为一种主流。
但是由于各种技术上的限制，改装天然气的汽车动力性损失大，只有通过结构和技术上的改进，才能使天然气汽车的动力性能得到恢复。
在怠速、中小负荷工况下使用天然气发动机的经济性和排放性优于使用汽油发动机，改装后发动机的动力性与原机相比下降较小；在大负荷下使用天然气经济性、排放性好于汽油机，但动力性比原机下降很多。
天然气汽车发展依然存在很大的障碍，对汽车使用有很大的影响。发展天然气改装技术任重道。
致 谢
在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师王海平老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，王海平老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的搜集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了王海平老师的细心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚的感谢和深深的谢意。
在论文的写作过程中，也得到同学们的宝贵建议，同时还得到许多热心的从事这方面工作的人员支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。
感谢所有关心、支持、帮助我的良师益友。
最后，向在百忙之中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢。
参考文献
[1]姚勇，范立勇，邸敏燕.汽油/压缩天然气CNG两用汽车研究[J].现代汽车动力，2005（4）：050031.
[2]李广,周淑慧 ，《国际石油经济》 2008 第7期.

[3]姚勇.CNG发动机和汽油机燃烧的比较分析[J]，车用发动机，2005（5）：050031.
[4]昊晗，张炎.车用天然气经济效益分析[J].学术论坛.
[5]郎全栋,董元虎.汽车运行材料[M].人民交通出版社,2001.
[6]颜伏伍.发动机原理[M].人民交通出版社,2007.
[7]吴菊香.浅析发展天然气汽车对净化城市环境的功能与意义[J].科技论坛,75002.
[8]许二磊,曾科,刘兵等.汽油/CNG双燃料发动机的试验研究[J].车用发动机,2003（6）：710049.
[9]陈燕.天然气汽车动力性排放性研究[J].烟台师范学院学报(自然科学版).2005.21(4):310―312.
[10]刘胜权,马志义等.提高天然气汽车动力性能的研究[J]. 中国公路学报,2003(1):710064.
[11]罗彩茹.压缩天然气在汽车上的应用及展望[J].农机化研究,2010(4):510642.
[12]楚小平,张春华,边耀章,司里增马志义.电喷汽油CNG两用燃料汽车动力性恢复研究[J],汽车工程,2007(9):710064.
[13]袁春,童伟.CNG在车用汽油机上的应用研究[J].重庆通信学院学报.1999(1):400035.
[14]胡志平,李如,彭一帆.压缩天然气(CNG)汽车及其发动机系统的研究[J].内燃机,2006(6):510640.