改裝天然氣對汽車使用性能影響與分析

1、改裝天然氣對汽車使用性能影響與分析目錄摘要2第一章引言3第二章改裝天然氣汽車技術(shù)的發(fā)展歷程42.1改裝天然氣汽車的發(fā)展背景42.2改裝天然氣汽車的發(fā)展歷程4第三章改裝天然氣對汽車發(fā)動機的影響與分析63.1改裝天然氣對汽車發(fā)動機的影響63.2改裝天然氣對汽車發(fā)動機影響的分析6第四章改裝天然氣對汽車使用性能的影響與分析84.1改裝天然氣后對汽車動力性造成影響與分析84.2改裝天然氣后對汽車經(jīng)濟性的影響與分析104.3改裝天然氣后對汽車排放造成的影響與分析10結(jié)論12致謝13參考文獻14摘 要汽車保有量的高速增長帶來了環(huán)境污染和能源短缺。為此，世界各國廣泛開展汽車替代燃料的研發(fā)工作。汽車改裝天然氣意

2、義重大，但經(jīng)過簡單改裝的汽油/cng兩用燃料發(fā)動機的使用性能存在一些問題，包括動力性能大幅下降，排放性能指標達不到預期目標等問題，雖經(jīng)燃供裝置與發(fā)動機的優(yōu)化匹配以及一系列調(diào)整，也只能使發(fā)動機動力性能得到部分恢復和排放性得到一定程度的改善。但也對汽車的使用造成一定的影響。本文通過對汽車改裝天然氣的一系列的認知，從對環(huán)保、能源、發(fā)動機的影響著手，各方面的進行分析，為以后改進汽車改裝天然氣技術(shù)打下一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：改裝 天然氣汽車 使用性能 影響與分析15第一章 引言 天然氣汽車以其低排放、抑制溫室效應和擺脫對石油的依賴這三大特性，正在世界范圍內(nèi)得到普及和推廣，成為21世紀汽車工業(yè)發(fā)展的一個重要方

3、向。天然氣汽車在世界上已有70多年的歷史。20世紀20年代末、30年代初，意大利人為解決車用汽油短缺問題，率先開發(fā)了常壓囊式天然氣汽車和cng汽車。到20世紀80年代，由于石油危機加重，改善環(huán)境的呼聲日漸高漲和壓縮機技術(shù)的不斷進步，天然氣汽車獲得較快發(fā)展。自20世紀90年代以來，天然氣汽車發(fā)展的要素進一步成熟，俄羅斯、美國等國分別成立了天然氣汽車協(xié)會。在我國，天然氣汽車自2002年以來發(fā)展迅速，截至2007年底，16個重點推廣城市的cng(壓縮天然氣)汽車保有量已達26.5萬輛，建成加氣站555座。國內(nèi)外許多專家認為：天然氣和其他汽車燃料（如汽油、柴油、lpg/醇類燃料以及二甲醚等）相比，其全

4、壽命周期（包括開采或生產(chǎn)，儲存和運輸，使用以及燃燒后的排放物）內(nèi)的污染最低，因此發(fā)展天然氣汽車，可以有效的緩解石油短缺的緊張局面，合理的利用有效資源，而其可以大大的減少環(huán)境污染。但是每一種物體都有它的雙面性，天然氣雖然具有特有的環(huán)保，但由于它的化學成分決定，在汽車使用過程中，對發(fā)動機、和汽車的動力性具有一定的影響。第二章 改裝天然氣技術(shù)的發(fā)展歷程2.1改裝天然氣汽車的發(fā)展背景我國是一個“貧油富氣”的國家，2010年進口石油7000萬噸，石油供需矛盾日益加劇。按現(xiàn)在的開采能力，石油資源可開采二十年左右。而我國的天然氣儲量卻相當豐富，其消耗量只及開采能力的50%，按現(xiàn)在的開采能力，可開采70100

5、年左右。另外，大氣污染指數(shù)（api）測定表明：我國大氣污染十分嚴重，在一些大城市中尤為突出，其中汽車尾氣排放對城市低空大氣污染的分擔率為70%，是城市低空污染的主要之源。而天然氣不僅是汽車的代用燃料，更是理想的清潔能源。所以在這個大環(huán)境下，改裝天然氣成為一種主流。2.2改裝天然氣汽車的發(fā)展歷程1999年，我國啟動了“空氣凈化工程清潔汽車行動”，由原國家科委牽頭，聯(lián)合原國家計委、國家環(huán)?？偩帧⒔ㄔO(shè)部等13個部委成立了全國清潔汽車行動協(xié)調(diào)領(lǐng)導小組，隨后啟動了北京、上海、重慶、四川等12個示范城市和地區(qū)，2005年示范城市和地區(qū)擴大到19個。2006年，國家再次啟動“節(jié)能與新能源汽車”高科技計劃，繼

6、續(xù)強力推進天然氣汽車發(fā)展的進程。中國的天然氣汽車進入了快速發(fā)展期。截至2007年底，全國已有30個省市自治區(qū)的80多個城市推廣天然氣汽車。其中16個重點推廣城市(地區(qū))共發(fā)展天然氣汽車26.5萬輛，比2006年增長近8萬輛；建成天然氣加氣站555座，比2006年增加75座。我國天然氣汽車和加氣站主要集中在氣源地附近，如四川、重慶、烏魯木齊、西安和蘭州等，天然氣供應方便，氣價低(僅為油價的40%50%)是cng汽車快速發(fā)展的主要驅(qū)動力。cng汽車技術(shù)也基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)汽油/cng雙燃料汽車改裝已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，但也有部分采用進口配件，改車費用根據(jù)配件是否需進口而有所不同。汽油、柴油/cng雙

7、燃料和cng單燃料原產(chǎn)車也已實現(xiàn)國產(chǎn)化。上柴股份、東風汽車、上汽依維柯等開發(fā)的天然氣電噴發(fā)動機(均在柴油機基礎(chǔ)上開發(fā))已成功地在內(nèi)蒙古鄂爾多斯運煤專線、城市客車上應用，在運行車輛超過1000輛。東風愛麗舍、一汽捷達、奇瑞、夏利等雙燃料cng轎車已在很多城市行駛。2007年，我國天然氣汽車(含底盤)產(chǎn)量達到5.7萬輛；國內(nèi)有58家企業(yè)生產(chǎn)天然氣汽車，累計有347個天然氣汽車車型(包括底盤)進入國家機動車新產(chǎn)品公告；有18家企業(yè)生產(chǎn)天然氣發(fā)動機，共有98款天然氣發(fā)動機產(chǎn)品在市場中銷售，發(fā)動機功率范圍64kw250kw；已形成全系列天然氣氣瓶的設(shè)計與生產(chǎn)制造技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化能力超過80萬只/年；自主開發(fā)

8、的減壓器、電控單元ecu、燃氣噴嘴等燃氣汽車專用裝置，已開始批量投放市場。第三章 改裝天然氣對汽車發(fā)動機的影響與分析 天然氣汽車使用中的一個主要問題是發(fā)動機的功率比使用汽油時有明顯下降。據(jù)資料報道，汽車在使用天然氣作燃料時，功率一般要下降，并且對發(fā)動機機部零件造成腐蝕。 3.1改裝天然氣對汽車發(fā)動機的影響3.1.1 在燃料性質(zhì)方面汽油是液體燃料，而天然氣是氣體燃料。使用汽油時，液態(tài)汽油的體積與進氣體積相比幾乎可以忽略不計，但用天然氣作燃料時，燃料本身的體積在整個進氣中占有較大比例，因此導致進入氣缸的空氣量減少，充氣系數(shù)下降，從而導致發(fā)動機功率下降。 3.1.2在發(fā)動機構(gòu)造方面決定發(fā)動機功率的主

9、要因素是發(fā)動機的壓縮比，壓縮比越大，熱效率越高，有效功率就越大。同時，壓縮比越大，發(fā)動機爆震的傾向也越大。因此，發(fā)動機壓縮比還必須與燃料的抗爆性相適應。汽油的抗爆性決定了汽油機的壓縮比不可能太大，但天然氣的抗爆性很好，完全可以用于壓縮比較大的發(fā)動機，從而提高其功率。天然氣汽車的應用還處在起步階段，天然氣的供應遠不象汽油那樣普及，在這種情況下，專門設(shè)計的天然氣發(fā)動機汽車很難推廣。目前投入運行的天然氣汽車大多是兩用燃料汽車，既可以用天然氣，也可以用汽油。這種兩用燃料汽車為了兼顧使用汽油的需要，壓縮比提高較小或者沒有提高。因此天然氣高抗爆性的特性并未得到充分發(fā)揮，導致發(fā)動機功率下降。3.1.3天然氣

10、作燃料時對發(fā)動機的損壞 汽車以天然氣作燃料時，發(fā)現(xiàn)燃燒室部件明顯腐蝕，甚至曲軸也出現(xiàn)腐蝕，氣門、活塞環(huán)和氣缸磨損嚴重，與使用汽油時相比，汽車大修期通常要縮短。這是天然氣汽車面臨的另一個問題。天然氣汽車出現(xiàn)腐蝕和早期磨損的原因是由于天然氣中含有微量硫化合物。 3.2改裝天然氣對汽車發(fā)動機影響的分析 3.2.1充氣系數(shù)下降是導致天然氣汽車功率下降的重要原因從理論上講，提高充氣系數(shù)是提高功率的一種途徑。但充氣系數(shù)下降是由天然氣本身的性質(zhì)所決定的，從燃料方面顯然無法解決這一問題，唯一的解決辦法是采取進氣增壓措施。但進氣增壓無疑會加大發(fā)動機的體積和質(zhì)量，在實施中存在一定難度。3.2.2充分發(fā)揮天然氣高壓

11、縮比特性天然氣的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接在汽油機上使用天然氣，就不能充分利用天然氣的這種優(yōu)點，提高發(fā)動機功率。如果將發(fā)動機氣缸蓋減薄一部分，提高發(fā)動機的壓縮比，就可以提高發(fā)動機的功率，在一定程度上彌補部分功率損失。這種方法是人們通常采用的一種方法。但是，考慮到目前大部分天然氣汽車都是兩用燃料汽車，發(fā)動機壓縮比不可能提高太多，否則一旦換用汽油作燃料，有可能產(chǎn)生爆震。因此壓縮比的提高有一定限度，應根據(jù)實際情況確定。例如對于像城市公共汽車那樣在固定線上行駛，天然氣供應有保障的汽車，應當提倡使用壓縮比與天然氣抗爆性相適應的單一燃料天然氣汽車，充分發(fā)揮天然氣高壓縮比的特點，以提高汽車發(fā)動機功率

12、。 3.2.3使用粘度較低的潤滑油天然氣是氣體燃料，使用中不會出現(xiàn)發(fā)動機潤滑油稀釋現(xiàn)象，因此可以使用粘度較低的潤滑油，這樣可以減少粘度造成的功率損失，提高發(fā)動機的效率。同時，天然氣汽車專用發(fā)動機潤滑油可以有效防止氣門、活塞環(huán)等燃燒室部件的腐蝕與磨損，防止氣缸壓力下降引起的功率損失 。3.2.4檢查和保養(yǎng)汽車油改氣的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)發(fā)動機冷卻主要依靠水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。此系統(tǒng)能否正常工作直接影響發(fā)動機壽命，特別是汽車天然氣改裝后發(fā)動機溫度高對此系統(tǒng)要求更高，一定要時常檢查保養(yǎng)3.2.5對天然氣進行脫硫處理是減少腐蝕和磨損的重要手段如前所述，天然氣汽車發(fā)生腐蝕和早期磨損的根本原因是由于天然氣中含有微量硫

13、化氫。但對天然氣進行脫硫處理，也很難將硫化氫完全除去，因此，天然氣對發(fā)動機的腐蝕是很難完全避免的。采用抗硫化物腐蝕的金屬材料制造發(fā)動機也是防止腐蝕的一個重要措施。但這種方法僅適用于新發(fā)動機的制造對于現(xiàn)有發(fā)動機是無能為力的。使用天然氣汽車發(fā)動機潤滑油代替目前使用的汽油機潤滑油是防止天然氣汽車發(fā)動機腐蝕的有效措施，這種方法不但簡便，而且不增加成本。 第四章 改裝天然氣對汽車使用性能的影響與分析發(fā)展天然氣汽車意義重大。但經(jīng)過簡單改裝的汽油cng兩用燃料發(fā)動機存在動力性能大幅下降，排放性能指標達不到預期目標等問題。4.1改裝天然氣后對汽車動力性造成影響與分析4.1.1改裝天然氣后對汽車動力性造成的影響

14、1對于化油器式的發(fā)動機，由于在化油器和空氣濾清器之間安裝了混合器，一方面增加了進氣阻力，發(fā)動機充氣系數(shù)下降；另一方面增加了化油器喉口的真空度，改變了原化油器的工作特性，大量實驗證明兩用燃料發(fā)動機在燃用汽油時的動力性有不同程度的下降（最大功率下降27%左右），油耗上升（25%）。排放污染物增高，而燃用天然氣的動力性大幅下降（較原機最大功率下降1726%，最大扭矩下降1018%）。2對于電噴式發(fā)動機，由于在進氣道上安裝了混合器，天然氣與空氣的缸外混合，同樣造成燃氣時功率、扭矩大幅下降。3天然氣的混合氣熱值低降低了發(fā)動機的功率和扭矩；密度低的氣態(tài)，降低了充氣效率，影響沖量系數(shù)，從而發(fā)動機的動力性下降

15、；天然氣的著火能量高，著火落后期加長，燃燒過程等容度下降，因而發(fā)動機的動力性下降。4.1.2改裝天然氣后對汽車動力性造成影響的分析適當增加壓縮比、cng的直噴和進氣增壓是比較經(jīng)濟且易實施能大幅提高改裝發(fā)動機功率、扭矩有效方法。1.增加壓縮比適當增加壓縮比，可以提高發(fā)動機的熱效率。對于點燃時發(fā)動機，熱效率可以表示為=1-1-1，式中壓縮比，等敵指數(shù)。對于低壓縮比的發(fā)動機熱效率隨壓縮比的增加而明顯提高，從而提高發(fā)動機的功率。例如ca6102發(fā)動機的=6.75，使用汽油時的最大功率為96kw，使用cng時的最大功率為76kw；而當增加到8.8時，使用cng時的最大功率為91kw。由于天然氣辛烷值高達

16、130，理論上可適應壓縮比為18.9的發(fā)動機（按公式y(tǒng)=24.97+24.14x來計算，y辛烷值、x壓縮比，適應度為90%）。為防止高壓縮下可能引發(fā)的天然氣自燃，壓縮比為12比較適宜，（現(xiàn)在的單燃cng發(fā)動機的壓縮比一般在12左右）。而目前國內(nèi)汽油機的壓縮比絕大數(shù)在10以下，因此，可以通過更換專用的活塞或缸蓋來適當提高壓縮比，這是提高天然氣發(fā)動機的功率最有效的方法，可使改裝的汽油、cng兩用燃料發(fā)動機使用cng時的功率接近或達到原汽油機的功率。如果原汽油機改裝成單燃料cng發(fā)動機，壓縮比可適當增大一些，但不宜超過12；如果改裝成汽油、cng兩用燃料發(fā)動機，壓縮比不能增加太多，例如原汽油機的壓縮

17、比為7，那么兩用燃料發(fā)動機的壓縮比不應超過9，并選用高標號汽油代替原低標號汽油，否則，兩用燃料發(fā)動機試用期又回到治爆燃。其實，這種以增加壓縮比來提高功率的方法特別適用于低壓縮比的汽油發(fā)動機。在提高壓縮比的同時，改進燃燒室結(jié)構(gòu)，使其更加緊湊，以減少火焰的傳播時間，縮短燃燒時間；或采取每缸兩個火花塞同時點火，都可以提高發(fā)動機的熱效率，從而提高發(fā)動機的動力。2壓縮天然氣（）的直噴由于化油器式發(fā)動機的燃料與空氣的缸外混合，導致使用天然氣時進氣量（空氣）嚴重不足，而cng的直噴是解決進氣不足的一種有效手段，其工作原理類似于直噴式柴油機的燃料噴射。在發(fā)動機壓縮過程接近上止點時，cng經(jīng)汽缸蓋上的高壓燃料閥

18、（或噴閥）直接噴射入汽缸內(nèi)，并于空氣混合形成可燃混合氣，這種發(fā)動機具有較高的熱效率和比功率。能在很大程度上恢復改裝發(fā)動機的功率，且易實現(xiàn)電控。3.進氣增壓對于改裝的汽油、cng兩用燃料發(fā)動機，選擇合適的增壓器，獲得適當增壓比，能使改裝的兩用燃料發(fā)動機在使用cng時的最大功率達到甚至超過元發(fā)動機的最大功率。但對于改裝的汽油、cng兩用燃料發(fā)動機，其增壓比不能太大，以防止使用汽油時的爆燃，并使用標號更高的汽油代替原標號的汽油；對于改裝的單燃料發(fā)動機，增壓比可適當?shù)拇笠恍?，以充分利用天然氣辛烷值高的特性，發(fā)揮改裝的cng的發(fā)動機的最大效率。各種高性能機械增壓器的不斷涌現(xiàn)，使得汽油機的增壓技術(shù)在近20

19、多年中獲得了重大突破。由汽油機改裝的cng發(fā)動機，一般宜選用機械增壓。這是因為機械增壓對排氣系統(tǒng)不做任何改動，更有利于有害物質(zhì)的消除；由皮帶（或曲軸齒輪）直接帶動增壓器對進氣進行預壓縮，發(fā)動機與增壓器之間是機械聯(lián)系而不是流體聯(lián)系，動態(tài)響應性能好。特別小排量發(fā)動機（如小雨2 l）采用渦輪增壓很難找到合適的渦輪增壓器，而采用機械增壓，則可獲得比渦輪增壓更好的動力、轉(zhuǎn)矩甚至經(jīng)濟性能。4這三種改進方案，第一個方案簡單易行，成本低，功率提高明顯，但對于壓縮比較高的汽油機，只適用于改裝過的cng單燃料發(fā)動機。第二種方案比較適宜于壓縮比較高的汽油機的改裝，它有效地解決了使用cng時進氣不足的問題。但由于cn

20、g的混合氣熱值低，使用cng時的最大功率達不到原汽油機的最大功率（下降約10%），且結(jié)構(gòu)改動比較大，成本相對比較高。第三種方案可適宜于不同壓縮比的汽油機的改裝，由于進入發(fā)動機的工質(zhì)增加，因而其功率大幅提高。但對于壓縮比較高的汽油機，增壓比不能太大或改裝成cng單燃料發(fā)動機。4.2改裝天然氣后對汽車經(jīng)濟性的影響與分析對于使用天然氣的汽車的經(jīng)濟性，可以直接用每百公里耗用燃料的費用來比較。國家發(fā)改委規(guī)定，車用天然氣價格按照90號汽油的0.610.751的比價關(guān)系確定。在當前的價格水平下，90號汽油的價格大致為7.12元/升，天然氣價格各地不一，一般在4.54.6元/立方米。對于出租車來說，若每百公里

21、耗汽油按8升、耗氣按8立方米測算，則燒氣比燒油要節(jié)省燃料費36%55%。如果每天行使里程按250公里計算，一年可節(jié)省燃料費1.46萬2.19萬元左右。出租車的改裝費用約為40006000元/臺，4個月左右就可以收回成本。較好的經(jīng)濟效益是當前使用改裝天然氣汽車在一些地區(qū)快速發(fā)展的最直接的驅(qū)動力。由于改裝天然氣這種特效的經(jīng)濟性，天然氣公共汽車和出租車的到首要發(fā)展。2005年，全國公共汽車保有量達30.8萬輛，“十五”期間年均增加6.8%；全國出租汽車保有量達到93.7萬輛，“十五”期間年均增加2.6%。如果按照歷年增長水平進行簡單測算，2010年全國公共汽車的總量將達到43.5萬輛，出租汽車總量將

22、達到106.5萬輛；2015年則進一步分別增長到62.3萬輛和121.2萬輛。如果2010年有20%、2015年有40%的公交車及出租車改用天然氣，按出租車、公交車耗氣量的一定比例考慮其他社會車輛用氣，則2010年全國汽車用天然氣需求量約為60億立方米，2015年可增至110億立方米，汽車使用天然氣市場潛力是相當巨大的。4.3改裝天然氣后對汽車排放造成的影響與分析4.3.1改裝天然氣后對汽車排放造成的影響1由于改裝改變了化油器的工作特性，使得發(fā)動機在燃油時混合氣變濃（較未改裝前），排放污染物（特別是co）濃度升高。2在絕大數(shù)的燃氣供給裝置中，減壓調(diào)節(jié)器只起穩(wěn)壓作用，文丘里氏混合器只相當于一個簡

23、單的化油器。燃用天然氣時，它們顯然不能提供滿足發(fā)動機不同工況所需的混合氣濃度。如果調(diào)整能使其滿足發(fā)動機的某一特定工況，那么在發(fā)動機的其他工況混合氣要么國農(nóng)，要么過稀，從而導致在很多工況下，燃用天然氣的排放污染物比燃用汽油時還高。4.3.2改裝天然氣后對汽車排放造成影響的分析1.由于人民的環(huán)保意識越來越強，汽車排放法規(guī)日趨嚴厲，解決天然氣汽車的排放問題勢在必行。嚴格地說：汽油cng兩用燃料發(fā)動機是不能同時解決燃用天然氣的動力損失嚴重和排放特性差的問題。對于cng單燃料發(fā)動機，通過天然氣的稀薄燃燒、電控噴射加三元催化，可以在不犧牲動力性（通過增大壓縮比等改進措施）的前提下獲得超低排放。而汽油cng

24、兩用燃料發(fā)動機以犧牲部分動力性為套間亦可達到同樣效果。2.由于天然氣汽車在排放方面具有明顯的優(yōu)越性，與使用汽油車相比，天然氣汽車顆粒物排放幾乎為零，所以汽車使用天然氣作為動力具有很大的環(huán)保性。改裝過天然氣的汽車具有環(huán)保優(yōu)勢，符合國家節(jié)能減排政策。與汽油車相比，可減排一氧化碳90%，減排碳氫化合物72%，減排氮氧化物39%。在2007年8月31日國家發(fā)改委頒布的天然氣利用政策中，明確規(guī)定天然氣汽車屬于“優(yōu)先類”用氣項目，國家清潔汽車行動已將cng列為首選的汽車替代燃料。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，國家對環(huán)保工作日益重視，天然氣汽車以其良好的社會、經(jīng)濟效益正在成為天然氣利用的一個重要方向。3.談起cng汽

25、車，人們可能會認為其環(huán)保效益非常好，但事實并非如此，需要區(qū)別對待。相對于歐標準的燃油車而言，目前市場上改裝的雙燃料汽車基本上沒有環(huán)保優(yōu)勢，只是可以達到一些中小城市的歐環(huán)保標準。對于環(huán)保要求較高的城市，如北京要求歐標準，改裝的雙燃料汽車以及國內(nèi)雙燃料原產(chǎn)車基本上達不到要求，還需要采用價格高、維修成本高、配件供應周期長的進口天然氣發(fā)動機(如康明斯發(fā)動機)，大部分城市望而卻步。現(xiàn)階段國內(nèi)原產(chǎn)重型燃氣發(fā)動機、燃氣轎車整車排放可滿足歐標準，歐轎車、歐中重型天然氣發(fā)動機處于研發(fā)當中。所以要達到真正的環(huán)保，還需要一定的發(fā)展。結(jié) 論 由于改裝天然氣后汽車在環(huán)保性和經(jīng)濟性上比汽油車有很大的優(yōu)勢，所以改裝天然氣汽車在世界范圍內(nèi)成為一種主流。但是由于各種技術(shù)上的限制，改裝天然氣的汽車動力性損失大，只有通過結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的改進，才能使天然氣汽車的動力性能得到恢復。在怠速、中小負荷工況下使用天然氣發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性優(yōu)于使用汽油發(fā)動機，改裝后發(fā)動機的動力性與原機相比下降較小；在大負荷下使用天然氣經(jīng)濟性、排放性好于汽油機，但動力性比原機下降很多。天然氣汽車發(fā)展依然存在很大的障礙，對汽車使用有很大的影響。發(fā)展天然氣改裝技術(shù)任重道。致 謝在論文完成之際，我要特別感謝我的指導老師王海平老師的熱情關(guān)懷和悉心指導。在我撰寫論文的過程中，王海平老師傾注了大量