第２６卷增刊（２）
现代化工
Ｏｃｔ．２００６
２００６年１０月
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天然气发动机汽车的优势和发展现状
刘永峰１，一，张幽彤１，裴普成３
（１．北京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１；２．北京建筑工程学院机电与汽车工程学院，
北京１０００４４；３．清华大学国家汽车安全与节能重点实验室，北京１０００８４）
摘要：从社会环保效益、经济效益和使用安全等角度出发，详细论述了天然气发动机汽车的优势和当前发展状况。从发动机功率下降、腐蚀与早期磨损两方面分析了当前天然气发动机汽车所面ｌ临的问题及其产生原因，并提出了提高天然气汽车功率和磨损的措施。
关键词：天然气发动机汽车；环保效益；经济效益；安全中图分类号：ＴＫ４４１
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５３—４３２０（２００６）ｓ２一０３９５一０３
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天然气在２１世纪世界能源供应领域中占有重此燃料为动力的汽车被统称为“蓝色动力”汽车。蓝要的地位。由于天然气汽车在排放方面具有明显的色燃料通常含甲烷８５％以上，氮约１０％，其余还包优越性，与使用汽油车相比，天然气汽车颗粒物排放括乙烷、丙烷、氢、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和氦几乎为零，氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物的排放等。该混合气体燃烧后所生成的有害气体显著低于也显著降低，所以天然气汽车在改善空气质量方面汽油和柴油的，特别是当代先进的蓝色动力乘用车有着重要意义。与此同时，天然气汽车技术也得到可以综合降低各类废气污染排放量的８２．２％，其了前所未有的发展，从过去的常压天然气汽车发展中，非甲烷碳氢化物可降低９６％，碳氢化合物总量到压缩天然气汽车和液化天然气汽车。尽管如此，可降低５０％，一氧化碳可降低８７％，二氧化碳可降天然气汽车在使用中仍存在一些问题，其中最为突低２０％一３０％，氮氧化合物可降低８３％，铅化物可出的是发动机功率下降、发动机腐蚀与早期磨损的降低１００％，硫化物可降低７０％以上。
问题［卜５｜。
此外，当在人口稠密的地区行驶时，蓝色动力汽１天然气发动机汽车的优势
车的臭氧烟雾生成量减少８０％，温室气体排放量降低２０％，不再有黑烟排出。
１．１社会环保效益显著
为了减少汽车尾气中有害物质对大气的污染，“蓝色燃料”是以甲烷为主要成分的气态碳氢化世界各国都制定了汽车排放标准，而且对其中有害合物燃料，包括天然气、石油伴生气、煤层气、炼厂气成分的限制在逐年变严，这就相应提高了现有汽车等。正是由于蓝色燃料这种蕴藏的广泛性、普遍性，发动机的制造难度。使用天然气作为汽车燃料可以所以不同地区的蓝色燃料气体成分有较大差别，以
大量降低发动机废气中各种有害成分，这也是工业
、
收稿日期：２００６一０８一０３
基金项目：北京建筑工程学院２００５年专项科研基金（１００５０３９）；北京市优秀人才培养项目（２００５１Ｄ０５０１７０５）资助
作者简介：刘永峰（１９７３一），男，硕士，副教授，主要研究方向为发动机仿真、计算机辅助设计等，ｌｉｕｙｏｎ出ｎｇ＠ｂｉｃ∞．ｅｄｕ．ｃｎ；张幽彤（１９６５一），男，博
士，教授，研究方向为内燃机电控、燃烧与排放，通讯联系人，ＯｌＯ一６８９１１３７ｌ，ｙｏｕｔｏｎｇ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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现代化工
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发达国家使用天然气作为汽车燃料的一个最主要的原因。
１．２有较高的经济效益
在相同的当量热值时，世界各国一般将１ｍ３天然气的价格控制为１Ｌ汽油、柴油的一半。如果各类发动机的热效率比较近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半。这不仅弥补了由于汽车数量不断增加而引起的液体燃料供应不足，而且使汽车的运行费用大幅度降低。就汽车发动机而言，天然气容易扩散，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全、干净、不易积炭，抗爆性能好，不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。这些都会降低汽车的保养和运行费用，提高汽车使用的经济性。１．３使用安全
经过美国、俄罗斯、意大利、加拿大、阿根廷、荷兰、澳大利亚等许多国家几十年的使用表明，燃气汽车是一种清洁和安全的代用燃料汽车。汽车燃用天然气比燃用汽油、柴油更安全。从燃点看，天然气的自燃温度高达６５０。６８０℃，远高于汽油的２２８～４７１℃、柴油的２００一３００℃，这一特性决定了天然气达到自燃点起火的可能性比汽油、柴油小得多；从着火界限看，天然气的着火界限范围为５％～１５％，汽油为１．３％一７．６％。天然气比空气轻，稍有泄漏，很快就会扩散到大气中，要形成天然气点燃的浓度比汽油难得多，因此，天然气作为汽车燃料是安全的。１．４燃料费和维修费可大大降低
按目前市场价格，１
Ｌ
致汽车重载、爬坡或加速时动力不足，另一方面导致燃料消耗相对增加，并增加污染物排放量。
天然气汽车功率下降的主要原因在于燃料本身的特性和发动机的构造。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。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，天然气的供应远不像汽油那样普及，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。２．２腐蚀与早期磨损及其原因
当汽车以天然气为燃料时，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ｌ／３一ｌ／２。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（硫化氢），引起气缸、气缸壁的腐蚀与磨损，使发动机动力下降，使用寿命缩短，汽车大修期缩短。
９３”汽油４元，１ｍ３压缩
天然气１．６元（气价稳定），而ｌｍ３天然气动力值等于１．１３Ｌ汽油。如一辆公交车每天用汽油２５０元，用压缩天然气只需花１００元左右；一辆出租车每天用油７０元，用压缩天然气只需花３０元左右。燃油税开征后减半征收燃气税。发动机使用天然气作燃料，运行平稳、噪声低、不积炭、能延长发动机使用寿命，不需经常更换机油和火花塞，可节约５０％以上的维修费用。
３提高天然气汽车功率和磨损的措施
３．１提高功率的措施
（１）提高充气系数
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。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，惟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。
（２）适当提高发动机压缩比
天然气的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接
２天然气发动机汽车所面临问题的分析
２．１发动机功率下降及其原因
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１５％左右，个别时候下降更多。功率下降的结果，一方面导
２００６年１０月刘永峰等：天然气发动机汽车的优势和发展现状
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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来提高发动机功率。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，原来使用７０４汽油的汽车，改成两用燃料汽车时，可将压缩比提高到使用９０４汽油的压缩比；原来使用９０＋汽油的发动机改成两用燃料汽车时，可将压缩比提高到使用９３。汽油或９５’汽油的压缩比。
（３）使用专用天然气汽车发动机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，因此可以使用黏度较低的润滑油，这样可以减少由黏度造成的功率损失，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。
笔者在ＣＡ６１０２天然气发动机台架上，对使用天然气发动机润滑油和使用ＥＳＣ３０汽油机润滑油进行了对比试验，试验中所用燃料均为天然气，燃料消耗量以天然气在标准状况下的体积计算№Ｊ。结果表明，与使用ＥＳＣ３０汽油机润滑油相比，使用天然气发动机润滑油可以增大发动机的功率和扭矩，降低燃料消耗率１０％左右。
３．２减少腐蚀和磨损的措施
（１）天然气脱硫
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。因此，对天然气进行脱硫处理是减少腐蚀和磨损的重要手段。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。
（２）采用耐腐蚀材料
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。
（３）使用专门的天然气汽车发动机润滑油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。天然气汽车发动机润滑油与汽油机润滑油相比具有较高的碱值，很强的酸中和能力。５０
０００
ｋｍ行车试验表
明，该润滑油能有效防止硫化氢的腐蚀，减少发动机磨损，延长发动机大修期１／２以上。
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●
重油加工技术实现新突破
被列入国家重大产业技术开发专项的“溶剂脱沥青一沥青气化一催化裂化组合工艺”，日前在北京通过了国家发展和改革委员会的验收。专家认为，该组合工艺总体技术水平达到国际先进水平，该组合工艺的推广应用，将对我国石化行业提高核心竞争力和经济效益产生重大
影响。
用脱油沥青作为原料，改造费用低廉，原料成本大幅度降低，可有效降低化肥的生产成本，同时化肥装置还可以向炼油厂提供廉价的氢气，从而进一步降低炼油的成本。增强了重油深加工能力，沥青气化技术的开发和应用将有助于解决重油加工组合工艺的瓶颈问题，实现炼油厂渣油的高附加值利用，达到节约资源、保护环境的目的，最终形成一条适合我国国情的重油加工技术路线，可为我国化肥及炼油产业的发展带来明显的经济和社会效益。与现有以渣油为原料的化肥气化工艺路线相比，溶剂脱沥青一沥青气化一催化裂化组合工艺实施后预计将产生５０００万元／年以上的经济效益。该组合工艺具有自主知识产权，已申请中国发明专利两项。（中油网）
由九江分公司和石科院、宁波工程有限公司、九江石化设计工程有限公司共同承担的“溶剂脱沥青一沥青气化一催化裂化组合工艺”为重油深加工技术开发项目的一个子课题，于２００５年９月列入国家重大产业技术开发专项。
应用该组合工艺可使催化裂化原料性质改善，增产汽油、柴油、液化气和丙烯等高附加值产品。化肥装置采