压缩天然气对汽车发动机性能的影响研究

前言

压缩天然气（CNG）作为汽车替代燃料，对发动机性能影响利弊共存。动力性上，因火焰传播慢、容积效率低，功率和扭矩有所下降。经济性方面，成本降低且热效率提高，能节省开支。排放性表现良好，一氧化碳、碳氢化合物等污染物减少，但氮氧化物排放需控制。可靠性受挑战，高温易致发动机部件磨损、火花塞和三元催化器损坏。总体而言，虽有不足，但通过技术改进和合理维护，可在降低成本与环保的同时，保障发动机性能稳定。

1 压缩天然气对汽车发动机性能的影响

1.1 动力性

功率和扭矩下降：天然气的主要成分是甲烷，其火焰传播速度比汽油慢，导致燃烧过程相对迟缓。这使得发动机在做功冲程中，气体推动活塞的力量减弱，从而造成发动机的有效功率和扭矩输出降低。一般来说，使用 CNG 燃料的发动机，其动力性能相比使用汽油时会下降 10%-15% 。例如，原本使用汽油时发动机最大功率为 100kW ，改用 CNG 后可能降至85-90kW。

容积效率降低：CNG 在气相中的密度低于空气，当它进入气缸时，会占据一定的空间，使得相对进入气缸的空气量减少。而汽油以液态形式进入气缸，对空气的进入量影响较小。因此，汽油发动机的容积效率更高，将为汽油燃料设计的发动机转换为 CNG 运行时，会产生低峰值功率。

1.2 经济性

燃料成本降低：CNG 的价格通常比汽油低，相同的功率输出需要较少的 CNG 燃料质量。以相同行驶里程计算，使用 CNG 作为燃料可以节省30%-50% 的成本。例如，在一些地区，汽油价格为 8 元/升，而 CNG 价格为4 元/立方米，使用CNG 能明显降低出行成本。

热效率提高：CNG 的低热值高于汽油，且可达稀燃极限更广。这意味着在发动机中，CNG 可以在更稀薄的混合气状态下稳定燃烧，从而提高了发动机的有效热效率。一般情况下，天然气发动机的有效热效率比汽油机高 5%-12% 。

1.3 排放性

污染物排放减少：CNG 燃烧相对更完全，其排放的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒物（PM）等污染物明显低于汽油。同时，CNG的抗爆震性能高，使得发动机可以采用更高的压缩比，进一步改善燃烧过程，减少污染物排放。例如，使用 CNG 的汽车，其 CO 排放量可降低80%-90% ，HC 排放量可降低 60%-70% 。

氮氧化物排放需控制：随着压缩比的提升，气缸内的燃烧压力和温度升高，虽然提高了热效率，但也会导致氮氧化物（ ΔNO_x ）排放量增加。因此，在使用 CNG 时，需要采取相应的技术措施来控制 NO_x 的排放，如优化点火正时、采用废气再循环（EGR）技术等。

1.4 可靠性

发动机磨损加剧：CNG 燃烧温度较高，容易导致发动机内部的气门和缸壁出现严重磨损。同时，由于燃烧天然气的稳定性没有汽油高，容易引发发动机出现爆震现象，进一步加剧发动机的磨损，缩短发动机的使用寿命。

火花塞和三元催化器易损坏：天然气燃烧温度高，特别容易刺破火花塞，导致火花塞的使用寿命缩短。此外，很多油改气车的三元催化材料在发动机工作过程中容易爆裂，造成三元催化燃烧或断裂堵塞。

2 对策

2.1 动力性方面

2.1.1 优化燃烧系统

改进火花塞：采用具有更强点火能量和更合适电极间隙的火花塞，如铱金火花塞，能增强点火能力，加快CNG 的燃烧速度，提高燃烧效率，从而提升发动机的功率和扭矩输出。

调整燃烧室形状：设计更合理的燃烧室形状，如半球形燃烧室，可促进混合气的形成和燃烧，使火焰传播更均匀、迅速，减少燃烧延迟，改善发动机的动力性能。

2.1.2 提高进气效率

增加进气阀数量：每缸增加进气阀数，可增大进气通道面积，使更多的空气和CNG 混合气进入气缸，提高发动机的充气效率，进而提升动力。

优化进气歧管：设计改进的进气歧管，使混合气能更均匀地分配到各个气缸，保证各缸工作的一致性，提高发动机的整体动力性能。

采用增压技术：使用增压 CNG 发动机，如涡轮增压或机械增压，可增加进气压力，提高进入气缸的混合气密度，从而增加发动机的功率和扭矩。

2.2 经济性方面

2.2.1 合理规划加气站布局

政府和相关企业应加大对加气站的建设投入，合理规划加气站的布局，提高加气站的覆盖率，减少车主寻找加气站的时间和成本，提高使用 CNG的便利性，进一步降低使用成本。

2.2.2 优化发动机控制系统

通过先进的电子控制单元（ECU），精确控制 CNG 的喷射量和喷射时间，使发动机在不同工况下都能实现最佳的空燃比，提高燃料的利用率，降低燃料消耗，提升经济性。

2.3 排放性方面

2.3.1 采用尾气处理技术

安装三元催化转化器：三元催化转化器能将 CNG 燃烧产生的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体转化为无害的二氧化碳、水和氮气，有效降低污染物排放。

应用废气再循环（EGR）技术：将部分废气引入进气系统，降低燃烧温度，减少氮氧化物的生成。同时，废气中的二氧化碳等惰性气体还能抑制燃烧反应的剧烈程度，进一步降低污染物排放。

2.3.2 优化发动机燃烧过程

通过调整点火提前角、压缩比等参数，优化发动机的燃烧过程，使 CNG燃烧更充分、更稳定，减少污染物的生成。例如，适当推迟点火提前角可以降低燃烧温度，减少氮氧化物的排放。

2.4 可靠性方面

2.4.1 加强发动机冷却系统

由于CNG 燃烧温度较高，加强发动机的冷却系统，如增大散热器的散热面积、提高冷却液的循环速度等，可有效降低发动机的工作温度，减少高温对发动机部件的损害，延长发动机的使用寿命。

2.4.2 使用耐高温、耐磨材料

在发动机的关键部件，如气门、活塞环、缸套等，采用耐高温、耐磨的材料，如陶瓷涂层气门、硬质合金活塞环等，可提高部件的抗磨损和抗高温性能，减少磨损和损坏的发生。

2.4.3 定期维护和保养

制定严格的定期维护和保养计划，对使用CNG 的发动机进行定期检查和维护。例如，定期更换火花塞、空气滤清器、机油等，检查和调整发动机的各项参数，确保发动机始终处于良好的工作状态。

结束语

综上所述，压缩天然气（CNG）在汽车发动机领域的应用是一把双刃剑。它在经济性和排放性上展现出显著优势，能有效降低燃料成本、减少污染物排放，符合当下环保与节能的发展趋势。但在动力性和可靠性方面存在一定不足，如功率下降、部件磨损加剧等问题。不过，通过优化发动机设计、采用先进的尾气处理技术以及加强日常维护等措施，能够在很大程度上缓解这些负面影响。未来，随着技术的不断进步和相关配套设施的完善，CNG 有望在汽车行业发挥更大作用，推动汽车产业向更绿色、高效的方向发展。

参考文献：

[1]张腾，刘宁，韩文涛，等.天然气发动机缸内压缩释放制动试验研究[J].内燃机与动力装置，2022，39（1）：36-40，46.

[2]冯仁华，罗振，郭栋，等.压缩比对天然气发动机性能特性影响的试验研究[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2021，35（8）：66-73.