天然氣汽車存在的問題及對策

2021/4/23 9:43:51 15

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由于天然氣汽車在排放方面具有明顯的優越性,與使用汽油車相比,天然氣汽車顆粒物排放幾乎為零,NOx、CO和HC的排放也顯著降低,所以天然氣汽車在改善空氣質量方面有著重要意義。與此同時,天然氣汽車技術也得到了前所未有的發展,從過去的常壓天然氣汽車發展到壓縮天然氣汽車(CNGVs)和液化天然氣汽車(LNGVs)。盡管如此,天然氣汽車在使用中仍然存在一些問題,其中最為突出的是發動機功率下降、發動機腐蝕與早期磨損的問題。

1.發動機功率下降及其原因 

天然氣汽車使用中的一個主要問題是發動機的功率比使用汽油時有明顯下降。據資料報道,汽車在使用天然氣作燃料時,功率一般要下降15%左右,個別時候下降更多。功率下降的結果,一方面導致汽車重載、爬坡或加速時動力不足,另一方面導致燃料消耗相對增加,并增加污染物排放量。 

天然氣汽車的功率下降主要原因在于燃料本身的特性和發動機的構造。 

在燃料性質方面,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,充氣系數下降,從而導致發動機功率下降。 

在發動機構造方面,決定發動機功率的主要因素是發動機的壓縮比,壓縮比越大,熱效率越高,有效功率就越大。同時,壓縮比越大,發動機爆震的傾向也越大。因此,發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,專門設計的天然氣發動機汽車很難推廣。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揮,導致發動機功率下降。 

2.腐蝕與早期磨損及其原因 

汽車以天然氣作燃料時,發現燃燒室部件明顯腐蝕,甚至曲軸也出現腐蝕,氣門、活塞環和氣缸磨損嚴重,與使用汽油時相比,汽車大修期通常要縮短1/3-1/2。 

這是天然氣汽車面臨的另一個問題。天然氣汽車出現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(硫化氫),引起氣缸、氣缸壁的腐蝕與磨損,使發動機動力下降,使用壽命縮短,汽車大修期縮短。 

3.提高天然氣汽車功率的措施 

3.1提高充氣系數 

充氣系數下降是導致天然氣汽車功率下降的重要原因,從理論上講,提高充氣系數是提高功率的一種途徑。但充氣系數下降是由天然氣本身的性質所決定的,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動機的體積和質量,在實施中存在一定難度。 

3.2適當提高發動機壓縮比 

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點,提高發動機功率。如果將發動機氣缸蓋減薄一部分,提高發動機的壓縮比,就可以提高發動機的功率,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,有可能產生爆震。因此壓縮比的提高有一定限度,應根據實際情況確定。例如,原來使用70號汽油的汽車,改成兩用燃料汽車時,可將壓縮比提高到使用90號汽油的壓縮比;原來使用90號汽油的發動機改成兩用燃料汽車時,可將壓縮比提高到使用93號或95號汽油的壓縮比。 

對于象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,充分發揮天然氣高壓縮比的特點,以提高汽車發動機功率。 

3.3使用專用天然氣汽車發動機潤滑油 

天然氣是氣體燃料,使用中不會出現發動機潤滑油稀釋現象,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,提高發動機的效率。同時,天然氣汽車專用發動機潤滑油可以有效防止氣門、活塞環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。 

在CA6102天然氣發動機臺架上,對使用天然氣發動機潤滑油和使用ESC30汽油機潤滑油進行了對比試驗,外特性和負荷特性曲線如圖1、圖2所示。試驗中所用燃料均為天然氣,燃料消耗量以天然氣在標準狀況下體積計算。從圖1中可以看出,與使用ESC30汽油機潤滑油相比,使用天然氣發動機潤滑油可以增大發動機的功率和扭矩,降低燃料消耗率10%左右。


4.減少腐蝕和磨損的措施 

4.1天然氣脫硫 

如前所述,天然氣汽車發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化氫。因此,對天然氣進行脫硫處理是減少腐蝕和磨損的重要手段。但對天然氣進行脫硫處理,也很難將硫化氫完全除去,因此,天然氣對發動機的腐蝕是很難完全避免的。 

4.2采用耐腐蝕材料 

采用抗硫化物腐蝕的金屬材料制造發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動機的制造,對于現有發動機是無能為力的。 

4.3使用專門的天然氣汽車發動機潤滑油 

使用天然氣汽車發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動機腐蝕的有效措施,這種方法不但簡便,而且不增加成本。 

天然氣汽車發動機潤滑油與汽油機潤滑油相比具有較高的堿值,有很強的酸中和能力。5萬km行車試驗表明,該潤滑油能有效防止硫化氫的腐蝕,減少發動機磨損,延長發動機大修期1/2以上。 

該汽車5萬km道路試驗前、后氣缸尺寸變化以及燃燒室部件腐蝕與磨損情況分別列于表1和表2。

5.結論 

a.天然氣汽車功率下降的原因是由于充氣系數下降和發動機壓縮比較低; 

b.發動機早期磨損的原因是由于天然氣中含有微量硫化物引起的; 

c.提高天然氣發動機功率的措施主要有進氣增壓、提高發動機壓縮比和使用專用天然氣發動機潤滑油; 

d.防止腐蝕和早期磨損的途徑包括天然氣脫硫、使用耐腐蝕材料制造發動機和使用專用天然氣發動機潤滑油; 

e.使用專用天然氣發動機潤滑油對提高功率和防止發動機的腐蝕與早期磨損都有顯著效果,是一種簡便、經濟和有效的措施。


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