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1、上海新奥九环车用能源股份有限公司天然气汽车原理培训资料1. 天然气的组成：天然气的主要成分是甲烷，此外还含有不同数量的其他烃类（主要是C2C4的烷烃以及少量更高级的烃类）、H2S、CO2、水蒸气、CO、氮气、氦气、氩气和其他微量气体。从地下开采出的天然气首先要经过处理才能通过管道输送和使用。处理的目的主要是除去H2S、高沸点烃和水气。经处理后的天然气甲烷含量在80%99%之间，其次是乙烷和惰性气体，另有少量的丙烷、丁烷和更高级的烃类。2. 天然气的特点： 燃料名汽油轻柴油天然气液化石油气甲醇乙醇氢(NG)(LPG)质量gC/kg0.8550.870.750.8180.3750.5220成分gH
2、/kg0.1450.1260.250.1820.1250.131gO/kg0.0040.50.3480相对分子质量95120180164432462液态密度/kg/L0.700.750.820.860.420.540.7950.790.071沸点/25215180360-162-426578-253汽化潜热/kJ/kg3103202512705104261100862450理论空l。/kg/kg14.714.317.415.86.529.0534.48气量l。/kmol/kg0.5150.50.5950.5410.2230.311.193 自燃温度/3004002506503654705004
3、20 闪点/-455065-162以下-73.31011932 燃料低热值/kJ/kg440004250050050463902026027000120000 标准状态下a=1 的可燃混合气热植/kj/m33750375032303490355736602899辛烷值RON9010613096111110106MON818912013089969289 运动粘度(20) 10-6m2/s0.650.852.58.5(1) 沸点：天然气沸点为-162度，所以，常温常压下为气态，和空气混合好，无须气化，这是排放低的主要原因。但因为是气态，故在进气系统流通能力不变的情况下，气缸充量减少，影响动力性。
4、(2) 天然气的自燃点：天然气比汽油的300度400度高200度以上，故应将点火提前角和点火能量加大，以保证破坏这种比汽油更稳定的分子结构.。(3) 发热量：按重量，CH4为50050 kJ/kg，比汽油44000 kJ/kg高；但按体积，天然气在a=1的标准状态下可燃混和气的热值为3230 kJ/m3，比汽油的3750 kJ/m3低，故按气态进入气缸后，发热较少，功率有所下降。(4) 所需空气量：燃烧一公斤天然气需要17.4公斤空气，比烧汽油需要更多的空气，故燃烧CNG后的空气量应加大，否则功率会下降。*理论空燃比：燃烧的化学方程式 CaHb+xO2aCO2+b/2H2O燃料完全燃烧并且只生
5、成CO2和H2O时的空燃比称为理论空燃比，汽油约为14.7左右。(5) 燃烧范围：燃料与空气的混合比，汽油为1.57.6% ,天然气为515%,CNG比汽油空燃比宽，易调整，所以性能比较稳定。(6) 辛烷值: 天然气为130.比汽油的7090高很多,故不易爆震,可将压缩比提高,这样可使功率提高,如仍使用汽油机压缩比,则功率要受影响。*辛烷值:液体燃料的稀混合气抗爆性规定用辛烷值表示。*爆震：是点燃式发动机中的一种不正常燃烧，他发生在燃烧过程的后期。当火花塞点火后，随着一次火焰在气缸中的传播，未燃部分的混合气已燃气体的压缩和热的传导，温度压力急剧上升，化学反应加强，形成较多的活动中心。如果在一次
6、火焰前锋尚未到达之前，未燃部分局部的温度和压力急剧升高，这就是爆震现象。(7) 火焰转播速度慢,燃烧时间长(见下表):着火延迟角oCA火焰传播速度m/s速燃期oCA汽油1314.518.5284045CNG1012.51415.54560所以改装后应选用大一些的点火提前角和大的点火能量。3、天然气的优点： （1）天然气常态下为气体，不需要精密的喷油设备或雾化装置，发动机构造相对简单。（2）能与空气充分混合，各缸燃料分配均匀，发动机工作平稳。（3）不存在润滑油稀释问题，可以使用黏度较低的润滑油，减少因摩擦消耗的能量。（4）有利于组织稀混合气燃烧，提高燃料经济性。（5）辛烷值高，有利于通过提高压缩
7、比而提高热效率。（6）燃料系统密封，燃料的蒸发散失少，燃烧完全度较高，排放污染少。4、天然气使用中的问题与对策：（1）发动机功率下降问题天然气在混合气中所占体积较大，因而减少新鲜空气进入缸的量，降低了充气系数，再加上天然气燃烧速度慢，导致发动机功率下降20%以上。一般用提高压缩比与加大点火提前角来弥补。（2）减短气门寿命的问题天然气燃烧速度慢，且为气态不能润滑气门，造成气门（尤其是排气门）使用寿命缩短。解决方法一般为加装点火提前装置，和改变气门材料。5、 对单点CNG装置性能情况的技术分析：图一图二图三(1) 分析“放炮”原因: “放炮”在专业上应称为“回火”，其实质是进气管道内的混合气被不正
8、确的点燃，突然爆炸。从图一可看出,单点双燃料CNG装置由于采用在节气门前混合，又加上发动机加长了进气管流通长度（图三）,因此混合气的容积较大,造成进气管道内储存着大量的可燃混合气,一旦有点燃条件即会发生回火,从图二可看出汽油电喷发动机的喷射位置在进气门口，所以即使被点燃也不会发生严重的回火现象。（这就是多点装置的最大改进点）回火现象的诱发条件主要有以下四点:n 分缸线火花塞老化,产生逃火缺火现象,二次点火点燃混合气.(二次点火是现今电喷发动机采用的新点火技术,即发动机一个缸每个冲程点两次点火，所以电喷发动机更容易因两次点火造成回火现象。其原理如下图四所示) n 调试混合气过稀,造成汽缸内有未点
9、燃混合气,在下一次作功前被点燃.通过打开的进气门与进气管道混合气一起爆燃。n 进气系统泄露,破坏进气系统真空度,致使混合气浓度过稀。n 汽化器皮膜老化、灵敏度弹簧硬化造成急加速时反应滞后混合气突然变稀。n 启动时直接使用CNG,由于启动时需要更大的点火能量，加上天然气装置供气的滞后，造成燃烧室内有混合气未点燃。图四(2) 分析气耗高的原因:a. 在电喷发动机的压缩比、点火提前角、气门重叠角、进气量等基本设计系数未被修改的情况下，改装第二代液化气的发动机动力性、经济性必然有所下降。b. 从文丘里混合气的设计原理来讲，不可能都满足发动机各工况非线性的混合气要求。如图五所示当发动机负荷增加（ph增加
10、），混合器供给的混合气成分是加浓，其中，在中小负荷范围内混合气的加浓程度更为强烈，而在大负荷范围内只有轻微的加浓，这与简单化油器特性及其相似。显然文丘里混合气的混合特性不能满足车用发动机稳定工况和非稳定工况的要求，特别是在中小负荷，因随着负荷增大（ph增大）发动机要求的混合气应变稀，而文丘里混合器却使可燃混合气变浓。图五c. 由于空滤器的设计本身只能满足汽油的进气量，且更换周期长，造成空气进量不断减少，混合气逐渐变浓，气耗上升。图六6、 多点顺序喷射原理介绍：（1） 汽油电喷发动机喷油控制原理根据燃烧化学方程式CaHb+xO2aCO2+b/2H2O可以计算出汽油的理论空燃比为14.7即Ga(空
11、气质量)/Gf（燃料质量）=14.7，空气质量Ga通过发动机空气流量计测出，则可推算出基本喷射时间Tp=Ga/14.7*k(常数对于特定的喷嘴来说)，于是实际喷射时间为：T=Tp*Fc/TnTn喷油器无效喷射时间，当ECU输出信号驱动喷油器工作时，由于喷油器动作滞后，开阀时间To比关阀时间Tc长，我们把（To-Tc）的时间，即喷油嘴不喷油的时间称为无效喷射时间Fc基本喷射时间修正系数，它是考虑空燃比变化时的修正系数，它与下列中的各项有关： Fc=g（Fet，Fad，Fo，F1，Fm）Fet与发动机温度有关的修正系数；Fad加减速运转时的修正系数；Fo理论空燃比反馈修正系数；F1学习控制产生的修
12、正系数Fm大负荷，高转速运转时的修正系数。图七（2） 天然气多点喷射发动机控制原理：首先，天然气多点喷射系统的基本数据直接取自于汽油发动机的实际喷射时间T，然后在此基础上根据天然气的理论空燃比17.4计算出天然气的基本喷射时间Ttp=Tp*17.4/14.7，最后根据水温与发动机真空稍作修正计算出实际喷射时间。图八7、 单点混合气与多点顺序喷射装置的优缺点比较（1） 单点装置价格便宜，安装工艺简单。（2） 单点装置开环调试后，由于在混合气常稀状态下工作，所以气耗较低。（3） 由于单点装置简单，维修工艺简单，维修费用低。（4） 多点彻底避免回火现象，动力与经济性分配更合理。（5） 多点装置能根据不同工况匹配脉谱图，排放达到国家标准。（6） 多点装置使用性能稳定，不需要经常调试。- 12 -
