气体燃料发动机

1、第三章第三章 气体燃料发动机气体燃料发动机n背景：石油危机背景：石油危机n 环境污染环境污染n CNGn LPG1 燃气的性质燃气的性质n4.1.1 天然气天然气 主要成分主要成分CH4nCH4 碳碳/氢值最大，分子结构稳定氢值最大，分子结构稳定n1）生成）生成CO2少少n2）有效防止爆燃）有效防止爆燃n3）抗氧化稳定性高）抗氧化稳定性高天然气作为内燃机燃料的特点：天然气作为内燃机燃料的特点：n1）密度）密度n密度小（为空气的密度小（为空气的55%）n安全性安全性优于汽油优于汽油n2）热值）热值n分子结构简单分子结构简单n单位质量热值略高于汽油；单位体积热值为汽油的单位质量热值略高于汽油；单位

2、体积热值为汽油的90% n3）状态、沸点）状态、沸点n沸点：沸点：-162Cn难于液化，存储困难难于液化，存储困难n4）颜色、味道、毒性）颜色、味道、毒性n无色、无味、无毒性无色、无味、无毒性n加臭剂加臭剂 便于检验泄露便于检验泄露天然气作为内燃机燃料的特点：天然气作为内燃机燃料的特点：n5）混合气发火界限宽）混合气发火界限宽n天然气点火上限：天然气点火上限：15%；点火下限：；点火下限：5%n过量空气系数：过量空气系数：0.61.8n可大范围改变混合比，提高经济性、环保性可大范围改变混合比，提高经济性、环保性n6）自燃温度）自燃温度n天然气自燃温度比汽油天然气自燃温度比汽油高高n天然气：天然

3、气：630730C天然气作为内燃机燃料的特点：天然气作为内燃机燃料的特点：n7）起燃方式）起燃方式n天然气自燃温度比汽油天然气自燃温度比汽油高高n适于高压缩比下适于高压缩比下点燃点燃、柴油压燃方式、柴油压燃方式引燃引燃n8）抗爆性与辛烷值）抗爆性与辛烷值n辛烷值：辛烷值：115130n抗爆性能好，采用较高的压缩比，提高动力抗爆性能好，采用较高的压缩比，提高动力性，经济性性，经济性天然气作为内燃机燃料的特点：天然气作为内燃机燃料的特点：（2）车用天然气技术要求）车用天然气技术要求n1）减少硫化氢）减少硫化氢n腐蚀气瓶和设备管线腐蚀气瓶和设备管线n2）减少重烃）减少重烃n冷凝成液体，降低储气瓶有效

4、体积冷凝成液体，降低储气瓶有效体积n3）减少水分）减少水分n A、生成水合物、生成水合物n B、加速天然气中酸性气体对金属设备的腐蚀、加速天然气中酸性气体对金属设备的腐蚀n C、环境温度低时，结冰、环境温度低时，结冰车用天然气的技术要求车用天然气的技术要求液化石油气液化石油气n（1）液化石油气的物化特性）液化石油气的物化特性n主要成份：丙烷（主要成份：丙烷（C3H8）n 丁烷（丁烷（C4H10）n蒸气压力蒸气压力随温度升高增大，随温度升高增大，n 随成分比例变化随成分比例变化（1）液化石油气的物化特性）液化石油气的物化特性n1）密度）密度nA、液态密度：约、液态密度：约0.55kg/L 比汽油

5、低比汽油低nB、气态密度：比空气大，不容易消散、气态密度：比空气大，不容易消散n2）沸点）沸点n沸点低于沸点低于0度，常温下挥发性好度，常温下挥发性好（1）液化石油气的物化特性）液化石油气的物化特性n3）蒸发潜热）蒸发潜热n蒸发潜热：液体燃料蒸发时从周围吸取热量蒸发潜热：液体燃料蒸发时从周围吸取热量nLPG 工作时，需要热源提供热量工作时，需要热源提供热量n 较高温度的发动机循环水较高温度的发动机循环水n4）蒸气压）蒸气压n蒸气压蒸气压密闭容器内，密闭容器内，LPG最终蒸发和液化最终蒸发和液化达到平衡的稳定压力值达到平衡的稳定压力值n 减压汽化，通过管路输送燃料减压汽化，通过管路输送燃料（1）

6、液化石油气的物化特性）液化石油气的物化特性n5）着火温度）着火温度n丙烷：丙烷：470C 丁烷：丁烷：365Cn6）热值）热值n单位质量单位质量LPG热值比汽油高热值比汽油高n单位体积单位体积LPG热值比汽油低热值比汽油低n7）点火极限）点火极限nLPG燃烧范围比汽油宽燃烧范围比汽油宽（1）液化石油气的物化特性）液化石油气的物化特性n8）理论空燃比）理论空燃比n丙烷：丙烷：15.65 丁烷：丁烷：15.43n9）辛烷值）辛烷值nLPG辛烷值高于汽油，适合更高的压缩比辛烷值高于汽油，适合更高的压缩比n10）气）气/液容积比液容积比nLPG气气/液容积比随温度改变，因此防止其瓶液容积比随温度改变，

7、因此防止其瓶爆炸爆炸（1）液化石油气的物化特性）液化石油气的物化特性n11）色、味、毒性）色、味、毒性n加臭剂加臭剂 检测泄露检测泄露n12）腐蚀性）腐蚀性n丁二烯对橡胶腐蚀性强丁二烯对橡胶腐蚀性强n采用耐腐蚀的橡胶采用耐腐蚀的橡胶车用液化石油气技术要求车用液化石油气技术要求代用燃料发动机代用燃料发动机CNGCNG和和LPGLPG汽车的优缺点汽车的优缺点1. 1. 优点优点（1 1）充分利用天然气资源可以替代十分短缺的汽油和柴）充分利用天然气资源可以替代十分短缺的汽油和柴油；油；（2 2）减少对大气的污染：）减少对大气的污染：燃料与空气混合均匀，燃烧较燃料与空气混合均匀，燃烧较完全，可大幅度降

8、低完全，可大幅度降低COCO和和HCHC排放，彻底改善微粒排放污排放，彻底改善微粒排放污染，甲烷染，甲烷COCO2 2排放低排放低（3 3）燃料经济性好：）燃料经济性好：天然气价格优于汽油天然气价格优于汽油（4 4）压缩天然气比汽油安全：）压缩天然气比汽油安全：天然气密封好，在空气中天然气密封好，在空气中易被驱散，燃点高（易被驱散，燃点高（537537）（5 5）使用性能好：）使用性能好：冷起动性能好，运转平稳，燃烧不冷起动性能好，运转平稳，燃烧不会产生积炭，发动机寿命长，维修费低会产生积炭，发动机寿命长，维修费低（6 6）天然气有较好的抗爆性：）天然气有较好的抗爆性：天然气辛烷值天然气辛烷值

9、130130，液化，液化石油气石油气100100，高级汽油，高级汽油9696CNGCNG和和LPGLPG汽车的优缺点汽车的优缺点2.2.缺点缺点（1 1）天然气的携带性差：）天然气的携带性差：液化石油气在较低压力下液化石油气在较低压力下（690kPa690kPa）就可以完全液化，几乎和汽柴油同样便于携带；）就可以完全液化，几乎和汽柴油同样便于携带；但天然气只有采用先进的但天然气只有采用先进的膨胀制冷膨胀制冷过程将其冷却到过程将其冷却到-162-162才能液化，这要求有较高的技术，无论是液化设备还是车才能液化，这要求有较高的技术，无论是液化设备还是车上储罐，造价都会较高。目前广泛采用的上储罐，造

10、价都会较高。目前广泛采用的CNGCNG均采用高压均采用高压（202025MPa25MPa）存储在高压气瓶内，这些气瓶导致汽车自重）存储在高压气瓶内，这些气瓶导致汽车自重增大，空间减小，限制了续驶里程。增大，空间减小，限制了续驶里程。（2 2）气体燃料的充气系数比液体燃料大约低）气体燃料的充气系数比液体燃料大约低10%10%；气体燃；气体燃料的理论混合气热值也较低；与相同排量的汽油机比，发料的理论混合气热值也较低；与相同排量的汽油机比，发动机功率有所下降。动机功率有所下降。（3 3）若以双燃料或两用燃料并存形式应用于汽车，则整车）若以双燃料或两用燃料并存形式应用于汽车，则整车成本提高约成本提高约

11、15%15%。4.2 两用燃料发动机两用燃料发动机n两用燃料发动机：两用燃料发动机：n在原有汽油机基础上，再添加一套气体燃料供给系统n 缸外供气形式n 缸内供气形式进气道混合器预混合供气进气道混合器预混合供气进气阀处喷射供气进气阀处喷射供气缸内高压喷射供气缸内高压喷射供气缸内低压喷射供气缸内低压喷射供气4.2.1 CNG/汽油两用燃料发动机的燃气供给系统汽油两用燃料发动机的燃气供给系统6-混合器混合器10-化油器化油器12-减压器减压器两用燃料开环供给系统工作原理方框图3档：避免发生档：避免发生油气混烧现象油气混烧现象按供给控制装置不同：n开环混合器供给系统开环混合器供给系统 A、3档档 B、

12、固定空燃比，与工况的匹配不良、固定空燃比，与工况的匹配不良n闭环带电动力阀混合器供给系统闭环带电动力阀混合器供给系统 A、2档，自动控制油气延时档，自动控制油气延时 B、空燃比控制灵活、空燃比控制灵活 C、加附加控制元件、加附加控制元件4.2.2 LPG/汽油两用燃料发动机的燃气供给系统汽油两用燃料发动机的燃气供给系统7减压蒸发器减压蒸发器5-混合器8-汽油电磁阀20-减压器电磁阀 根据系统原理图，写出根据系统原理图，写出LPG/汽油两用燃汽油两用燃料开环供给系统工作原理方框图料开环供给系统工作原理方框图 ？两用燃料开环供给系统工作原理方框图3档：避免发生档：避免发生油气混烧现象油气混烧现象两

13、用燃料开环供给系统工作原理方框图3档：避免发生档：避免发生油气混烧现象油气混烧现象蒸发减压器电磁阀LPG钢瓶LPG气路4.2.3 液化石油气液化石油气/汽油两用燃料发动机的性能汽油两用燃料发动机的性能1、LPG发动机发动机着火特性、启动性能、加速特性着火特性、启动性能、加速特性比较差比较差 A、气化潜热高，压缩终了温度低 B、进气不充分 C、LPG着火温度高2、LPG发动机的发动机的动力性动力性和和经济性经济性不高不高 LPG蒸发，蒸发，混合气密度小，进入气缸的混合气量少，输出功率输出功率小n3、LPG发动机的发动机的排气和噪声排气和噪声 趋势：COHC减少，燃烧温度下降，NOx排放下降4.3

14、 单燃料发动机单燃料发动机单燃料气体燃料发动机单燃料气体燃料发动机 仅用仅用CNG或或LPG中的一种最为发动机中的一种最为发动机燃料的发动机燃料的发动机 与与两用燃料发动机两用燃料发动机相区别？相区别？4.3.1 压缩天然气发动机压缩天然气发动机n车用压缩天燃气装置：车用压缩天燃气装置： 天然气储气系统天然气储气系统 充气阀、高压截止阀、天然气储气瓶、高压管充气阀、高压截止阀、天然气储气瓶、高压管线、高压接头、传感器、气量显示器线、高压接头、传感器、气量显示器 天然气供给系统天然气供给系统 滤清器、减压器阀、混合器滤清器、减压器阀、混合器（1）充气阀）充气阀（2）储气瓶）储气瓶气瓶：气瓶：高压

15、：高压：20MPa材料：材料：钢、铝合金钢、铝合金 复合材料复合材料注意：注意：安全可靠安全可靠膜片、易熔合金瓶口装置瓶口装置（3）高压管线及高压接头）高压管线及高压接头（密封）（密封）接头体接头体+卡套卡套+压紧螺母压紧螺母（4）减压阀）减压阀减压调节器减压调节器n一级减压一级减压 20MPa 0.350.4MPan二级减压二级减压 0.150.19MPan三级减压三级减压 负压 满足发动机各种工况（5）混合器安装：安装：空气滤清器与化油器之间空气滤清器与化油器之间（6）气量显示器）气量显示器 指示气瓶剩余其量的多少指示气瓶剩余其量的多少4.3.2 液化气燃料发动机nA 压力不高！ B 需要

16、蒸发气化n（1） 气瓶气瓶 工作压力：工作压力：1.6MPa压力小压力小材料：普通钢板材料：普通钢板容积较大容积较大（2）蒸发器）蒸发器目的：目的：保证发动机稳定连续的得到混合气的供给，保证发动机稳定连续的得到混合气的供给， 进入气缸前先对进入气缸前先对LPG进行蒸发气化进行蒸发气化措施：措施：发动机冷却水加热气化发动机冷却水加热气化（3）减压器）减压器0.6MPa 0.20.3MPa 0.1MPa（4）混合器）混合器 控制空燃比控制空燃比4.4 双燃料发动机双燃料发动机双燃料发动机发动机工作时同时要用 两种燃料 （柴油机引燃） 两用燃料发动机两用燃料发动机 单燃料发动机单燃料发动机？双燃料发

17、动机双燃料发动机优点优点：n1、可采用较高的压缩比，提高动力性能、可采用较高的压缩比，提高动力性能n2、保持柴油机的高压缩比，具有较高的热效率、保持柴油机的高压缩比，具有较高的热效率n3、柴油引燃，点火能量高、柴油引燃，点火能量高n4、点火能量高，有利于实现稀薄燃烧、点火能量高，有利于实现稀薄燃烧n5、有效降低柴油机的排放烟度、有效降低柴油机的排放烟度存在的存在的问题问题：n1、低负荷低负荷时，燃料燃烧不完全，经济性时，燃料燃烧不完全，经济性能差，排放性能差能差，排放性能差n2、高负荷高负荷时，可能出现工作粗暴或者敲时，可能出现工作粗暴或者敲缸现象缸现象2、 双燃料发动机的分类双燃料发动机的分

18、类缸内直接喷射 进气管混合器供气缸外供气 进气歧管喷射机械控制式电子控制式控制精度控制精度控制稳定性控制稳定性混合器混合器安装：安装：空气滤清器与化油器之间空气滤清器与化油器之间3、双燃料发动机的特性、双燃料发动机的特性（1）动力性）动力性 最大输出功率比柴油机稍高最大输出功率比柴油机稍高（控制条件：不（控制条件：不敲缸敲缸） 动力性与柴油机动力性与柴油机结构和指标结构和指标有关系有关系（低压缩比、高速、非增压的柴油机抗敲缸能力较强）（低压缩比、高速、非增压的柴油机抗敲缸能力较强）双燃料发动机的特性双燃料发动机的特性（2）速度特性）速度特性柴油引燃的点火能量高，易于实现柴油引燃的点火能量高，易于实现稀薄燃烧稀薄燃烧双燃料发动机各工况下精确控制气体燃料双燃料发动机各工况下精确控制气体燃料兼顾功率、转矩、气体燃