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天然氣汽車存在的問題及對策

更新時間:2009/9/1  來源:中國燃?xì)庠O(shè)備網(wǎng)  [收藏此信息]

由于天然氣汽車在排放方面具有明顯的優(yōu)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(zhì)量方面有著重要意義。與此同時,天然氣汽車技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展,從過去的常壓天然氣汽車發(fā)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(fā)動機功率下降、發(fā)動機腐蝕與早期磨損的問題。
    1.發(fā)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(fā)動機的功率比使用汽油時有明顯下降。據(jù)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(jié)果,一方面導(dǎo)致汽車重載、爬坡或加速時動力不足,另一方面導(dǎo)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(fā)動機的構(gòu)造。
    在燃料性質(zhì)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(tài)汽油的體積與進(jìn)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(jìn)氣中占有較大比例,因此導(dǎo)致進(jìn)入氣缸的空氣量減少,充氣系數(shù)下降,從而導(dǎo)致發(fā)動機功率下降。
    在發(fā)動機構(gòu)造方面,決定發(fā)動機功率的主要因素是發(fā)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(fā)動機爆震的傾向也越大。因此,發(fā)動機壓縮比還必須與燃料的抗爆性相適應(yīng)。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(fā)動機,從而提高其功率。天然氣汽車的應(yīng)用還處在起步階段,天然氣的供應(yīng)遠(yuǎn)不象汽油那樣普及,在這種情況下,專門設(shè)計的天然氣發(fā)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(fā)揮,導(dǎo)致發(fā)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(fā)現(xiàn)燃燒室部件明顯腐蝕,甚至曲軸也出現(xiàn)腐蝕,氣門、活塞環(huán)和氣缸磨損嚴(yán)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(xiàn)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(fā)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(shù)
    充氣系數(shù)下降是導(dǎo)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(shù)是提高功率的一種途徑。但充氣系數(shù)下降是由天然氣本身的性質(zhì)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(jìn)氣增壓措施。但進(jìn)氣增壓無疑會加大發(fā)動機的體積和質(zhì)量,在實施中存在一定難度。
    3.2適當(dāng)提高發(fā)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(yōu)點,提高發(fā)動機功率。如果將發(fā)動機氣缸蓋減薄一部分,提高發(fā)動機的壓縮比,就可以提高發(fā)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(fā)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(chǎn)生爆震。因此壓縮比的提高有一定限度,應(yīng)根據(jù)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(fā)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(yīng)有保障的汽車,應(yīng)當(dāng)提倡使用壓縮比與天然氣抗爆性相適應(yīng)的單一燃料天然氣汽車,充分發(fā)揮天然氣高壓縮比的特點,以提高汽車發(fā)動機功率。
    3.3使用專用天然氣汽車發(fā)動機潤滑油
    天然氣是氣體燃料,使用中不會出現(xiàn)發(fā)動機潤滑油稀釋現(xiàn)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(fā)動機的效率。同時,天然氣汽車專用發(fā)動機潤滑油可以有效防止氣門、活塞環(huán)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(fā)動機臺架上,對使用天然氣發(fā)動機潤滑油和使用ESC30汽油機潤滑油進(jìn)行了對比試驗,外特性和負(fù)荷特性曲線如12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(biāo)準(zhǔn)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(fā)動機潤滑油可以增大發(fā)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(fā)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(jìn)行脫硫處理是減少腐蝕和磨損的重要手段。但對天然氣進(jìn)行脫硫處理,也很難將硫化氫完全除去,因此,天然氣對發(fā)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(fā)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(fā)動機的制造,對于現(xiàn)有發(fā)動機是無能為力的。
    4.3使用專門的天然氣汽車發(fā)動機潤滑油
    使用天然氣汽車發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機磨損,延長發(fā)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1和表2。
表2 燃燒室部件蝕磨情況
車號
潤滑油類型
行駛里程/km
燃燒室部件腐蝕及磨損情況
更換氣門次數(shù)
更換活塞環(huán)次數(shù)
氣門腐蝕狀況
氣門****磨損量/mm
氣門平均磨損量/mm(104km)-1
026
ESC30汽油機潤滑油
43655
1
1
嚴(yán)重腐蝕
0.075
0.0171
018
天燃?xì)獍l(fā)動機潤滑油
52968
0
0
正常
0.075
0.0141
024
51984
0
0
正常
0.060
0.0134
    5.結(jié)論
    a.天然氣汽車功率下降的原因是由于充氣系數(shù)下降和發(fā)動機壓縮比較低;
    b.發(fā)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(fā)動機功率的措施主要有進(jìn)氣增壓、提高發(fā)動機壓縮比和使用專用天然氣發(fā)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(fā)動機和使用專用天然氣發(fā)動機潤滑油;
    e.使用專用天然氣發(fā)動機潤滑油對提高功率和防止發(fā)動機的腐蝕與早期磨損都有顯著效果,是一種簡便、經(jīng)濟和有效的措施。
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