天然氣發動機

自上世紀30年代初第一台天然氣發動機誕生至今，先後經歷了3次大發展：首次大發展出現在第二次世界大戰後，石油燃料十分匾乏，大都應用於戰爭中，為了解決燃料應用問題，此時人們想到了天然氣燃料，因此固定式內燃機上大量使用天然氣燃料，並且一部分車用內燃機也是用天然氣，但是由於天然氣儲存和攜帶不方便，限制了其發展，在隨後的三四十年內發展緩慢。

第二次大發展是在上世紀的七十年代中期，中東戰爭和石油危機爆發，使得石油價格暴漲，因此美國、西歐各國及日本等石油進口大國的用油成本急劇增加，另外世界上主要的石油輸出國聯合起來控制石油的生產、價格；使得這些國家認識到能源不能過分依賴石油，能源的多元化戰略開始付諸實施。天然氣此時再次被重視起來，由於其燃燒後基本不排放黑煙，被稱為“綠色能源”，人們初步認識到其環保價值，天然氣發動機獲得了再次發展的機會。

第三次快速發展是在上世紀末和本世紀初，全球石油價格持續上漲，加上發展中國家逐步開始工業化進程，因此對能源的需求量急劇增加，從而導致國際上能源的供需矛盾日益突出，因此世界上主要發達國家的政府都大幅度的增加了對發動機代用燃料的開發和扶持力度，發動機的代用燃料技術取得了顯著的進步。

近年來，世界上眾多國家，例如美國、德國、日本、韓國、泰國等都相繼制定了天然氣動力應用的發展規劃。我國相繼實行了“清潔汽車”、“十城千輛”等政策，大力推廣新能源汽車，使得天然氣發動機在城市公交、出租車上得到的廣泛的應用我國對天然氣發動機的研發工作起步較晚，從上世紀八十年代開始，但發展迅速，尤其是全國開展“清潔汽車”行動後。天然氣發動機未來仍將保持高速發展的態勢。 ^[1] 

自上世紀年代初期天然氣發動機問世以來，經過八十年的發展，天然氣發動機技術已日趨成熟，目前來看，大部分天然氣發動機都是由現有的柴油機或者汽油機機型基礎上改型而來的，另外由於目前天然氣發動機應用領域廣泛，技術水平上差距較大。

雖然我國天然氣發動機的發展較快，但在總體技術上與國外先進水平仍有不小的差距，這阻礙了我國天然氣發動機的自主研發和更廣泛的推廣。

近年來，各發動機知名生產廠家、諮詢公司及研究機構都針對天然氣發動機的燃燒和排放特性、供給系統及控制、稀薄燃燒技術、天然氣噴射技術以及天然氣柴油雙燃料發動機技術等展開了大量的理論和試驗研究。

按照其着火方式的不同劃分，可以分為點燃式天然氣發動機，壓燃式天然氣發動機和柴油引燃式天然氣發動機。

點燃式天然氣發動機技術就是類似汽油機的工作方式，用火花塞引燃天然氣混合氣，其供氣方式可以分為進氣道內供給天然氣和燃燒室內直接供給天然氣，進氣道供氣還可分為單點供給天然氣和多點供給天然氣，多點供氣就是在每缸的進氣道單獨供給，單點供氣就是在進氣總管供給天然氣。單點供氣類似於汽油機的進氣道單點噴射，各缸會出現搶氣導致的工作不均勻現象，因此在大型多缸天然氣發動機上，多采用多點供氣方式。

的燃料直接從排氣系統排出，造成燃料的浪費及排放的提高。

壓燃式天然氣發動機的燃料供給方式是向缸內直噴高壓天然氣，噴射時刻一般在上止點前，在壓縮上止點前自行着火，實現擴散燃燒。由於甲烷是天然氣的主要成分，其着火温度比柴油高因此為了使其可靠着火，直噴式天然氣發動機一般需要助燃措施，常用的為電熱塞輔助着火。使用中電熱塞易於發生氧化，因此通常選用具有陶瓷外殼的內熱式熱面管形式的電熱塞，由發電機提供能量，並且根據發動機的運轉條件調節電熱塞的外加電壓。

壓燃式高壓缸內直噴的天然氣發動機像柴油機一樣沒有節氣門，因此其不存在節流損失和容積效率損失。高壓天然氣在壓縮上止點前噴入燃燒室內，與柴油機的混合氣形成方式一樣，邊混合邊燃燒，屬於擴散燃燒的範疇，因此該類型的天然氣發動機可以採用相對較高的壓縮比，能夠獲得與柴油機相當的熱效率，另外可以通過控制燃料的供應量來控制發動機負荷，因此進氣道供氣的天然氣發動機普遍存在的小負荷性能差的缺點能夠得到有效的改善。

在混合氣着火之前，低濃度的均質混合氣在燃燒室內形成，當缸內温度壓縮到天然氣的自燃温度以上時，均質混合氣開始着火，即實現均質壓燃燃燒。均質壓燃燃燒的天然氣發動機在工作方式上融合了點火燃燒和壓燃燃燒兩種燃燒方式的工作特點，混合氣形成採用預混形式，燃燒採用壓燃燃燒方式，並且採用質調節的方式控制負荷，將節氣門去掉。由研究結果可知，均質壓燃的燃燒方式適合於多種燃料，包括汽油、柴油、天然氣等；天然氣是氣體燃料，比起汽油和柴油等液體燃料來説，能夠更容易的形成成均質混合氣，再加上天然氣的高辛烷值，有很好的抗爆性能，因此天然氣發動機可以採用相對高的壓縮比，從而更容易實現壓縮着火的燃燒方式。

這類發動機大都是有柴油機改裝設計，形式上會保留原柴油機上的所有裝置和功能，在此基形式礎上加裝燃氣供給裝置，氣、油控制和切換裝置。這種發動機以天然氣作為主要燃料，由壓縮柴油着火引燃天然氣混合氣，這種發動機即可以作為純柴油發動機使用，也可以作為天然氣柴油雙燃料使用，並可自主控制替代率。

經過科研工作者多年的探索，氣體機技術有了長足的進步，主要應用的技術包括前面提到的點火技術、HCCI燃燒技術、Miller循環技術、長衝程技術、EGR技術、以及這些技術的綜合運用。

天然氣發動機的點火技術包括如下幾種：預燃室式火花塞點火、預燃室火花塞點火、主燃室柴油引燃着火、預燃室柴油引燃着火，如圖1所示。

米勒循環通過改變氣門正時來使有效膨脹過程大於有效壓縮過程，使有效壓縮比減小，降低壓縮終點時缸內温度和壓力，從而抑制排放的生成。往往是通過進氣門早關和進氣門晚關實現米勒循環。米勒循環必然導致進氣量的減少，在應用中往往配合高增壓來使用，採用高的進氣壓力來彌補由於氣門早關或晚關導致的進氣量的減少。 ^[2]