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北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——文献综述
北京化工大学北方学院
NORTH COLLEGE OF CHEMICAL BEIJING UNIVERSITY TECHNOLOGY OF
毕业论文文献综述
题目：代用燃料汽车性能分析与研究
学院： 学院 理工学院 专业： 专业：汽车服务工程 学号： 学号：070107037 姓名： 姓名：李德宇 指导教师： 指导教师：宫唤春
2010 年 10 月 29 日
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北京化工大学北方学院毕业设计（论文）——文献综述
文献综述
前 言
作者毕业设计题目为《代用燃料汽车性能分析与研究》，随着全球汽车保有量 的快速增长，石油的短缺，环境污染日益严重，促使人类不断地探索寻求汽车的代用 燃料。代用燃料是指资源丰富，价格合适，燃料的热值满足发动机的需要，排放性能 好，便于储存，对发动机的可靠性无不良的影响。汽车发动机上的代用燃料主要包括 压缩天然气（CNG）、液化石油气、生物柴油、氢等，其中天然气主要成分是甲烷， 具有价格便宜、资源丰富、排放污染低等突出特点而受到世界各国的广泛关注[1]。 发动机性能指标随调整情况及运行工况而变化的关系称之为发动机特性。性能 指标随运行工况而变化的关系称性能特性。发动机特性曲线是评价发动机性能的一种 简单、方便、必不可少的形式，能够合理地选用发动机，并能更有效地利用它。本论 文利用 MATLAB 软件对发动机特性曲线建模仿真，主要对汽油/CNG 两用燃料发动 机的负荷特性、速度特性、万有特性和排放特性进行分析对比，得出不同工况下发动 机的功率 Pe、扭矩 Ttq、燃油消耗率 b、每小时燃油消耗量 B 以及烟度的变化情况， 能够客观的反映汽油/CNG 两用燃料发动机的动力性、经济性、排放性的情况，通过 分析研究形成特性曲线的原因和影响以上所述指标变化的因素，分析动力性下降的原 因，并提出改进措施，使发动机性能进一步提高，满足使用要求以及大力发展推广汽 油/CNG 的双燃料汽车提供了可靠的依据。 本文作者通过查阅近些年来有关汽油/CNG 的双燃料汽车的动力性和燃油经济 性的期刊、书籍、学位论文等文献资料,了解掌握了关于汽油/CNG 的双燃料汽车的动 力性、燃油经济性、排放性的分析研究方法,这些文献给了作者很大的参考价值。
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1. 研究课题的意义、背景 研究课题的意义、
能源短缺和环境保护，是当今世界面临的两大问题。为了解决能源短缺和环境 污
染的问题。一方面通过改进原油的提炼技术，产生更多的汽油、柴油；另一方面， 加大勘探投资的力度，找到更多、更大的油气田。在环境污染控制方面，最大限度地 降低发动机的排放。尽管这些措施取得了很好的效果，但采用代用燃料也是汽车动力 装置一个十分重要的发展方向[2]。 天然气主要成分为甲烷（CH4），含量为 85%~99%。我国有丰富的天然气资源， 总资源储量为 38 万亿 m3，探明储量为 1.53 万亿 m3，仅为总资源储量的 4.02%。我国 主要分布在四川、陕西及新疆等西部地区，近年来在近海也发现有大气田[3]。作为汽 车燃料，天然气与汽油、柴油相比，具有许多突出的优点，同时也有缺点。 （1）抗爆性能高。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为 130，具有高抗爆 性能，防止爆燃的产生。采用高压缩比提高了发动机的动力性和燃油经济性，降低了 排放性。如采用高压缩比，天然气发动机的燃料效率相当于柴油机，有利于减少 CO2 的排放，降低了“温室效应”的影响。 （2）使用性能好，燃烧室积炭少，燃烧产物中不含液体燃料成分，对润滑油破 坏小。 （3）天然气比汽油更“清洁”和燃油经济性好。由于天然气的燃烧温度低，NOx 的生成量少；与空气同为气相，混合均匀，燃烧较完全，CO 和微粒物质的排放很低， 既节约了能源又减少有害物质的排放。 （4）天然气的着火温度比汽油要高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能 量。 （5）天然气携带性差。天然气只能在低温下液化，还要求技术很高，且造价也 高；目前，多采用高压存储在气瓶内，这不仅气瓶导致汽车自身质量增加，空间减小， 同时也限制了汽车续驶里程。随着科技的发展高压储气瓶会变得越小越轻。 （6）动力性下降的多。天然气的低热值略高于汽油，但理论混合气热值比汽油 低，甲烷含量越高，相差越大；纯甲烷的理论混合气热值比汽油约低 10%，造成发动 机的功率和扭矩下降。
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尽管天然气有缺点，但具有上述优良的环保性能及经济性能，所以在汽车发动机 上作为代用燃料得到了世界各国的广泛应用[4-6]。 那么研究分析汽油/天然气双燃料发动机的动力性、燃油经济性和排放性，通过 对比分析研究来说明在当今石油资源短缺和环境污染严重的情况下天然气发动机更 具有广阔的市场前景，并进一步分析动力性下降的原因。
2. 国内外研究现状及分析 国内外研究现状及
近年来，国外天然气汽车技术发展较快，不仅在动力性、燃油经济性、排放性方 面有显著提高，而且在排放性能
方面已列入“绿色汽车”行列[7]。目前，国内的汽油 /CNG 双燃料发动机与国外 CNG 发动机技术相比，还存在着不少的差距，对此有一 些学者对汽油/CNG 两用燃料发动机的动力性、 燃油经济性、 排放性有过大量的研究。 许二磊,曾科,刘兵等（2003）《汽油/CNG 双燃料发动机的试验研究》将 HH368Q 汽油机改装成汽油/CNG 双燃料发动机,在相同试验条件下,分别对燃用汽油和 CNG 时的动力性和排放性能进行对比试验,结果表明,改装后的发动机燃用 CNG 时比燃用 汽油时的动力性下降 13 %； 在怠速和中、 小负荷工况时排放却比燃用汽油时有明显下 降。同时,还对三元催化反应器对燃用 CNG 时的催化效率和 CNG 作为代用燃料时发 动机存在的问题进行了讨论[8]。 该文中在原汽油机的基础上装配压缩天然气储供气系统，在低转速、中小负荷的 工况下，发动机燃用 CNG 与原机相比，CO、HC 和 NOx 的排放显著降低，高转速大 负荷时排放没有差异。该文全面研究发动机各个工况下的排放性能。通过发动机外特 性试验，得出汽油/CNG 双燃料发动机在燃用 CNG 时 Pmax 比原机下降 13 %，Ttqmax 下降 15 %。但仅通过外特性曲线来说明两种燃料发动机的动力性能，说服力不够。对 CNG 是气体、混合气热值低、火焰传播速度慢的燃料特性三方面分析了动力性下降 的原因，还有燃烧室的结构、点火提前角等因素有关。 陈燕（2005）《天然气汽车动力性排放性研究》研究了天然气汽车的动力性能与 排放性能，对改装的 492QC 天然气发动机和原发动机（燃用汽油）的扭矩、功率等 进行了测量。实验结果表明：当由燃烧汽油变换为燃烧天然气时，发动机的扭矩、功 率下降非常大；增大点火提前角可使发动机的动力性能得到改善，但发动机 NOx，总 碳氢 THC,CO 及 CO2 的排放污染明显减少[9]。
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该文中在原汽油机的基础上增加一套燃料供给系统，通过台架实验测出天然气/ 汽油发动机的排放污染物低于原机，通过速度特性曲线说明动力性下降明显，但是不 够充分，还有万有特性曲线，分析动力性下降原因只是从点火提前角一方面研究，还 有增大压缩比、提高点火能量、进气增压等方面。 刘生全，马志义等（2003）《提高天然气汽车动力性能的研究》提出了一种提高 天然气汽车动力性能的方案, 设计了控制系统及其执行部件, 从汽油的加浓量、加浓 点、减气点、点火提前角度等方面进行了优化试验研究; 在保持天然气汽车良好排放 性与燃料经济性的情况下, 使天然气发动机的功率由原来不足汽油发动机功率 80% 提高到 95% 以上[10]。
该文通过设计控制系统及执行部件的方法来提高了天然气汽车动力性的措施并 进行优化，经台架、道路实验，与传统的天然气汽车相比，大大提高了动力性。但缺 少目前比较常用的废气涡轮增压的技术来提高动力性。 靳生胜，石爱琴（2008）《载重汽车改装 CNG 后的动力性及燃料经济性分析》 利用 CA1091 型载重汽车在改装前后分别在道路和台架上进行了动力性试验和燃料消 耗量的对比,结果表明载重汽车改装 CNG 后其动力性有明显下降,但燃料费用也有明 显降低,说明在一定的条件下载重汽车也有改装 CNG 的价值[11]。 该文利用改装好的载重汽车进行道路实验和台架实验，与原机相比燃油经济性突 出，利用外特性曲线说明改装后动力性下降较多，但仅从外特性不足以说明问题，还 有负荷特性、部分速度特性、万有特性方面加以分析研究。 罗彩茹（2010）《压缩天然气在汽车上的应用及展望》介绍了天然气（CNG）在 汽车上应用现状和 CNG 汽车优越性的基础上，分析了天然气在汽车上的应用状况， 以汽油/CNG 两用燃料的汽车为例，说明汽车使用 CNG 燃气的工作原理，并着重对 我国的天然气汽车做了前景展望[12]。 该文介绍了当前天然气汽车的现状，面对解决能源、降低污染问题大力提倡发展 天然气汽车，但是未能考虑到目前应用天然气汽车的问题，如未能解决动力性不良， 加气站的建设。 蹇小平，张春化,边耀璋,司利增,马志义（2007）《电喷汽油 CNG 两用燃料汽车 动力性恢复研究》汽油- CNG 两用燃料发动机燃用 CNG 时的功率比燃用汽油时的下
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降幅度达 20% ～25% ,是制约天然气汽车发展的一个重要因素。针对动力性差的问 题,提出了两种动力性恢复方案,并进行了试验研究和分析;根据选定的动力性恢复实 施方案,完成了动力性恢复控制装置的开发与发动机台架和汽车道路试验,进行了推 广应用试验[13]。 该文以节气门位置传感器为控制信号的方法在大负荷工况使气改为烧油，提高了 发动机的动力性，但控制精度的问题导致切换不够及时，造成了燃油消耗量的增多， 改装后的发动机经济性没有发挥出来。 简林莎， 边耀璋 （2005） 《天然气发动机使用性能的分析与改善》 在以 CA6102 发 动机为基础改装的天然气/ 汽油两用燃料发动机上进行了动力性试验。满负荷实测试 验表明,发动机燃用天然气时,进气量为燃用汽油时进气量的 89. 9 % ,仅进气量下降 就使发动机的动力性能下降约 10 %。外特性试验表明,在发动机转速 3 000 r /min 时, 燃用天然气和燃用汽油时的功率分别为 65. 3kW 和 89. 5 kW ,
燃用天然气燃料功率损 失高达 27 %。最后给出了提高天然气汽车动力性的措施[14]。 该文具体较全面地分析了改装后的天然气发动机动力性下降的机理，并进行了动 力性试验，分析了外特性曲线，但不够全面。对提出点火提前角、混合器调整不当对 动力性的影响，未能从深层次的角度提高改装后发动机动力性的措施。 袁春，龚伟（1999）《CNG 在车用汽油机上的应用研究》使双燃料天然气发动 机在兼顾其燃用汽油的工作特性的同时, 充分完善其使用天然气的工作特性是可能 的。对双燃料发动机点火提前角、点火能量、压缩比等参数进行修整。若综合考虑好 了这些因素, 使用天然气时的动力性、经济性和排放特性都将得到较大改善[15]。 该文介绍了天然气在汽油机上的具体应用方法，为其推广提供了理论依据，提出 了对改装后的发动机参数进行，但是没有进行实际的试验，还需要通过反复试验才能 说明提出的问题，缺少了理论依据。 秦洪武（2002）《两用燃料（LPG 和汽油）汽车应用分析》对目前汽车排放造成 的环境污染，阐述了两用燃料（LPG 和汽油）汽车的基本原理，对两用燃料（LPG 和 汽油）汽车的动力性、经济性、排放性进行了分析[16]。 该文在原有汽车的基础上加装了一套液化石油气燃料系统，改装后的排放性、经 济性好于原机，对当前降低污染、降低燃油费用有实际的意义，但是仅是在怠速工况
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进行了排放性实验，不能说明中高转速工况的排放性。对动力性不足的原因及改进措 施分析不够深入彻底。 胡志平，李如贤，彭一帆（2006）《压缩天然气（CNG）汽车及其发动机系统的 研究》分析压缩天然气汽车的特点及其存在的问题, 详细介绍了压缩天然气汽车可以 采用的几种发动机系统, 为压缩天然气汽车的可行性发展提供了技术依据[17]。 该文通过对原有发动机加装一套天然气供给系统的方法，主要介绍天然气/汽油 发动机和天然气/柴油发动机，填补改装柴油机的天然气汽车的空白，但是没有进行 实际的道路或台架实验，应用中可能产生的问题未能解决。 朱勤雄（2006）《CNG 两用燃料汽车的正确使用》阐述燃气汽车城市公交车的 正确使用和维护[18]。 该文在原化油器式发动机汽车改装成开环控制的两用燃料汽车的方法，主要说明 了 CNG 两用燃料汽车在实际使用过程中的维护和正确使用方法，为人们使用中存在 的常见问题提供方法，同时为进一步改进天然气发动机的性能提供了依据。 王锟，彭来（2010）《天然气混合动力公交车的设计与仿真分析》设计了天然气
混合动力公交车，动力系统采用并联式结构；应用 ADVISOR 软件对其进行了相关循 环工况下的仿真分析，车辆的经济性和动力性都得到了一定程度的提高[19]。 该文应用 ADVISOR 软件的方法对所设计的天然气混合动力公交车进行仿真分析 动力性、经济性，为实际中的实验提供理论依据，同时其分析结果还需要在实际中进 一步验证。 在学习前人成果的基础上，运用 MATLAB 软件对其进行更大范围的分析研究，全 面的说明汽油/天然气两用燃料发动机的动力性、燃油经济性、排放性的问题，分析 动力性下降的机理，进一步提出改进措施，使前人研究的结论更具有说服力。
3. 论文思路 .
(1)天然气、汽油两种燃料的特性对比。 表1 项目 分子式 标准状态下密度/(kg?m
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天然气与汽油的主要特性[20] 天然气 CH4 汽油 C8H18 700～780
)
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理论质量空燃比 混合气热值/(kJ·m – 3) 可燃范围体积比/% 辛烷值 着火温度(常压下),℃
17.2 3364 5～15 115～139 537
14.8 3831 1.0～7.6 80～89 390～420
天然气的优点：1）天然气的辛烷值为115～139,而汽油的辛烷值为80～89,因此天 然气抗爆性能好，不需要添加抗爆剂，发动机可以适当的提高压缩比，增大点火提前 角，相应地提高了理论循环热效率。2）天然气主要成分是甲烷，化学性质稳定，着 火延迟期较长,火焰传播速度慢。3）天然气燃点比汽油燃点高,不易于着火燃烧和爆 炸, 这样天然气的安全性更好。4) 天然气以气态方式进入气缸,因此与空气形成混合 气的质量较汽油好,燃烧将进行地更完全，降低了CO、HC、NOx的排放。 天然气的缺点：1)天然气的混合气热值比汽油的低，混合气热值决定了发动机的 功率和转矩，这样燃用天然气的发动机动力性下降明显。2）天然气的着火温度高， 比汽油需要更高的点火能量。3）天然气以纯气态进入气缸，不需要吸热汽化，不利 于提高充气效率，同时会挤占空气，降低了空气充气效率，因此降低了发动机的动力 性。 (2)分析对比汽油/CNG两用燃料发动机的经济性指标和排放性。 利用MATLAB软件对汽油/CNG两用燃料发动机的负荷特性、 速度特性、 万有特性 和排放特性曲线建模仿真。绘制负荷特性时将发动机的点火提前角、过量空气系数按 理想值，保持某一转速不变，改变节气门开度值，分别得到使用汽油与使用天然气发 动机在各稳定工况下有效燃油消耗率be曲线、燃油消耗量B曲线、烟度曲线，并在同 一工况下对其进行分析对比，来说明燃用天然气的发动机的经济性和排放性优于燃用 汽油的发动机。 (
3)分析对比汽油/CNG两用燃料发动机的动力性指标。 绘制发动机的速度特性，保持节气门开度值不变，改变负荷值，也就相应的改变 了发动机的转速，分别得到使用汽油与使用天然气发动机有效功率Pe曲线、有效转矩 Ttq曲线、有效燃油消耗率be曲线、燃油消耗量B曲线、烟度曲线，并分析比较，说明 燃用天然气的发动机动力下降明显。
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(4)进一步说明汽油/CNG两用燃料发动机使用天然气时的经济性、排放性要优于使用 汽油的，但动力性下降明显。 由于发动机的工况变化范围很广，而负荷特性和速度特性只能表示某一转速或某一 节气门开度时发动机参数随负荷或转速的变化的规律，所以要分析各种工况下的动力 性、经济性、排放性，万有特性图能够全面的在一张图上表示上述的性能，来证明上 述结论的正确性。 (5)分析燃用天然气时发动机动力性下降的原因。 1）天然气的混合气热值比汽油的低，混合气热值决定了发动机的功率和转矩，这 样燃用天然气的发动机动力性下降明显。 2）天然气的着火温度高，需要大的点火能量，在不改变原机点火系统的情况下， 改燃天然气后的着火落后期加长，燃烧过程“等容度”下降,因而发动机动力下 降。 3）充量系数下降，因为天然气为气态, 不需要吸热汽化，不利于提高充气效率， 同时在混合气中占了相一定的体积，减少了进入汽缸的空气量，使充量系数下 降。因此，在过量空气系数不变时，相当于输入发动机的总能量下降，从而使 发动机输出功率下降。 (6)提高燃用天然气发动机动力性的措施。 1）提高点火能量，火焰速度迅速增加，进而决定发动机最大燃烧压力及其出现位 置。 2） 采用进气增压技术， 增加进入气缸的天然气空气混合气总量， 从而提高动力性。 3）采用天然气电子控制闭环供给系统，以节气门位置信号为控制信号，在大负荷 工况下由燃用天然气改为燃用汽油。
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结 论
在怠速、中小负荷工况下使用天然气发动机的经济性和排放性优于使用汽 油发动机的，改装后发动机的动力性与原机相比下降较小；在大负荷工况下使 用天然气发动机的经济性、排放性好于汽油机，但动力性比原机下降的很多。 分析出动力性下降的机理，天然气的混合气热值低降低了发动机的功率和扭矩； 密度低的气态，降低了充气效率，影响充量系数，从而发动机的动力性下降； 天然气的着火能量高，着火落后期加长，燃烧过程“等容度”下降,因而发动机 动力下。由于
无法改变天然气本身的特性，所以要从改进发动机的结构方面提 出改进措施，采取提高点火能量、增大点火提前角、增大压缩比、进气增压技 术、电子控制闭环供给系统方面，综合优化发动机的参数来提高汽油/天然气发 动机的动力性。
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参考文献
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运输车，2009（6）：100026
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