遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）11緒論內(nèi)燃機(jī)在其發(fā)展的一百多年中,為人類文明的發(fā)展起到了巨大的推動作用。由于它熱效率高，適應(yīng)性好，功率范圍寬廣，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)和國防建設(shè)等行業(yè)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)、自動控制、精密測量等新技術(shù)不斷被應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)上，推動著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷提高。內(nèi)燃機(jī)在以后的相當(dāng)長時期內(nèi)將繼續(xù)在人類文明發(fā)展中扮演重要角色。但是，內(nèi)燃機(jī)在給人類帶來方便、快捷、舒適的同時，它也給人類帶來了一系列尖銳的、不可回避的問題，主要有兩個方面：環(huán)境污染和能源問題。當(dāng)前，全球污染己日趨嚴(yán)重。2003年9月，世界自然保護(hù)基金組織公布了2003年全球環(huán)境指數(shù)。報告顯示，從1970年到2003年，全球環(huán)境指數(shù)下降了30%左右。在大氣污染中，汽車尾氣排放所造成的污染占大氣污染的60%-70%。當(dāng)今，舉世矚目的“溫室效應(yīng)”、“光化學(xué)煙霧事件”等都與汽車排放的污染物有關(guān)。由此可見，汽車尾氣排放對環(huán)境污染的嚴(yán)重性。在能源方面，從能源儲備來看，我國是石油資源貧乏的國家。石油資源短缺的情況十分嚴(yán)重，產(chǎn)量的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于經(jīng)濟(jì)的增長。從1993年起，我國己經(jīng)成為凈石油進(jìn)口國，每年進(jìn)口石油增長超過1000萬噸。據(jù)專家預(yù)測，隨著我國私人轎車擁有量的迅速上升，到2012年，我國的石油缺口將達(dá)3億噸1。石油短缺己經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)快速、健康、穩(wěn)定發(fā)展的瓶頸。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的形成，尋求社會、經(jīng)濟(jì)、人口與資源、環(huán)境的相互促進(jìn)與協(xié)調(diào)發(fā)展已成為世界性潮流。針對內(nèi)燃機(jī)所帶來的問題，世界各國政府和科學(xué)家都在積極探索和研究解決的途徑。為了降低內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗，排氣污染物，內(nèi)燃機(jī)的工作者一直致力于內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)的研究，電控技術(shù)、分層燃燒、稀薄燃燒、多氣門技術(shù)、可變氣門升程、可變氣門定時、排氣再循環(huán)、增壓及增壓中冷、排氣后處理等技術(shù)不斷被應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)上2。在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)研究的同時，積極開發(fā)清潔代用燃料也是解決由內(nèi)燃機(jī)帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題的重要途徑之一。據(jù)1997年在美國召開的代用燃料研討會的資料分析，在石油代用燃料的探索中存在著多樣化的趨勢。但據(jù)歐美專家分析，在諸多的內(nèi)燃機(jī)清潔代用燃料中，諸如氫（Hydrogen）、甲醇（Methanol）、乙醇（Ethanol）、天然氣（包括壓縮天然氣CNG和液化天然氣LNG）液化石油氣（LPG）等等，最具潛力的是天然氣。大量的試驗與測試表明，燃燒天然氣與燃燒油料相比較，內(nèi)燃機(jī)尾氣中的CO,NOx和顆粒排放有顯著的改善，且天然氣兼具資源鹿猛：大功率天然氣發(fā)動機(jī)雙燃燒室系統(tǒng)設(shè)計2豐富、分布廣泛、價格低廉等多方面的綜合優(yōu)點。同時，天然氣發(fā)動機(jī)可以方便地在汽油機(jī)和柴油機(jī)上進(jìn)行改造，對原機(jī)變動小，改造成本低，適合于大力推廣。目前世界上己有50多個國家發(fā)展天燃?xì)獍l(fā)動機(jī)（主要用于汽車），并且發(fā)展趨勢還在進(jìn)一步加快。對我國來說，目前資料顯示，我國擁有相當(dāng)豐富的天然氣資源，預(yù)計可開采資源量總計為11.55萬億m3，為世界144萬億m3的5%，后備資源潛力非常大，但天然氣的利用率卻很低，為調(diào)整我國的能源結(jié)構(gòu).充分利用豐富的天然氣資源，國家己將天然氣工業(yè)作為發(fā)展?jié)摿薮蟮膽?zhàn)略產(chǎn)業(yè)予以優(yōu)先發(fā)展。預(yù)計今后15-20年內(nèi)，我國可形成4個年產(chǎn)100-200億m3以上，兩個年產(chǎn)量50億m3以上的大型天然氣生產(chǎn)區(qū)，其中車用燃料是天然氣需求的一個重要方面。近年來，天然氣資源的開發(fā)和發(fā)動機(jī)燃用天然氣的技術(shù)研究作為新的研究領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。燃用天然氣的發(fā)動機(jī)通過良好的控制可以比同等的汽油機(jī)和柴油機(jī)具有更低的排放，有利于解決日益嚴(yán)重的大氣污染問題；同時天然氣是一種廉價的燃料，而且分布廣泛，具有良好的資源配置優(yōu)勢，以天然氣作為代用燃料將減少國家對進(jìn)口石油的依賴程度。因此天然氣是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)燃料的理想替代品。1.1天然氣的物理化學(xué)特性天然氣是一種常用的工業(yè)和民用燃料，是繼煤和石油之后的第三大能源。了解天然氣物化特性與傳統(tǒng)燃料物化特性的差別是使用好天然氣的前提和基礎(chǔ)。天然氣產(chǎn)于單純的天然氣田或者石油產(chǎn)區(qū)，是一種優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。在石油產(chǎn)區(qū)的天然氣中含有石油蒸汽等較多的重碳?xì)浠衔?，被稱為伴生氣或石油氣。單純的天然氣田產(chǎn)的天然氣被稱為干天然氣，其主要成分是甲烷（CH4），其次是乙烷等飽和碳?xì)浠衔?，不含石油蒸汽，各種碳?xì)浠衔镌谔烊粴庵械暮恳话愠^90%。除了碳?xì)浠衔镆酝?，天然氣中還含有N2，O2，CO2，H2S等。表1-1中列出了天然氣和柴油及其它代用燃料的物理、化學(xué)特性3。從表中各種燃料物化特性的比較，我們可以分析得出，天然氣作為發(fā)動機(jī)的代用燃料，主要具有以下特點：1、天然氣的主要成分甲烷中，只含有C-H鍵，不含C-C鍵。這樣的結(jié)構(gòu)，有利于天然氣在燃燒的過程中，減少碳煙和微粒排放，進(jìn)而降低天然氣發(fā)動機(jī)的可見煙度排放。2、抗爆性能好。天然氣的辛烷值可以高達(dá)130左右，這樣就使得天然氣發(fā)動機(jī)可以采用比較高的壓縮比，以提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。3、天然氣的著火溫度比柴油高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，因此需要比較高的點火能量。天遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）3然氣的相對分子質(zhì)量小，比柴油的理論空燃比大，所以雖然其質(zhì)量低熱值比柴油高，但其理論混合氣熱值卻比柴油低，這就要求增加天然氣發(fā)動機(jī)的循環(huán)供氣量，以達(dá)到燃燒柴油狀態(tài)下的動力性。表1-1柴油與其他待用燃料物化特性Tab.1-1TheCharacteristicbetweenDieseloilandOtherSubstituteFuel特性柴油天然氣丙烷甲醇分子式CxHyCH4C3H8CH3-OH分子量190-22016.0444.1132.04沸點（）180-360-161.5-4265液態(tài)密度（g/cm3）0.840.4240.5010.79低熱值（MJ/Kg）42.550.0546.3619.5著火極限（%）0.6-6.55-152.1-9.46-36.5著火溫度（）250537470450十六烷值40-55-5理論空燃比14.617.2515.666.5汽化潛熱（KJ/Kg）2505103701110辛烷值50130111.5-4、天然氣與空氣混合后的工作混合氣具有很寬的發(fā)火界限，其過量空氣系數(shù)范圍為0.6-1.84，允許在大范圍內(nèi)改變混合比，提供不同成分的混合氣，這樣就使稀薄燃燒技術(shù)在天然氣發(fā)動機(jī)上的實現(xiàn)變得更為容易。5、實用性能好。以天然氣為燃料的發(fā)動機(jī)，冷起動性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于天然氣中不含柴油燃料中的膠質(zhì)，故燃燒時就不會產(chǎn)生積碳。同時，天然氣中硫的含量和其它機(jī)械雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于柴油，所以對氣缸套、活塞、活塞環(huán)和氣門等零部件的危害較小。天然氣發(fā)動機(jī)的壽命較長，維修費(fèi)用大大降低。6、有害排放物降低。天然氣和空氣同為氣相，易實現(xiàn)均勻混合，燃燒相對比較完全，CO和微粒的排放大幅度降低。發(fā)動機(jī)采用柴油-天然氣雙燃料工作時，煙度可以降低到柴油機(jī)的10%左右，幾乎呈無煙狀態(tài)工作。天然氣的主要成分甲烷是碳?xì)湓颖茸钚〉臒N類化合物，以產(chǎn)生相同的熱量計算，天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2也比柴油降低15%以上5。未燃燒的甲烷等成分性質(zhì)穩(wěn)定，在大氣中不會形成有害的光化學(xué)煙霧6。7、攜帶性差。天然氣的沸點很低（-162），液化困難，如果作為汽車發(fā)動機(jī)燃料的話，不利于車輛攜帶，行駛里程較短7。同時，不同地域出產(chǎn)的天然氣成分也有比較大的差別。一般來說，CH4含量在95%以上的天然氣稱為優(yōu)質(zhì)天然氣，作為發(fā)動機(jī)的氣體燃料是比較理想的。鹿猛：大功率天然氣發(fā)動機(jī)雙燃燒室系統(tǒng)設(shè)計41.2天然氣在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)問世之初，天然氣就己經(jīng)被成功的作為內(nèi)燃機(jī)的燃料使用了。壓縮天然氣（CNG）作為發(fā)動機(jī)燃料始用于30年代的意大利，但是受到當(dāng)時天然氣存儲技術(shù)的限制未能得到廣泛應(yīng)用。直到本世紀(jì)70年代，隨著材料科學(xué)技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步，使天然氣在發(fā)動機(jī)上的使用成為可能。另一方面，在嚴(yán)格排放法規(guī)的要求和激烈的商業(yè)競爭作用下，以電子控制技術(shù)為核心的車用發(fā)動機(jī)技術(shù)己日益成熟，促進(jìn)了天然氣發(fā)動機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。各種天然氣發(fā)動機(jī)的燃料存儲和供給系統(tǒng)、專用電子控制系統(tǒng)、排放控制和廢氣凈化系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，對各種不同的發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案和控制策略的研究，使天然氣發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等各項性能不斷提高，與車輛的匹配也更加優(yōu)化，天然氣作為優(yōu)質(zhì)燃料的潛力也充分發(fā)揮出來8。汽車燃用天然氣日益受到各國重視。根據(jù)天然氣的不同應(yīng)用形式，天然氣發(fā)動機(jī)可以有不同的分類方式。按天然氣儲存狀態(tài)不同，天然氣發(fā)動機(jī)可分為壓縮天然氣發(fā)動機(jī)（CNG）和液化天然氣發(fā)動機(jī)（LNG）。這兩種天然氣發(fā)動機(jī)本身結(jié)構(gòu)及工作情況基本一樣，區(qū)別主要在于燃料的儲存狀態(tài)和儲存容器不同。CNG發(fā)動機(jī)是將天然氣壓縮20MPa，儲存在高壓氣瓶中，儲存能力較低，氣瓶自重也比較大；LNG發(fā)動機(jī)是將天然氣低溫冷卻至-162儲存在低壓低溫絕熱容器中，容器自重較輕，儲存能力也較高，但生產(chǎn)LNG的投資費(fèi)用較高，能耗也較大，經(jīng)濟(jì)效益比CNG差。另外LNG對容器的絕熱保溫要求較高，因此LNG發(fā)動機(jī)在世界各國基本上還處于試驗階段，尚未商品化。目前，CNG發(fā)動機(jī)仍是國內(nèi)外發(fā)展的主要方向9。按點火方式的不同，天然氣發(fā)動機(jī)可以分為兩種，即火花塞點火的天然氣發(fā)動機(jī)和柴油引燃的天然氣發(fā)動機(jī)10。天然氣著火溫度比較高，發(fā)動機(jī)在壓縮過程中，氣缸內(nèi)的溫度達(dá)不到其自燃點，因此必須借助于電火花點火或者柴油引燃。柴油引燃的天然氣發(fā)動機(jī)是以天然氣作為主