收稿日期:2008203231；修回日期:2008205210 基金项目：国家自然科学基金项目资助(60774101)
5万到8万的suv越野车作者简介：李西秦(1960))，男，陕西省扶风县人，教授，硕士，主要从事汽车、发动机的教学和研究工作;lix iqin@yah oo 。
国内外燃气汽车发动机研究动向
李西秦，刘 冰
(浙江科技学院，浙江杭州 310023)
摘要：通过对燃气汽车发动机供气方式的试验研究以及对国内外在燃气发动机领域研究成果的分析，阐述了影响燃气汽车动力性的因素，指出进气道液态LPG 喷射较好地解决了充气效率下降的问题，缸内液态LPG 直接喷射效果更佳，是解决LP G 发动机动力性下降的有效途径之一。CNG 缸内直喷技术从根本上解决了预混合方式中天然气燃料挤占进气空气造成充气效率下降的问题，可有效提高CNG 发动机的动力性。LNG 纯度高、存储体积小、安全可靠，续驶里程长，比CNG 更具发展潜力。 关键词：气体燃料发动机；缸内直喷；技术发展水平
中图分类号:TK401 文献标志码:A 文章编号:100122222(2008)S120008204
在世界汽车工业稳步发展的同时，中国汽车工业迅猛发展。2007年我国汽车产量突破880万辆大关，汽车保有量已超过5300万辆，预计到2010年我国汽车保有量将达到6200万辆。汽车保有量的急剧上
升，加之石油资源紧缺，导致我国石油供需矛盾更加突出，同时也给环境保护带来巨大压力。液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)等清洁汽车能源具有良好的经济性和较低的排放污染物，不仅可以减轻大气污染，还可以形成多元化的能源结构，减少对石油的依赖，被认为是车用发动机较理想的代用燃料，得到广泛应用。常见的燃气发动机普遍存在充气效率低、动力性下降的问题,CNG 发动机还存在行驶里程短等问题，这些因素在不同程度上制约了燃气汽车的推广和应用。为此，世界各国纷纷就如何提高燃气汽车的性能开展了大量研究工作。
1 LPG 发动机供气方式的研究
111 LPG 液态喷射
常见LPG 汽车发动机的供气方式是先将LPG 减压气化，将气态LPG 与空气混合后进入气缸。在进气过程中，气态LPG 挤占空气，造成充气效率下降，发动机动力性下降。为提高LPG 发动机的充气效率，荷兰Vialle 公司在国际上最先研发出液态LPG 喷射系统。它采用专用燃料装置将LPG 以液
态喷入发动机进气阀，可获得与汽油机相当的输出功率、扭矩和燃料消耗。该专用燃料装置称为液态丙烷喷射(LPI)系统，由LPG 储气瓶、液压泵、压力调节器、喷嘴及管路等组成(见图1)。该系统采用加压方式使LPG 在整个传输过程中始终为液态。
图1 Vialle 公司液态LPI 供气系统
xc60沃尔沃液态LPG 喷射系统能够提高发动机动力性的主要原因是：当LPG 以液态喷入进气道后，一部分迅速蒸发吸热，降低了进气温度，提高了进气密度，增大充气量,LPG 部分蒸发所占的体积与采用预混合系统时燃料蒸气所占有的体积相比大大减少；另一部分液态LPG 在气缸内蒸发进一步吸收热量，使缸内充量得到冷却，提高了体积效率。液态燃料密度远高于气态，在高速重负荷时，避免了燃料供给不足。
借鉴国外的成功经验，吉林大学和一汽利用荷兰Vialle 公司生产的液态LPG 供应装置，对国产电喷汽油机进行改装和试验研究，在进气阀前安装喷嘴，使
增刊(总第176期)2008年6月车 用 发 动 机VEH ICLE ENGINE Supplement(Ser ial No.176)
Jun.2008
发动机的动力性达到了原汽油机的水平，排放达到欧Ò排放标准[1]
，验证了液态LPG 喷射的有效性。112 LPG 喷射方式
根据LPG 的物理状态，喷射方式可分为气态喷射和液态喷射两种；按照喷嘴安装位置不同，又分为进气阀前喷射和缸内直接喷射。
LPG 进气阀前气态喷射技术可以减轻并消除在气门重叠角内燃气直接逸出、排放性能和经济性能下降，但不能消除对充气效率的影响。进气阀前液态LPG 喷射技术比气态喷射技术要先进，能够有效提高充气效率，但不能从根本上消除气体燃料对充气效率的不良影响[2]。
液态LPG 缸内直接喷射燃料供给方式充分吸取并兼备了柴油机充气效率高的优点[3]，其原因是:
#无气体节流损失;
#燃料直接喷入气缸，不占据进气道;#液体燃料密度大，体积小，几乎不占据气缸容积;
#如果喷射发生在进气过程，燃料气化引起温降，将进一步提高充气效率;
#无论缸内喷射发生在进气行程或者压缩行程，燃料气化引起的降温均能减少爆震倾向，因而压缩比可更高。
图2示出某170F 发动机改装成LPG 缸内直喷发动机前后，采用不同燃料，在不同供给方式时的外特性曲线[4]。由图2可以看出，采用缸内液态LPG 直喷方式时发动机的动力性最佳，其最大输出扭矩在转速为2800r /min 左右，最大扭矩比燃用汽油时提高约10.7%，比进气道液态喷射时提高8.9%，比进气道气态喷射提高更多。其主要原因是液态LPG 喷射时的充气效率达到或可能超过汽油机的充气效率，因为LPG 的气化热是汽油的426/297倍，进气道温度在液态LPG 喷射时下降得更多，空气密度比喷射
汽油时增加更多；另一方面利用了LPG 抗爆性能高的特点，将压缩比从6提高到6.95
。
图2 发动机外特性比较
其次是采用进气道液态LPG 喷射时动力性较好。由于结构限制，喷射器布置在进气道但并未紧靠进气阀，液态LPG 在进气道中部分气化，体积膨胀对充气效率产生了不利影响，但气化又使进气道温度下降，气体密度增加，部分弥补了充气效率的下降。动力性最差的是采用进气道LPG 气态喷射。这进一步说明，充气效率下降是LPG 气态喷射动力性低的主要原因之一。
2 CNG 发动机研究进展
CNG 发动机在历经了几代产品的发展演变之后，燃料供给系统从机械式混合器发展到电子控制喷射系统，电喷系统由单点开环控制发展到闭环多点喷射控制系统，喷射方式从缸外预混合发展到复合供气、缸内直接喷射，燃料的使用从两用燃料、双燃料发展到单一燃料。
211 单一燃料CNG 发动机
两用燃料CN G 发动机要兼顾使用汽油时的性能，不能充分发挥CNG 燃料的优势；双燃料CNG 发动机难以应对日趋严格的排放法规。单一燃料CNG 发动机完全根据CNG 特性设计，可以使发动机获得良好的动力性、经济性和排放性能。近年来世界各大公司纷纷开发单一燃料CNG 发动机，如康明斯B5.9)195G 、福特380、戴姆勒)克莱斯勒M908LAG 、依维柯8220、沃尔沃TH G103、本田CIVICGX 和卡特彼勒3306等[5]。
我国东风汽车、玉柴、上柴、潍柴、天津大学、吉林大学、北京理工大学等单位也先后开发出单一燃料点燃式CN G 发动机。河北工业大学开发出具有自主知识产权的CNG 电控系统[6]。
212 CNG 缸内直喷技术
为提高CNG 发动机的充气效率，近年来研究人员将柴油机技术应用到CNG 发动机，研制出缸内直接喷射CNG 发动机。按压力不同，缸内直喷CNG 发动机有低压喷射和高压喷射两种。低压喷射是在进气阀关闭后将CNG 喷入气缸，形成均质预混合气并采用电火花塞点火，喷射压力通常为0.2MPa~1.0MPa [7]
。采用缸内直喷提高了发动机充气效率，最大功率提高约9%。但低压缸内直喷CNG 发动机的燃烧过程类似于均质燃烧，压缩比较低，无法进一步提高热效率。高压喷射压力通常为15MPa ~19MPa，在压缩行程上止点前将CNG 喷入气缸，靠电热塞助燃或喷入微量柴油引燃，实现了CN G 非均质混合气扩散燃烧。此外发
#9#2008年6月
李西秦，等：国内外燃气汽车发动机研究动向
动机不需要节气门，没有节流损失和CNG 引起的容积效率损失，改善了缸外供气和低压喷射发动机存
在的动力性差、热效率不高和大负荷性能不良等问题。
加拿大Westport 公司首先研制出CNG 缸内直喷发动机，与常见的缸外混合CNG 发动机不同的是该发动机将空气吸入和CN G 喷射分开进行，先将纯净空气吸入气缸，在接近压缩行程上止点时将CN G 以高压喷入气缸，借助1300e 的电热塞使天然气压燃，保持了柴油机效率高的特，燃烧效率比传统火花点燃式CN G 发动机提高25%，实现了真正意义上的CNG 发动机狄塞尔循环。
美国Caterpillar 公司在柴油机的基础上开发出高压缸内直喷式CNG 发动机,CNG 喷射压力为19MPa，借助陶瓷电热塞辅助加热，实现了CN G 发动机的压燃点火。在标定工况下，该发动机热效率超过原柴油机，无可见烟排放,NO x 排放低于同类型柴油机[8]
。
吉林大学和天津大学在20世纪90年代末进行了CN G 缸内直喷发动机匹配试验，使CN G 发动机动力性接近原汽油机[9]
，为提高CNG 发动机的动力性提供了宝贵的经验。上海理工大学将175F 单缸汽油机改装成CN G 缸内直喷射发动机，并将压缩比由6增加到8，进行了对比试验，结果见图3[10]
。可以看出,CN G 发动机的最大功率与原汽油
机相差不大。
图3 发动机输出功率比较曲线
213 CNG 复合供气技术
为满足CN G 发动机点火能量的要求，除采用高能点火或双火花塞点火外，对预燃室燃烧室发动机亦
可采用复合供气系统。部分负荷时，单独向预燃室喷射CN G 并点火；高负荷时，既向预燃室又向主燃室喷射，用火花塞点燃预燃室中的混合气，再由预燃室引燃主燃烧室中的混合气。美国西南研究院采用复合供气方式开发出预燃室CNG 燃料喷射系统，通过单独向预燃室或同时向预燃室和主燃室供气，改善了CNG 发动机性能
[11]
。天津大学提出了
一种新型的复合供气压燃式CNG 发动机燃烧系统，并进行了燃烧过程模拟计算和试验研究[12]
。
214 油气共用喷射器
加拿大British Columbia 大学和Westport Re 2search 公司联合研制出天然气和柴油共用高压缸内喷射器[13]
，与传统的双燃料发动机采用天然气和柴油两个喷射器不同，该喷射器为一个整体，内有柴油和天然气两个同轴布置采用液压驱动电子控制的针阀。在接近压缩上止点时先打开柴油针阀，喷射引燃柴油，
引燃量为5%；引燃后打开天然气针阀喷射天然气，天然气一边混合一边燃烧。天然气喷射量由电磁阀控制，两针阀的开启间隔由两针阀弹簧的预紧力调节。经该喷射器改装的发动机，热效率比柴油机提高5%,NO x 排放降低60%。215 其他研究
吉林大学针对CA6SE1)21N 增压CNG 发动机进行了燃烧室形状和天然气喷射时刻对发动机燃烧和排放影响的试验与数值模拟研究[14]。结果显示，燃烧室形状对CNG 发动机的动力性、经济性和排放性能有较大的影响，采用几何结构变化较大的缩口燃烧室能产生较强的湍流，使得火焰传播速度显著提高，有利于提高CNG 发动机的热效率。
北京理工大学将可变截面增压系统应用到CNG 发动机上，通过BOOST 软件对可调增压器匹配进行模拟计算。发动机进气量因增压有显著增加，使CNG 发动机的动力性恢复到原汽油机水平[15]。长安大学针对汽油)CNG 两用燃料汽车，在中小负荷工况下发动机燃用纯CNG，当发动机负荷达到50%以上时减少CNG 供气量并加入少量汽油掺烧，在大负荷工况完全切断CNG 供气，改为纯汽油供给方案，使发动机动力性得到彻底恢复[16]
。
为适应更加严格的排放法规，一种新的均匀混
合气压缩着火(H CCI)技术正在成为当前研究的热点。H CCI )CNG 发动机靠压缩升温引发缸内混合气自燃，它融合了汽油机和柴油机两者的特点。H CCI )CNG 发动机的研究开始于20世纪90年代，美国Lawr ence Livermore 国家实验室、Michi 2gan 大学、Caterpillar 公司、日本KEIO 大学、瑞典Lund 技术学院[17218]和国内天津大学等都相继开展了这方面的研究。
3 LNG 发动机发展前景
由于CN G 的能量密度较低，高压储气瓶质量大，不便携带，限制了车辆的行驶里程。LNG 以
#10# 车 用 发 动 机 2008年增刊
-162e低温液化天然气的存储方式代替了压缩存储方式，同质量LNG的体积仅为CNG的1/3,LNG 具有纯度高、存储体积小、能量密度大、安全可靠等优势，发展潜力巨大。近年来随着天然气低温液化技术的成熟,LNG已成为全球增长最快的能源，美国Chart Industries,Inc.在这方面处于领先地位，它是目前世界上规模最大、技术最先进的LNG液化装置和车辆燃料储罐供应商。美国Caterpillar,Ford,Jone D eer,Cummins和加拿大Westport等公司均生产LNG发动机。日本SUZIKI和NISSH IN等公司也研制出微型客车用进气道多点喷射LNG发动机。
LNG的应用在我国正逐渐引起重视，目前尚处于起步阶段，主要问题是天然气的液化和储存技术。国
产LNG储罐技术已经成熟，价格仅为进口装置的2/3。河南中原油田绿能高科有限责任公司与北京公交公司合作，于2002年完成我国第一个LNG汽车科技示范项目，并建成我国第一个车用LNG加气站。之后上海、乌鲁木齐、长沙、绵阳、杭州、开封等城市都纷纷加快了LNG公交车的研发与投入。
LNG在冷能回收利用方面(如冷藏车、空调车的应用)具有其他燃料不可比拟的优势，西安交通大学和西南石油大学等单位在这方面进行了理论研究和实践探讨。
LNG技术解决了天然气汽车燃料的储运问题，但是LNG汽车改装燃气系统费用高,LNG自气化引起的污染等问题还有待进一步解决。
4结束语
气体燃料不同的状态和喷射方式对发动机混合气形成和燃烧过程有着非常重要的影响，直接影响到发动机的动力性和排放性能。
LPG进气道气态喷射充气效率低，发动机的动力性受到影响；而进气道液态LPG喷射较好地解决了充气效率下降的问题，发动机的动力性得到明显恢复；缸内液态LPG直接喷射效果更佳，其动力性能可以达到或超过原汽油机，是解决LPG发动机动力性下降的有效途径之一。
CNG缸内直喷技术综合了柴油机和汽油机的优势，从根本上解决了预混合方式中天然气燃料挤占进气
空气，造成充气效率下降的问题，可有效提高CN G发动机的动力性。
LNG纯度高、存储体积小、安全可靠，续驶里程长，比CNG更具发展潜力。LNG在冷能回收利用方面，如冷藏车、空调车的应用上具有其他燃料不可比拟的优势，是今后车用天然气的主要发展方向。参考文献:
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透镜大灯
Research on Ignition Mechanism for CNG Lean 2burn Engine with Plasma Body
WU Qiong,PEN G Yi 2qiang,XU Zheng 2wei
(Tr anspor tation and Automotive Engineer ing School Xihua Univer sity,Chengdu 610039,China)
Abstr act:In this paper,based on t he physical and chemical pr operties of CH 4and the characterist ics of the CNG engine,the
ignit ion mechanism for t his engine with high energy is descr ibed.Analysis shows that,the plasma body plays an im portant r ole after ignition.Based on t he combust ion process,the deta iled description on how t o generate the plasma body f rom the a ir and met hane (CH 4)is given.In or der to pr oduce mor e plasma body,the capacitor discharge multiple ignition method is intr oduced at the end of this paper.
Key words:natural gas engines;plasma body ignition;ignition energy;capacitor dischar ge
[编辑：袁晓燕]
(上接第11页)
启源a07Research Tendency of Alternative Fuel Vehicle Engine at Home and Abroad
LI Xi 2qin,LIU Bing
(ZheJiang University of Science &Technology,H angzhou 310023,China)
Abstr act:Through the exper iment researches on gaseous fuel supplying methods of an alternative fuel vehicle engine,and b 2
野马电动车ying achievement analyses in the field of a lternative fuel vehicle engine r esear ch at home and abr oad,this ar ticle points out the facts which influence t he power performance of alter nat ive fuel vehicle.Liquefied LP G injection at intake port solves the problem of charge efficiency decrease well.Liquefied LPG dir ect injection has mor e efficiency than that inject ion at intake por t and is one of efficiency ways to solve the problem of LPG engine power dr op.CNG dir ect injection technology fundament ally solves the pr oblems which nature gas occupies the room of entering air and engine char ge efficiency drops in normal pre 2mixed form.The technology can effectively enhance CNG engine power perfor mance.LNG vehicle has development potentiality even more con 2t inuously because of its higher pur ity ,smaller deposit tank,mor e secure and r eliable ,longer sailing mileages.Key words:gas
2fuel engine;direct injection;state of the ar t [编辑：袁晓燕]
#16# 车 用 发 动 机 2008年增刊
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