2.7.1 CNG发动机

CNG指的是经过干燥、净化后压缩到压力在10～25MPa之间的气态天然气，通常储存在专用的CNG储气瓶中。所谓的CNG发动机指的是以CNG作燃料的压缩天然气发动机，图2-76所示为CNG发动机的实物图。

图2-76 CNG发动机

CNG发动机的工作原理如图2-77所示。高压的压缩天然气从储气瓶出来，经过滤清器过滤后，经高压电磁阀进入高压减压器，高压电磁阀的开合由ECM（电控模块）控制，高压减压器的作用是将高压的压缩天然气经减压加热将压力调整至目标值；高压天然气在减压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量。为防止减压器结冰，从发动机将发动机冷却机冷却液引出到减压器对燃气进行加热；经减压后的天然气进入电控调压器，电控调压器的作用是根据发动机运行工况精确控制天然气喷量；天然气与空气在混合器内充分混合，进入发动机缸内，经火花塞点燃进行燃烧，火花塞的点火时刻有ECM控制，氧传感器即时监控燃烧后的尾气的氧浓度，推算出空燃比，ECM根据氧传感器的反馈信号和控制MAP及时修正天然气喷射量。

图2-77 CNG发动机的工作原理

目前CNG发动机按其使用燃料的类别主要分成三种类型：CNG/汽油两用燃料发动机、CNG/柴油双燃料发动机和CNG单燃料发动机。

1）CNG/汽油两用燃料发动机，通过对汽油机的改装，保留原有的汽油供给系统，增加一套天然气供给系统，形成汽油和天然气两个相互独立的燃料供给系统。通过切换开关实现燃油供给和燃气供给的手动或者自动控制，两种供给系统不能同时工作。这种发动机相对传统发动机变动小、成本低、适应性强，是市场上的主流汽车燃用天然气的改装方式，缺点是动力性和排放性能较差。

2）CNG/柴油双燃料发动机，主要应用在压燃式发动机上，主燃料是天然气，柴油起到火花塞作用。天然气和空气在气缸外或者气缸内形成可燃混合气，在压缩行程末期喷入燃烧室内一定的柴油，并依靠高温的压缩空气加热着火，产生的火焰能量引燃可燃混合气。这种在一个工作循环，两种燃料同时燃烧的发动机叫双燃料发动机。双燃料发动机按其天然气的供给方式又可分为缸外混合供气和缸内直接供气。

3）CNG单燃料发动机，主要为点燃式发动机。为了充分发挥天然气的特性，专门设计燃用天然气的发动机。在发动机压缩行程末期利用火花塞点燃可燃混合气做功，工作原理与汽油发动机相同。优点是有效降低了排放，缺点是由于可燃混合气能量密度低，天然气消耗率较大，经济性明显下降。由于发动机的各项参数密度大，因而需要开发专用的燃气ECM控制喷气。使用条件受到较大限制，因此多用于气源充足的地区或者作为大型固定式发动机来使用。

在CNG发动机的发展和应用中，一个关键的技术就是天然气的供给方式，它在很大程度上影响发动机的动力性、经济性、安全性以及排放性能。天然气供气系统经历了三个阶段：第一阶段是机械式混合器，第二代为电控混合器，第三代为电控喷射。

1）机械式混合器。利用发动机的真空度供气，使用化油器式发动机。结构简单、价格便宜、技术难度低、容易改装。但其主要问题是替代率较低，排放性能较差。

2）电控式混合器。在开环供给系统的基础上增加控制系统而成，应用在电喷发动机上。它能根据发动机的最佳性能要求利用ECM灵活调整引燃油量和天然气量的比例，因此它更能满足双燃料发动机在不同的工况下空燃比的控制要求，可以实现稀薄燃烧技术。它的缺点是动态响应迟缓、耗气量大、结构复杂、安全要求高。

3）电控喷射。利用天然气的压力主动供气，电控喷射系统控制非常灵活，可以根据实际情况进行单点喷射和多点喷射控制。与混合式相比，可实现定量供气，具有良好的节能和排放净化效果。系统结构布置简单灵活，系统稳定可靠，易产品化，价格低，从长远看，电控喷射相比前两代更有发展前景[14]。

按照喷射方式又可以分为从缸外预混合、复合供气和缸内直接喷射。

1）缸外预混合。CNG气体燃料挤占进气空气体积，造成了充气效率下降的问题。

2）复合供气。为满足CNG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，对预燃式燃烧室发动机，可采用复合供气，其改善了CNG发动机部分负载和全负载下的性能。

3）直接喷射。综合了发动机和汽油机的优势，从根本上解决了预混合方式中，天然气燃料挤占进气空气体积，造成充气效率下降的问题，实现了CNG非均质混合气扩散燃烧，燃烧效率高，能有效提高天然气发动机的动力性。