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小型工业机车上天然气发动机 和柴油机的对比 摘要 本文论述了将VM Motori公司生产的排量为2.8L的四缸涡轮增压柴油机改造为以压缩天然气为燃料的发动机的过程。改造的主要目标是保证发动机最佳动力性能，将工程成本降至最低。试验和一维循环模拟促进了这种新型发动机的发展。第一个发动机模型已经建成并在动态试验台架上进行了精密的测试。发动机的仿真模拟作为一种优化工具得到应用，而以上的测试数据证实了发动机仿真模拟的可靠性，并指明发动机进一步发展的方向。 引言 一些工业机车（如道路清扫车、叉车等）是由配备了机械燃油喷射系统的小排量的涡轮增压直喷柴油机提供动力的。这些柴油机在减小自身总体积，保持较低燃油消耗率的情况下，转速在2500-3000（转/分钟）时一般能提供最大为40-70kw的制动功率。然而，现在的技术很难使这种类型的柴油机达到未来尾气排放的要求，将要用到的高压燃油喷射系统、冷却EGR技术、催化剂、微粒捕捉器等又会使发动机的生产成本增加。因此，天然气作为柴油替代品的研究成了令人瞩目方向，这种替代品可以限制发动机的生产成本。 与传统的柴油机相比，压缩天然气发动机的最大优势是污染物的低排放。由于混合气中合理的碳氢比例及主要燃烧产物（CO2和H2O）的后处理，排放物中几乎没有微粒，含有少量NOx。CO2的排放也得到降低。所以，如果不考虑未燃HC中甲烷的存在，潜在的温室气体可以降低到25%。然而，测得甲烷的全球储量要比石油丰富的多。 将一台柴油机改造成天然气发动机所必需的条件可以总结如下： 配备与柴油机不同的燃油计量系统； 增加点火系统； 增加一个三元催化转换器和一个空燃比控制系统（有ECU和氧传感器的闭环电路）； 降低压缩比。 必威体育精装版的文献资料指出有必要为天然气发动机设计一种新型的燃烧室。无需对气缸盖（一般较平）做改动，只在活塞顶上设置一个浅盘式凹坑并增加气流挤压高度可以使对燃烧室的改动达到最小并且能获得理想的压缩比。这种方案的缺点是燃烧室不够紧凑，即体面比比较大。另外，如果不对进气口进行改造，像稀薄燃烧等一些先进的燃烧技术将不能在这种发动机上得到应用。 活塞的重量一般会减轻，因此曲轴不再平衡，所以要对发动机底部部件的设计进行修改。当发动机的转速提高，例如从3000（转/分钟）提高到4500（转/分钟）时，这种修改有着特别重要的意义。在此次对发动机的改造中，气门机构的配件也需要改进。 如今，增压柴油机得到普遍的应用，因此，我们可以选择使用自然吸气式柴油机或者涡轮增压式柴油机。在一份必威体育精装版的报告中Umierski和Hüchtebrok证实了排量为1.9L的四缸涡轮增压直喷式高速柴油机在保留原来的可变喷嘴增压器的基础上可以改造成压缩天然气发动机。改造后的发动机可以达到与高速直喷发动机同样大的转矩和燃油消耗率，却有着较低的NOx和CO2的排放。这得益于采用了快速燃烧技术：改进燃烧室和进气口形状以加强气流扰动，再加上高压缩比（14.5）和高的进气压力，使得燃烧较稀的混合气（相对空燃比为1.35/1.65）成为可能。本文作者已经在VM实验室对一台排量为2.8L的涡轮增压的四缸直喷柴油机做过一些实验。此类型柴油机的特性将在下面的章节中进行介绍。使用原来的涡轮增压器，保持进气口几何形状不变，为柴油机加入压缩天然气，无论如何调节进气压力和点火提前角，发动机均出现点火失败等问题，当相对空燃比低于1.3时还会出现敲缸现象。文献【8】中的几种结论的矛盾基本上源于以下两个问题：气缸孔太大；进气口形状对于稀薄燃烧没有得到优化。因此，发动机只能以合适的化学计量比的混合物为燃料，并使增压大幅降低。在这样的条件下，相比传统柴油机，排气温度会由于更高的绝对空燃比和更低的加热热量而变得很高。所以，排气管必须要冷却。 从以上的实验结论我们得知，采用涡轮增压的压缩天然气发动机为小型工业机车提供动力似乎不是很合适，因为性价比和可靠性是评价这类机车的重要指标。所以，我们要考虑自然吸气式结构。值得注意的是，尽管除去了涡轮增压器使发动机的性能更加难以达到理想的状况，但有很多问题却得到简化：省去了内部冷却装置和排气管冷却系统；热负荷和机械负荷得到降低；活塞和曲轴重量得到减轻。 这样，发动机变得更加的紧凑。而考虑到甲烷存储箱的体积和重量比柴油机的油箱要大，能否将其装入小型工程机械的底盘主要取决于发动机的紧凑程度。甲烷的抗爆性较好，可以将压缩比和点火提前角调大，所以相比涡轮增压的压缩天然气发动机方案，此方案可以提高燃料利用率。 为了达到预想的性能，自然吸气式发动机应该有着比柴油机更高的转速，并且为了减小低转矩发动机的负面影响，应该设计合适的齿轮齿数比。但是较为实际的途径只有减小摩擦损失，优化进排气系统来适应提高的转速。 本文对VM Motori公司生产的排量为2.8L的四缸涡轮增压柴油机向