由于天然氣汽車(chē)在排放方面具有明顯的優(yōu)越性，與使用汽油車(chē)相比，天然氣汽車(chē)顆粒物排放幾乎為零，NOx、CO和HC的排放也顯著(zhù)降低，所以天然氣汽車(chē)在改善空氣質(zhì)量方面有著(zhù)重要意義。與此同時(shí)，天然氣汽車(chē)技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展，從過(guò)去的常壓天然氣汽車(chē)發(fā)展到壓縮天然氣汽車(chē)(CNGVs)和液化天然氣汽車(chē)(LNGVs)。盡管如此，天然氣汽車(chē)在使用中仍然存在一些問(wèn)題，其中最為突出的是發(fā)動(dòng)機功率下降、發(fā)動(dòng)機腐蝕與早期磨損的問(wèn)題。

    1.發(fā)動(dòng)機功率下降及其原因

    天然氣汽車(chē)使用中的一個(gè)主要問(wèn)題是發(fā)動(dòng)機的功率比使用汽油時(shí)有明顯下降。據資料報道，汽車(chē)在使用天然氣作燃料時(shí)，功率一般要下降15%左右，個(gè)別時(shí)候下降更多。功率下降的結果，一方面導致汽車(chē)重載、爬坡或加速時(shí)動(dòng)力不足，另一方面導致燃料消耗相對增加，并增加污染物排放量。

    天然氣汽車(chē)的功率下降主要原因在于燃料本身的特性和發(fā)動(dòng)機的構造。

    在燃料性質(zhì)方面，汽油是液體燃料，而天然氣是氣體燃料。使用汽油時(shí)，液態(tài)汽油的體積與進(jìn)氣體積相比幾乎可以忽略不計，但用天然氣作燃料時(shí)，燃料本身的體積在整個(gè)進(jìn)氣中占有較大比例，因此導致進(jìn)入氣缸的空氣量減少，充氣系數下降，從而導致發(fā)動(dòng)機功率下降。

    在發(fā)動(dòng)機構造方面，決定發(fā)動(dòng)機功率的主要因素是發(fā)動(dòng)機的壓縮比，壓縮比越大，熱效率越高，有效功率就越大。同時(shí)，壓縮比越大，發(fā)動(dòng)機爆震的傾向也越大。因此，發(fā)動(dòng)機壓縮比還必須與燃料的抗爆性相適應。汽油的抗爆性決定了汽油機的壓縮比不可能太大，但天然氣的抗爆性很好，完全可以用于壓縮比較大的發(fā)動(dòng)機，從而提高其功率。天然氣汽車(chē)的應用還處在起步階段，天然氣的供應遠不象汽油那樣普及，在這種情況下，專(zhuān)門(mén)設計的天然氣發(fā)動(dòng)機汽車(chē)很難推廣。目前投入運行的天然氣汽車(chē)大多是兩用燃料汽車(chē)，既可以用天然氣，也可以用汽油。這種兩用燃料汽車(chē)為了兼顧使用汽油的需要，壓縮比提高較小或者沒(méi)有提高。因此天然氣高抗爆性的特性并未得到充分發(fā)揮，導致發(fā)動(dòng)機功率下降。

    2.腐蝕與早期磨損及其原因

    汽車(chē)以天然氣作燃料時(shí)，發(fā)現燃燒室部件明顯腐蝕，甚至曲軸也出現腐蝕，氣門(mén)、活塞環(huán)和氣缸磨損嚴重，與使用汽油時(shí)相比，汽車(chē)大修期通常要縮短1/3-1/2。

    這是天然氣汽車(chē)面臨的另一個(gè)問(wèn)題。天然氣汽車(chē)出現腐蝕和早期磨損的原因是由于天然氣中含有微量硫化合物(硫化氫)，引起氣缸、氣缸壁的腐蝕與磨損，使發(fā)動(dòng)機動(dòng)力下降，使用壽命縮短，汽車(chē)大修期縮短。

    3.提高天然氣汽車(chē)功率的措施

    3.1提高充氣系數

    充氣系數下降是導致天然氣汽車(chē)功率下降的重要原因，從理論上講，提高充氣系數是提高功率的一種途徑。但充氣系數下降是由天然氣本身的性質(zhì)所決定的，從燃料方面顯然無(wú)法解決這一問(wèn)題，唯一的解決辦法是采取進(jìn)氣增壓措施。但進(jìn)氣增壓無(wú)疑會(huì )加大發(fā)動(dòng)機的體積和質(zhì)量，在實(shí)施中存在一定難度。

    3.2適當提高發(fā)動(dòng)機壓縮比

    天然氣的辛烷值很高，抗爆性非常好，如果直接在汽油機上使用天然氣，就不能充分利用天然氣的這種優(yōu)點(diǎn)，提高發(fā)動(dòng)機功率。如果將發(fā)動(dòng)機氣缸蓋減薄一部分，提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比，就可以提高發(fā)動(dòng)機的功率，在一定程度上彌補部分功率損失。這種方法是人們通常采用的一種方法。但是，考慮到目前大部分天然氣汽車(chē)都是兩用燃料汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機壓縮比不可能提高太多，否則一旦換用汽油作燃料，有可能產(chǎn)生爆震。因此壓縮比的提高有一定限度，應根據實(shí)際情況確定。例如，原來(lái)使用70號汽油的汽車(chē)，改成兩用燃料汽車(chē)時(shí)，可將壓縮比提高到使用90號汽油的壓縮比；原來(lái)使用90號汽油的發(fā)動(dòng)機改成兩用燃料汽車(chē)時(shí)，可將壓縮比提高到使用93號或95號汽油的壓縮比。

    對于象城市公共汽車(chē)那樣在固定線(xiàn)上行駛，天然氣供應有保障的汽車(chē)，應當提倡使用壓縮比與天然氣抗爆性相適應的單一燃料天然氣汽車(chē)，充分發(fā)揮天然氣高壓縮比的特點(diǎn)，以提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機功率。

    3.3使用專(zhuān)用天然氣汽車(chē)發(fā)動(dòng)機潤滑油

    天然氣是氣體燃料，使用中不會(huì )出現發(fā)動(dòng)機潤滑油稀釋現象，因此可以使用粘度較低的潤滑油，這樣可以減少粘度造成的功率損失，提高發(fā)動(dòng)機的效率。同時(shí)，天然氣汽車(chē)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機潤滑油可以有效防止氣門(mén)、活塞環(huán)等燃燒室部件的腐蝕與磨損，防止氣缸壓力下降引起的功率損失。

    在CA6102天然氣發(fā)動(dòng)機臺架上，對使用天然氣發(fā)動(dòng)機潤滑油和使用ESC30汽油機潤滑油進(jìn)行了對比試驗，外特性和負荷特性曲線(xiàn)如圖1、圖2所示。試驗中所用燃料均為天然氣，燃料消耗量以天然氣在標準狀況下體積計算。從圖1中可以看出，與使用ESC30汽油機潤滑油相比，使用天然氣發(fā)動(dòng)機潤滑油可以增大發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩，降低燃料消耗率10%左右。

    4.減少腐蝕和磨損的措施

    4.1天然氣脫硫

    如前所述，天然氣汽車(chē)發(fā)生腐蝕和早期磨損的根本原因是由于天然氣中含有微量硫化氫。因此，對天然氣進(jìn)行脫硫處理是減少腐蝕和磨損的重要手段。但對天然氣進(jìn)行脫硫處理，也很難將硫化氫完全除去，因此，天然氣對發(fā)動(dòng)機的腐蝕是很難完全避免的。

    4.2采用耐腐蝕材料

    采用抗硫化物腐蝕的金屬材料制造發(fā)動(dòng)機也是防止腐蝕的一個(gè)重要措施。但這種方法僅適用于新發(fā)動(dòng)機的制造，對于現有發(fā)動(dòng)機是無(wú)能為力的。

    4.3使用專(zhuān)門(mén)的天然氣汽車(chē)發(fā)動(dòng)機潤滑油

    使用天然氣汽車(chē)發(fā)動(dòng)機潤滑油代替目前使用的汽油機潤滑油是防止天然氣汽車(chē)發(fā)動(dòng)機腐蝕的有效措施，這種方法不但簡(jiǎn)便，而且不增加成本。

    天然氣汽車(chē)發(fā)動(dòng)機潤滑油與汽油機潤滑油相比具有較高的堿值，有很強的酸中和能力。5萬(wàn)km行車(chē)試驗表明，該潤滑油能有效防止硫化氫的腐蝕，減少發(fā)動(dòng)機磨損，延長(cháng)發(fā)動(dòng)機大修期1/2以上。

    該汽車(chē)5萬(wàn)km道路試驗前、后氣缸尺寸變化以及燃燒室部件腐蝕與磨損情況分別列于表1和表2。

表2 燃燒室部件蝕磨情況

車(chē)號

潤滑油類(lèi)型

行駛里程/km

燃燒室部件腐蝕及磨損情況

更換氣門(mén)次數

更換活塞環(huán)次數

氣門(mén)腐蝕狀況

氣門(mén)最大磨損量/mm

氣門(mén)平均磨損量/mm(10⁴km)^-1

026

ESC30汽油機潤滑油

43655

1

1

嚴重腐蝕

0.075

0.0171

018

天燃氣發(fā)動(dòng)機潤滑油

52968

0

0

正常

0.075

0.0141

024

51984

0

0

正常

0.060

0.0134

    5.結論

    a.天然氣汽車(chē)功率下降的原因是由于充氣系數下降和發(fā)動(dòng)機壓縮比較低；

    b.發(fā)動(dòng)機早期磨損的原因是由于天然氣中含有微量硫化物引起的；

    c.提高天然氣發(fā)動(dòng)機功率的措施主要有進(jìn)氣增壓、提高發(fā)動(dòng)機壓縮比和使用專(zhuān)用天然氣發(fā)動(dòng)機潤滑油；

    d.防止腐蝕和早期磨損的途徑包括天然氣脫硫、使用耐腐蝕材料制造發(fā)動(dòng)機和使用專(zhuān)用天然氣發(fā)動(dòng)機潤滑油；

    e.使用專(zhuān)用天然氣發(fā)動(dòng)機潤滑油對提高功率和防止發(fā)動(dòng)機的腐蝕與早期磨損都有顯著(zhù)效果，是一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟和有效的措施。