天然氣主要存在于油田和天然氣田中，主要成分是烷烴，其中甲烷占 絕 大多 數(shù) ， 沸 點 -161.5℃ ，在20MPa 壓 縮 儲 存 為 壓 縮天 然 氣（CNG），在-162℃以下隔熱狀態(tài)呈液態(tài)保存為液化天然氣（LNG）。天然氣在燃燒過程中產(chǎn)生的能影響人類呼吸系統(tǒng)健康的物質(zhì)極少，燃燒后無廢渣、廢水產(chǎn)生，具有使用安全、熱值高、潔凈等優(yōu)勢。隨著我國對排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高和能源配置的合理使用，LNG 發(fā)動機(jī)在大型客車和重型卡車上已開始應(yīng)用。國家西氣東輸和東海油氣田天然氣上岸工程，也為LNG發(fā)動機(jī)的推廣應(yīng)用提供了能源保障。隨著LNG發(fā)動機(jī)不斷進(jìn)入市場，結(jié)合LNG發(fā)動機(jī)的構(gòu)造特點和實際工作經(jīng)驗，談一下LNG 發(fā)動機(jī)的合理使用與幾種故障分析。

一、LNG 發(fā)動機(jī)燃料供給系的主要部件及其功用

1.工作原理

LNG 從液態(tài)氣罐到進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸。

2.儲液罐

天然氣以液態(tài)形式儲存于低溫低壓的儲罐內(nèi)，其內(nèi)部溫度低于-162℃，氣瓶充滿氣的公稱工作壓力為1.6MPa，使用時氣瓶最小壓力不能低于 0.65MPa，否則會引起發(fā)動機(jī)供氣不足，動力性下降并且導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器燒結(jié)。儲罐采取雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)，儲罐由內(nèi)膽、外殼、內(nèi)夾層絕熱件和閥件艙等組成。內(nèi)膽用于盛裝燃料，外殼支撐整個罐體，并保護(hù)內(nèi)膽，他在內(nèi)膽間構(gòu)成了密閉的真空空間，兩殼夾層間填充了具有隔熱性能的玻璃棉和鋁箔材料。閥件艙布置在儲罐的一端，包括儲液閥、安全閥、手動放空閥、壓力調(diào)節(jié)器、壓力表和液位顯示器等。駕駛室儀表板設(shè)置有氣量指示和漏氣報警裝置。

3.汽化器

LNG 需要經(jīng)汽化器升溫膨脹后汽化成氣態(tài)天然氣，才能供給發(fā)動機(jī)燃燒，LNG 在汽化過程中會吸收較多的熱量，汽化器利用發(fā)動機(jī)冷卻液提供熱量，促使低溫液態(tài)的天然氣變成氣態(tài)的天然氣。氣態(tài)天然氣的溫度高低取決于冷卻液的溫度和流量，實際工作過程中，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的可燃混合氣的溫度要求比較寬松，而發(fā)動機(jī)冷卻液的正常溫度一般為60～85℃。

4.低壓電磁閥

低壓電磁閥安裝在電控調(diào)壓器天然氣入口處，控制天然氣的供給量。平時應(yīng)注意對該電磁閥的清潔，視供給燃料的清潔度，一般每行駛5萬km清洗一次。清洗時，應(yīng)拆除電磁閥線圈，取出閥芯閥座，并將他們浸泡在汽油中，再用干壓縮空氣吹干后使用。

5.電控調(diào)壓器（EPR 閥）

電控調(diào)壓器是電子控制的壓力調(diào)節(jié)器，內(nèi)部有控制芯片接受 ECM的指令，根據(jù)發(fā)動機(jī)運行工況控制天然氣量及壓力，從而有效控制空燃比。電控調(diào)壓器內(nèi)部有一個微處理器控制的高速電機(jī)，通過CAN 總線接收ECM 信息，保證天然氣壓力在0.55~1.35MPa 之間。電控調(diào)壓器內(nèi)有壓力傳感器用于測量調(diào)壓器出口和混合氣入口處的氣壓差，將電控調(diào)壓器的燃?xì)鉁囟瓤刂圃?40℃~105℃范圍內(nèi)。

6.混合器

混合器的作用是將增壓器中冷后的空氣與天然氣充分混合。氣態(tài)天然氣氣壓大于中冷后的空氣，按比例噴入與空氣混合，使燃燒更充分、柔和，可有效降低 NOx 的排放和排氣溫度?；旌蠚庀喈?dāng)于單點噴射裝置，安裝在進(jìn)氣道的喉管處，其內(nèi)有一個被彈簧控制的膜片，可根據(jù)空氣的流入量，決定其內(nèi)部膜片的開度，進(jìn)而在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)工況下，混合器能精確控制空燃比。

7.電子控制節(jié)氣門

駕駛員通過油門踏板，將動力需求傳給ECM，ECM接收到油門踏板信號后，根據(jù)發(fā)動機(jī)運行工況控制電子節(jié)氣門的開度。通過控制電子節(jié)氣門蝶閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸內(nèi)混合氣量的多少，從而控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和適應(yīng)負(fù)荷變化。在安裝電子節(jié)氣門時，驅(qū)動電機(jī)軸線必須保持水平。

二、LNG 汽車發(fā)動機(jī)的特點及合理使用

LNG 發(fā)動機(jī)具有以下特點：一是天然氣抗爆性能好，辛烷值可達(dá)130RON，發(fā)動機(jī)的壓縮比可達(dá) 11~12，介于汽油機(jī)和柴油機(jī)之間。二是進(jìn)氣系統(tǒng)適合安裝渦輪增壓裝置，LNG 發(fā)動機(jī)采用電控高壓點火系統(tǒng)，與汽油機(jī)相同。三是發(fā)動機(jī)燃用天然氣不會在進(jìn)氣管壁形成油膜，發(fā)動機(jī)在暖機(jī)時排放污染較小。以上特點使得LNG發(fā)動機(jī)與汽油機(jī)、柴油機(jī)相比，在使用上具有一定差別，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）應(yīng)注意LNG 的品質(zhì)。天然氣中除含有烷烴外，還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣等。LNG發(fā)動機(jī)用天然氣，每標(biāo)準(zhǔn)立方米（101.325kPa，20℃）硫化氫的含量不能超過15mg/m3，車輛長時間使用含硫量高的天然氣可能會導(dǎo)致燃燒室組件腐蝕，進(jìn)一步影響熱交換和熱平衡。固體小顆粒的直徑應(yīng)小于5μm。

（2）LNG 發(fā)動機(jī)需用專門的高品質(zhì)低灰分潤滑油。天然氣發(fā)動機(jī)燃燒的主要是高純度的氣態(tài)甲烷，其燃燒溫度比柴油機(jī)高，產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷比柴油機(jī)高。此外，氣態(tài)甲烷燃燒不會產(chǎn)生碳煙，有效防止了潤滑油的油灰沉積在火花塞上。但這樣一來，碳灰的潤滑作用也會消失，因此燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的潤滑性能比燃油發(fā)動機(jī)的潤滑性能大為降低。因此，LNG發(fā)動機(jī)需要使用低硫酸鹽灰分、高抗耐磨、抗氧化，且低硫含量的專用機(jī)油。

（3）LNG發(fā)動機(jī)配備高能量點火裝置。天然氣的辛烷值高于汽油，因而發(fā)動機(jī)的壓縮比可以做得比汽油機(jī)高，熱效率相應(yīng)提高。天然氣的自燃溫度在 632℃，發(fā)動機(jī)壓縮過程中缸內(nèi)混合氣的溫度達(dá)不到這個溫度，必須采用火花塞強(qiáng)制點火，再加上天然氣的燃燒范圍較窄，因此要求點火能量較大，傳統(tǒng)的點火裝置不適用于LNG發(fā)動機(jī)，需高能量點火裝置。天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度比較高，進(jìn)氣對火花塞的冷卻效果較燃油發(fā)動機(jī)要差，點火電壓高于常規(guī)汽油機(jī)，超過40kV。但火花塞間隙比汽油機(jī)要小，鉑金NGK 火花塞間隙為 0.33±0.005mm，銥金火花塞間隙為 0.4±0.005mm，每行駛 2 萬 km 必須檢查火花塞電極燒蝕情況，以及高壓線膠套是否老化開裂，同時清理火花塞電極間雜質(zhì)和點火線圈接線柱的氧化物，并涂導(dǎo)電膏。

（4）需用高品質(zhì)軟化的發(fā)動機(jī)防凍冷卻液。在汽化器中，液態(tài)天然氣升溫蒸發(fā)成氣態(tài)天然氣，在燃?xì)庀到y(tǒng)的熱交換器中，還要對氣化后的天然氣進(jìn)一步加熱，這些加熱介質(zhì)均是發(fā)動機(jī)冷卻液；所以，LNG 發(fā)動機(jī)的冷卻液除原有的冷卻保溫功能外，還有加熱天然氣的作用。若冷卻液品質(zhì)不好易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，就會降低熱交換能力，導(dǎo)致汽化器和燃?xì)鉄峤粨Q器效率下降，直接影響發(fā)動機(jī)的燃?xì)夤┙o，使發(fā)動機(jī)功率下降，進(jìn)而影響燃?xì)庀到y(tǒng)的下游裝置。因此，應(yīng)絕對保證發(fā)動機(jī)冷卻液的品質(zhì)，應(yīng)用凝點更低，防腐功能更好，不結(jié)垢的軟質(zhì)防凍液。

三、LNG 汽車發(fā)動機(jī)幾種故障分析與對策

1．活塞燒熔及缸套破碎故障分析

2009年，某品牌LNG發(fā)動機(jī)的卡車，曾先后幾次出現(xiàn)活塞燒熔及缸套破碎的嚴(yán)重故障，機(jī)體解體后進(jìn)行檢查分析。經(jīng)分析，導(dǎo)致故障的主要原因是發(fā)動機(jī)工作過程中產(chǎn)生了爆震燃燒?？扇蓟旌蠚庠趬嚎s終了時利用火花塞點燃。在正常燃燒情況下，火焰從火花塞端一直傳播到遠(yuǎn)離火花塞的末端。若火焰?zhèn)鞑ミ^程中，末端混合氣自行發(fā)火燃燒，這時氣缸內(nèi)壓力急劇增高，并發(fā)生強(qiáng)烈的震蕩，在氣缸內(nèi)發(fā)出清脆的金屬敲擊聲，這種不正常燃燒現(xiàn)象，被稱之為爆燃。嚴(yán)重的爆燃將使發(fā)動機(jī)過熱，功率下降，發(fā)動機(jī)磨損加劇，甚至損壞發(fā)動機(jī)零件，尤其在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下產(chǎn)生爆燃所造成的破壞最嚴(yán)重。

LNG 發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆燃的原因分析如下：

（1）用的 LNG 燃料品質(zhì)較差，或抗爆性能下降；

（2）點火正時不準(zhǔn)，點火提前角過大；

（3）混合氣過濃，超過設(shè)定濃度的5%以上；

（4）渦輪增壓異常，不能限制進(jìn)氣增壓，產(chǎn)生過增壓現(xiàn)象；

（5）進(jìn)氣的中冷器嚴(yán)重污染，進(jìn)氣溫度過高；

（6）潤滑油品質(zhì)選擇不當(dāng)，使用了過高灰分的機(jī)油，導(dǎo)致氣缸內(nèi)積碳過多，壓縮比相對增大。

該車輛是剛投入使用不久的 LNG 卡車，可暫先排除嚴(yán)重污染、堵塞、積碳過大等引起爆燃的原因。因而引起爆燃的原因可能是點火提前角嚴(yán)重過大，進(jìn)入氣缸的混合氣溫度過高，或是儲罐中 LNG的儲存時間過長，氣態(tài)燃?xì)庵械募淄槌煞窒陆?，抗爆性能下降?/p>

在燃?xì)夤┙o系統(tǒng)中，已氣化的天然氣溫度不能太高，應(yīng)控制經(jīng)過燃?xì)饩彌_罐及熱交換器的天然氣溫度，溫度過高會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆震。

儲罐中原帶有的 LNG 燃料，經(jīng)過新車運輸、交接及檢查等過程后，其實際儲存時間過長。當(dāng)儲罐吸收外界熱量而使內(nèi)壓力增大超過1.6MPa，安全閥會自動排除超壓的天然氣，加速罐內(nèi)天然氣的蒸發(fā)。由于抗爆性較好的甲烷的蒸發(fā)，液態(tài)LNG中的甲烷含量逐漸降低，直接影響發(fā)動機(jī)的抗爆性能，易使LNG 發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆震，嚴(yán)重時可造成發(fā)動機(jī)的損壞。

一般產(chǎn)生爆震的部位在燃燒室，易造成氣缸上部燒熔損壞，但不至于引起整個缸體破碎。從整體破碎的情況看，缸套的材質(zhì)、淬火熱處理不當(dāng)也與缸體破碎有直接關(guān)系。

2．產(chǎn)生拉缸現(xiàn)象分析

有幾輛卡車發(fā)動機(jī)出現(xiàn)類似敲擊聲和竄氣聲，加大油門后發(fā)動機(jī)發(fā)抖且動力下降，甚至出現(xiàn)熄火，排氣管冒黑煙現(xiàn)象。

經(jīng)分析可能是發(fā)動機(jī)拉缸現(xiàn)象，解體后證實了判斷，在縱向缸壁有深淺不一的垂直溝紋及拉毛劃痕。這是因為當(dāng)活塞或活塞環(huán)與缸壁滑動接觸面積過小時，摩擦產(chǎn)生高溫，活塞或活塞環(huán)與缸壁間發(fā)生金屬燒熔，冷卻后硬化物將缸壁拉出溝痕，即拉缸。

拉缸常見的原因有：發(fā)動機(jī)過熱，點火正時嚴(yán)重失準(zhǔn)，活塞和缸套配合間隙過小，汽車維修技術(shù)網(wǎng)或活塞冷卻不夠?qū)е逻^熱膨脹，活塞環(huán)開口端隙過小或斷裂，潤滑油品質(zhì)不良或油膜承壓不夠，空氣濾清器濾清效果不良導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入氣缸，及駕駛員在低溫起動后猛踏油門踏板等。

LNG 發(fā)動機(jī)屬于燃?xì)馐桨l(fā)動機(jī)，其壓縮比比汽油發(fā)動機(jī)高，缸內(nèi)燃燒溫度高，需采用耐高溫的潤滑油，選擇合適的氣缸套和活塞材質(zhì)，并采用相應(yīng)的熱處理，嚴(yán)格控制氣缸套與活塞的裝配間隙，以及活塞環(huán)的開口端隙。

3．火花塞出現(xiàn)污損、裂紋損壞故障分析

LNG發(fā)動機(jī)正常工況時，火花塞的絕緣體出現(xiàn)輕微黃或棕色沉淀物，也會出現(xiàn)輕微的電極腐蝕現(xiàn)象。

火花塞用氧化鋁陶瓷制成，其工作環(huán)境極為惡劣，不但要承受缸內(nèi)溫度及壓力頻率極高的急劇交替沖擊，還要保證在40kV 高電壓下的絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性。一般來說，造成絕緣體破損的主要原因是爆裂震動。LNG 發(fā)動機(jī)由于燃料的差別，混合氣的空燃比和氣缸的壓縮壓力均高于汽油機(jī)，點火電壓在40kV 以上，而火花塞間隙比汽油機(jī)小得多，所以，安裝火花塞和點火線圈時，必須保證火花塞間隙在規(guī)定值，并應(yīng)在點火線圈與火花塞電極涂抹導(dǎo)電膠，在火花塞陶瓷體上涂絕緣脂，以防止因膠套老化引發(fā)火花塞與缸套間漏電。