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。隨著我國對排放標準的不斷提高和能源配置的合理使用，LNG 發(fā)動機在大型客車和重型貨車上已開始應用。國家西氣東輸和東海油氣田天然氣上岸工程，也為LNG發(fā)動機的推廣應用提供了能源保障。隨著LNG發(fā)動機不斷進入市場，結(jié)合LNG發(fā)動機的構(gòu)造特點和實際工作經(jīng)驗，談一下LNG 發(fā)動機的合理使用與幾種故障分析。

       一、LNG 發(fā)動機燃料供給系的主要部件及其功用

       1.工作原理

       ECI EFR 系統(tǒng)增壓 LNG 發(fā)動機。LNG 從液態(tài)氣罐到進入發(fā)動機氣缸。

       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)動機供氣不足，動力性下降并且導致催化轉(zhuǎn)化器燒結(jié)。低溫氣瓶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，進入發(fā)動機的可燃混合氣的溫度要求比較寬松，而發(fā)動機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，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)壓器的燃氣溫度控制在-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。混合氣相當于單點噴射裝置，安裝在進氣道的喉管處，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，進而在發(fā)動機運轉(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)進入氣缸內(nèi)混合氣量的多少，從而控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和適應負荷變化。在安裝電子節(jié)氣門時，驅(qū)動電機軸線必須保持水平。

       二、LNG 汽車發(fā)動機的特點及合理使用

       LNG 發(fā)動機具有以下特點：一是天然氣抗爆性能好，辛烷值可達130RON，發(fā)動機的壓縮比可達 11~12，介于汽油機和柴油機之間。二是進氣系統(tǒng)適合安裝渦輪增壓裝置，LNG 發(fā)動機采用電控高壓點火系統(tǒng)，與汽油機相同。三是發(fā)動機燃用天然氣不會在進氣管壁形成油膜，發(fā)動機在暖機時排放污染較小。以上特點使得 LNG 發(fā)動機與汽油機、柴油機相比，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)動機用天然氣，每標準立方米（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致燃燒室組件腐蝕，進一步影響熱交換和熱平衡。固體小顆粒的直徑應小于 5μm。

（2）LNG 發(fā)動機需用專門的高品質(zhì)低灰分潤滑油。天然氣發(fā)動機燃燒的主要是高純度的氣態(tài)甲烷，其燃燒溫度比柴油機高，產(chǎn)生的發(fā)動機熱負荷比柴油機高。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，因此燃氣發(fā)動機的潤滑性能比燃油發(fā)動機的潤滑性能大為降低。因此，LNG發(fā)動機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油。

（3）LNG發(fā)動機配備高能量點火裝置。天然氣的辛烷值高于汽油，因而發(fā)動機的壓縮比可以做得比汽油機高，熱效率相應提高。天然氣的自燃溫度在 632℃，發(fā)動機壓縮過程中缸內(nèi)混合氣的溫度達不到這個溫度，必須采用火花塞強制點火，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，需高能量點火裝置。天然氣發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度比較高，進氣對火花塞的冷卻效果較燃油發(fā)動機要差，點火電壓高于常規(guī)汽油機，超過 40kV。但火花塞間隙比汽油機要小，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，并涂導電膏。

（4）需用高品質(zhì)軟化的發(fā)動機防凍冷卻液。在汽化器中，液態(tài)天然氣升溫蒸發(fā)成氣態(tài)天然氣，在燃氣系統(tǒng)的熱交換器中，還要對氣化后的天然氣進一步加熱，這些加熱介質(zhì)均是發(fā)動機冷卻液；所以，LNG 發(fā)動機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，導致汽化器和燃氣熱交換器效率下降，直接影響發(fā)動機的燃氣供給，使發(fā)動機功率下降，進而影響燃氣系統(tǒng)的下游裝置。因此，應絕對保證發(fā)動機冷卻液的品質(zhì)，應用凝點更低，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，某公司裝有LNG發(fā)動機的客車，曾先后幾次出現(xiàn)活塞燒熔及缸套破碎的嚴重故障，機體解體后進行檢查分析。經(jīng)分析，導致故障的主要原因是發(fā)動機工作過程中產(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。嚴重的爆燃將使發(fā)動機過熱，功率下降，發(fā)動機磨損加劇，甚至損壞發(fā)動機零件，尤其在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速高負荷工況下產(chǎn)生爆燃所造成的破壞最嚴重。

  LNG 發(fā)動機產(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，點火提前角過大；

（3）混合氣過濃，超過設定濃度的5%以上；

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

（5）進氣的中冷器嚴重污染，進氣溫度過高；

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

      該公司車輛是剛投入使用不久的 LNG 客車，可暫先排除嚴重污染、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重過大，進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)燃氣中的甲烷成分下降，抗爆性能下降。

      在燃氣供給系統(tǒng)中，已氣化的天然氣溫度不能太高，應控制經(jīng)過燃氣緩沖罐及熱交換器的天然氣溫度，溫度過高會導致發(fā)動機爆震。

      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)動機的抗爆性能，易使LNG 發(fā)動機產(chǎn)生爆震，嚴重時可造成發(fā)動機的損壞。

      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)、淬火熱處理不當也與缸體破碎有直接關系。

      2．產(chǎn)生拉缸現(xiàn)象分析

      有幾輛客車發(fā)動機出現(xiàn)類似敲擊聲和竄氣聲，加大油門后發(fā)動機發(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)動機過熱，點火正時嚴重失準，活塞和缸套配合間隙過小，汽車維修技術網(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致雜質(zhì)進入氣缸，及駕駛員在低溫起動后猛踏油門踏板等。

       LNG 發(fā)動機屬于燃氣式發(fā)動機，其壓縮比比汽油發(fā)動機高，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)，并采用相應的熱處理，嚴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，點火電壓在40kV 以上，而火花塞間隙比汽油機小得多，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，并應在點火線圈與火花塞電極涂抹導電膠，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。

       4．發(fā)動機動力不足原因分析

       LNG 發(fā)動機動力不及柴油機，有時提速困難。LNG 燃料自身特性和發(fā)動機構(gòu)造是造成動力不足的主要原因。進入燃油發(fā)動機的是燃油和氣體的混合氣，而 LNG 則是天然氣和空氣的混合氣，前者進氣量與燃油的體積比為 58:1，燃油體積可以忽略不計，但后者進氣量與天然氣的體積比為 9.5:1，燃氣體積上升 6 倍，這必然導致相對進氣量減少，會導致發(fā)動功率下降，尤其在熱態(tài)工況下，發(fā)動機的功率會有明顯地下降。