第15拯第4期
2002年10月
中国公路学报
ChinaJourlla[ofHighwayandTransport
V01．15No．4
Oct．2002
文章编号：10017372(20c12)0401f1}】惦
对中国车用天然气成分及技术标准的分析研究
陈小济，魏建勤，李强
(浙扛大学动力机械及车辆工程研究所．浙扛杭州310027)
摘要：根据中国天然气组分变化的情况，研究了天然气组分变化时，燃料的低热值、理论空燃比和
燃烧势等燃烧参数的变化t采用双区模型，在过量空气系数为l的条件下计算了组分变化对燃烧压
力、燃烧温度和COnCO、NO排放特性的影响，并分析了天然气中的乙烷、丙烷、丁烷、N!和H!含
量的变化对华白数和燃烧势的影响。在此基础上．将分析结果与中国车用压缩天然气标准的技术要
求进行了对比。并对中国车用天然气技术标准的制订提出了建议。
关键词：内燃机；天然气t燃料t燃烧；排放t华白教；燃烧势
中图分类号：IJ473．24文献标识码：A
Analysisofnaturalgasconstituentandtechnical
standardforvehicleinChina
CHENXiaoJi，WEIJianqin，I．1Qiang
(InstituteofPowerMachineryandVehicleEngineering，ZhejiangUniversity，lIangzhou310027，China)
Abstract：Tilevariationsoflowerheatingvalue，theoreticalairruelratioandcombustion
potentialofnaturalgasfuelwereinvestigatedaccordingtothevariationofnaturalgas
compositioninChina．Thelnf[uenceoftheconstiluentvariationollcombustionpressure，
combuslionlemperatureandtheemissioncharactefistjc5ofN()．C()．CO，wascalculatedbyuscof
doublerangesmodelwhen“lcexcessaircoefficientis1．Andtheinfluencesofthecontentof
ethane，propane，butane，CO￡，N2，andH：onWobbeindexandcombustionpotentialwere
analyzed．ThecalculatimlandanalysisresultswerecomparedwithIhetechniquerequirementof
CNGforvehiclefromChinesestandard，andtheshortcomingsoftechniquerequirementwere
poinledOtll．ItissuggestedtomapOUtamoredetailedCNGconstituentstandard．
Keywords：internalcombustionengine；naturalgas；fuel；cnmbustion；emissinn；Wobbeindex；
combustionpotential
O引言
】988年巾同天然气总公司从国外引进技术和
设备．首先在四川进行了天然气汽车的试运行．到
20世纪90年代后期，扩大到北京、上海、西安、广州
等几大城市。同时国内各科研单位对天然气发动机
的燃烧过程进行r基础性研究，内容包括：柴油一天
然气双燃料发动机燃烧、排放特性研究”。、电控火花
收稿13期：200112ct5
基金项目：浙礼夫学冉光彪高科技科研皋台琐扫t109205)
作者简介：陈小济(1977)．射t档建龙岩人，工学顾上酐究生
点火式天然气缸内、缸外喷气研究“J、火花点火式新
型预燃室燃烧系统研究”1等等。上述这些工作均为
中国开发高效、低污染天然气发动机提供丁重要的
理论依据。但到Ig前为止．国内并没有关于天然气组
分变化对天然气发动机燃烧及排放影响的系统研究
报道。
中国天然气组分在jO％～98％之间变化…，组
分随产地的不同而异，也随季节明显变化，且无法预
万方数据
110中同公路学报2002卑
测。组分的4：同对内燃机的燃烧及排放性能带来r
明显的影响一…，因此有必要明确天然气纽分变化
对天然气汽车燃烧及排放影响的程度，据此，既可进
一步改善发动机的燃烧及排放特性，叉可对车用天
然气的供应厂商提出恰如其分的供气要求。
笔者根据中国天然气生产中组分变化的实际情
况，研究r作为天然气主要成分的甲烷在76％～
97％之间变化及含有惰性气体时，刘车用发动机燃
烧具有重要意义的燃烧参数的变化，采用双区模型
i1算分析了天然气组分变化对发动机燃烧及排放的
影响。同时分析丁天然气中的己烷、丙烷、丁烷、Nn
CO：、H：含量的变化对华白数和燃烧势的影响。并
将天然气组分变化的范围与中国唯一的汽车用压缩
天然气成分技术标准SY／T754．61996相比较，指出
了目前中国车用压缩天然气技术要求的不足，并提
出了改进的建议。
l天然气组分变化及对燃烧参数的影响
授气源分类，犬然气可分为油田气、气田气和煤
层气。根据统计，气田气中的干气甲烷古量最高，通
常在90％以上，如四川I天然气，甲烷含量可高达
98％左右。作为气田气的凝析气及油田气，甲烷平均
含量在7j％～90％之问，如大庆油田、胜利油田和
火港油田的天然气。而煤层气中甲烷含量仅为50％
多，因CO：含量太高，需经过专门处理才能用于汽
车，本文中不加考虑。天然气中除甲烷外，还含有不
等的乙、丙、丁烷及少量的CO：、H。等。
目前，中国车用天然气甲烷的平均含量为88％
左右。根据调查结果，笔者选用了4种具有代表性的
天然气燃料作为本研究的研究对象，天然气组分见
袁1。其中．燃料1的甲烷古量为97．17％，可代表高
甲烷含量的四JII天然气(干气)，燃料2作为东海气
田的代表(I；j前上海天然气公司所用燃料)，燃料3
作为平均燃料的代表，燃料4代表甲烷含量较低的
天然气(凝析气)。数据来源于文献[4]和对上海天然
气公司的初步调查。表l中的百分古量以体积计。
表1燃料组分
序号‘11烷／％己烷／％丙烷／％r烷／“c02／％N2／％
97171．【J2
91I．26398193
458624()(18
1l00600
表2给出了由袁l计算得到的燃料的氢碳比、
理论空燃比、低热值及燃烧势。
表2燃料的燃烧参数
密度低热值
序号H。t【A／PJ。(A／F)，燃烧势
ikg·m。仆州·m3
919
2l5879754136
3lD87¨90
096201I764670
注：(^／F)m为阻质量计鲫理皓空燃比；(AiF)。为以伴棚计的理论空搏i比；
密度为1十大气压2()t下的{}f廑；下同。
由表2可知，随甲烷含量的降低及乙、丙、丁烷
含量的增高，燃料的密度、以体积计的理论空燃比、
低热值和燃烧势均增大。若以第3种燃料，即甲烷古
鼍为88％的燃料为基准，则几种参数变化幅度如表
3所示。
表3组分变化所引起的燃烧参数的变化／％
低热值
序弓HfC(A／F)。(A／F)。．燃烧势
／MJ·nl一3
一1S—10．8
lr1．6
——54l5．68．2
低热值与发动机的输出功率有关。相对于燃料
3，由于燃料组分的变化，低热值的最大变化范围达
】3．6％左右，这显然会影响发动机的动力性。
燃烧势是一个衡量燃烧速度的指标，燃烧势越
大，燃烧越快。表3中，随甲烷含量的降低，乙、丙、丁
烷含量的增多，燃烧势增大，在给出的燃料中燃烧势
最大相差M．8％，即使不包括燃料4(凝析气)，其最
大变化也已接近¨％，这对天然气发动机存在的过
后燃烧现象必然会带来一定的影响。
应当注意的是理论空燃比的变化。表3中燃料
1～3以质量计的理沦空燃比的最大变化幅度为
5．9％，包括燃料4在内．空燃比的最大变化为
l5．6％，这对于以环保为目标的天然气发动机的排
放必然会带来影响。已有研究表明：天然气发动机中
三元催化所要求的过量空气系数窗L]较汽油窄·当
过量空气系数的变化大于0．5％时．催化剂的转换
效率就会明显降低”J。
2组分不同对火花点火发动机燃烧和
排放影响的模拟计算结果分析
计算分两种情况进行：一种是不古惰性气体，为
万方数据
第4期陈小济，等：对中国车用天然气成分厦技术标准的分析研究111
了县有代表性，灭然气组分取表1中的1、3、4二种
燃料的值；另一种是纯甲烷中添加惰性气体。两种情
况下的天然气均符合中国的天然气行业标准SY／
T75，161996。
计算列象为解放【：A6102发动机，其}要参数
可见一般的发动机产品}兑明托。计算中，各种燃料的
混合气过量空气系数均为l，计算采崩双区模型。有
关烈区模型的计算，国内外均已有大鼙文献。限于篇
幅，不冉详述计算原理。
2．1不含惰性气体时
不含惰性气体的四川天然气、全国平均天然气
祁凝析气的燃烧压力变化历程汁算结果见图1。当
曲轴转角在上止点后20。CA附近时，月三力达到最大
值。纵观这二种天然气，甲烷含量低的凝析气的最高
压力壤大，而甲烷含量最高的四川天然气最高压力
最小，甲均天然气居中。最高压力的最大率为
4．8％。
-种燃料在各曲轴转角F的已燃区温度的变化
曲线见图2．很显然，凝析气燃烧时的温度最高，而
四川天然气燃烧时的温度最低。虽然凝析气中的碳
氢含量比其它两种天然气大，使得凝析气的燃烧产
物有一定的增加．但是由丁凝析气的热值明显比甲
烷高．故凝析气的燃烧温度比其它两种天然气的燃
烧温度高。另外，作为。个初步的研究，这三种天然
气中的变化只是乙烷、丙烷、丁‘烷含量的变化．没有
涉及到CO：、N。的显著变化，因此三种不同成分的
天然气托燃烧过程中的燃烧温度相差不犬，其最高
燃烧温度的变化约为30K。
曲轴转角，1煎轴转角，。
围1小『目组升时的燃烧幽z不㈣组分口寸鲫俐鬣
／lt力变化坍挫温度变化历程
图3给出了二种燃料在各曲轴转角下的氮氧化
物浓度的变化曲线。凝析气的氮氧化物浓度最高，四
川天然气的氮氧化物浓厦最低。在上IL点后65。CA
转角附近，其膨胀温度在1700K左右，氮氧化物的
浓度开始冻结。在其后的膨胀过程中，由丁膨胀温度
比较低，有关氮氧化物的反应儿乎都停止了，以至非
平衡状态下的氮氧化物浓度保持不变。燃烧终了
N()的浓度相差8．7％。
图4给出了j种燃料在不同曲轴转角下的CO：
浓度的变化，注意，本文混合气当量比为理论当量比。
这样，CO。浓度的变化主要与高温裂解有关。温度越
高．C()。越容易裂解。图4中显示，凝析气燃烧时生成
的COz浓度最高，这足由于凝析气的碳含量比较高，
虽然凝析气燃烧时的温度较高．会在一定程度上抑制
二氧化碳的生成，但是由于凝折气中碳的古量较另外
两种燃料高，这叉会促使CO：的生成。综合这两种因
素，二种燃料的最高燃烧温度相差都不是很大，在影
响二氧化碳生成反应的各因素中，碳的浓度起比较大
的作用，故凝析气的二氧化碳浓度较高，本文中燃烧
终了CO：浓度最大相差8．2％左右。
2000
EI51)1)
蛊
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0
曲轴转角，。
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曲轴转带／。
圈3小1．1组分u,j的NO窭化Jn牲剖4午1日坩分时的Cu}变化历程
图5给H{了三种燃料在各曲轴转角F的一氧化
碳浓度的变化。如上所述，尽管是在理论空燃比条件
下，由于高温裂解，产生了一氧化碳。燃烧过程中，凝
析气的一氧化碳浓度最高，这是因为凝析气的二氧
化碳浓度最高，并且凝析气燃烧时的缸内温度也最
高．这两种因素都有助于二氧化碳裂解生成氧化
碳，燃烧终丁三种天然气的CO浓度相差12％。
2．2含惰性气体时
为了讨论标准中有关天然气技术条件规定的合
理性，笔者汁算了在甲烷中加不同比例的N：时的
燃烧过程。
芸
蜊
蛏
-300306090
曲轴转角／。
图5不间组分时的CO
变化埘程
一20020406080
曲轴转角，。
图6甲烷中栅zlJ“的氮气时
燃烧压力变化历程
0
5
0
5
0
5
0
5
O
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0
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O
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O”Ⅻ¨Ⅻ∽㈨∽o
∞【f兰、R曰
万方数据
i12中国公路学报2002卓
————————————————————————————一———————————————————————————————————————————————————一
由罔6、7可知：当燃
料中含有20％N。时，与纯
甲烷燃料相比，其中最高燃
烧压力降低了15％，相应
的最高燃烧温度降低了
81K，并且燃烧持续到上止
点后40。CA。含有惰性气
体时．由于燃烧温度的降
低，排放中的N0浓度降
低丁26％。从改善排放考
2。。。
El
600
蔷一。
琶s。o
z
4。。
0
—200204060go
曲轴转角，9
剧7甲烷中加zo％的氮气
时No变化历程
虑，这是有利的一面，但如图6所示，燃料中加入惰性
气体后，引起燃烧持续期的加长，使动力性下降。另
外，虽然本文中未做未燃HC的计算．可以预见的是，
在这种情况下将可能导致未燃HC排放的增加。
3天然气组分与燃烧关系的基本规律
及中国汽车用压缩天然气标准
中国以往气体燃料燃烧特性的研究大多围绕着
锅炉、灶具进行，考虑的主要问题是脱火与回火问
题，考虑燃料的互换性时主要考虑两个参数；华白数
和燃烧势。华白数表明燃料的发热量，华白数越大，
燃烧的发热量越大，这是一个与灶具的热负荷有关
的参数；燃烧势与燃烧速度有关，燃烧势越大，表明
燃烧速度越快，两者的计算方法参见文献E43。因此，
用于锅炉和灶具的气体燃料，均以燃烧势和华白数
两个指标来衡量。由于中国气体燃料在灶具等方面
的大规模使用较汽车早得多，因此其相应的标准较
汽车用压缩天然气完备。
关于汽车用天然气组分，中国只有一个行业标
准SY／T7j46—1996，标准中规定的对汽车压缩天然
气的技术要求如表4所示。按照这个要求，前述的四
种燃料均符合标准。组分变化范围如此宽广的燃料，
其燃烧特性有多大的差异呢?为了进一步全面了解
天然气组分变化对燃烧影响的基本规律，而不是仅
限于上面四种燃料，用华白数和燃烧势这两个指标
在宽广的范围内分析了车用压缩天然气组分变化对
燃烧特性的影响。
表4车用压缩天然气技术要求
项H质量括标
高位发热量音量／MJ·m1≥31．4
硫化氢(HAS)肯量／mR·m_≤2(I．0
总硫(以赢计)含量／mg·m_≤270．0
二氧化碳(c()2)含量／％≤3．tl
罔8中A处为甲烷特征值，可做为图中的一个
参考点。图8中各线为在甲烷中含有其它组分时华
白数及燃烧势的计算结果。
目
二
享
轻
Ⅲ
斟
405060
燃烧势
图8燃烧特性随组分变化的基奉规律
随着己、丙、丁烷含量的增加，燃料的华白数增
加，且在同样掺混量时，丁烷华白数的增长最快，华
白数按乙、丙、丁烷的顺序依次增大；另外，燃烧势也
随着乙、丙、丁烷含量的增加而增加，但在同样掺混
量的条件下，乙烷的燃烧势增长最快，燃烧势按乙、
丙、丁烷的顺序依次减小。
天然气中加氢后，燃烧势迅速增大，但华白数略
有下降，这样就存在着一种可能：在天然气中加氢，
有可能加快天然气的火焰传播以减少后燃．同时减
少NO，的排放。在甲烷中加20％的N：，燃烧势和华
白数大幅度降低。
图8中的燃料全部满足中国的车用压缩天然气
标准，由此可知满足这个标准的天然气燃料的范围
非常宽广。如前面的分析所示，它们的理论空燃比和
排放特性有可能明显不同。因此，从发动机高效低污
染燃烧的角度考虑，中国的车用压缩天然气技术要
求太宽松了。
与汽油相比，燃用天然气时进入气缸的燃料是
气体，这已导致了发动机动力性的大幅度下降，如果
燃料本身的热值再降低，动力性的损失将有可能选
到难以接受的程度，甚至不能正常燃烧。如天然气中
的惰性气体含量在20％时，仍能满足中国车用压缩
天然气技术条件的要求，这与汽车界提高天然气发
动机动力性的努力是背道而驰的。
当然，实际上可能并不会在车用压缩天然气中
加人惰性气体，但如果是CO之类的低热值燃料含
量过高(其低热值还不到甲烷的1／3)，从标准看仍
能满足技术要求，但在实际使用中就会产生问题。能
万方数据
第4期陈小济，等：对中国车用天然气成分及技术标准的分析研究113
否向锅炉和灶具所用气体燃料那样．根据车用发动
机动力、经济、排放性能的专门需要，找到台理评价
车用天然气燃料的衡量指标，并据此制订出合理的
技术条件，这是一个需要汽车生产厂家和天然气供
气商共同协商研究的课题。
4结语
笔者定量分析了国内具有代表性的四种不同组
分的天然气组分变化对燃烧参数的影响，并对其中
的二种天然气和甲烷中添加了20％的惰性气体的
气体燃料。采用双区模型计算方法，在理论空燃比条
件下进行了模拟计算，将计算结果与中国的车用天
然气技术条件进行了对比，模拟汁算过程没考虑未
燃HC的生成，主要结论如下：
(1)在本文条件下，不包括煤层气，由组分变化
而引起的空燃比、低热值及燃烧势的最大相对变化
率(以燃料3为基准)分别为15．6％、22．6％和
l4，8％。尤其值得注意的是理论空燃比的变化很明
显。
(2)同样的体积掺混量，燃烧速度将按乙、丙、丁
烷的顺序依次减小，做功能力将按乙、丙、丁烷的顺
序依次增大；天然气的燃烧特性对CO。和N。的含
量非常敏感，耐者均使天然气的华白数、燃烧势降
低；较小的氢含量变化就会使天然气的燃烧势产生
明显的变化，使华内数降低。因此，可以设想在天然
气中加入少量氢气加速燃烧，同时又不使燃烧温度
明显增高，以得到较低的NO，排放。
(3)计算结果表明：除煤层气以外，中国一般产
地的天然气中如果仅是甲、乙、丙、丁烷含量不同的
话，对车用发动机的动力性可能影响并不大，关键在
于对排放有明显的影响。但如果在天然气中惰性气
体或低热值燃料过多，则将会对动力性、排放性均产
生明显的影响。
(t)在过量空气系数为1的条件下，燃料组分的
不同也会导致CO：、CO和NO排量的显著变化。这
表明：即使采用了电喷天然气技术，过量空气系数控
制在l左右，燃料组分的变化仍会使排放数据产生
较大的变化。
(5)由于以上原因，为确保天然气发动机动力性
和低排放性能的稳定性，就应保证车用天然气燃料
组分的变化在一个合理的范围内，即：既要保证发动
机的动力性和排放性能不致偏差过大，叉不致于在
实际生产过程当中付出的代价太大。这就需要将天
然气组分变化控制在一个合理的范围内．这是一个
值得汽车行业与天然气供应商协作研究的课题。
(6)目前中国唯一的有关车用压缩天然气组分
要求的标准SY／T7546—1996中给出的高热值低限
比纯甲烷的还低约l／4．这与目前提高天然气发动
机动力性的努力背道而驰；技术标准中对成分的要
求太宽泛，这对于天然气发动机稳定高教、低污染燃
烧不利。
(7)建议能向管道煤气那样，通过研究，提出能
合理评价车用天然气的指标，据此制订能满足汽车
发动机稳定、高效、低污染燃烧的天然气组分标准。
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万方数据
对中国车用天然气成分及技术标准的分析研究
作者：陈小济，魏建勤，李强
作者单位：浙江大学,动力机械及车辆工程研究所,浙江,杭州,310027
刊名：中国公路学报
英文刊名：CHINAJOURNALOFHIGHWAYANDTRANSPORT
年，卷(期)：2002,15(4)
被引用次数：3次
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1.程伟.黄荣华.代称程.顾善愚.CHENGWei.HUANGRong-hua.DAICheng-cheng.GUShan-yu天然气成分对发动机
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3.梁素钰.王述洋.李二平.谭文英沼气制取车用天然气级燃料系统[期刊论文]-农业工程学报2009(6)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgglxb200204029.aspx
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