1.1天然气燃料的优势

能源危机、环境污染以及苛刻的排放法规迫使人们寻找更加清洁的发动机代用燃料。而天然气在当今世界能源中的重要作用日益凸现，在汽车行业中，天然气也逐渐开始替代传统的燃料，并越来越受到各个方面的重视^[1]。天然气作为一种优良的燃料，具有节能、减排、高效等特点，广泛应用在城市公交出租、长途重卡以及环卫、场区、港区、景点等作业和摆渡车辆上。截至 2015年6月，我国天然气汽车保有量已达500万辆，加气站7950座，均位居世界第一位^[2]。天然气作为发动机燃料的优势总结如下：

(1)储量丰富。目前世界上已探明的天然气的储量高达208万亿m³，仅次于煤炭和石油，是第三大能源；我国的天然气储量丰富，截止2016年底探明储量约为5.4万亿m³，且我国有多个天然气进口渠道，这些对发展天然气发动机是一种可靠的保障^[3]。

(2)燃烧清洁。由于天然气中86%以上成分是甲烷，其燃烧后的废气中SO₂的排放量相对于柴油机可以降低90%，碳烟的排放量可以降低近93%；而天然气在燃烧状况较好时，可以使CO排放量相对汽油机降低97%，NOx的排放量也可以降低39%左右^[4]。

(3)抗爆性好。天然气的辛烷值较高，大约为120-130，可以使用较高的压缩比，有利于提高发动机的动力性和经济性。

(4)着火界限宽。天然气和空气的混合气具有很宽的着火界限，可燃混合气过量空气系数为0.6-1.8，可以使用稀薄燃烧技术改善发动机低负荷下的经济性和排放。

(5)价格低廉。每立方米天然气燃烧产生的热值相当于1.2升汽油燃烧产生的热值，而每立方米天然气的价格为3.5元，每升汽油的价格为7-8元，因此使用天然气的成本远小于使用石油燃料的成本。

尽管车辆换用天然气后，发动机的动力性有了不同程度的下降，但是通过对发动机结构及性能参数的优化，可以充分发挥天然气燃料的优势，解决动力性不足的问题，所以天然气汽车的发展前景广阔。

1.2发动机改用天然气的技术途径

从目前来看，天然气发动机主要是在已有汽油机或柴油机上改装而成的。因此，发动机改用天然气的技术途径主要可以分为以下两种类型：

(1)两用燃料发动机

由于天然气发动机发展初期，加气站建设较少，为保证汽车的正常行驶，开发了汽油-天然气两用燃料发动机。两用燃料发动机通常是在原汽油机的基础上加装天然气供给装置改装而成，通过切换开关来选择纯汽油或者纯天然气燃料工作。此类发动机保持原机的电控汽油喷射系统不改变，增加了天然气电子控制单元来控制天然气的量，空燃比严格控制在理论值附近，排气采用三元催化器进行后处理，可以达到较高的排放标准^[5]。