轎車用CNG/汽油雙燃料系統開發及其排放特性試驗研究*

張 文，李志軍，劉 磊，焦鵬昊，張 瀛

(1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津電子信息職業技術學院，天津 300350)

前言

天然氣作為一種清潔燃料，由于其在汽車上應用具有成本低、效益高、無污染、使用安全便捷等特點，已經成為替代傳統石油燃料技術領域的研究熱點［1-3］。我國具有豐富的天然氣資源，為天然氣的開發利用提供了良好的物質基礎。本文中在采用預混燃燒點燃式發動機的乘用轎車上，通過加裝CNG燃料供給系統，在增加較低成本的情況下，實現CNG/汽油雙燃料工作，達到節能環保的目的。

1 CNG/汽油雙燃料系統設計

在某款四缸16氣門電噴汽油機上加裝了自行研發的CNG燃料供給系統，其結構如圖1所示。

CNG氣罐放置在轎車后備箱，通過閥門控制其與整個氣路的通斷，保證了整個系統的安全性。在氣罐與CNG減壓器中間布置一個三通閥，通過該閥的開閉，實現加氣模式和供氣模式的切換。由于CNG減壓器在工作時大量吸熱，為保證其正常工作，將其與整個發動機散熱的循環水路連接，利用發動機工作時產生的熱量對CNG減壓器進行加熱。減壓后的CNG氣體，經過濾清器之后進入CNG氣軌，通過CNG噴射器調整噴射壓力，然后噴入發動機的進氣歧管，與通過原機氣路進入進氣歧管的空氣混合，最后進入燃燒室燃燒做功。

為實現CNG工作模式下對發動機的精確控制，自主研發了一套適用于車用天然氣發動機的電控系統。該系統主要包括以下3個子系統。

1.1 怠速控制子系統

采用步進電機式怠速控制閥實現對旁通空氣通道開度的控制，通過調節旁通空氣進氣量，使發動機轉速達到所要求的目標值。在控制策略方面，采用PID控制來實現發動機怠速控制。通過PID控制器，可以得到怠速轉速偏差，進而得出步進電機的動作步數和動作方向信號。最終通過驅動電路改變旁通空氣進氣量，控制發動機轉速［4-5］。

1.2 點火控制子系統

點火控制子系統負責控制發動機的點火提前角和點火能量。點火提前角的控制按脈譜圖進行，根據實測發動機轉速、進氣流量和進氣壓力等，查取脈譜圖中對應的基本點火提前角，然后根據冷卻水溫度、大氣壓力和燃料辛烷值等參數對基本點火提前角進行修正，從而得到正確的點火時刻。

CNG的自燃溫度較高，需要較高的點火能量。通過控制點火線圈的閉合時間，主動控制點火能量。針對天然氣發動機冷起動困難的問題，在冷起動階段，根據當時的轉速值，采用多次點火策略，提高點火可靠性，從而有效緩解天然氣發動機冷起動困難的問題［6-7］。

1.3 空燃比控制子系統

為了保證三效催化轉化器正常工作，發動機的空燃比應該在當量空燃比附近，故須對CNG發動機的空燃比進行精確控制。

按照發動機在不同運行工況對空燃比的要求，將控制過程劃分為冷機起動、加速和勻速3種控制模式。針對不同模式之間的差異，采取不同的控制策略。

選取速度-密度法，通過進氣歧管中空氣的溫度和壓力得出空氣進氣量，進而根據空氣進氣量，調整燃氣的供給量，從而實現對空燃比的控制。通過控制CNG噴射閥的噴射時間，改變發動機的供氣量。為精確保證供氣量，還要根據水溫、電源電壓等參數對供氣量進行修正，從而實現對CNG發動機空燃比的精確控制［8-9］。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

在原機上增加CNG供給系統和電控系統，實現其CNG/汽油的雙燃料工作。

將試驗車輛放置于環境模擬艙中，通過轉鼓試驗臺實現對實際道路運行工況的模擬，通過排放分析儀測取相關尾氣排放數據。試驗所用設備性能參數見表1。原發動機性能參數見表2。

表2 原發動機性能參數表

2.2 試驗方法

采用GB18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》［10］中規定的“常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗(Ⅰ型試驗)”方法進行，包含市區運轉循環和市郊運轉循環兩個部分。其中市區運轉循環按工況分解為6個部分，如表3所示;市郊運轉循環按工況分解為6個部分，如表4所示。

表3 市區運轉循環工況分解

表4 市郊運轉循環工況分解

試驗使用的天然氣符合GB18352.3—2005中規定的基準燃料技術要求。

3 結果分析

為了研究改裝后CNG發動機的排放特性，分別對原機和改裝后的CNG發動機進行了排放特性試驗，并記錄各項排放實測數據。同時，通過調整發動機點火提前角，找出其影響CNG發動機排放特性的規律。試驗結果如圖2～圖10所示。

3.1 CO排放

由圖2可知，原機在第1個195s市區運轉循環，CO排放較多，峰值達到706×10-6，這是由于發動機剛開始工作，機體和機油等溫度較低，汽油蒸發不好。為保證發動機正常工作，須增加供油量，使空燃比小于當量空燃比，導致CO排放過高。隨著發動機暖機之后運轉狀態逐步平穩，CO排放逐步降低并趨于穩定。在市郊運轉循環400s中，由于發動機處于中高負荷下，須加大供油量，導致CO排放較高。

圖3和圖4為不同點火提前角時CNG發動機的CO排放情況。由圖可見:在點火提前角不變的情況下，CNG發動機的CO排放變化趨勢與原機是一致的，但CNG發動機CO的總體排放低于原機;隨著點火提前角的增大，發動機在冷起動循環和市郊運轉循環中的CO排放有所下降，這是由于在冷起動和中高負荷下，隨著點火提前角的增大，大量混合氣更接近于上止點附近燃燒，燃燒比較充分。

3.2 THC排放

由圖5可知，原機在第1個195s市區運轉循環，THC排放較多，峰值達到了190×10-6，這是由于發動機剛開始工作，冷激效應十分強烈，同時由于燃油霧化混合不好，使燃燒不穩定，從而造成較大的容積淬熄，導致HC排放激增。隨著發動機運轉狀態的逐步平穩，THC的排放在逐步降低并趨于穩定。在市郊運轉循環400s中，由于發動機處于中高負荷下加、減速瞬態工況，發生了容積淬熄，導致THC排放增加。

圖6和圖7為不同點火提前角時CNG發動機的THC排放情況。由圖可見:在點火提前角不變的情況下，CNG發動機的THC排放變化趨勢與原機是一致的;但CNG發動機在市郊運轉循環時，其THC排放要優于原機;隨著點火提前角的增大，發動機在整個測試循環中的THC排放有所上升，這是因為雖然點火提前角增大，有利于CNG的快速燃燒，縮短燃燒持續期，使發動機燃燒及時穩定，但也使發動機的燃燒過程提前，后燃減弱，排溫降低，從而減少了排氣管內未燃HC的氧化，最終導致THC的排放升高。

3.3 NOx排放

由圖8可知，原機在第1個195s市區運轉循環，由于是冷機起動，三效催化轉化器未能達到穩定工作溫度，導致NOx排放較高。隨著發動機運轉狀態的逐步平穩，三效催化轉化器的轉化效率提高，NOx的排放在逐步降低并趨于穩定。

圖9和圖10為不同點火提前角時CNG發動機的NOx排放情況。由圖可見:CNG發動機NOx的排放水平要劣于原機，這是由于CNG無須像汽油在氣道內汽化形成混合氣，減少了對汽化潛熱的吸收，因此CNG的燃燒溫度較高，有利于NOx生成;在整個測試循環中，隨著點火提前角的增大，燃燒趨近完全，使最高燃燒溫度增大，混合氣在高溫下滯留時間增長，導致NOx的排放增加。

4 結論

(1)研制的車用發動機CNG電控系統，具有較好的控制精度和較快的響應速度。可以在對原機盡可能少改動的前提下，實現低排放CNG/汽油雙燃料工作模式。

(2)試驗車輛使用CNG與汽油相比，整體CO和THC排放下降，但NOx上升。為了滿足更嚴格的排放法規要求，必須采取一定措施，降低CNG汽車NOx排放過高的問題。

(3)點火提前角對CO、THC和NOx排放變化趨勢的影響各不相同，因此在制定CNG控制策略的時候，需要統籌兼顧，在三者之間找到最佳平衡點，從而實現控制策略的最優化。

［1］朱劍明，彭代勇.世界能源現狀與內燃機的發展機遇［J］.內燃機工程，2011(2):80-84.

［2］Maji S，Sharma P B，Babu M K G.A Comparative Study of Performance and Emission Characteristics of CNG and Gasoline on a Single Cylinder S.I.Engine［C］.SAE Paper 2004-28-0038.

［3］Midhun V S，et al.Development of CNG Injection Engine to Meet Future Euro-V Emission Norms for LCV Applications［C］.SAE Paper 2011-26-0002.

［4］呂賧，張東來，秦海亮，等.CNG/汽油雙燃料汽車燃氣ECU的設計［J］.汽車工程，2007，29(3):187-190.

［5］Chiu James P，Wegrzyn James，Murphy Kenneth E.Low Emissions Class 8 Heavy-Duty On-Highway Natural Gas and Gasoline Engine［C］.SAE Paper 2004-01-2982.

［6］王都，盛利，冒曉建，等.點火能量對稀燃增壓CNG發動機性能影響的試驗研究［J］.汽車工程，2009，31(10):915-918.

［7］Kavathekar K P，Rairikar S D，Thipse S S.Development of a CNG Injection Engine Compliant to Euro-IV Norms and Development Strategy for HCNG Operation［C］.SAE Paper 2007-26-029.

［8］Veiga Michel R，Mansano Ronaldo D，Silva Rafael L，et al.Injection System for Tri-fuel Engines with Control of Power by Simultaneous Use of CNG and Ethanol or Gasoline［C］.SAE Paper 2010-36-0195.

［9］Kalam M A，et al.Air-Fuel Ration Calculation for a Natural Gas Fuelled Spark Ignition Engine［C］.SAE Paper 2004-01-0640.

［10］國家環境保護總局.GB18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)［S］.2005.