轎車用CNG/汽油雙燃料系統(tǒng)開發(fā)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(xué)，內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yīng)用具有成本低、效益高、無污染、使用安全便捷等特點，已經(jīng)成為替代傳統(tǒng)石油燃料技術(shù)領(lǐng)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(fā)利用提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文中在采用預(yù)混燃燒點燃式發(fā)動機的乘用轎車上，通過加裝CNG燃料供給系統(tǒng)，在增加較低成本的情況下，實現(xiàn)CNG/汽油雙燃料工作，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 CNG/汽油雙燃料系統(tǒng)設(shè)計

在某款四缸16氣門電噴汽油機上加裝了自行研發(fā)的CNG燃料供給系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)動機散熱的循環(huán)水路連接，利用發(fā)動機工作時產(chǎn)生的熱量對CNG減壓器進行加熱。減壓后的CNG氣體，經(jīng)過濾清器之后進入CNG氣軌，通過CNG噴射器調(diào)整噴射壓力，然后噴入發(fā)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(xiàn)CNG工作模式下對發(fā)動機的精確控制，自主研發(fā)了一套適用于車用天然氣發(fā)動機的電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括以下3個子系統(tǒng)。

1.1 怠速控制子系統(tǒng)

采用步進電機式怠速控制閥實現(xiàn)對旁通空氣通道開度的控制，通過調(diào)節(jié)旁通空氣進氣量，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到所要求的目標(biāo)值。在控制策略方面，采用PID控制來實現(xiàn)發(fā)動機怠速控制。通過PID控制器，可以得到怠速轉(zhuǎn)速偏差，進而得出步進電機的動作步數(shù)和動作方向信號。最終通過驅(qū)動電路改變旁通空氣進氣量，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速［4-5］。

1.2 點火控制子系統(tǒng)

點火控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制發(fā)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(jù)實測發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量和進氣壓力等，查取脈譜圖中對應(yīng)的基本點火提前角，然后根據(jù)冷卻水溫度、大氣壓力和燃料辛烷值等參數(shù)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(fā)動機冷起動困難的問題，在冷起動階段，根據(jù)當(dāng)時的轉(zhuǎn)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(fā)動機冷起動困難的問題［6-7］。

1.3 空燃比控制子系統(tǒng)

為了保證三效催化轉(zhuǎn)化器正常工作，發(fā)動機的空燃比應(yīng)該在當(dāng)量空燃比附近，故須對CNG發(fā)動機的空燃比進行精確控制。

按照發(fā)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(jù)空氣進氣量，調(diào)整燃?xì)獾墓┙o量，從而實現(xiàn)對空燃比的控制。通過控制CNG噴射閥的噴射時間，改變發(fā)動機的供氣量。為精確保證供氣量，還要根據(jù)水溫、電源電壓等參數(shù)對供氣量進行修正，從而實現(xiàn)對CNG發(fā)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(tǒng)和電控系統(tǒng)，實現(xiàn)其CNG/汽油的雙燃料工作。

將試驗車輛放置于環(huán)境模擬艙中，通過轉(zhuǎn)鼓試驗臺實現(xiàn)對實際道路運行工況的模擬，通過排放分析儀測取相關(guān)尾氣排放數(shù)據(jù)。試驗所用設(shè)備性能參數(shù)見表1。原發(fā)動機性能參數(shù)見表2。

表2 原發(fā)動機性能參數(shù)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(guī)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(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)兩個部分。其中市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)按工況分解為6個部分，如表3所示;市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)按工況分解為6個部分，如表4所示。

表3 市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)工況分解

表4 市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)工況分解

試驗使用的天然氣符合GB18352.3—2005中規(guī)定的基準(zhǔn)燃料技術(shù)要求。

3 結(jié)果分析

為了研究改裝后CNG發(fā)動機的排放特性，分別對原機和改裝后的CNG發(fā)動機進行了排放特性試驗，并記錄各項排放實測數(shù)據(jù)。同時，通過調(diào)整發(fā)動機點火提前角，找出其影響CNG發(fā)動機排放特性的規(guī)律。試驗結(jié)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(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)，CO排放較多，峰值達到706×10-6，這是由于發(fā)動機剛開始工作，機體和機油等溫度較低，汽油蒸發(fā)不好。為保證發(fā)動機正常工作，須增加供油量，使空燃比小于當(dāng)量空燃比，導(dǎo)致CO排放過高。隨著發(fā)動機暖機之后運轉(zhuǎn)狀態(tài)逐步平穩(wěn)，CO排放逐步降低并趨于穩(wěn)定。在市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)400s中，由于發(fā)動機處于中高負(fù)荷下，須加大供油量，導(dǎo)致CO排放較高。

圖3和圖4為不同點火提前角時CNG發(fā)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(fā)動機的CO排放變化趨勢與原機是一致的，但CNG發(fā)動機CO的總體排放低于原機;隨著點火提前角的增大，發(fā)動機在冷起動循環(huán)和市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)中的CO排放有所下降，這是由于在冷起動和中高負(fù)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(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)，THC排放較多，峰值達到了190×10-6，這是由于發(fā)動機剛開始工作，冷激效應(yīng)十分強烈，同時由于燃油霧化混合不好，使燃燒不穩(wěn)定，從而造成較大的容積淬熄，導(dǎo)致HC排放激增。隨著發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的逐步平穩(wěn)，THC的排放在逐步降低并趨于穩(wěn)定。在市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)400s中，由于發(fā)動機處于中高負(fù)荷下加、減速瞬態(tài)工況，發(fā)生了容積淬熄，導(dǎo)致THC排放增加。

圖6和圖7為不同點火提前角時CNG發(fā)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(fā)動機的THC排放變化趨勢與原機是一致的;但CNG發(fā)動機在市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)時，其THC排放要優(yōu)于原機;隨著點火提前角的增大，發(fā)動機在整個測試循環(huán)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(xù)期，使發(fā)動機燃燒及時穩(wěn)定，但也使發(fā)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(nèi)未燃HC的氧化，最終導(dǎo)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(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)，由于是冷機起動，三效催化轉(zhuǎn)化器未能達到穩(wěn)定工作溫度，導(dǎo)致NOx排放較高。隨著發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的逐步平穩(wěn)，三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率提高，NOx的排放在逐步降低并趨于穩(wěn)定。

圖9和圖10為不同點火提前角時CNG發(fā)動機的NOx排放情況。由圖可見:CNG發(fā)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(nèi)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(huán)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(dǎo)致NOx的排放增加。

4 結(jié)論

(1)研制的車用發(fā)動機CNG電控系統(tǒng)，具有較好的控制精度和較快的響應(yīng)速度。可以在對原機盡可能少改動的前提下，實現(xiàn)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(yán)格的排放法規(guī)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(tǒng)籌兼顧，在三者之間找到最佳平衡點，從而實現(xiàn)控制策略的最優(yōu)化。

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