汽車CNG汽油雙燃料發動機的適用性與排放

陳磊

【摘要】CNG的主要成分是甲烷，一般情況下CNG是很難液化的，因此，很多車用CNG都是使用高壓氣體的方式進行保存的。由于自燃溫度比較高，著火的延遲時間會比較長，會降低火焰的傳播速率。在研制CNG汽油雙燃料發動機集中電子控制元件的基礎上，對天然氣和各類汽油的混合比例對發動機的使用性能和排放造成的影響進行了分析。

【關鍵詞】汽油雙燃料發動機；CNG

一、試驗裝置簡介

本文以一臺某汽油機為例，對CNG汽油雙燃料發動機的燃燒特征和基本性能進行了研究。該汽油機的技術參數見表1：

在該CNG汽油雙燃料發動機電控系統中，當汽油供給系統沒有發生變化時，還是使用進氣管多點噴射的方法，并在這個基礎上，增加使用了天然氣供氣設備。其中天然氣供氣設備主要是由加氣閥、高壓氣瓶、氣量控制設備、減壓設備、混合器等構成。當前，汽車使用的CNG汽油雙燃料發動機都是在汽油機的結構基礎上進行改裝的，是在原來的汽油機電控燃油噴射系統的基礎上，重新安裝了一個可以對天然氣氣量進行控制的ECU。此ECU在對天然氣的大小進行調節時，主要是根據傳感器信號閉環的反饋情況進行調節的。在天然氣燃燒的過程中，由原電控系統控制點火提前角。相對于天然氣的辛烷值來說，汽油的辛烷值會比較高，燃燒性和抗爆性會更高，再加上汽油比天然氣的燃燒速度快，在同樣的工況下，在點燃天然氣時，需要提前對天然發動機進行點火，但是當前使用的CNG汽油兩用雙燃料發動機在點燃天然氣的過程中，都不能達到最佳的點火提前角，對發動機的輸出功率造成了一定的限制。

由于當前的燃料系統不能達到同時對兩種燃料的供給進行控制的要求，因此，本文重點對CNG汽油雙燃料集中中控系統進行了研究，也就是對新的電子控制單元進行研究，達到天然氣量、汽油噴射、點火提前角集中控制的目的。在設計ECU硬件時，主要是在原有設計的4缸汽油機硬件的基礎上對相關功能進行了擴充。其中重點對天然氣閥驅動接口芯片進行了擴充，新增了CNG汽油雙燃料模式選擇信號、天然氣高壓閥門、模式指示燈燈接口，所有的接口都是在對汽油ECU硬件設備的接口功能進行修改后增加的。控制軟件主要是在點火控制盒、原汽油噴射的前提下，新增了天然氣氣量的控制方法。主要包含了對氧傳感器進行閉環控制、對天然氣進行開環控制，并根據燃料的不同，調整了點火的時間。為了便于研究，本實驗還加入了相對簡單的標定軟件，從而實現修改調整MAP的目的。

二、分析試驗結果

2.1CNG/汽油的混合比例對發動機性能造成的影響

當使用混合燃燒的方式進行工作時，天然氣的含量會影響發動機的性能。在實驗時，將空氣系數控制在0.99～1.02的范圍中，利用實時監控軟件對天然氣的氣量進行控制和調節，當發動機的轉動速度為每分鐘3300轉和4800轉時，CNG氣量產生變化后，發動機的排溫、排放性能和動力性能會產生變化。在開始試驗時，會關閉天然氣減壓裝置上的閥門，使發動機使用純汽油的方式進行運作。天然氣選擇開關打開后，打開總閥門，然后將天然氣加入，這時，天然氣的控制閥電機會處于全關的狀態，并且存在一定的泄露量。因此，當步進電機處于0步時，代表選擇天然氣的開關處于打開狀態，總閥門也處于打開狀態，步進電機會保持在一個全閉合的狀態，這個時候，氣缸中會進入一定量的天然氣。處于-20步時，天然氣的總閥門是處于關閉狀態的，發動機會處于純汽油的工作狀態。在發動機運轉的過程中，ECU會對其進行反饋控制，使發動機處于理論空燃比處，在人工調節下，天然氣控制閥門的步進電機開度會隨著增加，汽油噴油脈寬會隨之降低，在噴油器不能開啟時，發動機會處于純天然氣的運轉模式。研究證明，在電機步數不斷增加的情況下，噴油脈寬會逐漸降低，直到發動機進入到純工作模式后脈寬下降會停止，發動機的轉矩和功率也會隨之降低，從而使排放性能得到大的改觀。當發動機的節氣門開度處于20時，轉矩和功率降低速度會變慢。經過分析后不難看出，在兩種燃料的混合比產生變化時，發動機的性能會隨之產生變化，在負荷比較大的時候，為了保證發動機的基本功率，要盡量降低天然氣的加入量，保證發動機的動力要求。在小負荷時，可以增加天然氣量，充分發揮出天然氣低排放的優點。

2.2CNG/汽油混合比例對發動機燃燒性能造成的影響

為了對混合燃料的燃燒特性進行研究，測錄了發動機的示功情況，并計算了混合燃料的燃燒特征，對燃燒特性參數進行總結。研究證明，在一定負荷條件下，隨著CNG含量的增加，氣缸壓力會逐漸降低，并且最大壓力曲軸轉角位置會推遲。也就是說，當增加CNG含量時，會降低混合料燃燒火焰的傳播速度，提高混合氣的后燃量，降低峰值的壓力。火焰的傳播速度如果過慢，會對燃燒效率造成影響，在壓力不斷升高的情況下，發動機的燃燒會逐漸柔和。由于放入率的延遲，燃燒放熱燃燒期會更長，放熱的重心會出現后移的情況，致使缸內的壓力降低，傳熱面積擴大，熱效率降低。因此，混合料的燃燒特性參數是處于純天然氣和純汽油之間的一個參數，并且和兩種參數保持近似線性的關系，可以利用燃料的混合比來對混合燃料的燃燒特性參數進行估算。

三、結語

綜上所述，在汽油中加入天然氣可以對天然氣的燃燒特性進行改善，CNG汽油混合燃料特性參數處于純天然氣和純汽油之間。將汽油發動機改成雙燃料發動機后，動力雖然變差，但是降低了汽油的消耗量，節省了成本。排放氣體的濃度要低于汽油機，降低了環境污染，排放性良好。

參考文獻：

[1]呂賧，張東來，秦海亮，王毅，李丹.CNG/汽油雙燃料汽車燃氣ECU的設計[J].汽車工程，2007，03：187-190+215.

[2]張博彥，雷艷，周大森.LPG/汽油雙燃料發動機排放性能研究[J].農業機械學報，2005，03：34-36+30.

[3]許二磊，曾科，劉兵，潘世翼.汽油/CNG雙燃料發動機的試驗研究[J].車用發動機，2003，06：7-10.