天然氣汽油兩用燃料發動機的發展歷程與展望

張云 莫德赟 蔡妍

摘要：隨著社會的發展與進步，汽車日益普及，對汽油、柴油的消耗大幅增加，機動車尾氣排放對環境及能源形勢也產生了極大的影響。推進新能源、新技術的研究探索，具有十分重要的現實意義。文章對國內外在天然氣/汽油兩用燃料發動機方面的技術發展歷程進行論述，并分析了天然氣/汽油兩用發動機的發展與應用趨勢。

關鍵詞：汽油;天然氣;兩用燃料發動機;汽車

中圖分類號：U464.173? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）12-0106-02

一、引言

汽車工業的發展對人類社會發展有著非常重要的意義，對促進科學技術進步、繁榮經濟活動、改善生活有著舉足輕重的作用。在發動機的各項性能優化提升、能源來源多樣化、汽車尾氣排放污染減少方面，以天然氣為燃料的發動機是一種行之有效的方法。其中，天然氣/汽油兩用燃料發動機是天然氣汽車的類型之一，是混合動力汽車的一種，其在汽車領域的應用逐漸增多。

二、天然氣發動機汽車在國際國內的發展

國際上，最先將天然氣作為燃料應用在汽車上的是意大利，隨后，新西蘭在國內大力推廣將天然氣作為燃料的汽車。隨著能源開發技術、汽車發動機技術的不斷發展，美國、意大利、阿根廷、伊朗等國家越來越重視推廣使用天然氣發動機的汽車。

三、天然氣/汽油兩用燃料發動機汽車的發展歷程

天然氣發動機汽車類型中，有天然氣發動機、天然氣/汽油兩用燃料發動機、天然氣/柴油雙燃料混合發動機、液化天然氣發動機和天然氣摻氫發動機等類型。其中，天然氣/汽油兩用燃料發動機在公共汽車和出租汽車中的應用較為廣泛。天然氣/汽油兩用燃料發動機的燃料是汽油和天然氣，兩種燃料獨立工作，不能混合。為了進行燃料供給，這類發動機的結構上裝配了兩套燃料供給系統，分別但不同時向發動機提供汽油、天然氣等燃料，因而，發動機的燃料可以是純汽油，也可以是壓縮天然氣（CNG）。

（一）天然氣/汽油兩用燃料發動機汽車在國際上的研究

在日本，由本田和NGK公司聯合，開展了排氣氧傳感器及其催化劑的專項研究，開發出天然氣專用氧傳感器，并就使用壽命這一指標，針對該型號的氧傳感器進行實驗測試研究。在實驗測試結果的基礎上，研究人員發現，在響應特性、壽命等參數指標上，天然氣/汽油雙燃料發動機的該型號氧傳感器和普通汽油機的氧傳感器所表現出來的特點幾乎一致，沒有特別明顯的差別。這個實驗測試結果意味著，天然氣和汽油兩種燃料共用同一排氣氧傳感器是可行的。

在美國，通過改裝2.2L汽油發動機汽車，將其變為天然氣/汽油兩用燃料發動機汽車，以此優化動力控制模塊，期望獲得在任何工況條件下均能獲得最佳的點火時間節點。這項實驗驗證工作是在IMPCO與通用汽車公司通力合作的基礎上進行的。其基本過程主要是，天然氣在與空氣混合之前，必須經由減壓器減壓，經過混合器，再通過進氣總管，與空氣混合，進入發動機的氣缸。這個過程中，是利用氣管壓力和當前轉速的測試計算獲得數據，控制天然氣的噴氣量，依靠調整控制混合器上電磁閥的開度實現。為了得到最優化的發動機性能，單獨安裝一套天然氣供給控制系統并不是解決問題的最優辦法。建立動力控制模塊系統，實現與天然氣電子控制單元的通信信息共享，這樣天然氣/汽油兩用燃料發動機可以實現：在天然氣燃料工作模式下，天然氣電子控制單元、怠速步進電機、點火提前、廢氣再循環系統等都處于動力控制模塊的智能管理模式，而在電子控制單元中，還集成了自學習模塊。使用天然氣作為燃料后，通過測試實驗，其結果表明，NMOG的排放下降了66%，CO的排放下降了34%，NOX的排放下降了41%。

（二）天然氣/汽油兩用燃料發動機汽車在國內的研究

在國內，天然氣/汽油兩用燃料發動機汽車的技術發展主要基于兩用燃料發動機的控制系統，該系統的發展經歷了機械式混合器、電控混合器，發展到以多點順序噴射系統為基本構成的控制系統。

機械式混合器常用于由化油器發動機改裝的汽車上。天然氣通過二級減壓器從高壓氣體降為常壓氣體，其負壓隨著發動機的負荷和轉速而發生變化，進而對進入發動機氣缸的天然氣的進氣量進行控制。實際應用過程中，該系統存在進氣量分配不均、發動機動力損耗較大、調節精度不高等缺陷。

電噴發動機出現后，電控混合器隨之出現。該類型的機構既可用于電噴發動機的改裝，還可用于化油器發動機的改裝。該類型產品的天然氣進氣量的控制由發動機工作時產生的負壓控制，為提高控制精度，專門設置了相應的輔助供氣系統或步進電機，依據節氣門位置、轉速、氧傳感器等信號反饋的檢測數據，控制調節天然氣的進氣量，保證基于不同的工作狀況，獲得合適空燃比的混合氣。相對機械式混合器而言，電控混合器的控制精度明顯高于機械式混合器，排放指標也相應提高，且電控混合器可與三元催化凈化裝置、閉環控制系統相匹配，通過步進電機配氣閥來調節天然氣的供氣量，以確保發動機以理論空燃比工作。但是，該系統存在控制精度降低、響應時間變長、總體排放降低等問題。該問題出現的原因是，電控混合器將慣性環節引入發動機的空燃比控制環節，同時，電控混合器的機構設計中，因為在進氣道中設計增加了氣阻，從而使得系統的充氣效率變低。

四、天然氣/汽油兩用燃料發動機汽車的發展趨勢

（一）政策支持到位

國家對新能源車輛發展的扶持政策不斷出臺，在節能減排、環境保護等方面的立法與整治力度也不斷加強。相應的天然氣燃料生產企業在提高自身產能、優化產品結構方面有較大突破，天然氣的產量和品質不斷提高。

（二）技術突破有力

天然氣/汽油兩用燃料發動機可通過發動機與原機進行實驗對比，確定使用天然氣作為發動機燃料后發動機的動力性、經濟性及排放性的情況;對實驗數據進行對比，分析影響天然氣發動機性能參數的因素，優化發動機排放性能，降低排放污染物濃度;通過數據分析優化，確定最佳匹配參數，使天然氣/汽油兩用發動機性能達到最優。

（三）市場前景廣闊

天然氣/汽油兩用燃料發動機是在汽油機的基礎上進行改裝，其技術難度不高，改裝成本較低，后續維護保養便利，易于大面積推廣，特別是在城市出租汽車、公共汽車等領域，相較電動汽車而言，其續航里程及能源補充更具優勢。

參考文獻：

[1]陳昊，韓斌，陳軼嵩，等.天然氣汽車發展現狀及趨勢[J].中國能源，2018，40（2）：36-41.

[2]馬永新.天然氣發動機汽車的優勢和發展現狀[J].內燃機與配件，2018，（21）：196-197.

[3]賈國瑞，任煥煥，陳川，等.替代燃料汽車發展趨勢研究[J].汽車工業研究，2018，（12）：42-47.

[4]鄒中華.淺談國內天然氣汽車的發展現狀及趨勢分析[J].時代汽車，2018，（12）：7-8.

[5]何銳.汽車的未來動力[J].世界汽車，2007，（1）：98-100.

[6]湯文生.公交客車天然氣/汽油兩用燃料發動機供氣技術研究[J].內燃機，2009，（3）：9-11.