天然氣汽車氣耗測試技術研究

摘要：本文對天然氣汽車燃氣發動機系統原理進行分析，并根據其特點設計燃氣汽車氣耗測試方案。之后選取了一輛天然氣牽引汽車，依據《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》標準中的道路等速、加速以及怠速試驗工況進行實際測試。測試結果具有很好的重復性和可復現性，表明測試方案及方法合理性和適用性，能夠真實反映燃氣汽車氣耗量。

關鍵詞：天然氣汽車;氣耗;測試模塊;氣體流量計;測試工況

中圖分類號：U467.1

文獻標識碼：A

0引言

隨著對環保問題的日益關注，國內各大汽車廠商為了降低汽車排放對環境的污染，紛紛采取各種策略。其中一項重要技術方向，便是開發和改造實用的壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG）汽車。經過多年的技術開發和方案改進，目前燃氣汽車在技術上已趨于成熟，也在逐步商品化，市場的保有量也在逐步增長。因為燃氣汽車是以天然氣為燃料，所以排放的二氧化碳（CO2）和碳氫化合物（HC）比傳統的燃油汽車少很多。

而對于用戶來說，他們更關心的是燃氣汽車的經濟性，即氣耗量問題[1-2]。

1測試方案設計1.1氣耗測試原理

燃氣汽車主要指LNG汽車和CNG汽車，它們的燃料主要成分均為甲烷，汽車儲能裝置一般為儲氣瓶。CNG汽車儲氣瓶壓力一般不超過30MPa，LNG汽車因為儲氣瓶儲存低溫下的液化天然氣，所以壓力更低。燃氣汽車的天然氣燃料從儲氣瓶經過氣化器（LNG汽車）、減壓閥、穩壓器和濾清器等裝置，進入發動機氣軌總成，在發動機ECU控制下與空氣形成的混合空氣進入發動機燃燒作功。

根據氣體燃料流經線路，可將氣耗流量傳感器裝置安裝于最接近發動機進氣口位置，即濾清器之后、發動機氣軌總成之前。這樣可以盡量減少氣路管路壓力以及流速調節變化等因素，造成的氣體流量超前或者滯后。

此外，燃氣發動機在燃料管路流向上，與燃油發動機有供油管路和回油管路有所不同。燃氣發動機氣體管路僅有供氣管路，無回氣管路。氣體燃料經過發動機消耗后經過渦輪增壓器（如配備）、尾氣后處理等直接排入大氣[3]。因而在氣體流量測量方面，僅需在供氣管路串聯一個氣體質量流量計即可。

1.2測試模塊

燃氣汽車整車氣耗測試分為3個模塊：1氣體流量計測數量模塊;2數據采集模塊;3上位機數據處理模塊。其中，氣體流量計測數量模塊主要根據燃氣汽車發動機進氣系統的氣電特性進行設計，包括進氣管路接入點選擇、適用壓力范圍、氣體流量及精度選擇等方面的考慮。數據采集模塊主要針對測試需求，選擇道路測量還是轉股測量，以及氣體流量計輸出信號的類型等。

目前絕大多數數據采集系統功能強大，可完成直流、交流、脈沖和碼盤等信號的采集。上位機處理模塊主要將數據采集系統數據采集后進行后臺二次處理，或者實時對數據進行濾波、計算等處理。整車氣耗測試模塊設計如圖1所示。

1.3流量計選擇

根據整車測試模塊設計要求，測試模塊的進氣口端應具有壓力調節功能，出氣口端具有消除氣壓脈沖的穩壓功能（發動機特性）。當氣耗測試模塊連接在近CNG氣瓶處時（圖2a），可手動打開壓力調節器;當氣耗測試模塊連接在近發動機處時，可手動關閉壓力調節器（圖2b）。而當氣耗測試模塊靠近發動機端時，發動機不同缸體進氣特性導致氣耗量呈現脈沖式需求，給瞬時測量帶來波動，因而需要對氣耗的脈沖進行平滑處理，即需要氣壓脈沖穩壓器進行平滑處理[4]。

1.4測試評價指標

由于測試模塊需滿足車載測試要求，因此應滿足車載工作電壓供電要求，工作電壓采用直流10～30V。輸出信號選擇RS485串口通信，發送采集信息至上位機，可供測試工程師后續數據處理。根據大多數天然氣汽車設計原理，可以制定氣耗量測試模塊流量計量程、壓力范圍等多項指標（表1），然后根據相應指標選型。

2測試結果及分析2.1測試工況

根據JT/T711-2016《營運客車燃料消耗量限值及測量方法》和JT/T719-2016《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》的要求，分別對車輛進行道路等速工況和加速工況測試。進行等速工況測試時，控制加速踏板，保持車輛分別以40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、75km/h、80km/h、90km/h和95km/h勻速行駛（誤差1km/h），測量車輛行駛500m的累計燃料消耗量，工況如圖3所示。

進行加速工況測試時，保持車輛在48～50km/h（或58～60km/h）行駛至少5s，然后將加速踏板踩到底，車輛加速行駛。當車速到達70～72km/h（或者80～82km/h）時，松開加速踏板，測量車輛以50～70km/h（或60～80km/h）行駛的距離和燃料消耗量，工況如圖4所示。

2.2試驗樣車

選取一輛型號為XX4250GD5N1的燃氣半掛牽引汽車進行測試，樣車搭載了型號為XX6K1344N-50的CNG發動機，及型號為12JSD200TA-B的12擋手動變速器。樣車基本參數如表2所示。

2.3測試結果及分析

樣車開始試驗前充分預熱，即以60km/h速度行駛30min，觀察樣車冷卻液溫度達到80°C以上方可開展后續檢驗工作。如此時樣車冷卻液溫度仍低于80°C，再進行10min的60km/h等速行駛，然后可開展樣車的等速油耗檢驗工作。

等速試驗時，手動變速器置于最高擋位，在各試驗車速下，保持樣車平穩行駛一段時間后，開始測量通過500m的燃料消耗量，記錄樣車通過該段距離的時間和燃料消耗量。每個試驗車速在測試路段上往返測量3～5組，選擇集中度較好的2組作為最終試驗數據。

加速試驗時變速器置于次高擋（速比為1）。加速前，車速應控制在58～60km/h（或48～50km/h）保持勻速行駛至少5s，然后快速將加速踏板踩到底，同時開始測量;車速達到80km/h（或70km/h）測量結束，記錄加速過程中的燃料消耗量、加速時間和距離以及起始和終止速度等測量結果。每個試驗車速在測試路段上往返測量3～5組，選擇集中度較好的2組作為最終試驗數據[5]。

經測試及篩選，樣車的等速500m氣耗量、加速50～70km/h氣耗量以及怠速300s的氣耗量測試結果如表3所示，分組測試報告如圖5和圖6所示。

根據氣耗量測試結果及天然氣組分測試報告，可計算出在標準狀態下的百公里氣耗量（單位：m3/100km）。由于每立方米天然氣的發熱量與柴油或汽油的發熱量不同，因而適用氣耗量的單位無法與柴油或汽油油耗相比較。為此，可根據每立方米天然氣的發熱量與每升柴油燃料的發熱量進行比較，建立等效的評價方法。天然氣標準參比條件低位發熱量可按照天然氣分析報告數值或者氣體摩爾組分及相應各組分發熱量計算得出。一般情況下，真實氣體和理想氣體產生的發熱量誤差非常小，可按照理想氣體進行近似計算。

各組測試氣耗量與當量柴油消耗量換算如表4所示。需要說明的是，表中除了怠速工況氣耗量以質量每小時或者體積每小時衡量，等速工況及加速工況均以質量每小時或體積每百公里衡量。計算過程中，使用參數包括氣耗測試報告中的天然氣密度為0.7202kg/m3，天然氣低位發熱量為35.956MJ/m3，柴油低位發熱量選取46.030MJ/kg，柴油密度為0.830kg/L，經計算天然氣當量柴油消耗量系數為0.9412。

3結束語

（1）本研究采用氣體質量流量計，能夠有效測量天然氣汽車道路試驗工況的氣體消耗量，通過氣體質量流量計的接入位置選擇發動機低壓進氣口，可以有效改善氣體在管路壓縮及調壓造成的超前或滯后。

（2）根據等速測試工況與加速測試工況試驗數據可以看出，等速測試工況每次測試結果一致性較好。經過多次測量結果，剔除分散性較大的數據點，剩余數據可以滿足部分標準對一致性的要求。但是加速工況由于駕駛員自踩下加速踏板到發動機控制單元（ECU）控制進氣系統做出響應，中間人為因素較為不可控，測量數據一致性較差。這可以通過提前踩下加速踏板的方法彌補加速工況測試數據一致性差的缺點，試驗數據有待進一步測試研究。

（3）本文作者長期從事各種車輛的能耗測試工作，已收集了大量不同車型的能耗測試數據。從等速加速及怠速整體測量的柴油當量燃料消耗量數值與傳統柴油車油耗數據比較可以看出，天然氣汽車的燃料消耗量偏大，經過反復測量此種現象仍然存在?？梢猿醪酵茢噙@可能是由于柴油發動機熱效率高于天然氣汽車熱效率造成。

參考文獻】

[1]黨永浩.天然氣發動機燃氣供給系統綜述[J].鐵道機車車輛，2011，31（S1）：83-86.

[2]李躍平.壓縮天然氣汽車的試驗研究[J].汽車研究與開發，2001（04）：27-32.

[3]黃海波.燃氣汽車結構原理與維修[M].北京：機械工業出版社.2004.

[4]GB/T29125-2012壓縮天然氣汽車燃料消耗量試驗方法[S].

[5]JT/T719-2016營運貨車燃料消耗量限值及測量方法[S].

作者簡介：

梁晨，本科，工程師，研究方向為汽車運用。

李會民，本科，高級工程師，研究方向為汽車運用。

宋尚斌，碩士，高級工程師，研究方向為汽車運用。