不同海拔對(duì)汽油/天然氣雙燃料輕型貨車加速性能的影響

摘要：在不同海拔對(duì)輕型天然氣貨車進(jìn)行實(shí)際道路加速性能試驗(yàn)，通過在1 900 m、2 400 m和3 300 m進(jìn)行加速試驗(yàn)，分析了不同海拔條件下對(duì)汽油/天然氣車輛加速性能的影響。結(jié)果表明：在原地起步加速0～80 km/h滿載試驗(yàn)中，天然氣和汽油在3 200 m比1 900 m的加速時(shí)間分別增加了25.5%和19.2%；在超車加速40～60 km/h和60～80 km/h滿載試驗(yàn)中，天然氣的加速時(shí)間隨著海拔增加而增加，在中高速時(shí)3 200 m的加速時(shí)間比1 900 m多42.1%，在中低車速時(shí)3 200 m的最大加速度比1 900 m慢0.08 m/s2。高海拔環(huán)境下的天然氣加速性能衰減比汽油更明顯，在中高車速時(shí)進(jìn)行加速更為顯著。

關(guān)鍵詞：高海拔;輕型汽車;動(dòng)力性;加速性能

中圖分類號(hào)：U461.3" " " 收稿日期：2025-02-13" " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.023

Effect of Different Altitudes on the Acceleration Performance of Gasoline/Natural Gas Dual-Fuel Light Trucks

Li Chunbo" Jiang Bigang" Zhang Chuncheng" Bai Chaogu

CATARC Automotive Test Center（Kunming）Co.，Ltd.，Kunming 651701，China

Abstract：Real road acceleration performance tests were conducted on light-duty natural gas trucks at different altitudes， and the effects of different altitude conditions on the acceleration performance of gasoline/natural gas vehicles were analyzed by conducting acceleration tests at 1 900 m、2 400 m and 3 300. The results show that： in the starting-in-place acceleration 0～80 km/h full load test， the acceleration time of natural gas and gasoline at 3 200 m increased by 25.5% and 19.2% respectively compared with that at 1 900 m. In the overtaking acceleration 40～60 km/h and 60～80 km/h full load tests， the acceleration time of natural gas increased with the increase of altitude， and the acceleration time of natural gas at medium and high speeds was 42.1% more than that of 3 200 m. The acceleration time of natural gas was 42.1% more than that of gasoline at 3300 m compared with that of gasoline at 1 900 m. The acceleration time at 3 200 m is 42.1% more than that at 1 900 m. The maximum acceleration at 3 200 m is 0.08 m/s2 slower than that at 1 900 m. The acceleration of natural gas at high altitude is more obvious than that of gasoline， and the acceleration is more significant at medium and high speeds.

Keywords：High altitude；Light vehicle；Dynamics；Acceleration performance

1 前言

我國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，持續(xù)推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國(guó)“以氣替煤，以氣替油”的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整政策導(dǎo)向日益顯著?；茉聪淖畲蟮念I(lǐng)域是交通運(yùn)輸領(lǐng)域，其中汽車行業(yè)是化石燃料消耗的主力，天然氣燃料作為一種清潔的汽車替代能源日益受到重視，而且我國(guó)天然氣儲(chǔ)存量豐富，使用成本低。天然氣的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值高，因而具有良好的抗爆性。天然氣經(jīng)過處理后可以有效降低污染物排放，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。

從全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，天然氣消費(fèi)在全球一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比由1965年的14.56%上升至2021年的24.42%；石油消費(fèi)占比由1965年的41.55%降低至2021年的30.95%[1]。王意東等[2]研究表明，天然氣車在成本上高于傳統(tǒng)車輛，但油氣價(jià)格比在0.5左右時(shí)，一年以內(nèi)即可收回成本，后續(xù)可節(jié)約更多的燃料成本，整體使用成本更低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著。馬志磊等[3]在海拔1 000～2 000 m進(jìn)行雙燃料汽車排放性能測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，燃用天然氣時(shí)的CO、CO2排放因子分別較燃用汽油時(shí)平均降低了77.18%和22.32%，且海拔越高，使用天然氣的CO2減排效果越明顯。

我國(guó)天然氣資源主要分布在中西部地區(qū)，在我國(guó)西部有較多的高原地區(qū)，因此需要分析高原地區(qū)對(duì)天然氣車輛的影響。對(duì)天然氣車輛動(dòng)力性的研究，大多在臺(tái)架或者仿真進(jìn)行，較少進(jìn)行不同海拔下的實(shí)際道路天然氣車輛加速性能試驗(yàn)。據(jù)此，本文分析不同海拔對(duì)汽油/天然氣雙燃料輕型貨車加速動(dòng)力性影響，探討兩種燃料在高原環(huán)境下的性能差異，為車輛技術(shù)改進(jìn)提供依據(jù)，同時(shí)有助于天然氣整車高原適應(yīng)性的匹配優(yōu)化。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方案

2.1 試驗(yàn)車輛與設(shè)備

試驗(yàn)車輛選取在云南運(yùn)輸較為常見2.5 t的N1類小貨車，試驗(yàn)車輛已磨合且狀態(tài)良好，車輛主要參數(shù)如表1所示。使用VBOX采集車速和加速度，VBOX采樣頻率100 Hz。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要參數(shù)如表2所示。道路為瀝青路面，道路干凈整潔，風(fēng)速小于3 m/s，試驗(yàn)地點(diǎn)坡度和氣壓如表3所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12543—2009要求環(huán)境溫度在0～40℃之間，風(fēng)速不大于3 m/s時(shí)可以開展試驗(yàn)，本次試驗(yàn)環(huán)境溫度最大差值為13 ℃，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速均小于3 m/s，滿足試驗(yàn)要求。

2.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)汽車加速性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 12543—2009 《汽車加速性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，以0～80 km/h進(jìn)行原地起步加速試驗(yàn)。在超車加速試驗(yàn)中，車速選擇60～80 km/h和60～80 km/h進(jìn)行試驗(yàn)，擋位選擇直接擋。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12543—2009要求每項(xiàng)試驗(yàn)需往返進(jìn)行，往返方向至少進(jìn)行3次，共計(jì)6個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。若一次往返試驗(yàn)發(fā)生問題，數(shù)據(jù)異常，則該往返試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。得到同一車速往返6次的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在1 900 m昆明、2 400 m麗江和3 300 m香格里拉，進(jìn)行汽油/天然氣雙燃料輕型貨車加速試驗(yàn)，分析不同海拔對(duì)汽油/天然氣雙燃料輕型貨車加速性能的影響。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12543—2009的要求，全油門起步加速試驗(yàn)變化系數(shù)不大于3%，全油門超車加速試驗(yàn)變化系數(shù)不大于6%，算術(shù)平均值可作為該項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果。為滿足試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，6次有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化系數(shù)不應(yīng)大于6%。試驗(yàn)結(jié)果取6個(gè)有效數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，最大加速度為VBOX設(shè)備直接測(cè)量值。

3 海拔汽油/天然氣對(duì)加速性能的影響

圖1是原地起步加速0～80 km/h的加速時(shí)間圖，在海拔1 900 m、2 400 m和3 200 m，天然氣分別比汽油的加速時(shí)間慢4.17 s、5.56 s和6.77 s。天然氣和汽油在3 200 m比1 900 m的加速時(shí)間分別增加了25.5%和19.2%。1 900 m汽油的加速時(shí)間占天然氣的加速時(shí)間85.5%，到3 200 m時(shí)下降至81.1%。整體上分析，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性也會(huì)隨著海拔增加而下降，相對(duì)天然氣下降幅度較小，天然氣的動(dòng)力比汽油更容易受到高原環(huán)境的影響。侯獻(xiàn)軍等[4]在仿真模型上分析以汽油和CNG為燃料時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的差異，結(jié)果表明，天然氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性較差，功率的最大差值為19.8%，但排放較好。

天然氣的主要成分是甲烷，汽油是復(fù)雜的碳?xì)浠衔锘旌衔铮秃吞烊粴獾睦碚摽杖急确謩e是14.7∶1和17∶1，與汽油相比天然氣燃燒時(shí)需要的空氣量較少。由于天然氣的體積能量密度較低，相同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)使用天然氣時(shí)，功率和扭矩通常比汽油低10%～15%[5-6]。汽油的燃燒特性是燃燒速度較快，燃燒溫度較高。而天然氣燃燒特性相反，燃燒速度較慢，燃燒溫度較低，天然氣的燃燒速度慢可能影響動(dòng)力響應(yīng)。汽油的燃燒速度快，動(dòng)力響應(yīng)更迅速。

4 動(dòng)力性能差異

圖2是超車加速40～60 km/h和60～80 km/h加速時(shí)間圖。整體上，汽油的40～60 km/h和60～80 km/h加速時(shí)間相差不大，而在天然氣的加速時(shí)間中，隨著海拔增加而增加，在中低車速時(shí)，3 200 m的加速時(shí)間比1 900 m多34.3 %，而在中高速時(shí)則增加42.1 %。對(duì)于燃油動(dòng)力性，在1 900 m、2 400 m和3 200 m的中高速比中低速的加速時(shí)間分別多0 %，6.5 %和3.3 %。對(duì)于天然氣動(dòng)力性，在1 900 m、2 400 m和3 200 m的中高速比中低速的加速時(shí)間分別多12.2 %，19.8 %和18.2 %。天然氣動(dòng)力整體上比汽油衰減的明顯，海拔越高越明顯。在3 200 m的40～60 km/h和60～80 km/h超車加速中，天然氣的加速時(shí)間比汽油的分別多25.5%和43.5%，在高海拔中天然氣車對(duì)高速更敏感。鄭永明等[7]在昆明利用高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)架，分析了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性隨海拔的變化關(guān)系，結(jié)果表明在全負(fù)荷工況下，隨著海拔的升高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性衰減更為嚴(yán)重，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，扭矩、功率衰減率在0.79%～17.96%之間，然而在高速區(qū)，扭矩、功率衰減率則可達(dá)1.42%～49.38%之間。因此認(rèn)為是在中高車速進(jìn)行全油門加速，導(dǎo)致車輛負(fù)荷大，衰減更嚴(yán)重。

表4顯示了不同海拔不同車速段最大加速度，可以看出，隨著海拔增加汽油/天然氣兩種燃料最大加速度均逐漸下降。在中低車速時(shí)的最大加速度隨海拔增加，天然氣和汽油兩種燃料下的最大加速度差值逐漸增大。在天然氣加速動(dòng)力性中，中低速和中高速的最大加速度分別在3 200 m占1 900 m的80%和72%。在3 200 m時(shí)天然氣中高速的最大加速度是中低速的81%。在兩種車速下3 200 m的燃油最大加速度與1 900 m的天然氣的最大加速度相近。

表5是兩種燃料高原性能對(duì)比表，總結(jié)了汽油/天然氣兩種燃料在高原的加速性能和適應(yīng)性等情況。

5 結(jié)語(yǔ)

海拔對(duì)汽油/天然氣雙燃料輕型貨車加速性能的影響程度大小，通過在高原對(duì)汽油/天然氣雙燃料輕型貨車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，結(jié)果表明：

a.在原地起步加速中，隨著海拔增加，天然氣加速時(shí)間明顯高于燃油加速時(shí)間，天然氣加速性能在高海拔時(shí)比汽油衰減更嚴(yán)重。

b.在超車加速中，海拔對(duì)汽油的加速動(dòng)力性影響比天然氣?。惶烊粴獾膭?dòng)力性，在同一海拔下中高車速的加速時(shí)間比中低車速時(shí)增幅明顯。

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[7]鄭永明，董文龍，李世峰，等.不同海拔下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性試驗(yàn)研究[J].專用汽車，2024（12）：74-76.

作者簡(jiǎn)介：

李春波，男，1989年生，工程師，研究方向?yàn)檎嚋y(cè)試技術(shù)。