打开文本图片集

摘要：CNG的主要成分是甲烷，一般情况下CNG是很难液化的，因此，其适用于压缩比相对较高的发动机，并且可以利用提升CNG发动机的功率，使其接近原机的水平。文章对CNG汽油双燃料发动机的工作性能和燃烧性能进行了研究，在研制CNG汽油双燃料发动机集中电子控制元件的基础上，对天然气和各类汽油的混合比例对发动机的使用性能和排放造成的影响进行了分析。

关键词：CNG;汽油;双燃料;发动机;舒用性;排放 文献标识码：A

中图分类号：U473 文章编号：1009-2374（2015）02-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0138

天然气作为一种无污染的燃料，使用压缩天然气（CNG）作为汽车发动机的燃料，可以有效降低对环境造成的污染，油气转换比较灵活。这类发动机混合气通常控制在理论空燃比左右，并使用三元催化反应器处理排气，进而达到排放的控制标准。本文通过实验分析汽油双燃料发动机的适用性和排放。

1 CNG燃料的基本特点

CNG的主要成分是甲烷，一般情况下CNG是很难液化的，因此，很多车用CNG都是使用高压气体的方式进行保存的。这种储存方法的化学性质相对来说非常稳定，着火范围小，浓度过低或过高都不容易燃烧，具有良好的抗爆性能，适用于压缩比相对较高的发动机，并且可以利用提升CNG发动机的功率，使其接近原机的水平。由于自燃温度比较高，着火的延迟时间会比较长，会降低火焰的传播速率。汽油和CNG燃烧特性如表1所示：

表1 汽油和CNG燃料的燃烧特性参数对比

燃料 分子式 气态密度/g·L-1 液态密度/kg·m3-1 自燃温

度/℃ 低热值/MJ·kg-1 理论a 辛烷值/RON

CNG CH4 0.857 446 630～730 49.0 17.2 126

汽油 C2H7 5.094 741 228～472 44.5 14.9 94

2 试验装置简介

本文以一台LJ465Q-2AE汽油机为例，对CNG汽油双燃料发动机的燃烧特征和基本性能进行了研究。该汽油机的技术参数见表2：

表2 LJ465Q-2AE汽油机主要技术参数

主要参数 行程

/mm 缸径/mm 排量

/L 压缩比 最大扭矩/（N·m） 标定功率/kW 额定转速/（r/min）

参数的值 78 65.5 1.051 9.3∶1 60 26.5 5600

在该CNG汽油双燃料发动机电控系统中，当汽油供给系统没有发生变化时，还是使用进气管多点喷射的方法，并在这个基础上，增加使用了天然气供气设备。其中天然气供气设备主要是由加气阀、高压气瓶、气量控制设备、减压设备、混合器等构成。当前，汽车使用的CNG汽油双燃料发动机都是在汽油机的结构基础上进行改装的，是在原来的汽油机电控燃油喷射系统的基础上，重新安装了一个可以对天然气气量进行控制的ECU。此ECU在对天然气的大小进行调节时，主要是根据传感器信号闭环的反馈情况进行调节的。在天然气燃烧的过程中，由原电控系统控制点火提前角。相对于天然气的辛烷值来说，汽油的辛烷值会比较高，燃烧性和抗爆性会更高，再加上汽油比天然气的燃烧速度快，在同样的工况下，在点燃天然气时，需要提前对天然发动机进行点火，但是当前使用的CNG汽油两用双燃料发动机在点燃天然气的过程中，都不能达到最佳的点火提前角，对发动机的输出功率造成了一定的限制。

由于当前的燃料系统不能达到同时对两种燃料的供给进行控制的要求，因此，本文重点对CNG汽油双燃料集中中控系统进行了研究，也就是对新的电子控制单元进行研究，达到天然气量、汽油喷射、点火提前角集中控制的目的。在设计ECU硬件时，主要是在原有设计的4缸汽油机硬件的基础上对相关功能进行了扩充。其中重点对天然气阀驱动接口芯片进行了扩充，新增了CNG汽油双燃料模式选择信号、天然气高压阀门、模式指示灯灯接口，所有的接口都是在对汽油ECU硬件设备的接口功能进行修改后增加的。控制软件主要是在点火控制盒、原汽油喷射的前提下，新增了天然气气量的控制方法。主要包含了对氧传感器进行闭环控制、对天然气进行开环控制，并根据燃料的不同，调整了点火的时间。为了便于研究，本实验还加入了相对简单的标定软件，从而实现修改调整MAP的目的。

在对系统进行设计时，由于此发动机可以在CNG/汽油双燃料模式、纯CNG模式、纯汽油模式下进行运行，因此，要求ECU可以按照相应的模式，对开关的电平信号和发动机的燃料进行选择。在使用天然气/汽油双燃料的模式进行运行的时候，ECU会根据运行条件的变化情况以及实际运行工况，对此工况下天然气控制阀和纯汽油喷油脉宽步进电机的开启步数，进而达到统一控制和管理天然气和汽油混合比例的目的。在发动机使用纯汽油模式运行的时候，ECU会对发动机的进气压力、转速、发动机水温、进气温度、氧传感器电压等信号来对喷油器的喷油脉宽进行计算，并利用喷油驱动芯片对喷油器喷射油量的多少进行控制。为了保证发动机可以在以上三种模式下有一个比较好的运行状态，需要根据运行状态进行标定。

3 分析试验结果

3.1 对比天然气发动机和纯汽油发动机的动力性能

LJ465Q-2AE发动机纯天然气动力曲线和纯汽油动力曲线如图1所示。根据图1可以看出，相对于纯汽油发动机来说，纯天然发动机的最大转矩会降低15%，最大功率会降低11%，究其原因，主要是因为天然气为气体燃料，发动机运行过程中，出现了充气的情况，而燃用汽油和燃用天然气的点火提前角是一致的，造成转矩和功率下降幅度很大。

图1 纯汽油外特征和纯天然气特性对比图

3.2 CNG/汽油的混合比例对发动机性能造成的影响

当使用混合燃烧的方式进行工作时，天然气的含量会影响发动机的性能。在实验时，将空气系数控制在0.99～1.02的范围中，利用实时监控软件对天然气的气量进行控制和调节，当发动机的转动速度为每分钟3300转和4800转时，CNG气量产生变化后，发动机的排温、排放性能和动力性能会产生变化。在开始试验时，会关闭天然气减压装置上的阀门，使发动机使用纯汽油的方式进行运作。天然气选择开关打开后，打开总阀门，然后将天然气加入，这时，天然气的控制阀电机会处于全关的状态，并且存在一定的泄露量。因此，当步进电机处于0步时，代表选择天然气的开关处于打开状态，总阀门也处于打开状态，步进电机会保持在一个全闭合的状态，这个时候，气缸中会进入一定量的天然气。处于-20步时，天然气的总阀门是处于关闭状态的，发动机会处于纯汽油的工作状态。在发动机运转的过程中，ECU会对其进行反馈控制，使发动机处于理论空燃比处，在人工调节下，天然气控制阀门的步进电机开度会随着增加，汽油喷油脉宽会随之降低，在喷油器不能开启时，发动机会处于纯天然气的运转模式。研究证明，在电机步数不断增加的情况下，喷油脉宽会逐渐降低，直到发动机进入到纯工作模式后脉宽下降会停止，发动机的转矩和功率也会随之降低，从而使排放性能得到大的改观。当发动机的节气门开度处于20时，转矩和功率降低速度会变慢。经过分析后不难看出，在两种燃料的混合比产生变化时，发动机的性能会随之产生变化，在负荷比较大的时候，为了保证发动机的基本功率，要尽量降低天然气的加入量，保证发动机的动力要求。在小负荷时，可以增加天然气量，充分发挥出天然气低排放的优点。

3.3 CNG/汽油混合比例对发动机燃烧性能造成的影响

为了对混合燃料的燃烧特性进行研究，测录了发动机的示功情况，并计算了混合燃料的燃烧特征，对燃烧特性参数进行总结。研究证明，在一定负荷条件下，随着CNG含量的增加，气缸压力会逐渐降低，并且最大压力曲轴转角位置会推迟。也就是说，当增加CNG含量时，会降低混合料燃烧火焰的传播速度，提高混合气的后燃量，降低峰值的压力。火焰的传播速度如果过慢，会对燃烧效率造成影响，在压力不断升高的情况下，发动机的燃烧会逐渐柔和。由于放入率的延迟，燃烧放热燃烧期会更长，放热的重心会出现后移的情况，致使缸内的压力降低，传热面积扩大，热效率降低。因此，混合料的燃烧特性参数是处于纯天然气和纯汽油之间的一个参数，并且和两种参数保持近似线性的关系，可以利用燃料的混合比来对混合燃料的燃烧特性参数进行估算。

4 结语

综上所述，在汽油中加入天然气可以对天然气的燃烧特性进行改善，CNG汽油混合燃料特性参数处于纯天然气和纯汽油之间。将汽油发动机改成双燃料发动机后，动力虽然变差，但是降低了汽油的消耗量，节省了成本。排放气体的浓度要低于汽油机，降低了环境污染，排放性良好。

参考文献

[1] 苏万华，林志强，汪洋，等.气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机学报，2001，（2）.

[2] 夏渊，张欣，周希德，等.电控天然气/柴油双燃料发动机的研究[J].车辆与动力技术，2000，（4）.

[3] 朱荣福，杨兆，葛蕴珊.发动机燃用乙醇汽油的实验性能分析[J].交通科技与经济，2013，（1）.

作者简介：莫安亮（1974-），男（仫佬族），广西河池人，柳州五菱柳机动力有限公司助理工程师，研究方向：规划发展。

（责任编辑：黄银芳）