汽油/CNG發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性對比研究

徐恒，盧占領(lǐng)，楊秀玲

(中國汽車技術(shù)研究中心，浙江寧波 315300)

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汽油/CNG發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性動(dòng)力性對比研究

徐恒，盧占領(lǐng)，楊秀玲

(中國汽車技術(shù)研究中心，浙江寧波 315300)

摘要：將一臺(tái)伽馬1.6發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)氣歧管處增加CNG供給系統(tǒng)以及CNG供給系統(tǒng)控制單元，分別用汽油和CNG作為燃料，對其進(jìn)行動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性測試。對其結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：改用CNG燃料后雖然動(dòng)力性有一定的損失，但在車用工況點(diǎn)即低速高扭矩的情況下，下降程度不足10%。但經(jīng)濟(jì)性提升明顯。對動(dòng)力性下降的原因進(jìn)行分析，并在現(xiàn)有技術(shù)可行的前提下提出改善措施。

關(guān)鍵詞：CNG；汽油；發(fā)動(dòng)機(jī)；經(jīng)濟(jì)性；動(dòng)力性

0引言

隨著我國的環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格以及越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，汽車行業(yè)在不斷改進(jìn)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，也在積極地開發(fā)代用燃料。而在眾多代用燃料中，氣體燃料是我國目前較為推崇的有效方法之一，其中天然氣具有價(jià)格便宜、資源豐富、排放污染低等特點(diǎn)，且在燃燒過程中基本不會(huì)產(chǎn)生顆粒物，對于我國目前大面積發(fā)生的霧霾現(xiàn)象會(huì)有顯著的抑制作用。

世界天然氣資源分布見圖1。

我國是一個(gè)石油資源匱乏、天然氣資源豐富的國家，根據(jù)國家國土資源部的統(tǒng)計(jì)資料顯示：我國的天然氣探明儲(chǔ)量為4.5萬億m3。截至2012年底,我國的天然氣探明可采儲(chǔ)量為3.1萬億m3,居世界第13位。我國天然氣資源主要分布于塔里木、四川、鄂爾多斯和東海陸架,約占全部資源量的2/3。而隨著近年來大量的頁巖氣儲(chǔ)量被探尋到，截止2014年，中國頁巖氣儲(chǔ)量高達(dá)30萬億m3以上，居世界首位。據(jù)國際能源總署估算：預(yù)計(jì)到2035年，我國的天然氣消費(fèi)量或?qū)⒃鲩L5倍以上。隨著西氣東輸以及俄羅斯天然氣進(jìn)入我國市場等眾多利好消息公布，推廣使用天然氣汽車，可以充分利用我國巨大的天然氣資源，緩解石油能源的不足，改善能源的結(jié)構(gòu)等級(jí)，減少大氣中污染物的排放及霧霾的產(chǎn)生。

目前以天然氣為燃料的汽車主要可以分為3個(gè)大類：

第1類為單燃料汽車，即以NG為唯一的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，不再使用其他燃料的汽車。發(fā)動(dòng)機(jī)供氣方式一般為在進(jìn)氣管內(nèi)混合或由電控進(jìn)行噴射，使用專門的三元催化裝置對尾氣進(jìn)行處理。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，工作循環(huán)參數(shù)以及配氣機(jī)構(gòu)都針對天然氣進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，因此燃燒效率高、經(jīng)濟(jì)性好，但是由于可隨車攜帶的天然氣量有限，行駛里程受到一定的限制，且加氣站分布不均，多用于城市公交等市內(nèi)車輛。

第2類為以天然氣及柴油作為混合發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的汽車，在工作時(shí)先噴射少量柴油進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，利用柴油特性，使其壓燃，產(chǎn)生火焰，再加入天然氣作為燃料，且柴油仍作為引燃燃料不斷少量噴射。這一類發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)針對原來的柴油機(jī)基本不做過大的改動(dòng)，并且可以在單純?nèi)紵裼秃筒裼吞烊粴庾鳛榛旌先剂先紵?種方式下進(jìn)行自由切換，在天然氣用完后，可以繼續(xù)使用柴油作為燃料進(jìn)行行駛，很大程度上彌補(bǔ)了純氣體燃料汽車在行駛里程上的不足。而與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，因添加了天然氣作為混合燃料，在一定程度上減少了尾氣中碳煙排放，對于緩解環(huán)境問題有著巨大的作用。

第3類是以汽油/天然氣作為燃料的車輛，它具有2套燃料供給系統(tǒng)，即在原有的汽油機(jī)基礎(chǔ)上加裝天然氣供氣系統(tǒng)改造而成，僅以單一的汽油或者天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。在工作過程中，通過切換轉(zhuǎn)換開關(guān)來人為地選擇燃料，在天然氣用完之后可以自動(dòng)切換回汽油模式。針對傳統(tǒng)機(jī)型，也有著彌補(bǔ)行駛里程不足、改善城市小型汽車尾氣排放、凈化城市環(huán)境等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于城市出租車行業(yè)。

1天然氣燃料的基本特征

天然氣是一種復(fù)雜的HC混合物，主要成分為烷烴，其中甲烷占據(jù)絕大多數(shù)，并伴有少量乙烷、丙烷等化合物。天然氣中不含CO，且比重約為0.65，比空氣輕，一旦發(fā)生泄漏，立即會(huì)向上擴(kuò)散，不會(huì)積聚成爆炸性氣體，安全性較高。對天然氣進(jìn)行液化處理需要較高的設(shè)備及技術(shù)水平，所以一般車用天然氣都是使用壓縮天然氣(Compressed Natural Gas, CNG)作為燃料，車用CNG的最高壓力為20 MPa。其化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，著火范圍窄，在大氣中的濃度過濃或者過稀都不會(huì)燃燒，具有良好的抗爆性。且辛烷值高(120～130)，適用于壓縮比較高的發(fā)動(dòng)機(jī)，自燃溫度較高，著火延遲期較長，火焰的傳播速度相對于汽油較慢。汽油和CNG燃燒特性如表1所示。

注：環(huán)境條件為：溫度0 ℃，大氣壓力101.3 kPa。

天然氣因?yàn)镠—C比較高，相對于傳統(tǒng)的汽油，其CO2排放量可以降低25%以上。但根據(jù)碳平衡法對二者進(jìn)行比較，CNG汽車能耗較傳統(tǒng)汽油車具有15%～20%的優(yōu)勢。

2實(shí)驗(yàn)裝置

此次汽油/CNG發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)是在日本HORIBA WT190電渦流實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的，將一臺(tái)伽馬1.6 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對象，在原有發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一套CNG供給系統(tǒng)和CNG供給控制單元。CNG供給系統(tǒng)主要用于向發(fā)動(dòng)機(jī)輸送天然氣，對CNG壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并執(zhí)行天然氣的分配和噴射；CNG供給控制單元?jiǎng)t根據(jù)輸入的各項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作信號(hào)，對CNG模式下的工作過程進(jìn)行監(jiān)控及控制。其中發(fā)動(dòng)機(jī)為直列4缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，排量1.6 L，額定轉(zhuǎn)速6 300 r/min，額定功率91 kW，點(diǎn)火順序1-3-2-4。該實(shí)驗(yàn)裝置主要用于測試CNG發(fā)動(dòng)機(jī)在汽油以及天然氣狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，對其在部分工況點(diǎn)的燃油消耗量、天然氣消耗量、功率、扭矩、排氣溫度等一系列與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)裝置主要組成如圖2所示。

如圖2所示，天然氣從氣瓶組中經(jīng)過減壓閥，將壓力減到2 MPa后，經(jīng)過天然氣氣體流量計(jì)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的CNG供給系統(tǒng)，消耗的天然氣用量則實(shí)時(shí)地傳輸?shù)奖O(jiān)控電腦中。通過一個(gè)汽油/CNG切換開關(guān)，可以人為地對2種燃料進(jìn)行切換控制，或者由ECU根據(jù)事先設(shè)定好的臨界點(diǎn)，自行判斷燃料的切換。CNG供給控制單元由專用的天然氣ECU和天然氣噴射裝置組成，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管上，形成混合氣，在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)由火花塞點(diǎn)燃。天然氣ECU通過對汽油ECU中的轉(zhuǎn)速信號(hào)以及高壓噴嘴的噴油脈寬等進(jìn)行讀取，進(jìn)而根據(jù)不同工況調(diào)整天然氣供給量。

3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于該發(fā)動(dòng)機(jī)分別以汽油和CNG作為燃料進(jìn)行分析，圖3為2種燃料的外特性實(shí)驗(yàn)對比，圖4為2種燃料的燃料消耗量對比。

從圖3可以看到：因?yàn)椴捎昧薈NG燃料后，功率及扭矩有不同程度的下降，但隨著轉(zhuǎn)速的降低，二者功率的差距也在不斷縮小， 在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)最大，約下降11%。分析主要由以下幾個(gè)方面造成：

(1)此次實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油機(jī)改造CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)械構(gòu)造及電控策略等都是以汽油燃料作為開發(fā)模型。

(2)原機(jī)為汽油缸內(nèi)直噴，所采用的技術(shù)相對較為成熟，汽油的霧化及燃燒效果較好。切換到CNG模式后是在進(jìn)氣歧管處對天然氣和空氣進(jìn)行混合后再進(jìn)入氣缸燃燒，混合程度不夠均勻，燃燒不充分。且因?yàn)镃NG本身為氣態(tài)進(jìn)入燃燒室，占用了約10%的體積空間，導(dǎo)致各循環(huán)中進(jìn)入氣缸的空氣量較汽油模式減少，充氣效率降低，在λ為常數(shù)的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的總能量下降，導(dǎo)致功率有一部分下降。

(3)CNG本身與空氣混合后的混合氣熱值比汽油與空氣的混合氣熱值低10%以上，在相同排量的情況下，輸出功率有一定下降。

(4)CNG本身的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?SL)比汽油火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，SL包括了火焰擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)發(fā)熱量以及反應(yīng)速率等信息。在氣缸內(nèi)，天然氣的SL約為汽油的50%～60%。燃燒時(shí)間延長，故在高轉(zhuǎn)速下每循環(huán)時(shí)間減少，導(dǎo)致傳熱損失增加，熱效率降低。

注：標(biāo)號(hào)(1)處按汽油價(jià)格8.28元/kg(即6元/L)進(jìn)行計(jì)算，CNG價(jià)格按5元/kg進(jìn)行計(jì)算,2015年浙江某地價(jià)格。

根據(jù)圖4，在二次外特性實(shí)驗(yàn)的各個(gè)工況點(diǎn)，分別采集該發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油油耗以及CNG消耗量。在表2中，通過對額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)6 300 r/min全負(fù)荷、4 000 r/min全負(fù)荷、2 000 r/min全負(fù)荷3個(gè)工況點(diǎn)的燃料消耗數(shù)據(jù)按照24 h單一工況計(jì)算，并根據(jù)目前國內(nèi)的汽油價(jià)格(92號(hào))及天然氣價(jià)格計(jì)算得出汽油及CNG的燃料費(fèi)，對2種燃料模式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)使用CNG后，其經(jīng)濟(jì)性有了很大程度的改進(jìn)。

4結(jié)論

根據(jù)以上特點(diǎn)，考慮到技術(shù)的可行性，分析可以采取下列措施來改善天然氣的燃燒過程：

(1)適當(dāng)加大壓縮比，CNG辛烷值優(yōu)于汽油，可以在一定程度上增加缸內(nèi)壓力及溫度；

(2)加大點(diǎn)火提前角，并重新制定電控策略以保證最佳點(diǎn)火提前控制；

(3)加強(qiáng)點(diǎn)火能量并配以較大的火花塞間隙，點(diǎn)火能量需達(dá)到3 MJ以上，并改善專門針對CNG的點(diǎn)火火花長度及持續(xù)期；

(4)根據(jù)CNG燃料特點(diǎn)增加壓力反饋式混合傳感器，以達(dá)到精確控制空燃比的效果；

(5)采用進(jìn)氣增壓處理，提高進(jìn)氣流量。

另外，因CNG燃燒溫度較高，CNG模式下氣缸內(nèi)燃燒溫度也較汽油模式高。所以需要對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、曲軸連桿等部件進(jìn)行一系列的加強(qiáng)。

CNG作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料也有其不可代替的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)辛烷值高，抗爆性好；

(2)低溫運(yùn)行特性好，不會(huì)存在汽油機(jī)的濕壁效應(yīng)，各缸一致性好，大幅提高了其稀燃極限。

(3)CNG不會(huì)稀釋潤滑油，燃燒后沒有積碳，可延長潤滑油更換周期，降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

目前，我國汽油/CNG發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)取得較大的進(jìn)展，其中多個(gè)城市的出租車已經(jīng)采用了汽油/CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，在動(dòng)力性有部分下降的情況下，其經(jīng)濟(jì)性有了較大幅度的提升。目前，我國CNG汽車保有量已經(jīng)突破400萬輛，CNG加氣站超過5 000座，截至到2015年，共計(jì)消費(fèi)天然氣約260億方。預(yù)計(jì)到2020年，我國天然氣汽車保有量有望達(dá)到1 000萬輛，并建成1萬座車用CNG加氣站。

我國目前的天然氣汽車政策體系也已經(jīng)初步形成，車用天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也正不斷完善。截止2015年，已出臺(tái)國家標(biāo)準(zhǔn)13項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)等。而且因?yàn)镃NG的燃燒特性，排放尾氣中顆?，F(xiàn)象會(huì)有明顯的減少，對于我國日益嚴(yán)重的環(huán)境污染以及霧霾問題都有較大的改善作用。隨著國家有望出臺(tái)《十三五天然氣交通運(yùn)輸中長期發(fā)展規(guī)劃》，彌補(bǔ)當(dāng)前頂層設(shè)計(jì)的空白，更有利于我國天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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Study on Economical Efficiency and Dynamic Performance of Gasoline/CNG Engine

XU Heng,LU Zhanling,YANG Xiuling

(China Automotive Technology & Research Center，Ningbo Zhejiang 315300,China)

Keywords:CNG; Gasoline; Engine; Economical efficiency; Dynamic performance

Abstract:Adding a CNG supply system and a CNG supply system control unit to the intake manifold of a Gamma 1.6 engine, respectively using gasoline and CNG as fuel, the economical efficiency and dynamic performance of the engine were tested. The analysis results show: using CNG fuel, the dynamic performance has some loss, but at the point with low speed & high torque, the extent of decline is less than 10%; and the economical efficiency of the engine has a big improvement. The reason why the dynamic performance was declined was analyzed, and some improved methods were given.

收稿日期：2016-01-29

作者簡介：徐恒，男，助理工程師，研究方向?yàn)橹匦蛙嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)排放控制及測試。E-mail：xuheng@catarc.ac.cn。

中圖分類號(hào):TK437;U473.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)04-033-03