天然氣汽車氣耗測試技術(shù)研究

梁晨、李會民、宋尚斌

（交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

0 引言

隨著對環(huán)保問題的日益關(guān)注，國內(nèi)各大汽車廠商為了降低汽車排放對環(huán)境的污染，紛紛采取各種策略。其中一項重要技術(shù)方向，便是開發(fā)和改造實用的壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG）汽車。經(jīng)過多年的技術(shù)開發(fā)和方案改進，目前燃?xì)馄囋诩夹g(shù)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?xì)馄囀且蕴烊粴鉃槿剂希耘欧诺亩趸迹–O）和碳?xì)浠衔铮℉C）比傳統(tǒng)的燃油汽車少很多。而對于用戶來說，他們更關(guān)心的是燃?xì)馄嚨慕?jīng)濟性，即氣耗量問題。

1 測試方案設(shè)計

1.1 氣耗測試原理

燃?xì)馄囍饕窵NG 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30 MPa，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?xì)馄嚨奶烊粴馊剂蠌膬馄拷?jīng)過氣化器（LNG 汽車）、減壓閥、穩(wěn)壓器和濾清器等裝置，進入發(fā)動機氣軌總成，在發(fā)動機ECU 控制下與空氣形成的混合空氣進入發(fā)動機燃燒作功。

根據(jù)氣體燃料流經(jīng)線路，可將氣耗流量傳感器裝置安裝于最接近發(fā)動機進氣口位置，即濾清器之后、發(fā)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(diào)節(jié)變化等因素，造成的氣體流量超前或者滯后。

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

1.2 測試模塊

燃?xì)馄囌嚉夂臏y試分為3 個模塊：①氣體流量計測數(shù)量模塊；②數(shù)據(jù)采集模塊；③上位機數(shù)據(jù)處理模塊。其中，氣體流量計測數(shù)量模塊主要根據(jù)燃?xì)馄嚢l(fā)動機進氣系統(tǒng)的氣電特性進行設(shè)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(shù)據(jù)采集模塊主要針對測試需求，選擇道路測量還是轉(zhuǎn)股測量，以及氣體流量計輸出信號的類型等。

目前絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后進行后臺二次處理，或者實時對數(shù)據(jù)進行濾波、計算等處理。整車氣耗測試模塊設(shè)計如圖1所示。

圖1 氣耗測試模塊原理圖

1.3 流量計選擇

根據(jù)整車測試模塊設(shè)計要求，測試模塊的進氣口端應(yīng)具有壓力調(diào)節(jié)功能，出氣口端具有消除氣壓脈沖的穩(wěn)壓功能（發(fā)動機特性）。當(dāng)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(diào)節(jié)器；當(dāng)氣耗測試模塊連接在近發(fā)動機處時，可手動關(guān)閉壓力調(diào)節(jié)器（圖2b）。而當(dāng)氣耗測試模塊靠近發(fā)動機端時，發(fā)動機不同缸體進氣特性導(dǎo)致氣耗量呈現(xiàn)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(wěn)壓器進行平滑處理。

圖2 氣體流量計接入圖

1.4 測試評價指標(biāo)

由于測試模塊需滿足車載測試要求，因此應(yīng)滿足車載工作電壓供電要求，工作電壓采用直流10～30 V。輸出信號選擇RS485 串口通信，發(fā)送采集信息至上位機，可供測試工程師后續(xù)數(shù)據(jù)處理。根據(jù)大多數(shù)天然氣汽車設(shè)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(biāo)（表1），然后根據(jù)相應(yīng)指標(biāo)選型。

表1 氣體流量計設(shè)計指標(biāo)

2 測試結(jié)果及分析

2.1 測試工況

根據(jù)JT/T 711-2016《營運客車燃料消耗量限值及測量方法》和JT/T 719-2016《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40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h、90 km/h 和95 km/h 勻速行駛（誤差1 km/h），測量車輛行駛500 m 的累計燃料消耗量，工況如圖3所示。

圖3 道路等速工況測試

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

圖4 道路加速工況測試

2.2 試驗樣車

選取一輛型號為XX4250GD5N1的燃?xì)獍霋鞝恳囘M行測試，樣車搭載了型號為XX6K1344N-50的CNG 發(fā)動機，及型號為12JSD200TA-B 的12 擋手動變速器。樣車基本參數(shù)如表2所示。

表2 試驗樣車信息

2.3 測試結(jié)果及分析

樣車開始試驗前充分預(yù)熱，即以60 km/h 速度行駛30 min，觀察樣車?yán)鋮s液溫度達到80℃以上方可開展后續(xù)檢驗工作。如此時樣車?yán)鋮s液溫度仍低于80℃，再進行10 min 的60 km/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(wěn)行駛一段時間后，開始測量通過500 m 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(shù)據(jù)。

加速試驗時變速器置于次高擋（速比為1）。加速前，車速應(yīng)控制在58～60 km/h（或48～50 km/h）保持勻速行駛至少5 s，然后快速將加速踏板踩到底，同時開始測量；車速達到80 km/h（或70 km/h）測量結(jié)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(jié)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(shù)據(jù)。

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

圖5 等速試驗工況氣耗測量值

圖6 加速及怠速工況氣耗測量值

表3 試驗測試結(jié)果表（單位：kg）

根據(jù)氣耗量測試結(jié)果及天然氣組分測試報告，可計算出在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的百公里氣耗量（單位：m/100 km）。由于每立方米天然氣的發(fā)熱量與柴油或汽油的發(fā)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(jù)每立方米天然氣的發(fā)熱量與每升柴油燃料的發(fā)熱量進行比較，建立等效的評價方法。天然氣標(biāo)準(zhǔn)參比條件低位發(fā)熱量可按照天然氣分析報告數(shù)值或者氣體摩爾組分及相應(yīng)各組分發(fā)熱量計算得出。一般情況下，真實氣體和理想氣體產(chǎn)生的發(fā)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(dāng)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(zhì)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(zhì)量每小時或體積每百公里衡量。計算過程中，使用參數(shù)包括氣耗測試報告中的天然氣密度為0.7202 kg/m，天然氣低位發(fā)熱量為35.956 MJ/m，柴油低位發(fā)熱量選取46.030 MJ/kg，柴油密度為0.830 kg/L，經(jīng)計算天然氣當(dāng)量柴油消耗量系數(shù)為0.9412。

表4 當(dāng)量柴油消耗量換算

3 結(jié)束語

（1）本研究采用氣體質(zhì)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(zhì)量流量計的接入位置選擇發(fā)動機低壓進氣口，可以有效改善氣體在管路壓縮及調(diào)壓造成的超前或滯后。

（2）根據(jù)等速測試工況與加速測試工況試驗數(shù)據(jù)可以看出，等速測試工況每次測試結(jié)果一致性較好。經(jīng)過多次測量結(jié)果，剔除分散性較大的數(shù)據(jù)點，剩余數(shù)據(jù)可以滿足部分標(biāo)準(zhǔn)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(fā)動機控制單元（ECU）控制進氣系統(tǒng)做出響應(yīng)，中間人為因素較為不可控，測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)一致性差的缺點，試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。從等速加速及怠速整體測量的柴油當(dāng)量燃料消耗量數(shù)值與傳統(tǒng)柴油車油耗數(shù)據(jù)比較可以看出，天然氣汽車的燃料消耗量偏大，經(jīng)過反復(fù)測量此種現(xiàn)象仍然存在?？梢猿醪酵茢噙@可能是由于柴油發(fā)動機熱效率高于天然氣汽車熱效率造成。