轿车用CNG/汽油双燃料系统开发及其排放特性试验研究*

张 文，李志军，刘 磊，焦鹏昊，张 瀛

(1.天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072; 2.天津电子信息职业技术学院，天津 300350)

前言

天然气作为一种清洁燃料，由于其在汽车上应用具有成本低、效益高、无污染、使用安全便捷等特点，已经成为替代传统石油燃料技术领域的研究热点［1-3］。我国具有丰富的天然气资源，为天然气的开发利用提供了良好的物质基础。本文中在采用预混燃烧点燃式发动机的乘用轿车上，通过加装CNG燃料供给系统，在增加较低成本的情况下，实现CNG/汽油双燃料工作，达到节能环保的目的。

1 CNG/汽油双燃料系统设计

在某款四缸16气门电喷汽油机上加装了自行研发的CNG燃料供给系统，其结构如图1所示。

CNG气罐放置在轿车后备箱，通过阀门控制其与整个气路的通断，保证了整个系统的安全性。在气罐与CNG减压器中间布置一个三通阀，通过该阀的开闭，实现加气模式和供气模式的切换。由于CNG减压器在工作时大量吸热，为保证其正常工作，将其与整个发动机散热的循环水路连接，利用发动机工作时产生的热量对CNG减压器进行加热。减压后的CNG气体，经过滤清器之后进入CNG气轨，通过CNG喷射器调整喷射压力，然后喷入发动机的进气歧管，与通过原机气路进入进气歧管的空气混合，最后进入燃烧室燃烧做功。

为实现CNG工作模式下对发动机的精确控制，自主研发了一套适用于车用天然气发动机的电控系统。该系统主要包括以下3个子系统。

1.1 怠速控制子系统

采用步进电机式怠速控制阀实现对旁通空气通道开度的控制，通过调节旁通空气进气量，使发动机转速达到所要求的目标值。在控制策略方面，采用PID控制来实现发动机怠速控制。通过PID控制器，可以得到怠速转速偏差，进而得出步进电机的动作步数和动作方向信号。最终通过驱动电路改变旁通空气进气量，控制发动机转速［4-5］。

1.2 点火控制子系统

点火控制子系统负责控制发动机的点火提前角和点火能量。点火提前角的控制按脉谱图进行，根据实测发动机转速、进气流量和进气压力等，查取脉谱图中对应的基本点火提前角，然后根据冷却水温度、大气压力和燃料辛烷值等参数对基本点火提前角进行修正，从而得到正确的点火时刻。

CNG的自燃温度较高，需要较高的点火能量。通过控制点火线圈的闭合时间，主动控制点火能量。针对天然气发动机冷起动困难的问题，在冷起动阶段，根据当时的转速值，采用多次点火策略，提高点火可靠性，从而有效缓解天然气发动机冷起动困难的问题［6-7］。

1.3 空燃比控制子系统

为了保证三效催化转化器正常工作，发动机的空燃比应该在当量空燃比附近，故须对CNG发动机的空燃比进行精确控制。

按照发动机在不同运行工况对空燃比的要求，将控制过程划分为冷机起动、加速和匀速3种控制模式。针对不同模式之间的差异，采取不同的控制策略。

选取速度-密度法，通过进气歧管中空气的温度和压力得出空气进气量，进而根据空气进气量，调整燃气的供给量，从而实现对空燃比的控制。通过控制CNG喷射阀的喷射时间，改变发动机的供气量。为精确保证供气量，还要根据水温、电源电压等参数对供气量进行修正，从而实现对CNG发动机空燃比的精确控制［8-9］。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

在原机上增加CNG供给系统和电控系统，实现其CNG/汽油的双燃料工作。

将试验车辆放置于环境模拟舱中，通过转鼓试验台实现对实际道路运行工况的模拟，通过排放分析仪测取相关尾气排放数据。试验所用设备性能参数见表1。原发动机性能参数见表2。

表2 原发动机性能参数表

2.2 试验方法

采用GB18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》［10］中规定的“常温下冷起动后排气污染物排放试验(Ⅰ型试验)”方法进行，包含市区运转循环和市郊运转循环两个部分。其中市区运转循环按工况分解为6个部分，如表3所示;市郊运转循环按工况分解为6个部分，如表4所示。

表3 市区运转循环工况分解

表4 市郊运转循环工况分解

试验使用的天然气符合GB18352.3—2005中规定的基准燃料技术要求。

3 结果分析

为了研究改装后CNG发动机的排放特性，分别对原机和改装后的CNG发动机进行了排放特性试验，并记录各项排放实测数据。同时，通过调整发动机点火提前角，找出其影响CNG发动机排放特性的规律。试验结果如图2～图10所示。

3.1 CO排放

由图2可知，原机在第1个195s市区运转循环，CO排放较多，峰值达到706×10-6，这是由于发动机刚开始工作，机体和机油等温度较低，汽油蒸发不好。为保证发动机正常工作，须增加供油量，使空燃比小于当量空燃比，导致CO排放过高。随着发动机暖机之后运转状态逐步平稳，CO排放逐步降低并趋于稳定。在市郊运转循环400s中，由于发动机处于中高负荷下，须加大供油量，导致CO排放较高。

图3和图4为不同点火提前角时CNG发动机的CO排放情况。由图可见:在点火提前角不变的情况下，CNG发动机的CO排放变化趋势与原机是一致的，但CNG发动机CO的总体排放低于原机;随着点火提前角的增大，发动机在冷起动循环和市郊运转循环中的CO排放有所下降，这是由于在冷起动和中高负荷下，随着点火提前角的增大，大量混合气更接近于上止点附近燃烧，燃烧比较充分。

3.2 THC排放

由图5可知，原机在第1个195s市区运转循环，THC排放较多，峰值达到了190×10-6，这是由于发动机刚开始工作，冷激效应十分强烈，同时由于燃油雾化混合不好，使燃烧不稳定，从而造成较大的容积淬熄，导致HC排放激增。随着发动机运转状态的逐步平稳，THC的排放在逐步降低并趋于稳定。在市郊运转循环400s中，由于发动机处于中高负荷下加、减速瞬态工况，发生了容积淬熄，导致THC排放增加。

图6和图7为不同点火提前角时CNG发动机的THC排放情况。由图可见:在点火提前角不变的情况下，CNG发动机的THC排放变化趋势与原机是一致的;但CNG发动机在市郊运转循环时，其THC排放要优于原机;随着点火提前角的增大，发动机在整个测试循环中的THC排放有所上升，这是因为虽然点火提前角增大，有利于CNG的快速燃烧，缩短燃烧持续期，使发动机燃烧及时稳定，但也使发动机的燃烧过程提前，后燃减弱，排温降低，从而减少了排气管内未燃HC的氧化，最终导致THC的排放升高。

3.3 NOx排放

由图8可知，原机在第1个195s市区运转循环，由于是冷机起动，三效催化转化器未能达到稳定工作温度，导致NOx排放较高。随着发动机运转状态的逐步平稳，三效催化转化器的转化效率提高，NOx的排放在逐步降低并趋于稳定。

图9和图10为不同点火提前角时CNG发动机的NOx排放情况。由图可见:CNG发动机NOx的排放水平要劣于原机，这是由于CNG无须像汽油在气道内汽化形成混合气，减少了对汽化潜热的吸收，因此CNG的燃烧温度较高，有利于NOx生成;在整个测试循环中，随着点火提前角的增大，燃烧趋近完全，使最高燃烧温度增大，混合气在高温下滞留时间增长，导致NOx的排放增加。

4 结论

(1)研制的车用发动机CNG电控系统，具有较好的控制精度和较快的响应速度。可以在对原机尽可能少改动的前提下，实现低排放CNG/汽油双燃料工作模式。

(2)试验车辆使用CNG与汽油相比，整体CO和THC排放下降，但NOx上升。为了满足更严格的排放法规要求，必须采取一定措施，降低CNG汽车NOx排放过高的问题。

(3)点火提前角对CO、THC和NOx排放变化趋势的影响各不相同，因此在制定CNG控制策略的时候，需要统筹兼顾，在三者之间找到最佳平衡点，从而实现控制策略的最优化。

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［10］国家环境保护总局.GB18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)［S］.2005.