張 文，劉春恰，李 明，陳樹才

天津電子信息職業(yè)技術學院，天津 300350

0 引言

內(nèi)燃機的常規(guī)燃料主要是汽油和柴油，在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，對于常規(guī)燃料我們面臨兩方面的問題，一方面，我國是石油資源較為短缺；另一方面，在環(huán)境保護越來越重要的今天，汽油和柴油在改善尾氣的有害排放方面能做的工作已相當有限。因此，開發(fā)和使用經(jīng)濟性的、污染較少的代用燃料越來越引起全社會的重視，這既可有效地減少尾氣的排放，也可保護有限的石油資源。從能源供應結構、經(jīng)濟效益和保護環(huán)境出發(fā)，我們應首先鼓勵和支持兩用燃料(汽油/CNG或汽油/LNG)汽車，本文主要對汽油/CNG兩用燃料汽車進行研究。

1 天然氣特性

壓縮天然氣(CNG)中甲烷(CH4)的含量為99%，其余為乙烷等飽和碳氫化合物。表1為天然氣的燃料特性與其它常規(guī)車用燃料特性的對比。

表1 不同燃料特性對比[3]

粘度/mPa·s 0.001-0.03 - 3.00 0.10

1.1 CNG的優(yōu)點

1）CNG的辛烷值高，在氣缸中可以無爆震燃燒，有關零部件免受爆震、沖擊負荷，提高了發(fā)動機的可靠性及使用壽命，且潤滑油膜不易破壞，燃燒完全，很少有固體微粒產(chǎn)生。

2）CNG燃料與空氣混合良好，燃燒充分，大幅度降低有害排放物及顆料排放。

3）CNG具有優(yōu)良的使用安全性，在空氣中可燃范圍下限值比汽油高4%，同時又是一種高燃點的輕質(zhì)氣體，在常溫常壓下天然氣的密度約為空氣的一半，泄漏后很容易擴散。

1.2 CNG的缺點

1）CNG的十六烷值很低，可燃性能差，這導致燃燒拖后，熱效率降低，發(fā)動機的最高燃燒壓力和最高溫度較低；2）由于汽油/CNG兩用燃料汽車是在保留原來汽油燃料系統(tǒng)的基礎上增加CNG燃料系統(tǒng)，沒有油路為氣門和氣門座提供潤滑，所以兩用燃料汽車的氣門和氣門座的工作環(huán)境就會更加惡劣，其相應的磨損也有較大的增加；3）天然氣不容易儲存和攜帶，需要建造比汽油、柴油加油站投資都大的加氣站，一次性投資較大。

2 CNG燃料系統(tǒng)工作原理

目前，在汽油燃料原車上加裝CNG燃料系統(tǒng)在技術上已經(jīng)成熟，且在世界范圍內(nèi)廣泛應用，CNG燃料系統(tǒng)包括混合吸入式和多點電噴式，主要由儲氣系統(tǒng)、供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。

2.1 混合吸入式CNG燃料系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

混合吸入式系統(tǒng)布置簡單，原車的汽油發(fā)動機不需要做出任何改動，成本比較低，混合吸入式CNG燃料系統(tǒng)的發(fā)動機艙布置示意圖如圖1所示。

圖1 混合吸入式發(fā)動機艙布置

混合吸入式系統(tǒng)的儲氣系統(tǒng)主要包括：儲氣鋼瓶、輸氣鋼管、高壓管接頭、截止閥、加氣口、高壓電磁閥等。其中：儲氣鋼瓶主要用來存儲CNG燃料；加氣口的工作壓力為20MPa，設計壓力為25MPa，主要用來向車載儲氣鋼瓶充氣，它由一個充氣閥和單向閥組成，充氣時，加氣槍插入充氣閥進行充氣，充氣完畢，拔下加氣槍，單向閥截止；高壓電磁閥用來控制整個天然氣氣路的開啟和關閉。

混合吸入式系統(tǒng)的供給系統(tǒng)主要包括：減壓調(diào)節(jié)器、輸氣軟管、濾清器、混合器、氣壓表等。其中：減壓調(diào)節(jié)器CNG是整個系統(tǒng)中的中心部件，把來自儲氣系統(tǒng)的高壓氣體三級減壓到0.95個大氣壓左右，并保持穩(wěn)壓輸出，由于調(diào)節(jié)器在減壓過程中，要膨脹做功向外吸熱，因此在減壓閥上還設有利用發(fā)動機散熱器中循環(huán)水的加溫裝置；混合器的作用是將經(jīng)過濾清器過濾的天然氣和空氣按一定比例進行混合，進入氣缸燃燒做功。

控制系統(tǒng)主要包括：CNG系統(tǒng)車載ECU、油/氣轉換開關、CNG壓力傳感器、進氣溫度/壓力傳感器等。CNG系統(tǒng)車載ECU采集整個系統(tǒng)中的傳感器型號并控制供氣量。油/氣轉換開關實現(xiàn)天然氣/汽油作為發(fā)動機燃料的及時切換；CNG壓力傳感器檢測到CNG的壓力反應整個儲氣系統(tǒng)中的天然氣量的多少。

2.1.2 工作原理

當兩用燃料車以CNG作燃料時，天然氣系統(tǒng)中的高壓天然氣經(jīng)耐高壓的輸氣鋼管進入天然氣供給系統(tǒng)的減壓調(diào)節(jié)器進行連續(xù)減壓后，壓力降至常壓。減壓后的天然氣通過輸氣軟管進入安裝在節(jié)氣門體前端的混合器，與一定比例的空氣混合后經(jīng)過進氣歧管進入燃燒室。CNG系統(tǒng)車載ECU與原車汽油系統(tǒng)ECU發(fā)生通信，采集原車的點火信號，根據(jù)進氣溫度/壓力傳感器計算所得的空氣狀態(tài)，實現(xiàn)對混合器中低壓天然氣量的控制；在天然氣作為燃料的情況下，當檢測到發(fā)動機不足以目前天然氣的氣量作為動力時，CNG車載ECU就會控制油/氣轉換開關，實現(xiàn)從氣到油的燃料切換。

2.2 多點電噴式CNG燃料系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)組成

由于混合吸入式CNG系統(tǒng)的進氣量不能實現(xiàn)精確控制，這必將影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放結果。目前，因市場和保護環(huán)境的需要，多點噴射式CNG燃料系統(tǒng)正在逐步替代混合吸入式CNG燃料系統(tǒng)。多點噴射式CNG燃料系統(tǒng)需要對發(fā)動機的進氣歧管進行改動，并增加為了實現(xiàn)精確控制所需要的傳感器，且對CNG車載ECU進行升級。多點噴射式CNG燃料系統(tǒng)的發(fā)動機艙布置圖如圖2所示。

圖2 多點電噴式發(fā)動機艙布置

多點電噴式系統(tǒng)的儲氣系統(tǒng)和混合吸入式系統(tǒng)的儲氣系統(tǒng)的零部件組成與功能一樣。

多點電噴式系統(tǒng)的供給系統(tǒng)主要包括：氣壓表、減壓調(diào)節(jié)器、輸氣軟管、濾清器、高壓氣軌等。其中與混合吸入式所不同的是：減壓調(diào)節(jié)器同樣把來自儲氣系統(tǒng)的高壓氣體三級減壓，減壓后輸出的穩(wěn)定輸出壓力為3個大氣壓左右；高壓氣軌把經(jīng)過過濾的天然氣精確噴入到各個汽缸的進氣支管，實現(xiàn)對發(fā)動機的多點噴射。

多點電噴式系統(tǒng)的控制系統(tǒng)與混合吸入式系統(tǒng)的系統(tǒng)儲氣系統(tǒng)零部件組成一樣。所不同的是功能：多點電噴式系統(tǒng)的車載ECU采集的信號傳感器有進氣溫度/壓力傳感器、冷卻水溫傳感器、機油壓力傳感器、CNG壓力傳感器和后氧傳感器等。

2.2.2 工作原理

當兩用燃料車以CNG作燃料時，天然氣系統(tǒng)中的高壓天然氣經(jīng)輸氣鋼管進入天然氣供給系統(tǒng)的減壓調(diào)節(jié)器降至恒定輸出壓力，減壓后的天然氣經(jīng)濾清器過濾后通過輸氣軟管進入高壓氣軌；天然氣系統(tǒng) ECU與原車汽油系統(tǒng)ECU發(fā)生通信，采集原車的點火信號，根據(jù)進氣溫度/壓力傳感器計算當量空氣所需要的天然氣量，再結合氧傳感器信號對天然氣量進行修正，通過控制高壓氣軌各個汽缸所對應電磁閥的開啟時間，實現(xiàn)對噴入汽缸天然氣量的精確控制。

3 國內(nèi)外兩用燃料車的現(xiàn)狀

3.1 國外天然氣汽車的現(xiàn)狀

已有40多個國家正在實施以CNG為代表的“清潔能源、經(jīng)濟型能源”替代常規(guī)汽油、柴油的戰(zhàn)略計劃，CNG汽車技術的發(fā)展主要體現(xiàn)低排放、經(jīng)濟性好、提高動力性方面。

為了解決重型車污染排放較難控制和氣體燃料用于燃油發(fā)動機性能下降的情況，國外的工程技術人員研制了CNG燃料專用發(fā)動機，并且已經(jīng)投入批量使用；國外的汽車技術人員還研制成功了CNG燃料專用的三元催化器，用以降低汽油/CNG兩用燃料車和單CNG燃料車的污染排放。

3.2 國內(nèi)兩用燃料車的現(xiàn)狀

由于成本與技術推廣等方面的原因，國內(nèi)兩用燃料汽車所采用的發(fā)動機只是在原有汽油發(fā)動機的基礎上進行改裝，通過電子轉換開關達到汽油燃料和CNG燃料的切換，因此，與采用汽油燃料相比，當采用CNG燃料時，會對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放等性能產(chǎn)生影響。

國內(nèi)的汽車技術人員已經(jīng)開始著手專門為兩用燃料車而進行的發(fā)動機組件進行修正，部分研究機構已經(jīng)研究出適用于兩用燃料車的三元催化器，這些新技術在經(jīng)過一段時間的試驗認證后就會形成批量使用。

4 結論

CNG燃料燃燒后有良好的排放性能，并且在汽油車的基礎上只需要增加很少的零部件就可以實現(xiàn)CNG燃料供應，使用CNG作為汽車燃料是目前汽車上所有為降低排放采取的技術中最簡便、最實用、最經(jīng)濟的一種。

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