陳磊

【摘要】CNG的主要成分是甲烷，一般情況下CNG是很難液化的，因此，很多車用CNG都是使用高壓氣體的方式進(jìn)行保存的。由于自燃溫度比較高，著火的延遲時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，會(huì)降低火焰的傳播速率。在研制CNG汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)集中電子控制元件的基礎(chǔ)上，對(duì)天然氣和各類汽油的混合比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能和排放造成的影響進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；CNG

一、試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

本文以一臺(tái)某汽油機(jī)為例，對(duì)CNG汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特征和基本性能進(jìn)行了研究。該汽油機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1：

在該CNG汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，當(dāng)汽油供給系統(tǒng)沒有發(fā)生變化時(shí)，還是使用進(jìn)氣管多點(diǎn)噴射的方法，并在這個(gè)基礎(chǔ)上，增加使用了天然氣供氣設(shè)備。其中天然氣供氣設(shè)備主要是由加氣閥、高壓氣瓶、氣量控制設(shè)備、減壓設(shè)備、混合器等構(gòu)成。當(dāng)前，汽車使用的CNG汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)都是在汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝的，是在原來的汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重新安裝了一個(gè)可以對(duì)天然氣氣量進(jìn)行控制的ECU。此ECU在對(duì)天然氣的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，主要是根據(jù)傳感器信號(hào)閉環(huán)的反饋情況進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在天然氣燃燒的過程中，由原電控系統(tǒng)控制點(diǎn)火提前角。相對(duì)于天然氣的辛烷值來說，汽油的辛烷值會(huì)比較高，燃燒性和抗爆性會(huì)更高，再加上汽油比天然氣的燃燒速度快，在同樣的工況下，在點(diǎn)燃天然氣時(shí)，需要提前對(duì)天然發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火，但是當(dāng)前使用的CNG汽油兩用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)燃天然氣的過程中，都不能達(dá)到最佳的點(diǎn)火提前角，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率造成了一定的限制。

由于當(dāng)前的燃料系統(tǒng)不能達(dá)到同時(shí)對(duì)兩種燃料的供給進(jìn)行控制的要求，因此，本文重點(diǎn)對(duì)CNG汽油雙燃料集中中控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，也就是對(duì)新的電子控制單元進(jìn)行研究，達(dá)到天然氣量、汽油噴射、點(diǎn)火提前角集中控制的目的。在設(shè)計(jì)ECU硬件時(shí)，主要是在原有設(shè)計(jì)的4缸汽油機(jī)硬件的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行了擴(kuò)充。其中重點(diǎn)對(duì)天然氣閥驅(qū)動(dòng)接口芯片進(jìn)行了擴(kuò)充，新增了CNG汽油雙燃料模式選擇信號(hào)、天然氣高壓閥門、模式指示燈燈接口，所有的接口都是在對(duì)汽油ECU硬件設(shè)備的接口功能進(jìn)行修改后增加的?？刂栖浖饕窃邳c(diǎn)火控制盒、原汽油噴射的前提下，新增了天然氣氣量的控制方法。主要包含了對(duì)氧傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制、對(duì)天然氣進(jìn)行開環(huán)控制，并根據(jù)燃料的不同，調(diào)整了點(diǎn)火的時(shí)間。為了便于研究，本實(shí)驗(yàn)還加入了相對(duì)簡(jiǎn)單的標(biāo)定軟件，從而實(shí)現(xiàn)修改調(diào)整MAP的目的。

二、分析試驗(yàn)結(jié)果

2.1CNG/汽油的混合比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能造成的影響

當(dāng)使用混合燃燒的方式進(jìn)行工作時(shí)，天然氣的含量會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將空氣系數(shù)控制在0.99～1.02的范圍中，利用實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件對(duì)天然氣的氣量進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為每分鐘3300轉(zhuǎn)和4800轉(zhuǎn)時(shí)，CNG氣量產(chǎn)生變化后，發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫、排放性能和動(dòng)力性能會(huì)產(chǎn)生變化。在開始試驗(yàn)時(shí)，會(huì)關(guān)閉天然氣減壓裝置上的閥門，使發(fā)動(dòng)機(jī)使用純汽油的方式進(jìn)行運(yùn)作。天然氣選擇開關(guān)打開后，打開總閥門，然后將天然氣加入，這時(shí)，天然氣的控制閥電機(jī)會(huì)處于全關(guān)的狀態(tài)，并且存在一定的泄露量。因此，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于0步時(shí)，代表選擇天然氣的開關(guān)處于打開狀態(tài)，總閥門也處于打開狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)保持在一個(gè)全閉合的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，氣缸中會(huì)進(jìn)入一定量的天然氣。處于-20步時(shí)，天然氣的總閥門是處于關(guān)閉狀態(tài)的，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)處于純汽油的工作狀態(tài)。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，ECU會(huì)對(duì)其進(jìn)行反饋控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于理論空燃比處，在人工調(diào)節(jié)下，天然氣控制閥門的步進(jìn)電機(jī)開度會(huì)隨著增加，汽油噴油脈寬會(huì)隨之降低，在噴油器不能開啟時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)處于純天然氣的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。研究證明，在電機(jī)步數(shù)不斷增加的情況下，噴油脈寬會(huì)逐漸降低，直到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入到純工作模式后脈寬下降會(huì)停止，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率也會(huì)隨之降低，從而使排放性能得到大的改觀。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開度處于20時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率降低速度會(huì)變慢。經(jīng)過分析后不難看出，在兩種燃料的混合比產(chǎn)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)隨之產(chǎn)生變化，在負(fù)荷比較大的時(shí)候，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的基本功率，要盡量降低天然氣的加入量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要求。在小負(fù)荷時(shí)，可以增加天然氣量，充分發(fā)揮出天然氣低排放的優(yōu)點(diǎn)。

2.2CNG/汽油混合比例對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能造成的影響

為了對(duì)混合燃料的燃燒特性進(jìn)行研究，測(cè)錄了發(fā)動(dòng)機(jī)的示功情況，并計(jì)算了混合燃料的燃燒特征，對(duì)燃燒特性參數(shù)進(jìn)行總結(jié)。研究證明，在一定負(fù)荷條件下，隨著CNG含量的增加，氣缸壓力會(huì)逐漸降低，并且最大壓力曲軸轉(zhuǎn)角位置會(huì)推遲。也就是說，當(dāng)增加CNG含量時(shí)，會(huì)降低混合料燃燒火焰的傳播速度，提高混合氣的后燃量，降低峰值的壓力。火焰的傳播速度如果過慢，會(huì)對(duì)燃燒效率造成影響，在壓力不斷升高的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒會(huì)逐漸柔和。由于放入率的延遲，燃燒放熱燃燒期會(huì)更長(zhǎng)，放熱的重心會(huì)出現(xiàn)后移的情況，致使缸內(nèi)的壓力降低，傳熱面積擴(kuò)大，熱效率降低。因此，混合料的燃燒特性參數(shù)是處于純天然氣和純汽油之間的一個(gè)參數(shù)，并且和兩種參數(shù)保持近似線性的關(guān)系，可以利用燃料的混合比來對(duì)混合燃料的燃燒特性參數(shù)進(jìn)行估算。

三、結(jié)語

綜上所述，在汽油中加入天然氣可以對(duì)天然氣的燃燒特性進(jìn)行改善，CNG汽油混合燃料特性參數(shù)處于純天然氣和純汽油之間。將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)后，動(dòng)力雖然變差，但是降低了汽油的消耗量，節(jié)省了成本。排放氣體的濃度要低于汽油機(jī)，降低了環(huán)境污染，排放性良好。

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