第16卷第1期中國公路學報Vol 16 No.2003年1月China Journal of Highway and TransportJan.2003文章號:1001-7372(2003)01-0118-04提高天然氣汽車動力性能的研究劉生全,馬志義,張春化,邊耀璋(長安大學汽車學院陜西西安710064)摘要:提出了一種提高夭然氣汽車動力性能的方案,設計了控制系統(tǒng)及其執(zhí)行部件,從汽油的加濃量、加濃點、減氣點、點火提前角度等方面進行了優(yōu)化試驗研究;在保持天然氣汽車良好排放性與燃料經(jīng)濟性的情況下,使天然氣發(fā)動杌的功率由原來不足汽油發(fā)動機功率的80%提高到95%以上關鍵詞:汽車工程;天燃氣汽車;試驗研究;控制部件;動力性中圖分類號:U469.75文獻標識碼:AStudy of improving the dynamic performance of natural gas automobileLIU Sheng-quan, MA Zhi-yi, ZHANG Chun-hua, BIAN Yao-zhang(School of Automobile Chang'an University, Xi'an 710064, ChinaAbstract: In the paper, a new scheme is brought forward for increasing the dynamic performanceof naturalutomobile. A control system and it's executive assembly is designed. In order tooptimize the performance, such as quantity and timing of complementarity gasoline, reducingtiming of natural gas, ignition timing are researched. On the basis of keeping the exhaust emissionand economy performance, the engine power is improved from 80% to 95% of that one's runningon the gasoline fuelKey words: automobile engineering; natural gas automobile; experimental research; executiveassembly dynamic performance0引言點火器,使汽油、天然氣兩用燃料汽車由功率不足原車的80%達到原車的95%以上。本項研究找到了提天然氣作為一種汽車燃料由于其排放污染較高天然氣汽車動力性能的有效途徑,清除了制約汽低,近年來得到了一定的發(fā)展。隨著天然氣汽車數(shù)油、天然氣兩用燃料汽車發(fā)展的三大技術障礙(動力量的不斷增加,對于改善大氣環(huán)境質量、調節(jié)汽油與性低、起動困難、燃料轉換慢),必將有力地推動中國柴油的供需矛盾日顯重要。但是,當汽車以天然氣為天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本技術可以推廣延伸到其燃料時會造成發(fā)動機功率的下降,功率下降不但使它車輛上應用汽車的加速性能下降、加速時間增加,有可能因為功率的下降使某些車輛無法應用天然氣,這一問題如1提高動力性能的方案與措施不及時研究解決勢必嚴重地制約天然氣汽車的發(fā)11目標展、推廣與應用針對這一問題,本研究以國產(chǎn)汽油、(1)發(fā)動機的動力性能由原來不足汽油的80%天然氣兩用燃料汽車為基礎,采用優(yōu)化設計的控制提高到95%;系統(tǒng)及其執(zhí)行部件(已獲專利),通過優(yōu)化、調整汽油(2)保持汽車燃CNG時良好的燃料經(jīng)濟性能;的加濃量、加濃點以及減氣量、減氣點并配以自適應收稿日期:2002-02-2金項目:交通部、陜西省交通廳科研項目(9506-0208)THE中國煤化排放性能CNMHG作者簡介:劉生全(1955)男陜四白水人,長安大學教授第1期劉生全、等;提高天然氣汽車動力性能的研究119(4)保持汽車原有燃料的使用性能不變;1.3.5采取化油器大喉口供給天然氣(5)提高燃料之間轉換的速度當采用混合器供入天然氣時,由于混合器安裝(6)改善發(fā)動機燃用天然氣時的冷起動性能;于化油器的上方人口處,混合器喉口處直徑小,會影(7)保持原有兩用燃料汽車操縱的方便性響發(fā)動機的進氣量,并且造成化油器喉口處真空度1.2采用的技術方案增大,供油過濃,破壞原機的使用性能;混合器喉口(1)大負荷時汽油液體燃料加濃。處直徑大,則使天然氣的供入量不足,造成混合氣過目的:提高混合氣的熱值稀,發(fā)動機動力性能嚴重不足。若采用原化油器的大(2)大負荷時減少天然氣供給。喉口供人天然氣,則上述問題便得到徹底解決。目的增加發(fā)動機進氣量,降低天然氣消耗量。2控制系統(tǒng)及其運行模式(3)增大點火提前角目的:保證燃燒的及時與完全,增加熱效率,提2.1控制系統(tǒng)(圖1)高動力性匚斷油電磁閥(4)采用化油器大喉口供入天然氣轉換開關制增力斷油電肉時目的:完全消除供氣系統(tǒng)對原機性能的影響巴H復葉斷氣電磁閥1.3釆取的具體措施減氣電磁閥增力斷油器1.31保持化油器浮子室汽油圖1挖系統(tǒng)與增力斷襤器當汽車以天然氣運行時化油器浮子室仍然保持2.2運行模式原有汽油,只有化油器浮子室內保持有一定數(shù)量的提高動力性能以后的天然氣汽車有三種運行模汽油,兩用燃料汽車才可能作到燃料間的快速轉換式,分別為汽油運行模式、天然氣動力運行模式、天汽油進行大負荷時的加濃及改善天然氣發(fā)動機的冷然氣經(jīng)濟運行模式。起動性能。2.2.1汽油運行模式.3.2采取快速斷油措該種運行模式汽車以汽油為燃料,由于供氣系快速截斷汽油的供給是本方案的一大特點,為統(tǒng)與控制系統(tǒng)設計與匹配的非常合理因而在該種此采用了“化油器式汽油氣體燃料發(fā)動機的增力斷運行模式下汽車完全保持了原車的使用性能油器”該裝置為項目研究所取得的專利技術產(chǎn)品,2.2.2天然氣動力運行模式專利號為“9923476·1”。該裝置能夠快速截斷(或供在該種運行模式下汽車主要以天然氣為燃料,給)化油器主量孔的燃油,減少(或恢復)功率量孔的大負荷時以汽油加濃。汽車的常用工況為中小負荷,燃油,并保持加速泵原有功能不變。因而天然氣仍然為汽車的基本燃料,大負荷時汽油.3.3采用節(jié)氣門位置開關的進入,起到了增加汽車動力性能的目的,由于汽車節(jié)氣門位置開關的作用是,當發(fā)動機負荷增大大負荷工況相對較少,汽油的消耗量也不會太大,但到一定量時為增加汽油供給提供信號,而且汽油的是,對起步頻繁的公交車是非常實用的供給蟹隨著節(jié)氣門開度的增大而增加,與之同時滅2.2.3天然氣經(jīng)濟運行模式少天然氣的供給量。在該種運行模式下,汽車以天然氣為燃料,運行1.34采用自適應燃料點火器中汽車的動力性能較差,但相應燃料消耗量減少,經(jīng)本項目使用的是課題組研制的ZRD型自適應濟性能提高。燃料點火器該點火器的工作原理是,當燃料轉換開2.2.4模式間快速轉換關置于天然氣燃料檔時,多路選通器選通未經(jīng)單片天然氣、汽油兩用燃料汽車,在日常汽車的運行機延時的矩形波信號(原始信號)斷電器閉合時,末中燃料之間的相互轉換是必不可少的。原有的天然級三級管導通;斷電器打開時,末級三級管截止。末氣汽車要實現(xiàn)燃料之間的轉換,少則用時幾分鐘,多級三級管由導通變?yōu)榻刂箷r,點火線圈初級繞組的則用鐘:浩成德用中的不方便、燃料及時間電流突然斷開,通過互感在點火線圈的次級繞組中上的中國煤化工。采用本控制系產(chǎn)生上萬伏的高壓電(即在矩形波的下降沿處產(chǎn)生統(tǒng)后CNMHG可以實現(xiàn)快速瞬高壓電)。通過分電器使某缸火花塞跳火。時燃料的轉換,即便在正常行駛當中的汽車也可以120中國公路學報2003年根據(jù)行駛狀況的需要進行行進中燃料間的轉換。性能下降的主要原因之一,因而,在不控制天然氣進3試驗研究氣量的情況下采用汽油加濃其效果將不會太大,不僅理論上分析計算是如此,試驗也得到了證實在試31汽油與天然氣動力性能的比較驗轉速為1800r/min,天然氣進氣量一定,節(jié)氣門為了對發(fā)動機燃用汽油與天然氣的動力性能進全開,調整汽油的加濃量。雖然增加了汽油的加濃行比較,分別測取了CA6102汽油機以汽油為燃料和量,其結果是發(fā)動機的功率增加并不明顯,并且功率以天然氣為燃料時的外特性。在3000r/min時,汽油遠低于燃用汽油時的功率。功率為89.5kW,天然氣功率為65.3kW,天然氣燃表1是經(jīng)過多次優(yōu)化后的減氣加濃試驗數(shù)據(jù),料為汽油燃料功率的73%天然氣較汽油外特性曲采用減氣加油功率增加明顯。表1中第4項功率最線功率損失達27%(圖2)。由于天然氣裝置控制上的大能耗最低,以此作為設計點。不精確,以MJ/(kW·h)計的能耗率也上升表1多次優(yōu)化后的減氣加濃試驗數(shù)據(jù)P蘸耗CNG耗油+CN滴+CN;eMCNG可W/g(30-g:(30s30)-·k-1kW·h)150.3454160.8913.I820.802815.90132273633.4加濃點的優(yōu)化0013001800230028003300本課題技術方案采取的是當節(jié)氣門開度增大到某一位置時進行汽油加濃并減少天然氣的供入。因圖2汽油、天然氣螺料外特性曲線3.2增力閥對原機動力性能的影響研究而,加濃點的優(yōu)化包括汽油的加入點與天然氣的減在發(fā)動機以天然氣為燃料工作時,增力電磁閣點。為了控制上的方便,汽油的加入點采用原化油斷電,其針閥關閉化油器主量孔,同時使功率量孔的器的加入點,主要是從量上對其進行了優(yōu)化天然氣的減氣點對天然氣發(fā)動機動力性能的俠復是十分重開度減小,截斷了對發(fā)動機主油道汽油的正常供給。增力閥對主量孔進行了重新設計,原理是通過通孔要的,減氣點過早,會造成發(fā)動機動力性能不足、工的汽油流通面積等效于原化油器主量孔的面積?！ぷ鞑环€(wěn)定;減氣點過晚,則會造成天然氣消耗量增加,能耗過高。圖4為1800r/min下測取的不同節(jié)其設計計算并不復雜,關鍵是新量孔對發(fā)動機性能氣門位置對應的能耗率及空燃比曲線,可以明顯地會產(chǎn)生什么樣的影響。為此在原化油器上安裝增力看出減氣點應在節(jié)氣門第5位置閥后首先進行了動力性能方面的測試,試驗曲線見圖3。由圖3中試驗曲線可見,安裝增力閥后功率扭矩與原機相同,有效燃油消耗率下降3.5%。1510亠要,氣系數(shù)增力閥節(jié)氣門位置圖4減氣點優(yōu)化35點火提前角的優(yōu)化10001500200025003根據(jù)天然氣與汽油燃料燃燒速度的不同所要求n/r. min"的點火提前角度不同口.課顆組研制的ZRD型自適圖3安裝增力閥前后的動力性能對比應燃中國煤化工動力性能進一步3.3汽油加濃量的優(yōu)化提CNMHG安裝ZRD型自適發(fā)動機進氣量的減少是造成天然氣發(fā)動機動力應燃料點火器后,發(fā)動機的功率、扭矩增大,3000/劉生全,等:提高天然氣汽車動力性能的研究一無ZRD0002600圖7直接檔加速試驗曲線圖5自適應ZRD動力性能比較min時功率增加22kW能耗率平均下降2.6%試驗研究結論為了檢驗技術方案及其控制系統(tǒng)的效果,在動力CNGCA6100汽油機與揚子江牌6980型客車上分別進行了發(fā)動機臺架性能、汽車道路性能對比試驗。41發(fā)動機臺架性能試驗試驗結論:如圖6所示,CA6102汽油機采用提圖8起步加速試驗曲線高動力性能及其控制裝置后,外特性功率達到原機公里CNG消耗量為22.6m3,動力性能提高后百公的95%以上,3000r/min達到97.6%能耗率下降里汽油消耗量為2.8kg及CNG消耗量為16m23,采6.7%用動力性能提高措施后百公里CNG消耗量減少450?606.6m3,加入汽油量2.8kg天然氣動力(4)天然氣汽車可以動力、經(jīng)濟兩種模式運行并且不同運行模式間能夠實現(xiàn)快速轉換300140(5)提高天然氣汽車動力系統(tǒng)解決了天然氣汽車起動困難問題,燃用天然氣與燃用汽油時的起動性能完全相同,并且保持了汽油機汽車駕駛員起動時的習慣。0013001800230028003300(6)天然氣辛烷值較高,可以依靠提高發(fā)動機壓縮比的措施提高動力性能,但是,對于天然氣、汽圖6動力性能恢復前后的外特性對比油兩用燃料汽車還不能實現(xiàn)。4.2汽車道路性能試驗試驗結論:參考文獻:(1)試驗車輛直接檔25km/h加速到70km/h,[蔡鳳田,汽車節(jié)能與環(huán)保實用技術[M]北京:人民交燃用汽油時間為38.49s;燃用CNG時間為63.34s,提高動力性能后時間為41.98s,動力性能提高后[2]張志沛汽車發(fā)動機原理[MJ大連:大連海運學院出加速時間縮短21.36s(圖7)。版社,1993(2)試驗車輛由0km/h加速到70km/h所用]劉生全張春化,司利增等LPG/汽油兩用燃料汽車時間:汽油為40.78s、CNG為58.22s,提高動力性動力性恢復的研究[J汽車運輸研究,1996,15(4);能后為40.88s,動力性能提高后與原車加速時間相當,較動力性能提高前時間縮短17.34s(圖8)。[4] JOHN KUBESH, Effect of gas composition on octaneAs fuels「TsAE922359(3)試驗車輛百公里汽油消耗量為184kg,百中國煤化工CNMHG