第16卷第1期中國(guó)公路學(xué)報(bào)Vol 16 No2003年1月China Journal of Highway and TransportJan.2003文章編號(hào):1001-7372(2003)01-0118-04提高天然氣汽車動(dòng)力性能的研究劉生全,馬志義,張春化,邊耀璋(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院陜西西安710064)摘要:提出了一種提高天然氣汽車動(dòng)力性能的方案,設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)及其執(zhí)行部件,從汽油的加濃量、加濃點(diǎn)、減氣點(diǎn)、點(diǎn)火提前角度等方面進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究;在保持天然氣汽車良好排放性與燃料經(jīng)濟(jì)性的情況下,使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率由原來不足汽油發(fā)動(dòng)機(jī)功率的80%提高到95%以上關(guān)鍵詞:汽車工程;天燃?xì)馄?試驗(yàn)研究;控制部件;動(dòng)力性中圖分類號(hào):U469.75文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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 University710064, China)Abstract: In the paper, a new scheme is brought forward for increasing the dynamic performanceof natural gas automobile. 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 fuel.Key words: automobile engineering; natural gas automobile; experimental research; exceutiveassembly;dynamicpeerformance0引言點(diǎn)火器,使汽油、天然氣兩用燃料汽車由功率不足原車的80%達(dá)到原車的95%以上。本項(xiàng)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(dòng)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(shù)障礙(動(dòng)力量的不斷增加,對(duì)于改善大氣環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)汽油與性低起動(dòng)困難、燃料轉(zhuǎn)換慢),必將有力地推動(dòng)中國(guó)柴油的供需矛盾日顯重要但是,當(dāng)汽車以天然氣為天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本技術(shù)可以推廣延伸到其燃料時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率的下降,功率下降不但使它車輛上應(yīng)用。汽車的加速性能下降、加速時(shí)間增加,有可能因?yàn)楣β实南陆凳鼓承┸囕v無法應(yīng)用天然氣,這一問題如1提高動(dòng)力性能的方案與措施不及時(shí)研究解決勢(shì)必嚴(yán)重地制約天然氣汽車的發(fā)1.1目標(biāo)展、推廣與應(yīng)用針對(duì)這一問題,本研究以國(guó)產(chǎn)汽油、(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能由原來不足汽油的80%天然氣兩用燃料汽車為基礎(chǔ),采用優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diào)整汽油(2)保持汽車燃CNG時(shí)良好的燃料經(jīng)濟(jì)性能;的加濃量、加濃點(diǎn)以及減氣量、減氣點(diǎn)并配以自適應(yīng)(3)保持汽車燃CNG時(shí)的低排放性能;收獅日期:2002-02-25基金項(xiàng)目:交通部、陜西省交通廳科新項(xiàng)目(9506-0208)作者簡(jiǎn)介:劉生全(1955),男陜四白水人,長(zhǎng)安大學(xué)教授笫1期劉生全,等;提高天然氣汽車動(dòng)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(zhuǎn)換的速度;當(dāng)采用混合器供入天然氣時(shí),由于混合器安裝(6)改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣時(shí)的冷起動(dòng)性能;于化油器的上方入口處混合器喉口處直徑小,會(huì)影(7)保持原有兩用燃料汽車操縱的方便性響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣,并且造成化油器喉口處真空度2采用的技術(shù)方案增大,供油過濃,破壞原機(jī)的使用性能;混合器喉口(1)大負(fù)荷時(shí)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性能嚴(yán)重不足。若采用原化油器的大(2)大負(fù)荷時(shí)減少天然氣供給。喉口供入天然氣,則上述問題便得到徹底解決。目的增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量,降低天然氣消耗量。2控制系統(tǒng)及其運(yùn)行模式3)增大點(diǎn)火提前角目的:保證燃燒的及時(shí)與完全,增加熱效率,提21控制系統(tǒng)(圖1)高動(dòng)力性能匚斷油電磁閥(4)采用化油器大喉口供入天然氣。轉(zhuǎn)換開關(guān)鬥厝力斷油電閥目的:完全消除供氣系統(tǒng)對(duì)原機(jī)性能的影響。斷氣電磁閥3采取的具體措施減氣電磁閥增力斷油器3.Ⅰ保持化油器浮子室汽油圖1控新系統(tǒng)與增力斷油器當(dāng)汽車以天然氣運(yùn)行時(shí)化油器浮子室仍然保持2.2運(yùn)行模式原有汽油,只有化油器浮子室內(nèi)保持有一定數(shù)量的提高動(dòng)力性能以后的天然氣汽車有三種運(yùn)行模汽油,兩用燃料汽車才可能作到燃料間的快速轉(zhuǎn)換、式,分別為汽油運(yùn)行模式、天然氣動(dòng)力運(yùn)行模式、天汽油進(jìn)行大負(fù)荷時(shí)的加濃及改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的冷然氣經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。起動(dòng)性能2.2.1汽油運(yùn)行模式.3.2采取快遠(yuǎn)斷油措施該種運(yùn)行模式汽車以汽油為燃料,由于供氣系快速截?cái)嗥偷墓┙o是本方案的一大特點(diǎn),為統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的增力斷運(yùn)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(xiàng)目研究所取得的專利技術(shù)產(chǎn)品,2.2.2天然氣動(dòng)力運(yùn)行模式專利號(hào)為“9923476.1”該裝置能夠快速截?cái)?或供在該種運(yùn)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(fù))功率量孔的大負(fù)荷時(shí)以汽油加濃。汽車的常用工況為中小負(fù)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(fù)荷時(shí)汽油1.3,3采用節(jié)氣門位置開關(guān)的進(jìn)入,起到了增加汽車動(dòng)力性能的目的,由于汽車節(jié)氣門位置開關(guān)的作用是,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大大負(fù)荷工況相對(duì)較少,汽油的消耗量也不會(huì)太大,但到一定量時(shí)為增加汽油供給提供倍號(hào),而且汽油的是,對(duì)起步頻繁的公交車是非常實(shí)用的供給籃隨著節(jié)氣門開度的增大而增加,與之同時(shí)減2.2.3天然氣經(jīng)濟(jì)送行模式少天然氣的供給量。在該種運(yùn)行模式下,汽車以天然氣為燃料,運(yùn)行1.34采用自適應(yīng)燃料點(diǎn)火器中汽車的動(dòng)力性能較差,但相應(yīng)燃料消耗量減少,經(jīng)本項(xiàng)目使用的是課題組研制的ZRD型自適應(yīng)濟(jì)性能提高燃料點(diǎn)火器,該點(diǎn)火器的工作原理是,當(dāng)燃料轉(zhuǎn)換開2.2.4模式間快速轉(zhuǎn)換關(guān)置于天然氣燃料檔時(shí),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(yùn)行機(jī)延時(shí)的矩形波信號(hào)(原始信號(hào))斷電器閉合時(shí),末中燃料之間的相互轉(zhuǎn)換是必不可少的。原有的天然級(jí)三級(jí)管導(dǎo)通;斷電器打開時(shí),末級(jí)三級(jí)管截止。末氣汽車要實(shí)現(xiàn)燃料之間的轉(zhuǎn)換,少則用時(shí)幾分鐘,多級(jí)三級(jí)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí),點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組的則用時(shí)十幾分鐘,造成使用中的不方便、燃料及時(shí)間電流突然斷開,通過互感在點(diǎn)火線圈的次級(jí)繞組中上的浪費(fèi)并帶來不必要的大氣污染。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,第一與第二種運(yùn)行模式之間可以實(shí)現(xiàn)快速瞬高壓電)。通過分電器使某缸火花塞跳火。時(shí)燃料的轉(zhuǎn)換,即便在正常行駛當(dāng)中的汽車也可以中國(guó)公路學(xué)報(bào)2003年根據(jù)行駛狀況的需要進(jìn)行行進(jìn)中燃料間的轉(zhuǎn)換。性能下降的主要原因之一,因而,在不控制天然氣進(jìn)3試驗(yàn)研究氣量的情況下采用汽油加濃其效果將不會(huì)太大,不僅理論上分析計(jì)算是如此,試驗(yàn)也得到了證實(shí)。在試31汽油與天然氣動(dòng)力性能的比較驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1800r/min,天然氣進(jìn)氣量一定,節(jié)氣門為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油與天然氣的動(dòng)力性能進(jìn)全開,調(diào)整汽油的加濃量。雖然增加了汽油的加濃行比較,分別測(cè)取了CA6102汽油機(jī)以汽油為燃料和量,其結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增加并不明顯,并且功率以天然氣為燃料時(shí)的外特性。在3000r/min時(shí),汽油遠(yuǎn)低于燃用汽油時(shí)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(yàn)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(xiàng)功率最線功率損失達(dá)27%(圖2)。由于天然氣裝置控制上的大能耗最低以此作為設(shè)計(jì)點(diǎn)。不精確,以MJ/(kW·h)計(jì)的能耗率也上升表1多次優(yōu)化后的減氣加濃試驗(yàn)數(shù)據(jù)P植耗CNG消耗油+CNG藺+CN;|cM.=-CNG香號(hào)(Awg()g:()g()-,1(,4943!142.612m1501764132213631320534加濃點(diǎn)的優(yōu)化800130018002300280033本課題技術(shù)方案采取的是當(dāng)節(jié)氣門開度增大到某一位置時(shí)進(jìn)行汽油加濃并減少天然氣的供入。因圖2汽油、天然氣料外特性曲線3.2增力對(duì)原機(jī)動(dòng)力性能的影響研究而,加濃點(diǎn)的優(yōu)化包括汽油的加入點(diǎn)與天然氣的減在發(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣為燃料工作時(shí),增力電磁聞點(diǎn)。為了控制上的方便,汽油的加入點(diǎn)采用原化油斷電,其針閥關(guān)閉化油器主量孔,同時(shí)使功率量孔的器的加入點(diǎn),主要是從量上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。天然氣的減氣點(diǎn)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的恢復(fù)是十分重開度減小,截?cái)嗔藢?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主油道汽油的正常供給。要的,減氣點(diǎn)過早,會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能不足、工增力閥對(duì)主量孔進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),原理是通過通孔的汽油流通面積等效于原化油器主量孔的面積2作不穩(wěn)定;減氣點(diǎn)過晚,則會(huì)造成天然氣消耗量增其設(shè)計(jì)計(jì)算并不復(fù)雜關(guān)鍵是新量孔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能加能耗過高。圖4為1800r/min下測(cè)取的不同節(jié)氣門位置對(duì)應(yīng)的能耗率及空燃比曲線,可以明顯地會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。為此在原化油器上安裝增力閥后首先進(jìn)行了動(dòng)力性能方面的測(cè)試,試驗(yàn)曲線見看出減氣點(diǎn)應(yīng)在節(jié)氣門第5位置。圖3。由圖3中試驗(yàn)曲線可見,安裝增力網(wǎng)后功率扭矩與原機(jī)相同,有效燃油消耗率下降3.5%。增力霄節(jié)氣門位置350圖4減氣點(diǎn)優(yōu)化35點(diǎn)火提前角的優(yōu)化10001500200025003000根據(jù)天然氣與汽油燃料燃燒速度的不同所要求的點(diǎn)火提前角度不同,課題組研制的ZRD型自適圖3安裝增力閥前后的動(dòng)力性能對(duì)比應(yīng)燃料點(diǎn)火器,使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)一步3.3汽油加濃量的優(yōu)化提高,其外特性試驗(yàn)如圖5所示。安裝ZRD型自適發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的減少是造成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力應(yīng)燃料點(diǎn)火器后,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩增大,3000r第1期劉生全,等;提高天然氣汽車動(dòng)力性能的研究121一ZRD一無ZRD2600時(shí)間/s圖7直接檔加速試驗(yàn)曲線圖5自適應(yīng)ZRD動(dòng)力性能比較min時(shí)功率增加2.2kW能耗率平均下降26%。4試驗(yàn)研究結(jié)論為了檢驗(yàn)技術(shù)方案及其控制系統(tǒng)的效果,在00000力CA6100汽油機(jī)與揚(yáng)子江牌6980型客車上分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能、汽車道路性能對(duì)比試驗(yàn)。4.1發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)時(shí)間s試驗(yàn)結(jié)論:如圖6所示,CA6102汽油機(jī)采用提圖8起步加速試驗(yàn)曲線高動(dòng)力性能及其控制裝置后,外特性功率達(dá)到原機(jī)公里CNG消耗量為22.6m3,動(dòng)力性能提高后百公的95%以上,3000/min達(dá)到97.6%,能耗率下降里汽油消耗量為2.8kg及CNG消耗量為16m3,采6.7%。用動(dòng)力性能提高措施后百公里CNG消耗量減少1006.6m3,加入汽油量2.8kg90}.天然氣動(dòng)力(4)天然氣汽車可以動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)兩種模式運(yùn)行并且不同運(yùn)行模式間能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換300140(5)提高天然氣汽車動(dòng)力系統(tǒng)解決了天然氣汽車起動(dòng)困難問題,燃用天然氣與燃用汽油時(shí)的起動(dòng)性能完全相同,并且保持了汽油機(jī)汽車駕駛員起動(dòng)時(shí)的習(xí)慣。1300180023002800330(6)天然氣辛烷值較高,可以依靠提高發(fā)動(dòng)機(jī)nir. min壓縮比的措施提高動(dòng)力性能,但是,對(duì)于天然氣、汽圖6動(dòng)力性能恢復(fù)前后的外特性對(duì)比油兩用燃料汽車還不能實(shí)現(xiàn)4.2汽車道路性能試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)論參考文獻(xiàn):(1)試驗(yàn)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(shí)用技術(shù)[M]北京:人民交燃用汽油時(shí)間為38.49s;燃用CNG時(shí)間為6334迺出版杜,1999s,提高動(dòng)力性能后時(shí)間為41.98s,動(dòng)力性能提高后[2]張志沛汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[MJ.大連:大連海運(yùn)學(xué)院出加速時(shí)間縮短21.36s(圖7)。版社,1993.(2)試驗(yàn)車輛由0km/h加速到70km/h所用3]劉生全,張春化,司利增等LPG/汽油兩用燃料汽車時(shí)間:汽油為40.78s、CNG為58.22s,提高動(dòng)力性動(dòng)力性恢復(fù)的研究[J]汽車運(yùn)輸研究,1996,5(4)能后為4088s,動(dòng)力性能提高后與原車加速時(shí)間相29-34.當(dāng),較動(dòng)力性能提高前時(shí)間縮短1734s(圖8)[4] JOHN KUBESH. 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