汽油/CNG发动机经济性动力性对比研究

徐恒，卢占领，杨秀玲

(中国汽车技术研究中心，浙江宁波 315300)



汽油/CNG发动机经济性动力性对比研究

徐恒，卢占领，杨秀玲

(中国汽车技术研究中心，浙江宁波 315300)

摘要：将一台伽马1.6发动机，在进气歧管处增加CNG供给系统以及CNG供给系统控制单元，分别用汽油和CNG作为燃料，对其进行动力性及经济性测试。对其结果进行分析发现：改用CNG燃料后虽然动力性有一定的损失，但在车用工况点即低速高扭矩的情况下，下降程度不足10%。但经济性提升明显。对动力性下降的原因进行分析，并在现有技术可行的前提下提出改善措施。

关键词：CNG；汽油；发动机；经济性；动力性

0引言

随着我国的环境保护法规的日益严格以及越来越严重的环境污染问题，汽车行业在不断改进传统发动机的同时，也在积极地开发代用燃料。而在众多代用燃料中，气体燃料是我国目前较为推崇的有效方法之一，其中天然气具有价格便宜、资源丰富、排放污染低等特点，且在燃烧过程中基本不会产生颗粒物，对于我国目前大面积发生的雾霾现象会有显著的抑制作用。

世界天然气资源分布见图1。

我国是一个石油资源匮乏、天然气资源丰富的国家，根据国家国土资源部的统计资料显示：我国的天然气探明储量为4.5万亿m3。截至2012年底,我国的天然气探明可采储量为3.1万亿m3,居世界第13位。我国天然气资源主要分布于塔里木、四川、鄂尔多斯和东海陆架,约占全部资源量的2/3。而随着近年来大量的页岩气储量被探寻到，截止2014年，中国页岩气储量高达30万亿m3以上，居世界首位。据国际能源总署估算：预计到2035年，我国的天然气消费量或将增长5倍以上。随着西气东输以及俄罗斯天然气进入我国市场等众多利好消息公布，推广使用天然气汽车，可以充分利用我国巨大的天然气资源，缓解石油能源的不足，改善能源的结构等级，减少大气中污染物的排放及雾霾的产生。

目前以天然气为燃料的汽车主要可以分为3个大类：

第1类为单燃料汽车，即以NG为唯一的发动机燃料，不再使用其他燃料的汽车。发动机供气方式一般为在进气管内混合或由电控进行喷射，使用专门的三元催化装置对尾气进行处理。发动机的燃料供应系统，工作循环参数以及配气机构都针对天然气进行了专门的设计，因此燃烧效率高、经济性好，但是由于可随车携带的天然气量有限，行驶里程受到一定的限制，且加气站分布不均，多用于城市公交等市内车辆。

第2类为以天然气及柴油作为混合发动机燃料的汽车，在工作时先喷射少量柴油进入发动机内部，利用柴油特性，使其压燃，产生火焰，再加入天然气作为燃料，且柴油仍作为引燃燃料不断少量喷射。这一类发动机结构参数针对原来的柴油机基本不做过大的改动，并且可以在单纯燃烧柴油和柴油天然气作为混合燃料燃烧2种方式下进行自由切换，在天然气用完后，可以继续使用柴油作为燃料进行行驶，很大程度上弥补了纯气体燃料汽车在行驶里程上的不足。而与传统柴油机相比，因添加了天然气作为混合燃料，在一定程度上减少了尾气中碳烟排放，对于缓解环境问题有着巨大的作用。

第3类是以汽油/天然气作为燃料的车辆，它具有2套燃料供给系统，即在原有的汽油机基础上加装天然气供气系统改造而成，仅以单一的汽油或者天然气作为发动机燃料。在工作过程中，通过切换转换开关来人为地选择燃料，在天然气用完之后可以自动切换回汽油模式。针对传统机型，也有着弥补行驶里程不足、改善城市小型汽车尾气排放、净化城市环境等特点，目前主要应用于城市出租车行业。

1天然气燃料的基本特征

天然气是一种复杂的HC混合物，主要成分为烷烃，其中甲烷占据绝大多数，并伴有少量乙烷、丙烷等化合物。天然气中不含CO，且比重约为0.65，比空气轻，一旦发生泄漏，立即会向上扩散，不会积聚成爆炸性气体，安全性较高。对天然气进行液化处理需要较高的设备及技术水平，所以一般车用天然气都是使用压缩天然气(Compressed Natural Gas, CNG)作为燃料，车用CNG的最高压力为20 MPa。其化学性质相对稳定，着火范围窄，在大气中的浓度过浓或者过稀都不会燃烧，具有良好的抗爆性。且辛烷值高(120～130)，适用于压缩比较高的发动机，自燃温度较高，着火延迟期较长，火焰的传播速度相对于汽油较慢。汽油和CNG燃烧特性如表1所示。

注：环境条件为：温度0 ℃，大气压力101.3 kPa。

天然气因为H—C比较高，相对于传统的汽油，其CO2排放量可以降低25%以上。但根据碳平衡法对二者进行比较，CNG汽车能耗较传统汽油车具有15%～20%的优势。

2实验装置

此次汽油/CNG发动机实验是在日本HORIBA WT190电涡流实验台架上进行的，将一台伽马1.6 CNG发动机作为研究对象，在原有发动机的基础上增加了一套CNG供给系统和CNG供给控制单元。CNG供给系统主要用于向发动机输送天然气，对CNG压力进行调节，并执行天然气的分配和喷射；CNG供给控制单元则根据输入的各项发动机工作信号，对CNG模式下的工作过程进行监控及控制。其中发动机为直列4缸水冷发动机，排量1.6 L，额定转速6 300 r/min，额定功率91 kW，点火顺序1-3-2-4。该实验装置主要用于测试CNG发动机在汽油以及天然气状态下的各项参数指标，对其在部分工况点的燃油消耗量、天然气消耗量、功率、扭矩、排气温度等一系列与发动机经济性、动力性有关的参数进行监控，并根据数据进行分析。实验装置主要组成如图2所示。

如图2所示，天然气从气瓶组中经过减压阀，将压力减到2 MPa后，经过天然气气体流量计，进入发动机的CNG供给系统，消耗的天然气用量则实时地传输到监控电脑中。通过一个汽油/CNG切换开关，可以人为地对2种燃料进行切换控制，或者由ECU根据事先设定好的临界点，自行判断燃料的切换。CNG供给控制单元由专用的天然气ECU和天然气喷射装置组成，安装在发动机进气歧管上，形成混合气，在进入发动机气缸内由火花塞点燃。天然气ECU通过对汽油ECU中的转速信号以及高压喷嘴的喷油脉宽等进行读取，进而根据不同工况调整天然气供给量。

3分析实验结果

对于该发动机分别以汽油和CNG作为燃料进行分析，图3为2种燃料的外特性实验对比，图4为2种燃料的燃料消耗量对比。

从图3可以看到：因为采用了CNG燃料后，功率及扭矩有不同程度的下降，但随着转速的降低，二者功率的差距也在不断缩小， 在额定转速点最大，约下降11%。分析主要由以下几个方面造成：

(1)此次实验所用发动机为汽油机改造CNG发动机，机械构造及电控策略等都是以汽油燃料作为开发模型。

(2)原机为汽油缸内直喷，所采用的技术相对较为成熟，汽油的雾化及燃烧效果较好。切换到CNG模式后是在进气歧管处对天然气和空气进行混合后再进入气缸燃烧，混合程度不够均匀，燃烧不充分。且因为CNG本身为气态进入燃烧室，占用了约10%的体积空间，导致各循环中进入气缸的空气量较汽油模式减少，充气效率降低，在λ为常数的条件下，发动机输出的总能量下降，导致功率有一部分下降。

(3)CNG本身与空气混合后的混合气热值比汽油与空气的混合气热值低10%以上，在相同排量的情况下，输出功率有一定下降。

(4)CNG本身的层流火焰传播速度(SL)比汽油火焰传播速度慢，SL包括了火焰扩散、化学反应发热量以及反应速率等信息。在气缸内，天然气的SL约为汽油的50%～60%。燃烧时间延长，故在高转速下每循环时间减少，导致传热损失增加，热效率降低。

注：标号(1)处按汽油价格8.28元/kg(即6元/L)进行计算，CNG价格按5元/kg进行计算,2015年浙江某地价格。

根据图4，在二次外特性实验的各个工况点，分别采集该发动机的汽油油耗以及CNG消耗量。在表2中，通过对额定转速点6 300 r/min全负荷、4 000 r/min全负荷、2 000 r/min全负荷3个工况点的燃料消耗数据按照24 h单一工况计算，并根据目前国内的汽油价格(92号)及天然气价格计算得出汽油及CNG的燃料费，对2种燃料模式的经济性进行对比，发现使用CNG后，其经济性有了很大程度的改进。

4结论

根据以上特点，考虑到技术的可行性，分析可以采取下列措施来改善天然气的燃烧过程：

(1)适当加大压缩比，CNG辛烷值优于汽油，可以在一定程度上增加缸内压力及温度；

(2)加大点火提前角，并重新制定电控策略以保证最佳点火提前控制；

(3)加强点火能量并配以较大的火花塞间隙，点火能量需达到3 MJ以上，并改善专门针对CNG的点火火花长度及持续期；

(4)根据CNG燃料特点增加压力反馈式混合传感器，以达到精确控制空燃比的效果；

(5)采用进气增压处理，提高进气流量。

另外，因CNG燃烧温度较高，CNG模式下气缸内燃烧温度也较汽油模式高。所以需要对发动机冷却系统、配气系统、曲轴连杆等部件进行一系列的加强。

CNG作为发动机燃料也有其不可代替的优点，主要体现在以下几个方面：

(1)辛烷值高，抗爆性好；

(2)低温运行特性好，不会存在汽油机的湿壁效应，各缸一致性好，大幅提高了其稀燃极限。

(3)CNG不会稀释润滑油，燃烧后没有积碳，可延长润滑油更换周期，降低维护保养费用，延长发动机寿命。

目前，我国汽油/CNG发动机已经取得较大的进展，其中多个城市的出租车已经采用了汽油/CNG发动机，在动力性有部分下降的情况下，其经济性有了较大幅度的提升。目前，我国CNG汽车保有量已经突破400万辆，CNG加气站超过5 000座，截至到2015年，共计消费天然气约260亿方。预计到2020年，我国天然气汽车保有量有望达到1 000万辆，并建成1万座车用CNG加气站。

我国目前的天然气汽车政策体系也已经初步形成，车用天然气相关标准体系也正不断完善。截止2015年，已出台国家标准13项、行业标准16项等。而且因为CNG的燃烧特性，排放尾气中颗粒现象会有明显的减少，对于我国日益严重的环境污染以及雾霾问题都有较大的改善作用。随着国家有望出台《十三五天然气交通运输中长期发展规划》，弥补当前顶层设计的空白，更有利于我国天然气汽车产业的发展。

参考文献:

【1】卓斌.天然气发动机燃烧特征与功率恢复[J].车用发动机，1999(1):11-17.

【2】周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1999.

【3】苏万华，林志强，汪洋,等.气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油/天然气双燃料发动机的研究[J].内燃机学报,2001,19(2):102-108.

【4】英国石油公司.BP2035世界能源展望[R]，2015.

Study on Economical Efficiency and Dynamic Performance of Gasoline/CNG Engine

XU Heng,LU Zhanling,YANG Xiuling

(China Automotive Technology & Research Center，Ningbo Zhejiang 315300,China)

Keywords:CNG; Gasoline; Engine; Economical efficiency; Dynamic performance

Abstract:Adding a CNG supply system and a CNG supply system control unit to the intake manifold of a Gamma 1.6 engine, respectively using gasoline and CNG as fuel, the economical efficiency and dynamic performance of the engine were tested. The analysis results show: using CNG fuel, the dynamic performance has some loss, but at the point with low speed & high torque, the extent of decline is less than 10%; and the economical efficiency of the engine has a big improvement. The reason why the dynamic performance was declined was analyzed, and some improved methods were given.

收稿日期：2016-01-29

作者简介：徐恒，男，助理工程师，研究方向为重型车及发动机排放控制及测试。E-mail：xuheng@catarc.ac.cn。

中图分类号:TK437;U473.2

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)04-033-03