天然气/汽油两用发动机多功能实验台架方案的搭建

莫德赟　张云

摘 要：天然气是优质的发动机代用燃料，目前广泛用于天然气汽车的应用中。而天然气作为发动机的代用燃料，在应用过程中也存在一定需要解决的问题，对天然气发动机的研究更应持之以恒，循序渐进。本文以MR479Q汽油机实验台架为基础，搭建天然气/汽油两用发动机台架，介绍了该实验台架的功能和方案要求，对实验台架的布置、改装及设备选型进行了阐述。

关键词：两用发动机;实验台架;总体布置;设备选型

为了完成天然气/汽油两用发动机性能与排放的测试，更好地进行两用发动机的研究，在MR479Q汽油机实验平台基础上改造，进行天然气/汽油两用发动机实验台架的搭建，实现台架的通用性和多功能性。

多功能发动机实验台架的搭建有助于推动两用发动机科研水平的长足进步，依托两用发动机实验台架开展天然气发动机的应用研究，不仅能为新能源研究打下基础，还能为更深入的研究发展提供帮助。

1 功能

两用发动机实验台架应具有完整的发动机性能与排放测试能力。按照GB/T 29125《压缩天然气汽车燃料消耗量试验方法》、GB/T 18297-2001《发动机性能实验方法》、GB 14762-2002《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排放污染物排放限值及测量方法》进行发动机动力性、经济性及排放性的性能研究工作。

2 实验搭建方案要求

（1）发动机及其零部件、天然气供给系统配件等必须便于安装、调整、检查和更换，还要为后续的设备补充、完善留有余地，充分体现两用发动机实验台架“通用性”、“灵活性”的功能要求。

（2）实验方案须考虑天然气应用研究的长远发展，保证能完成不同项目、不同目的的实验，适应能力强。

（3）能够获取更精确的实验数据，需要对试验参数更严格控制，满足国家规定的实验标准。

3 实验台架布置

本方案中采用的天然气/汽油两用发动机是在MR479Q汽油机实验平台上改造而成，主體结构基本不发生改变。在原机上增加CNG（压缩天然气）供给系统和供给控制系统，完成对天然气的输送和分配。两用发动机采用多点顺序喷射模式，工作稳定。表1为MR479Q发动机的技术参数。

图1为发动机台架总体布置图。

3.1 天然气供给系统

天然气供给系统的作用是由储气罐充装储存天然气，通过输送管路向发动机输送天然气，输送过程中调节天然气的输送压力，并且执行天然气的分配和喷射。图2所示天然气供给系统图。

压缩天然气储存在型号为CNG2-G-325-60的储气瓶中，总容量为60L，充满后最高压力可达到20～30MPa。高压天然气从气瓶中出来后，经过气瓶阀、流量计、减压器，通过燃气喷射器，将减压后的天然气（约0.08～0.25MPa）输送到各缸进气歧管中实现天然气的供给和分配。

3.2 天然气供给控制系统

整个天然气供气过程必须受燃气ECU控制。燃气ECU以采集的汽油喷射时间为基础，计算出燃气的喷射时间，燃气ECU将汽油喷射的执行命令翻译成适用天然气喷射的控制命令。天然气供给系统只是根据发动机的需要定时定量地向发动机供气就行了，而发动机点火、怠速等控制还需要原机ECU进行控制，二者相辅相成。

天然气控制系统的主要功能有：

（1）控制燃料间的转换。当发动机工作由燃用汽油转换为天然气时，燃气ECU控制其转换时间，使转换平稳、顺利。

（2）控制天然气喷射量。由于燃气ECU是以原机ECU为基础实现控制，其为一个附加装置，因此能效仿汽油机多点燃油喷射的供给方式实现天然气的定时定量分缸喷射，同时能继承原机ECU的各项功能。

（3）输出汽油喷射模拟信号。天然气/汽油两用发动机在燃用CNG时，必须要切断汽油的喷射动作，进而正常的汽油喷射信号也被切断。为了避免当原机ECU判断汽油喷射停止，从而不正常工作的现象发生，在切断汽油喷射的同时，燃气ECU向原机ECU输入模拟的汽油喷射信号，使发动机能正常工作而不出现故障信号。

4 实验设备及仪器

4.1 测功机

实验台架测功机为湖南湘仪GW160电涡流测功机，额定吸收功率160Kw，额定扭矩600N.m，最高转速8000r/min。GW160电涡流测功机由制动器、测力机构、测速装置等组成。制动器调节原动机的载荷，并把原动机功率转换为热能，由冷却水带走。测力机构根据作用力矩与反作用力矩大小相等、方向相反的原理来测量扭矩，可以通过作用在测功机上的旋转力矩来指示。测速装置将转速信号转换成电信号。

电涡流测功机具有结构简单、操作维护方便、制动力矩大、测试精度高、工作稳定、转动惯量小、动态响应速度快、性价比高的特点。

4.2 油耗仪

实验台架采用FC2210Z智能油耗仪，该油耗仪属于称重式油耗仪。其原理是采用定时间测重量的方法测量发动机消耗燃油的重量，单位为kg/h。FC2210Z油耗仪的测量范围是0～40kg，测量精度达到0.4%F.S，测量时间可以在1～99s任意设定。

4.3 天然气流量计

实验台架采用DMF-1-1-A型质量流量计作为天然气耗气量的测量仪器，其量程为0～40kg/h，精度为±0.2%。该流量计根据科里奥利原理，实现流体质量流量的直接精密测量，具有很高的测量精确度。可测量的流体范围广，并且测量的流体压力高，其工作压力为0～32MPa，安装简单，运行可靠。

4.4 尾气分析仪

实验台架采用日本HORIBA公司生产的MEXA-730λ排放分析仪对发动机尾气进行监测。可监测发动机尾气中NOX、HC、CO、CO2、O2等气体的含量。

5 小结

天然气/汽油两用发动机实验台架的搭建，意味着对两用发动机甚至发动机使用新能源的研究打下了坚实的基础，为天然气发动机的研究和教学创造了优越的实验条件。两用发动机实验台架不仅能为汽车应用新能源的研究提供技术支撑，还能培育一批年轻的高水平科研人员和学术团队，同时实现“研究项目-研究人员-研究平台”的有机结合。

参考文献：

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研究基金项目：2017年度广西高校中青年教师基础能力提升项目《基于ANSYS的汽车驱动桥壳性能分析及轻量化设计》（2017KY0869）

作者简介：莫德赟（1983-），男，广西桂林人，硕士研究生，讲师，研究方向：汽车节能技术。