天然气汽车气耗测试技术研究

梁晨、李会民、宋尚斌

（交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

0 引言

随着对环保问题的日益关注，国内各大汽车厂商为了降低汽车排放对环境的污染，纷纷采取各种策略。其中一项重要技术方向，便是开发和改造实用的压缩天然气（CNG）或液化天然气（LNG）汽车。经过多年的技术开发和方案改进，目前燃气汽车在技术上已趋于成熟，也在逐步商品化，市场的保有量也在逐步增长。因为燃气汽车是以天然气为燃料，所以排放的二氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）比传统的燃油汽车少很多。而对于用户来说，他们更关心的是燃气汽车的经济性，即气耗量问题。

1 测试方案设计

1.1 气耗测试原理

燃气汽车主要指LNG 汽车和CNG 汽车，它们的燃料主要成分均为甲烷，汽车储能装置一般为储气瓶。CNG 汽车储气瓶压力一般不超过30 MPa，LNG 汽车因为储气瓶储存低温下的液化天然气，所以压力更低。燃气汽车的天然气燃料从储气瓶经过气化器（LNG 汽车）、减压阀、稳压器和滤清器等装置，进入发动机气轨总成，在发动机ECU 控制下与空气形成的混合空气进入发动机燃烧作功。

根据气体燃料流经线路，可将气耗流量传感器装置安装于最接近发动机进气口位置，即滤清器之后、发动机气轨总成之前。这样可以尽量减少气路管路压力以及流速调节变化等因素，造成的气体流量超前或者滞后。

此外，燃气发动机在燃料管路流向上，与燃油发动机有供油管路和回油管路有所不同。燃气发动机气体管路仅有供气管路，无回气管路。气体燃料经过发动机消耗后经过涡轮增压器（如配备）、尾气后处理等直接排入大气。因而在气体流量测量方面，仅需在供气管路串联一个气体质量流量计即可。

1.2 测试模块

燃气汽车整车气耗测试分为3 个模块：①气体流量计测数量模块；②数据采集模块；③上位机数据处理模块。其中，气体流量计测数量模块主要根据燃气汽车发动机进气系统的气电特性进行设计，包括进气管路接入点选择、适用压力范围、气体流量及精度选择等方面的考虑。数据采集模块主要针对测试需求，选择道路测量还是转股测量，以及气体流量计输出信号的类型等。

目前绝大多数数据采集系统功能强大，可完成直流、交流、脉冲和码盘等信号的采集。上位机处理模块主要将数据采集系统数据采集后进行后台二次处理，或者实时对数据进行滤波、计算等处理。整车气耗测试模块设计如图1所示。

图1 气耗测试模块原理图

1.3 流量计选择

根据整车测试模块设计要求，测试模块的进气口端应具有压力调节功能，出气口端具有消除气压脉冲的稳压功能（发动机特性）。当气耗测试模块连接在近CNG 气瓶处时（图2a），可手动打开压力调节器；当气耗测试模块连接在近发动机处时，可手动关闭压力调节器（图2b）。而当气耗测试模块靠近发动机端时，发动机不同缸体进气特性导致气耗量呈现脉冲式需求，给瞬时测量带来波动，因而需要对气耗的脉冲进行平滑处理，即需要气压脉冲稳压器进行平滑处理。

图2 气体流量计接入图

1.4 测试评价指标

由于测试模块需满足车载测试要求，因此应满足车载工作电压供电要求，工作电压采用直流10～30 V。输出信号选择RS485 串口通信，发送采集信息至上位机，可供测试工程师后续数据处理。根据大多数天然气汽车设计原理，可以制定气耗量测试模块流量计量程、压力范围等多项指标（表1），然后根据相应指标选型。

表1 气体流量计设计指标

2 测试结果及分析

2.1 测试工况

根据JT/T 711-2016《营运客车燃料消耗量限值及测量方法》和JT/T 719-2016《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》的要求，分别对车辆进行道路等速工况和加速工况测试。进行等速工况测试时，控制加速踏板，保持车辆分别以40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h、90 km/h 和95 km/h 匀速行驶（误差1 km/h），测量车辆行驶500 m 的累计燃料消耗量，工况如图3所示。

图3 道路等速工况测试

进行加速工况测试时，保持车辆在48～50 km/h（或58～60 km/h）行驶至少5 s，然后将加速踏板踩到底，车辆加速行驶。当车速到达70～72 km/h（或者80～82 km/h）时，松开加速踏板，测量车辆以50～70 km/h（或60～80 km/h）行驶的距离和燃料消耗量，工况如图4所示。

图4 道路加速工况测试

2.2 试验样车

选取一辆型号为XX4250GD5N1的燃气半挂牵引汽车进行测试，样车搭载了型号为XX6K1344N-50的CNG 发动机，及型号为12JSD200TA-B 的12 挡手动变速器。样车基本参数如表2所示。

表2 试验样车信息

2.3 测试结果及分析

样车开始试验前充分预热，即以60 km/h 速度行驶30 min，观察样车冷却液温度达到80℃以上方可开展后续检验工作。如此时样车冷却液温度仍低于80℃，再进行10 min 的60 km/h 等速行驶，然后可开展样车的等速油耗检验工作。

等速试验时，手动变速器置于最高挡位，在各试验车速下，保持样车平稳行驶一段时间后，开始测量通过500 m 的燃料消耗量，记录样车通过该段距离的时间和燃料消耗量。每个试验车速在测试路段上往返测量3～5 组，选择集中度较好的2 组作为最终试验数据。

加速试验时变速器置于次高挡（速比为1）。加速前，车速应控制在58～60 km/h（或48～50 km/h）保持匀速行驶至少5 s，然后快速将加速踏板踩到底，同时开始测量；车速达到80 km/h（或70 km/h）测量结束，记录加速过程中的燃料消耗量、加速时间和距离以及起始和终止速度等测量结果。每个试验车速在测试路段上往返测量3～5 组，选择集中度较好的2 组作为最终试验数据。

经测试及筛选，样车的等速500 m 气耗量、加速50～70 km/h 气耗量以及怠速300 s 的气耗量测试结果如表3所示，分组测试报告如图5和图6所示。

图5 等速试验工况气耗测量值

图6 加速及怠速工况气耗测量值

表3 试验测试结果表（单位：kg）

根据气耗量测试结果及天然气组分测试报告，可计算出在标准状态下的百公里气耗量（单位：m/100 km）。由于每立方米天然气的发热量与柴油或汽油的发热量不同，因而适用气耗量的单位无法与柴油或汽油油耗相比较。为此，可根据每立方米天然气的发热量与每升柴油燃料的发热量进行比较，建立等效的评价方法。天然气标准参比条件低位发热量可按照天然气分析报告数值或者气体摩尔组分及相应各组分发热量计算得出。一般情况下，真实气体和理想气体产生的发热量误差非常小，可按照理想气体进行近似计算。

各组测试气耗量与当量柴油消耗量换算如表4所示。需要说明的是，表中除了怠速工况气耗量以质量每小时或者体积每小时衡量，等速工况及加速工况均以质量每小时或体积每百公里衡量。计算过程中，使用参数包括气耗测试报告中的天然气密度为0.7202 kg/m，天然气低位发热量为35.956 MJ/m，柴油低位发热量选取46.030 MJ/kg，柴油密度为0.830 kg/L，经计算天然气当量柴油消耗量系数为0.9412。

表4 当量柴油消耗量换算

3 结束语

（1）本研究采用气体质量流量计，能够有效测量天然气汽车道路试验工况的气体消耗量，通过气体质量流量计的接入位置选择发动机低压进气口，可以有效改善气体在管路压缩及调压造成的超前或滞后。

（2）根据等速测试工况与加速测试工况试验数据可以看出，等速测试工况每次测试结果一致性较好。经过多次测量结果，剔除分散性较大的数据点，剩余数据可以满足部分标准对一致性的要求。但是加速工况由于驾驶员自踩下加速踏板到发动机控制单元（ECU）控制进气系统做出响应，中间人为因素较为不可控，测量数据一致性较差。这可以通过提前踩下加速踏板的方法弥补加速工况测试数据一致性差的缺点，试验数据有待进一步测试研究。

（3）本文作者长期从事各种车辆的能耗测试工作，已收集了大量不同车型的能耗测试数据。从等速加速及怠速整体测量的柴油当量燃料消耗量数值与传统柴油车油耗数据比较可以看出，天然气汽车的燃料消耗量偏大，经过反复测量此种现象仍然存在。可以初步推断这可能是由于柴油发动机热效率高于天然气汽车热效率造成。