提高天然气汽车动力性能的研究

第16卷第1期中国公路学报Vol 16 No.2003年1月China Journal of Highway and TransportJan.2003文章号:1001-7372(2003)01-0118-04提高天然气汽车动力性能的研究刘生全,马志义,张春化,边耀璋(长安大学汽车学院陕西西安710064)摘要:提出了一种提高夭然气汽车动力性能的方案,设计了控制系统及其执行部件,从汽油的加浓量、加浓点、减气点、点火提前角度等方面进行了优化试验研究;在保持天然气汽车良好排放性与燃料经济性的情况下,使天然气发动杌的功率由原来不足汽油发动机功率的80%提高到95%以上关鍵词:汽车工程;天燃气汽车;试验研究;控制部件;动力性中图分类号:U469.75文献标识码: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引言点火器,使汽油、天然气两用燃料汽车由功率不足原车的80%达到原车的95%以上。本项研究找到了提天然气作为一种汽车燃料由于其排放污染较高天然气汽车动力性能的有效途径,清除了制约汽低,近年来得到了一定的发展。随着天然气汽车数油、天然气两用燃料汽车发展的三大技术障碍(动力量的不断增加,对于改善大气环境质量、调节汽油与性低、起动困难、燃料转换慢),必将有力地推动中国柴油的供需矛盾日显重要。但是,当汽车以天然气为天然气汽车产业的发展。本技术可以推广延伸到其燃料时会造成发动机功率的下降,功率下降不但使它车辆上应用汽车的加速性能下降、加速时间增加,有可能因为功率的下降使某些车辆无法应用天然气,这一问题如1提高动力性能的方案与措施不及时研究解决势必严重地制约天然气汽车的发11目标展、推广与应用针对这一问题,本研究以国产汽油、(1)发动机的动力性能由原来不足汽油的80%天然气两用燃料汽车为基础,采用优化设计的控制提高到95%;系统及其执行部件(已获专利),通过优化、调整汽油(2)保持汽车燃CNG时良好的燃料经济性能;的加浓量、加浓点以及减气量、减气点并配以自适应收稿日期:2002-02-2金项目:交通部、陕西省交通厅科研项目(9506-0208)THE中国煤化排放性能CNMHG作者简介:刘生全(1955)男陕四白水人,长安大学教授第1期刘生全、等;提高天然气汽车动力性能的研究119(4)保持汽车原有燃料的使用性能不变;1.3.5采取化油器大喉口供給天然气(5)提高燃料之间转换的速度当采用混合器供入天然气时,由于混合器安装(6)改善发动机燃用天然气时的冷起动性能;于化油器的上方人口处,混合器喉口处直径小,会影(7)保持原有两用燃料汽车操纵的方便性响发动机的进气量,并且造成化油器喉口处真空度1.2采用的技术方案增大,供油过浓,破坏原机的使用性能;混合器喉口(1)大负荷时汽油液体燃料加浓。处直径大,则使天然气的供入量不足,造成混合气过目的:提高混合气的热值稀,发动机动力性能严重不足。若采用原化油器的大(2)大负荷时减少天然气供给。喉口供人天然气,则上述问题便得到彻底解决。目的增加发动机进气量,降低天然气消耗量。2控制系统及其运行模式(3)增大点火提前角目的:保证燃烧的及时与完全,增加热效率,提2.1控制系统(图1)高动力性匚断油电磁阀(4)采用化油器大喉口供入天然气转换开关制增力断油电肉时目的:完全消除供气系统对原机性能的影响巴H复叶断气电磁阀1.3釆取的具体措施减气电磁阀增力断油器1.31保持化油器浮子室汽油图1挖系统与增力断褴器当汽车以天然气运行时化油器浮子室仍然保持2.2运行模式原有汽油,只有化油器浮子室内保持有一定数量的提高动力性能以后的天然气汽车有三种运行模汽油,两用燃料汽车才可能作到燃料间的快速转换式,分别为汽油运行模式、天然气动力运行模式、天汽油进行大负荷时的加浓及改善天然气发动机的冷然气经济运行模式。起动性能。2.2.1汽油运行模式.3.2采取快速断油措该种运行模式汽车以汽油为燃料,由于供气系快速截断汽油的供给是本方案的一大特点,为统与控制系统设计与匹配的非常合理因而在该种此采用了“化油器式汽油气体燃料发动机的增力断运行模式下汽车完全保持了原车的使用性能油器”该装置为项目研究所取得的专利技术产品,2.2.2天然气动力运行模式专利号为“9923476·1”。该装置能够快速截断(或供在该种运行模式下汽车主要以天然气为燃料,给)化油器主量孔的燃油,减少(或恢复)功率量孔的大负荷时以汽油加浓。汽车的常用工况为中小负荷,燃油,并保持加速泵原有功能不变。因而天然气仍然为汽车的基本燃料,大负荷时汽油.3.3采用节气门位置开关的进入,起到了增加汽车动力性能的目的,由于汽车节气门位置开关的作用是,当发动机负荷增大大负荷工况相对较少,汽油的消耗量也不会太大,但到一定量时为增加汽油供给提供信号,而且汽油的是,对起步频繁的公交车是非常实用的供给蟹随着节气门开度的增大而增加,与之同时滅2.2.3天然气经济运行模式少天然气的供给量。在该种运行模式下,汽车以天然气为燃料,运行1.34采用自适应燃料点火器中汽车的动力性能较差,但相应燃料消耗量减少,经本项目使用的是课题组研制的ZRD型自适应济性能提高。燃料点火器该点火器的工作原理是,当燃料转换开2.2.4模式间快速转换关置于天然气燃料档时,多路选通器选通未经单片天然气、汽油两用燃料汽车,在日常汽车的运行机延时的矩形波信号(原始信号)断电器闭合时,末中燃料之间的相互转换是必不可少的。原有的天然级三级管导通;断电器打开时,末级三级管截止。末气汽车要实现燃料之间的转换,少则用时几分钟,多级三级管由导通变为截止时,点火线圈初级绕组的则用钟:浩成德用中的不方便、燃料及时间电流突然断开,通过互感在点火线圈的次级绕组中上的中国煤化工。采用本控制系产生上万伏的高压电(即在矩形波的下降沿处产生统后CNMHG可以实现快速瞬高压电)。通过分电器使某缸火花塞跳火。时燃料的转换,即便在正常行驶当中的汽车也可以120中国公路学报2003年根据行驶状况的需要进行行进中燃料间的转换。性能下降的主要原因之一,因而,在不控制天然气进3试验研究气量的情况下采用汽油加浓其效果将不会太大,不仅理论上分析计算是如此,试验也得到了证实在试31汽油与天然气动力性能的比较验转速为1800r/min,天然气进气量一定,节气门为了对发动机燃用汽油与天然气的动力性能进全开,调整汽油的加浓量。虽然增加了汽油的加浓行比较,分别测取了CA6102汽油机以汽油为燃料和量,其结果是发动机的功率增加并不明显,并且功率以天然气为燃料时的外特性。在3000r/min时,汽油远低于燃用汽油时的功率。功率为89.5kW,天然气功率为65.3kW,天然气燃表1是经过多次优化后的减气加浓试验数据,料为汽油燃料功率的73%天然气较汽油外特性曲采用减气加油功率增加明显。表1中第4项功率最线功率损失达27%(图2)。由于天然气装置控制上的大能耗最低,以此作为设计点。不精确,以MJ/(kW·h)计的能耗率也上升表1多次优化后的减气加浓试验数据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加浓点的优化0013001800230028003300本课题技术方案采取的是当节气门开度增大到某一位置时进行汽油加浓并减少天然气的供入。因图2汽油、天然气螺料外特性曲线3.2增力阀对原机动力性能的影响研究而,加浓点的优化包括汽油的加入点与天然气的减在发动机以天然气为燃料工作时,增力电磁阁点。为了控制上的方便,汽油的加入点采用原化油断电,其针阀关闭化油器主量孔,同时使功率量孔的器的加入点,主要是从量上对其进行了优化天然气的减气点对天然气发动机动力性能的侠复是十分重开度减小,截断了对发动机主油道汽油的正常供给。增力阀对主量孔进行了重新设计,原理是通过通孔要的,减气点过早,会造成发动机动力性能不足、工的汽油流通面积等效于原化油器主量孔的面积。·作不稳定;减气点过晚,则会造成天然气消耗量增加,能耗过高。图4为1800r/min下测取的不同节其设计计算并不复杂,关键是新量孔对发动机性能气门位置对应的能耗率及空燃比曲线,可以明显地会产生什么样的影响。为此在原化油器上安装增力看出减气点应在节气门第5位置阀后首先进行了动力性能方面的测试,试验曲线见图3。由图3中试验曲线可见,安装增力阀后功率扭矩与原机相同,有效燃油消耗率下降3.5%。1510亠要,气系数增力阀节气门位置图4减气点优化35点火提前角的优化10001500200025003根据天然气与汽油燃料燃烧速度的不同所要求n/r. min"的点火提前角度不同口.课颗组研制的ZRD型自适图3安装增力阀前后的动力性能对比应燃中国煤化工动力性能进一步3.3汽油加浓量的优化提CNMHG安装ZRD型自适发动机进气量的减少是造成天然气发动机动力应燃料点火器后,发动机的功率、扭矩增大,3000/刘生全,等:提高天然气汽车动力性能的研究一无ZRD0002600图7直接档加速试验曲线图5自适应ZRD动力性能比较min时功率增加22kW能耗率平均下降2.6%试验研究结论为了检验技术方案及其控制系统的效果,在动力CNGCA6100汽油机与扬子江牌6980型客车上分别进行了发动机台架性能、汽车道路性能对比试验。41发动机台架性能试验试验结论:如图6所示,CA6102汽油机采用提图8起步加速试验曲线高动力性能及其控制装置后,外特性功率达到原机公里CNG消耗量为22.6m3,动力性能提高后百公的95%以上,3000r/min达到97.6%能耗率下降里汽油消耗量为2.8kg及CNG消耗量为16m23,采6.7%用动力性能提高措施后百公里CNG消耗量减少450?606.6m3,加入汽油量2.8kg天然气动力(4)天然气汽车可以动力、经济两种模式运行并且不同运行模式间能够实现快速转换300140(5)提高天然气汽车动力系统解决了天然气汽车起动困难问题,燃用天然气与燃用汽油时的起动性能完全相同,并且保持了汽油机汽车驾驶员起动时的习惯。0013001800230028003300(6)天然气辛烷值较高,可以依靠提高发动机压缩比的措施提高动力性能,但是,对于天然气、汽图6动力性能恢复前后的外特性对比油两用燃料汽车还不能实现。4.2汽车道路性能试验试验结论:参考文献:(1)试验车辆直接档25km/h加速到70km/h,[蔡凤田,汽车节能与环保实用技术[M]北京:人民交燃用汽油时间为38.49s;燃用CNG时间为63.34s,提高动力性能后时间为41.98s,动力性能提高后[2]张志沛汽车发动机原理[MJ大连:大连海运学院出加速时间缩短21.36s(图7)。版社,1993(2)试验车辆由0km/h加速到70km/h所用]刘生全张春化,司利增等LPG/汽油两用燃料汽车时间:汽油为40.78s、CNG为58.22s,提高动力性动力性恢复的研究[J汽车运输研究,1996,15(4);能后为40.88s,动力性能提高后与原车加速时间相当,较动力性能提高前时间缩短17.34s(图8)。[4] JOHN KUBESH, Effect of gas composition on octaneAs fuels「TsAE922359(3)试验车辆百公里汽油消耗量为184kg,百中国煤化工CNMHG