天然氣汽車氣耗測試技術研究

梁晨 李會民 宋尚斌

摘要：本文對天然氣汽車燃氣發(fā)動機系統(tǒng)原理進行分析，并根據(jù)其特點設計燃氣汽車氣耗測試方案。之后選取了一輛天然氣牽引汽車，依據(jù)《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》標準中的道路等速、加速以及怠速試驗工況進行實際測試。測試結果具有很好的重復性和可復現(xiàn)性，表明測試方案及方法合理性和適用性，能夠真實反映燃氣汽車氣耗量。

關鍵詞：天然氣汽車;氣耗;測試模塊;氣體流量計;測試工況

中圖分類號：U467.1

文獻標識碼：A

0引言

隨著對環(huán)保問題的日益關注，國內(nèi)各大汽車廠商為了降低汽車排放對環(huán)境的污染，紛紛采取各種策略。其中一項重要技術方向，便是開發(fā)和改造實用的壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG）汽車。經(jīng)過多年的技術開發(fā)和方案改進，目前燃氣汽車在技術上已趨于成熟，也在逐步商品化，市場的保有量也在逐步增長。因為燃氣汽車是以天然氣為燃料，所以排放的二氧化碳（CO2）和碳氫化合物（HC）比傳統(tǒng)的燃油汽車少很多。

而對于用戶來說，他們更關心的是燃氣汽車的經(jīng)濟性，即氣耗量問題[1-2]。

1測試方案設計1.1氣耗測試原理

燃氣汽車主要指LNG汽車和CNG汽車，它們的燃料主要成分均為甲烷，汽車儲能裝置一般為儲氣瓶。CNG汽車儲氣瓶壓力一般不超過30MPa，LNG汽車因為儲氣瓶儲存低溫下的液化天然氣，所以壓力更低。燃氣汽車的天然氣燃料從儲氣瓶經(jīng)過氣化器（LNG汽車）、減壓閥、穩(wěn)壓器和濾清器等裝置，進入發(fā)動機氣軌總成，在發(fā)動機ECU控制下與空氣形成的混合空氣進入發(fā)動機燃燒作功。

根據(jù)氣體燃料流經(jīng)線路，可將氣耗流量傳感器裝置安裝于最接近發(fā)動機進氣口位置，即濾清器之后、發(fā)動機氣軌總成之前。這樣可以盡量減少氣路管路壓力以及流速調(diào)節(jié)變化等因素，造成的氣體流量超前或者滯后。

此外，燃氣發(fā)動機在燃料管路流向上，與燃油發(fā)動機有供油管路和回油管路有所不同。燃氣發(fā)動機氣體管路僅有供氣管路，無回氣管路。氣體燃料經(jīng)過發(fā)動機消耗后經(jīng)過渦輪增壓器（如配備）、尾氣后處理等直接排入大氣[3]。因而在氣體流量測量方面，僅需在供氣管路串聯(lián)一個氣體質量流量計即可。

1.2測試模塊

燃氣汽車整車氣耗測試分為3個模塊：1氣體流量計測數(shù)量模塊;2數(shù)據(jù)采集模塊;3上位機數(shù)據(jù)處理模塊。其中，氣體流量計測數(shù)量模塊主要根據(jù)燃氣汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的氣電特性進行設計，包括進氣管路接入點選擇、適用壓力范圍、氣體流量及精度選擇等方面的考慮。數(shù)據(jù)采集模塊主要針對測試需求，選擇道路測量還是轉股測量，以及氣體流量計輸出信號的類型等。

目前絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能強大，可完成直流、交流、脈沖和碼盤等信號的采集。上位機處理模塊主要將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后進行后臺二次處理，或者實時對數(shù)據(jù)進行濾波、計算等處理。整車氣耗測試模塊設計如圖1所示。

1.3流量計選擇

根據(jù)整車測試模塊設計要求，測試模塊的進氣口端應具有壓力調(diào)節(jié)功能，出氣口端具有消除氣壓脈沖的穩(wěn)壓功能（發(fā)動機特性）。當氣耗測試模塊連接在近CNG氣瓶處時（圖2a），可手動打開壓力調(diào)節(jié)器;當氣耗測試模塊連接在近發(fā)動機處時，可手動關閉壓力調(diào)節(jié)器（圖2b）。而當氣耗測試模塊靠近發(fā)動機端時，發(fā)動機不同缸體進氣特性導致氣耗量呈現(xiàn)脈沖式需求，給瞬時測量帶來波動，因而需要對氣耗的脈沖進行平滑處理，即需要氣壓脈沖穩(wěn)壓器進行平滑處理[4]。

1.4測試評價指標

由于測試模塊需滿足車載測試要求，因此應滿足車載工作電壓供電要求，工作電壓采用直流10～30V。輸出信號選擇RS485串口通信，發(fā)送采集信息至上位機，可供測試工程師后續(xù)數(shù)據(jù)處理。根據(jù)大多數(shù)天然氣汽車設計原理，可以制定氣耗量測試模塊流量計量程、壓力范圍等多項指標（表1），然后根據(jù)相應指標選型。

2測試結果及分析2.1測試工況

根據(jù)JT/T711-2016《營運客車燃料消耗量限值及測量方法》和JT/T719-2016《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》的要求，分別對車輛進行道路等速工況和加速工況測試。進行等速工況測試時，控制加速踏板，保持車輛分別以40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、75km/h、80km/h、90km/h和95km/h勻速行駛（誤差1km/h），測量車輛行駛500m的累計燃料消耗量，工況如圖3所示。

進行加速工況測試時，保持車輛在48～50km/h（或58～60km/h）行駛至少5s，然后將加速踏板踩到底，車輛加速行駛。當車速到達70～72km/h（或者80～82km/h）時，松開加速踏板，測量車輛以50～70km/h（或60～80km/h）行駛的距離和燃料消耗量，工況如圖4所示。

2.2試驗樣車

選取一輛型號為XX4250GD5N1的燃氣半掛牽引汽車進行測試，樣車搭載了型號為XX6K1344N-50的CNG發(fā)動機，及型號為12JSD200TA-B的12擋手動變速器。樣車基本參數(shù)如表2所示。

2.3測試結果及分析

樣車開始試驗前充分預熱，即以60km/h速度行駛30min，觀察樣車冷卻液溫度達到80°C以上方可開展后續(xù)檢驗工作。如此時樣車冷卻液溫度仍低于80°C，再進行10min的60km/h等速行駛，然后可開展樣車的等速油耗檢驗工作。

等速試驗時，手動變速器置于最高擋位，在各試驗車速下，保持樣車平穩(wěn)行駛一段時間后，開始測量通過500m的燃料消耗量，記錄樣車通過該段距離的時間和燃料消耗量。每個試驗車速在測試路段上往返測量3～5組，選擇集中度較好的2組作為最終試驗數(shù)據(jù)。

加速試驗時變速器置于次高擋（速比為1）。加速前，車速應控制在58～60km/h（或48～50km/h）保持勻速行駛至少5s，然后快速將加速踏板踩到底，同時開始測量;車速達到80km/h（或70km/h）測量結束，記錄加速過程中的燃料消耗量、加速時間和距離以及起始和終止速度等測量結果。每個試驗車速在測試路段上往返測量3～5組，選擇集中度較好的2組作為最終試驗數(shù)據(jù)[5]。

經(jīng)測試及篩選，樣車的等速500m氣耗量、加速50～70km/h氣耗量以及怠速300s的氣耗量測試結果如表3所示，分組測試報告如圖5和圖6所示。

根據(jù)氣耗量測試結果及天然氣組分測試報告，可計算出在標準狀態(tài)下的百公里氣耗量（單位：m3/100km）。由于每立方米天然氣的發(fā)熱量與柴油或汽油的發(fā)熱量不同，因而適用氣耗量的單位無法與柴油或汽油油耗相比較。為此，可根據(jù)每立方米天然氣的發(fā)熱量與每升柴油燃料的發(fā)熱量進行比較，建立等效的評價方法。天然氣標準參比條件低位發(fā)熱量可按照天然氣分析報告數(shù)值或者氣體摩爾組分及相應各組分發(fā)熱量計算得出。一般情況下，真實氣體和理想氣體產(chǎn)生的發(fā)熱量誤差非常小，可按照理想氣體進行近似計算。

各組測試氣耗量與當量柴油消耗量換算如表4所示。需要說明的是，表中除了怠速工況氣耗量以質量每小時或者體積每小時衡量，等速工況及加速工況均以質量每小時或體積每百公里衡量。計算過程中，使用參數(shù)包括氣耗測試報告中的天然氣密度為0.7202kg/m3，天然氣低位發(fā)熱量為35.956MJ/m3，柴油低位發(fā)熱量選取46.030MJ/kg，柴油密度為0.830kg/L，經(jīng)計算天然氣當量柴油消耗量系數(shù)為0.9412。

3結束語

（1）本研究采用氣體質量流量計，能夠有效測量天然氣汽車道路試驗工況的氣體消耗量，通過氣體質量流量計的接入位置選擇發(fā)動機低壓進氣口，可以有效改善氣體在管路壓縮及調(diào)壓造成的超前或滯后。

（2）根據(jù)等速測試工況與加速測試工況試驗數(shù)據(jù)可以看出，等速測試工況每次測試結果一致性較好。經(jīng)過多次測量結果，剔除分散性較大的數(shù)據(jù)點，剩余數(shù)據(jù)可以滿足部分標準對一致性的要求。但是加速工況由于駕駛員自踩下加速踏板到發(fā)動機控制單元（ECU）控制進氣系統(tǒng)做出響應，中間人為因素較為不可控，測量數(shù)據(jù)一致性較差。這可以通過提前踩下加速踏板的方法彌補加速工況測試數(shù)據(jù)一致性差的缺點，試驗數(shù)據(jù)有待進一步測試研究。

（3）本文作者長期從事各種車輛的能耗測試工作，已收集了大量不同車型的能耗測試數(shù)據(jù)。從等速加速及怠速整體測量的柴油當量燃料消耗量數(shù)值與傳統(tǒng)柴油車油耗數(shù)據(jù)比較可以看出，天然氣汽車的燃料消耗量偏大，經(jīng)過反復測量此種現(xiàn)象仍然存在?？梢猿醪酵茢噙@可能是由于柴油發(fā)動機熱效率高于天然氣汽車熱效率造成。

參考文獻】

[1]黨永浩.天然氣發(fā)動機燃氣供給系統(tǒng)綜述[J].鐵道機車車輛，2011，31（S1）：83-86.

[2]李躍平.壓縮天然氣汽車的試驗研究[J].汽車研究與開發(fā)，2001（04）：27-32.

[3]黃海波.燃氣汽車結構原理與維修[M].北京：機械工業(yè)出版社.2004.

[4]GB/T29125-2012壓縮天然氣汽車燃料消耗量試驗方法[S].

[5]JT/T719-2016營運貨車燃料消耗量限值及測量方法[S].

作者簡介：

梁晨，本科，工程師，研究方向為汽車運用。

李會民，本科，高級工程師，研究方向為汽車運用。

宋尚斌，碩士，高級工程師，研究方向為汽車運用。