汽油/CNG兩用燃料汽車燃料模式對比及標定優化

嚴聰聰

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

我國現使用天然氣的汽車大多為搭載汽油/CNG兩用燃料發動機的汽車。在汽油/CNG兩用燃料汽車的工作過程中，為保證汽油的正常使用，原車的發動機壓縮比不能變，依然為原狀態的9.0左右，但是使用天然氣時的最佳壓縮比為13.5左右[1]，這就導致了在CNG模式時發動機的功率、扭矩、排溫及振動與汽油模式的差異。對此，電控系統需對排放和車載診斷（OBD）系統進行2種模式下的對比優化標定，以滿足整車排放及OBD系統的法規要求。

1 汽油/CNG兩用燃料發動機電控系統原理

電控燃氣噴射兩用燃料發動機閉環電控系統的工作原理[2]，如圖1所示。電噴發動機上裝有一個汽油電控單元（ECU），電控單元接收各種信號并進行分析，閉環控制每一個工作循環的噴油量及最佳的點火時刻。在汽油噴射時，ECU會接收氧傳感器反饋來的信號，從而使發動機保持正常的工作狀態。當發動機在CNG模式下工作時，燃氣電控單元（GCU）只是對燃料的供給過程進行控制，每一個工作循環的噴氣量由該工況下的噴油量轉換而來，而點火控制依然由ECU來完成。而對于整車電控系統的標定就需要綜合2種燃料模式下的工作特點對2種電控系統分別進行匹配標定，以滿足整車開發的要求。

圖1 汽油/CNG兩用燃料發動機閉環電控系統的工作原理

2 汽油/CNG 2種模式工作時對比分析及標定優化

2.1 汽油/CNG 2種模式功率和扭矩的對比

對汽油/CNG兩用燃料汽車的工作模式進行對比分析：1）天然氣是氣體燃料，充氣效率比汽油低；2）天然氣可燃混合氣的熱值比汽油低；3）天然氣的著火溫度比汽油高；4）天然氣燃氣層流火線傳播速度比汽油低。這些因素造成了使用天然氣較使用汽油時的最大功率和扭矩會有所下降，特別是高轉速時下降得比較厲害。圖2示出某發動機使用汽油和天然氣時的外特性曲線。

圖2 汽油/CNG發動機外特性比較

2.2 汽油/CNG 2種模式對OBD系統實際監測頻率（IUPR）的影響分析

近年來輕型車中國第五階段排放法規在多個城市全面推廣，IUPR對于各個整車廠來說已不再陌生，國家汽車強檢部門也已將IUPR列為公告認證的必須項，而兩用燃料汽車的IUPR也成為了各主機廠的研究對象。

OBD系統某一特定監測的IUPRM[3]為：

式中：分子計數器M——整車OBD系統中某項檢測的次數；

分母計數器M——中國第五階段排放法規定義的駕駛循環的數量。

現階段國家強檢機構對其的檢測主要通過NEDC循環（如圖3所示）中分子分母各項正常加1來實現。但是，國Ⅴ標準中也對整車道路行駛時的IUPR有明確要求，即IUPR＞0.1，該項的檢測方式是通過在后期的市場用車中進行抽檢來確定是否達標，所以目前各大汽車廠將IUPR的NEDC循環試驗及路試試驗都列入了整車開發試驗的計劃中。

圖3 國Ⅴ排放法規強檢循環（NEDC循環）

汽油/CNG兩用燃料汽車工作時，由于發動機使用燃料的不同，使得同一行駛狀態下的負荷不同，如圖4所示，而OBD系統中進排氣可變氣門正時系統（VVT）、前氧傳感器、后氧傳感器、催化器及廢氣再循環（EGR）等系統的檢測都與整車的行駛狀態及負荷有關。一般情況下，兩用燃料汽車在2種燃料模式下對OBD的監測只生成1個頻率，負荷的差異就必然影響到整車OBD各項的IUPR，以致對最終的IUPR造成影響，甚至使之無法達到國Ⅴ法規要求。因此，在兩用燃料汽車OBD系統標定匹配時就需要進行詳細的分析和研究，對其中各分子項的檢出條件進行相應的修正，來保證OBD系統的正常工作。

圖4 兩用燃料汽車相同行駛狀態汽油/CNG 2種模式負荷對比

2.3 汽油/CNG 2種模式下整車排放對比分析及標定優化

由于汽油與天然氣在化學成分及物理狀態上的差異（汽油是以辛烷值為標準定義，即C8H18，常溫下為液態；而天然氣的主要成分為甲烷，即CH4，常溫下為氣態），使得它們在同質量燃燒時需要的空氣量不同且同一氣缸內產生的壓力不同，同時由于噴氣系統的噴射延遲，往往會造成混合氣燃燒時過稀，從而對NOx的排放影響比較大。為改善此問題，就需要通過氧傳感器反饋信號對混合氣的濃稀進行相應的閉環控制：GCU通過分析ECU接收到的前氧傳感器的反饋信號，進行空燃比反饋的處理，根據不同的工況在空燃比反饋偏濃方向加上不同的延遲時間，最后結合ECU發來的噴油脈寬合成最終的噴氣脈寬信號輸出給燃氣噴嘴，以達到修正混合氣濃度的目的，從而優化排放。圖5示出針對某國產汽油/CNG兩用燃料車型通過標定優化前氧傳感器反饋信號，調節混合氣濃稀后的NOx瞬態排放結果對比。最終的NOx排放量由原來的0.072 g/km降至了0.026 g/km，低于強檢機構的一次通過值（0.027 g/km）。

圖5 汽油/CNG兩用燃料車標定優化前后瞬態NOx排放對比

2.4 汽油/CNG 2種模式下排溫對比分析及氧傳感器加熱的標定優化

相對于汽油模式，兩用燃料汽車在天然氣模式工作時功率的損失及缸內壓力的降低，必然會對發動機排溫及催化器的溫度造成影響，表1示出某汽油/CNG兩用燃料車型在2種燃料模式工作時的排溫及催化器溫度的對比（以負荷70 kPa為例）。

表1 2種模式下發動機排溫及催化器溫度對比（負荷70 kPa）℃

從表1可以看出，CNG模式要比汽油模式時的排溫和催化器溫度平均低40℃左右，溫度偏差隨著工況的變化而變化，與之相關的氧傳感器活性受到了影響。氧傳感器在發動機工作時起著重要的作用，它幫助發動機進行閉環控制，使混合氣能夠在氣缸內完全燃燒，從而影響整車的排放及油耗。整車前后氧傳感器的正常工作溫度一般在300℃以上，而本案例中使用的氧傳感器的最佳活性溫度為650℃（前氧）和550℃（后氧），具有自加熱的功能，隨著工況的變化，其自加熱的時間周期發生變化。因此，針對汽油/CNG兩用燃料汽車的工作特點，就需要對氧傳感器的加熱模型進行重新的匹配標定，根據工況的變化，相應的增加氧傳感器的加熱時間，保證其能工作在最佳活性的溫度區域，使閉環控制正常進行。

2.5 汽油/CNG 2種模式下振動對比分析及失火標定優化

對于汽油/CNG兩用燃料汽車而言，CNG模式的實現必然要在發動機加裝相應的天然氣裝置，比如氣軌及穩壓閥等，加之發動機輸出功率及扭矩的變化，必然會對發動機的振動產生影響。而大多數OBD系統中對于失火的診斷都是通過檢測發動機的振動來完成的，不同的振動幅度及頻率被定義成了壞路和失火2種模式。一般而言，失火診斷的振動幅度要大于壞路診斷，同時還要兼顧前一時刻和后一時刻振動的變化，進行相應的判定分析。

而在汽油/CNG2種燃料模式下工作時，發動機振動幅度的偏差顯然已經影響到了失火和壞路的診斷。以國內某兩用燃料車型為例，在發動機的特定工況下，轉速為800 r/min、負荷為40 kPa，汽油模式下曲軸轉360°的壞路工況時的振動幅度是34.6°，轉速波動約為40 r/min，失火工況時的振動幅度是70.5°，轉速波動約為160 r/min；CNG模式下曲軸轉360°壞路工況時的振動幅度是30.6°，轉速波動約為30 r/min，失火工況時的振動幅度是60.5°，轉速波動約為110 r/min。不難看出，無論是壞路工況還是失火工況，CNG模式時的振動幅度都要小于汽油模式。圖6示出該車型發動機轉速在800 r/min、負荷為40 kPa工況，汽油/CNG 2種模式失火時發動機振動的對比。

圖6 汽油/CNG 2種模式失火的發動機振動對比（發動機轉速800 r/min，負荷40 kPa）

對此就需要根據發動機的燃料模式，對失火判定限值及壞路判定限值分別進行匹配標定。例如：燃油模式下，在轉速為800 r/min、負荷為40 kPa的工況，壞路的判定值為振動幅度在28°，失火判定值為振動幅度在62°，那么燃氣模式下壞路和失火的判定值就應該做相應的調整，應分別為24°和52°。其他工況以此類推進行標定匹配，以保證失火檢出的正常工作。

3 結論

文章對汽油/CNG兩用燃料汽車在2種燃料模式下的功率、扭矩、排溫、振動及IUPR進行了對比，并做了差異產生的原因分析，根據分析結果，提出了優化排放、氧傳感器加熱和失火的標定策略，從而使兩用燃料汽車的排放及OBD系統能夠滿足國家法規及用戶的需求。

同時隨著汽油/CNG兩用燃料汽車的日益增多，各整車廠對其電控系統的研究也會更加深入，進而克服由于燃料模式造成的動力損失、排放超標和OBD檢出異常等諸多難點，使汽油/CNG兩用燃料車更快更穩地融入市場。