天然氣汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程與展望

張?jiān)? 莫德赟 蔡妍

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，汽車日益普及，對(duì)汽油、柴油的消耗大幅增加，機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境及能源形勢(shì)也產(chǎn)生了極大的影響。推進(jìn)新能源、新技術(shù)的研究探索，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章對(duì)國(guó)內(nèi)外在天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方面的技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行論述，并分析了天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：汽油;天然氣;兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī);汽車

中圖分類號(hào)：U464.173? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）12-0106-02

一、引言

汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)發(fā)展有著非常重要的意義，對(duì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、繁榮經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、改善生活有著舉足輕重的作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能優(yōu)化提升、能源來(lái)源多樣化、汽車尾氣排放污染減少方面，以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)是一種行之有效的方法。其中，天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是天然氣汽車的類型之一，是混合動(dòng)力汽車的一種，其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。

二、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車在國(guó)際國(guó)內(nèi)的發(fā)展

國(guó)際上，最先將天然氣作為燃料應(yīng)用在汽車上的是意大利，隨后，新西蘭在國(guó)內(nèi)大力推廣將天然氣作為燃料的汽車。隨著能源開發(fā)技術(shù)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，美國(guó)、意大利、阿根廷、伊朗等國(guó)家越來(lái)越重視推廣使用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車。

三、天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的發(fā)展歷程

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車類型中，有天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣/柴油雙燃料混合發(fā)動(dòng)機(jī)、液化天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)等類型。其中，天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在公共汽車和出租汽車中的應(yīng)用較為廣泛。天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料是汽油和天然氣，兩種燃料獨(dú)立工作，不能混合。為了進(jìn)行燃料供給，這類發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上裝配了兩套燃料供給系統(tǒng)，分別但不同時(shí)向發(fā)動(dòng)機(jī)提供汽油、天然氣等燃料，因而，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料可以是純汽油，也可以是壓縮天然氣（CNG）。

（一）天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車在國(guó)際上的研究

在日本，由本田和NGK公司聯(lián)合，開展了排氣氧傳感器及其催化劑的專項(xiàng)研究，開發(fā)出天然氣專用氧傳感器，并就使用壽命這一指標(biāo)，針對(duì)該型號(hào)的氧傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)，在響應(yīng)特性、壽命等參數(shù)指標(biāo)上，天然氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的該型號(hào)氧傳感器和普通汽油機(jī)的氧傳感器所表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)幾乎一致，沒有特別明顯的差別。這個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果意味著，天然氣和汽油兩種燃料共用同一排氣氧傳感器是可行的。

在美國(guó)，通過(guò)改裝2.2L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，將其變?yōu)樘烊粴?汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，以此優(yōu)化動(dòng)力控制模塊，期望獲得在任何工況條件下均能獲得最佳的點(diǎn)火時(shí)間節(jié)點(diǎn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作是在IMPCO與通用汽車公司通力合作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其基本過(guò)程主要是，天然氣在與空氣混合之前，必須經(jīng)由減壓器減壓，經(jīng)過(guò)混合器，再通過(guò)進(jìn)氣總管，與空氣混合，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸。這個(gè)過(guò)程中，是利用氣管壓力和當(dāng)前轉(zhuǎn)速的測(cè)試計(jì)算獲得數(shù)據(jù)，控制天然氣的噴氣量，依靠調(diào)整控制混合器上電磁閥的開度實(shí)現(xiàn)。為了得到最優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，單獨(dú)安裝一套天然氣供給控制系統(tǒng)并不是解決問(wèn)題的最優(yōu)辦法。建立動(dòng)力控制模塊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與天然氣電子控制單元的通信信息共享，這樣天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)：在天然氣燃料工作模式下，天然氣電子控制單元、怠速步進(jìn)電機(jī)、點(diǎn)火提前、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)等都處于動(dòng)力控制模塊的智能管理模式，而在電子控制單元中，還集成了自學(xué)習(xí)模塊。使用天然氣作為燃料后，通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，NMOG的排放下降了66%，CO的排放下降了34%，NOX的排放下降了41%。

（二）天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車在國(guó)內(nèi)的研究

在國(guó)內(nèi)，天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的技術(shù)發(fā)展主要基于兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械式混合器、電控混合器，發(fā)展到以多點(diǎn)順序噴射系統(tǒng)為基本構(gòu)成的控制系統(tǒng)。

機(jī)械式混合器常用于由化油器發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的汽車上。天然氣通過(guò)二級(jí)減壓器從高壓氣體降為常壓氣體，其負(fù)壓隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速而發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的天然氣的進(jìn)氣量進(jìn)行控制。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該系統(tǒng)存在進(jìn)氣量分配不均、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損耗較大、調(diào)節(jié)精度不高等缺陷。

電噴發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)后，電控混合器隨之出現(xiàn)。該類型的機(jī)構(gòu)既可用于電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝，還可用于化油器發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝。該類型產(chǎn)品的天然氣進(jìn)氣量的控制由發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓控制，為提高控制精度，專門設(shè)置了相應(yīng)的輔助供氣系統(tǒng)或步進(jìn)電機(jī)，依據(jù)節(jié)氣門位置、轉(zhuǎn)速、氧傳感器等信號(hào)反饋的檢測(cè)數(shù)據(jù)，控制調(diào)節(jié)天然氣的進(jìn)氣量，保證基于不同的工作狀況，獲得合適空燃比的混合氣。相對(duì)機(jī)械式混合器而言，電控混合器的控制精度明顯高于機(jī)械式混合器，排放指標(biāo)也相應(yīng)提高，且電控混合器可與三元催化凈化裝置、閉環(huán)控制系統(tǒng)相匹配，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)配氣閥來(lái)調(diào)節(jié)天然氣的供氣量，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)以理論空燃比工作。但是，該系統(tǒng)存在控制精度降低、響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)、總體排放降低等問(wèn)題。該問(wèn)題出現(xiàn)的原因是，電控混合器將慣性環(huán)節(jié)引入發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制環(huán)節(jié)，同時(shí)，電控混合器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵谶M(jìn)氣道中設(shè)計(jì)增加了氣阻，從而使得系統(tǒng)的充氣效率變低。

四、天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的發(fā)展趨勢(shì)

（一）政策支持到位

國(guó)家對(duì)新能源車輛發(fā)展的扶持政策不斷出臺(tái)，在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面的立法與整治力度也不斷加強(qiáng)。相應(yīng)的天然氣燃料生產(chǎn)企業(yè)在提高自身產(chǎn)能、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面有較大突破，天然氣的產(chǎn)量和品質(zhì)不斷提高。

（二）技術(shù)突破有力

天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定使用天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料后發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的情況;對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析影響天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的因素，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能，降低排放污染物濃度;通過(guò)數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，確定最佳匹配參數(shù)，使天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)。

（三）市場(chǎng)前景廣闊

天然氣/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在汽油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，其技術(shù)難度不高，改裝成本較低，后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)便利，易于大面積推廣，特別是在城市出租汽車、公共汽車等領(lǐng)域，相較電動(dòng)汽車而言，其續(xù)航里程及能源補(bǔ)充更具優(yōu)勢(shì)。

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