天然气汽车技术简介

天然气汽车技术简介

Introduction of Nature gas vehicles

【摘要】

本文简要地介绍了天然气汽车燃料供给系统结构，天然气汽车的燃料控制策略，以及相关的法规。

【Abstract】

This thesis introduce fuel supply systems, special control logic and some regulations of CNG vehicles.

【关键词】

天然气汽车, 燃料供给系统, 控制策略, 法规

【Key words】

CNG vehicle fuel supply system control logic regulations

1. 天然气汽车简介

1.1 天然气的物理特性

天然气是一种无色、无味的气体，主要成分是甲烷CH4，通常与其它石油产品一同生成，天然气中加入了加臭剂，这使得商业天然气有一种独特的气味。

天然气（NG）是一种高效、清洁、廉价的民用燃料和工业原料，常温常压下天然气比空气轻，其密度为0.6～0.74kg/m3，跟空气混合后的着火浓度范围为4.7％～15％，着火温度为650℃（汽油的着火温度为450℃）。当其泄漏时，天然气会很快挥发，不容易达到着火浓度，所以安全可靠。

压缩天然气（CNG）是以压缩状态储存的天然气。我国车用压缩天然气（CNG）的额定压力为≤20Mpa。

液化天然气(LNG)是在常压下将气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。

1.2 天然气汽车

天然气汽车（NGV）是指使用天然气作为燃料的汽车，具体分类如下：

两用燃料汽车（bi-fuel vehicle）——指既能燃用汽油又能燃用一种气体燃料，但两种燃料不能同时燃用的汽车。

单一燃料汽车（mono-fuel vehicle）——指只能燃用某一种气体燃料（LPG 或NG）的汽车，或能燃用某种气体燃料（LPG 或NG）和汽油，但汽油仅用于紧急情况或发动机起动用，且汽油箱容积不超过15L 的汽车。

双燃料汽车（dual-fuel vehicle）——使用代用燃料与传统燃料的混合物（例如柴油和天然气）的汽车。汽车有两套独立的燃料系统，两种燃料能同时注入发动机燃烧室。

所以，从这个意义上说，目前市面上比较普遍的“双燃料轿车”其实属于两用燃料汽车。

2.两用燃料汽车燃料供给系统及主要零部件介绍

图1 天然气燃料供给系统

天然气（CNG ）汽车燃料系统如图1.1所示，主要零部件包括：1.燃气ECU 、 2.气量显示器 、3.过滤器、 4.减压器、5天然气喷嘴、6.气瓶压力表（含传感器）、7.充气阀 8.高压钢管、9.气瓶 2.1 气瓶

轿车气瓶一般安装在车辆后备箱或者底盘下面，客车气瓶可以安装在客车底盘下或者车顶。气瓶上安装有气瓶阀，通过阀门可以控制气路的开启和关闭。同时，气瓶阀上还集成有各种保护功能（过流保护、温度保护、过压保护），保证车辆发生事故起火或气瓶受到撞击时，能够迅速泄压而不至于爆炸。

客车气瓶布置示例轿车气瓶布置示例国际上目前使用比较广泛的针对天然气气瓶的标准包括ISO11439和ECE R110.A.3等。

2.2 减压器

减压器是汽车燃气系统中的关键部件之一，它将储气瓶中的高压气体(20Mpa)降压，转变成一定压力（一般200-300kpa）的低压气体输出，供给燃气喷嘴。

气瓶阀减压器（两级）为了使燃气喷嘴的喷射压力恒定，在减压器上引入进气管压力作为参考压力，使减压器的输出压力与进气管内压力连动变化，保持压力差不变。

减压器按减压腔的个数可分为两级减压器和一级减压器。

减压器在一定的流量范围内，其输出压力应不随流量的增加而有较大的变化，以满足在发动机的所有工况下，喷射压力的稳定。

天然气在降压的过程中，会吸收大量热量，由于天然气中含有一定的水份，如不对其进行加热，可能会结冰堵塞管道，因此，减压器必须具有加热水道，用发动机冷却液对其加热。

在减压器进口端应设置电磁阀，来控制高压气路的通断，因为开启电磁阀所需的电流较大，ECU内部电路无法直接驱动，一般采取ECU控制继电器的通断，间接控制电磁阀的方法。

2.3 天然气喷嘴

喷嘴的内部有一组电磁阀，中心是密封的阀芯，阀芯在处于其正上方的弹簧的作用下保持关闭状态，当电磁线圈有电流通过时，产生磁场，克服弹簧压力和气体力的压力差，迅速提升阀芯从而打开喷嘴供气，当磁场消失时喷嘴在弹簧和气体压差作用下关闭喷嘴，所以ECU可以通过控制喷嘴保持打开的时间可以精确控制喷气量。喷嘴喷出的天然气质量与其开起的时间成线性关系。

峰值-保持图形天然气喷嘴（含燃气温度压力传感器）需要特别注意的是，由于天然气是气体，密度小，从喷嘴喷出的体积流量要很大才能满足发动机的要求。因此，天然气喷嘴的阀芯直径与汽油喷嘴针阀直径相比大很多，相应的驱动电流也要很大，才能提高喷嘴的响应速度，提高喷射精度。目前驱动喷嘴均采用“峰值保持”型的驱动方法，即通过一个峰值保持电路，将ECU的喷射信号发大，以3-6A的电流打开喷嘴，喷嘴打开后，电流迅速下降到1A左右，采用PWM信号维持喷嘴开起。这样既能起到快速开起喷嘴，又避免因喷嘴及ECU长时间在大电流下工作过热而影响使用寿命，如上图所示。

2.4 其他零部件

天然气ECU 充气阀高压钢管和卡套式接头

燃气过滤器燃气压力温度传感器气瓶压力表（集成传感器）3.天然气燃料特性及相应的控制策略

峰值电流

保持电流

3.1 动力性方面

因为天然气是气体燃料，在与空气形成混合气时，会占据一部分体积，从而降低了发动机的充气效率；同时天然气的混合气热值又低于汽油，所以在不对发动机进行任何改动的前提下，发动机燃用天然气的最大功率和扭矩与燃用汽油相比，要下降15%-20%。这部分功率损失是由于燃料特性决定的。

改善天然气发动机的动力性可以从以下几个方面入手：

1）因为天然气的抗爆性很好，辛烷值在130左右，所以可以通过增大压缩比的方法提高发动机功率。目前汽油机的压缩比普遍在10左右，而天然气发动机的压缩比可以提高到12。通过提高压缩比，动力性方面可以有6%左右的提高。但是该方法一般只适用于单一燃料发动机，对于两用燃料发动机，为了兼顾燃用汽油时的性能，一般不对压缩比进行改动。

2) 因为天然气燃烧火焰传播速度低于汽油,且天然气的辛烷值比汽油高，所以适当增大点火提前角（一般5-10度），也可以使动力性改善5%左右。

3.2 驾驶性方面

天然气的燃烧区间与汽油不同，汽油的燃烧区间是0.7

所以，天然气无法像汽油一样通过加浓达到增大功率的效果，相反，在lambda小于0.9时，会发生严重的失火现象，导致转速波动，驾驶性差，排温升高。在使用天然气时，要保持混合气一直在当量空燃比附近，同时也不应使用催化器保护加浓、功率加浓等功能。

因为天然气是气体，在起动和过渡工况时，不存在湿壁效应和油膜补偿。所以发动机在汽油—天然气两种燃料之间切换的时候，需要考虑到这一差异，对喷油脉宽进行过渡控制，才能保证切换的平顺性。

因为天然气是气体，其密度随压力和温度变化很大，所以必须增加一个气体压力/温度传感器（类似于进气温度压力传感器），引入密度补偿控制策略，以精确控制喷射的燃气质量。

3.3 排放性方面

目前的两用燃料汽车普遍采用的是当量空燃比闭环控制+三元催化的排放控制方法。

汽油的成分为多链烷烃，其的C-C键比较容易催化断裂；而天然气的主要成分为甲烷CH4，其分子结构全部为非常稳定的C-H键；不易催化断裂。故反应：

HC+O2→CO2+H2O

HC+H2O→CO+H2

不易发生，从而导致还原剂CO和H2的排放量较少，进而导致NOX不易被催化。所以对于天然气，空燃比控制应该适度偏浓（一般在0.98-0.99），从而生成较多的CO，作为还原剂还原NOX。对于HC的催化，很大程度上需要看催化器的水平，匹配只能发挥有限的作用。一般来说，增加贵金属含量，提高催化器储氧能力，增加载体目数，降低流速，有益于氧化反应的发生，降低HC的排放。

经实践证明，选用合适的催化器，并通过对匹配数据的优化，CNG汽车的排放水平可以满足欧四水平。而且，因为天然气中碳元素含量低于汽油，所以燃用天然气的CO2排放较汽油下降25%左右，对于减少温室气体排放有着重要的意义。

3.4 零部件诊断方面

为了保证车辆运行天然气时的安全性，需要对相关的传感器和执行器进行故障监控，如发现有故障发生，需要立即停止使用天然气，切换回汽油，并关闭电磁阀，防止天然气泄漏。需要诊断的部件包括：

燃气温度压力传感器、压力表、电磁阀继电器、燃气喷嘴、高压电磁阀继电器等。

4. 天然气汽车相关法规

4.1 安全性方面

国内外对天然气汽车零部件和整车的安全性都有很高的要求。国际上普遍使用的天然气汽车安全性相关标准包括：

ECE-R110 欧盟关于天然气汽车的标准法规，其中包含对天然气汽车相关零部件的要求，也包含了天然气汽车总体布局安装方面的要求。ECE-R110的认证基本是可以在全球范围获得认可。需要注意的是，ECU作为天然气燃料供给系统的一部分，也在法规要求之内。

ISO-15500 国际标准化组织ISO关于天然气汽车的法规，主要是零部件相关。

ISO-11439 国际标准化组织ISO关于压缩天然气气瓶的标准。

ISO15500.pdf ECE R110.pdf

4.2 排放方面

根据《GB 18352.3—2005 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》中有关于两用燃料汽车的要求，对于两用燃料汽车，需要进行的试验包括：

—Ⅰ型试验，

—Ⅲ型试验，

—Ⅴ型试验，

—双怠速试验，

—车载诊断（OBD）系统试验。

Ⅳ型和Ⅵ型试验只针对汽油进行即可。

值得一提的是，对于Ⅰ型试验，法规中并未明确排放试验时从油到气的切换时间。只是在IA.3.2中提到“当选择LPG或NG作为燃料时，允许发动机以汽油起动，经事先确定的时间后，自动（不由司机控制）切换至LPG或NG。”

4.3 EOBD方面

《GB18352.3-2005》I.3.9.1 中提到：

对于两用燃料车，应分别执行汽车燃用汽油或气体燃料时的以下规程：

—激活故障指示器（MI）（见I.3.5）

—故障代码储存（见I.3.6）

—熄灭MI（见I.3.7）

—清除故障代码（见I.3.8）

当汽车燃用汽油时，不得影响汽车燃用气体燃料时所得到的上述任一规程的结果。当汽车燃用气体燃料时，不得影响汽车燃用汽油时所得到的上述任一规程的结果。

另外，在《轻型汽车车载诊断(OBD)系统管理技术规范》中4.7.5 提到：对于两用燃料车的OBD 系统，汽车燃用汽油和气体燃料状态时都应达到监测要求。