天然气汽油两用燃料发动机的发展历程与展望
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作者:张云 莫德赟 蔡妍
摘要：随着社会的发展与进步，汽车日益普及，对汽油、柴油的消耗大幅增加，机动车尾气排放对环境及能源形势也产生了极大的影响。推进新能源、新技术的研究探索，具有十分重要的现实意义。文章对国内外在天然气/汽油两用燃料发动机方面的技术发展历程进行论述，并分析了天然气/汽油两用发动机的发展与应用趋势。
关键词：汽油;天然气;两用燃料发动机;汽车
中图分类号：U464.173 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）12-0106-02
一、引言
汽车工业的发展对人类社会发展有着非常重要的意义，对促进科学技术进步、繁荣经济活动、改善生活有着举足轻重的作用。在发动机的各项性能优化提升、能源来源多样化、汽车尾气排放污染减少方面，以天然气为燃料的发动机是一种行之有效的方法。其中，天然气/汽油两用燃料发动机是天然气汽车的类型之一，是混合动力汽车的一种，其在汽车领域的应用逐渐增多。
二、天然气发动机汽车在国际国内的发展
国际上，最先将天然气作为燃料应用在汽车上的是意大利，随后，新西兰在国内大力推广将天然气作为燃料的汽车。随着能源开发技术、汽车发动机技术的不断发展，美国、意大利、阿根廷、伊朗等国家越来越重视推广使用天然气发动机的汽车。
三、天然气/汽油两用燃料发动机汽车的发展历程
天然气发动机汽车类型中，有天然气发动机、天然气/汽油两用燃料发动机、天然气/柴油双燃料混合发动机、液化天然气发动机和天然气掺氢发动机等类型。其中，天然气/汽油两用燃料发动机在公共汽车和出租汽车中的应用较为广泛。天然气/汽油两用燃料发动机的燃料是汽油和天然气，两种燃料独立工作，不能混合。为了进行燃料供给，这类发动机的结构上装配了两套燃料供给系统，分别但不同时向发动机提供汽油、天然气等燃料，因而，发动机的燃料可以是纯汽油，也可以是压缩天然气（CNG）。
（一）天然气/汽油两用燃料发动机汽车在国际上的研究
在日本，由本田和NGK公司联合，开展了排气氧传感器及其催化剂的专项研究，开发出天然气专用氧传感器，并就使用寿命这一指标，针对该型号的氧传感器进行实验测试研究。在实验测试结果的基础上，研究人员发现，在响应特性、寿命等参数指标上，天然气/汽油双燃料发动机的该型号氧传感器和普通汽油机的氧传感器所表现出来的特点几乎一致，没有特别明显的差别。这个实验测试结果意味着，天然气和汽油两种燃料共用同一排气氧传感器是可行的。
在美国，通过改装2.2L汽油发动机汽车，将其变为天然气/汽油两用燃料发动机汽车，以此优化动力控制模块，期望获得在任何工况条件下均能获得最佳的点火时间节点。这项实验验证工作是在IMPCO与通用汽车公司通力合作的基础上进行的。其基本过程主要是，天然气在与空气混合之前，必须经由减压器减压，经过混合器，再通过进气总管，与空气混合，进入发动机的气缸。这个过程中，是利用气管压力和当前转速的测试计算获得数据，控制天然气的喷气量，依靠调整控制混合器上电磁阀的开度实现。为了得到最优化的发动机性能，单独安装一套天然气供给控制系统并不是解决问题的最优办法。建立动力控制模块系统，实现与天然气电子控制单元的通信信息共享，这样天然气/汽油两用燃料发动机可以实现：在天然气燃料工作模式下，天然气电子控制单元、怠速步进电机、点火提前、废气再循环系统等都处于动力控制模块的智能管理模式，而在电子控制单元中，还集成了自学习模块。使用天然气作为燃料后，通过测试实验，其结果表明，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）天然气/汽油两用燃料发动机汽车在国内的研究
在国内，天然气/汽油两用燃料发动机汽车的技术发展主要基于两用燃料发动机的控制系统，该系统的发展经历了机械式混合器、电控混合器，发展到以多点顺序喷射系统为基本构成的控制系统。
机械式混合器常用于由化油器发动机改装的汽车上。天然气通过二级减压器从高压气体降为常压气体，其负压随着发动机的负荷和转速而发生变化，进而对进入发动机气缸的天然气的进气量进行控制。实际应用过程中，该系统存在进气量分配不均、发动机动力损耗较大、调节精度不高等缺陷。
电喷发动机出现后，电控混合器随之出现。该类型的机构既可用于电喷发动机的改装，还可用于化油器发动机的改装。该类型产品的天然气进气量的控制由发动机工作时产生的负压控制，为提高控制精度，专门设置了相应的辅助供气系统或步进电机，依据节气门位置、转速、氧传感器等信号反馈的检测数据，控制調节天然气的进气量，保证基于不同的工作状况，获得合适空燃比的混合气。相对机械式混合器而言，电控混合器的控制精度明显高于机械式混合器，排放指标也相应提高，且电控混合器可与三元催化净化装置、闭环控制系统相匹配，通过步进电机配气阀来调节天然气的供气量，以确保发动机以理论空燃比工作。但是，该系统存在控制精度降低、响应时间变长、总体排放降低等问题。该问题出现的原因是，电控混合器将惯性环节引入发动机的空燃比控制环节，同时，电控混合器的机构设计中，因为在进气道中设计增加了气阻，从而使得系统的充气效率变低。
四、天然气/汽油两用燃料发动机汽车的发展趋势
（一）政策支持到位
国家对新能源车辆发展的扶持政策不断出台，在节能减排、环境保护等方面的立法与整治力度也不断加强。相应的天然气燃料生产企业在提高自身产能、优化产品结构方面有较大突破，天然气的产量和品质不断提高。
（二）技术突破有力
天然气/汽油两用燃料发动机可通过发动机与原机进行实验对比，确定使用天然气作为发动机燃料后发动机的动力性、经济性及排放性的情况;对实验数据进行对比，分析影响天然气发动机性能参数的因素，优化发动机排放性能，降低排放污染物浓度;通过数据分析优化，确定最佳匹配参数，使天然气/汽油两用发动机性能达到最优。
（三）市场前景广阔
天然气/汽油两用燃料发动机是在汽油机的基础上进行改装，其技术难度不高，改装成本较低，后续维护保养便利，易于大面积推广，特别是在城市出租汽车、公共汽车等领域，相较电动汽车而言，其续航里程及能源补充更具优势。
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