工程硕士学位论文 节能燃气公交客车用发动机节能燃气公交客车用发动机 实验实验系统系统研究研究 作者姓名 王 朝帅 工程领域 车 辆工程 校 内 指 导 教 师 李 礼夫 教授 校 外 指 导 教 师 陈 武 经 理 所在学院 机 械与汽 车工程 学院 论 文 提 交 日 期 2013 年 11 月 Research on Experimental System of 分类号：分类号： 学校代号：学校代号：10561 学学 号号 ：： 华南理工大学硕士学位论文 节能燃气公交客车用发动机节能燃气公交客车用发动机 实验实验系统系统研究研究 作者姓名：王朝帅 指导教师姓名、职称：李礼夫 教授 陈武 经理 申请学位级别：工程硕士 工程领域名称：车辆工程 论文形式：□ 产品研发 □ 工程设计 ? 应用研究 □ 工程/项目管理 □ 调研报告 研究方向：车辆系统动力学与电子控制 论文提交日期：2013 年 月 论文答辩日期：2013 年 月 日 学位授予单位：华南理工大学 学位授予日期：2013 年 月 日 答辩委员会成员： 主席： 委员： 华南理工大学华南理工大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅（除在保密期内的保密论文外） ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： □保密，在 年解密后适用本授权书。 ? 不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协 议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂 志社全文出版和编入 CNKI《中国知识资源总库》 ，传播学位论文的全部或 部分内容。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 作者联系***： 电子邮箱： 联系地址（含邮编） ：广州华南理工大学汽车科技大楼 901 室（510640） 摘要 I 摘要 目前，燃气公交客车用发动机在节能型替代燃料汽车上得到了广泛应用。而综合性 能测试技术及实验系统是燃气公交客车用发动机研发、创新与理论发展的核心技术和必 需手段之一， 它对提高燃气公交客车用发动机的动力性、 经济性和排放性具有重要意义。 论文以某款城市公交客车用节能燃气（LPG）发动机为对象，主要研究了节能燃气 发动机综合性能测试原理、方法和实验系统。 论文首先论述节能燃气发动机实验系统对于解决当前公交客车用发动机存在的动 力性、排放性和经济性问题的意义和介绍了国内外燃气发动机的实验研究现状。然后， 根据测功机、转速扭矩传感器、燃气质量流量计、电子称重仪和尾气综合测试分析仪等 的工作原理，研究了节能燃气发动机动力性、经济性和排放性测试原理。在此基础上， 根据节能燃气公交客车用发动机综合性能测试原理及其方法，从硬件和软件两方面，设 计了节能燃气发动机综合性能实验系统。 最后，搭建了节能燃气发动机综合性能实验系统，以某款 LPG 燃气发动机为测试 对象，进行稳态工况以及基于怠速、匀速、起步、减速的瞬态工况的燃气发动机综合性 能测试实验与特性分析。 关键词：公交客车；节能燃气发动机；实验系统 华南理工大学硕士学位论文 II Abstract 燃气发动机动力性实验及其系统 . 3 1.3.2 燃气发动机经济性实验及其系统 . 5 1.3.3 燃气发动机排放性实验及其系统 . 7 1.3.4 燃气发动机综合性能实验及其系统 . 8 1.4 本课题的主要研究内容 9 第二章 节能燃气发动机综合性能测试方法研究 .11 2.1 引言 .11 2.2 节能燃气发动机动力性测试原理 .11 2.2.1 节能燃气发动机扭矩测试原理 .11 2.2.2 节能燃气发动机转速测试原理 . 13 2.2.3 节能燃气发动机功率测试原理 . 15 2.3 节能燃气发动机经济性测试原理 16 2.3.1 燃气质量流量计测试原理 . 16 2.3.2 燃气消耗量质量法测试原理 . 19 2.4 节能燃气发动机排放性测试原理 19 2.4.1 不分光红外线尾气分析仪测试原理 . 20 2.4.2 电化学尾气分析仪测试原理 . 21 2.4.3 尾气综合测试分析仪测试原理 . 22 2.5 节能燃气发动机综合性能测试方法 23 华南理工大学硕士学位论文 IV 2.5.1 节能燃气发动机综合性能测试方法 . 23 2.5.2 节能燃气发动机综合性能测试特点 . 25 2.6 本章小结 26 第三章 节能燃气发动机综合性能实验系统设计 27 3.1 引言 27 3.2 测试对象 27 3.2.1 某款 LPG 燃气发动机综合性能稳态实验方案 57 4.2.2 基于工况的 LPG 4.4.3 匀速工况 . 78 4.4.4 起步工况 . 81 4.4.5 减速工况 . 83 4.5 本章小结 86 全文总结与展望 87 攻读硕士学位期间取得的研究成果 88 参考文献 89 致 谢 93 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 面对低碳经济和能源短缺双重压力，世界各国陆续发展新能源汽车工业。各国汽 车工业现阶段向节能与新能源汽车方向转型，节能与新能源汽车产业在未来十几年是 黄金发展时期。在“863”计划“节能与新能源汽车”重大项目的支持下，2012 年我国 新能源汽车生产 12552 辆，销售新能源汽车 12791 辆，产销量均实现高速增长[1]。2012 年 6 月国务院印发了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020 年） 》，我国的节 能与新能源汽车产业得到了国家政策的支持， 该政策保证我国节能与新能源汽车产业稳 步健康发展。 新能源汽车的所属范围很广，燃料电池汽车、混合动力汽车和纯电动汽车是新能 源汽车的发展趋势，目前我国大量使用技术成熟的气体燃料汽车。燃气汽车主要以液态 天然气（LNG）、压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）作为汽车燃料。美国在燃 气汽车使用上处于领先位置，大力推广燃气城市公交客车，同样在出租和货运的车辆 上也逐渐使用燃气汽车。从欧洲的发展情况来看，欧洲国家称重于燃气汽车的研制。 80 年代中后期，我国燃气汽车开始开发和投入使用。在国家政策的扶持下，我国各地 加快了有关节能与新能源汽车的产品研发。国内大型汽车厂和发动机厂相继在市场上 推出了各自品牌的新能源汽车，燃气汽车主要产品分为单燃料汽车和双燃料供给汽 车。国内的燃气汽车推广时间长，应用范围广，技术基本成熟，并形成一定规模的产 量化，在新能源汽车数目中占有较大比例。而我国天然气资源丰富，存储量约为 38 万 亿 m3。这对燃气汽车的研发和使用有着极大的促进作用。以燃气替代燃油将是以后汽 车工业发展的必然趋势。 目前燃气汽车发展面临着许多难题，如由于燃气相比于汽油热值低，导致单次充气 行驶里程较短，需要较多的加气站。而我国的加气站基础设施建设滞后，燃气汽车的标 准体系和准入管理制度不完善，需要有关政府部门完善其标准和制度。燃气汽车的关 键技术也未能很好的解决，个别零部件需要进口采购，其发展受人制约。部分改装燃 气汽车的节能、排放效果不理想。第三、四代燃气发动机的电控、三元催化技术需要 大力推广，并极力淘汰或改造第一，二代的燃气发动机。加强对节能燃气发动机技术 华南理工大学硕士学位论文 2 研究，有利于我国汽车工业向节能与新能源应用方面健康发展。 1.2 节能燃气发动机实验系统的研究意义 根据《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020 年） 》的定义，节能汽车是指 以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于下一阶段目标值的汽车。目前，燃 气汽车是全球认可的环境污染少、燃料成本低、工作性能可靠的新型代用燃料汽车。天 然气的特点：清洁无异味，燃烧比较完全，不易积碳，污染排放物少。输出功率相同情 况下，使用天然气的汽车相比于汽油、柴油车排放物减少 1/3。 目前我国节能燃气汽车主要应用在城市公交客车和出租车领域。在 2004 年，广州 市开始对公交客车进行 LPG 技术改造，2007 年基本完成。广州市公交车污染物明显降 低，路面上很少见到“一股黑烟”的公交客车。广州市有 6400 台公交车和 1.6 万台出租 车使用上了清洁环保的 LPG，这个数字分别占到公交、出租车总数的 80%和 100%[2]。 广州市现在成为我国燃气公交客车保有量最多的城市。近几年来，随着科学技术的发 展，广州市公交系统的单位继续响应国家和市政府的环保与节能政策，也购买了 LNG 公交车并投入营运，现在大部分公交客车使用的节能燃气发动机包括LPG 和LNG电子 控制发动机[2]。 然而公交客车用节能燃气发动机经过一段时间的运行之后，出现了动力不足、尾气 排放不良、燃气消耗量较大等情况。为了检测节能燃气发动机的动力性、经济性和排放 性的各项指标，并采取相应有效的发动机技术改造，有必要搭建节能燃气公交客车发 动机的检测实验系统。该系统适用于公交客车大部分节能燃气发动机。有利于节能燃 气发动机技术维修或长时间运行后工作特性的检测，符合广州市未来——“蓝天、白 云、绿水”的发展规划。所构建的节能燃气发动机实验系统，为 LPG 或 LNG 发动机结 构与工作过程优化、发动机控制等关键技术的研究提供了实验平台。主要有以下三方 面的意义： 1．首次在我国公交系统搭建公交客车用燃气发动机的检测设备。 为了提高公交客车用节能燃气发动机的动力性能，减少燃气消耗量，以及符合国 家的尾气排放标准，需搭建燃气发动机综合性能测试实验系统，检测节能燃气发动机的 有效输出功率、有效输出扭矩、转速、有害气体排放物、燃气消耗率等指标。此课题首 第一章 绪论 3 先根据综合性能测试原理和方法设计该实验系统，***了燃气发动机、测功机及其实验 系统、工控机和尾气排放检测仪，设计基于 LabVIEW 的信号采集程序，用于处理计算 机输入和输出信号，收集发动机的大量工作状态数据。 2．模拟公交车道路行驶时燃气发动机综合工况检测。 公交客车长期在城市道路上行驶，由于道路拥挤，车辆行驶缓慢，经常停站或起 步，发动机工况频繁改变，导致发动机的性能随之降低。需要进一步了解发动机的有效 输出功率，有效输出扭矩，燃气消耗量等指标，却很难跟踪车辆检测，例如发动机的 转速可以检测，但其有效输出扭矩就无法准确检测到。所以建立该实验系统能够解决 车辆动态测量的问题，可以模拟燃气发动机怠速、急加速、急减速典型工况，稳态测量 还可以标定发动机特性曲线。 3．为燃气发动机理论研究提供实验依据。 通过该实验系统收集发动机的大量工作状态数据后，为公交车用发动机相关研究提 供实验支撑和仿真模型的校正。另外，燃气发动机的维修工艺和维修后质量也需要该实 验系统来验证。换句话说，公交车用发动机相关研究需要理论和实践相结合，节能燃气 发动机实验系统可以为燃气公交客车用发动机研发、创新提供一个试验工具。 1.3 国内外燃气发动机实验的研究现状 纵观汽车行业以及公交系统，众多国内外公司、研究所和学者一直致力于提升节 能燃气发动机的动力性、经济性和排放性，在节能燃气发动机动力性、经济性和排放性 三方面实验及其检测设备上进行了广泛而深入的研究。随着电子技术和计算机控制技术 的快速发展，在节能燃气发动机综合性能方面研究成果也相当显著。主要包括以下四 方面： 1.3.1 燃气发动机动力性实验及其系统 2005年6月韩国学者Lee, K；Ryu, J进行了火焰传播和液化石油气燃料的燃烧特性 实验研究。为了弄清重型发动机石油气的火焰传播和燃烧特性，进行了比较性实验研 究—— CVCC（定容燃烧室）和进气口喷射式重型 LPLi（液化石油气液体喷射）发动机 的燃烧过程。以激光偏转法和高速纹影摄影方法来测量石油气燃料的火焰传播速度。 华南理工大学硕士学位论文 4 此外，制造单缸重型的LPLi发动机，分析石油气的燃烧特性。根据CVCC 和重型LPLi 发动机的实验结果，了解火焰传播速度达到最大值的工作条件和环境条件，燃烧持续时 间和燃烧的稳定性与空燃比之间的关系[3]。 2010 年北京交通大学李从心、张欣等研究搭建了发动机测试台架，以 ZSll00M 型 柴油机为基础研制了低热值气体燃料发动机，开展了发动机燃用低热值气体燃料的试验 研究。结果表明低热值气体燃料中惰性组分会导致火焰发展期的延长，对快速燃烧期 的影响较小。另外，低热值气体燃料中掺氢能够减短发动机的火焰发展期和快速燃烧期 [4]。 2010 年韩国学者 Kim, Ki-Bum 和 Kim, Yung-Jin通过实验方法研究液化石油气喷雾 特性，对单个喷射器喷射液态石油气喷雾进行了研究分析。首先，测量在四个不同的注 射压力下 LPG 喷射量。通过喷雾可视化的实验，调查在大气压力下，不同的注射压力 是如何影响喷雾特性。喷雾图像显示，LPG 喷雾贯穿长度随较高的注射压力而变长。 此外，较高的注射压力，促进燃料雾化，从而提高燃料蒸发。使用 patternator 光线图形 设备测量 LPG 喷流量以及喷雾液滴的大小。这些实验结果为开发液相 LPG 喷射器和发 动机提供有价值的信息[5]。 2004 年韩国学者 Sim， H； Lee， K 进行重型发动机的液态 LPG 喷射器的实验分析。 为了充分发挥 LPG 在重型发动机上的作用，采用液相石油气注入系统（LPLi），即喷 射液态的燃料量。但喷射液态的 LPG 受燃料温度，燃料喷射压力，电池电压等因素影 响。为了维持发动机运行过程中气缸内的空气-燃料比，燃料喷射量应准确控制。在这 项研究中，重点介绍使用在重型 LPLi 发动机的喷射器的特性实验研究以及液态燃料喷 射的算法。该算法用于补偿注射压力，燃料温度和电池电压的变化，可通过发动机试 验开发和验证[6]。 2012 年，意大利学者 Masi，Massimo 在点燃式汽油发动机上使用 LPG（液化石油 气） 燃料进行了实验。其指出现代不断增加生产双燃料 （汽油，液化石油气） 轿车车型， 仍然存在两大疑惑：石油气发动机的真实性能和双燃料供给系统的可靠性。论文研究 了汽油和液化石油气发动机的客车的驱动性能，并进行了分析和比较。讨论石油气发 动机运转时稳态和瞬态工况指标，不但设置了双燃料计量装置，而且提出了一些更符合 燃气发动机性能的设计[7]。 第一章 绪论 5 2013 年 8 月华中科技大学邓鹏等人为提高定容燃烧弹的适应性，增强其功能扩展 潜力，采用模块化设计思想。研制出可满足预混燃烧、喷雾蒸发与燃烧等多种类型研 究需求的可视化定容燃烧弹。为模拟内燃机缸内高温高压和氧体积分数可调的喷雾燃 烧环境，采用乙炔+氧气预混合燃烧加热法，试验结果表明：该方法可方便快速地模拟 出氧体积分数为 0%～21%、环境压力为 0.04～10.00MPa 和环境温度为 300～1300K 的 喷雾燃烧环境；结合高速数字纹影法光学诊断系统，实现了对喷雾雾化、油气蒸发混 合和喷雾着火燃烧等过程的高速观测与记录[8]。 2010 年北京交通大学的单冲、刘建华进行低热值气体燃料发动机的试验研究。以 低热值气体掺氢燃料发动机为研究对象，采用了台架试验研究的方法。按照低热值气 体燃料的成份以及相应的体积比例，制作出低热值混合气体燃料，并且对使用不同组分 的低热值混合气体燃料的发动机进行了性能研究[9]。 2008 年浙江大学卞轶旻、刘震涛对一台电控多点电喷汽油发动机进行改装， 使之成 为汽油/CNG 两用燃料发动机，并搭建了试验台架，进行了相关的研究工作。对试验中 的影响因素进行了研究分析后，针对燃用 CNG 时，发动机的点火提前角及燃气供给系 统各控制参数进行优化，从而提高了两用燃料发动机的动力性能[10]。 1.3.2 燃气发动机经济性实验及其系统 2012 年山东大学赵海艳对天然气发动机空燃比控制系统进行了研究， 主要是在满足 发动机动力需求的前提下，提高了燃料利用效率和减少发动机排放。论文首先讨论了影 响理论空燃比变化的因素，并根据发动机工况，进行天然气发动机的开环控制和闭环控 制实验，研究准确控制空燃比的办法。对空燃比控制方案中所涉及的传感器、控制器及 执行器进行了选型，重新设计了影响发动机空燃比的控制系统电路硬件。根据控制系统 电路的硬件，设计发动机空燃比控制系统电路各功能模块的软件[11]。 2012 年武汉理工大学张凯、张新塘以柴油/LPG 双燃料发动机与纯柴油发动机为研 究对象，进行了性能对比的台架试验。试验结果表明，双燃料发动机与纯柴油发动机相 比，动力性能相差不大，微粒排放大幅度减少，在中高负荷下柴油替代率平均为 43.04%，掺烧率平均为 43.33%，燃料成本平均降低 11.23%。最后采用双燃料车道路试 验对台架实验结果进行验证[12]。 华南理工大学硕士学位论文 6 2010 年重庆邮电大学吴建平， 通过实验研究了燃气发动机在不同运行工况下的空燃 比控制策略，并对目前研究较多的几种发动机空燃比控制算法进行分析，设计了一种 模糊 PID 动态切换控制算法，该算法集中模糊控制算法与 PID 控制算法的优点[13]。 2007 年华中科技大学汪源利、成晓北对天然气发动机均质稀燃进行了研究。以天 然气发动机为研究对象，分别进行点火提前角和空燃比试验，根据试验结果进行了数值 模拟计算与分析。接着建立了天然气发动机的整机计算模型。同时利用建立的计算模 型针对点火提前角和压缩比对发动机动力性、经济性及排放性能的影响进行了研究[14]。 2010 年天津大学郭云杰、王天友针对轿车用单一燃料电控喷射天然气发动机， 搭建 了性能试验平台，对点火时刻和过量空气系数等对发动机动力性及排放性的影响进行 了研究。同时运用 BOOST、FIRE 等仿真软件对天然气发动机工作过程进行了模拟计 算。研究结果表明：相对于汽油机而言，天然气发动机的最小燃料消耗率下降了 15.8%，最大平均有效压力减小量达到了 11.2%。该天然气发动机稀薄燃烧特性表明，λ 对 CO，HC 和 NOx 排放有明显影响。部分负荷下 λ 为 1.1 时，燃油消耗率最小。全负 荷下 λ 为 1.0 时，燃油消耗率最小[15]。 2013 年 4 月山东大学李娜等人以单一燃料、 稀薄燃烧天然气发动机为对象， 研发出 一款重型车用稀燃 LNG 发动机。研究结果表明：发动机和加热器联合运行对天然气发 动机的冷起动性能得到了明显改善，特别是在寒区汽车燃气加热器和发动机联合运行对 发动机的冷起动性有显著改善[16]。 2012 年 10 月意大利学者 Fontaras, Georgios；Manfredi, Urbano 通过实验评估城市 公交车的柴油-液化石油气双燃料供给系统的性能。该改装的燃料（柴油，天然气）供 给系统是由 ECOMOTIVE 公司开发的双燃料混合控制和管理的解决方案。其***在沃 尔沃城市公交车上，在各种驾驶条件下的 HDV 底盘测功机上进行测试，以评估其环境 和成本效益。使用燃料柴油EN590和EN589石油气。污染物排放量CH4，CO2，CO， NOx，PM，颗粒数和燃料消耗量也被记录下来。在低负载的情况下，供气系统有极少 量燃气供给发动机。中，高负荷运行状态下的管理系统用一部分的 LPG 代替传统的柴 油。模拟实验表明，21%左右的液化石油气替代柴油在现实操作中是可以实现的[17]。 2002 年希腊学者 Hountalas，DT；Papagiannakis，RG 进行了直喷柴油/天然气双燃 料发动机的理论与实验研究。在自己的实验室里***发动机实验系统，在不同工作条 第一章 绪论 7 件下进行实验。根据双燃料的操作，液体燃料（柴油）被气体（天然气）按不同的百分 比所取代，以保持发动机的输出功率与纯柴油发动机在正常的操作条件下输出功率相 同。在这种情况下的气体燃料量表示为补充量。实验结果与从计算机仿真程序获得理 论值比较符合。表明了双燃烧热释放速率机制比标准柴油的更容易受操作影响。此 外，实验和仿真都揭示了双燃料操作具有积极的作用，如一氧化氮、烟尘排放等均减 少。随着气态燃料的百分比增加，这种效果很明显。最后修正仿真模型，使之能预测 双燃料发动机运行时产生的影响[18]。 1.3.3 燃气发动机排放性实验及其系统 2013年天津大学张文、李志军等人研制了CNG/汽油双燃料系统，在转鼓试验台上 对排放污染物进行测试。结果表明： 燃用CNG时，CO、HC 排放降低而NOx排放增加； 点火提前角增大能够使 CO 下降，NOx排放上升，而 HC 排放略有上升[19]。 2012 年清华大学汽车安全与节能国家重点实验室马凡华、齐政明等人为了改善燃 气发动机排放性能，利用 LabVIEW 作为开发平台，设计了排放数据采集实验系统。此 系统能够实现多通道数据的实时采集、显示和保存[20]。 2008 年印度学者 Saravanan，N；Nagarajan，G 对氢/柴油双燃料发动机及其废气再 循环技术进行了实验研究。在本次实验中，以富含氢气的空气作为进气充量，采用柴 油发动机的排气气体再循环（EGR）技术与氢气流量在 20 升/分钟。所选定的发动机是 单缸，四冲程，水冷却，直接喷射式柴油发动机，并耦合到发电机。通过实验确定具 体的能源消耗，制动热效率等性能参数，还检测废气排放量如氧化物，氮，烃类，一 氧化碳，颗粒物质，烟雾和废气温度。使用氢/柴油双燃料模式与 EGR 技术，有助于降 低烟雾浓度、颗粒和 NOx排放[21]。 2006 年吉林大学万一进、王云鹏以两用燃料发动机为研究对象，并搭建了试验平 台。研究通过对试验数据的进行分析，针对不同工况，提出了当发动机使用天然气时的 点火提前角优化调整方案。其中怠速工况以排放最低为优化目标；稳态工况以输出扭矩 最大为优化目标[22]。 2003年江苏大学赵会军、袁银南等以电控多点LPG喷射双燃料发动机为研究对象， 针对排放性能进行了研究。通过对发动机进行大量试验和分析，针对 LPG 供气系统， 华南理工大学硕士学位论文 8 开发出一套电子控制系统，实现了 LPG 的定时定量喷射[23]。 2011 年华南理工大学陈润、梁荣光针对某款 LPG 发动机，建立进排气道和燃烧室 的 CAD 模型，通过一维发动机工作过程模拟得到三维 CFD 仿真需要的进出口边界条 件。基于计算流体力学理论，对 LPG 发动机双怠速工况下燃烧和排放进行三维 CFD 数 值模拟。最后通过原型机速度特性曲线和实验实测的示功图对仿真模型进行标定，验 证了计算模型参数设置的合理性[24]。 2008 年美国专家 Olsen，DB；Kirkpatrick，AT 致力于大口径天然气发动机预燃热 释放实验。他们在科罗拉多州立大学建立了发动机和能量转换实验室，研究天然气发动 机的燃烧，以满足新的排放法规。为了减少一氧化碳和碳氢化合物的排放量，预燃室 点火系统经常采用非常小的 A / F 比，以稳定燃烧。在大口径的天然燃气发动机上改造 预燃系统，并进行热释放检测。在主室和预燃室的动态压力测量的基础上，分析热释 放，并建立相关 Woschni 动态压力测量传热模型[25]。 1.3.4 燃气发动机综合性能实验及其系统 2012 年重庆大学袁荣棣对压缩天然气发动机电子控制系统进行建模，控制和优化， 对排放量进行详尽的探讨与研究。关于压缩天然气发动机转速和空燃比控制方面，论 文基于离散滑模监测器进气流量空气燃料比学习控制算法，建立了基于虚拟仪器技术的 CNG 发动机控制器开发平台[26]。 2003 年东北林业大学夏超、储江伟通过比较三种汽车的替代燃料动力性，经济性 和排放性，得出 LPG 成分在不同环境下的发动机性能和驾驶性能的区别，提出针对北 方地区寒冷的条件，在不同温度下优化汽车 LPG 燃料组分[27]。 2010 年长安大学韩有旭、张春化进行了汽油/CNG 双燃料发动机试验研究，对三菱 4G15S 双燃料发动机进行故障模拟实验，模拟传感器，执行器故障，并进行了部分传感 器或执行器的信号丢失故障模拟实验，观察和记录的故障现象，分析了失效机理[28]。 2007 年印度学者 Saraf, R. R; Thipse, S. S 对汽车使用不同规格的液化石油气（LPG） 发动机性能进行试验和分析。进行发动机性能统计信息，即不同的规格发动机冲程 比、排量，压缩比参数作为单一变量，计算和分析了发动机功率的单位参数变化率。 比较发动机的性能趋势。有利于发动机设计人员和技术人员了解 LPG 发动机的整体性 第一章 绪论 9 能[29]。 2005 年北京工业大学尚炜、周大森进行的单一燃料 LPG 小型发动机电控喷射系统 实验研究。以 JL50QZC 残疾人摩托车为平台，在其发动机主体结构不变的基础上，开 发一套以 LPG 为燃料的电子燃气喷射装置，辅以控制 EGR 废气再循环系统，使发动机 以确保发动机的功率损失不大的情况下，较大地提高发动机的排放性[30]。 2011 年，马来西亚学者 Kalam，M.A；Masjuki，HH 对一种新型的压缩天然气直喷 式发动机（CNG-DI）的进行实验研究。比较“CNG-DI”，“CNG-BI”和“汽油-PI” 相同排量发动机之间的测试结果。结果发现，CNG-DI发动机的燃油消耗率比汽油的PI 和 CNG-BI 发动机的分别下降 0.28%和 8%。另外，相对于两种发动机，CNG-DI 发动 机氮氧化物排放量减少50%，但是 HC 和CO 排放量却很高，分别增加34%和48%。在 此实验中的结果，将用于进一步改善的CNG-DI发动机，以及开发一种新的CNG-DI车 [31]。 2013 年，吉林大学杨成等人提出了天然气发动机的米勒循环技术，不仅可以在抑 制爆震的前提下提高发动机的压缩比，提高了发动机的热效率，而且大大地降低了 NOx 排放。将点火定时控制在一定范围内是十分必要的，这样可以确保发动机的功率 和热效率，同时得到较低的发动机排放。应用米勒循环发动机技术需要的联合校准参 数，充分发挥米勒循环优势[32]。 1.4 本课题的主要研究内容 从燃气发动机实验研究的国内外现状来看，有许多学者与专家对燃气发动机做了 众多的实验研究，大部分涉及到燃气发动机某方面的理论与实践研究，而对燃气发动 机实验系统全面的研究较少。 本论文课题来源于广东省交通厅科技项目“基于最优燃气消耗率和排放性的 LPG 公交车用发动机控制技术的开发” ，其任务为设计、搭建节能燃气公交客车用发动机实 验系统，并以此来测试节能燃气发动机在不同工况下的动力性、经济性、排放性及综合 性能，从而为节能燃气公交客车用发动机研发提供较好的实验手段。论文的研究技术路 线如图 1-1 所示。 华南理工大学硕士学位论文 10 图 1-1 研究技术路线 具体研究内容如下： 1．论述节能燃气发动机实验系统对于解决当前公交客车用发动机存在的动力性、 排放性、经济性及综合性能问题的意义，并介绍国内外燃气发动机的实验研究现状； 2．研究节能燃气发动机动力性、经济性、排放性及综合性能测试原理及其方法； 3．以某款节能燃气公交客车用发动机为实验对象，依据测试原理和方法，设计实 验系统的硬件与软件，搭建节能燃气公交客车用发动机的综合性能实验系统； 4．结合公交客车在城市道路上行驶的实际路况，设计节能燃气公交客车用发动机 稳态、瞬态的实验方案，并依据实验方案进行稳态、瞬态工况实验； 5．根据燃气发动机稳态、瞬态实验结果，绘制稳态、瞬态工况下发动机有效输出 功率、有效输出扭矩、燃气消耗率、排放等参数的关系图，分析节能燃气发动机的动 力性、经济性和排放性及其综合性能。 调查研究 确定实验方案 设计、搭建 发动机实验系统 论 证 查阅资料 测试发动机 各工况下数据 动力性 数据分析 经济性 数据分析 排放性 数据分析 综合性能 分析 测试原理及方法研究 第二章 节能燃气发动机综合性能测试方法研究 11 第二章 节能燃气发动机综合性能测试方法研究 2.1 引言 燃气发动机性能测试主要有单一性能和综合性能测试。其中单一性能测试主要是指 对燃气发动机的动力性、经济性或排放性进行单独检测，而综合性能测试是将动力性、 经济性和排放性视为一体地对燃气发动机进行综合检测。与单一性能测试相比，综合性 能测试结果具有能较全面和客观地反映燃气发动机实际工作性能的特点。根据发动机测 试方法，常用的燃气发动机动力性测试参数包括有效输出扭矩、转速和有效输出功率， 其值主要是通过测功方法来获得。而燃气发动机经济性测试参数主要是燃气消耗率，其 值主要由单位时间内输出单位功率的燃气消耗量来表示。燃气发动机排放性测试参数有