天然气混合动力客车技术应用研究

摘要：本文首先介绍了天然气作为车用清洁燃料的可行性、发展历程及应用现状，结合节能环保的需求，设计了天然气-电机混合动力客车动力系统，在Matlab/Simulink平台上搭建了整车的模型并进行了仿真分析，仿真结果表明以天然气为燃料同时应用混合动力技术的城市客车具有优良的经济性和 排放性能。

关键词：车用天然气 混合动力 仿真研究

1.前言

随着当今汽车排放污染问题的日益加剧，世界各国都在积极探索使用代用燃料和开发新型动力技术，作为清洁能源之一的天然气作为车用替代燃料不仅具有良好的经济性和排放性，而且其价格较石油燃料低廉，具有很广阔的应用前景。混合动力是近年来开发的新型汽车动力技术，结合了纯电动汽车节能环保和传统汽车续航里程长的优点于一身，将成为未来汽车特别是乘用车的主要发展方向。

2.天然气作为车用燃料的可行性分析

天然气的主要成分是甲烷（82%～98%），并含有少量乙烷、丙烷、丁烷等，不含硫、苯、烯烃等有害成分，所以燃烧后不会产生多环芳烃。由于燃料之间物理特性的差别，与柴油、汽油相比，天然气燃烧相对完全，有害气体排放较少，能满足越来越严格的排放要求，比较天然气与汽油、柴油在物理特性方面的差异，天然气作为发动机代用燃料有以下几方面的优缺点：

1） 抗爆性好：天然气燃料的辛烷值很高，约为130，发动机运行平稳、噪音低。

2） 改善尾气排放：天然气为气体，和空气混合均匀，燃烧平稳且充分，CO和微粒的排放量极低。天然气火焰温度低，可减少 排放量，而且不含苯、硫和铅等有害成分。

3） 天然气发动机冷起动性好，且不含胶质，燃烧时不产生积炭。

4） 安全性能高：天然气燃点高（537℃以上） ，着火界限为 5%～15%，不易形成可燃性混合气产生火灾事故。有管路泄漏发生时，天然气比空气轻，易消散。

5）动力性下降：充气效率比使用液体燃料低10%左右，燃烧后空气膨胀率几乎为零，会使天然气发动机的功率有所下降；

6）天然气存储、携带性较差。

3.天然气作为车用燃料的发展历程及应用现状

按车用天然气储气方法天然气汽车可分为三种：压缩天然气汽车（简称CNGV）、液化天然气汽车（简称LNGV）和吸附天然气汽车。吸附储气汽车采用在3.5MPa压力下把天然气吸附在多孔活性炭中的储气方法，采用多室非圆形铝合金气瓶，能较方便地安装到汽车上，汽车的排放情况好，但受脱附热效应的影响储气量较小；LNG 是将天然气以液态储存在-162℃两层瓶壁之间为高度真空的专用气瓶中，比CNG气瓶轻得多，且含杂质较少，但是LNG 工厂和加气站投资过大，储存和运输过程需要不断维持液化状态，故目前还很难推广应用。CNG 是将天然气在20MPa 压力下压缩存储在专用的钢瓶中，在世界范围应用广泛。

我国20世纪50年代就已开展天然气发动机的研究，我国四川省较早开始推广常压天然气汽车。20世纪60年代初，我国完成了压缩天然气汽车试验。目前我国车用天然气发动机调压减压装置、混合器、CNG高压储气瓶等已具有一定生产能力。天然气汽车，特别是压缩天然气汽车已在全国各地推广应用。截至2010年，世界上共有78个国家和地区推广使用天然气汽车，全球天然气汽车总量已达1326万辆，加气站总数达16513座。其中，全球一半以上的天然气汽车集中在亚太地区。我国政府在 1999 年开展了“清洁汽车行动”，对天然气发动机进行研究开发。截至 2011年底，我国 CNG（压缩天然气）汽车保有量已达100万辆 。

4.天然气-电机混合动力汽车建模及仿真研究

以天然气为燃料的汽车的研发已经得到了世界各国的高度重视，尤其是处于城市公交系统的城市客车，由于其特殊的运行工况而导致车辆的经济性低、排放性差，天然气城市客车却可以降低这一劣势；而应用混合动力技术的客车其经济性、排放性又得到了更大幅度的提高，因此将天然气发动机和混合动力技术结合起来的天然气-电机混合动力汽车特别是城市客车，其综合性能相对于传统燃油汽车会有很大的提升。

建立能正确反应混合动力汽车特性的仿真模型，仿真模拟混合动力汽车各方面的性能，可以在混合动力汽车开发过程中尽早的找到问题，调整设计方案，缩短研发周期，保证研发的顺利进行；还可以对混合动力汽车各种参数匹配和控制策略下的性能加以比较，找出最优匹配方案和最佳控制策略。本文应用MATLAB/Simulink软件建立混合动力汽车仿真模型，作为混合动力汽车控制策略研究的仿真平台。

4.2 仿真方法

本文采用汽车工况采集装置对北京市天然气公交车的工况进行采集，采用逆向仿真方法，即以给定的行驶循环工况的路况特征反推汽车各部件或总成所应有工作的状态。仿真过程中，没有驾驶员的参与，直接从行驶的循环工况计算汽车驱动所需力矩，再将信息传至上一层部件之中，作为上级部件输出目标力矩。发动机和电机转速则由车速以及车辆当前按所处档位计算给出。仿真循环的数据流方向与实际系统的能量流动方向相反，它以循环工况作为输入，逆推在此工况要求下，驱动系统各部件必须具备和可以得到的转矩、转速、功率等信息，最终逆向计算出该循环工况下的燃油消耗和电池能量消耗。

4.3 仿真模型

为了尽可能提高仿真模型的可信度，使仿真模型真实反应出实际车辆的特性，使仿真实验能最大程度上代替实际车辆试验，得到具有相当可信度和指导意义的结果，仿真模型的研究搭建必须遵照三项基本原则：

①仿真模型整车参数必须与实际车辆参数一致；

②模型仿真与实际车辆试验对比验证中，仿真和实验采用的控制策略必须一样；

③最大程度重现车辆实验时外部环境，如车速变化、路面状况等。

4.4 仿真结果

在上述模型平台上应用北京市天然气公交车循环工况进行仿真，分别分析了一般天然气公交车和天然气-电机混合动力公交车的发动机工作点、气耗、NOx、PM排放等指标，得到如图1所示的结果。

从仿真结果可以看到，天然气-电机混合动力公交车的天然气发动机工作点比一般天然气汽车的发动机更为集中于高效率区，其天然气消耗量节省了大约32%，NOx和PM的排放量也有很大程度的降低。

5. 结论

本文对车用天然气动力的优缺点进行了分析，并利用 MATLAB/Simulink 建立了天然气-电机混合动力客车的仿真模型。仿真结果表明，仿真模型满足各项指标要求，运用此模型进行仿真研究的结果可信，天然气-电机混合动力客车具有优越的经济性和排放性。

参考文献

[1]陈永义.多点喷射点燃式天然气发动机电控系统研究[D].北京：北京理工大学，2002

[3] 苏欣，杨君，袁宗明.我国液化天然气汽车研究现状[J].天然气工业，2006，26（8）：145-148.