（交通运输部公路科学研究院，北京 100088）
梁晨、李会民、宋尚斌
摘要：本文对天然气汽车燃气发动机系统原理进行分析，并根据其特点设计燃气汽车气耗测试方案。之后选取了一辆天然气牵引汽车，依据《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》标准中的道路等速、加速以及怠速试验工况进行实际测试。测试结果具有很好的重复性和可复现性，表明测试方案及方法合理性和适用性，能够真实反映燃气汽车气耗量。关键词：天然气汽车；气耗；测试模块；气体流量计；测试工况中图分类号：U467.1 文献标识码：A
0 引言
随着对环保问题的日益关注，国内各大汽车厂商为了降低
汽车排放对环境的污染，纷纷采取各种策略。其中一项重要技
术方向，便是开发和改造实用的压缩天然气（CNG）或液化天然气（LNG）汽车。经过多年的技术开发和方案改进，目前燃气汽车在技术上已趋于成熟，也在逐步商品化，市场的保有量也在逐步增长。因为燃气汽车是以天然气为燃料，所以排放的
二氧化碳（CO 2）和碳氢化合物（HC）比传统的燃油汽车少很多。而对于用户来说，他们更关心的是燃气汽车的经济性，即气耗量问题[1-2]。
1 测试方案设计
1.1 气耗测试原理
燃气汽车主要指LNG 汽车和CNG 汽车，它们的燃料主要成
分均为甲烷，汽车储能装置一般为储气瓶。CNG 汽车储气瓶压力一般不超过30 MPa，LNG 汽车因为储气瓶储存低温下的液化天然气，所以压力更低。燃气汽车的天然气燃料从储气瓶经过气化器（LNG 汽车）、减压阀、稳压器和滤清器等装置，进入发动机气轨总成，在发动机ECU 控制下与空气形成的混合空气进入发动
机燃烧作功。
根据气体燃料流经线路，可将气耗流量传感器装置安装于最
接近发动机进气口位置，即滤清器之后、发动机气轨总成之前。这样可以尽量减少气路管路压力以及流速调节变化等因素，造成的气体流量超前或者滞后。
此外，燃气发动机在燃料管路流向上，与燃油发动机有供油管路和回油管路有所不同。燃气发动机气体管路仅有供气管路，无回气管路。气体燃料经过发动机消耗后经过涡轮增压器（如配
备）、尾气后处理等直接排入大气[3]。因而在气体流量测量方面，仅需在供气管路串联一个气体质量流量计即可。1.2 测试模块
燃气汽车整车气耗测试分为3个模块：①气体流量计测数量
模块；②数据采集模块；③上位机数据处理模块。其中，气体流量计测数量模块主要根据燃气汽车发动机进气系统的气电特性进行设计，包括进气管路接入点选择、适用压力范围、气体流量及精度选择等方面的考虑。数据采集模块主要针对测试需求，选择
道路测量还是转股测量，以及气体流量计输出信号的类型等。
目前绝大多数数据采集系统功能强大，可完成直流、交流、
脉冲和码盘等信号的采集。上位机处理模块主要将数据采集系统数据采集后进行后台二次处理，或者实时对数据进行滤波、计算
等处理。整车气耗测试模块设计如图1所示。1.3 流量计选择
根据整车测试模块设计要求，测试模块的进气口端应具有压
力调节功能，出气口端具有消除气压脉冲的稳压功能（发动机特性）。当气耗测试模块连接在近CNG 气瓶处时（图2a），可手动打开压力调节器；当气耗测试模块连接在近发动机处时，可手动关闭压力调节器（图2b）。而当气耗测试模块靠近发动机端时，发动机不同缸体进气特性导致气耗量呈现脉冲式需求，给瞬时测量带来波动，因而需要对气耗的脉冲进行平滑处理，即需要气压
脉冲稳压器进行平滑处理[4]。1.4 测试评价指标
由于测试模块需满足车载测试要求，因此应满足车载工作
电压供电要求，工作电压采用直流10～30 V。输出信号选择RS485串口通信，发送采集信息至上位机，可供测试工程师后续数据处理。根据大多数天然气汽车设计原理，可以制定气耗量测
试模块流量计量程、压力范围等多项指标（表1），然后根据相应指标选型。
2 测试结果及分析
2.1 测试工况
根据JT /T 711-2016《营运客车燃料消耗量限值及测量方法》
和JT /T 719-2016《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》的要求，分别对车辆进行道路等速工况和加速工况测试。进行等速工况测试时，控制加速踏板，保持车辆分别以40 km/h、50 km/h、60 km/h、
70 km/h、75 km/h、80 km/h、90 km/h 和95 km/h 匀速行驶（误差1 km/h），测量车辆行驶500 m 的累计燃料消耗量，工况如图3所示。
进行加速工况测试时，保持车辆在48～50 km/h（或
58～60 km/h）行驶至少5 s，然后将加速踏板踩到底，车
辆加速行驶。当车速到达70～72 km/h （或者80～82 km/h）时，松开加速踏板，测量车辆以50～70 km/h（或60～80 km/h）图1 气耗测试模块原理图
图3 道路等速工况测试
图2 气体流量计接入图
指标
工作电压输出信号10～30 Vdc 流量传感器（1）质量测量法
（2）入口压力：（3）量程：（4）精度：进气口（1）内径10 mm，（2）耐压：出气口（1）内径10 mm，（2）耐压：压力调节器
（1）可常通和开启工作（2）入口压力：（3）出口压力：表1 气体流量计设计指标
液温度仍低于80℃，再进行可开展样车的等速油耗检验工作。
等速试验时，手动变速器置于最高挡位，在各试验车速下，
保持样车平稳行驶一段时间后，开始测量通过
量，记录样车通过该段距离的时间和燃料消耗量。每个试验车速法。天然气标准参比条件低位发热量可按照天然气分析报告数值或者气体摩尔组分及相应各组分发热量计算得出。一般情况下，
真实气体和理想气体产生的发热量误差非常小，可按照理想气体参数内容
数据
整备质量/kg 8 500
总质量/kg
25 000准托挂车总质量/kg 40 000
发动机排量/L 12.939额定功率/kW 324变速器主减速比
3.909各挡位速比12.098/9.518/7.313/5.711/
4.462/3.476/2.712/2.133
/1.639/1.280/1.000/0.779
注：样车为拖一标准挂车，加载至最大质量状态。
表2 试验样车信息
图5 等速试验工况气耗测量值
图6 加速及怠速工况气耗测量值
图4 道路加速工况测试
[1]任忠伦，贺敬良，秦龙泉，等.汽车变速器啮合质量承载能力优化设计[J].计算机仿真.2016,33(08):125-130+364.
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【参考文献】作者简介:
刘菡华，硕士，讲师，研究方向为机械CAD/CAM。
（上接第44页）
由修形前接触应力变化图可知，单齿啮合区的接触应力最
大达1 384.00 MPa，啮入时的接触应力为1 072.10 MPa，啮出时的接触应力为1 256.80 MPa，在啮入和啮出时出现了较大的应力突变。
在修形后接触应力变化图可以看出，修形之后，单齿啮合
区的接触应力最大为1 109.70 MPa，啮入时的等效接触应力为853.66 MPa，啮出时的等效应力为823.
73 MPa，啮入和啮出时的应力分别降低了20.37%和34.46%。
同时，单齿最大的啮合应力也有降低，整个啮合应力曲线比
未修形前过渡得更加平缓。该种齿廓修形方法使整个载荷分布较为均匀，降低因轮齿受载变形导致的啮合冲击和振动，提高承载
能力，增加使用寿命，有利于降噪。
4 结束语
本文运用有限元法确定最大修形量，计算确定出修形曲线上
的点的坐标，建立修形前后的齿轮模型。之后合理施加约束和载荷，进行瞬态动力学分析，模拟齿轮的啮合状态，仿真验证了通过齿廓修形可以有效改善啮合中的应力突变，取得了较好的效果。
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JT/T 719-2016 营运货车燃料消耗量限值及测量方法[S].
【参考文献】作者简介:
梁晨，本科，工程师，研究方向为汽车运用。
李会民，本科，高级工程师，研究方向为汽车运用。宋尚斌，硕士，高级工程师，研究方向为汽车运用。
表4 当量柴油消耗量换算
试验工况气耗量/
kg 气耗量/（kg/100 km ，h）气耗量/
（m 3/100 km ，h）当量柴
油消耗量/（L/100 km ，h）等速40 km/h （500 m）
0.1024 20.475 28.430 26.76
等速
50 km/h （500 m）
0.1260 25.200 34.990 32.93 等速60 km/h （500 m）
0.1344 26.875 37.316 35.12 等速70 km/h （500 m）0.1473 29.450 40.891 38.49 等速80 km/h （500 m）
0.1711 34.225 47.522 44.73 加速
50～70 km/h （822 m）0.4364 53.087 73.711 69.38 怠速（300 s）
0.2141
2.570
3.568
3.36
0.7202 kg/m 3，天然气低位发热量为35.956 MJ/m 3，柴油低位发
热量选取46.030 MJ/kg，柴油密度为0.830 kg/L，经计算天然气当量柴油消耗量系数为0.9412。
3 结束语
（1）本研究采用气体质量流量计，能够有效测量天然气汽车
道路试验工况的气体消耗量，通过气体质量流量计的接入位置选择发动机低压进气口，可以有效改善气体在管路压缩及调压造成的超前或滞后。
（2）根据等速测试工况与加速测试工况试验数据可以看出，
等速测试工况每次测试结果一致性较好。经过多次测量结果，剔除分散性较大的数据点，剩余数据可以满足部分标准对一致性的要求。但是加速工况由于驾驶员自踩下加速踏板到发动机
控制单元（ECU）控制进气系统做出响应，中间人为因素较为不可控，测量数据一致性较差。这可以通过提前踩下加速踏板
的方法弥补加速工况测试数据一致性差的缺点，试验数据有待进一步测试研究。
汽车回油管
（3）本文作者长期从事各种车辆的能耗测试工作，已收集了
大量不同车型的能耗测试数据。从等速加速及怠速整体测量的柴油当量燃料消耗量数值与传统柴油车油耗数据比较可以看出，天
然气汽车的燃料消耗量偏大，经过反复测量此种现象仍然存在。可以初步推断这可能是由于柴油发动机热效率高于天然气汽车热效率造成。
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