（动力机械及工程专业论文）摩托车燃用lpg的电控技术研究.pdf

_ j 塑些生兰塑兰垡堡兰二兰呈笪墨茎z 2 1 堕兰兰 摘要 l p g 作为汽油代用燃料应用于发动机是降低发动机排气污染和减缓石油供需 矛盾的项有力措施。尽管目前l p g 发动机的发展前景光明，但其充气系数减小而 导致的功率下降和排放降低有限等i 足也目益受到关注。为了解决l p g 发动机的这 一问题，本课题在充分研究其特点的基础上，彻底摈弃了以往的第一、二代l p g 系 统，并成功地开发了一套第三代l p g 电控系统。经试验研究表明，该电控l p g 系 统能有效地解决日前l p g 发动机所存在的问题，达到了较为理想的效果。r ，) 首先，奉文就l p g 发动机的发展现状进行了综述，对各代l p g 系统的优缺点 进行了分析比较，并据此选定本课题的开发方案。( 该l p g 电控系统采用开环控制方 式，进气道液态l p g 喷射，以提高发动机的充气效率。控制单元e c u 则以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，力求紧凑可靠，软件设计模块化，便于以后的系统扩充和移植，并 注重e c u 抗干扰能力的设计寸一a 同时，为了方便控制系统与发动机的匹配丁作，作者开发了发动机监控系统。 该系统采用上位p c 机与下位单片机串行通讯的方式，实时显示发动机的t 作参数， 并能实现在线修改和保存的功能。 最后，对发动机的进气系统、燃料供应系统和点火系统进行了改造，以利于控 制系统的安装和l p g 优点的充分发挥。就本课题开发的控制系统与发动机进行了试 验匹配及验证丁作。f 试验结果表明：该套电控l p g 系统下作可靠，性能良好，动j 性能达到甚全超过了原汽油机的水平；且排放性能较好，怠速时h c 、c o 、n o x 部 低于原汽油机。 一。 关键词：l p g ，发动机、电控喷射 擘扎熏 浙江人学坝十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i t sag o o dm e a s u r et or e d u c et h ee x h a u s te m i s s i o n sa n dr e l a xt h eu r g e n tp e t r o l s u p p l y i n gs i t u a t i o nb yu s i n gl p g a st h ef u e lo f e n g i n ei n s t e a do f g a s o l i n e n o w , l p g f u e l e d e n g i n eh a saf i n ep r o s p e c t i v e ，b u t i t sd e f e c t so fp o w e rd e c l i n ea n dl i m i t e d e m i s s i o nr e d u c t i o na r em o r en o t i c e d i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，al p ge l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h i n d i c a t e st h a tt h i s s y s t e md i s p e l st h ed e f e c to f l p g f u e l e de n g i n ea n dg e t sag o o dr e s u l t f i r s t l y ，c u r r e n t s i t u a t i o no fl p gf u e l e d e n g i n e i s p r e s e n t e d ，a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g eo f a l lk i n d so fl p g s y s t e ma r ec o m p a r e d ，a n do u rs c h e m ei s s e l e c t e d i n o u rl p ge l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，t h eo p e n e dl o o pm o d ei s a d o p t e d ，l i q u i dl p gi s i n j e c t e di n t oi n t a k em a n i f o l dt oi n c r e a s ep u m p i n gc o e f f i c i e n t a t 8 9 c 5 2a r ea d o p t e da s e c uc o r ea n dm o r ea t t e n t i o no fc o m p a c t i o na n dc r e d i b i l i t ya r ep a i dt oi t t h em o d u l a r d e s i g nm e t h o di sa d o p t e di n t ot h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ef o rt h ec o n v e n i e n c eo fl a t e r e x p a n s i o na n dt r a n s p l a n t ，a n da n t i - j a m m i n gd e s i g na r ed o n e a tt h es a m et i m e ，a ne n g i n em o n i t o r i n gs y s t e ma r ed e v e l o p e dw h i c hc a ng i v eg r e a t p r i v i l e g et ot h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n dm a t c h i n go f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m f o rl p gf u e l e de n g i n e i nt h i sm o n i t o r i n gs y s t e m ，b e t w e e nt h ep ca n do t h e rs c m ss e r i a l c o m m u n i c a t i o ni su s e d ，e n g i n ew o r k i n gp a r a m e t e r sa r es h o w e di nr e a l t i m ea n dc a nb e a d j u s t e do rs a v e do n l i n e l a s t l y , a i ri n t a k es y s t e ma n df u e ls u p p l y i n gs y s t e m a n di g n i t i o n s y s t e mo ft h e e n g i n ea r er e b u i l ti no r d e r t oi n s t a l lt h ec o n t r o ls y s t e ma n de x e r tt h ea d v a n t a g eo fl p g a i o to f e x p e r i m e n ta r em a d eo nt h ee n g i n ef o rt h em a t c h i n ga n dv a l i d a t i o no f t h ec o n t r o l s y s t e m g o o dr e l i a b i l i t ya n dp e r f e c tp e r f o r m a n c eo ft h i se l e c t r o n i cc o n t r o ll p gs y s t e m a r ei n d i c a t e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i t sd r i v i n gp e r f o r m a n c ei sa sg o o do rb e t t e rt h a n t h eg a s o l i n ee n g i n ea n dt h ee x h a u s te m i s s i o ns u c ha sh c ，n o x ，c oi sg r e a t l yd e c r e a s e d k e yw o r d s ：l p ge n g i n e e l e c t r o n i cc o n t r o l 浙江人学硕士学位论文第节绪论 第一章绪论 1 1 我国摩托车技术的发展现状及其趋势 自1 9 5 0 年第一辆国产摩托车在北京诞生以来，经过5 0 年的发展壮大，我国摩 托车工业迅速发展，已经成为世界上最大的摩托车生产国。截至1 9 9 8 年底，我国 累计生产摩托车5 5 0 4 万辆，社会保有量约为4 0 0 0 万辆。据国家机械t 业局规划发 展司调查统计综合分析确认，我国目前摩托车年综合生产能力约为1 2 0 0 万辆，摩 托车发动机年生产能力约为1 0 0 0 万台。 然而，由于我国摩托车产业起步晚、起点低，所以产品技术水平相对落后，特 别是一些新型车的开发，以仿造为主，还存在着拼凑的痕迹，致使新产品性能小高。 以化油器为例，一些新型车的化油器与发动机匹配不好，影响了发动机的性能。而 摩托车数量的增加，使得其排放污染情况愈来愈受到重视。 为了限制摩托车的排放，提高我国摩托车t 业的发展要求，国家又出台了 g b l 4 6 2 1 - 9 3 摩托车排气污染物排放标准、g 1 3 t 1 4 6 2 2 9 3 摩托午排气污染物的 测量工况法和g b 厂r 5 4 6 6 9 3 摩托车污染物的测量怠速法。并规定自1 9 9 6 年 1 月1 日起所有新生产车都应由各级环保行政主管部门按上述标准监督实施。冈此， 控制和减少摩托车排污已成为各生产厂家及有关科研单位的当务之急。 为了提高摩托车的性能，降低其排放，各国对摩托车排气控制与净化问题都进 行了大量的研究工作，采取了小少技术措施。这些净化方法是根据摩托车的排放源 从有害气体的生成机理出发，对曲轴箱窜气、汽油蒸发进行控制，此其一：其二是 对发动机的燃烧方式本身进行改进，抑制其有害成分的产生或在机外设置净化处理 装置，使发动机已产生的污染物在净化装置中减少；其二是另辟蹊径，大力发展低 污染摩托车。 目前我国摩托车发动机的发展趋势是四冲程化。而低排放、低油耗则是四冲程 摩托车的发展趋势。要实现摩托车的低油耗和低排放，燃油系统是关键的一步。而 燃油系统的摩托车技术发展趋势一般为电控喷射和采用新型燃料。 ( 1 ) 电控喷射系统 电控喷射技术能实现摩托车的低排放，它有效地解决了摩托车发动机发展中的 低排放难题。传统的化油器发动机存在的最大弊端具体表现在与发动机的“气门晕 叠”相配合时的不协调性这是长期以来就存在的。 从实现最大动力方面来说，四冲程发动机气门重叠角应尽可能大一些。冈为在 此过程中，来自于排气管的排气负压力波有助于将气缸中的残余废气吸出，并进一 步影响到进气，便于新鲜充量更顺利的进入气缸，从而使扭矩增加。小过，借助于 浙江人学钡十学位论文第母绪论 这种方式被吸进的新鲜混合气的一部分也会顺势从排气管中逃逸，变成小合法的废 气。 而更为严重的是，当发动机运转在7 0 7 5 的峰值功率的转速时，会出现“富 油平谷”。随着发动机转速的下降，排气压力波却仍然以声波传播。负压力波会提 前在气门重叠之前到达排气门，那么在重叠角之问出现的便是紧随负压力波的正压 力波。这种压力波会将排出的废气重新推回气缸，并一直推向进气门，流经化油器， 并从化油器吸出燃油，形成一定浓度的“废气燃油”混合气；而当发动机正式 进入进气冲程的时候，这种“混合气”又会再流经化油器，并再次将化油器中的燃 油u 发出；于是便形成了双倍燃油浓度的混合气，最终使进气过程中吸入的混合气含 油浓度过大，导致气缸内失火，至少是燃烧迟缓，并且动力锐减，形成大量未燃的 h c 。这种现象表现在发动机的扭矩曲线上便是“著名”的“富油半谷”。 而电控喷射虽然气门重叠角也很大，却不会出现象化油器式发动机所存在的那 种由于废气被吹回而形成的的“富油”现象。取而代之的是，燃油喷射器榆测转速 上止点信号，直到真正的进气冲程开始，它才根据发动机可能吸入的实际新鲜进气 量喷入恰当比例的燃油量与之相混合。因此4 i 存在双倍加浓的现象，当然也就小存 在弱燃或失火及燃油混合气对排气管的短流现象。所有这些都恰到好处：运转半稳 排污最小，而且燃油喷射还允许发动机设计者仅根据动力状况来选择最佳的气门晕 叠角，使动力曲线实现较理想的形状。 ( 2 ) 采用新型代用燃料 f i 前汽车燃料主要是汽油和柴油，随着其数量4 i 断增加和运输能力的提高，对 燃料需求量越来越大。同时为了减少尾气对环境的污染，各国制定的排放法规日益 严格，这两方面均促成世界各国开发新的能源。目前从世界范同看，正进入一个石 油代用燃料时期。 而在己研制的代用燃料中，液化石油气由于其高热值、高辛烷值、低污染、易 储存和运输方便等特点而成为良好的汽车代用燃料。西方发达国家甲就在汽车上使 用液化石油气。据不完全统汁，到1 9 8 3 年，仅欧洲已有近2 0 0 万辆液化右油气汽 车，日奉拥有3 0 万辆液化石油气汽车。总之，用气体燃料( 包括液化石油气及天 然气) 替代部分石油燃料已经成为定局。我国石油资源并f i 丰富，随着国民经济的 发展，能源与交通运输相当紧张，城市污染问题也殛待解决。阏此我国也已经开始 大力发展液化石油气发动机技术。 由于液化石油气作为汽车的新型能源已经得到广泛的应用，并以其独特的优点 而得到大家的认同。因此，在摩托车数量急剧增加，排污受到严格控制的情况下， 在摩托车上采用液化石油气作为燃料，将是一件很有前景的事情。 浙江人学颂十学位论文 第帝绪论 1 2 液化石油气的组成和特点 液化石油气的英文名称为“l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ，简称l p g ，它常压常温下 是一种无毒、无色、无味的气体。其来源有二：一为原油在炼制成品油时，于气体 分离过程产生之副产品；另一为天然气( n a t u r a lg a s ) 在炼制天然气时衍生的副产 品。车用l p g 的主要成分为丙烷( p r o p a n e ，分子式为c 3 h 8 ) 与丁烷( b u t a n e ，分 子式为c 。h l o ) 之混合物，通常依气候条件采取小同的混合比例。 美国的l p g 主要成分是丙烷，在我国则主要是丁烷，约占6 2 7 2 。我们知 道，一切烃类的相对分子量、相对密度、粘度、热值、辛烷值、f 六烷值、常压沸 点、着火温度、凝点、汽化潜热、表面张力、与空气混合后可燃浓度界限以及在常 压和常温下的物理状态等，都取决于烃类的分子结构及所含碳原子数。所以要研究 l p g 发动机的着火、燃烧及废气有害成分的形成以及整机性能，必须掌握烃类的这 些特点。 烃烷是种饱和烃。正烷烃是完全的开直链烃链上没有分支结构。除了正烷 烃外，还有异烷烃。正烷烃和异烷烃的分子式一样，但其物化特性可能相七甚远。 丙烷小存在异烷烃，丁烷有正丁烷和异丁烷之分。丙烷、正丁烷和异丁烷的分子结 构可参考有关书籍，在此不再给出。 表l - l丙烷、正丁烷及异丁烷等气体燃料物化特性 相对 标态相对 常压沸沸点汽化h c 质 h 原子c 名称分子式分子 含昼 密度 数比 点 热k j k g 吊：比 k g n m 丙烷 c 3 h 8 4 4 0 l8 1 82 0 1 0 24 2 0 7 4 2 580 2 2 22 6 4 5 正丁烷 c 4 h 1 0 5 8 1 28 272 7 0 3 0o 5 53 8 6 0 02 0 82 4 7 6 异丁烷 c 4 h i o 5 8 1 28 2 72 6 0 1 2- 1 1 7 30 2 0 82 4 7 6 l p g5 47 08 2 42 4 9 0 0 3 9 6 00 2 1 l2 5 3 0 9 5 8 5 3 1 3 0 汽油7 2 0 7 8 02 9 3 3 2 70 1 4 62 0 5 0 1 2 08 5 51 5 0 1 9 0 - -8 6 6 1 8 0 o 1 2 7 17 4 - 柴油8 2 0 8 9 02 5 i - 2 6 8 2 2 08 7 33 5 0 o 13 41 8 5 丙烷、正丁烷和异丁烷的物化特性见表1 - i ，燃烧特性见表1 2 。为了便于比较， 将汽油和柴油的物化特性也列在表中。 从表l 一2 可以看到l p g 的质量热值比汽油高6 左右，但是在常温下l p g 是气 体，而汽油是液体，标准状态下二者密度相差3 4 0 倍之巨，所以体积热值也相差巨 大。l p g 的沸点比汽油和柴油低得多，但沸点汽化热比汽油和柴油大。常压下的着 火界限相差不大，以质量计的理论空燃比l p g 较大。l p g 着火温度比汽油高2 0 0 以上，这也说明l p g 分子结构比汽油稳定，要破坏这种结构需要花更大的能量。 l p g 辛烷值比汽油高，辛烷值越高，其抗爆性越好，为进一步提高压缩比提供 浙江人学硕十学位论文 第节绪论 了可能性。试验证明，辛烷值每增加4 o - 4 5 个单位，可以提高压缩比1 个单位 以此计算，l p g 发动机压缩比可提高到1 2 。 表1 2丙烷、正丁烷及异丁烷等气体燃料主要的燃烧特性 质景热标态体 着火极 着火凝标态最大 名称 值积热值 限 空理沦空燃 气体积比 温度辛烷值 燃烧速度 m j m m j m 分数 丙烷4 6 3 59 3 5 82 4 - 9 5 1 5 6 35 1 0 正丁烷4 5 4 31 2 3 5 61 9 - 851 5 4 14 3 0 69 2 异丁烷4 5 3 7 1 2 1 6 419 8 51 54 14 9 09 9 l p g4 5 6 51 1 3 6 71 卜9 71 5 4 61 0 40 4 3 4 3 9 6 -3 2 9 7 0 -2 2 0 汽油1 4 7 61 4 8 - 1 5 05 68 0 9 503 8 4 4 3 83 3 2 8 52 6 0 4 2 6 3 5 3 6 0 柴油1 4 4 1 4 62 5 8- 22 0 3 0 4 2 93 5 6 1 0 与普通燃料( 汽油) 相比，l p g 主要存在以下优点： ( 1 ) 良好的经济性 l p g 单位质量热值较汽油高( 见表l - 2 ) ，而且可在常温下储运，很适合汽车摩 托车发动机使用。而l p g 价格低廉，燃油费用较汽油低。我国上海使用l p g 汽车 的费用比同等级别的汽油车节省4 3 3 - 5 3 9 。 长期以来l p g 一直作为民用生活燃料使用，事实上，民用生活燃料对燃料的成 分、抗爆性能等要求较低或无要求。阕而，可以说液化右油气用作民用燃料是大材 小用。我们可以通过大力发展组分难以控制的管道煤气或沼气来作为居民生活用 气，从而节省尽可能多的液化石油气用作发动机燃料，这就大大提高了能源的综合 利用效率。 l p g 良好的经济性还体现在它的高辛烷值上，l p g 辛烷值约为1 1 0 ( 其主要成 分丙烷的辛烷值为1 2 5 ，l p g 的辛烷值随成分变化而略有小同) ，其抗爆性能好，能 通过提高发动机压缩比而获得较高的效率。 ( 2 ) 低排放 l p g 发动机在排放上有明显的优势，据国内外l p g 汽车排放测试数据，尾气中 有害成分比汽油低得多，c o 比汽油减少8 0 0 左右，h c 减少4 0 0 以上，其它污染 物也明显减少。将汽油喷射技术与l p g 供给系统相结合，形成l p g 喷射系统，能 达到比汽油电控喷射更低的污染排放量。据t e x a sa & m 大学的试验研究表明，其 污染排放量要低于1 9 9 6 年美国联邦车辆排放标准，h c 、c o 及n o 、等指标达到或 接近加州大气保护局( c a r b ) 制定的极低排放标准( u l e v ) ( 除了n o 。以外，其 他指标均好于汽油) 。s i e r e n s r ，d a n i e lj l u h m a n 等人的文章都肯定了l p g 发动机 能达到极低的污染排放量。 ( 3 ) 发动机寿命长。运行成本低 浙江人学硕十学位论文 籀节持论 l p g 基奉上以气态形式与空气混合，混合均匀( 即使在液态喷射过程中tl p g 也比汽油更易蒸发，混合也比汽油均匀) ，进入气缸后能燃烧完全，1 i 致产生积炭， 润滑油不被稀释，从而显著地减少气缸磨损，使发动机寿命延长近2 倍，润滑油使 用期5 e n 延长2 倍以上。 另外，l p g 汽车几乎一i 存在安全性问题。据日本交通省、美国防火协会( n f p a ) 和澳大利弧l p g 协会分别对本国的l p g 车与其他燃料车的安全性能比较，l p g 午 的安全性小比其他燃料车差。 1 3l p 6 发动机电控技术的发展现状 l p g 发动机最先是应用于燃用汽油的汽车，因此，我们在此讨论的l p g 发动 机发展历史也以在汽车上的应用为主。并简要说明各个发展阶段的实际使用情况。 l p g 汽车一般都在普通汽油车上改装，即加上一套l p g 燃料供应系统。从l p g 发动机的技术发展来看，改装过程经历了三个阶段：第一代为l p g 汽化系统。第二 代为l p g 电子控制供气系统，第二代为l p g 电控喷射系统。我国日前所应用的l p g 燃料供应系统基奉上为第一代系统。 1 l p g 普通汽化系统 l p g 汽化( 燃料供给) 系统可采用l p g 专用系统或l p g 与汽油的双燃料系统。 日前我国的l p g 发动机以改造成双燃料发动机为主。这主要是由于4 0 多年前，l p g 开始用作发动机燃料时，发动机基奉上都采用化油器。这种发动机又很容易改装成 l p g 发动机，所以我国的l p g 发动机几乎部是由化油器发动机改装而成的，而且 保留了使用汽油作燃料的可能性，故称为双燃料发动机。而另一方血也是为了解决 加气站4 i 足的矛盾。采用该系统一般小对发动机奉体作任何改进，技术要求主要集 中在蒸发器、调压器与混合器等关键部件的制造上。 由于l p g 的 六烷值接近零，不可能对它与空气的混合气进行压燃点火，所 以汽油机的点火系统继续保留。图2 1 所示为第一代l p g 汽化系统示意图，为了携 带l p g ，车上当然要装一个l p g 储气罐l ，储气罐内的压力通常高达2 5 m p a ，为 了使l p g 从液态降压变成气态，所以要有一个汽化器兼压力调节器2 也称转换器， 它还有过滤和控制l p g 流量的功能。l p g 汽化时要吸收大量的汽化潜热，所以要 有发动机冷却液进出口3 和4 。汽化后的l p g 在混合器5 内与空气混合。这是一种 管式混合器，构造很简单，跟化油器的喉管相似，截面收缩，周围开有圈4 , 4 l 。 空气在喉管中流过时产生真空度。l p g 从周围的4 , ：l 进入混合器与空气混合后成为 t 的燃气空气混合气，被送往发动机进气管。混合器可以安装在化油器6 的前面或 后面。l p g 的定量由压力调节器2 和混合器5 确定。若是用于双燃料发动机，则必 须用转换开关1 0 或使l p g 电磁阀7 开启、汽油电磁阀8 关闭( 用l p g 作燃料) ， 或反之( 用汽油作燃料) 。双燃料发动机用汽油起动。起动后毫i j 匙开关转回到点火 浙江人学坝十学位论文 鹕母杵论 接通位置时，自动切换到l p g 系统。 1 l p g 储罐2 转换器3 、4 发动机冷却液进、出u5 混 合器6 化油器7 l p g 电磁截l i ：阀8 汽油电磁截i | ：阀 9 汽油箱l o 转换开关1 1 钥匙开关 图2 i第一代l p g 汽化系统 第一代l p g 系统的主要缺点是无法实现对l p g 供气量地准确控制。这种技术 改装成奉低，但其降低排放污染的效果随小同发动机和小同的调整状况而有所差 别。中国汽车技术研究中心对l 几种改装车进行了i 五t 况法的试验研究，结果表 明，与原车正常水平相比较，匹配较好的大体上能降低c 0 4 0 , - - 6 0 ，h c3 0 5 9 ， n o x 一般1 i 超过15 。装用这类简单系统的汽车，其排放半均达4 i 到欧洲i 号法规。 冈此，可以说第一代l p g 系统的主要意义足解决替代能源的一个途静，对改善 汽车排放也有一定的作用，但小能满足汽车排放的新的国家标准的要求。 2 l p g 电子控制汽化系统 在机械式l p g 供给系统的l p g 减压器和混合器之间加一个步进电机控制的燃 料阀，再增加一个专用的控制单元( e c u ) ，根据采集的发动机运转状态和其内部 的m a p 图控制燃料的供给量，同时使用三效催化转换器对排出的废气进行机后处 理。此即为l p g 电子控制汽化系统，图2 - 2 为其结构示意图。这种系统可以在电喷 的汽油机上实施，它将发动机的转速、歧管压力及废气中的氧禽量等信号传送到控 制单元( e c u ) ，控制单元将发出控制信号至控制电磁阀或其他流量控制装置来控 制l p g 的供应量，而后在混合器中与空气混合。由于能根据1 i 同t 况较准确地控制 l p g 的供应量，据文献介绍，能达到良好的效果。c o 、h c 排放比简单燃用l p g 汽油机低i 3 l 2 ，n o 。低4 5 - - 5 0 。 这种方式对发动机奉身的改动非常有限，还可以使用汽油作燃料。雷诺公剧对 1 4 l c l i o 发动机的改装非常成功，发动机的压缩比保持小变，优化点火提前角， 浙江人学硕士学位论文 第寸绪论 通过试验优化l p g 运行 t 况下的催化转换器的最佳丁作空燃比；试验使用的l p g 成分为丙烷体积分数5 0 ，丁烷体积分数5 0 。优化结果表明，l p g 作为代用燃料 其优势是明显的，与原机相比虽然动力性下降了3 ，但改进后的发动机的h c 、 n o x 和c o 排放只有最严格排放法规限值的l 3 左右，而且在暖机状态下h c 中有 8 0 以上的成分是甲烷。这种低成本高可靠性的方案为我国l p g 的发展提供了借 黪。 1 l p g 储罐2 火花塞3 三效催化转换器4 空气滤清器5 汽化器( 压 力调节器)6 发动机冷却液8 低压l p g 软管9 高压l p g 软管1 0 汽 油喷油嘴1 1 氧传感器1 2 汽油用电子控制币元1 3 l p g 用电子控制即无 1 4 数宁式线性执行器( 步进电极) 图2 2 第：代电子控制的l p g 汽化系统 近年来我国也逐渐推广这类闭环控制的l p g 改装方式尽管采用的l p g 改装 装置各不相同，但大都达到了满意的效果，如上海s a n t a n a 使用l a v t o 的l p g 改 装装置，j c t t a 和夏利的改装试验都显示了这种方式对发动机排放的改善能力。一汽 大众j e t t ag e x 型轿车安装的l p g 闭环系统后对其排放测定的结果是：c o 的排放 为1 2 8 7 9 k m ，小于检验要求的3 1 6 9 k m ：( h c + n o x ) 的排放为o 3 7 9 k i n ，小于榆 验要求的1 1 3 9 k i n ：两者都符合要求【此时c o 、( h c + n o x ) 的劣化系数为1 2 】。 第二代l p g 系统可以使汽车排放水平达到欧洲i 号法规的要求。但其仍存在着 很多的1 i 足，由于控制单元只是控制从汽化器到混合器的l p g 流量，故小能精确地 实现定量控制。而且发动机的进气歧管中充满了l p g ，极易回火，可靠性不高。随 着汽油机电控技术的发展成熟，l p g 系统必将采用更精确定量的电控系统，以控制 空燃比，实现最低的排放要求。 3 l p g 电控喷射系统 将汽油喷射技术与l p g 供应系统相结合，形成l p g 喷射系统，能达到比汽油 电控喷射更低的污染排放量。通过转速、进气压力、进气温度、节气门位置、l p g 浙江人学颁十学位论文 鹅母拼论 温度及氧传感器信号等参数来控制空燃比和点火提前角，能达到提高动力性、经济 性和降低排放的目的。其中带氧传感器的称为闭环控制( 如图l 一3 所示) ，4 i 带氧传 感器的称为开环控制。据t e x a sa & m 大学的试验研究表明，污染排放量低于1 9 9 6 年美i 訇联邦车辆排放标准，在试验中h c 、c o 及n o x 等指标达到或接近加州大气 保护局( c a r b ) 制定的极低排放标准( u l e v ) 。 现在国外对l p g 汽车发动机技术上的研究完全过渡到了第二代，即电控喷射阶 段。由于国外的排放法规日益严格，所以都非常蕈视对降低排放的研究，也取得了 小少的成果，如电控喷射技术、稀薄燃烧技术等。但就电控喷射汽油车而言，要达 到美国加州的超低排放车辆标准仍是非常困难的，所以光靠改进内燃机燃烧系统已 很难满足在排放法规上的要求。由于l p g 作为燃料奉身所具有的清洁排放性能，再 加上电控喷射系统能精确地控制空燃比，所以l p g 电控喷射系统是集两者之长，故 只前正被广泛地研究和应用。对第三代l p g 电控系统的研究主要包括两个方面：一 方面将用于汽油发动机的电控喷射技术移植到l p g 发动机上来，另一方血着手对发 动机进行改进，以适应燃用l p g 来达到更高的排放要求。 电控堆元 臣丑恒 ( e c u ) 氧传感器 图1 - 3电控喷射系统_ 意图 气 汽油车与l p g 汽车在排放上的对比如图1 - 4 所示。2 0 世纪7 0 年代，l p g 汽- 乍 的n o x 和c o 排放都明显低于汽油车，当时的汽油车主要采用的是化油器，电控喷 射汽车还未能普及。到了8 0 年代，随着各国排放法规的日益严格，闭环控制的汽 油电控喷射及三元催化转化装置日益普及，使汽油车的排放一下子降低了许多倍， 轻松地满足了欧洲i 号排放法规( e c e r 8 3 0 1 、0 2 ) 的要求。当时l p g 供应系统尚 处在第一代，排放上不及汽油喷射。到了9 0 年代，l p g 供应系统采用了第二代甚 至第三代产品，才赶上汽油喷射汽车，甚至可满足欧洲i i 号排放标准。由此可见， r 前第一代l p g 供应系统已不能满足欧洲i 号排放标准，故对其进行研究已经失上 了意义。而由于l p g 比汽油在同等条件下更易达到排放法规的要求，所以对第二、 二代l p g 系统的研究具有非常重要的意义。 气体燃料在车用发动机上的应用研究已经有了几l 年的历史，而在近二二f 年 中，气体燃料发动机成为研究的热点。尤其是l = t 前人类面临着能源与环境两大问题， 使人们对气体燃料发动机研究的重视程度得到进一步的提高。由于储运方便的优 一一一一一 浙江大学顺十学位论文第带衔论 势，在实用方面l p g 汽车走在天然气汽车的前面。从国内外的研究现状来看，对气 体燃料发动机提高动力性能和进一步降低排放的研究是大家关注的热点，为此，人 们已经开始将成熟的发动机电控技术应用于l p g 发动机上，以其通过二者的结合来 提高动力性能和进一步降低排放。 恚 蜃 麦 莓 呈 j， l p i，p l； 皆欧洲l 阶段 雀_ 翟“ 1 9 7 0 年9 8 2f - 1 9 8 8 勺!i o q 气i e 值 图1 - 4 汽油车与l p g 汽车排放状况对比 1 4 本课题的意义及研究内容 目前国外燃气汽车在充分吸收汽油车最新技术的基础上，晕点发展电子控制多 点喷射技术和针对燃气的催化技术，目的在于满足日益严格的排放标准，达到低排 放的要求。我国应结合汽车技术的发展，大力开发燃气汽车喷射技术和催化转化技 术，以充分发挥燃气汽车在降低排放污染方面的优势。在这种情形下，我国很多科 研单位都在开展l p g 电控喷射研究，在l p g 汽车的研究上，已经取得了较好的研 究成果，并部分地投入生产，反应良好。但对于摩托车上的l p g 技术。则目前小是 很普及，冈此有必要加大研究的力度，以适应f t 前摩托车发展的需要。 本课题旨在开发一套l p g 电控喷射系统，并将其用于四冲程摩托车发动机，通 浙江人学顺十学位论文第市绪论 过一系列匹配性实验，得出其最佳实验参数。从而进一步熟悉摩托车l p g 技术，完 善本课题所设计的电控系统。同时将l p g 发动机与原汽油机进行试验对比分析，试 图在l p g 发动机硬件( 燃料供给系统、点火系统、控制系统) 和软件( 控制编程) 上进行一些深入性的研究工作，为推动我国l p g 摩托车发动机的发展奠定理论和试 验基础，并积累更多的实践经验。 本课题的研究内容为： ( 1 ) l p g 电控系统总体方案的设计。 ( 2 ) 控制系统的软硬件设计包括电子控制系统的控制单元( e c u ) 、传感器 及相应输入、输出通道的设计。并进行抗干扰的分析与设计。 ( 3 ) 对发动机进行系列改造，以适应l p g 发动机的需要。包括传感器的安装 和点火系统的改进。 ( 4 ) 设计整个供气系统，保证l p g 可以以任何方式进行喷射，并可以随时调 整供气压力和供气状态。 ( 5 ) 将所设计的电控系统用于具体实验中，进行发动机性能对比实验，并根 据实验结果进行实际的改进，从而保证电控系统与发动机的匹配性。并 与原汽油机进行性能对比试验。 浙江大学硕士学位论文 第_ 章l p g 电控系统的方案设汁 第二章l p g 电控系统的方案设计 2 1 各种方案的分析比较 目前国内改装和新开发的l p g 汽车选用的l p g 汽车专用装置部件基本上处于 国外第一代产品技术水平。这种机械控制的双燃料汽车要保证可使用汽油和l p g ， 对汽油化油器、l p g 混合器和点火特性的调整必须兼顾两种燃料，不能保证其燃用 汽油和l p g 时均处于最好的工作状态。且第一代l p g 系统相当原始，无法精确控 制空燃比。当l p g 中所含丙烷和丁烷或其他成分的比例变动时，即使原先已调整好 的系统，其空燃比也不能与发动机工况相匹配，致使排放恶化。第一代l p g 系统小 能满足欧洲i 号排放法规，因此，目前国外基本上已经不再使用这种l p g 系统。但 我国各地引进并推广使用的l p g 系统大部分上都是这种被发达国家抛弃了的系统， 这种l p g 系统如不经专业人员用仪器仔细调整，其怠速排放甚至比化油器发动机还 差，更不用说过渡工况了。故我国也应该不再开发这种l p g 系统，尽量研究开发一 些高性能低排放的l p g 系统。 第二代电子控制的l p g 汽化系统虽然在一定程度上改善了发动机的排放，但还 存在一些问题。比如使用双燃料的发动机，由于汽油机的爆震极限，无法通过提高 发动机的压缩比或者提高点火能量来提高燃烧热效率，从而无法利用l p g 燃料高辛 烷值的优势；由于使用同一个氧传感器，使得最终的l p g 可燃混合气偏浓，汽油混 合气偏稀：保留的混合器使得空气流动阻力增大，而l p g 仍以气态充入充气效率 较低。对于这种缸外预混系统而言，若点火系统工作不正常，会出现混合气在进气 歧管内回火燃烧的现象，对发动机的进气系统将造成危害。而要解决上述问题，一 方面要逐渐过渡到l p g 单燃料发动机，另一方面要采用燃料喷射的方式。 第三代电子控制的l p g 喷射系统是将l p g 以液态或气态喷射，机外使用三效 催化转换器对废气进行后处理。l p g 喷射有两个主要的优点，一是可以增加充气效 率( 约为2 ) ，精确的控制混合气空燃比，从而能获得较高的燃料经济性和更好的 排放性能；二是可避免出现进气歧管回火的现象。第一代和第二代l p g 系统的进气 歧管中充满了极易点燃的l p g 空气混合气，比单点汽油喷射场合的汽油空气混合气 更具有爆炸性。系统的工作稍有失常，就会发生回火。而现代发动机进气歧管由于 制造材料的改变，发生回火将会产生严重的后果，故决不允许回火。 下面我们从另一个角度来进行分析。由目前所掌握的资料可以知道，非喷射方 式的l p g 供应系统( 包括第一代和第二代l p g 系统) 的主要缺点在于其动力性有 显著的下降。分析其原因主要有三： ( 1 ) 燃用汽油时，汽油在化油器中只有部分被蒸发，进一步地蒸发在进气管 浙江大学硕士学位论文第_ 章l p g 电挖系统的a 案蹬汁 和气缸内完成，其蒸发潜热来自空气和发动机机件，故混合温度较低，密度大；而 在燃用l p g 时，l p g 在进入混合器与空气混合前，己被预热并汽化，以气态进入 发动机，l p g 所占容积大，容积利用率低，并且混合气温度高，密度小，致使实际 进入气缸的混合气质量小，故发动机功率损失大。 ( 2 ) 由于沿用了汽油发动机，喉口等部位以及供气系统中的混合器影响了充 气效率。在非喷射方式的供气系统中都采用了混合器，在混合器中基本上由发动机 的负压形成真空吸力来获得l p g 的进气量，影响了燃料的供应量和充气效率。 ( 3 ) 整个供气系统采用负压吸气的原理，在高转速高负荷下供气不足，进一 步影响了充气效率。 针对以上三方面对发动机动力性能的影响，可采用电子控制的l p g 喷射系统以 提高动力性。由于采用了电控喷射方式供应l p g ，不再需要机械装置来调节混合比， 故可以省去混合器。由于是气体( 即使是液态的l p g ，也极易汽化) 与空气的混合， 再加上发动机进气口处强烈的紊流作用，故混合是均匀的，这在汽油喷射中也已经 得到很好的证实。由于去掉了化油器，同时换上直通的管子来替代化油器的位置， 故可以减小由于化油器的阻力而造成的吸气损失。而且在我们研究的单缸机中，由 于发动机的功率较小，可以不必采用蒸发器。钢瓶良好的导热性使得汽化港热完全 可以以从空气中吸热的方式来获得。这在试验中已经得到了很好的证实。 综上所述，由于l p g 供应系统而使得发动机动力性下降的因素，在电控液态喷 射方式中基本上都得到了解决。采用电控喷射方式，由于l p g 与发动机之间有着较 好的匹配性，燃料量控制更加准确，能达到比较理想的空燃比，因而能获得更清洁 的排放。如果保证充足的喷射量( 主要指足够的流通截面) ，在高负荷高转速下也 4 i 存在l p g 供应量不足的问题。 因此，综合以上对三代l p g 系统的分析和比较，奉课题将采用第二代l p g 电 控喷射技术来作为基础方案。仔细研究l p g 和汽油的区别，将实验室里成熟的汽油 喷射技术应用于l p g 喷射技术，并根据l p g 的特性对其加以调整。以甲1 日实现l p g 电控技术的实用化。 2 2l p g 电控系统工作原理与结构 l p g 电控喷射系统由单片机控制，采集发动机转速、进气压力、进气温度、l p g 温度、节气门开度等传感器的信号，经实时处理和计算后，即向各有关执行器发出 指令，以控制最佳喷油量和点火时刻，使发动机处于各种t 况时都能在优化的状态 下工作，以提高发动机的经济性、动力性和排放性能。 电控l p g 喷射系统主要由三大部分组成： ( 1 ) 传感器：它们分别安装在发动机的各个部位。其f t 的是把发动机运行过 程中的有关参数通过传感器转换成电信号输出，并经放大与整形，最后输送到电 1 2 浙江人学硕士学位论文 销_ 章l p g 电拄系统的冉案砹汁 控单元( e c u ) 。在本课题中主要用到的有温度传感器、转速传感器、进气压力传 感器、节气门位置传感器等。 ( 2 ) 电控单元( e c u ) ：电控单元对各传感器输送过来的信号经分析、判断和 计算后，发出相应的控制指令来控制执行机构的正确动作。电控单元是电控l p g 喷射系统的核心，由单片机、输入输出接口和外围电路组成。其接收的传感器信 号主要有发动机转速、进气管绝对压力、节气门位置、进气温度、l p g 温度等。 ( 3 ) 执行机构：它根据e c u 发出的控制信号来完成各种相应的动作。在奉课 题中，其主要完成的是发动机的喷油量控制和点火控制。主要执行机构有：电动 燃油泵、喷油嘴、点火系统、增压压力控制阀等。 下面对本课题中要用到的重点部件进行简要介绍。 1 电控系统中采用的各种传感器简介 ( 1 ) 温度传感器 进气温度传感器通常安装在空气流量计内或者空气滤清器之后的进气管上，用 于测量进气温度，供电控单元修正喷油量使用。其内部装有负温度特性的热敏电阻。 温度越低，电阻越大；反之，电阻越小。电控单元根据这个变化便可测得发动机的 进气温度。 l p g 温度传感器通常安装在喷嘴的附近，以检测最靠近进气道附近的l p g 温 度。其原理与上同。 ( 2 ) 进气歧管压力传感器 以速度密度方式检测进气量的电控喷射系统，是利用进气歧管压力传感器来间 接地测量发动机吸入空气量的。常见的传感器有膜盒式进气歧管压力传感器、应变 仪式进气歧管压力传感器和电容膜盒式进气歧管压力传感器。在此我们采用的是第 二种。它的主要元件是一个很薄的硅片，其周围较厚，中间最薄。硅片上下面各有 一层二氧化硅膜。在膜层中沿硅片四边有四个传感电阻，在硅片四角各有一个金属 块，通过导线与电阻相连。硅片下部有一真空腔与进气相通。硅片上的四个电阻连 接成桥式电路。当进气歧管压力变化时，硅膜片随之发生变形。这时候传感电阻的 阻值即随之发生相应的变化，使桥式电路输出正比于进气压力的电压信号。电控单 元根据该信号即可测出进气歧管的压力。这种传感器不受较大范围的温度变