（轮机工程专业论文）lpg汽车燃烧模拟计算及排放生成规律分析.pdf

哈尔滨t 狸大学硕十学位论文 摘要 近年来，能源短缺和环境污染问题的日益严重以及城市汽车排放法规的 日益严格，迫使我们开发清洁代用燃料汽车。燃气汽车作为代用燃料汽车的 一种，由于其在降低排放、保护环境方面的独特优势以及良好的经济性得到 了广泛的应用。 本文在分析液化石油气物理化学特性的基础上，建立了火花点火液化石 油气发动机的准维燃烧模型。该模型由双区热力学模型、火焰传播速度子模 型、几何模型计算子模型和传热损失子模型等组成，利用该模型可以预测发 动机燃烧过程中气缸中的压力、温度等参数。 本文利用该模型预测了压缩比、过量空气系数、点火提前角等参数对发 动机性能的影响并分析了这些参数对发动机性能产生影响的原因。 本文在建立的准维燃烧模型基础上建立了排放生成模型，利用该模型对 液化石油气发动机在变参数情况下的排放生成情况进行了模拟计算。计算 结果表明点火提前角对n 0 的生成影响较大，压缩比对n 0 的生成影响较小， 而选择合适的过量空气系数更是对降低n 0 的生成起着关键作用。 关键词：液化石油气；火花点火发动机：燃气汽车；准维燃烧模型 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fe n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n tp o ll u ti o nb e c o m e m o r es e r i o u sa n dt h ev e h i c l ee m i s s i o nr e g u l a t i o n so fc i t yb e c o m e s t r i c t e ri nr e c e n ty e a r s ，w h i c hc o m p e lu st od e v e l o pc l e a ns u b s t i t u t e f u e lv e h i c l e a so n eo fs u b s t i t u t ef u e lv e h i c l e ，g a s o l i n e l p g ( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ) d u a l f u e lv e h i c l eh a sb e e nw i d e l y u s e d b e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e so fe m i s s i o nr e d u c t i o na n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，a sw e l la sg o o de c o n o m y o nt h eb a s eo fa n a l y s i so ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s o fl p g ，aq u a s i d i m e n s i o nc o m b u s t i o nm o d e lo fs p a r ki g n i t i o nl p ge n g i n e i ss e tu pi nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hi sc o m p o s e do fd u a l z o n e t h e r m o d y n a m i c sm o d e l ，f l a m ep r o m u l g a t i n gm o d e l ，g e o m e t r yc a l c u l a t i o n m o d e la n ds oo d t h ep a r a m e t e r si nc y l i n d e ro fc o m b u s t i o np r o c e s ss u c h a st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec a nb ee s t i m a t e db yt h em o d e l w i t ht h eh e l po ft h i sm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fe n g i n e sc a p a b i l i t y b ys o m ep a r a m e t e r ss u c ha sc o m p r e s s i o nr a t i o 、c o e f f i c i e n to fe x c e s s a i ra n di g n i t i o nt i m i n gc a nb ee s t i m a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o rw a s a n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h eq u a s i d i m e n s i o nc o m b u s t i o nm o d e l ，t h ee m i s s i o nm o d e l i ss e tu di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h en oe m i s s i o n si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n so fl p ge n g i n ec a nb es i m u l a t e da n dc a l c u l a t e db yt h em o d e l t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h en oe m i s s i o n sa r el a r g e ri n f l u e n c e d b yi g n i t i o nt i m i n ga n dl e s si n f l u e n c e db yc o m p r e s s i o nr a t i o ，f i n a l l y ， c h o o s i n gar i g h tc o e f f i c i e n to fe x c e s sa i rw i l lh a v eg r e a te f f e c tt o r e d u c en oe m i s s i o n s k e yw o r d s ：l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ：s p a r ki g n i t i o ne n g i n e ：g a s a u t o m o b i l e a ：q u a s i d i m e n s i o nc o m b u s t i o nm o d e l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：j 婢一 日期：力o o - 年c ，月了日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 开展本文研究的意义 近年来，我国汽车行业发展迅速，2 0 0 3 年我国就已成为世界上汽车第四 大生产国和第三大消费国，汽车产量4 4 5 万辆，保有量2 4 2 1 万辆。进入2 0 0 4 年，虽然汽车工业发展速度受宏观调控影响有所放缓，但全国汽车产量仍突 破5 0 0 万辆大关，达到5 2 1 万辆，全年总销量达到5 0 4 万辆，比上年增长1 6 ，其中轿车2 2 7 万辆，比上年增长1 8 。汽车保有量将在未来的1 0 年内 持续高速增长，我国汽车的保有量预计2 0 1 0 年将增至4 9 0 0 万辆，到2 0 2 0 年，汽车保有量将增至9 0 0 0 万辆。 随着汽车保有量的不断增加以及公路运输能力的不断提高，汽车燃料的 需求量也越来越大。但近年来，我国的石油产量大致维持在1 4 亿吨左右， 我国从1 9 9 3 年由一个石油出口国变成一个石油净进口国之后，对能源的需求 越来越大。目前我国每天的石油消耗量是4 9 0 万桶。我国自己能够生产3 3 0 万桶。其缺口1 6 0 万桶，也就是大约三分之一，需要进口，而以确保经济增 长能够获得足够的动力从可持续发展的角度考虑，增加石油产量的幅度不会 太大，汽车燃料供应所面临的形势仍然不容乐观，近几个月来国际石油价格 的猛涨，再一次给人们敲响了警钟，能源的多元化是必然的发展趋势“1 。 使用的代用燃料包括液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s 简称l p g ) 、 天然气( n g ) 、甲醇( c h 。0 h ) 、乙醇( c h 。c h 。o h ) 、二甲醚( d m e ) 、氢气( h ：) 。 就当前情况丽言，在较长一段时间内，汽车发动机燃用气体燃料( 如液化石 油气、天然气) 将是最为现实和技术上比较成熟的。为合理利用能源和减少 汽车排放污染、保护环境，汽车清洁代用燃料的应用研究是非常必要而实用 的。根据世界第6 次氢能会议提供的资料表明，目前选择液化石油气、压缩 天然气和甲醇作为汽车代用燃料比较现实。再次考虑到技术的完善程度、能 源密度、能源效率、总的能源利用率以及成本因素，l p g 是最佳的代用燃料 之一1 。 同时，随着汽车保有量的快速增长，全国汽车污染物排放总量持续攀升。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 0 0 3 年全国汽车碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 和氮氧化物( n o x ) 排放 量分别达到8 3 6 1 万吨、3 6 3 9 8 万吨和5 4 9 2 万吨，比1 9 9 5 年增加了2 5 l 倍、2 0 5 倍和3 0 1 倍。而在此期间，其他污染源向大气排放的主要污染物 平均下降了1 5 左右，汽车排放污染物对环境空气质量的影响正在日益增 强。尽管目前我国的大气污染仍以煤烟型为主，但从环境变化的趋势分析， 如果不能有效控制汽车污染，到2 0 1 0 年，我国6 6 1 个城市中的4 0 0 个左右的 环境空气污染将从煤烟型转化为煤烟型与汽车污染型的混合型污染。 为了合理利用能源以及减少汽车的排放污染，代用燃料汽车的研究和应 用臼益受到重视。液化石油气具有价格便宜、辛烷值高和使用安全等优点， 多年来的研究表明采用l p g 作为汽车燃料后汽车的c 0 及h c 排放大幅度下 降，而液化石油气汽车能在强调能源多元化及环保的今天备受关注是因为它 具有以下诸多优点”1 ： 1 l p g 汽车排放性能大大优于汽油车，其c 0 可减少9 0 ，h c 减少5 0 ，n o x 减少3 0 ，c 0 【减少1 0 以上，噪声还可以降低4 0 ，且无苯，铅等 粉尘污染。 2 l p 6 汽车辛烷值高达1 0 3 1 0 5 ，比优质汽油高i 0 鼽2 0 ，抗爆性 能好，可用于高压缩比的发动机。 3 l p g 系统设有安全保护装置，不易泄露。l p g 的密度是0 5 4 ，即使稍 有泄露，在极短的时间内空气中的含量也很难达到1 8 9 6 的爆炸极 限，因此，使用l p g 更安全可靠。 4 l p g 汽车低温起动性能好，怠速运转平稳，机油更换周期长，降低发 动机磨损，延长发动机的使用寿命。实验表明，在一3 0 时，无须采取特别措 施仍可顺利起动；l p g 在燃烧过程中不产生焦油，无积炭，呈气态，润滑油 不会被稀释，润滑油的更换周期为汽油车的3 倍左右，燃用l p g 运转平稳， 噪音小，因而发动机耐用使用寿命约为汽油车的3 倍。 然而，液化石油气汽车也有其不足之处。l p g 的燃烧特性与汽油相比有 诸多的不同，它以气态进入气缸，着火温度高，燃烧速度慢，特别是汽油l p 6 双燃料汽车有一个显著的问题就是燃用l p g 后汽车的动力性能下降“。以日 本最早开发液化石油气汽车的丰田公司为例，据其1 9 9 8 年的介绍，将皇冠中 的c o m f o r t 型轿车改为单燃料的液化石油气汽车后，最大功率田9 7 k w 减少为 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 7 9 k w ，动力性下降了2 2 8 左右，原因在于为保证低速大扭矩与燃用汽油时 基本持平，不得已只得牺牲高速动力性。德国大众汽车公司曾将不同车型的 1 2 辆奥迪轿车由汽油车改装成液化石油气汽车，与燃用汽油时相比，改装后 的发动机动力性能平均下降了6 6 ，其功率下降了6 。6 ，比油耗增加了 2 2 ，n q 增加了1 7 。上海大众汽车公司将桑塔纳发动机改装成双燃料车， 并与多种l p g 供气系统进行了匹配试验。即使与较好的国外进口l p g 供气套 件相配，燃用l p g 与燃用汽油相比最大扭矩仍下降6 5 左右，最大功率下 降1 4 左右。我国第一汽车制造厂在原c a 6 1 0 2 汽油机的基础上生产了c a 6 1 0 2 汽油l p g 双燃料发动机，其性能见表1 1 ，发动机的压缩比提高后，发动机 燃用l p g 时的最大功率有了显著的提高，但在相同的压缩比下燃用汽油时的 最大功率比燃用l p g 燃料要高。 表1 1c a 6 1 0 2 双燃料发动机性能指标 压缩比 6 97 27 6 燃料汽油 l p g 汽油 l p g 汽油 l p g 额定功率( k w ) 9 99 11 0 19 31 0 59 7 3 0 0 0 r l 最大扭矩( n m ) 3 7 33 4 33 7 53 4 53 7 93 6 2 1 2 8 0 r p m 最低比油耗( g k w 3 0 62 8 33 0 02 8 22 9 52 8 0 h ) 综上所述，目前在世界范围内对l p g 汽车动力性问题仍然没有太好的解 决办法。液化石油气汽车动力性问题已经成为推广液化石油气汽车使用的一 个重大障碍。此外，与汽油相比，液化石油气的黏度低，这使得进气门和气 门座的润滑和冷却状况恶化，使进气门和气门座磨损较大，从而造成发动机 的动力损失。这些问题都还有待解决，因此，本文还有必要对液化石油气发 动机进行更深入的研究。 1 2 液化石油气汽车应用发展状况 燃气汽车按燃气的性质可分为液化石油气( l p g ) 汽车、压缩天然气( c n g ) 汽车和液化天然气( l n g ) 汽车等三种，其中以l p g 汽车数量最多，使用最普遍， 我国许多城市都用l p g 做民用燃料。，我国一汽在5 8 年专门生产过汽油l p g 双燃料解放牌货车，然而在补充及携带燃料的便利性和动力性方面逊色于汽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 油机而逐渐受到冷落。事隔七十年的今天l p g 汽车被当成新鲜事物看待重新 受到重视，完全是环境污染问题日趋严重，迫使人们去寻找比汽油更干净的 燃料所致。 与汽油相比较，l p g 在发动机怠速工况下一氧化碳和碳氢化合物的排放 都减少4 0 0 5 以上，没有铅排放物，对维护城市环保的作用是明显的，而且汽 油发动机改装l p g 费用较低，只需安装气化调节器、混合器、储气罐等专用 装置。 但事物总是有利有弊，原是汽油机改装的l p g 汽车，其输出功率会比原 来有所下降。根据国内有关的汽车权威部门试验数据，汽油车使用l p g 装置 后的动力性和加速性都会有所下降，由于国内改装车大部分都是采用汽油 l p g 双燃料汽车，保留原供油系统的油气两用型供给系统，发动机结构参数 不变，未能充分发挥l p g 的特性，其动力性下降较大，因此司机开上改装汽 车有提不上速的感觉，由于l p g 本身无润滑作用也会加速气门磨损。有些专 家认为，如果l p g 装置与发动机匹配不当，某些工况排放反而会恶化污染环 境，另外还要投资建设一批加气站需要较大的投资，因此改装l p g 汽车工作 应在政府有关管理部门统一进行。 虽然改装l p g 汽车尚有动力不足等问题，但权衡利弊以环保为重，以目 前来看，只有l p g 汽车是做到排放标本兼治，行驶性能达到要求，装置技术 比较成熟的环保车种。 1 2 1 国外k p 6 汽车的发展现状 l p g 汽车有着诸多的优点，使其在世界范围内得到了广泛的应用。目前， 全世界应用燃气汽车的4 3 个国家和地区中就有3 0 多个国家使用了l p g 汽车 i f - 1 2 。 自1 9 2 1 年美国生产出第一辆l p g 汽车至今，l p g 汽车行业已经颇具规模， 一些大的汽车公司如福特、丰田、大众、菲亚特、沃尔沃等均可按客户要求 生产单燃料或双燃料l p g 汽车。 美国现有l p g 汽车3 3 万辆，占该国汽车总量的0 3 6 ，约有3 3 0 0 座l p 6 加气站。2 0 0 0 年全美国1 0 的汽车燃料为代用燃料：2 0 1 0 年这一比例将达到 3 0 。为此，美国将政府公务用车作为推广对象，以起到表率作用，日前政府 4 哈尔滨_ 丁稃大学硕十学位论文 部门已有2 9 0 0 0 辆代用燃料车。 意大利是世界上第一个规模推广使用l p g 汽车的国家，且民间行为先于 政府。至今意大利拥有1 9 0 0 余座加气站，其中1 4 8 座位于高速公路沿线。意 大利l p g 汽车总数为1 0 5 万辆，全年约消耗1 2 0 万t l p g ，年消耗量仅次于日 本和韩国。1 9 9 2 年欧盟实施9 1 4 4 1 e e c 污染排放标准，为有效削减机动车 尾气污染，意大利政府宣布停征l p g 汽车的道路使用税，车用l p g 价格约为 汽油的一半，在1 8 个污染严重的管制区内l p g 汽车享有豁免权，可自由出入。 荷兰拥有l p g 汽车4 7 万辆，全年约消耗8 1 万t l p g ，年消耗量在欧洲地 区仅次于意大利。境内有2 0 0 0 座l p g 汽车加气站，分布密度极高。由于l p g 生产过剩，为了消化过多的l p g ，平衡l p g 汽车的高额道路使用税，荷兰车 用l p g 税收很低，l p g 价格仅为无铅汽油的1 3 。荷兰预计到2 0 1 0 年市区公 共汽车的6 0 7 5 、运输卡车的3 0 6 0 、垃圾车的4 0 6 0 将都有可能 转换成l p g 车和c n g 车。 在亚洲地区，日本、韩国的燃气汽车发展比较迅速“。1 9 4 5 年l p g 汽车 在日本出现，1 9 6 3 年使用汽油和柴油被课以重税后迅速发展。日本l p g 汽车 主要车种为出租车，8 0 年代8 0 的出租车为l p g 汽车，其他车种开始改装使 用l p g 燃料，1 9 9 1 年日本l p g 出租车已达2 4 万余辆，占出租车总量的9 3 以上，其l p g 汽车拥有量也超过3 2 万辆，占车辆总数的0 4 。日本将l p g 作为替代柴油的清洁能源，日本环境省也以低污染车辆为标准将l p g 汽车作 为替代柴油货车推荐车辆，并载入“低污染车指南”。为了推广l p g 汽车，日 本在全国范围内建立了1 9 0 0 余家l p g 汽车加气站，全年消耗l p g 达1 8 0 万t 。 而其车用l p g 税款仅相当于汽油的4 ，车用l p g 价格只有汽油的一半。 韩国使用l p g 汽车也较为广泛，1 9 9 5 年韩国车用l p g 消耗量达1 5 0 万t ， 为世界第一位，到2 0 0 0 年底车用l p g 消耗量将达2 5 0 万t ，占韩国l p g 消费 总量的3 8 。韩国车用l p g 价格仅为汽油的2 7 ，由于经济性好，韩国l p g 车迅速增加。1 9 9 5 年韩国的l p g 汽车总数达3 1 3 万辆，为全国车辆总数的 3 9 。而从2 0 0 0 年至今，韩国的l p g 车已达1 1 4 万辆，占总注册车辆1 2 0 0 万辆的2 0 。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 2 2 国内l p g 汽车的发展状况 由于我国气体燃料资源比较丰富，而且随着开采和存储技术的提高，天 然气和液化石油气产储量还有很大潜力“”，同时，管道煤气的发展每年将节 省大量用于民用的液化石油气，因此，从长远来看l p g 的供给量是充足的。 这为我国推广天然气和液化石油气汽车提供良好的资源条件。 早在四十年代初期，我国就开始了气体发动机的改装与应用，在中国的西 南山区及内地城镇，因汽油短缺，就曾以木炭和硬质木块经煤气发生炉气化 产生可燃气驱动民用运输车辆。五十年代至六十年代中期，当时中国石油产 品还是依靠进口的“洋油”时代，部分城市交通汽车、发电动力也曾以木质 燃料气化驱动内燃机，以气代油“”。 近年来，随着机动车废气污染和石油短缺等矛盾的日趋突出以及国家对 汽车能源多元化的重视和对环保要求的提高，我国出台了一系列法规政策， 大大加速了节能环保汽车的开发应用。 1 9 9 8 年1 月，经国务院领导同意，国家科委、计委、经贸委、建设部、 公安部、劳动部、机械部等1 3 个部委共同成立了国家燃气汽车工作协作领导 小组及办公室，研究决定国家燃气汽车工作所涉及的重大问题，如发展规划、 技术标准、试点示范、产业布局等，协助各部委及试点城市的行动，监督检 查国家推广应用燃气汽车工作的进展情况，及时总结交流经验。 1 9 9 9 年初，国家确定了1 2 个清洁燃气汽车示范城市，并出台了8 项相 关技术标准( 国家标准两项，行业标准六项) 。除1 2 个示范城市外，部分重 要城市都成立了汽车行动小组。 1 9 9 9 年1 0 月，国家科技部决定实施“清洁汽车行动关键技术攻关及产 业化项目”，其中涉及到燃气汽车的项目包括：加气站设备、轿车、公交大客 车、轻型客车燃气发动机及整车的研究开发及相关的基础研究。据了解，目 前试点城市北京、上海、广州、深圳、西安、成都等城市推广改造清洁燃气 汽车已进入全面实旌阶段，其它城市也有比较明确的发展规划“7 。”。 随着1 9 9 9 年4 月“空气净化工程一清洁汽车行动”的启动。我国燃气汽 车发展很快其数量由1 9 9 8 年的1 万辆发展到2 0 0 1 年8 万辆由1 2 个示范城 市发展到全国各大、中城市，占城市汽车总运行里程4 0 5 0 的公交车辆和 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 出租车改成燃气汽车。使我国的燃气汽车市场开始形成和发展1 。截至2 0 0 4 年底，我国燃气汽车保有量为2 1 5 万量，1 9 个重点推广应用城市( 地区) 加气站数量达7 1 2 座。 以上海为例，自1 9 9 6 年上海成立了由1 4 个委办局组成的“上海市发展 液化石油气汽车推进协调领导小组”，并于1 9 9 8 年，市出租管理处将安装l p g 装置纳入出租汽车“七统一”要求。截至2 0 0 5 年6 月底，上海l p g 出租汽车 保有量已达3 8 7 0 9 辆，占出租汽车总保有量的9 3 ，已建加气站1 1 2 座。 目前，全国燃气汽车工作已经取得了初步成效。一些骨干汽车制造厂都 在对桑塔纳、捷达、富康、夏利、奥拓等轿车进行燃气汽车的研究开发“”1 。 但是，相对国外来说，我国l p g 汽车技术还不够成熟，还存在以下几个主要 问题：第一，加气站配套设施建设滞后于需求；第二，燃气质量管理混乱， 没有一个统一的标准；第三，对制造、改装、使用l p g 装置和l p g 汽车相关 管理法规还需要进一步完善；第四，l p 6 技术多数还停留在第一、二代水平， 应加大步伐进入第三代l p g 技术。 1 3l p g 汽车技术的发展现状 自1 8 6 0 年l e n i o r 制成世界上最早的气体发动机，并导致最古老的发动 机厂一道依茨气体发动机厂的建立，表明人们在内燃机使用液体燃料以前， 就通过实践证明了各种成分的可燃气体也是可以作为内燃机的使用燃料。”。 然而随着汽油机与柴油机的迅速发展，除天然气资源丰富的美国外，其他国 家几乎都不再注重气体发动机的开发、研究。而1 9 7 3 年至次年的石油危机却 引起了人们对依赖石油的内燃机命运的担心。上个世纪8 0 年代，在环境保护 法规日益严格的形势下，气体发动机的开发、研究再次成为世界各国的热点。 1 9 9 0 年在世界上内燃机技术有进展的3 3 家企业中，就有1 5 家的技术成果是 关于气体发动机的。可以说，上个世纪8 0 年代是气体发动机技术的迅速成长 期，9 0 年代则在此基础上进一步提高，成为汽油机、柴油机市场的主要竞争 者。 国外对气体发动机所做的研究相对比较深入，在许多方面取得了长足的 进步，促进了其气体发动机工业的发展。同时近年来广阔的市场需求又促使 各发动机制造企业积极开发性能优越的气体发动机以争夺市场：八十年代初 7 哈尔滨工程大学硕士学侍论文 仅有少数公司涉及这一领域，而近年来各大公司都相继开发出商品级的产品， 参与市场竞争的公司遍及各国，如美国的c a t e r p i l l a r 公司、f a i r b a n k s m o r s e 公司、c o o p e r 公司、c o n o c o 公司、c u a m n i n s 公司，英国的r u s t o n 公司、v a r i t y p e r k i n s 公司，日本的n k ky a n m a r 公司，奥地利的7 e n b a h e r 公司，德国m a n b & w 公司、丹麦m a nb w 公司、意大利的f i n c a n t i e r i 公司、法国的w a r t s i l a 公司等“4 。2 。生产出的气体发动机大到可输出几千千瓦的功率，小到用于家 庭割草机上，有四冲程，也有二冲程方式，气体发动机的适用范围越来越大。 由于各大公司间的激烈竞争，使气体发动机领域出现了前所未有的活跃。可 以说，八十年代是气体发动机技术的迅速成长期，九十年代是在此基础上进 一步提高，成为内燃机行业中新一类的重要产品。 现在国外车用l p g 系统发展经过下面五个阶段“m ”“： 第一阶段，机械混合阶段。在不改变汽车原有供油系统的前提下，加装 一套燃气供气装置，采用文丘里管、比例调节式等机械混合器，利用发动机 进气真空度的变化，调节燃气供气量，适应不同负荷条件下对供气量的不同 要求，基本保证发动机正常燃烧的需要。 第二阶段，电子控制混合阶段。l p g 汽车混合气采用电子控制，利用电 子控制模块，可以将转速、歧管压力及废气中的氧含量等信号传送到电子调 节器，电子调节器将发出调节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，类似于汽油机中的电控化油器 阶段。由于根据不同工况较准确地控制l p g 的供应量，故能使发动机进气混 合比控制更加精确，提高了发动机的工作效率，降低排放。 第三阶段，电子控制多点喷射阶段，分为气态喷射和液态喷射。采用专 门的e c u 来控制燃料的供给量。采用电控喷射方式与前两个阶段相比，燃料 量控制更为精确，达到比较准确的空燃比，因而达到更清洁的排放。l p g 电 控喷射与汽油电控喷射一样能实现空燃比、点火正时、怠速及爆震等方面的 控制，并辅以废气再循环( e g r ) ，加上三元催化装置，能达到极低的污染排 放量。 电子控制液态喷射，由荷兰的t n o 研究所靠政府投资最早进行开发，由 v i a l l e 公司作为l p i 系统进行生产、销售。在燃料容器内与汽油机一样内设 燃料泵。泵转速可按发动机负荷条件进行5 级变速，通常用5 个大气压进行 8 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 加压供给。与汽油机一样，利用专用喷油器，对各气缸进行喷射控制，其控 制与基准发动机的e c u 联动，并用专用的辅助e c u 控制l p g 的喷射量。在起 动时为防止冻结和检查汽油系统，采用汽油起动，待热机后自动转换成l p g 。 与气体喷射系统不同，在喷射时呈液状，故能获得与汽油机完全一样的输出 功率、扭矩和油耗。目前欧洲日产、马自达、三菱汽车、沃尔沃，意大利b r c 公司等都进行了这方面的开发。 第四阶段，火花点燃缸内直接喷射阶段，为实现混合气分层而改变对其 影响最大的燃烧室形状及喷射条件，并研究混合气形成过程，日产柴油机公 司已经研究出能够实现这一功能的燃烧系统，采用的是坡形燃烧室。 第五阶段，压燃缸内直接喷射阶段，添加提高十六烷值添加剂以确保燃 烧性能，由日本岩谷产业公司尝试使用l p g 替代柴油的研制。该机运行时， 热效率与柴油机相同，且排烟很少，n 仉约为柴油机的2 3 ，但因排气中不含 硫成分，故可利用n o x 催化剂。样机已经进行了实验场和公路运转性能和耐 久性能的实验。 近年来，国外天然气和液化石油气汽车技术发展较快，不仅在动力性和 燃料经济性方面有显著提高，而且在排放性能方面己列入了“绿色汽车”行 列”“。最近日本本田汽车公司推出的c i v i c 系列天然气汽车的c 0 ，n 0 ；和t h c 排放量比1 9 9 7 年美国联邦政府制定的标准低6 0 倍，比当今世界最严格的加 州标准低1 0 倍，而且仍保持良好的汽车性能。 1 4 本文的主要工作 本文主要做了以下工作： 1 从液化石油气的物化特性着手，认真研究了发动机气缸内部的压缩、 燃烧、膨胀、进气、排气等过程，仔细分析了各个过程的特点，查阅了大量 相关的资料，建立了火花点火式液化石油气发动机准维双区燃烧模型，该模 型主要由双区热力学模型、湍流火焰传播速度子模型、几何计算子模型、传 热损失子模型、工质特性参数计算模型等组成。 2 使用i d a t l a b 软件编写了计算程序，并用龙格一库塔法求解了描述火花 点火式l p g 发动机缸内燃烧过程的微分方程组。 3 利用模型对发动机的燃烧特性进行了变参数研究，分析了影响发动机 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 性能的因素。 4 建立了排放生成模型，并对排放的生成进行了变参数预测。 i o 第2 章研究对象的硬件系统构成及燃料特性分析 2 1 燃料特性分析 液化石油气发动机，燃用的主要燃料为液化石油气。液化石油气简称为 l p g 其主要成分是c 。和c 。的烃类即丙烷( c 。h 8 ) 、丁烷( c 。h ，。) 、丙稀( c 3 h l b ) ， 丁稀( c 。h 8 ) 的化合物的异构体。它在常温常压下是一种无毒、无色、无味的 气体。在上个世纪五十年代，随着石油工业的发展，丰富的c 。，c 。燃料无处 可用，于是人们尝试将其作为汽车燃料。车用l p g 的主要成分是丙烷和丁烷， 因此丙烷和丁烷的性质决定了l p g 的性质其燃料物化特性如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 汽车液化石油气技术要求 质量指标 项目实验方法 车用丙烷车用丙、丁烷混合物 3 7 8 c 蒸汽压( 表压) k p a 不大于1 4 3 01 4 3 0 g b t6 6 0 2 ( i ) 组分中 丙烷不小于 6 0 s h t0 2 3 0 丁烷及以上组分不大于 2 5 戊烷及以上组分不大于 2 丙烯不大于 55 残留物m l 1 0 0 m i 蒸发残留物，不大于o 0 50 0 5s y t7 5 0 9 油渍观察通过 通过 密度( 2 0 或1 5 ( 2 ) ( k g m3 )实测实测 s h t0 2 2 1 q 铜片腐蚀级不大于 l1 s h t0 2 3 2 总硫含量1 0 4不大于 1 2 3 1 4 0s y t7 5 0 8 游离水无无目测 注：o 蒸汽压允许用g b t1 2 5 7 6 方法计算，但在仲裁时必须用g b t6 6 0 2 测定 。密度允许用g b t1 2 5 7 6 方法计算，但在仲裁时必须用s h t0 2 2 1 测定 表2 2 液化石油气和汽油的性质比较 、遂抖种类 液化石油气 汽油( 9 0 4 ) 沁 丙烷丁烷 h c 原子比 2 6 72 52 2 3 0 密度( 液相) ( k g m 。) 5 2 86 0 27 0 0 7 8 0 分子量m4 4 0 9 75 8 1 2 49 6 沸点- 4 2 1- o 53 0 9 0 凝固点- 1 8 7 7- 1 3 8 4 临界温度 9 6 71 5 2 0 临界压力肝a4 2 53 8 汽化热( k j k g 。1 ) 4 2 63 8 5 比热( 液体，沸点) 2 4 82 3 6 ( k j k g k - 1 ) 比热( 气体，2 5 ( 3 ) 1 6 7 1 6 8 ( k j k g k 一1 、 气液容积比( 1 5 c ) 2 7 3 2 3 6 密度( 气相) ( k g m 。3 ) 2 0 22 5 9 8 质量比 1 5 6 5 1 5 4 31 4 8 理论空燃比 体积比 2 3 8 1 3 0 9 58 5 8 6 高热值( m j m 3 ) 9 5 2 9 1 2 5 5 5 低热值( m j m 3 ) 8 7 6 9 1 1 5 5 6 高热值( m j k 9 1 ) 5 0 3 84 9 5 6 低热值( m j k 9 1 ) 4 5 7 7 4 6 3 94 3 9 0 混合气热值( m j m 3 )3 4 93 5 23 7 3 混合气热值( i u k 9 1 ) 2 7 92 7 9 低热值( 液态) ( m j l 1 )2 7 0 02 7 5 5 辛烷值r o n1 1 1 59 59 2 着火极限2 2 9 51 9 8 51 3 7 6 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 续表2 2 液化石油气和汽油的性质比较 、n 型种类 液化石油气 汽油( 9 0 4 ) 赢丙烷丁烷 着火温度( 常压下) 4 6 64 3 03 9 0 4 2 0 火焰传播速度( c m s ) 3 83 73 9 4 7 火焰温度 1 9 7 01 9 7 52 1 9 7 从表2 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，所以汽油体 积热值高于l p g 的体积热值。l p g 的沸点比汽油和柴油低得多，但汽化潜热 比汽油大。常压下的着火界限l p g 略比汽油大，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 c 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 。l p g 燃料氢碳比( h c ) 大，极易气化，易燃烧，这决定了l p g 是一种清洁燃料。根据美国工程师杂志报道：l p g 与汽油相比，在各种 温度下，l p g 的n o x 和h c + n o 排放都有大幅度的减少；与普通燃料( 汽油) 相比，l p g 主要有良好的经济性、低排放性、能延长发动机寿命，运行成本 低和燃料安全性好等优点。 2 2 研究对象的硬件系统构成 本文研究对象的硬件系统为液化石油气发动机，此液化石油气发动机是 在汽油发动机的基础上改装而成的。主要由两部分组成，即发动机和燃气系 统。 2 2 1 发动机 本文采用的发动机是捷达两阀电喷发动机，该款发动机的特点如下： 1 ) 进气道较长( 为铝制) ，具有增压效应，发动机为自然吸气式发动机。 2 ) 发动机转速传感器失效，不再是制约发动机起动运行的因素；具有跛行回 哈尔滨下程大学硕十学付论文 家的功能，即发动机转速传感器失效后，发动机电喷系统会将霍尔传感器信 号作为替代信号，发动机仍能工作。 3 ) 最大转矩为1 3 5 n m ( 2 8 0 0 r p m ) ，具有低速大转矩的特性，能适应中国道路 情况和驾驶员习惯。 4 ) 采用进气压力传感器替代了捷达五阀电喷发动机所用的空气流量传感器， 从而在保证寿命和性能的前提下，降低了成本。 5 ) 发动机采用了德国西门子( s i m e n s ) 公司最先进的s i n o s 一3 w 电子控制多 点燃油顺序喷射系统。 捷达两阀电喷发动机的结构参数如表2 3 所示： 表2 3 捷达两阀电喷发动机结构参数 项目参数 形式四缸、直列、水冷 排量( l ) 1 5 9 5 气缸直径( m m ) 8 1 o 活塞行程( m ) 7 7 4 压缩比9 0 ：1 9 5 ：1 最大功率( k w ) 6 4 最大功率时转速( r p m ) 5 3 0 0 最大转矩( n 埘) 1 3 5 最犬转矩时转速( r p l l l ) 2 8 0 0 怠速转速( r p m ) 8 6 0 5 0 供油方式多点顺序燃油喷射 点火顺序l 一3 4 2 燃油辛烷值r o n 9 0 号以上无铅汽油 进气提前角( o c a )5 ( 排气行程上止点前) 配气相位( 气门正 进气迟闭角( 。c a )4 1 ( 压缩行程下止点后) 时) 排气提前角( o c a )3 7 ( 膨胀行程下止点前) 排气迟闭角( o c a )1 ( 进气行程上止点后) 2 2 2 燃气系统 各种燃气系统的不同主要体现在混合气的形成方式、对混合气浓度的控 制方式，以及是单点还是多点喷射控制，除少数部件不同外，各燃气系统其 余部件基本相同”。 本文的燃气系统由储气瓶、电磁截止阀、减压调节器、燃气多点顺序喷 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 射系统( 燃气共轨管道和顺序气体喷射器) 、模拟器、电子控制单元( 点火提 前电路) 等组成。该系统的结构简单，构成的零部件少，系统安装容易布置， 工作量小，便于大批量的改装。另外它的电子控制单元是翻译转化汽油喷嘴 的信号，即无论汽油车是同步喷射还是非同步喷射只要汽油喷嘴有信号就会 被转化成l p g 的喷射信号，因此，汽油系统中如高速燃油切断、怠速提高等 功能都被完完全全的转化过去。因此本l p g 喷射系统对燃气的控制精度比混 合器式的l p g 系统要高，所以更加节省燃料，其动力性和排放性能也有所提 高。更为重要的是，其电控单元由于采用了这种控制方式，结构及软件都比 较简单，降低了出现故障的可能性，精确的燃气喷射可以使燃料经济性比混 合器系统更进一步提高，这是本系统的一大优点。具体工作原理如图2 1 所 刁r 。 l p g 气路 电控 电路 汽油 油路 图2 1l p g 汽车闭环电控多点气体喷气系统工作原理方框图 燃气系统主要部件功能如下所示： 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 ) 液化石油气储气瓶 储气钢瓶是贮存液化石油气的容器，工作压力一般为1 6 m p a 。由于液化 石油气有一定压力，打开排放阀门后可以直接输出。钢瓶上有多功能阀，它 是个机械部件，有阀体、密封阀门和弹簧等组成，它完成以下功能： 加气，带有自动加气至8 5 总容量功能，防止因液化石油气体积膨胀过 大发生损坏； 液位指示； 为发动机完成液化石油气抽取； 过流阀，如果管路爆裂，流出量剧增时，完成防止液化石油气溢出功能。 2 ) 滤清器 由于液化石油气中含有多种杂质，故在储气瓶和电磁阀之间设有滤清器 以滤掉杂质，保证电磁阀的功能和调节器的减压、调压功能不下降。滤清器 的滤芯可以拆卸，便于清除滤出的杂质，而且结构坚固，耐压性强。滤芯中 央装有永久磁头，可以吸附滤掉通过了滤芯的微小悬浮铁粉，免除铁粉对电 磁阀动作灵敏度的影响。 3 ) 蒸发调压器 蒸发调压器亦称汽化器、减压器、蒸发器或转换器。其作用是将来自气 瓶的液态液化石油气减压，使其汽化并保持一定的压力供给燃气喷嘴。虽然 不同厂家生产的减压器不尽相同，但其基本结构都包括一级减压室和二级减 压室。前者在液化石油气汽化的同时进行减压，后者进一步起减压作用，使 汽化的液化石油气压力进一步降低。为加速汽化，采用发动机的循环冷却水 进行加热。 4 ) 液化石油气电磁阀 电磁阀装在滤清器和调压器之间，靠电磁阀的动作保证发动机运转的燃 料供给。在发动机停机或失速时，电磁阀可切断燃料供给。电磁阀中的线圈 通电时产生磁力，位于线圈中央的滑阀在磁力的作用下克服弹簧力打开，这 时就能供给燃料。当电流中断时，由于弹簧力和燃料压力的双重作用，滑阀 关闭，于是燃料的供给被切断。 5 ) 燃气多点顺序喷射系统 l p g 燃气多点顺序喷射系统，它由顺序气体喷射器，燃气共轨管组成。 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 气体燃料发动机的喷气系统中，其最关键的系统是气体喷射器，它的性能的 优劣直接影响燃料的喷射质量，从而影响发动机的性能。气体喷射器与汽油 和柴油的最大差别是需要较大的流通截面，以保证大的气体流量通过；另外 阀体的润滑和密封要求更高，它不同于燃浊液体燃料阀体。它应具有以下的 作用： 合适的气体供给压力； 满足发动机动力性、经济性和排放要求的气体流量及相应的流量特性； 合适的电磁阀的线圈电压、功率； 阀体的开关响应时间短，良好的动态响应特性； 良好的安全性、可靠性和耐久性； 具有高压逆止作用，防止缸内高压气体倒流； 具有良好的耐高温特性，温度适用范围宽。 6 ) 转换开关 用于实现燃用汽油和燃用液化石油气两种运行状态，安装于驾驶室内， 用以在汽油和燃气之间进行切换。 7 ) 液化石油气电控系统 l p g 喷射系统则采用了不同于上文所述的电控方式，开发的l p g 电控单 元相当于一个翻译器，采集原车汽油喷嘴的信号并将其转化为l p g 的喷射信 号，直接控制喷嘴的动作。另外，电控单元也采集氧传感器信号、节气门传 感器信号、液化石油气压力信号等，以实现对排放、冷启动的控制。同时在 燃用l p g 时，l p g 电控单元也对汽油机点火信号进行翻译，可以看成一个点 火提前角调节器，以保证液化石油气的稳定燃烧。