（光学工程专业论文）微型车lpg系统的开发与试验研究.pdf

一。 m l l l i l 1 1 1 1 l f l l l i | 1 1 1 l l l l l l i 、t18 7 9 7 4 9 独创性声明 + 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：讹诗 、 日期：竺：! ：三： 学位论文使用授权书 本入完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，砖腑名导师c 签名，：多孓降日期御付少 人 气 摘要 随着汽车行业的迅猛发展，全球汽车的保有量继续增加，环境日趋恶化， 同时传统能源日趋紧张，寻求新的替代能源是每个企业和机构重要的课题之一， l p g 具有成本低、热值高、抗爆性好的特点，而且不含铅、硫，是一种十分有 前途的汽车清洁代用燃料。液化石油气汽车技术成熟、运行安全可靠，近年来 发展迅速，目前形成了巨大的l p g 汽车市场。 本文以某微型车上的电喷发动机l p g 系统的开发项目为依托，对l p g 系统 的设计与开发进行了系统的介绍，并针对该项目，对气瓶、管路、蒸发减压阀、 电磁阀、喷气阀、e c u 等零件的布置，安装，匹配等环节进行详细论述，通过 建立结构数模，清晰而直观的显示出设计方案。 通过零部件的选型试验，得到了蒸发减压阀、喷气阀等关键零部件的性能 参数，根据试验数据，选择了综合性能较优的部件，保证了整车l p g 一系统的稳 定性与可靠性。 本文对该款微型车发动机改装成的汽油l p g 双燃料电喷发动机进行了台架 试验，通过负荷特性试验，速度特性试验，测试对比了使用汽油燃料和l p g 燃 料在动力性，经济性方面的差异，并分析原因，得出结论：本l p g 电喷发动机 在动力性方面略微下降，却在经济性方面有较大提升。通过排放试验，研究了 l p g 燃料在不同工况下的排放特性，为后续的标定试验提供参考。 通过喷气脉宽和点火提前角的标定试验，研究了喷气脉宽和点火提前角对 发动机性能的影响，最终建立了发动机以l p g 为燃料时的喷气控制m a p 和点 火m a p 。 对所开发的样车的进行了高寒试验标定，验证了样车在高寒环境下的启动 性能、动力性能、怠速稳定性等，根据试验所反应的性能对e c u 的控制参数进 行了适当调整，保证了所开发的样车能够适应高寒环境下的正常运行。 关键词：微型车，l p g ，开发，试验研究 人 p a b s t r a c t t h ea m o u n to fv e h i c l ek e e pi n c r e a s i n gd u et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o i n d u s t r y , t h ee n v i r o n m e n th a sb e e nd e t e r i o r a t i n g ，a tt h em e a n t i m e ，t h et r a d i t i o n a lf u e l b e c o m et e n s i o n ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os e a r c hf o ran e w e n e r g yt or e p l a c ei tf o ra n y e n t e r p r i s e t h el p g h a saa d v a n t a g eo fl o w e rc o s t ，h i g h e rh e a tv a l u ea n daf i n e p r o p e r t yo fa n t i - e x p l o s i o n ，w h i l ei tc o n t a i n s1 1 0l e a da n ds u l f u r i ti sap r o m i s i n gc l e a n f u e li nt h ef u t u r e t h el p g v ( l p gv e h i c l e ) st e c h n o l o g yi sm a t u r e d ，a n di ti ss a f ea n d r e l i a b l e i nr e c e n ty e a r s ，al a r g em a r k e ti sb u i l ti nl p g va r e a t h i sp a p e ri sb a s e do nap r o j e c to fad e v e l o p m e n to fae f il p ge n g i n em i n i c a r , i td e s c r i b e sai n t e g r a t e dt e c h n o l o g yo nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h el p g s y s t e m ，i n c l u d i n gt h eg 举t a n k ，p i p e l i n e ，v a p o r i z e r & p r e s s u r er e g u l a t o r j s o l e n o i d v a l v e ，e c u sa r r a n g e m e n ta n di n s t a l l a t i o n d i g i t a lm o d e l sa r ea l s op r o v i d e dt og i v ea c l e a rv i e wo ft h ed e s i g n t h ep a p e rp r o v i d e sao v e r a l lm a t e r i a lo fap r o c e d u r eo fa l p g s y s t e m sd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h es e l e c t i o ne x p e r i m e n t ，r e c e i v e st h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h e p e r f o r m a n c eo ft h ek e yc o m p o n e n t ，b a s e do nt h o s ed a t a ，ab e t t e rk i n do fc o m p o n e n t i s c h o s e nt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h el p g s y s t e m ab e n c he x p e r i m e n ti sp e r f o r m a n c e d ，a c c o r d i n gt ot h el o a dc h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n ta n dt h es p e e dc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t ，ac o m p a r i s o no ft h ed r i v a b i l i t y a n dt h ee c o n o m yp e r f o r m a n c eb e t w e e nl p ga n dp e t r o li so b t a i n e d ：t h el p gf u e l p o w e r i sl e s st h a nt h ep e t r o lf u e l ，b u tl e s sf u e li sn e e d e d t h ee m i s s i o nt e s t i n gs h o w s t h ee m i s s i o np r o p e r t yo ft h el p gf u e la td i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ，i th e l p st h e f o l l o w i n ge x p e r i m e n t t h ei n j e c t i o np u l s ew i d t ha n dt h ei g n i t i o na d v a n c e da n g l ed e m a r c a t ed a t as h o w s t h ea f f e c t i o nt h e yc a u s et ot h ep o w e ra n dt h ee m i s s i o no ft h ee n g i n e a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so ft h ed a t ao nas p e c i f i ce n g i n es p e e d ，t h eb e s tc o n t r o lp a r a m e t e r sa r ec h o s e n t om a k es u r et h ee n g i n ew o r k sa tt h eb e s ts t a t u s t h e nt h ei n j e c t i o np u l s ew i d t hm a p a n dt h ei g n i t i o na d v a n c e da n g l em a pa r eg i v e nt os h o wt h eg e n e r a lp e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n e t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o l dc o n d i t i o nt e s t b yt h et e s t ，t h es a m p l ec a r sa c t i v a t e i i p t p e r f o r m a n c e ，p o w e rp e r f o r m a n c e ，i d l es t a b i l i t yi st e s t e da n dv e r i f i e d f o rs o m e u n s a t i s f i e di t e m s ，t h ee c ui sp r o p e r l ya 枷u s t e d ，t oe n s u r et h ec a rw i l lw o r k n o r m a l l y k e yw o r d s ：m i n i c a r , l p gd e v e l o p m e n t ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h i i i 第1 章绪论1 1 1 引。言1 1 2 国内外汽车排放法规发展与现状2 1 3l p g ( 液化石油气) 的特性3 1 4l p g 汽车的发展状况6 1 5本文的主要工作。7 第2 章微型车l p g 系统结构9 2 1 简述9 2 2l p g 发动机的发展历程9 2 3l p g 系统的结构：1 1 2 4 l p g 发动机的特性1 5 2 4 1 动力性1 5 2 4 2 经济性1 6 2 4 3 排放特性16 2 4 4安全性17 第3 章微型车l p g 系统设计1 8 3 1简述1 8 3 2相关标准1 8 3 3总体设计1 9 3 4 零件设计及布置2 1 3 4 1l p g 储气罐2 1 3 4 2管路2 4 3 4 3发动机舱内l p g 零件布置2 7 3 5本章小结3 0 第4 章l p g 零部件选型试验3 1 4 1简述31 4 2喷气阀选型试验3l i v 毋 人 4 2 1喷气阀流量特性试验3l 4 2 2 喷气阀电压特性3 5 4 3蒸发减压阀选型试验3 9 4 3 1 气密性试验3 9 4 3 2 耐震性试验3 9 4 3 3压力稳定性试验3 9 4 。4本章小结4 2 第5 章l p g 台架标定试验4 3 5 1台架标定试验原理及台架结构4 3 5 2试验设备4 4 5 3试验准备4 4 5 4 试验数据及分析：4 5 5 4 1 喷气脉宽及点火提前角标定试验4 5 5 4 2 负荷特性以及速度特性试验：。5 0 5 4 3使用l p g 燃料的排放试验5 8 5 5本章小结6 0 第6 章l p g 高寒标定试验6 1 6 1高寒环境下l p g 起动试验6 2 6 1 1 试验方法6 2 6 1 2 试验内容及数据6 2 6 1 3 结果分析及启动失效原因6 3 6 2高寒环境下怠速试验6 3 6 3暖机试验及热启动试验6 5 6 4 驾驶性试验6 7 第7 章总结及展望6 8 参考文献7 0 致谢7 3 附录a 喷气脉宽及点火提前角标定( 4 4 0 0 r m i n ) 7 4 v 气 表1 1 我国机动车排放评价系数2 】 同本，成为仅次 污染已经成为城 进行了估算，得 国机动车排放问 对c o 、h c 和 平均排放系数 车种单位 p mc 0h cn o x 微型车 g k m 2 4 74 42 2 小轿车g k m ， 4 4 2 5 21 5 吉普车 g k m 3 4 5 5 53 2 中型车 g k m 5 1 78 14 3 重型汽油发动机 g k w h 1 6 4 62 9 61 7 3 小型柴油发动机 g k w h 0 3 51 5 00 11 2 9 重犁柴油发动机 g k w h 2 8 70 5 l 1 4 6 5 据预测，到2 0 2 0 年，我国汽车保有量将达到1 3 亿辆，交通道路用油将达 到2 1 0 亿t ，超过石油总需求量的5 0 ，其中8 0 依靠进口，针对石油资源危机 和大气污染日益严重的问题，l p g 汽车以其清洁燃烧特性和良好的经济性，收 到了中国政府、汽车企业和科研院所的关注。 新能源汽车在我国受到了高度的重视，许多针对新能源、低排放、低能耗 的研究项目相继展开，各大汽车企业也逐渐将科研的重一t l , 放在新能源汽车上， 、 口 嘴 武汉理工人学硕+ 学位论文 液化石油气是目前技术相对成熟，应用前景比较广泛的新兴能源之一，具有实 用性，经济性，可靠性好的特点，比较适合我国国情。 在发达国家，由于政府的大力支持和鼓励，l p g 在发动机上的应用已经得 到长足的发展，在国内，虽然经过了若干年的研究和推广，但整体技术和改装 水平与国外先进水平仍有较大差距，因此有必要对l p g 燃料系统改装与试验作 一个系统的研究。 1 2 国内外汽车排放法规发展与现状 1 9 6 2 年，为了应对洛杉矶盆地越来越严重的化学光烟雾问题，美国加利福 利亚州颁布了世界上第一部排放法规，之后，在此法规的基础上，美国于1 9 6 8 年颁布了第一部联邦排放法规，此法规逐年要求逐渐严苛，至今已成为世界上 最严苛的汽车排放标准。 相对于美国，欧洲的排放污染控制标准发展较晚，欧洲共同体( e c ) 环境 委员会1 9 9 1 年提出了于1 9 9 3 年和1 9 9 6 年分两个阶段实施的排放控制指标【l 】2 ， 该标准的第一阶段把排放限制定在基于现有新技术的相对严格水平上，如：汽 油车装用三效催化转换器才可达到；第二阶段的限制则只有依赖最新技术及科 学的发展才能达到。表1 2 列出了欧洲最新车辆排放标准和欧盟汽油车排放污染 物限值。 欧洲的排放法规基本上是参照美国的排放标准来制定的，虽然起步较晚( 直 n - 十世纪8 0 年代才提出) ，但是目前也是世界上要求比较高的排放法规，我 国的排放法规也基本参照了欧洲标准。 表1 - 2 欧洲车辆排放标准( 酊) 【l 】3 车型排放物欧i i 标准欧i i i 标准欧i v 标准 c 02 22 31 0 h c + n o x0 5 汽油车 h co 20 1 n o x0 1 50 0 8 非直喷柴油车 c o1 o0 6 40 5 h c + n o x0 70 5 6o 3 2 j 卜 e - g 武汉理工大学硕士学位论文 n o x0 50 2 5 微粒 o 0 8o 0 50 0 2 5 c 01 00 6 40 。5 h c + n o x0 9o 5 6o 3 直喷柴油车 n o x0 50 2 5 微粒0 10 0 50 0 2 5 我国于1 9 9 0 年开始实施第一部汽车排放法规汽车曲轴箱排放限制标准， 在1 9 9 3 年对该标准进行了修订，并在此基础上，制定了一系列汽车排放标准， 包括：车用汽油机排放标准，汽油车燃油蒸发污染物排放标准，摩托车排放限 制标准等。在我国，汽车排放限制属于强制性标准，不符合排放标准的产品禁 止销售和使用。 1 9 9 9 年，我国颁布了汽车排放污染物限制及测量方法，全面实行欧i 标 准，我国于2 0 1 0 年7 月1 日开始执行最新的国i v 排放标准，并增加了l p g 和 c n g 车辆在其排放物方面的型式核准。 当前，在改善机动车废气排放方面，主要由两个方向：一是在现有内燃机 上采用更为先进的控制系统、废气再循环系统、稀燃技术等措施来实现对排放 物的控制；二是使用代用燃料，包括压缩天然气( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、 甲醇和氢燃料。考虑到技术完善程度、能量效率、综合成本等因素，l p g 便成 为更具有优势的代用燃料。 1 3l p g ( 液化石油气) 的特性 液化石油气是石油的衍生产品之一，英文名：l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ，简称 l p g 。它是由炼厂气或者油田伴生气经过加压，液化之后得到的一种无色、无味， 具有挥发性的气体。主要成分包括丙烷、丁烷、丁烯、戊烯，同时含有少量杂 质。l p g 的用途相当广泛，除了作为汽车的代用燃料之外，还可作为其他工用 或民用的燃料、化工原料等。 l p g 作为一种燃料，气性质介于汽油和天然气之间，辛烷值较汽油略高， 性质更接近汽油。 1 ) 相对密度：液态l p g 的密度取0 c 时的数值为标准，但因操作、储运和 絮 武汉理工大学硕士学位论文 使用都是处在常温条件下进行的，故表1 3 所列为2 0 时液态l p g 主要成分的 密度和4 c 时的纯水的密度相比的相对密度以及标准状态下气态l p g 与空气的相 对密度。 表1 3l p g 主要成分的相对密度 项目丙烷丁烷丙烯丁烯 液体相对密度 0 4 9 60 5 7 9o 5 1 40 5 9 5 气体相对密度 1 5 5 42 0 9 01 4 7 92 0 0 8 从上表可以看出，l p g 各组成成分的液体相对密度约在0 5 0 6 之间，即密 度远小于水，气体的组成成分的相对密度约为气体的1 5 2 0 倍，比空气重，若 发生泄漏，会积存在低洼处，形成爆炸事故隐患。 2 ) 体积膨胀系数：l p g 从气态转变为液态时，体积约缩小2 5 0 3 0 0 倍【3 j ，故 液态l p g 易于运输、贮存和分配。液态l p g 的体积也会随温度的升降而变化， l p g 的体积变化基本与温度成线性正比关系。l p g 的膨胀系数是水的1 3 倍，并 会随温度的升高而增大，因此常温灌装l p g 时，其灌充度不应大于0 8 5 ，防止 钢瓶发生爆裂事故。 3 ) 燃烧特性：炼厂气产的液化石油气含有大量的烯烃，而烯烃属于不饱和烃， 燃烧后会产生比较严重的结焦，积碳现象，对发动机的火花塞、气门、活塞环等 零件有较大的损伤，故而不适合作为车用l p g 。所以，炼油厂的液化石油气必须 经过提纯净化等工序之后，才可作为车用液化石油气，一般来说，烯烃的含量必 须低于6 才符合标准；而油气田生产的液化石油气的主要成分为丙烷、丁烷， 可以直接作为汽车燃料。 4 ) 爆炸极限：气体与空气在一定范围内混合燃烧会发生爆炸，这个范围成为 燃烧或爆炸极限浓度，以浓度的上下限表示。l p g 的爆炸极限范围为1 7 1 9 ， 爆炸下限比较低，使用时应特别注意。 液化石油气作为汽车的代用燃料，有以下优缺点： 优点： 1 ) 高效。l p g 的辛烷值在1 1 0 左右，高于汽油5 0 o - - , 1 0 ，所以相比汽油， 具有更好的抗爆震性能。经过试验，发现辛烷值每增加4 0 4 5 个单位，可提高 一个压缩比单位，对于液化石油气专用发动机，允许压缩比可达1 2 ，最多甚至可 以到1 5 。【2 】所以若合理的提高压缩比，可以大幅提高汽车的动力性和经济性，具 4 飞 武汉理t 大学硕+ 学位论文 有良好的发展潜力。 2 ) 安全。根据国家强制标准，车用l p g 采用经过专门设计加工过的，具有 高强度的气罐，阀门，所以在发生意外时，气体不会外泄；同时，液化石油气比 空气重，不易形成可燃性混合气，而且燃点也比汽油高，所以相比汽油，l p g 具 有更好的安全性。 经济。比较表l 一4 中l p g 和汽油的热值，发现使用l p g 作为汽车燃料具 有明显的经济优势，可以替代十分短缺的汽油、柴油，满足经济上的要求。 表1 4l p g 、汽油经济性对比 燃料名称热值m j 单位价格元单位兆焦价格元 1 l 汽油4 3 1l7 0 5 o 1 6 l l 液化石油气5 5 2 34 5 50 0 8 3 ) 易于改装。l p g 在汽油机上进行改装时，可以利用原有的进气系统，保 留原有的燃油供给系统，作为双燃料汽车。一般来说，将汽油车改装为l p g 、汽 油双燃料汽车所需的改装费用在5 0 0 0 6 0 0 0 元左右，比较符合我国实情。 4 ) 排放性能好。汽油车在行驶过程中会产生s 、h c 、c o 、n o x 等有害物质， 长期吸入可能导致呼吸系统疾病，表1 5 中列出了汽油和l p g 的排放物，可以发 现使用l p g 燃料时，s ，h c ，c o ，n o x 等都大幅减少，排放质量提高，有利于 司乘人员以及行人的健康。 表1 - 5l p g 、汽油排放污染物对比 性能汽油 l p g s 含量 o 0 10 o o l c 0 6 30 9 5 h c 0 6 0 o 1 2 n 0 x 0 2 2 o 1 7 未燃烧烃标准量减少5 0 7 0 武汉理下大学硕士学位论文 5 ) 适用性好。由于液化石油气燃烧温度低，所以生成的n o x 较少；同时， 液化石油气与空气同为气相，更容易混合均匀，可以更完全的燃烧，故c o ，h c 和微粒的排放比较低。而且不会对润滑油产生稀释，从而减少缸内磨损，未燃烧 成分性状稳定，不会形成有害的物质。再者，l p g 不含铅，不会产生铅对催化转 化器的损害。故液化石油气具有燃烧完全，积碳少，减少对发动机磨损，排放好 等优点。 在上述提到的l p g 的优点的同时，l p g 也有一些先天性的缺点： 。 1 ) 动力性下降。虽然l p g 的理论空燃比为汽油的1 0 7 倍，稳定工况下， 最高车速相差不大，但加速工况的动力性明显下降，改装后的液化石油气汽车， 动力会有所下降，一般来说下降5 左右。 2 ) 若l p g 气源质量不稳定，则需定期调试，来维持合适的混合状态。 3 ) 要保证与汽油车相等的行驶里程，l p g 汽车必须采用合适尺寸的容器。 钢瓶难以保证充足的安装空问，车身总布置缺乏全局考虑，对检修，保养、更 换造成不便，同时增加车辆重量，影响行李厢空间。 4 ) 在温度极低的情况下，l p g 汽车的启动受影响，因为当温度低于o o c 时， 丁烷不能气化，而液化气在气念时才能燃烧，所以在极寒条件下，l p g 汽车的 启动受到气体中丁烷的成分的影响。 5 ) 国内气源质量参差不齐，市场不规范，导致l p g 汽车零件稳定性，可靠 性不佳，使用成本增加。 虽然存在以上缺点，但是由于其经济性好，排放清洁，使用方便，代用性 好，因而得到了率先发展。 ： 1 4l p g 汽车的发展状况 目前，在全球范围内，汽油机和柴油机还是占主导地位，各厂家和研究单 位的研发重点还是在改善和发展往复式内燃机，但是在石油缺乏国家或者富产 油气的国家，l p g 的发展也是相当快速而且成熟的，比如同本，基本上全部的 出租车都是采用的l p g 。 在欧美国家，税费对燃气汽车发展的影响和推动也是不可忽视的，例如在 部分西欧国家，例如荷兰，虽然l p g 的价格较高，但是在排放方面有较大优势， 所以总体上的使用成本要低于使用汽油甚至是柴油的汽车( 相同体积的l p g 价 格仅为汽油的4 0 ) ，l p g 占有了达1 0 的市场份额。 6 八 武汉理工人学硕士学位论文 在意大利，政府规定天然气的进口不征收关税，增值税也不得大于4 ，所 以c n g 的价格仅为汽油的1 4 ，柴油的1 2 ，对l p g 汽车的消费税和其他税费 实行优惠，对加气站的建设提供补助，在特定时段，l p g 车辆可以在汽油车禁 止行驶的区域畅行无阻，所以意大利的燃气车辆的技术发展相当成熟，国内l p g 汽车的核心部件多采用意大利技术。 在加拿大，对使用c n g 和l p g 的燃气车辆，部分免税，并得到改装补贴， 所以在加拿大使用l p g 汽车，比传统使用石油燃料的汽车更具有综合经济效益。 在其他国家，例如美国，在l p g 方面并未有较大优势，所以美国的l p g 发 展较为缓慢。 在发展中国家，比如南亚、南美和拉丁美洲和中国，l p g 的经济优势以及 汽、柴油的供给不足的现状，使其发展势头也很迅猛，在部分国家，例如孟加 拉国，泰国，阿根廷等，l p g 已经替代了柴油。 可以看出，想要l p g 得到长足的发展，除了成熟的技术支持之外，还需要 政府的经济政策的倾斜，为了推广l p g 以及其他代用气体燃料，我国政府采取 了如下措施： 1 ) 加强国产化的开发、研究。目前我国各地城市引进了日本，韩国，欧洲 的设备，国产零件还处于仿制阶段；下阶段的工作重点应放在针对我国汽车、 气质情况，开发研究出适合我国国情的产品。 2 ) 制定和完善我国国情的l p g 汽车的相关标准。包括容器、安全装置、蒸 发减压阀、汽车燃料电磁阀等零件的标准，在满足经济性的同时，提高产品的 性能，可靠性，使l p g 汽车真正成为节能、环保、安全可靠的“绿色”汽车。 3 ) 政府部门给予足够的政策倾斜。为了推广l p g 汽车，政府应给予足够的 政策优惠及补贴，拉开l p g 和传统燃料的价格，使各厂家增大研发投入。并给 予消费者足够的吸引力。 1 5 本文的主要工作 1 ) 对微型车l p g 的供气系统的设计理念和开发思路进行了完整阐述，根据 国家l p g 燃气汽车相关标准，从结构原理出发，结合原车数模，直观的表述了 某微型车上l p g 供气系统的各部件的选型，布置，安装等，为l p g 微型车的改 装开发提供了直观而全面的资料。 2 ) 对l p g 进气系统的关键零件进行试验研究，通过试验数据对喷气阀、蒸 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 简述 第2 章微型车l p g 系统结构 目前，世界上大多数的l p g 发动机都采用汽油机作为原型机，所以汽油机 改装技术工艺上比较成熟可靠，部分厂家甚至已经为自己的汽油发动机预留了 l p g 改装的预留孔，一般来说，l p g 车辆因为冷启动时，发动机冷却液温度比 较低，影响了l p g 的气化，而l p g 的着火温度也高于汽油，同时也不像汽油机 那样具有启动加浓装置，l p g 发动机往往采用汽油启动【4 1 。 多数l p g 发动机都是汽油l p g 双燃料发动机，我们的试验对象也是汽油 l p g 双燃料发动机，所以本章的重点是阐述由汽油机改装的汽油l p g 双燃料发 动机的结构，原理，控制策略等。 、 2 2 l p g 发动机的发展历程 l p g 汽车经历了几个阶段，出现了三代产品技术，第一代l p g 汽车采用机 械式的混合器以及化油器式发动机，即在原有的发动机上，增加一套l p g 供给 装置。通过转换开关选择汽油或者l p g ，基本上对发动机没有大的变动。 这种l p g 系统比较简单，各缸分配不均匀，难以精确的控制空燃比，排放 水平较汽油机并无改观，而且当l p g 的成分发生变化时，原已调整好的系统会 因成分的变化变得不相匹配，导致排放恶化。 该系统的主要问题在于：由于l p g 采用气态供气方式，使之在化油器喉管 处占有较大的体积比，严重阻碍空气的进入，使气缸效率降低，导致发动机功 率下降；使用汽油燃料时，汽油在进气歧管和气缸内蒸发汽化会吸收一定热量， 降低进气温度，提高进气密度，热循环效率提高，而l p g 则没有这样一个过程， 导致l p g 发动机功率下降；由于安装了混合气，增大了进气阻力，使车辆工况 瞬态变化时出现反应滞后。 第一代l p g 系统的工作原理图如下图： 9 人 卜 武汉理下大学硕十学位论文 图2 1 第一代l p g 系统的工作原理图 1 混合器；2 发动机；3 蒸发减压阀；4 l p g 储气罐；5 液面显示器； 6 加气口；7 过滤器；8 电磁阀；9 回水通道；1 0 冷却液通道； 1 1 燃料通道；1 2 真空通道 第二代l p g 系统一般定义为由电控装置来控制的单点l p g 喷射系统，以电 控喷射为特征，在这种系统中，电磁阀调节器和混合器来控制l p g 和空气的基 本定量与比例，由于系统是通过电子控制的，其原理是根据安装在排气管上的 氧传感器提供排放信号，通过e c u ( 电子控制单元) 对喷气系统进行闭环控制， 调整l p g 的供应量，所以控制精度有所提高。 第三代l p g 系统是由电子控制的多点喷射系统( m e g im u l t i p o i n te l e c t r o n i c s g a si n j e c t i o n ) 。因为市场上存在的汽油机普遍采用各缸独立喷射，即多点电喷技 术，在此基础上，l p g 系统容易与之匹配，也采用多点喷射。多点喷射在改善 动力性和排放性的同时，可以避免进气管中因为点火系统的不正常工作而引起 的回火甚至混合气爆炸的现象，保护了电喷系统和进气系统【5 j 。一般第三代l p g 系统的主要特征有：l p g 在进气口直接喷射；采用e c u 控制的多点连续喷射。 自9 0 年代初，世界上已经有很多代用燃料生产厂家开始着手研究开发l p g 燃料喷射系统，按照燃料状态可以将l p g 喷射系统分为两大类：气态喷射和液 态喷射。二者都不再采用混合器，而是通过喷嘴将l p g 直接喷入进气歧管。 由以上分析，为了让l p g 系统的性能和安全得到保证，最好由主机厂进行 l o 人 武汉理t 大学硕士学位论文 全面的开发和设计。 2 3l p g 系统的结构 目前，机械式的l p g 系统由于结构过于简单，排放性、动力性均不能达标， 经济性也差强人意，已经不适合市场要求，基本已经淘汰，下文介绍的l p g 发 动机系统零件均为多点式电喷系统。 l p g 系统基本由以下零件组成：储气罐、组合阀、蒸发减压阀、喷气阀、 电控单元等组成，其中对性能影响较大的部分包括蒸发减压阀，喷气阀等【们。 1 ) l p g 储气罐 l p g 的一般取工作压力为1 6 m p a ，即可液化装瓶。l p g 储气罐应满足g b 5 8 4 2 2 0 0 6 液化石油气钢瓶标准，一般安装在行李箱后座处，为了满足行程 要求，应达到足够的容积，同时还要满足乘用要求。图2 2 和图2 3 表示了典型 的l p g 储气瓶以及车用l p g 储气瓶的截面。 图2 2 液化石油气的储气瓶 1 蒸气输出阀：2 安全阀；3 液面指示器；4 最大充量液面监视器 5 充气阀；6 液态气输出阀；7 三通输出阀 武汉理t 大学硕士学位论文 k、 挝汐 图2 3 车用l p g 储气瓶截面图 2 ) 组合阀 由于储气罐是高压容器，存储了易燃气体，所以为了保证使用安全，相关 法规规定车用l p g 储气罐必须配备组合阀，除- ；d n 气阀和输气阀外，组合阀还 包括了安全阀，限流阀，自动限充阀，容量表。 图2 4 为典型的组合阀结构。 6 图2 - 4 组合阀 1 组合阀总成；2 出气口；3 加气口；4 浮子；5 滤网；6 指针； a 加气口手动阀；b 出气口手动阀；c 手动放气| l i ；| ；d 安全阀 安全阀是一个单向阀，用来保持罐内压力在安全范围之内，当罐内压力超 过规定范围的临界值时，阀门会自动开启，释放部分气体，达到泄压的目的。 限流阀会检测l p g 的异常大规模流量，比如输气管路破损，当出现异常情 况时，限流阀会自动切断l p g 供应。 自动限充阀是用来保证充气量不超过储气罐的额定容量而设置的，相关标 武汉理下大学硕士学位论文 准规定，l p g 储气罐容量不得超过储气罐容积的8 0 ，因为前文提到，l p g 的 膨胀比较大，为了防止气体膨胀造成的危害，l p g 的自动限充阀对保证储气罐 的安全非常重要。 容量表是集成在组合阀上的一个机械式的计量表，用来显示储气罐中剩余 的l p g 的容量，同时，容量表上还有电阻信号线，可以连接指示表，安装在驾 驶仪表盘上，让驾驶员及时的了解l p g 容量。 3 ) 蒸发减压阀 蒸发减压阀是l p g 进气系统核心零件之一，它的稳定性，直接影响了l p g 发动机的性能。它的作用是将来自储气罐的l p g 减压并气化，并保持恒定的压 力供给给电磁喷嘴。目前的蒸发减压阀包括两腔式和三腔式，后者多用于c n g 燃气系统，本文采用两腔式蒸发减压阀，其基本结构包括一级减压室和二级减 压室，前者将l p g 气化，并减压，后者将气化后的l p g 进一步减压，使之接近 大气压力。 两室蒸发减压阀的工作原理如下： 当发动机未工作时，蒸发减压阀处于未进气状态，减压器一级处于常开， 二级经过调整后既可以处于常开，也可以处于常闭。一级减压器膜片1 4 在弹簧 1 5 的作用下使一级减压器膜片1 4 的小三角板离开，是一级阀口1 2 上的阀片1 3 与一级阀口1 2 之间产生间隙处于常开状态。二级减压器根据用途可调成常开状 态，也可调成常闭状态，其状态由调压螺栓7 改变正压弹簧8 和负压弹簧1 7 的 平衡关系来实现。 当蒸发减压阀的进气口处于工作状态时，气体经过一级阀口1 2 进入b 腔， b 腔气压经过通气孔1 6 推动一级减压器膜片1 4 向上压缩一级弹簧1 5 同时压迫 一级顶杆1 1 关闭，当二级阀口2 打开后，b 腔压力下降，一级减压膜片1 4 在一 级弹簧1 5 的推动下放松一级顶杆1 l 及一级阀片1 3 ，打开一级阀口1 2 ，随着二 级阀口流量的变化，一级阀口开度也随同变化保持b 腔压力稳定在0 0 2 m p a 左 右，减压器二级腔室c ，随着发动机吸气负压的变化，将一级膜片1 4 吸向下方， 膜片组推动挂钩6 和杠杆5 打开二级阀口2 ，阀口2 的开度随着发动机吸力变化 而变化，以满足发动机所需燃气流量【l 川。 蒸发减压阀的表面应该无毛刺尖角，所有的电器元件都应装有保护装置， 不允许导线裸露，以免产生电火花。 一般来说，蒸发减压阀的可以采用铝合金压铸，或者达到其机械性能和化 学性能的合金，但不可采用铸铁或可锻铸铁作为其承压部件。 武汉理工人学硕十学何论文 卜雅a 图2 5 蒸发减压阀结构示意图 1 出气孔2 二级阀座1 2 13 二级阀片4 上盖5 杠杆6 挂钩7 调压螺栓8 正压弹簧9 膜片 室1 0 膜片i1 一级项杆1 2 一级阀口1 3 一级阀片1 4 一级膜片1 5 一级弹簧1 6 通气孔 1 7 负压弹簧1 8 一级内盖1 9 一级底盖 4 ) 喷气阀 随着电子控制技术的发展，l p g 的供气已经由传统的混合器式变为如今的 电喷式，即使用喷气阀，通过e c u 控制l p g 的喷射量，喷射时间和相位关系等， 本项目所采用的多点喷射系统，克服了以往单点喷射精度差、各缸进气不均匀 等缺点，大幅提高发动机燃烧性能和排放性能。 1 4 武汉理丁大学硕士学位论文 图2 - 6l p g 喷气阀 5 ) 电子控制单元( e c u ) 电子控制单元是l p g 系统中电控系统的核心，它接受各个传感器传来的信 号，并根据台架标定的脉谱图，处理信号，并及时将指令传给喷气阀，调节l p g 的喷气脉宽和点火时间，从而控制空燃比和点火提前角。 2 4l p g 发动机的特性 2 4 1动力性 从热力学的角度，发动机的动力性主要取决于每循环释放的热量，对于相 同的发动机，具有相同的结构和机械效率，则每个循环的热量取决于理论当量 的空燃比和热值。l p g 的混合气的热值是汽油燃料的o 9 3 倍，所以理论当量空 燃比是汽油的1 0 7 倍1 7 j ，即l p g 发动机每循环最大可以放出的热量小于汽油燃 料，而且l p g 充气效率较低，故稳定工况下，动力性略逊于汽油机，虽然最高 车速相差不大，加速工况动力降低明显。但这些问题在第三代l p g 技术，即采 用电喷技术之后，得到明显改善。 l p g 的辛烷值比汽油高1 5 2 0 r o n ，要弥补动力性的不足，则必须提高发 动机的压缩比，而燃用汽油燃料时，发动机允许的压缩比较低，否则会发生爆 震，所以双燃料发动机只能采取较低的压缩比，以适应燃用汽油时的工况，这 武汉理工大学硕士学位论文 导致了l p g 性能的降低。 2 4 2经济性 l p g 的热值比汽油机高，燃烧比汽油更充分，目前的市场价格远低于汽油， 目前武汉9 3 号汽油售价已经突破7 元升，而l p g 的售价仅为4 5 元升，以出 租车为例，安装出租车每天行驶3 0 0 公里计算，百公里油耗1 2 l ，每天可节省成 本近6 0 元，一年可节约1 8 0 0 0 元，而电喷l p g 改装费用为6 0 0 0 元左右，再加 上政策的补贴，可以很快的收回改装成本。所以经济性较好。 汽油机在工作时，会在气缸壁形成燃油膜，稀释润滑油膜，不完全燃烧时， 还会在火花塞和活塞环等处形成积碳，影响发动机的使用寿命，而l p g 发动机 则不会出现这样的问题，所以发动机的维护更简单，维护成本更低，_ 般来说， 大修罩程可提高2 0 ，维护成本可节约5 0 。 需要指出一点，l p g 车的寿命受到l p g 燃料较大的影响