液化石油气摩托车发动机排放性能研究

1、液化石油气摩托车发动机排放性能研究李理光 王惠萍 邓宝清 肖宗成 刘巽俊（吉林大学汽车工程学院）李官祥 苏伟 谢洪(中国嘉陵集团)摘要：本文主要介绍了液化石油气发动机台架排放性能试验研究的结果，对影响液化石油气发动机排放指标的主要参数过量空气系数与发动机排放之间的关系进行了详细研究。通过开发一种易于控制空燃比的液化石油气混合器，使得液化石油气发动机在动力性达到原汽油机95%的条件下，HC和CO排放指标显著优于汽油机水平,并且整车排放达到欧标准。关键词：摩托车；排放性能；液化石油气引言汽油机采用液化石油气（LPG）为燃料是改善发动机排放性能的有效措施之一，这一研究正在成为新的研究热点1,2,3,

2、6,7。LPG发动机在保证有足够的动力性的前提下，如何简便而又合理地控制空燃比达到良好的排放性能是技术要点。普通的文丘里管式的混合器不如空燃比电控技术，兼顾动力性能和排放性能比较困难。电控喷射虽然能把动力下降限制在5%10%（5），空燃比控制较好，排放性能也好，但是成本增加较多，较难在小排量发动机上推广。本文的工作是对过量空气系数a与HC、CO、NOX排放之间的规律进行了试验研究，针对小排量LPG发动机开发了一种比例式混合器通过对a的合理控制，保证动力性下降5%以内的条件下，取得了较好的排放性。1.试验条件与仪器设备 排量/mLS/mmD/mmc12557.852.410.3Pe/Kw/nP/

3、 r.min-1Ttq/N.m/nT/r.min-16.5/75009.5/6000试验用发动机是在125mL化油器四冲程水冷顶置气门汽油机基础上去掉汽油机燃料供给系，加装LPG燃料供给系改装而成。汽油机主要性能指标和结构参表1汽油机技术参数表Table 1. The specification of the test engine数如表1，试验用主要测试仪表列于表2。LPG燃料供给系主要由LPG储罐、组合阀、电磁阀、调压蒸发器和混合器等组成（图1）。表2主要测试仪表Table 2. The primary instruments in test仪器名称型号或型式产地测功机CW-10洛阳 南峰

4、废气分析仪FGA4015广东 佛山燃气流量计容积式自制油耗仪容积式自制 图1试验台架示意图Figure 1. The sketch map of test system测功机 LPG储罐 组合阀 电磁阀调压蒸发器 混合器 空气滤清器 发动机2试验及结果分析试验工作是利用文丘里管式混合器，通过手动流量调节阀来控制空燃比完成的。过量空气系数a值是利用五气体成分分析仪测得。LPG流量是利用作者自行开发的肥皂泡式低压差流量计测得的, 其原理是根据常温常压下消耗一定容积的气体所需的时间来计算出LPG气体的流量，从而计算出LPG消耗率。2.1 过量空气系数对排放的影响过量空气系数a对HC排放的影响 图2是

5、LPG发动机HC排放体积分数HC随过量空气数a的变化曲线。由图4中可以看出，无论发图2 LPG发动机HC排放与过量空气系数a的关系Figure 2. The HC emissions(HC)versus excess air ratio a of LPG engine动机转速和负荷如何，当a=0.751.3之间时，HC排放都比较低而且变化不大。这是因为LPG是气态燃料它与空气混合比较均匀，火焰传播比较稳定、燃烧极限范围较宽，可以使混合气能够更完全地燃烧，因此使用LPG时对应低HC排放的a范围相当宽。同时由于其分子量较小，使得造成HC排放的激冷效应、缝隙效应等减少，因此燃用LPG燃料在同等条件下

6、可以比燃用汽油减少HC排放物的生成。由于a>1.35时混合气过稀，容易导致发动机缺火，并随a的增大失火率增大，会导致大量燃料无法燃烧而直接排出气缸，使得HC排放迅速恶化。a<0.75时，由于混合气过浓，一部分燃料无法参与燃烧而直接排入大气导致HC排放恶化，并且随a进一步降低HC排放恶化加速。所以，从低HC排放出发，燃用LPG的发动机应当将a控制在0.751.35之间。图3 LPG发动机CO排放与过量空气系数a的关系Fig.3 CO emissions in volume fraction co versus excess air ratio a in LPG engine过量空气系

7、数a对CO排放的影响图3是LPG发动机CO排放体积分数CO与过量空气系数a的变化曲线。可以看出，在浓混合气时CO的浓度大,并且随着混合气的加浓加而直线上升，这主要是因为缺氧而不完全燃烧造成的。试验表明CO的浓度与发动机的负荷没有关系，仅与a关系显著。只要控制a>1，LPG发动机会获得较低的CO排放特性。图4 LPG发动机NOx排放与过量空气系数a的关系Figure 4. The NOx emissions (NOx)versus excess air ratio a of LPG engine过量空气系数对NOx排放的影响图4是 LPG发动机NOx排放体积分数NOx与过量空气系数a的变化

8、曲线。可以看出，全负荷时当a在11.1之间的略稀的混合气时，NOx的排放超过了5×10-3，a在0.951.2之间时，NOx的排放都在×10-3以上。部分负荷时， NOx高峰也对应同样的a范围，但NOx的绝对值比全负荷时低，这是因为部分负荷的燃烧温度要比全负荷时低的缘故。可见要减少NOx的排放a应当控制在0.951.2以外。2.2 过量空气系数对动力性的影响图5表示LPG发动机不同负荷是转矩Ttq随过量空气系数a的变化曲线。转矩的峰值出现在a=0.90.95之间，当a=1.2时转矩下降达25%之多。因此在发动机的外特性上，应当是把动力性作为第一控制目标，排放次之，即应当控制

9、a在0.90.95之间，以满足动力性的要求。在中小负荷时，可以根据发动机的实际排放问题控制a。以解决CO为主时控制a在1.2附近，这时既可以获得较低的CO排放，同时又可以获得较小的HC排放。此时由于存在由稀混合气向浓混合气的过渡区，NOx排放会不太理想。如果以解决NOx排放为主时控制a在0.91，或者可以再浓些，发动机全在浓混合气区内工作，没有生成高浓度NOx的条件，因此总的NOx的排放量会降低。图5转矩与过量空气系数的关系(6500r.min-1全负荷)Figure 5 The torque (Ttq) versus excess air ratio a in LPG engine(6500

10、r.min-1 ,full load)2.3 小结过量空气系数a与LPG发动机的动力性与排放性能关系密切:a>1时LPG发动机的CO排放体积分数低于0.5%。a控制在0.751.35之间，LPG发动机的HC的排放体积分数可以控制在3×10-4以下。a控制在0.951.2之外可降低NOx排放。a控制在0.90.95可以使LPG发动机发出最大转矩。3比例混合器的试验特性根据以上研究与分析，我们开发了图6所示的便于控制空燃比的比例混合器。利用该混合器实现对 a的真空自动控制，以实现动力性、经济性和排放性能的综合优化。图6比例混合器结构示意图Figure 6. The proporti

11、onal mixer for LPG engine其工作原理是节气柱塞在膜盒内真空度的作用下向上运动时，带动燃气入口阀门运动。这样空气量增加的同时燃气量也按比例增加，通过合理的设计燃气入口阀门的尺寸，就能实现对过量空气系数a控制。柱塞膜盒内的真空度受发动机负荷和转速的影响，因此该混合器就能针对发动机不同的负荷和转速得出合适的过量空气系数a。图7 LPG发动机与汽油机全负荷特性对比Figure 7. The Comparison of full load characteristic between LPG and gasoline 图7是优化匹配后的LPG发动机与汽油机外特性的对比。LPG发动

12、机的最大功率点7500r.min-1功率比汽油机下降4%；最大转矩点6000r.min-1转矩比汽油机下降4%。并且外特性最低燃料消耗率降低4%，10点平均燃料消耗率降低7%。图8 LPG发动机与汽油机过量空气系数对比Figure 8. The Comparison of excess air ratio a between LPG and gasoline 图8是LPG发动机与汽油机不同负荷下的过量空气系数a对比曲线，燃用LPG(图中用L和实线表示)比燃用汽油（图中用G和虚线表示）混合气总体上稀，发动机工作稳定，中小负荷的经济性会好。图9、10、11分别为LPG发动机与原汽油机中小负荷下的排

13、放对比曲线。从图中可以看出LPG发动机CO和HC排放明图9 LPG发动机与汽油机CO排放对比Figure 9. The comparison of CO emissions 图10 LPG发动机与汽油机HC排放对比Figure 10. The comparison of HC emissions 图11 LPG发动机与汽油机NOx排放对比Fig.11 Comparison of NOx emissions 显优于汽油机，但NOx比汽油机差。表3是四行程摩托车整车排放欧标准限值和燃用两种燃料的整车排放数据，可以看出排放性能和台架试验具有同样规律。燃用两种燃料的整车排放都优于欧标准。表3 四冲程摩

14、托车整车排放（十五工况法）单位：g/kmTable 3.The comparison of emission regulation and the test of LPG and gasoline排放物THCCONOx排量>50mL欧标准3130.3汽油测值0.8649.0890.109LPG测值0.4286.0020.2674 结论过量空气系数a是影响LPG发动机排放性能的重要参数，通过对a的合理控制能够实现对有害排放物的控制。本文开发的比例混合器能对过量空气系数a进行良好的控制，能够使LPG发动机获得较好的动力性、经济性和排放性。但NOx需要进一步控制。参考资料：. Andrea G

15、erini et al.“Ultra low emissions vehicle using LPG engine fuel” SAE Paper 961079. Xiaobo Sun “Low emission propane-fueled lawn and garden engines” SAE Paper 2000-01-2061.黄振洲.492Q汽油机燃用液化石油气后NOx排放规律的试验研究.内燃机学报. 朱义伦. 电控液化石油气发动机动力性能研究.车用发动机2000年第4期. 深川 正美. 小型天然自动车开发. 自动车技术Vol.52,No.7,1998. 邹祖烨. 国外代用燃料汽车

16、发展概况.北京：中国铁道出版社，1998Emission Characheristics of Motorcycle Engine Using LPGLi Liguang, Wang Huiping, Deng Baoqing, Xiao Zongcheng, Liu Xunjun(College of Automotive Engineering, JiLin University)Li Guanxiang, Su Wei, Xie Hong (JiaLing Group) Abstract: Effects of excess air ratio on CO, HC and NOx emissions for a small LPG engine were presented. A proportional LPG and air mixer was developed to control air-full ratio, wh