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液态多点电喷两用燃料汽车的研究

供稿:工控网 2007/1/10 9:09:00

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汽车工业的飞速发展使汽车开始进人中国家庭,但是国际原油的供需矛盾使汽车的使用成本不断增加,为鼓励代用燃料汽车的开发与生产,目前一些企业和科,研院所研制了多种代用燃料汽车,一些新型代用燃料汽车多数使用甲醇、乙醇、氢气等能源作为动力,但使用这些能源必须重‘新设计发动机并且采用比较昂贵的设备和零部件,制造成本过高无法达到大规模投产的要求。国内外目前较为成熟的代用燃料汽车技术主要为LPG和CNG气体燃料汽车技术,其中LPG由于成本低、固化特性接近汽油,甚至在抗爆性及单位体积热值方面优于汽油。
1 液态多点电喷两用燃料汽车的发动机控制原理 首先分析内燃机燃料LPG的物化特性,气体燃料的性能参数主要有热值、辛烷值、化学计量空燃比、着火温度等。由于多数气体燃料是多成分的混合体且组分可能在一定范围内变化,因此,其性能参数也不是一个固定值。天然气、液化石油气与汽油性质的比较见表1。 LPG的燃烧特性与汽油相当,其热值略高于汽油;LPG的辛烷值高,抗爆性能优于汽油,故允许采用较高的压缩比,有利于提高发动机的热效率。而且LPG的气化温度低,常温下LPG在0.2~0. 6MPa的压力下即可液化(随成分不同而定)因此,液化石油气的气化较为容易,与空气混合均匀性大大优于汽油,有利于燃料的完全燃烧。



两用燃料发动机的LPG和汽油的燃料供给系统是分开的,但共用相同的进气歧管,采用机外混合即预混合方式,也就是LPG和汽油通过电磁阀针孔液态喷射与新鲜空气在进气门前形成混合气,这时充气效率相同,在LPG与汽油的混合气质量相当时,发动机的功率和扭矩也基本相同。 2 燃料供给系统的设计 LPG燃料供给系统主要部件有LPG钢瓶、分配管、电磁喷射阀及管路安全阀等。LPG钢瓶总成内有内置的LPG供给泵,主要作用是建立喷射压力,不断向LPG分配提供液态LPG,产生冷却回流。为保证管路内的LPG压力,供给泵具有变频功能,怠速时LPG消耗量下降,泵的转速下降。车辆处于全负荷时,泵的转速达到最大,这样既能满足供给量和喷射压力要求,又能降低电能消耗,延长了泵的使用寿命。根据前期调研,目前中国市场的LPG杂质较多,泵的设计需要考虑耐用性。 ·安全阀。依据法规LPG钢瓶只能充满80%容积,必须有一个限位阀,通过液位浮子机械锁住加气管,以防止在高温情况下通过排放阀将LPG排出钢瓶发生爆炸。管路上的安全阀在通电时打开,使LPG管路形成通路,阀上的滤芯过滤LPG中的杂质。
·分配管与喷射器。喷射器采用下进式,其结构与汽油喷射器类似,这种方式有利于改善LPG的局部受热气化问题。分配管的作用使每一缸的喷射压力相同,存储LPG及冷却作用,分配管上的压力传感器将压力液态传给控制器,判断是否达到液态喷射的压力要求。如果达不到,供气泵就会提高转速增加压力。 ·发动机两用燃料工作过程。发动机冷起动时采用汽油工作模式,大约需要40s,LPG供给泵开始工作,在管路内逐步建立压力,电磁安全单向阀逐一打开,构成供给循环,这时分配管上的LPG压力传感器提取压力信号送给ECU,ECU结.合机油温度信号、水温信号值及进气温度信号。如果确认此刻LPG供给系统状态满足工作条件,LPG电磁阀打开形成混合气,汽油电磁阀立即关闭,这时转人LPG工作模式;如果不满足则通过警告灯提示系统出错。本文以SAN3000作为基础车,试制了液态多点电喷两用燃料汽车,两用燃料发动机是在原车搭载的2VQS发动机更改的,重新设计了缸盖和换气机构,将压缩比从9.5提高到10,充分利用LPG的辛烷值高于超级汽油的特点。设计适当的喷射管长度以及位置角度解决电磁喷射阀结冰问题,并且使喷出的液态LPG能迅速吸热形成混合气而不降低充气效率。发动机控制器根据负荷信号、空气流量信号、分配管压力信号计算出基本喷射时间,再加上修正值就可以给出该工况下的电磁阀的通电时间。 LPG钢瓶布置在行李箱内,为了降低LPG工作时产生的高频噪声对后排乘客的影响,在钢瓶外部包装了隔音材料。为了保护钢瓶及管路,在行李箱内加装了硬质纤维隔板。LPG管路采用不锈钢管,连接接头采用可塑性变形的Swagelok接头,保证管路在各种使用情况下不会产生松脱泄漏。  3 试验过程


在发动机台架上测出两用燃料发动机样机的功率,试验条件依照相关国家标准。使用RON 93#汽油,含80%丙烷的车用LPG。图1为两用燃料发动机的外特性曲线,由图1可知发动机经过匹配后,LPG工作模式与汽油工作模式的实测功率基本一致,通过试验证明本文的液态多点电喷两用燃料发动机的动力性在两种工作模式下相同。 将发动机装载到整车上,依照国家标准进行动力性、经济性和排放性的试验(表2)
由于LPG比汽油的单位质量热值高,LPG密度较汽油低,单位体积热值较汽油高,气耗数值上LPG较汽油大,以经济性为计算基础,行驶100km计算两种工作模式所需的燃料费用,LPG具有很高的经济性优势。 本文的两种工作模式均已达到国III排放标准,样车在完成条件苛刻的道路耐久试验的同时每隔1.5万km进行一次排放实验,试验结果证明LPG系统完全达到国III排放法规要求,LPG作为代用燃料的环保性得到了保证。 先期调研结果表明LPG的品质差异对车辆的动力性、经济性和环保性影响较大,为此对样车进行了LPG品质差异适应性匹配,并且选择了几个典型城市进行实地试验。试验结果显示出本车的适应性良好。  4 结语


(1)本文理论分析和样车试验数据表明,LPG完全可以采用液态多点电喷系统进行机外预混合,通过LPG喷射量与空燃比的精确控制,提高压缩比使发动机动力性达到汽油工作模式,相对目前蒸发预混合方式,在充气效率、负荷响应速度和混合气质量等方面,都达到了多点电控汽油喷射预混合方式的水平。 (2)通过闭环控制LPG喷射量,可以根据负荷变化不断调整喷射时间,并且喷射时间可控,这样燃料利用率高、气耗低,经济性好,通过试验数据对比,两用燃料汽车的LPG经济性较普通汽油汽车高。目前我国一些主要城市都建设了大量LPG加气站,上海、北京、广州的LPG加气站数量分别为109、72和13个。推广该车型既可以解决了汽油供需紧张问题,又使这些加油站获得良好的经济效益。 (3) LPG的液态多点电控喷射方式较蒸发式多点电控喷射方式达到更为精确的空燃比闭环控制而使整车排放达到国Ⅲ标准,本文的两用燃料汽车的两种工作模式都达到了国Ⅲ排放标准,如果对加装的OBD系统再进一步匹配,则有可能使整车达到欧Ⅳ标准。
信息来源于:汽车电子网

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