液態(tài)多點(diǎn)電噴兩用燃料汽車的研究
| 汽車工業(yè)的飛速發(fā)展使汽車開(kāi)始進(jìn)人中國(guó)家庭，但是國(guó)際原油的供需矛盾使汽車的使用成本不斷增加，為鼓勵(lì)代用燃料汽車的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，目前一些企業(yè)和科，研院所研制了多種代用燃料汽車，一些新型代用燃料汽車多數(shù)使用甲醇、乙醇、氫氣等能源作為動(dòng)力，但使用這些能源必須重‘新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)并且采用比較昂貴的設(shè)備和零部件，制造成本過(guò)高無(wú)法達(dá)到大規(guī)模投產(chǎn)的要求。國(guó)內(nèi)外目前較為成熟的代用燃料汽車技術(shù)主要為L(zhǎng)PG和CNG氣體燃料汽車技術(shù)，其中LPG由于成本低、固化特性接近汽油，甚至在抗爆性及單位體積熱值方面優(yōu)于汽油。 1 液態(tài)多點(diǎn)電噴兩用燃料汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制原理 首先分析內(nèi)燃機(jī)燃料LPG的物化特性，氣體燃料的性能參數(shù)主要有熱值、辛烷值、化學(xué)計(jì)量空燃比、著火溫度等。由于多數(shù)氣體燃料是多成分的混合體且組分可能在一定范圍內(nèi)變化，因此，其性能參數(shù)也不是一個(gè)固定值。天然氣、液化石油氣與汽油性質(zhì)的比較見(jiàn)表1。 LPG的燃燒特性與汽油相當(dāng)，其熱值略高于汽油；LPG的辛烷值高，抗爆性能優(yōu)于汽油，故允許采用較高的壓縮比，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。而且LPG的氣化溫度低，常溫下LPG在0.2～0. 6MPa的壓力下即可液化（隨成分不同而定）因此，液化石油氣的氣化較為容易，與空氣混合均勻性大大優(yōu)于汽油，有利于燃料的完全燃燒。 兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的LPG和汽油的燃料供給系統(tǒng)是分開(kāi)的，但共用相同的進(jìn)氣歧管，采用機(jī)外混合即預(yù)混合方式，也就是LPG和汽油通過(guò)電磁閥針孔液態(tài)噴射與新鮮空氣在進(jìn)氣門前形成混合氣，這時(shí)充氣效率相同，在LPG與汽油的混合氣質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩也基本相同。 2 燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) LPG燃料供給系統(tǒng)主要部件有LPG鋼瓶、分配管、電磁噴射閥及管路安全閥等。LPG鋼瓶總成內(nèi)有內(nèi)置的LPG供給泵，主要作用是建立噴射壓力，不斷向LPG分配提供液態(tài)LPG，產(chǎn)生冷卻回流。為保證管路內(nèi)的LPG壓力，供給泵具有變頻功能，怠速時(shí)LPG消耗量下降，泵的轉(zhuǎn)速下降。車輛處于全負(fù)荷時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到******，這樣既能滿足供給量和噴射壓力要求，又能降低電能消耗，延長(zhǎng)了泵的使用壽命。根據(jù)前期調(diào)研，目前中國(guó)市場(chǎng)的LPG雜質(zhì)較多，泵的設(shè)計(jì)需要考慮耐用性。 ·安全閥。依據(jù)法規(guī)LPG鋼瓶只能充滿80％容積，必須有一個(gè)限位閥，通過(guò)液位浮子機(jī)械鎖住加氣管，以防止在高溫情況下通過(guò)排放閥將LPG排出鋼瓶發(fā)生爆炸。管路上的安全閥在通電時(shí)打開(kāi)，使LPG管路形成通路，閥上的濾芯過(guò)濾LPG中的雜質(zhì)。 ·分配管與噴射器。噴射器采用下進(jìn)式，其結(jié)構(gòu)與汽油噴射器類似，這種方式有利于改善LPG的局部受熱氣化問(wèn)題。分配管的作用使每一缸的噴射壓力相同，存儲(chǔ)LPG及冷卻作用，分配管上的壓力傳感器將壓力液態(tài)傳給控制器，判斷是否達(dá)到液態(tài)噴射的壓力要求。如果達(dá)不到，供氣泵就會(huì)提高轉(zhuǎn)速增加壓力。 ·發(fā)動(dòng)機(jī)兩用燃料工作過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)采用汽油工作模式，大約需要40s，LPG供給泵開(kāi)始工作，在管路內(nèi)逐步建立壓力，電磁安全單向閥逐一打開(kāi)，構(gòu)成供給循環(huán)，這時(shí)分配管上的LPG壓力傳感器提取壓力信號(hào)送給ECU，ECU結(jié)．合機(jī)油溫度信號(hào)、水溫信號(hào)值及進(jìn)氣溫度信號(hào)。如果確認(rèn)此刻LPG供給系統(tǒng)狀態(tài)滿足工作條件，LPG電磁閥打開(kāi)形成混合氣，汽油電磁閥立即關(guān)閉，這時(shí)轉(zhuǎn)人LPG工作模式；如果不滿足則通過(guò)警告燈提示系統(tǒng)出錯(cuò)。本文以SAN3000作為基礎(chǔ)車，試制了液態(tài)多點(diǎn)電噴兩用燃料汽車，兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在原車搭載的2VQS發(fā)動(dòng)機(jī)更改的，重新設(shè)計(jì)了缸蓋和換氣機(jī)構(gòu)，將壓縮比從9.5提高到10，充分利用LPG的辛烷值高于超級(jí)汽油的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膰娚涔荛L(zhǎng)度以及位置角度解決電磁噴射閥結(jié)冰問(wèn)題，并且使噴出的液態(tài)LPG能迅速吸熱形成混合氣而不降低充氣效率。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器根據(jù)負(fù)荷信號(hào)、空氣流量信號(hào)、分配管壓力信號(hào)計(jì)算出基本噴射時(shí)間，再加上修正值就可以給出該工況下的電磁閥的通電時(shí)間。 LPG鋼瓶布置在行李箱內(nèi)，為了降低LPG工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲對(duì)后排乘客的影響，在鋼瓶外部包裝了隔音材料。為了保護(hù)鋼瓶及管路，在行李箱內(nèi)加裝了硬質(zhì)纖維隔板。LPG管路采用不銹鋼管，連接接頭采用可塑性變形的Swagelok接頭，保證管路在各種使用情況下不會(huì)產(chǎn)生松脫泄漏。 在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)出兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的功率，試驗(yàn)條件依照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。使用RON 93#汽油，含80%丙烷的車用LPG。圖1為兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，由圖1可知發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)匹配后，LPG工作模式與汽油工作模式的實(shí)測(cè)功率基本一致，通過(guò)試驗(yàn)證明本文的液態(tài)多點(diǎn)電噴兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性在兩種工作模式下相同。 將發(fā)動(dòng)機(jī)裝載到整車上，依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的試驗(yàn)（表2） 由于LPG比汽油的單位質(zhì)量熱值高，LPG密度較汽油低，單位體積熱值較汽油高，氣耗數(shù)值上LPG較汽油大，以經(jīng)濟(jì)性為計(jì)算基礎(chǔ)，行駛100km計(jì)算兩種工作模式所需的燃料費(fèi)用，LPG具有很高的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。 本文的兩種工作模式均已達(dá)到國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)，樣車在完成條件苛刻的道路耐久試驗(yàn)的同時(shí)每隔1.5萬(wàn)km進(jìn)行一次排放實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明LPG系統(tǒng)完全達(dá)到國(guó)III排放法規(guī)要求，LPG作為代用燃料的環(huán)保性得到了保證。 先期調(diào)研結(jié)果表明LPG的品質(zhì)差異對(duì)車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性影響較大，為此對(duì)樣車進(jìn)行了LPG品質(zhì)差異適應(yīng)性匹配，并且選擇了幾個(gè)典型城市進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示出本車的適應(yīng)性良好。 （1）本文理論分析和樣車試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，LPG完全可以采用液態(tài)多點(diǎn)電噴系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)外預(yù)混合，通過(guò)LPG噴射量與空燃比的精確控制，提高壓縮比使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性達(dá)到汽油工作模式，相對(duì)目前蒸發(fā)預(yù)混合方式，在充氣效率、負(fù)荷響應(yīng)速度和混合氣質(zhì)量等方面，都達(dá)到了多點(diǎn)電控汽油噴射預(yù)混合方式的水平。 （2）通過(guò)閉環(huán)控制LPG噴射量，可以根據(jù)負(fù)荷變化不斷調(diào)整噴射時(shí)間，并且噴射時(shí)間可控，這樣燃料利用率高、氣耗低，經(jīng)濟(jì)性好，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩用燃料汽車的LPG經(jīng)濟(jì)性較普通汽油汽車高。目前我國(guó)一些主要城市都建設(shè)了大量LPG加氣站，上海、北京、廣州的LPG加氣站數(shù)量分別為109、72和13個(gè)。推廣該車型既可以解決了汽油供需緊張問(wèn)題，又使這些加油站獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 （3） LPG的液態(tài)多點(diǎn)電控噴射方式較蒸發(fā)式多點(diǎn)電控噴射方式達(dá)到更為精確的空燃比閉環(huán)控制而使整車排放達(dá)到國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，本文的兩用燃料汽車的兩種工作模式都達(dá)到了國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，如果對(duì)加裝的OBD系統(tǒng)再進(jìn)一步匹配，則有可能使整車達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。 |
