1、液化石油氣摩托車發(fā)動機排放性能研究李理光 王惠萍 鄧寶清 肖宗成 劉巽?。执髮W汽車工程學院）李官祥 蘇偉 謝洪(中國嘉陵集團)摘要：本文主要介紹了液化石油氣發(fā)動機臺架排放性能試驗研究的結(jié)果，對影響液化石油氣發(fā)動機排放指標的主要參數(shù)過量空氣系數(shù)與發(fā)動機排放之間的關(guān)系進行了詳細研究。通過開發(fā)一種易于控制空燃比的液化石油氣混合器，使得液化石油氣發(fā)動機在動力性達到原汽油機95%的條件下，HC和CO排放指標顯著優(yōu)于汽油機水平,并且整車排放達到歐標準。關(guān)鍵詞：摩托車；排放性能；液化石油氣引言汽油機采用液化石油氣（LPG）為燃料是改善發(fā)動機排放性能的有效措施之一，這一研究正在成為新的研究熱點1,2,3,

2、6,7。LPG發(fā)動機在保證有足夠的動力性的前提下，如何簡便而又合理地控制空燃比達到良好的排放性能是技術(shù)要點。普通的文丘里管式的混合器不如空燃比電控技術(shù)，兼顧動力性能和排放性能比較困難。電控噴射雖然能把動力下降限制在5%10%（5），空燃比控制較好，排放性能也好，但是成本增加較多，較難在小排量發(fā)動機上推廣。本文的工作是對過量空氣系數(shù)a與HC、CO、NOX排放之間的規(guī)律進行了試驗研究，針對小排量LPG發(fā)動機開發(fā)了一種比例式混合器通過對a的合理控制，保證動力性下降5%以內(nèi)的條件下，取得了較好的排放性。1.試驗條件與儀器設(shè)備 排量/mLS/mmD/mmc12557.852.410.3Pe/Kw/nP/

3、 r.min-1Ttq/N.m/nT/r.min-16.5/75009.5/6000試驗用發(fā)動機是在125mL化油器四沖程水冷頂置氣門汽油機基礎(chǔ)上去掉汽油機燃料供給系，加裝LPG燃料供給系改裝而成。汽油機主要性能指標和結(jié)構(gòu)參表1汽油機技術(shù)參數(shù)表Table 1. The specification of the test engine數(shù)如表1，試驗用主要測試儀表列于表2。LPG燃料供給系主要由LPG儲罐、組合閥、電磁閥、調(diào)壓蒸發(fā)器和混合器等組成（圖1）。表2主要測試儀表Table 2. The primary instruments in test儀器名稱型號或型式產(chǎn)地測功機CW-10洛陽 南峰

4、廢氣分析儀FGA4015廣東 佛山燃氣流量計容積式自制油耗儀容積式自制 圖1試驗臺架示意圖Figure 1. The sketch map of test system測功機 LPG儲罐 組合閥 電磁閥調(diào)壓蒸發(fā)器 混合器 空氣濾清器 發(fā)動機2試驗及結(jié)果分析試驗工作是利用文丘里管式混合器，通過手動流量調(diào)節(jié)閥來控制空燃比完成的。過量空氣系數(shù)a值是利用五氣體成分分析儀測得。LPG流量是利用作者自行開發(fā)的肥皂泡式低壓差流量計測得的, 其原理是根據(jù)常溫常壓下消耗一定容積的氣體所需的時間來計算出LPG氣體的流量，從而計算出LPG消耗率。2.1 過量空氣系數(shù)對排放的影響過量空氣系數(shù)a對HC排放的影響 圖2是

5、LPG發(fā)動機HC排放體積分數(shù)HC隨過量空氣數(shù)a的變化曲線。由圖4中可以看出，無論發(fā)圖2 LPG發(fā)動機HC排放與過量空氣系數(shù)a的關(guān)系Figure 2. The HC emissions(HC)versus excess air ratio a of LPG engine動機轉(zhuǎn)速和負荷如何，當a=0.751.3之間時，HC排放都比較低而且變化不大。這是因為LPG是氣態(tài)燃料它與空氣混合比較均勻，火焰?zhèn)鞑ケ容^穩(wěn)定、燃燒極限范圍較寬，可以使混合氣能夠更完全地燃燒，因此使用LPG時對應(yīng)低HC排放的a范圍相當寬。同時由于其分子量較小，使得造成HC排放的激冷效應(yīng)、縫隙效應(yīng)等減少，因此燃用LPG燃料在同等條件下

6、可以比燃用汽油減少HC排放物的生成。由于a>1.35時混合氣過稀，容易導致發(fā)動機缺火，并隨a的增大失火率增大，會導致大量燃料無法燃燒而直接排出氣缸，使得HC排放迅速惡化。a<0.75時，由于混合氣過濃，一部分燃料無法參與燃燒而直接排入大氣導致HC排放惡化，并且隨a進一步降低HC排放惡化加速。所以，從低HC排放出發(fā)，燃用LPG的發(fā)動機應(yīng)當將a控制在0.751.35之間。圖3 LPG發(fā)動機CO排放與過量空氣系數(shù)a的關(guān)系Fig.3 CO emissions in volume fraction co versus excess air ratio a in LPG engine過量空氣系

7、數(shù)a對CO排放的影響圖3是LPG發(fā)動機CO排放體積分數(shù)CO與過量空氣系數(shù)a的變化曲線?？梢钥闯?，在濃混合氣時CO的濃度大,并且隨著混合氣的加濃加而直線上升，這主要是因為缺氧而不完全燃燒造成的。試驗表明CO的濃度與發(fā)動機的負荷沒有關(guān)系，僅與a關(guān)系顯著。只要控制a>1，LPG發(fā)動機會獲得較低的CO排放特性。圖4 LPG發(fā)動機NOx排放與過量空氣系數(shù)a的關(guān)系Figure 4. The NOx emissions (NOx)versus excess air ratio a of LPG engine過量空氣系數(shù)對NOx排放的影響圖4是 LPG發(fā)動機NOx排放體積分數(shù)NOx與過量空氣系數(shù)a的變化

8、曲線?？梢钥闯?，全負荷時當a在11.1之間的略稀的混合氣時，NOx的排放超過了5×10-3，a在0.951.2之間時，NOx的排放都在×10-3以上。部分負荷時， NOx高峰也對應(yīng)同樣的a范圍，但NOx的絕對值比全負荷時低，這是因為部分負荷的燃燒溫度要比全負荷時低的緣故?？梢娨獪p少NOx的排放a應(yīng)當控制在0.951.2以外。2.2 過量空氣系數(shù)對動力性的影響圖5表示LPG發(fā)動機不同負荷是轉(zhuǎn)矩Ttq隨過量空氣系數(shù)a的變化曲線。轉(zhuǎn)矩的峰值出現(xiàn)在a=0.90.95之間，當a=1.2時轉(zhuǎn)矩下降達25%之多。因此在發(fā)動機的外特性上，應(yīng)當是把動力性作為第一控制目標，排放次之，即應(yīng)當控制

9、a在0.90.95之間，以滿足動力性的要求。在中小負荷時，可以根據(jù)發(fā)動機的實際排放問題控制a。以解決CO為主時控制a在1.2附近，這時既可以獲得較低的CO排放，同時又可以獲得較小的HC排放。此時由于存在由稀混合氣向濃混合氣的過渡區(qū)，NOx排放會不太理想。如果以解決NOx排放為主時控制a在0.91，或者可以再濃些，發(fā)動機全在濃混合氣區(qū)內(nèi)工作，沒有生成高濃度NOx的條件，因此總的NOx的排放量會降低。圖5轉(zhuǎn)矩與過量空氣系數(shù)的關(guān)系(6500r.min-1全負荷)Figure 5 The torque (Ttq) versus excess air ratio a in LPG engine(6500

10、r.min-1 ,full load)2.3 小結(jié)過量空氣系數(shù)a與LPG發(fā)動機的動力性與排放性能關(guān)系密切:a>1時LPG發(fā)動機的CO排放體積分數(shù)低于0.5%。a控制在0.751.35之間，LPG發(fā)動機的HC的排放體積分數(shù)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發(fā)動機發(fā)出最大轉(zhuǎn)矩。3比例混合器的試驗特性根據(jù)以上研究與分析，我們開發(fā)了圖6所示的便于控制空燃比的比例混合器。利用該混合器實現(xiàn)對 a的真空自動控制，以實現(xiàn)動力性、經(jīng)濟性和排放性能的綜合優(yōu)化。圖6比例混合器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6. The proporti

11、onal mixer for LPG engine其工作原理是節(jié)氣柱塞在膜盒內(nèi)真空度的作用下向上運動時，帶動燃氣入口閥門運動。這樣空氣量增加的同時燃氣量也按比例增加，通過合理的設(shè)計燃氣入口閥門的尺寸，就能實現(xiàn)對過量空氣系數(shù)a控制。柱塞膜盒內(nèi)的真空度受發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速的影響，因此該混合器就能針對發(fā)動機不同的負荷和轉(zhuǎn)速得出合適的過量空氣系數(shù)a。圖7 LPG發(fā)動機與汽油機全負荷特性對比Figure 7. The Comparison of full load characteristic between LPG and gasoline 圖7是優(yōu)化匹配后的LPG發(fā)動機與汽油機外特性的對比。LPG發(fā)動

12、機的最大功率點7500r.min-1功率比汽油機下降4%；最大轉(zhuǎn)矩點6000r.min-1轉(zhuǎn)矩比汽油機下降4%。并且外特性最低燃料消耗率降低4%，10點平均燃料消耗率降低7%。圖8 LPG發(fā)動機與汽油機過量空氣系數(shù)對比Figure 8. The Comparison of excess air ratio a between LPG and gasoline 圖8是LPG發(fā)動機與汽油機不同負荷下的過量空氣系數(shù)a對比曲線，燃用LPG(圖中用L和實線表示)比燃用汽油（圖中用G和虛線表示）混合氣總體上稀，發(fā)動機工作穩(wěn)定，中小負荷的經(jīng)濟性會好。圖9、10、11分別為LPG發(fā)動機與原汽油機中小負荷下的排

13、放對比曲線。從圖中可以看出LPG發(fā)動機CO和HC排放明圖9 LPG發(fā)動機與汽油機CO排放對比Figure 9. The comparison of CO emissions 圖10 LPG發(fā)動機與汽油機HC排放對比Figure 10. The comparison of HC emissions 圖11 LPG發(fā)動機與汽油機NOx排放對比Fig.11 Comparison of NOx emissions 顯優(yōu)于汽油機，但NOx比汽油機差。表3是四行程摩托車整車排放歐標準限值和燃用兩種燃料的整車排放數(shù)據(jù)，可以看出排放性能和臺架試驗具有同樣規(guī)律。燃用兩種燃料的整車排放都優(yōu)于歐標準。表3 四沖程摩

14、托車整車排放（十五工況法）單位：g/kmTable 3.The comparison of emission regulation and the test of LPG and gasoline排放物THCCONOx排量>50mL歐標準3130.3汽油測值0.8649.0890.109LPG測值0.4286.0020.2674 結(jié)論過量空氣系數(shù)a是影響LPG發(fā)動機排放性能的重要參數(shù)，通過對a的合理控制能夠?qū)崿F(xiàn)對有害排放物的控制。本文開發(fā)的比例混合器能對過量空氣系數(shù)a進行良好的控制，能夠使LPG發(fā)動機獲得較好的動力性、經(jīng)濟性和排放性。但NOx需要進一步控制。參考資料：. 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.黃振洲.492Q汽油機燃用液化石油氣后NOx排放規(guī)律的試驗研究.內(nèi)燃機學報. 朱義倫. 電控液化石油氣發(fā)動機動力性能研究.車用發(fā)動機2000年第4期. 深川 正美. 小型天然自動車開發(fā). 自動車技術(shù)Vol.52,No.7,1998. 鄒祖燁. 國外代用燃料汽車

16、發(fā)展概況.北京：中國鐵道出版社，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