LPG燃气共轨电控喷射阀的开发与测试研究
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第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 选题背景
在我国，与汽车工业相关的能源与环境问题比较突出。汽车每年约消耗我国
汽油总产量的85%，柴油总产量的20%。而我国2000年原油进口达7000万吨，及海
湾战争对油价的影响，说明国内油品对国际市场具有较大的依赖性。所以发展代
用燃料汽车，关系到国家能源结构调整和能源战略安全。
汽车尾气排放是大气主要的污染源之一，世界各国为此加强了对汽车尾气污
染的治理。90年代以来，我国汽车保有量快速增长，到2005年底国内民用汽车保
有量达到2500万辆。国内汽车在大中城市形成高密度的集中，成为大气的首要污
染源。如北京市目前机动车对大气污染的分担率 和 分别为78%和41%，二
环以内更是高达86%和72%，非采暖期分担率则更高。对未来北京市机动车排放趋
势的计算分析表明，如果不加以严格控制，到2010年，各种污染物排放量将成倍
增长，大气质量进一步恶化。采用清洁排放的代用燃料，能够缓解严重的城市污
染状况。同时在国家汽车工业的“十五”计划中明确提到，“要积极推进代用燃
料汽车的应用”。
由于能源和环境的双重压力，特别是排放法规日益严格，代用燃料汽车技术
在国内外得到迅速发展。燃气的应用主要是液化石油气，液化石油气(Liquefied
Petroleum Gas, LPG)以其经济性、燃料易于储运和低污染排放等优点而成为良好的
代用燃料，并形成了巨大的燃气汽车市场。到1997年底，世界各国约有燃气汽车
640万辆，其中LPG占82%, CNG(压缩天然气)占17%，其他种类为1%。我国“九
五”期间，在北京等12个示范城市开展燃气汽车的开发与应用试点，截止到2005
年底，示范城市的燃气汽车保有量已超过10万辆[1~2]。
本课题基于我国LPG燃气汽车技术背景，研究该燃气共轨电控喷射系统中的
一个关键部件——LPG燃气共轨电控喷射阀的设计开发与测试研究，课题来源于
实习单位（海宁联合迪安汽车电子技术有限公司）承接的LPG燃气共轨电控喷射
阀的新产品开发项目，整套燃气汽车系统的设计开发与东风二汽下属的科纳电器
有限公司与杭州华信电子科技有限公司三方共同合作。本课题主要研究了该喷射
阀的设计及加工工艺，以及其产品质量合格的测试装置和环境试验方法。
§1.2 国内外燃气汽车技术发展及应用现状
§1.2.1 燃用 LPG 发动机的特点
燃用LPG的发动机采用了与汽油不同的燃料供应方式，可以是气态或者液态
方式。再加上LPG与汽油不同的燃料物理和化学性质，使得燃用LPG的发动机具有
与普通汽油发动机不同的特性。下面从燃料供应、经济性、排放、动力性、点火性能
等方面对LPG发动机的特点进行阐述[24,35,36]。
1、燃料供应
LPG的燃料供应分为气态和液态、电控和非电控等不同方式。采用气态喷射的
方式能实现空燃比的精确控制，它的缺点是不能对动力性下降取得根本性的改观，
但是其经济性和排放性价值客观，同时我们采用闭环控制的方式进行实时的在线
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LPG 燃气共轨电控喷射阀的开发与测试研究
补偿，通过各个传感器的参数实时进行修正，也能对动力性的下降进行一定的改
善，因此综合考虑各项因素，我们在设计中采用了LPG的气态电控喷射方式。
2、经济性
LPG的单位质量低热值较汽油高，而且可在常温下储运，很适合汽车使用。
前几年由于LPG价格低廉，燃油费用较汽油低，经济性成为LPG发动机的重要优
点。
LPG的经济性还体现在它的高辛烷值上，LPG辛烷值为100-110之间，抗爆性
能好，能提高发动机压缩比而获得较高效率。同时由于LPG与空气混合充分，燃
烧完全，燃烧室内积碳极少，保养时清理积碳作业量较少。进气通道和气缸内无
燃料及燃烧产物冷凝物，因而气缸壁和活塞表面的油膜不会被冲刷，机油盘内机
油不会被稀释，从而可以减少气缸和活塞组零件的磨损，提高其寿命。同时可延
长机油使用期限，减少机油耗量。
3、排放
低污染排放是LPG发动机的重要优点，也是目前发展LPG发动机的根本依据
所在。据Texas A&M大学的研究者试验，污染排放量低于美国联邦车辆排放标准，
在试验中NMHC(非甲烷碳氢化合物)、 及 等指标达到或接近加州大气保护
局(CARB)制定的极低排放标(ULEV)(除了 以外，其他指标均好于汽油)。
Sierens R, LuhmanD J 等人的研究表明LPG汽车能达到极低的污染排放量，另外的
一些研究结果表明比燃用汽油时有显著改善。根据国内学者的研究，采用电控喷
射方式LPG发动机或汽车能达到欧Ⅲ排放标准，经过我们最终系统装车调试成功
后所做的排放实验来看，确实达到了欧Ⅲ的排放标准。
4、动力性
汽油发动机改燃用LPG之后，动力性下降一度被认为是最大的问题，其主要
原因是燃料以气态方式供应致使充气效率下降。有研究者对不作任何改进的原机
燃用LPG，其最大功率下降13.7%，采用改进措施后动力性下降约5%。要根本性地
解决动力性下降问题，可以采用两种方式：一种是采用缸外进气道液态喷射，其
动力性与燃用汽油时相当；另一种方式是采用缸内直接喷射。在课题的系统中采
用的是缸内直接喷射方式。
5、点火性能
LPG比汽油着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量和较大
的点火提前角。
§1.2.2 国外 LPG 燃气汽车技术发展及应用现状
目前，世界上使用较多的是汽油/液化石油气两用燃料驱动汽车，驾驶员可
通过转换装置选择液化石油气或者汽油进行驱动。在汽车上燃用液化石油气，可
以将液化石油气气化后直接供给内燃机，原来的燃油系统予以保留。液化石油气
汽车的关键技术就在于液化石油气在汽车上的气化喷射控制技术。液化石油气汽
车技术也在随着汽车技术的进步而进步，目前己经发展到第三代。
第一代液化石油气汽车的气化系统是同化油器式发动机配套的，它通常由电
动机械开关、液化石油气调节器以及使液化石油气和空气充分混合的混合器组成，
混合器通常连接在一个标准化油器上。
第二代液化石油气汽车的气化系统是同电子控制燃油喷射式发动机配套的，
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第一章 绪论
它除了具有第一代气化系统的各个部件外，还增加了一个微电脑控制器，从而可
以根据发动机转速、负荷和废气中氧的含量及其他一些参数调节可燃混合气成分，
使发动机的性能得到改善。
第三代液化石油气汽车的气化装置较为先进，它的特征是电子装置控制的多
点顺序喷射系统，对应于电子控制多点汽油喷射。电子控制装置根据发动机转速、
负荷和废气中的氧的含量及其他一些参数精确调整可燃混合气成分和点火提前角，
使发动机的性能大大改善[4~6]。
目前，由于国外很多国家的石油价格居高不下，因此LPG燃气汽车在国外的
发展非常迅速，保有量也在持续增长。在目前各个国家普遍采用的多点顺序喷射
电控系统中主要关键技术有两个：一个是电控单元ECU的开发，它是整个系统的
大脑，它的功能的强弱决定了整套系统的运行效率和稳定性；另一个是燃气共轨
电控喷射阀，它是目前该系统中的一个易损件，如果说ECU是该系统的大脑，那
它就是该系统的双手，如果它不够灵活，不能很好的响应ECU的指令，那么纵使
再聪明敏捷的大脑也不能做出巧活。本课题集中要攻克的就是第二个难关——如
何设计制造出高质量的、能和ECU灵活配合的LPG燃气共轨电控喷射阀。
国外该系统的著名制造商主要有意大利的Landi Renzo、LOVOT、TATARINI，阿
根廷的BUGATTI等公司，他们系统都各有优势，有的ECU做的好，有的减压阀做的
好，有的燃气共轨喷射阀做的好，但就整系统讲，意大利Landi Renzo的系统的
稳定性和经济性是比较好的，受到行业内的一致认可，但是其系统价格很昂贵。
就性价比和在中国市场来讲，做的最出色和占市场份额最大的是意大利的LOVOT。
其中燃气共轨喷射阀的性能和质量做的最好的当属Landi Renzo。
图1-1 意大利Landi Renzo 燃气共轨电控喷射阀
目前，国外大多数的燃气共轨喷射阀大都与意大利Landi Renzo一样采用铁
铝合金作为磁性材料来设计制作。如图1-1所示是Landi Renzo的一款四缸顺序喷
射阀的产品实物图（附带双压力传感器），其性能（表1-1）和质量水平均代表
了目前世界同类产品的最高水平，但是价格昂贵，是国内同类产品的6～7倍，大
概在1400元人民币左右。
表1-1 意大利Landi Renzo燃气共轨电控喷射阀主要技术参数一览表
性能指标 意大利Landi Renzo 燃气共轨喷射阀
电压值DC 12V
动态流量标准空气1公斤压差，频率25Hz，流量每小时1.5
m3
各喷口流量一致性误差 ±5%
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LPG 燃气共轨电控喷射阀的开发与测试研究
最大工作压力 1Kg
开启时间 1.6±0.1ms
响应频率≤150Hz
工作温度-40℃～120℃
适用系统 LPG 液化石油气燃气系统
§1.2.3 国内 LPG 燃气汽车技术发展及应用现状
我国自1998年成立《全国燃气汽车协调领导小组》以来，燃气汽车的开发、推
广、普及取得了明显的进展。目前全国己改装各种压缩天然气汽车、液化石油气汽
车100,000多辆，建设加气站200多座。同时全国《汽车标准化委员会燃气汽车技术
分委员会》己经成立，并已发布了10多项国家标准和行业标准，科研工作也取得
了较大进展，汽车行业几大骨干企业也相应开发了燃气汽车产品，并形成了一定
的生产能力，燃气汽车的检测试验评价能力也已初具规模。
长春第一汽车制造厂、湖北东风第二汽车制造厂等企业都已经对某些车辆进
行了改装。目前东风爱丽舍的LPG/汽油两用燃料汽车已经成功上市，标志着我国
整车市场已经开始向这个趋势发展。
国内生产和制造该套系统的厂商主要有重庆鼎辉和温州克罗特两家企业，另
外还与许多经销商也在做该系统，但他们只是东拼西凑来搭建这套系统，没有自
己的技术和生产在里面，基本上代理销售国外的产品。
目前该系统中的电控单元ECU设计和燃气共轨喷射阀设计是国内生产该系统
的两大技术难题，由于掌握不了该系统中的核心技术，因此国内无法自己设计制
造出高质量高性能的LPG/汽油两用燃料系统。目前，国内有些厂家生产的燃气共
轨电控喷射阀质量性能差，使用寿命短，唯一的优势是价格低，基本上在200～
300元人民币之间。由于它的性能质量差，导致整套系统的耗气量大，排放也没有
达到设计要求，达不到真正的节能减排的目的。同时，由于该燃气共轨的产品测
试和试验方法我国没有一个标准的技术法规来明确规定，因此国内大多数厂商都
是自定标准，产品出厂检验没有严格的产品质量测试程序，导致产品质量达不到
设计要求。
本课题来设计生产的LPG燃气共轨电控喷射阀及其相应的测试和试验装置，
就是要尽量做到产品的规范化，设计生产出达到国外领先水平的产品，同时成本
价格要比他们低30%～40%的系统。
§1.2.4 目前燃气汽车技术上存在的问题和以后的发展方向
1、汽车使用液化石油气后，由于气体燃料和液体燃料的物理和化学性质的不同，
如不采取有效措施，功率会下降 10%～20%，发动机输出扭矩、汽车最高车速以及
加速性、爬坡性都相应降低。
2、使用气体燃料与汽油和柴油不同，发动机气门和气门座得不到润滑，会造成气
门、气门座以及活塞组件的磨损，同时也会影响到燃料供给系统的可靠性，降低
燃气控制系统的性能。
3、目前的燃气汽车大部分是在原有汽油车的基础加装一套燃气系统，毕竟原车的
发动机的各项参数是为汽油设计的，只有真正为LPG 设计专用的燃气发动机才能
从根本上解决前面提到的两个问题。
4、燃气共轨电控喷射技术的研究还有待进一步发展和完善，其中关于燃气共轨喷
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第一章 绪论
射阀的各项性能指标和测试指标国家要尽快完善相关方面的标准的制定，尽快与
国际接轨。同时从提高响应速度和精度和使用寿命等方面做好深入研究工作。
5、要尽快加紧单燃料燃气发动机的开发工作，从提高燃料的燃烧效率和发动机的
工作效率、降低污染物的排放量等方面开展研究工作，尽快完善相关领域的各项
标准和法规的制定，为燃气汽车的发展提供一个良好的环境[37]。
§1.3 本课题研究内容及意义
§1.3.1 本课题的研究意义
同汽油或柴油相比，车用燃气具有三个明显的优势。一些燃气汽车发展较快的
国家，如意大利、荷兰等，最初发展燃气汽车的出发点都是基于：降低车辆尾气
排放、减少城市大气污染和调整能源消耗结构、优化能源发展战略两个目标。
1、能源利用的可持续性
燃气汽车有利于平衡能源消耗结构，保障国家发展的能源安全。
2、尾气排放
燃气汽车有助于降低车辆尾气排放。
3、车辆运营成本
适当的政策环境与能源状况下，燃气汽车可以降低车辆的运营成本。
§1.3.2 本课题研究的主要内容与关键技术
一、本课题研究的主要内容
在通过对 LPG 燃气共轨电控喷射系统的工作原理和特点了解的基础上，结合
汽油发动机的工作原理和工作过程，分析出如何正确合理的将 LPG 燃气共轨电控
喷射系统加装到目前的汽油发动机上，并使两套系统具有良好的兼容性。同时根
据系统的工作原理明确设计要求，然后进行 LPG 燃气共轨电控喷射阀的设计开发。
最后根据 LPG 燃气共轨电控喷射阀的各项性能指标设计合理的测试方案，进而 设
计相应的测试装置和环境试验方法，并最终进行整车安装和调试。
本文内容分为五部分，分别从理论和应用角度对本课题的内容进行了阐述。
1、讲述了课题的背景来源，燃气汽车相关技术的国内外发展现状，目前存在的问
题和以后的发展方向等内容。
2、对 LPG 燃气共轨电控喷射系统的工作原理进行分析，从系统整体的角度出发进
行了功能原理介绍和技术分析。
3、LPG 燃气共轨电控喷射阀的设计开发，从磁路设计、机械结构设计和加工工艺等
方面对燃气共轨电控喷射阀的设计进行阐述。
4、LPG 燃气共轨电控喷射阀的测试装置和环境试验方法的研究，对燃气共轨电控
喷射阀的各项性能的测试方法及测试装置进行了研究和设计，并介绍了环境试验
方法。
5、LPG 燃气共轨电控喷射阀的整车装配及样车调试，介绍了整车的安装调试方法
及实验结果。
二、本课题的关键技术
1、熟悉汽油发动机电控系统的工作原理和 LPG 燃气共轨电控喷射系统的工作原理，
以及实现用LPG 燃气共轨电控喷射系统来合理地替代原车上的汽油发动机的电控
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LPG 燃气共轨电控喷射阀的开发与测试研究
系统，并实现两者之间的平稳过渡和良好的兼容性。
2、在 LPG 燃气共轨电控喷射阀的设计、加工和装配过程中，提出多种设计技巧和
方法，降低加工难度，增加了产品的实用性。
3、根据 LPG 燃气共轨电控喷射阀的各项设计指标提出相应的测试项，并针对不同
的测试项提出相应的测试方法，设计了动态铁芯行程测试装置和燃气气体流量测
试台，提出了电磁阀动态响应特性的测试方法。
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第一章绪论第一章绪论§1.1选题背景在我国，与汽车工业相关的能源与环境问题比较突出。汽车每年约消耗我国汽油总产量的85%，柴油总产量的20%。而我国2000年原油进口达7000万吨，及海湾战争对油价的影响，说明国内油品对国际市场具有较大的依赖性。所以发展代用燃料汽车，关系到国家能源结构调整和能源战略安全。汽车尾气排放是大气主要的污染源之一，世界各国为此加强了对汽车尾气污染的治理。90年代以来，我国汽车保有量快速增长，到2005年底国内民用汽车保有量达到2500万辆。国内汽车在大中城市形成高密度的集中，成为大气的首要污染源。如北京市目前机动车对大气污染的分担率和分别为78%和41%，二环以内更是...
作者：陈辉
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