LPG汽车燃气电控喷射单元的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 3.39MB 62 页 15积分

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章  绪论..............................................................................................................1
§1.1  选题背景....................................................................................................1
§1.2  国内外燃气汽车技术发展及应用现状....................................................2
§1.2.1 汽车排放标准的提高与气体燃料的优势..........................................2
§1.2.2 燃气汽车存在的问题..........................................................................3
§1.2.3 国外燃气汽车技术发展及应用现状..................................................4
§1.2.4 我国燃气汽车技术发展及应用现状..................................................6
§1.3  本课题研究内容及意义............................................................................6
§1.3.1 研究内容..............................................................................................6
§1.3.2 研究意义..............................................................................................7
第二章  LPG发动机燃料供给系统的构建和整体设计............................................8
§2.1  LPG发动机燃气供给系统的结构..............................................................8
§2.1.1 燃气供给方式的比较和选择..............................................................8
§2.1.2 燃气供给系统的设计和实现..............................................................9
§2.1.3 燃气供给系统主要部件及功能简介..................................................9
§2.1.4 LPG发动机燃气供给电控喷射方式及特点......................................12
§2.2  空燃比与发动机的关系..........................................................................13
§2.2.1 空燃比与发动机性能的关系............................................................14
§2.2.2 普通汽油发动机对空燃比的要求....................................................14
§2.2.3 LPG理论空燃比的计算......................................................................15
§2.3  系统控制策略的选择..............................................................................17
§2.3.1 发动机进气量的测量方法................................................................17
§2.3.2 LPG喷射系统控制策略......................................................................18
§2.4  本章小结..................................................................................................19
第三章  LPG发动机控制系统设计..........................................................................20
§3.1  LPG电喷控制系统方案设计....................................................................20
§3.2  LPG发动机空燃比控制策略及仿真........................................................21
§3.2.1 空燃比开环控制设计与仿真............................................................22
§3.2.2 空燃比闭环控制设计与仿真............................................................24
§3.3   LPG电控发动机点火控制系统的设计..................................................27
§3.3.1 喷射量控制模型................................................................................27
§3.3.2 点火控制系统的设计........................................................................29
§3.3.3 影响点火提前角的因素....................................................................30
§3.3.4 最佳点火提前角的确定与控制........................................................32
§3.4  本章小结..................................................................................................34

第四章  LPG发动机电子控制单元的硬件设计......................................................36
§4.1  LPG电子控制单元的总体设计........................................................................36
§4.1.1 微处理器的选择..........................................................................................37
§4.1.2 电控单元功能模块设计............................................................................38
§4.2  信号处理电路设计............................................................................................40
§4.2.1 双压力传感器...............................................................................................41
§4.2.2 氧传感器........................................................................................................43
§4.2.3 节气门位置传感器......................................................................................45
§4.3  执行机构驱动电路设计...................................................................................46
§4.3.1 喷气嘴驱动电路设计.................................................................................46
§4.3.2 点火驱动电路设计......................................................................................47
§4.4  抗干扰系统设计.................................................................................................48
§4.4.1 控制系统的主要干扰因素........................................................................48
§4.4.2 硬件系统抗干扰设计.................................................................................49
§4.5  本章小结..............................................................................................................51
第五章  LPG发动机电子控制单元的软件设计......................................................52
§5.1  主控程序设计.....................................................................................................52
§5.2  燃气喷射模块介绍............................................................................................53
§5.3  各种工况子程序介绍........................................................................................56
§5.3.1 起动模块设计...............................................................................................56
§5.3.2 怠速模块设计...............................................................................................57
§5.3.3 加减速模块设计..........................................................................................57
§5.3.4 中断子程序模块设计.................................................................................58
§5.4  系统调试与标定.................................................................................................58
§5.5  本章小结..............................................................................................................60
第六章  总结与展望................................................................................................61
附  录........................................................................................................................63
参考文献....................................................................................................................65

第一章绪论

随着世界汽车保有量的迅猛增长，日益严重的环境污染和连绵不断的石油危机

迫使人们对汽车的排放控制和节能要求日趋严格。因此，由于能源和环境的双重压

力，特别是排放法规日益严格，代用燃料汽车技术也得到了飞速发展。

燃气的应用主要是液化石油气（Liquefied Petroleum Gas,LPG），它以其经济

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。所以对气体燃料发动机清洁燃烧技术的研究显得非常重要，而对发动

机本体结构的改造已难以实现更清洁的排放，所以对燃用LPG的发动机需要采用电

控技术优化控制燃烧过程，达到低污染排放、低燃料消耗率等目的[1]。

§1.1 选题背景

近年来，我国汽车工业得到了快速发展，石油资源的合理应用与环境保护问题

成为新世纪面临的重要问题，激励着汽车高新技术的不断创新与进步。在这个大环

境下，为了满足世界范围内越来越严格的排放法规要求，节约日益短缺的石油资源

寻找替代燃料是一种有效的解决办法。因此，研究与开发气体燃料汽车成为当今重

要的研究领域。

随着世界经济的高速发展，国内外经济竞争越来越激烈，为了经济的发展有时

甚至以牺牲环境为代价，这就造成了环境的日益恶化，好在该现象已经引起了世界

各国的重视。现在世界各国都以汽车发动机和空气质量为主题，深入研究汽车排放

污染可能给公众健康带来的危害。据国外最新研究表明：在西方工业发达国家的大

中城市大气污染中，大约54%的CO、28%的HC和41%NOx均来自汽车尾气[2]。尤其

是城市，由于人口稠密又缺乏绿化，而汽车排气口一般离地六七十公分，低空排放

的废气恰好处在人的呼吸带上，各种有害物质经由呼吸系统进入人体，对人体危害

很大，其中有些物质是致癌的，直接威胁人的生命。我国大气污染问题也很严重，

国际权威机构的报告表明，目前世界上空气污染最严重的十个城市中有七个就在中

国。近几年来，我国主要大城市机动车数量大幅增长，但由于我国机动车污染控制

水平低，只相当于70年代中期水平，单车污染排放水平是日本的10至20倍，美国的

1至8倍[3,4]。

基于环境保护的压力和人们对改善生存环境，提高生活质量的渴望，目前世界

各国，特别是发达国家的排放法规越来越严格，已达到欧4水平。随着我国汽车保

有量的快速增长，其污染问题在一些大城市已日趋严重，而采用LPG作为燃料可有

效降低汽车尾气中的有害成份，是控制大气污染的有效措施。我国已正式启动空气

净化工程——清洁汽车行动。据报道，我国己经制定了环保车用动力发展蓝图。第

一步是推广燃气动力；第二步是推动混合动力的发展；第三步是加大氢动力研发，

促进电动力技术的发展。因此，一方面我们要加紧利用技术提高传统内燃机的经济

性、动力性，并减少有害排放；另一方面应加大天然气汽车研发推广力度，维护我

国的能源战略安全，推动我国汽车工业及环境保护的可持续发展。

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LPG 汽车燃气电控喷射单元的研究

§1.2 国内外燃气汽车技术发展及应用现状

§1.2.1 汽车排放标准的提高与气体燃料的优势

欧盟国家一直在努力为减少汽车尾气排放污染，保护大气环境而采取的各项措

施。推广高效、低耗和低污染的“清洁汽车”，成为近年活动的焦点。欧洲各国

一面不断升级汽车尾气排放标准，一面大力宣扬新的城市交通观念。因此，欧盟从

减少汽车油耗和降低尾气污染着手，通过制定法律限制有害气体排放，不断改善城

市环境污染。

近日，欧洲议会又通过了有关新的汽车排放标准：欧5和欧6标准。这意味着欧

盟将进一步提高对于汽车排放量的限制，尤其是碳氢化合物和氨氧化物的排放。汽

车排放物已经是城市空气污染的主要源头。为改善欧洲各个城市的空气质量，欧盟

在2005年1月1日刚刚推行了欧4排放标准之后，又制定了更加严格的欧5和欧6排放

标准。欧5和欧6排放标准大幅度提高了对轿车和客车在碳氢化合物和氨氧化物排放

量方面的要求。欧5标准要求从2009年9月起，所有在欧洲销售的汽油和柴油车必须

加装三元催化器，现有的汽油、柴油车可以在2011年1月之前改装完毕。欧6标准将

于2014年起实行。

我国从1981年开始制定汽车排放标准，1983年发布了汽油车、柴油车和柴油机

的排放标准GB3824-3847-83，为了进一步降低汽车尾气污染，1993年重新制定了

排放标准体系，1995年颁布了对25项强制检测项目的规定；之后逐渐形成了适合国

情的汽车排放标准体系，现行的汽车污染物排放标准总体上在向欧洲法规靠近，排

放的测试规程也采用15天工况实验，GB14761，I-2001相当于欧洲I排放标准，

GB14761，II-2001相当于欧洲II排放标准。因此，我国在汽车尾气排放标准上与欧

盟标准存在很大的差距，所以开发新能源汽车和采取相关措施来缓解汽车尾气排放

对环境造成的污染显得极其重要。

燃气汽车在发展初期是以气代油，为了解决能源短缺，改善能源结构，随着各

国政府对环境问题的重视，推广燃气汽车的主要目的变为减少环境污染，改善大气

环境。液化石油气和天然气汽车总排放比普通燃料低，排放数据根据车辆及车型的

技术参数有所变化，燃气汽车悬浮物排放比柴油车低40倍，液化石油气汽车的甲醛

和其它有害气体排放比其它燃料低，对臭氧层的潜在破坏减少50%。液化石油气是

清洁的车用代用燃料，有助于解决全球气候异变，提高空气质量，保护人类健康。

澳大利亚液化石油气协会的研究报告表明，液化石油气与汽油相比，减少了对臭氧

层的破坏，温室效应和有毒气体。与柴油相比，HC和NOX均有明显降低。

发展燃气汽车是实现汽车工业持续发展的重要途径，并且具有广阔的市场前景

和社会效益。石油资源是汽车常规燃料，具有能量密度高、安全性好、储运方便等

优点，但限于其资源有限，因此研究节能汽车和积极采用新能源作为汽车动力源已

成为全世界汽车工业技术开发的新热点。目前国际原油市场剧烈动荡，使得液化石

油气的开发利用更显迫切，而且大规模开发利用液化石油气，将有利于弥补我国石

油需求缺口，成为我国石油战略安全的重要组成部分。

§1.2.2 燃气汽车存在的问题

1、发动机动力性能有所下降

发动机输出多大功率，主要取决已进入气缸的混合气的多少。对于混合气式的

- 2 -

第一章绪论

LPG供给系统，由于LPG的沸点低，在0度以下，在进气管中已物化好，因此占用

了进气道空间，使进气量减少，而汽油常压沸点130度-150度，在进气管中基本没

有物化，所以新鲜空气气量较多。其次，气体燃料分子的分子量小，理论空燃摩尔

比小于汽油，同体积的理论空燃比预混合气中，气体燃料的体积比例要大于汽油所

占体积比例，导致了气体燃料发动机的充气系数下降，并且单位体积LPG预混合气

的热值小于汽油预混合气，LPG火焰的传播速度慢，导致发动机输出功率降低。因

此，LPG汽车的动力性要降低8%左右。

2、火焰传播速度慢，着火温度高，冷起动性能差，加速性能差

LPG 的汽化潜能比汽油高30%，导致在相同的压缩比下，燃用LPG发动机

内的压缩终点附近的温度和压力比燃用汽油时下降。对于采用混合气时燃料供给系

统的LPG发动机，由于LPG占去了一部分进气空间，使实际进入气缸的空气量减少

所以LPG发动机气缸内压缩终点的温度进一步降低。其次，LPG的活化性能较高，

所以其层状火焰的传播速度比汽油要慢，燃烧时间增加，同压缩比下，LPG和汽油

的缸内最大燃烧速度之比约为14:18，这对燃烧特别是稀薄燃烧的影响很大，如仅

从这一因素考虑，燃用LPG时点火时间要比燃用汽油时提前。另外LPG辛烷值比汽

油高，着火温度比汽油高200度以上，这就要求的点火能量也比汽油大，虽然一般

汽油机的火花塞能够满足要求，但是这些因素导致发动机着火性能显著变差，表现

为冷起动性能差、加速性能差。

3、气体的比热能量小，续驶里程短

相对于汽油，LPG的辛烷值较高，因此可用提高压缩比的方法部分恢复功率

(对汽油一LPG双燃料汽车而言，由于受恢复使用纯汽油时爆震压缩比的限制，这

一点无法做到)。由于气体燃料的比热能量小，在相同燃料箱容积下，LPG汽车的

续航里程约为汽油车的80%。

4、燃料供应的基础设施方面

由于LPG ,CNG需要存放在压力容器中，所以加气站的造价比加油站高，并且

天然气的饱和蒸汽压力远高于石油气，相应设备的强度要增加，CNG加气站的造

价要远高于LPG加气站。车用CNG和LPG燃料的基础设施还不完善，建设符合安全

标准的车用气体燃料加气站尚需大量投资。所以，从现有的燃料配套基础设施来看

气体燃料的供应性不如汽油和柴油，但随着气体燃料的发展，这种情况会得到改善

§1.2.3 国外燃气汽车技术发展及应用现状

燃气汽车在全球受到普遍重视和开发应用是在80年代。由于经济的高速发展，

汽车保有量的迅速膨胀，造成了全球性石油危机和大气污染，引起了各国尤其是工

业发达国家的高度重视，一些世界知名的汽车公司如福特、通用、丰田、克莱斯勒

大众、菲亚特等都加入了开发行列，进行了大量的研制工作，并已具备了较为成熟

的技术，可以根据用户的需求生产单燃料和双燃料汽车[5]。

根据气体燃料资源的情况，世界各国燃气汽车总的发展趋势是从LPG汽车开始

先从公用车辆如出租车、公共汽车、政府机关的汽车改起，再向其它燃料和车辆推

广，私人车辆推广的最晚。

各国政府为推广CNG和LPG汽车的使用，出台了一系列税收减免、金融资助

和贷款等优惠鼓励政策，为燃气汽车的发展创造了有利条件[6]。意大利现有运行汽

车2000多万辆，其中就有约10%左右改装成LPG或CNG双燃料汽车；在日本的出租

车中，LPG车比例高达94%，日本还在市区短途载重汽车、厢式汽车、垃圾车以及

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LPG 汽车燃气电控喷射单元的研究

其他专用车上推广应用；在荷兰，很多人把刚买回来的宝马、奔驰改装成双燃料汽

车，荷兰还开发了燃气汽车专用的催化器。据不完全统计，目前世界上约有30多个

国家在应用LPG汽车，保有量约为600万辆，LPG加气站约为2.3万座，并且每年以

5%的速度递增。

随着世界各国汽车排放法规的不断严格，液化石油气汽车对排放的控制技术也

越来越成熟，经过几十年的发展，总体来说，大体经过了三个阶段：

第一阶段 20世纪70年代时，LPG技术常见于在原汽油车或柴油车基础上加装

一套LPG供气系统而成为双燃料汽车，主要是为了解决加气站不足的矛盾。LPG供

气系统一般由一个LPG蒸发调压器、混合器、LPG电磁截止阀、LPG气瓶、过滤器

和燃气转换开关等元件组成，技术要求低，是改装成LPG车的最简单的形式。与汽

油车相比，有一定的排放改善效果，但动力损失大，且同样存在混合气各缸分配不

均匀，空燃比调节精度差的缺点，其排放水平尚达不到欧洲1号法规的标准。

第二阶段随着世界各国对汽车排放的限制越来越严格，普通LPG汽化系统已

很难满足排放上的要求。为此，出现了LPG闭环电控供气技术，即在混合器前安装

由步进电机控制的节流阀，在排气系统中安装氧传感器，根据反馈信号进行闭环

控制，可以比较准确地完成对LPG进气量的计量，其控制精度高于第一代产品。

这一代产品常匹配三元催化器，排放水平可达到欧洲1号和欧洲2号法规的标准，动

力性也比第一代略有提高。目前第二代技术多采用双燃料形式。

第三阶段 LPG汽车的第三代技术是将汽油喷射技术与LPG供气系统相结合，

形成由电控单元(ECU)控制的LPG喷射系统，ECU根据发动机转速、负荷和排气中

氧的含量等参数的变化，自动调整供气量，使得对发动机空燃比的控制更加精确。

安装三元催化器后，较同等水平的汽油机有害污染物排放下降10%-20%。这一代技

术有多种形式(单点喷射、多点喷射、气态喷射和液态喷射等)，且以单燃料汽车为

主，排放性能可达到欧洲3号、欧洲4号法规的限值，甚至达到美国加州超低排放标

准，其动力性与汽油车和柴油车接近。

近几年来，国外天然气汽车技术发展较快，不仅在动力性和燃料经济性方面

有显著提高，而且在排放性能方面己列入“绿色汽车”行列，技术已经比较成熟。

最近日本本田汽车公司推出的CIVIC系列天然气汽车的CO, NOx和HC排放量比

1997年美国联邦政府规定的标准低60倍，比世界最严格的加州标准低10倍，而且仍

保持良好的汽车使用性能；美国已实现电控缸内喷气技术，如西南研究院研制的

HDDGE重型天然气发动机以及CUMMINS的C系列电控进气道单点喷气增压中冷天

然气发动机。又如哥伦比亚大学底特律柴油公司(D.D.C) 的DDEC电控泵喷嘴改制

成天然气——柴油双燃料喷射的电控缸内喷气系统等。

总体而言，世界上技术比较先进的燃气设备公司主要集中在意大利、美国和

荷兰等一些发达国家，如意大利的LANDI RENZO,LOVATO, BRC, TARTARINI公司

美国的IMPCO公司，荷兰的VIALLE, AG公司等。其中荷兰的VIALLE公司已能生

产液态喷射LPG装置。

§1.2.4 我国燃气汽车技术发展及应用现状

相对于国外天然气汽车技术发展，国内在该技术领域起步较晚。我国从1999

年开始推行“中国汽车清洁行动计划”，其目的就是为了降低汽车排放对大气的污

染与减少温室效应、促进多元化的汽车能源结构的形成和促进国民经济的快速、健

康和持续发展。经过近几年推广，截止2006年底，“十五”重点推广应用城市燃气

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论..............................................................................................................1§1.1选题背景....................................................................................................1§1.2国内外燃气汽车技术发展及应用现状............................................

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