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1、1液化石油气摩托车发动机排放性能研究李理光 王惠萍 邓宝清 肖宗成 刘巽俊（吉林大学汽车工程学院）李官祥 苏伟 谢洪(中国嘉陵集团)摘要：本文主要介绍了液化石油气发动机台架排放性能试验研究的结果，对影响液化石油气发动机排放指标的主要参数过量空气系数与发动机排放之间的关系进行了详细研究。通过开发一种易于控制空燃比的液化石油气混合器，使得液化石油气发动机在动力性达到原汽油机 95%的条件下，HC 和 CO 排放指标显著优于汽油机水平,并且整车排放达到欧标准。关键词：摩托车；排放性能；液化石油气引言汽油机采用液化石油气（LPG）为燃料是改善发动机排放性能的有效措施之一，这一研究正在成为新的研究热点
2、1,2,3,6,7 。LPG 发动机在保证有足够的动力性的前提下，如何简便而又合理地控制空燃比达到良好的排放性能是技术要点。普通的文丘里管式的混合器不如空燃比电控技术，兼顾动力性能和排放性能比较困难。电控喷射虽然能把动力下降限制在 5%10% （5） ，空燃比控制较好，排放性能也好，但是成本增加较多，较难在小排量发动机上推广。本文的工作是对过量空气系数 a 与 HC、CO、NO X 排放之间的规律进行了试验研究，针对小排量 LPG 发动机开发了一种比例式混合器通过对 a 的合理控制，保证动力性下降 5%以内的条件下，取得了较好的排放性。1.试验条件与仪器设备 试验用发动机是在 125mL 化油
3、器四冲程水冷顶置气门汽油机基础上去掉汽油机燃料供给系，加装 LPG燃料供给系改装而成。汽油机主要性能指标和结构参表 1 汽油机技术参数表Table 1. The specification of the test engine数如表 1，试验用主要测试仪表列于表 2。LPG 燃料供给系主要由 LPG 储罐、组合阀、电磁阀、调压蒸发器和混合器等组成（图 1） 。表 2 主要测试仪表Table 2. The primary instruments in test仪器名称 型号或型式 产地测功机 CW-10 洛阳 南峰废气分析仪 FGA4015 广东 佛山燃气流量计 容积式 自制油耗仪 容积式 自制
4、图 1 试验台架示意图Figure 1. The sketch map of test system测功机 LPG 储罐 组合阀 电磁阀调压蒸发器 混合器 空气滤清器 发动机2 试验及结果分析试验工作是利用文丘里管式混合器，通过手动流量调节阀来控制空燃比完成的。过量空气系数 a值是利用五气体成分分析仪测得。LPG 流量是利用作者自行开发的肥皂泡式低压差流量计测得的, 其原理是根据常温常压下消耗一定容积的气体所需的时间来计算出 LPG 气体的流量，从而计算出 LPG 消耗排量/mL S/mm D/mm c125 57.8 52.4 10.3Pe/Kw/nP/ r.min-1 Ttq/N.m/nT
5、/r.min-16.5/7500 9.5/60002率。2.1 过量空气系数对排放的影响2.1.1 过量空气系数 a 对 HC 排放的影响图 2 是 LPG 发动机 HC 排放体积分数 HC随过量空气数 a 的变化曲线。由图 4 中可以看出，无论发图 2 LPG 发动机 HC 排放与过量空气系数 a 的关系Figure 2. The HC emissions( HC)versus excess air ratio a of LPG engine动机转速和负荷如何，当 a=0.751.3 之间时，HC 排放都比较低而且变化不大。这是因为 LPG 是气态燃料它与空气混合比较均匀，火焰传播比较稳定、
6、燃烧极限范围较宽，可以使混合气能够更完全地燃烧，因此使用 LPG 时对应低 HC 排放的 a 范围相当宽。同时由于其分子量较小，使得造成 HC 排放的激冷效应、缝隙效应等减少，因此燃用 LPG 燃料在同等条件下可以比燃用汽油减少 HC 排放物的生成。由于 a1.35 时混合气过稀，容易导致发动机缺火，并随 a 的增大失火率增大，会导致大量燃料无法燃烧而直接排出气缸，使得 HC 排放迅速恶化。a1，LPG 发动机会获得较低的 CO 排放特性。图 4 LPG 发动机 NOx 排放与过量空气系数 a 的关系Figure 4. The NOx emissions ( NOx)versus excess
7、 air ratio a of LPG engine2.1.3 过量空气系数对 NOx 排放的影响图 4 是 LPG 发动机 NOx 排放体积分数 NOx与过量空气系数 a 的变化曲线。可以看出，全负荷时当 a 在 11.1 之间的略稀的混合气时，NOx 的排放超过了 510-3，a 在 0.951.2 之间时，NOx的排放都在10 -3以上。部分负荷时， NOx 高峰也对应同样的 a 范围，但 NOx的绝对值比全负荷时低，这是因为部分负荷的燃烧温度要比全负荷时低的缘故。可见要减少 NOx 的排放 a 应当控制在0.951.2 以外。2.2 过量空气系数对动力性的影响图 5 表示 LPG 发动
8、机不同负荷是转矩 Ttq 随过量空气系数 a 的变化曲线。转矩的峰值出现在a=0.90.95 之间，当 a=1.2 时转矩下降达 25%之多。因此在发动机的外特性上，应当是把动力性作为第一控制目标，排放次之，即应当控制 a 在0.90.95 之间，以满足动力性的要求。在中小负荷时，可以根据发动机的实际排放问题控制 a。以解012345678.60.70.80.911.1.21.31.41.51.6 a HC10 4 20%负 荷 30r.min-1 40%负 荷 40r.min-10123456789.70.80.911.1.21.31.41.5 a CO100123456.60.811.21
9、.41.6 a NOx10 3 10%负 荷50%负 荷3燃 气 入 口空 气 入 口 节 气 门决 CO 为主时控制 a 在 1.2 附近，这时既可以获得较低的 CO 排放，同时又可以获得较小的 HC 排放。此时由于存在由稀混合气向浓混合气的过渡区，NOx排放会不太理想。如果以解决 NOx 排放为主时控制a 在 0.91，或者可以再浓些，发动机全在浓混合气区内工作，没有生成高浓度 NOx 的条件，因此总的 NOx 的排放量会降低。图 5 转矩与过量空气系数的关系(6500r.min -1全负荷)Figure 5 The torque (Ttq) versus excess air ratio
10、 a in LPG engine(6500r.min-1 ,full load)2.3 小结过量空气系数 a 与 LPG 发动机的动力性与排放性能关系密切:a1 时 LPG 发动机的 CO 排放体积分数低于0.5%。a 控制在 0.751.35 之间，LPG 发动机的HC 的排放体积分数可以控制在 310-4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 发动机发出最大转矩。3 比例混合器的试验特性根据以上研究与分析，我们开发了图 6 所示的便于控制空燃比的比例混合器。利用该混合器实现对 a 的真空自动控制，以实现动力性、经济性和排放性能
11、的综合优化。图 6 比例混合器结构示意图Figure 6. The proportional mixer for LPG engine其工作原理是节气柱塞在膜盒内真空度的作用下向上运动时，带动燃气入口阀门运动。这样空气量增加的同时燃气量也按比例增加，通过合理的设计燃气入口阀门的尺寸，就能实现对过量空气系数a 控制。柱塞膜盒内的真空度受发动机负荷和转速的影响，因此该混合器就能针对发动机不同的负荷和转速得出合适的过量空气系数 a。图 7 LPG 发动机与汽油机全负荷特性对比Figure 7. The Comparison of full load characteristic between LP
12、G and gasoline 图 7 是优化匹配后的 LPG 发动机与汽油机外特性的对比。LPG 发动机的最大功率点 7500r.min-1功率比汽油机下降 4%；最大转矩点 6000r.min-1转矩比汽油机下降 4%。并且外特性最低燃料消耗率降低4%，10 点平均燃料消耗率降低 7%。图 8 LPG 发动机与汽油机过量空气系数对比Figure 8. The Comparison of excess air ratio 0.40.50.60.70.80.911.1.230 40 50 60 70 80n/(r.min-1)a G10%负 荷 G80%负 荷 G60%负 荷 G40%负 荷G2
13、0%负 荷 L10%负 荷 L80%负 荷 L60%负 荷L40%负 荷 L20%负 荷012345678910.60.811.21.4 aTtq/(Nm)0123456789103040 50 60 70 80n/(r.min-1)Pe/kW；Ttq/(N.m) 20250303504045050be/(g.kW-1.h-1)Ttq(汽 油 机 ） Pe(汽 油 机 ）Ttq(LPG发 动 机 ) Pe(LPG发 动 机 )b(汽 油 机 ） b(LPG发 动 机 )4a between LPG and gasoline 图 8 是 LPG 发动机与汽油机不同负荷下的过量空气系数 a 对比曲
14、线，燃用 LPG(图中用 L 和实线表示)比燃用汽油（图中用 G 和虚线表示）混合气总体上稀，发动机工作稳定，中小负荷的经济性会好。图 9、10、11 分别为 LPG 发动机与原汽油机中小负荷下的排放对比曲线。从图中可以看出 LPG 发动机CO 和 HC 排放明图 9 LPG 发动机与汽油机 CO 排放对比Figure 9. The comparison of CO emissions 图 10 LPG 发动机与汽油机 HC 排放对比Figure 10. The comparison of HC emissions 图 11 LPG 发动机与汽油机 NOx 排放对比Fig.11 Compari
15、son of NOx emissions 显优于汽油机，但 NOx 比汽油机差。表 3 是四行程摩托车整车排放欧标准限值和燃用两种燃料的整车排放数据，可以看出排放性能和台架试验具有同样规律。燃用两种燃料的整车排放都优于欧标准。表 3 四冲程摩托车整车排放（十五工况法）单位：g/kmTable 3.The comparison of emission regulation and the test of LPG and gasoline排放物 THC CO NOx排量50mL 欧 标准 3 13 0.3汽油测值 0.864 9.089 0.109LPG 测值 0.428 6.002 0.2674
16、 结论过量空气系数 a 是影响 LPG 发动机排放性能的重要参数，通过对 a 的合理控制能够实现对有害排放物的控制。本文开发的比例混合器能对过量空气系数a 进行良好的控制，能够使 LPG 发动机获得较好的动力性、经济性和排放性。但 NOx 需要进一步控制。参考资料：. Andrea Gerini 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.黄振洲.492Q 汽油机燃用液化
