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摘要：
介绍了液化石油气(LPG)汽车改装技术及国内外LPG电控喷射技术的研究和发展概况，分析加快我国LPG电控喷射技术研究与发展的重要性。
关键词： 液化石油气 电控喷射技术 内燃机
随着汽车保有量增加，汽车尾气对大气污染更趋严重，各国制定的排放法规日益严格，单靠改进内燃机的燃烧系统已很难满足越来越严格的排放法规。再加上石油供需矛盾加剧，代用燃料汽车技术近年来得到迅速发展。LPG以其良好的经济性、低污染排放及易储运等优点而成为汽车良好的代用燃料。国内外已形成巨大的LPG汽车市场，到1995年12月世界LPG汽车保有量达400多万辆。据预测，2010年美国LPG汽车年销售量为200万辆［1］。80年代以来，我国汽车保有量年增长率为13 %，而汽车相对集中于大中城市，汽车尾气对城市空气造成严重污染，如北京、上海、广州、杭州等城市的汽车尾气污染已成为首要的大气污染源，采用LPG为汽车燃料，是改善尾气排放的捷径。随着人们对环保工作的日益重视，LPG汽车的研究与推广工作在我国更为迫切和重要。
1 LPG汽车改装技术的发展
从LPG汽车技术的发展来看，经历了3个阶段：第1代为LPG气化系统，第2代为LPG电子控制气化系统，第3代为LPG电控喷射系统。国内LPG汽车一般都在普通汽油车上改装，即加上一套LPG燃料供应系统(通常能使用双燃料)。
1.1 LPG普通气化系统
LPG气化系统(燃料供给)可采用LPG专用系统或LPG与汽油双燃料系统。
国内目前的改装系统以双燃料系统为常见，这主要为了解决加气站不足的矛盾。LPG专用系统如图1所示。采用该系统一般不对发动机本体作任何改进，在技术上要求较低，主要在蒸发器、调压器与混合器等关键部件的制造上，其主要缺点是无法对LPG供气量实现准确控制。混合器除了起混合作用外，其另一个主要作用是防止LPG泄漏。
图1 专用LPG气化系统示意
1.2 LPG电子控制气化系统
随着排放法规的进一步严格，普通LPG气化系统已很难满足排放上的要求，于是开始采用电子控制技术。它将发动机的转速、歧管压力及废气中的氧含量等信号传送到电子调节器，电子调节器将发出调节信号至控制电磁阀或其他流量控制装置来控制LPG的供应量，而后在混合器中与空气混合，类似于汽油机中的电控化油器阶段。由于根据不同工况较准确地控制LPG的供应量，故能达到良好的效果。CO和HC排放比简单燃用LPG的汽油机低1/3～1/2，NOx低45 %～50 %［2］。控制电磁阀和混合器可以直接用喷射器(喷嘴)来替代，这样结构更为简单。当然用普通的汽油喷嘴难以实现，因为它的流通截面太小，在低速空载下能正常运行，在高速或提高载荷以后供气不足。所以必须采用专用的喷射器。
1.3 LPG电控喷射系统
将汽油喷射技术与LPG供应系统相结合，形成微电脑控制的LPG喷射系统，达到比汽油电控喷射更低的污染排放量。电控喷射系统示意图见图2。据Texas A&M 大学的研究者们试验，污染排放量低于1996年美国联邦车辆排放标准，在试验中NMHC、CO及NOx等指标达到或接近加州大气保护局(CARB)制定的极低排放标准(ULEV)。除了NOx以外，其他指标均好于汽油［3］。
图2 电控喷射系统示意
1.4 LPG改装系统存在的问题与改进
LPG作为汽车代用燃料，与普通燃料汽油相比有许多优点。首先，它本身就是一种清洁燃料。在一台不作任何改进的汽油机上燃用LPG，能正常起动和运行，其污染排放量比汽油低。其次，它的辛烷值随成分不同在100 ～110 (RON)之间变化，可以选择比汽油机更高的压缩比。另外，燃用LPG比燃用汽油更为经济。它的主要缺点是经过改装的LPG发动机由于充气系数下降而导致动力性下降。在国内由于改装技术的不成熟，动力性下降更为明显。据中国汽车技术研究中心的测试，60 %的LPG改装车动力性下降大于15 %(这在国外视为改装不合格)，而动力性下降小于15 %的改装车燃料消耗量普遍增加，可见目前LPG改装系统与发动机匹配不佳，这也是阻碍LPG汽车普及推广的一个重要因素。在实际改装中，由于未对发动机本体作任何改进，LPG的高辛烷值的优势未能体现。而提高发动机压缩比能使发动机的动力性、经济性得到改善并优于汽油机，这说明LPG辛烷值高的潜力得到了发挥。另外，提高发动机的动力性的方法是采用液态喷射或进行缸内喷射。采用此类方法不但提高了动力性，还进一步提高了排放水平，同时在技术上也要求更高一层。
2 LPG电控喷射及其分类
采用电控喷射方式与普通气化系统和电子控制气化系统相比，燃料量控制更为精确，达到比较准确的空燃比，因而达到更清洁的排放。LPG电控喷射与汽油电控喷射一样能实现空燃比、点火正时、怠速及爆震等方面的控制，并辅以废气再循环(EGR)，加上三元催化装置，能达到极低的污染排放量。
LPG电控喷射的分类主要从LPG喷射形成、喷射方式、喷射位置和控制方式等几方面进行讨论。
2.1 LPG喷射形式
LPG喷射形式指气体喷射和液态喷射。缸外气体喷射能较显著地降低污染排放量，但对动力性改善不明显，这类似于天然气的缸外喷射。另外，气体喷射需要一个蒸发器，以保证供气系统提供足够的气化LPG。采用液态喷射能明显地改善动力性下降的问题，但也存在一些需要解决的问题。首先是确保LPG运送到喷嘴时为液态，一方面需要更高的压力；另一方面可能会产生热起动的困难。因为热起动时喷嘴附近的温度较高，LPG易气化，会由于燃料供应量的不足引起起动困难。
2.2 喷射方式
从喷射方式来分，可分为单点喷射和多点喷射，这与汽油喷射相同。多点喷射的优点是混合气控制精度高，变工况响应好，容易解决各缸混合气分配不均匀的问题，有利于提高发动机的综合性能。而单点喷射采用更低的喷射压力(此压力由储气罐提供)和较少的喷嘴数量，因此具有成本低、结构相对简单的特点，能满足较严格的排放标准，但存在各缸间燃料分配不均匀的问题。
2.3 喷射位置
从喷射的位置来分，可分为缸外喷射和缸内喷射。缸外喷射喷嘴位于进气道或进气歧管上(单点喷射喷嘴装在进气总管上)；缸内喷射喷嘴安排在气缸盖上向缸内直接喷射。不管是气体喷射还是液态喷射，采用缸内喷射能提高充气系数而提高动力性，对于气体喷射提高更为显著。但采用缸内喷射需要更高的喷射压力，而且要避免LPG在喷嘴附近的蒸发将更为困难。
2.4 控制方式
从控制方式来分，分为开环控制和闭环控制，可以进一步发展到自学习控制在内的智能化的适应性控制策略。开环控制不带氧传感器，它先将发动机各工况相对应的喷油(气)量脉谱图(MAP)存储于电控单元，工作时根据实测信号查出最佳燃料供应量，经修正后配制成可燃混合气。带氧传感器的控制系统为闭环控制系统，装闭环控制的发动机上常采用三元催化装置，以获得更高的经济性和更小的污染排放量。
3 LPG汽车电控喷射技术研究现状
3.1 国外LPG汽车电控喷射技术研究现状
目前，国外在LPG汽车发动机技术上的研究完全过渡到第3代，即电控喷射阶段。由于国外的排放法规非常严格，都非常重视对排放的要求，所做的一些研究也基本上是针对降低污染排放的。以美国加州的排放法规为最严厉，其中加州大气保护局(CARB)于1990年创造性地提出了分阶段分层次实行的标准，过渡低排放车辆(TLEV)、低排放车辆(LEV)、超低排放车辆(ULEV)及零排放车辆(ZEV)。低排放车辆标准于1997年开始实施，规定当年加州25 %的新车必须达到这一标准，2 %的新车达到超低排放车辆标准，以后逐年增加。就电控喷射汽油车而言，要达到超低排放车辆标准是非常困难的，所以光靠改进内燃机燃烧系统已很难满足在排放法规上的要求。由于LPG的清洁排放性能被广泛地研究和应用，一方面将用于汽油机的电控喷射技术移植到LPG发动机上来；另一方面着手对发动机进行改进，以适应燃用LPG来达到更高的排放要求。国外的研究人员在气体喷射和液态喷射、单点喷射和多点喷射以及采用闭环的空燃比控制和三元催化装置方面做了广泛的研究。
3.2 国内在LPG汽车发动机上的研究进展
目前国内已经有许多厂家着手LPG汽车的改装，如广东澳华液化石油气设备公司、浙江嘉兴泰山发动机研制有限公司等，主要为第1代产品，即在普通发动机上改装一套LPG气化系统。一些高等院校和研究所开始进行第2代和第3代产品的研究。特别是对LPG电控喷射的研究，能缩小与世界先进的LPG汽车发动机技术的差距。
从1998年开始，本课题组对LPG汽车发动机有次序地进行了研究，主要研究开发第2代和第3代产品。在电子控制气化系统中，省去了混合器，结构更为简单。因为LPG本身与空气的混合比汽油好，直接用喷嘴把LPG喷入进气管中，发动机能很好地运行，而且能保证LPG不泄漏。由于LPG随温度的不同会产生密度的变化，以LPG中的主要成分丙烷为例，在260 K～350 K之间和在0.1 MPa～0.3 MPa压力的条件下，每隔10 K会引起3 %以上的密度变化，而且压力越高，这种变化越明显。所以对于气体喷射方式，在控制中注意了对此进行补偿，能更准确地控制LPG的进气量。
4 我国在LPG汽车发动机技术研究上的迫切性和必要性
由于我国在汽车技术上比较落后，排放法规又没有及时跟上，再加上国土非常辽阔，各地的情况差别很大，而汽车相对集中于大中城市，造成了严重的大气污染。在汽车尾气污染排放物控制上与世界先进排放水平相比相差很远，单车污染物排放量高几倍，甚至数十倍。据有关研究人员在1989年对北京三环内汽车区域污染分担率(非采暖期)的研究，汽车尾气的污染分担率CO为58.4 %,NOx为68.7 %，THC为86.6 %。针对我国汽车技术相对比较落后的情况，想一下子提高排放水平比较困难。而采用LPG为汽车燃料，是降低污染排放的捷径，而且LPG系统的改装基本上不改变原有的发动机本体，比较容易为国内生产厂家所接受。
我国在汽油电控喷射方面与发达国家已经有了很大的差距，特别是在生产应用上，一个主要原因是在老一代产品的更新和淘汰上需投入的物资、精力和时间是巨大的。如果在20 a前通过引进技术让一些轿车生产厂家直接上电控喷射产品，估计现在与发达国家的差距会更小一些，甚至会带动整个汽车工业的发展。现在面对LPG汽车，如果采用制高点的方式，直接研制开发电控喷射产品，会较快地赶上国际先进水平。
5 结语
LPG汽车是一种清洁排放的“绿色”汽车，在推广应用的过程中还有一些问题需待解决。其中采用电控喷射的方式是消除(或减少)LPG汽车缺陷，提高产品性能的捷径。LPG汽车既是一种新的能源利用方式，同时又是减轻城市汽车尾气污染排放的有效途径，它将产生很大的经济效益和社会效益。 | 
