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 15 4 3.39MB 62 页 15积分

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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。

- 1 -

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

- 3 -

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

- 4 -

第一章绪论

汽车保有量达到近10万辆，已建成加气站700多座。燃气汽车发展迅速。

燃气汽车技术主要体现在电控喷射燃气技术，该项技术首先在我国骨干轿车厂

的轿车产品上开发成功，大中型客车的电控燃气发动机的开发也取得实质性进展，

燃气（LPG、CNG）汽车在一些城市的公交车和出租车行业得到广泛使用。基于

电喷技术的双燃料燃气轿车产品开发工作已经完成，并进入产业化生产准备阶段。

上海市已经进行了单一燃料汽车的运行试验。加气站技术装备和高压气瓶已经达到

国际水平，在产业化方面也取得进展，燃气汽车相关技术标准体系已经建立。

§1.3 本课题研究内容及意义

§1.3.1 研究内容

本文主要研究了燃气供给系统的设计和实现，以LPG代替汽油进行工作。针

对自行开发的ECU电控单元功能主要做了以下工作：

1、查阅了大量资料，介绍了国内外LPG汽车发展概况和技术现状并分析了

LPG发动机电控技术发展概况及趋势。

2、本文从分析当代的燃气喷射技术入手，结合桑塔纳系列轿车的结构特点，

确定了电控LPG多点顺序喷射的改造方案，包括传感器和执行器的构成及选型以及

燃气供给系统的方案设计。

3、研究开发了空燃比控制系统，完成了LPG发动机基于PID闭环控制算法在

Simulink的仿真，将空燃比精确控制在理论值附近，在环境、温度发生变化和长期

使用的情况下，仍能保证控制系统具有良好的性能。

4、研究了LPG发动机点火控制系统，并完成了点火控制系统的设计。

5、完成LPG汽车燃气电控喷射单元的硬件和软件设计。硬件方面设计了电子

控制单元的总体设计、信号处理电路的设计和执行机构驱动电路设计等；软件方面

主要包括了主控程序的设计和各种工况子程序的设计。

§1.3.2 研究意义

伴随着能源和环境问题的双重压力，节能环保已成为各国所关注的主题。由于

汽车尾气排放是造成环境污染的主要因素，加之能源问题也上升为各国的战略计划

因此，开发新能源汽车对于合理利用能源，降低排放污染，实现汽车的高效、节能

和环保具有重要的理论意义和工程应用价值。

首先，我国拥有丰富的液化石油气和压缩天然气资源，这在很大程度上缓解石

油资源枯竭的压力并缓和车用燃料油供需紧张的矛盾。

其次，由于液化石油气与空气易于混合，燃烧性能好，燃料运行成本低使

用安全性好，开发潜力巨大，这都意味着中国燃气汽车时代的到来，发展 LPG

汽车将成为调整能源结构的有效途径。

再次，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。

第四，LPG 燃气汽车能极大地改善环境污染问题。目前机动车的废气污染已

经成了城市污染的主要污染源，机动车排放的 COX和NOX，SO2和颗粒物等污染是

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