LPI型LPG汽車在我國的發展前景

摘 要

摘要：分析了我國LPG汽車行業的發展現狀，指出了存在的問題。介紹了LPI型LPG汽車的原理和優點，總結了推廣LPI型LPG汽車的優勢，指出了推廣LPI型LPG汽車存在的問題和解決方法。關鍵
摘要：分析了我國LPG汽車行業的發展現狀，指出了存在的問題。介紹了LPI型LPG汽車的原理和優點，總結了推廣LPI型LPG汽車的優勢，指出了推廣LPI型LPG汽車存在的問題和解決方法。
關鍵詞：液態丙烷噴射系統；LPG汽車；氣耗
Development Prospect of LPI-type LPG Vehicle in China
JIANG Lei
Abstract：The present development status of LPG vehicle industry in China is analyzed，and the problems existing are pointed out. The principle and advantages of liquid propane injection (LPI) LPG vehicle are introduced. The dominance of promoting LPI-type LPG vehicle is summarized. The problems and solutions in promoting LPI LPG vehicle are pointed out.
Key words：liquid propane injection system；LPG vehicle；gas consumption
1 我國LPG汽車行業的發展現狀
    我國推廣LPG汽車已經有近20年的歷史，在此期間LPG汽車行業經歷了緩慢起步、發展壯大、逐步沒落、慘淡經營的4個階段。LPG汽車行業的存在為我國相關城市降低汽車尾氣污染作出了突出貢獻。基于此，目前我國仍有少數城市繼續推廣使用LPG汽車，比如廣州、武漢、杭州、上海、青島等大中城市，并且各城市的LPG汽車主要為LPG出租車。
    雖然目前在用LPG出租車與汽油車相比，具有良好的環保性、安全性、經濟性，但是LPG出租車在運行過程中也存在一定的問題。從各城市的發展情況來看，這些問題主要如下：
    ① LPG汽車氣耗較高，運行經濟性優勢得不到良好體現。
    目前各城市在用LPG出租車主要是由汽油車改裝而成，汽車發動機比較適應于燃用汽油(主要是93號汽油)，相比之下，對車用LPG的適應性就要差一些。車用LPG的高辛烷值這一優良特性沒有得到良好的發揮(壓縮比沿用汽油發動機的壓縮比)，加之LPG是氣化后進入發動機氣缸，相應地降低了發動機的充氣系數，因此，改裝的LPG出租車與專用的LPG發動機汽車相比，動力性有一定幅度的下降(尤其是在使用空調的時候)，氣耗較高[1]。
    一般情況下，各城市使用的車用LPG主要組分的質量分數為：丙烷70%，丁烷30%。按照這一數據，車用LPG與93號汽油的低熱值比較見表1
表1 車用LPG與93號汽油的低熱值比較
燃料種類
質量低熱值/(kJ·kg-1)
10℃時液態
密度/(kg·L-1)
液態體積低熱值/(kJ·L-1)
車用LPG
46024
0.529
24346
93號汽油
43900
0.700～0.780
30730～34 242
    根據表1，假設汽車在等熱效率的情況下燃用車用LPG和93號汽油，約1.262～1.406L車用LPG才能等同于1L93號汽油。根據杭州市LPG出租車的統計數據，實際上約1.238L車用LPG等同于1L93號汽油。參考這一數據，LPG出租車與93號汽油出租車日運營燃料費用比較見表2。
表2 LPG出租車與93號汽油出租車日運營燃料費用比較
車輛種類
單車日行駛里程/km
燃料價格/(元·
L-1)
行駛100km的燃料消耗量/L
單車日耗燃料費用/(元·d-1)
單車日節約燃料費用/(元·d-1)
93號汽油出租車
450
5.97
10.5
282.08
—
LPG出租車
450
4.45
13.0
260.33
21.75
   由表2可見，單輛LPG出租車在日行駛450km的情況下，每Et可以節省燃料費用21.75元/d，燃用LPG費用約為燃用汽油費用的92.3%。然而，在目前各城市LPG加氣站數量少，出租車加氣空駛里程比較大，出租車加氣排隊時間比較長的情況下，現有LPG出租車燃用LPG和燃用汽油費用幾乎相當。因此，總體來看，出租車使用LPG的經濟性優勢不明顯，駕駛員燃用LPG的積極性不高，車用LPG市場拓展的基礎性優勢弱化。
   ② LPG汽車對氣質的適應性比較差，維修調試頻率較高。
   由LPG生產原料及生產工藝的不同，LPG主要分為天然石油氣、煉廠石油氣。就國內目前的情況來看，煉廠石油氣生產工藝比較成熟，產量比較大，由于其工藝比較復雜，LPG產品中含有不同比例的烯烴、二烯烴及其他雜質。因此，煉廠石油氣不適合作為車用LPG。天然石油氣中不含烯烴、二烯烴，比較適合LPG汽車使用，但是天然石油氣的產量不大，采購優質的車用LPG具有一定的難度。因此，目前各城市車用LPG均存在組成不穩定，各組分比例變化比較大，并且可能有不利于汽車的組分，LPG質量波動性較大等問題。
   車用LPG質量不穩定，給各城市LPG汽車行業帶來了嚴重的影響：
   一方面，由于車用LPG組成變化比較大，加之汽車發動機的適應性有限，因此燃用LPG的出租車會因LPG組成的變化而出現高頻率的調試維修情況，或者出現汽車的耗氣量增加、動力性下降等情況。這些不良情況的出現，不但給各車用LPG銷售公司帶來了大量的調試維修任務，而且還給推廣LPG汽車帶來了負面影響。
   另一方面，如果車用LPG含有大量不利組分，那么將使汽車的燃燒工況惡化，增加汽車的氣耗，降低汽車動力，惡化汽車尾氣排放。其中的顆粒物質、殘液等極易阻塞LPG供應系統中的調壓器、氣化器、噴嘴等關鍵部位，嚴重時將使汽車運行困難，因此汽車維修率或者換件率比較高[2]。
    以上兩個方面不單純是LPG氣質不良的結果，而是車用LPG系統對車用LPG適應性不強、車用LPG質量不高的綜合結果。因此，從這個角度看，降低LPG汽車的維修率和調試率，不僅需要提高并穩定車用LPG的質量，還需要努力提高LPG汽車對車用LPG的適應性。
    ③ LPG系統管道、器件接頭較多，存在一定的安全隱患。
    國內現有LPG汽車基本上由汽油車改裝而來，其基本原理就是在原車的基礎上安裝LPG儲存系統、氣化及調壓供氣系統、電子控制系統等裝置。各城市已改裝的LPG出租車的各類系統的配置可能不盡相同，但是，一般均需要安裝LPG儲氣瓶、LPG氣化器、LPG調壓器、噴嘴等部件，這些部件之間需要采用特殊鋼管連接，氣化器還要同發動機的水箱連接，各種連接接頭比較多。由于LPG易燃易爆、易聚積的特性，各種連接接頭越多，LPG發生泄漏的概率就越大，其危險性就越大。因此燃用LPG的汽車均存在不同程度的安全隱患，尤其是那些使用年限比較長且長時間未進行安全檢查的LPG汽車。
2 LPI型LPG汽車的工作原理
國內在用LPG汽車主要是LPG以氣態形式噴射進入發動機氣缸。LPG除了采用氣態形式噴射外，還能在一定壓力條件下以液態噴射。液態丙烷噴射系統(以下簡稱LPI系統)就是采用液態形式噴射并進入發動機氣缸的車用LPG系統，其工作原理見圖1。以前，這種系統主要應用在單點噴射。近年來，荷蘭Vialle公司采用技術手段將其在多點噴射中予以應用，并取得了良好的效果。一方面，該系統可以防止進氣歧管內可能產生的回火。另一方面，該系統的目標還在于使LPG發動機得到與汽油噴射發動機相同的性能以及獲得精確的控制和高可靠性。在發動機以LPG為燃料運行時，仍可以使用電子控制裝置對其進行控制。
 
LPI系統運行時，汽車原有的汽油噴射器不參與工作。LPI系統包括1臺位于LPG儲氣瓶內部的燃料泵，系統運行時該燃料泵負責壓縮液態LPG并促使其循環，以防止液態LPG在LPG噴射器底部附近氣化。液態LPG經過壓力調節器調節壓力后，仍以液態進入LPG噴射器。LPG噴射器置于進氣歧管的進氣口處，它把具有一定壓力的液態LPG按照相應的順序噴射到發動機氣缸。每次噴射結束后，LPG噴射器中多余的液態LPG則經過液態LPG管道流回LPG儲氣瓶。LPG噴射器的每次動作均受控于LPG電子控制裝置(以下簡稱LPG-ECU)，即LPG-ECU通過向LPG噴射器傳遞電子控制信號，控制LPG噴射器的開關。
本系統中氧傳感器仍直接連接在汽油電子控制裝置(以下簡稱汽油*ECU)上，氧傳感器自動檢測尾氣中的氧含量，以此形成相應的反饋信號并傳送至汽油*ECU。LPG噴射器與汽油噴射器具有可兼容性，汽油-ECU產生的電子控制信號可以用作LPG-ECU的輸入信號。因此在運行過程中，LPG-ECU輸出到LPG噴射器的電子控制信號實際來源于汽油-ECU。因此LPI系統由保留下來的汽油-ECU參與進行基本的運算并執行特定的功能，合理使用原車的電子控制裝置。
3 LPI型LPG汽車的優點
    ① LPG以液態形式噴射進入發動機氣缸，其液態噴射量可以精確控制，因此發動機空燃比得到優化。
   ② LPG以液態形式噴射進入發動機氣缸，可提高發動機的充氣系數，使得汽車動力損失比較小，動力性得到較大幅度提高。
    ③ 合理使用原車的電子控制裝置(汽油-ECU)。使用LPG時，由汽油-ECU參與混合運算，避免干擾原車的電子控制裝置。
    ④ LPI型系統不需要安裝LPG氣化器、氣態LPG調壓器等部件，不存在顆粒物質或絮狀物質在LPG氣化器、氣態LPG調壓器積聚的現象，系統對氣質的適應性增強。
⑤ 由于不需要安裝LPG氣化器、氣態LPG調壓器等部件，不需要連接發動機水箱，使得各類連接接頭比較少，汽車安全性提高。
    ⑥ 擁有幾乎和汽油汽車相同的駕駛特性。
4 推廣LPI型LPG汽車的優勢
    筆者所在公司于2007年10月在一輛現代索納塔2.0出租車上，安裝了一套LPI系統，并對其運行情況進行了跟蹤調查和分析。根據目前的情況來看，推廣LPI型LPG汽車具有如下優勢。
    ① 具有良好的經濟性
    該車安裝了LPI型LPG系統后，筆者對其在2007年10月23日至2007年11月11日的運行里程、加氣量、氣耗等情況進行了統計，結果見表3。
表3 LPI試驗車氣耗情況統計
日期
加氣量/L
行駛里程/km
每100km氣耗/L
10月23日
49.71
310
16.03
10月24日
34.18
269
12.71
10月25日
43.38
408
10.63
10月26日
46.55
386
12.06
10月27日
8.97
90
9.97
36.51
311
11.74
10月28日
37.71
340
11.09
10月29日
44.47
410
10.85
10月30日
29.22
250
11.69
20.72
187
11.08
10月31日
33.99
310
10.97
11月1日
31.58
299
1O.56
27.49
226
12.16
11月2日
39.47
296
13.33
11.72
120
9.77
11月3日
31.47
314
10.02
32.57
273
11.93
11月4日
37.28
329
11.33
11月5日
26.67
235
11.35
11月6日
39.80
345
11.54
11月7日
46.39
380
12.21
11月8日
25.06
242
10.35
20.77
175
11.87
11月9日
36.42
294
12.39
14.80
151
9.80
11月10日
30.67
242
12.67
14.36
150
9.57
11月11日
24.37
233
10.46
37.01
339
10.92
合計
913.30
7914
11.54
    按照表3，LPI型LPG出租車與目前普遍在用的傳統的LPG出租車相比，每100km氣耗有大幅度下降，下降了約11.23%。據此，LPI型LPG出租車、目前在用的傳統LPG出租車、汽油出租車日運營燃料費用的比較見表4。
表4 LPI型LPG出租車、傳統LPG出租車、汽油出租車日運營燃料費用的比較
車輛種類
單車日行駛里程/km
燃料價格/(元·
L-1)
行駛100km的燃料消耗量/L
單車日耗燃料費用/(元·d-1)
單車日節約燃料費m/(元·d-1)
93號汽油出租車
450
5.97
10.50
282.08
—
傳統LPG出租車
450
4.45
13.00
260.33
21.75
LPI型LPG出租車
450
4.45
11.54
231.09
50.99
    由表4可見，LPI型LPG出租車在節省燃料費用方面具有良好的優勢，日節省費用為目前在用傳統LPG出租車的2倍有余，月節省費用約1530元。
   ② 對LPG的適應性強
   在2007年10月以后的19個月中，由于本公司供應的LPG質量波動比較大，在用的傳統LPG汽車曾經發生了幾次比較大范圍的維修調試事件。其主要原因就是汽車對車用LPG的適應性比較差，當車用LPG組成發生變化時，汽車的動力性下降，氣耗增加，或者噴嘴等部件發生堵塞。但是在此期間，該LPI型LPG出租車的動力性、氣耗等指標并未出現較大幅度的變化，也并未進行任何調試和維修。這說明LPI型LPG出租車對車用LPG的適應性比較強。
    ③ 安全性和可靠性較高
    該LPI型LPG出租車自改裝運行以來，截至2008年8月，累計行駛里程已超過15×104km。在此期間，筆者所在公司對該汽車進行了幾次安全檢測，未發現有LPG泄漏或其他方面的安全隱患。而其他在用的傳統LPG汽車約有5%在檢測中發現有泄漏問題。檢測結果表明，LPI型LPG出租車的安全可靠性比較高，一定程度上得益于該系統連接接頭比較少。
5 存在的問題及解決方案
5.1 汽車使用LPG啟動比較困難
   ① 原因分析
   如果LPI型LPG汽車較長時間未使用，LPG燃料泵停止運轉，LPG供給管道中的LPG因長時間吸收熱量而氣化，造成LPG噴射器部位的LPG為氣態，那么當汽車輛啟動時，噴射進氣缸的可燃混合氣體濃度過低，造成汽車啟動困難。在冬季，噴射進發動機氣缸的液態LPG在氣化過程中大量吸熱，造成可燃混合氣體的溫度過低，點火也比較困難。因此，LPI型LPG汽車使用LPG啟動比較困難。
   ② 解決方法
   國內改裝的LPG出租車全部為油氣兩用車，在完全不用LPG的情況下，汽車也能夠單獨使用汽油。LPI型LPG出租車也屬于油氣兩用車，因此可采用汽油啟動。這樣，不僅可以解決LPG啟動困難這一弊端，每日采用汽油啟動對汽車還有如下好處：
    a. 確保汽油系統的完整性和可用性，避免汽油系統因長久不用導致部分器件阻塞、老化。
    b. 保護發動機的點火裝置，延長火花塞的使用壽命。
5.2 夏季LPG儲氣瓶內部溫度升高
    在LPI型LPG出租車實際運行過程中我們發現，該車LPG儲氣瓶的溫度要高于在用的傳統LPG出租車的LPG儲氣瓶溫度。經過測量，LPI型LPG出租車夏季儲氣瓶溫度基本維持在40。50℃。
   ① 原因分析
   a. LPI型LPG出租車在運行過程中，LPG在燃料泵的作用下，不斷在儲氣瓶-燃料泵-供給管道-噴射器-回流管道-儲氣瓶之間做循環流動。其中部分供給管道、噴射器、部分回流管道處于發動機氣缸周圍，此處溫度比較高，LPG在循環過程中不斷從這些部位吸收熱量，從而造成儲氣瓶內的溫度升高。
    b. LPG在循環過程中與各管壁、各部件摩擦產生熱量，并逐漸積累，從而造成溫度升高。
    c. 儲氣瓶內部的LPG燃料泵在汽車運行過程中始終處于運轉狀態，該LPG燃料泵在運轉過程中產生大量的熱，從而造成LPG溫度升高。
   ② 不利影響
   a. LPG飽和蒸氣壓升高
   LPG儲氣瓶內部溫度升高之后，容易造成儲氣瓶內部LPG飽和蒸氣壓升高。車用LPG的組成(質量分數)為丙烷70%、丁烷30%，50℃下LPG的飽和蒸氣壓約1.39MPa。目前在用的傳統LPG汽車儲氣瓶內部LPG壓力約0.66MPa。可見儲氣瓶內部壓力有了大幅度的上升。我國車用LPG儲氣瓶的額定壓力為1.6MPa，儲氣瓶的承壓能力足夠，其安全性符合國家要求。
   b. 液態LPG膨脹
   LPG的溫度每升高10℃時，其液態體積膨脹4%左右。本公司夏季車用LPG儲存溫度維持在20℃。當LPG充裝至汽車儲氣瓶中，假設溫度立刻升至50℃，那么其液態體積將增加12.49%。可見液態LPG膨脹率比較大，如果過量充裝將帶來嚴重的安全隱患。
    c. 儲氣瓶壓力過高導致加氣不足
    由于LPG儲氣瓶內的壓力過高，甚至高于加氣機的加氣壓力，因此汽車在加氣過程中容易出現加氣不足或加氣緩慢的現象。一方面造成駕駛員加氣次數增多，另一方面也可能給駕駛員在交接班時帶來利益糾紛。
   ③ 解決方法
   a. 目前筆者所在公司已經將該信息反饋給LPI系統生產單位的技術人員。之后，采取了如下的措施：調整LPG燃料泵的運行方式和運行參數，減少燃料泵產生的熱量。該措施已經在該LPI型LPG出租車上予以應用，并取得了良好的效果。
    b. 汽車加氣時嚴禁過量充裝LPG。國內加氣機已有預防過量充裝裝置，并且LPG充裝率控制在85%，即LPG儲氣瓶內允許充裝的液態LPG的體積最大為儲氣瓶容積的85%，該充裝率滿足LPG膨脹12.49%的要求。
5.3 汽車改裝工藝變化較大
    LPI型LPG系統不同于在用的傳統LPG系統，其主要部件也不一樣。LPI系統的安裝更加簡單便捷，不需要安裝LPG氣化器、氣態LPG調壓器，不需要連接發動機水箱。但是LPI系統對噴射器的安裝有嚴格的要求，需要在發動機進氣歧管增開錐形螺紋口，并且在噴射器的固定和連接方面有更為嚴格的密封要求。
    要想完全達到這些技術要求，國內各LPG汽車改裝或生產單位應在以下方面進行改進：
    ① 安裝工藝的改進，包括安裝的工藝流程、安裝標準、試驗要求等。
    ② 工作工器具的配置，在車輛的改裝過程中需要在發動機進氣歧管處增開錐形螺紋口，需要專門的T形開口器。
    ③ 安裝工作人員的培訓與技術要求。
    ④ 對駕駛員的培訓等。
6 結論
    目前LPI型LPG汽車主要是在國外應用，比如韓國、德國、荷蘭等國家。我國尚未進行推廣應用。積極推廣LPI型LPG汽車，是解決我國LPG汽車行業所存在的車用LPG氣質不穩定、LPG汽車故障率高、汽車運營經濟性優勢不明顯等問題的有效手段，對促進我國清潔燃料汽車事業具有積極的意義。
參考文獻：
[1] 劉麗珍，邵震宇.LPG出租車用氣指標及影響因素[J].煤氣與熱力，2007，27(6)：30-32.
[2] 殷乃勛，聶起耕，侯維群.車用LPG有害雜質的鑒別與脫除[J].煤氣與熱力，2005，25(7)：4-8.
 
(本文作者：姜磊 杭州綠能燃氣開發應用有限公司 浙江杭州 310007)