LPI型LPG汽车在我国的发展前景

摘 要

摘要：分析了我国LPG汽车行业的发展现状，指出了存在的问题。介绍了LPI型LPG汽车的原理和优点，总结了推广LPI型LPG汽车的优势，指出了推广LPI型LPG汽车存在的问题和解决方法。关键
摘要：分析了我国LPG汽车行业的发展现状，指出了存在的问题。介绍了LPI型LPG汽车的原理和优点，总结了推广LPI型LPG汽车的优势，指出了推广LPI型LPG汽车存在的问题和解决方法。
关键词：液态丙烷喷射系统；LPG汽车；气耗
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 我国LPG汽车行业的发展现状
    我国推广LPG汽车已经有近20年的历史，在此期间LPG汽车行业经历了缓慢起步、发展壮大、逐步没落、惨淡经营的4个阶段。LPG汽车行业的存在为我国相关城市降低汽车尾气污染作出了突出贡献。基于此，目前我国仍有少数城市继续推广使用LPG汽车，比如广州、武汉、杭州、上海、青岛等大中城市，并且各城市的LPG汽车主要为LPG出租车。
    虽然目前在用LPG出租车与汽油车相比，具有良好的环保性、安全性、经济性，但是LPG出租车在运行过程中也存在一定的问题。从各城市的发展情况来看，这些问题主要如下：
    ① LPG汽车气耗较高，运行经济性优势得不到良好体现。
    目前各城市在用LPG出租车主要是由汽油车改装而成，汽车发动机比较适应于燃用汽油(主要是93号汽油)，相比之下，对车用LPG的适应性就要差一些。车用LPG的高辛烷值这一优良特性没有得到良好的发挥(压缩比沿用汽油发动机的压缩比)，加之LPG是气化后进入发动机气缸，相应地降低了发动机的充气系数，因此，改装的LPG出租车与专用的LPG发动机汽车相比，动力性有一定幅度的下降(尤其是在使用空调的时候)，气耗较高[1]。
    一般情况下，各城市使用的车用LPG主要组分的质量分数为：丙烷70%，丁烷30%。按照这一数据，车用LPG与93号汽油的低热值比较见表1
表1 车用LPG与93号汽油的低热值比较
燃料种类
质量低热值/(kJ·kg-1)
10℃时液态
密度/(kg·L-1)
液态体积低热值/(kJ·L-1)
车用LPG
46024
0.529
24346
93号汽油
43900
0.700～0.780
30730～34 242
    根据表1，假设汽车在等热效率的情况下燃用车用LPG和93号汽油，约1.262～1.406L车用LPG才能等同于1L93号汽油。根据杭州市LPG出租车的统计数据，实际上约1.238L车用LPG等同于1L93号汽油。参考这一数据，LPG出租车与93号汽油出租车日运营燃料费用比较见表2。
表2 LPG出租车与93号汽油出租车日运营燃料费用比较
车辆种类
单车日行驶里程/km
燃料价格/(元·
L-1)
行驶100km的燃料消耗量/L
单车日耗燃料费用/(元·d-1)
单车日节约燃料费用/(元·d-1)
93号汽油出租车
450
5.97
10.5
282.08
—
LPG出租车
450
4.45
13.0
260.33
21.75
   由表2可见，单辆LPG出租车在日行驶450km的情况下，每Et可以节省燃料费用21.75元/d，燃用LPG费用约为燃用汽油费用的92.3%。然而，在目前各城市LPG加气站数量少，出租车加气空驶里程比较大，出租车加气排队时间比较长的情况下，现有LPG出租车燃用LPG和燃用汽油费用几乎相当。因此，总体来看，出租车使用LPG的经济性优势不明显，驾驶员燃用LPG的积极性不高，车用LPG市场拓展的基础性优势弱化。
   ② LPG汽车对气质的适应性比较差，维修调试频率较高。
   由LPG生产原料及生产工艺的不同，LPG主要分为天然石油气、炼厂石油气。就国内目前的情况来看，炼厂石油气生产工艺比较成熟，产量比较大，由于其工艺比较复杂，LPG产品中含有不同比例的烯烃、二烯烃及其他杂质。因此，炼厂石油气不适合作为车用LPG。天然石油气中不含烯烃、二烯烃，比较适合LPG汽车使用，但是天然石油气的产量不大，采购优质的车用LPG具有一定的难度。因此，目前各城市车用LPG均存在组成不稳定，各组分比例变化比较大，并且可能有不利于汽车的组分，LPG质量波动性较大等问题。
   车用LPG质量不稳定，给各城市LPG汽车行业带来了严重的影响：
   一方面，由于车用LPG组成变化比较大，加之汽车发动机的适应性有限，因此燃用LPG的出租车会因LPG组成的变化而出现高频率的调试维修情况，或者出现汽车的耗气量增加、动力性下降等情况。这些不良情况的出现，不但给各车用LPG销售公司带来了大量的调试维修任务，而且还给推广LPG汽车带来了负面影响。
   另一方面，如果车用LPG含有大量不利组分，那么将使汽车的燃烧工况恶化，增加汽车的气耗，降低汽车动力，恶化汽车尾气排放。其中的颗粒物质、残液等极易阻塞LPG供应系统中的调压器、气化器、喷嘴等关键部位，严重时将使汽车运行困难，因此汽车维修率或者换件率比较高[2]。
    以上两个方面不单纯是LPG气质不良的结果，而是车用LPG系统对车用LPG适应性不强、车用LPG质量不高的综合结果。因此，从这个角度看，降低LPG汽车的维修率和调试率，不仅需要提高并稳定车用LPG的质量，还需要努力提高LPG汽车对车用LPG的适应性。
    ③ LPG系统管道、器件接头较多，存在一定的安全隐患。
    国内现有LPG汽车基本上由汽油车改装而来，其基本原理就是在原车的基础上安装LPG储存系统、气化及调压供气系统、电子控制系统等装置。各城市已改装的LPG出租车的各类系统的配置可能不尽相同，但是，一般均需要安装LPG储气瓶、LPG气化器、LPG调压器、喷嘴等部件，这些部件之间需要采用特殊钢管连接，气化器还要同发动机的水箱连接，各种连接接头比较多。由于LPG易燃易爆、易聚积的特性，各种连接接头越多，LPG发生泄漏的概率就越大，其危险性就越大。因此燃用LPG的汽车均存在不同程度的安全隐患，尤其是那些使用年限比较长且长时间未进行安全检查的LPG汽车。
2 LPI型LPG汽车的工作原理
国内在用LPG汽车主要是LPG以气态形式喷射进入发动机气缸。LPG除了采用气态形式喷射外，还能在一定压力条件下以液态喷射。液态丙烷喷射系统(以下简称LPI系统)就是采用液态形式喷射并进入发动机气缸的车用LPG系统，其工作原理见图1。以前，这种系统主要应用在单点喷射。近年来，荷兰Vialle公司采用技术手段将其在多点喷射中予以应用，并取得了良好的效果。一方面，该系统可以防止进气歧管内可能产生的回火。另一方面，该系统的目标还在于使LPG发动机得到与汽油喷射发动机相同的性能以及获得精确的控制和高可靠性。在发动机以LPG为燃料运行时，仍可以使用电子控制装置对其进行控制。
 
LPI系统运行时，汽车原有的汽油喷射器不参与工作。LPI系统包括1台位于LPG储气瓶内部的燃料泵，系统运行时该燃料泵负责压缩液态LPG并促使其循环，以防止液态LPG在LPG喷射器底部附近气化。液态LPG经过压力调节器调节压力后，仍以液态进入LPG喷射器。LPG喷射器置于进气歧管的进气口处，它把具有一定压力的液态LPG按照相应的顺序喷射到发动机气缸。每次喷射结束后，LPG喷射器中多余的液态LPG则经过液态LPG管道流回LPG储气瓶。LPG喷射器的每次动作均受控于LPG电子控制装置(以下简称LPG-ECU)，即LPG-ECU通过向LPG喷射器传递电子控制信号，控制LPG喷射器的开关。
本系统中氧传感器仍直接连接在汽油电子控制装置(以下简称汽油*ECU)上，氧传感器自动检测尾气中的氧含量，以此形成相应的反馈信号并传送至汽油*ECU。LPG喷射器与汽油喷射器具有可兼容性，汽油-ECU产生的电子控制信号可以用作LPG-ECU的输入信号。因此在运行过程中，LPG-ECU输出到LPG喷射器的电子控制信号实际来源于汽油-ECU。因此LPI系统由保留下来的汽油-ECU参与进行基本的运算并执行特定的功能，合理使用原车的电子控制装置。
3 LPI型LPG汽车的优点
    ① LPG以液态形式喷射进入发动机气缸，其液态喷射量可以精确控制，因此发动机空燃比得到优化。
   ② LPG以液态形式喷射进入发动机气缸，可提高发动机的充气系数，使得汽车动力损失比较小，动力性得到较大幅度提高。
    ③ 合理使用原车的电子控制装置(汽油-ECU)。使用LPG时，由汽油-ECU参与混合运算，避免干扰原车的电子控制装置。
    ④ LPI型系统不需要安装LPG气化器、气态LPG调压器等部件，不存在颗粒物质或絮状物质在LPG气化器、气态LPG调压器积聚的现象，系统对气质的适应性增强。
⑤ 由于不需要安装LPG气化器、气态LPG调压器等部件，不需要连接发动机水箱，使得各类连接接头比较少，汽车安全性提高。
    ⑥ 拥有几乎和汽油汽车相同的驾驶特性。
4 推广LPI型LPG汽车的优势
    笔者所在公司于2007年10月在一辆现代索纳塔2.0出租车上，安装了一套LPI系统，并对其运行情况进行了跟踪调查和分析。根据目前的情况来看，推广LPI型LPG汽车具有如下优势。
    ① 具有良好的经济性
    该车安装了LPI型LPG系统后，笔者对其在2007年10月23日至2007年11月11日的运行里程、加气量、气耗等情况进行了统计，结果见表3。
表3 LPI试验车气耗情况统计
日期
加气量/L
行驶里程/km
每100km气耗/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
合计
913.30
7914
11.54
    按照表3，LPI型LPG出租车与目前普遍在用的传统的LPG出租车相比，每100km气耗有大幅度下降，下降了约11.23%。据此，LPI型LPG出租车、目前在用的传统LPG出租车、汽油出租车日运营燃料费用的比较见表4。
表4 LPI型LPG出租车、传统LPG出租车、汽油出租车日运营燃料费用的比较
车辆种类
单车日行驶里程/km
燃料价格/(元·
L-1)
行驶100km的燃料消耗量/L
单车日耗燃料费用/(元·d-1)
单车日节约燃料费m/(元·d-1)
93号汽油出租车
450
5.97
10.50
282.08
—
传统LPG出租车
450
4.45
13.00
260.33
21.75
LPI型LPG出租车
450
4.45
11.54
231.09
50.99
    由表4可见，LPI型LPG出租车在节省燃料费用方面具有良好的优势，日节省费用为目前在用传统LPG出租车的2倍有余，月节省费用约1530元。
   ② 对LPG的适应性强
   在2007年10月以后的19个月中，由于本公司供应的LPG质量波动比较大，在用的传统LPG汽车曾经发生了几次比较大范围的维修调试事件。其主要原因就是汽车对车用LPG的适应性比较差，当车用LPG组成发生变化时，汽车的动力性下降，气耗增加，或者喷嘴等部件发生堵塞。但是在此期间，该LPI型LPG出租车的动力性、气耗等指标并未出现较大幅度的变化，也并未进行任何调试和维修。这说明LPI型LPG出租车对车用LPG的适应性比较强。
    ③ 安全性和可靠性较高
    该LPI型LPG出租车自改装运行以来，截至2008年8月，累计行驶里程已超过15×104km。在此期间，笔者所在公司对该汽车进行了几次安全检测，未发现有LPG泄漏或其他方面的安全隐患。而其他在用的传统LPG汽车约有5%在检测中发现有泄漏问题。检测结果表明，LPI型LPG出租车的安全可靠性比较高，一定程度上得益于该系统连接接头比较少。
5 存在的问题及解决方案
5.1 汽车使用LPG启动比较困难
   ① 原因分析
   如果LPI型LPG汽车较长时间未使用，LPG燃料泵停止运转，LPG供给管道中的LPG因长时间吸收热量而气化，造成LPG喷射器部位的LPG为气态，那么当汽车辆启动时，喷射进气缸的可燃混合气体浓度过低，造成汽车启动困难。在冬季，喷射进发动机气缸的液态LPG在气化过程中大量吸热，造成可燃混合气体的温度过低，点火也比较困难。因此，LPI型LPG汽车使用LPG启动比较困难。
   ② 解决方法
   国内改装的LPG出租车全部为油气两用车，在完全不用LPG的情况下，汽车也能够单独使用汽油。LPI型LPG出租车也属于油气两用车，因此可采用汽油启动。这样，不仅可以解决LPG启动困难这一弊端，每日采用汽油启动对汽车还有如下好处：
    a. 确保汽油系统的完整性和可用性，避免汽油系统因长久不用导致部分器件阻塞、老化。
    b. 保护发动机的点火装置，延长火花塞的使用寿命。
5.2 夏季LPG储气瓶内部温度升高
    在LPI型LPG出租车实际运行过程中我们发现，该车LPG储气瓶的温度要高于在用的传统LPG出租车的LPG储气瓶温度。经过测量，LPI型LPG出租车夏季储气瓶温度基本维持在40。50℃。
   ① 原因分析
   a. LPI型LPG出租车在运行过程中，LPG在燃料泵的作用下，不断在储气瓶-燃料泵-供给管道-喷射器-回流管道-储气瓶之间做循环流动。其中部分供给管道、喷射器、部分回流管道处于发动机气缸周围，此处温度比较高，LPG在循环过程中不断从这些部位吸收热量，从而造成储气瓶内的温度升高。
    b. LPG在循环过程中与各管壁、各部件摩擦产生热量，并逐渐积累，从而造成温度升高。
    c. 储气瓶内部的LPG燃料泵在汽车运行过程中始终处于运转状态，该LPG燃料泵在运转过程中产生大量的热，从而造成LPG温度升高。
   ② 不利影响
   a. LPG饱和蒸气压升高
   LPG储气瓶内部温度升高之后，容易造成储气瓶内部LPG饱和蒸气压升高。车用LPG的组成(质量分数)为丙烷70%、丁烷30%，50℃下LPG的饱和蒸气压约1.39MPa。目前在用的传统LPG汽车储气瓶内部LPG压力约0.66MPa。可见储气瓶内部压力有了大幅度的上升。我国车用LPG储气瓶的额定压力为1.6MPa，储气瓶的承压能力足够，其安全性符合国家要求。
   b. 液态LPG膨胀
   LPG的温度每升高10℃时，其液态体积膨胀4%左右。本公司夏季车用LPG储存温度维持在20℃。当LPG充装至汽车储气瓶中，假设温度立刻升至50℃，那么其液态体积将增加12.49%。可见液态LPG膨胀率比较大，如果过量充装将带来严重的安全隐患。
    c. 储气瓶压力过高导致加气不足
    由于LPG储气瓶内的压力过高，甚至高于加气机的加气压力，因此汽车在加气过程中容易出现加气不足或加气缓慢的现象。一方面造成驾驶员加气次数增多，另一方面也可能给驾驶员在交接班时带来利益纠纷。
   ③ 解决方法
   a. 目前笔者所在公司已经将该信息反馈给LPI系统生产单位的技术人员。之后，采取了如下的措施：调整LPG燃料泵的运行方式和运行参数，减少燃料泵产生的热量。该措施已经在该LPI型LPG出租车上予以应用，并取得了良好的效果。
    b. 汽车加气时严禁过量充装LPG。国内加气机已有预防过量充装装置，并且LPG充装率控制在85%，即LPG储气瓶内允许充装的液态LPG的体积最大为储气瓶容积的85%，该充装率满足LPG膨胀12.49%的要求。
5.3 汽车改装工艺变化较大
    LPI型LPG系统不同于在用的传统LPG系统，其主要部件也不一样。LPI系统的安装更加简单便捷，不需要安装LPG气化器、气态LPG调压器，不需要连接发动机水箱。但是LPI系统对喷射器的安装有严格的要求，需要在发动机进气歧管增开锥形螺纹口，并且在喷射器的固定和连接方面有更为严格的密封要求。
    要想完全达到这些技术要求，国内各LPG汽车改装或生产单位应在以下方面进行改进：
    ① 安装工艺的改进，包括安装的工艺流程、安装标准、试验要求等。
    ② 工作工器具的配置，在车辆的改装过程中需要在发动机进气歧管处增开锥形螺纹口，需要专门的T形开口器。
    ③ 安装工作人员的培训与技术要求。
    ④ 对驾驶员的培训等。
6 结论
    目前LPI型LPG汽车主要是在国外应用，比如韩国、德国、荷兰等国家。我国尚未进行推广应用。积极推广LPI型LPG汽车，是解决我国LPG汽车行业所存在的车用LPG气质不稳定、LPG汽车故障率高、汽车运营经济性优势不明显等问题的有效手段，对促进我国清洁燃料汽车事业具有积极的意义。
参考文献：
[1] 刘丽珍，邵震宇.LPG出租车用气指标及影响因素[J].煤气与热力，2007，27(6)：30-32.
[2] 殷乃勋，聂起耕，侯维群.车用LPG有害杂质的鉴别与脱除[J].煤气与热力，2005，25(7)：4-8.
 
(本文作者：姜磊 杭州绿能燃气开发应用有限公司 浙江杭州 310007)