使用LPG—柴油混合燃料的压燃式发动机燃烧与废气排放特性

1、使用LPG柴油混合燃料的压燃式发动机燃烧与废气排放特性摘要为了减少污染物排放， 尤其是来自直喷式 （DI ）柴油发动机排出的烟和氮氧化物，工程师们提出了各种解决方案，其中之一就是用气体燃料作为部分燃料补充柴油来使用。 使用液化石油气作为替代燃料是一种很有前景的解决方案。 柴油发动机中使用石油气很有潜力，既经济又环保。液化石油气其较高的自燃温度有非常大的优势，使得传统柴油发动机的压缩比能够维持下去。本文描述的是在一个单缸直喷式柴油机进行的实验研究，发动机已经过适当改动能在液化石油气-柴油混合燃料条件下运行，并使用不同混合率的液化石油气与柴油混合燃料（0 ， 10 ， 20 ， 30 ，40 ）。

2、比较结果是在不同的发动机转速和负载对比与传统的柴油和混合燃料对比下得出的， 来揭示混合燃料燃烧对发动机性能和尾气排放的影响。1。简介目前，各种替代燃料已在研究， 目的是减少柴油发动机柴油燃料的消耗和氮氧化物（ NOx ）和微粒排放量。 因为其十六烷值较低，液化石油气（ LPG）和压缩天然气（ CNG ）是最广泛使用点燃式发动机的燃料。斯内尔格罗夫等 1 指出，欧洲测试循环中，在25 C 时，与使用无铅汽油相比，使用LPG 给车辆减少排放带来了实质性的效益。根据报告碳氢化合物（ HC）排放量降低40 ，一氧化碳（ CO）的降低 60 ，二氧化碳（CO2 ）大幅减少。这主要因为，和汽油相比 LPG

3、有高的氢 / 碳比。根据Yoong 和 Watkins2 ，因其较高的热效率，所以，提高燃油经济利用可从使用LPG 的内燃机获得，而不是无铅汽油。这是因为LPG 有较高的辛烷值，通常纯丙烷辛烷值（RON ）为 112 ，这样能在高压缩比时阻止爆燃出现。Homeyer等3 指出，与使用无铅汽油对比，使用 LPG 时在功率输出方面存在一不利因素，原因是部分进气被LPG 取代，燃气的体积比远大于其液态。在双燃料压燃式（ CI）发动机中，液化石油气为主要燃料，一定数量的柴油作为点火源，像在传统柴油发动机里一样， LPG 和空气气一起引入和压缩。因其有高的自燃温度， LPG 和空气的混合气不会自燃。 少

4、量的柴油在压缩冲程快结束时注入缸内引燃混合气，这时柴油自燃并产生点火源给周围空气 -LPG 混合气。那些柴油可由传统柴油机的喷射装置喷入，其通常只是提供一小部分发动机功率输出4,5 。Karim等6,7 已经指出，双燃料发动机在低负荷，LPG 浓度更低时，注入的燃料点火延迟将增加，分散均匀的部分LPG 仍未燃，致使排放效果较差。因为 LPG- 空气混合气稀释了， 低负荷下的 LPG 燃烧效果欠佳导致高的 CO 和未燃 HC 含量的排放。但是， 在高负荷下， LPG 进气量增加会导致，在柴油雾化附近不受控制的反应速率增加，从而敲缸。本文的目的是考察一台测试的发动机在采用LPG- 柴油混合燃料，尾

5、气排放和运行特点。 正因如此，在作者的实验室的直喷式试验发动机上进行测试研究。 对试验机子适当改进后以适应使用混合燃料，有两套设备进行测量，均在变化的运行条件下进行，一是只使用柴油，另一个是使用混合燃料。 处理被测汽缸压力数据信息，从而推导揭示了混合燃料对放热速率、燃烧时间、着火延迟期,汽缸压力和有效油耗率 (b.s.f.c) 的影响。此外 ,排放测量数据的分析揭示了混合燃料燃烧对污染物形成机理的影响。2.LPG 和柴油的性能介绍液化石油气是由天然气生产和原油提炼的副产物。液化石油气和柴油的主要性能已经在表1中给出，在表里也给出了混合燃料的性能。可以看出， LPG在室温常压下是气态，需在压力保

6、持在约0.5兆帕和温度 25 条件下，来保证它是液态。为了表示出混合燃料中的LPG质量分数，我们使用了下面的表达式：当 z=0% ，代表柴油燃料， z=10%,z=20%,z=30%,z=40%表示 LPG在混合燃料里的质量分数。从表一可以看出，随着LPG 的质量分数的增加，混合燃料的质量低热值和蒸发热值也增加，但体积低热值确减少。3.1 实验设备使用的发动机为单缸，自然吸气，四冲程，风冷，直喷，高速，带燃烧室的 ZH1105W柴油发动机。该发动机的基本数据见图2。使用高压燃油泵喷射， 其喷嘴为直径 8 毫米，其有四个喷油孔 （每孔直径为0.32 毫米）。这个喷油嘴置于燃烧室中心，开启压力为1

7、8Mpa 。在本实验中， LPG柴油燃料如液化气燃料一样制备，如图1 。首先，往空 LPG 箱里灌入少量的柴油 ,其次，通过压缩氮气，在油箱里产生一定的压力（该压力不低于LPG 饱和蒸汽压）。最后，由加压氮气把一定质量的LPG 压到柴油里，用手摇LPG 管，并立即开展实验。燃料出口位于管底。混合燃料通过过滤器和电磁磁阀，直接进入注射泵，这样可以过滤杂质，迅速切断燃料供给，保证实验安全，并防止发动机受损。 混合燃料通过活塞注入汽缸，剩余的燃料则进入回油管，被回收利用。 LPG 的蒸汽压力非常高， 在燃油系统极易发生气阻 ,因此有必要把 LPG 压力加大到约 2.0Mpa ，防止氮气或气泵阻塞。带

8、计时功能的高精密电子秤每 30 秒测量燃油的流量。安装 Kistler电换能器和 Kistler 电荷放大器，用来监控汽缸压力（100 个工作周期取平均值），并使用 CB566 燃烧分析仪记录测量数据。 气体排放量的通过 ACLDigas4000测量，该仪器专门为专门检测NOx 的化学发光测量器， HC 由火焰电离探测分析仪 (FID) 分析， CO 和 CO2 由非分散（ NDIR ）红外分析仪分析。烟雾则由部分流烟雾不透明性测量仪测量（ AVLDismoke4000）。该实验安装如图1（b ）。测量装置的主要技术要求和解决方案如表3 所示。3.2 。试验条件检查对所处情况检验后空气进气温度

9、是23 C。测量是采取在 6 组不同的发动机负荷，相应于全负荷的15%,30%,45%,60%,75%和 90%,有两个发动机转速： 1500 和 2000r/ 分钟，其均在柴油和混合燃料下运行。当发动机正使用柴油运行时,阀门 1(V1) 是开放和阀门2(V2) 关闭 ,当发动机使用混合燃料运行时，V1 关闭和 V2 打开【如图 1(b) 】在发动机运行新一组混合燃料前,允用充分的时间消耗剩下的燃料。表4给出对应地柴油和混合燃料的质量流量率，并在所有的情况下进行了测定。混合燃料的平均燃料有效油耗率，是在柴油等量低热值的基础上计算得出的，所依据的计算公式如下4 热释放率试验的评估对于每一个操作条

10、件 ,记录下发动机的100 个压力循环，并从其中估计平均气缸压力迹线。 使用平均测量气缸压力图和上止点采集的信号，我们可以估计点火延时期，燃烧时间和放热率速率，然后从热释放速率估算燃烧持续时间和强度。 这是柴油机燃烧机理的信息的最宝贵来源。放热率图也为我们提供了燃烧初期有价值的信息，而燃烧初期是大部分 NOx 形成的时期。热释放率是通过热力学第一定律计算确定的。公式如下：其中热导率由下式给出：导热系数 h 使用 Woschni的传热系数。点火延迟是从喷油到压力急剧上升这段时间间隔。燃烧持续期是从燃烧放热开始到放热结束。5，结果与讨论如前所述，目前的主要工作范围是，通过运行现有的直喷式柴油机发动

11、机，考查混合燃料燃烧对发动机性能和排放的影响。在以下各段，所有的测试案例均已给出，重点的是燃烧机理和污染物的排放。由于发动机的脉冲特性， 我们始终在个工作条件下以3 次测量取平均采集数据。这使我们能够确定的所测数据可重复性，并估计测量精度。特别强调考虑到对污染物排放量的测量误差。为了保证所测值的精度高，气体分析仪必须在每次测量前使用参考气体校准。烟度计也务必在每次测量前调整到零点。为了估计测量的可重复性和程序的精度，每个测量参数的变化系数（ COV 的）是确定的。它代表每个数值平均数的百分比作为标准差。每个主要 COV 的测量参数列于表 5 。看这些值可以得出，测量是非常重复性的，特别是对发动

12、机的性能而言。 对于考虑到污染物排放量，COV 是小于 3.5 的气态污染物和3.8 的烟雾。通过实测数据，我们可以得出混合燃料对发动机性能和排放影响的合理结论。5.1 使用混合燃料对缸压和放热率的影响图 2 给出了发动机转速为1500 和 2000 转/ 分钟，负荷为满负荷的30 和 60 条件下的热释放率，其燃料为柴油Z=0 和混合燃料z=10 ， 20 ， 30 和 40 。结果表明，混合燃料的热释放率峰值比柴油稍高，在1500 转/ 分转速下随着 LPG 质量分数的增加保持不变。LPG 的质量分数低于20 时，2000r/min速与 1500 转/ 分钟情况是一样的，但是，当LPG 的

13、质量分数大于20 ，混合燃料的热释放率峰值明显下降。LPG-柴油混合燃料与柴油燃料相比，其热释放初始位置（以曲轴角度）延迟些，这种延迟会随着LPG 的质量分数增加而趋于增加，在高转速时（2000r/min）尤为明显。 LPG 质量分数的增加会降低混合燃料的十六烷值，增加点火延迟时间， 在点火延迟期内可燃烧的燃料数量增加了，随之热释放率的峰值还有预混合燃烧阶段放热量也增加。 由于混合燃料的密度降低， 为了达到同样水平的平均有效压力，需增加喷油时间。但是，由于LPG 低沸点，其瞬间沸腾喷射可以促进混合燃料的雾化，可在扩散燃烧阶段改善燃烧缩短燃烧时间 10 。同时，数据显示所有燃料几乎在同一位置释放

14、热量，这在另一个方面提供了，当LPG 质量分数低于20 或在1500r/min转速时，短时间扩散燃烧阶段发生的证据。在气缸的压力和温度相同的条件下，点火延迟表现为物理和化学的预燃阶段的准备时间，在时间（毫秒）变化很短，但随着发动机曲轴转速的增加而增加。放热曲线表明在低转速（1500r/min）和 / 或降低LPG 的质量分数（低于20 ）时，尖而短预混合燃烧阶段，而在高转速（ 2000r/min）和较高的LPG 质量分数（ 20 以上）时有平而长的预混合燃烧阶段。图 3 提供 1500 和 2000 转/ 分发动机转速，满负荷的 30% 和 60 条件下的点火延迟期。 结果表明，随着混合气中

15、LPG 质量分数的提高，点火延迟期也增加，情况在高转速（2000 转/ 分）趋于明显。以上的情况可解释为随着LPG 的质量分数的增加十六烷值降低。 此外，LPG-柴油混合燃料的蒸发热值随着LPG 质量分数的提高而提高，由于燃料蒸发，这种情况会使汽缸内气体温度下降。在发动机高转速时，较长的点火延迟是由于高转速的发动机在同一时间内转过更大的曲轴转角。图 4 给出了发动机的燃烧时间，条件是分别在柴油和混合燃料，在1500 和 2000r/min的转速下，载荷为满载荷的30% 到 60% 。总燃烧持续时间表现与LPG 质量分数之间关系可归为为两种形式。一种为低转 (1500r/min)LPG质量分数较

16、高（ 20% 以上）情况下燃烧期减少。由于长的点火延迟增加了预混燃烧阶段时间,在扩散燃烧阶段由于 LPG 的快速蒸发燃烧得到改善，从而缩短总燃烧时间。另一种情况是在发动机高转速 (2000r/min)LPG 质量分数较高（ 20% 以上）情况下 ,总燃烧时间增加。 在高转速 LPG 质量分数高于 20% 时，点火延迟增加趋于明显，热量释放曲线延迟至下一阶段，延长了燃烧期。图 5 给出了发动机的缸压，条件是分别在柴油和混合燃料，在1500和 2000r/min 的转速下，载荷为满载荷的 30% 到 60% 。结果显示缸压峰值随 LPG 质量分数增加而下降，情况在高速时更明显。这可被看作是十六烷值

17、和蒸发热值的影响， LPG 质量分数增加减少了混合燃料的十六烷值， 增加了点火延迟和在预混合阶段的燃料燃烧量，但增加 LPG 质量分数同时也增加蒸发热值，在燃料蒸发时减少了缸内气体温度。这两个因素解释了混合燃料缸内压力峰值的变化。5.2 使用混合燃料对有效油耗率的影响作为反映发动机载荷性能之一有效油耗率，其变化量已在图6 给出，分别为混合燃料与柴油，在1500 和 2000r/min转速条件下。通过发动机输出功率和燃料质量流率来估计平均油耗率。因此，所做的修正是考虑到LPG 与柴油在低热值上的差异。如图所示，当发动机负荷低于满负荷的55% 时，平均有效油耗率随着LPG 质量分数的上升而稍增大。

18、当发动机负荷大于满负荷的55% 时，各种燃料平均有效油耗几乎相同。通过对LPG 质量分数更高时的放热率分析，结果显示混合燃料的低利用率主要原因是发动机低载荷时缸内燃气温度较低，导致燃烧率减慢。5.3 使用混合燃料对氮氧化物排放的影响使用混合燃料和柴油的发动机排放的NOx 变化量已在图 7 给出，转速分别为 1500 和 2000r/min。众所周知， NOx 的形成是深受高氧浓度和高电荷温度的影响。 结果显示 NOx 集中量随着 LPG 质量分数增加而减少，当发动机载荷增加时其差量更大。主要原因是，LPG-柴油混合燃料的蒸发热值随LPG 质量分数增加而增加，燃料蒸发后会降低缸内温度。 最后考虑

19、到发动机车速的影响，当车度提高时与使用柴油相比，使用混合燃料能进一步减少NOx 的排放量。5.4 使用混合燃料对烟气排放的影响烟气的不透明性作为反映发动机载荷性能之一，其变化量已在图8中给出，分别为混合燃料与柴油，在1500 和 2000r/min转速条件下。从图中可以看出，光吸收系数随着LPG 质量分数的增加而降低。原因是 LPG 的沸点较低，易蒸发。一旦自由喷入，LPG 会因降压而快速蒸发，这种快速沸腾喷射可以增强气体紊流，在雾化区域有压力波动。气体紊流必然改善雾化过程。而雾化可以使混合燃料微滴小于柴油微滴。由于燃料分解，长时间保持的液滴降低了颗粒物的污染。5.5 使用混合燃料对CO 排放

20、的影响作为反映发动机载荷性能之一的CO 排放，其实验结果见图9。分别为混合燃料与柴油， 在 1500 和 2000r/min转速条件下。已经知道，CO 形成率是由未燃气态燃料和混合温度综合作用的，这两者均控制燃料的分解和氧化。 很明显可看出， 随着 LPG 质量分数增加， CO 排放在发动机低载荷时稍增加，在高载荷时明显降低。主要原因是，在发动机低负荷时缸内气体温度低， 在高负荷时快速沸腾喷射能加强燃料与空气的混合效率，让混合燃料更多机会接触空气。转速由1500r/min到 2000r/min增加时并无大的影响，因为其他的范例也出现同样结果。当LPG 质量分数增至 30% ，混合燃料的 CO

21、排放与柴油的几乎相同（见图10 ），在 40% 左右排放稍增加。5.6 使用混合燃料对未燃HC 排放的影响未燃 HC 集中作为反映发动机载荷性能之一，其变化量已在图11给出，分别为混合燃料与柴油， 在 1500 和 2000r/min转速条件下。据观测，尾气中未燃 HC 的变化量与发动机燃烧过程质量相一致。从图中可看出，在低负荷时，HC 排放随着 LPG 质量分数增加而增加，高负荷时也相差无几。 主要原因是，在低负荷 LPG 质量分数增加时，使用混合燃料缸内气体温度较低，而LPG 里含有较多的芳香族HC很稳定不易完全燃烧。 从另一方面来说， 良好的物化可以减少混合燃料接近缸壁，这样可以大大减少HC 集中。总结在本文