LPG／柴油双燃料发动机排放性能研究

1、LPG柴油双燃料发动机排放性能研究2004-4-1分享到： QQ空间 新浪微博 开心网 人人网 边耀璋 祁东辉 张春化 长安大学引言近年来，我国一些城市相继将柴油车赶出了市区，这种做法，与国际上几十年来汽车动力的柴油化趋势恰恰相反，可能会对我国柴汕车的发展带来一定的负面影响。禁止柴油车进城是一种行政手段，从管理角度，该禁止的应当是所有小符合国家有关法规、标准或规范的车辆，不论它是甚麽车型，哪怕它是牌子很亮的进口车或者是标称的绿色燃料汽车。而不应当以车类或车型为界笼统地一刀切。这些城市发布禁柴令的理由大体上都是认定柴油车所造成的污染比汽油车严重，这个认识显然与业界的看法相反。原因是柴油车排污中的

2、微粒浓度的确大于汽油车且微粒直观上表现为排气冒黑烟，看得见摸得着，很容易给人以柴油车比汽油车排污严重的表象。如果柴油机的技术水平欠高，则会使误解加深。应当正视，我国的柴油车水平与国外先进水平还存在很大的差距。柴油车尤其是柴油公交车冒黑烟问题确实是大城市尤其是旅游开放城市的心头病。不管是否禁止柴油车进城，努力提高我国柴油车的技术水平、降低柴油车排污并着重解决冒烟问题都应是当务之急。1 治理柴油车排污的技术途径治理柴油车污染的渠道，一是从改进柴油机的燃烧系统和燃料供给系统、采用电控技术和后处理技术等方面着，扎扎实实地提高柴油机的技术水平；二是以原柴油机为基础采取一定的技术措施后，改烧或掺烧绿色气体

3、燃料，如天然气(CNG)、液化石油气(LPG)等。第一项措施是常规技术措施，本文讨论第二项，即代用燃料方面的措施，这是一项在现有技术水平的基础上可以使柴油机冒烟大幅度下降的措施。考虑到液化石油气携带和加注比天然气方便，能量密度大、续驶里程长，本文侧重介绍液化石油气的应用。2 LPG柴油双燃料的应用方式柴油车燃用液化石油气的技术途径有改为点燃式发动机和采用LPG柴油双燃料两大类。改为点燃式发动机方案是将柴油机从压燃式改为点燃式，一般是单烧LPG，也可以LPG汽油两用。由于将柴油机改为电火花点燃式LPG发动机，必须较大幅度地降低压缩比，原柴油机机件的强度余量太大，相当不合理，较少采用。而将柴油机改

4、为电火花点燃式LPG发动机有多年的研究和实践。这项工程通常由生产柴油机的厂家实施。对柴油机改为点燃式发动机方案本文不做进一步探讨，LPG柴油双燃料方案是将LPG和柴油先后或同时供入气缸、两种燃料共同参与燃烧的方案。LPG柴油双燃料在压燃式发动机上的供给方式主要有LPG与柴油混合喷射和LPG预混进气加柴油喷射两种。1)LPG与柴油混合喷射该方案是指将LPG与柴油事先混合，之后一同喷入气缸。本研究采用的方案是利用高压氮气使LPG液化并与柴油形成混合燃料。在供油管路上连接一个耐高压；过滤器和电磁阀，可过滤混合燃料的杂质和及时切断供油，保证试验的安全和防止对发动机的损坏，燃料供给系统图1所示。2)LP

5、G预混进气加柴油喷射 LPG预混进气有真空进气和直接喷射两类。真空进气是当前一种主要的应用方案，系统简图如图1所示。原机结构基本不变的情况下加装套LPG供给装置。具体为LPG经蒸发、减压后在进气管通过一个混合器与空气进入气缸，在活塞到达压缩行程上止点前，喷入小部分柴油(通常称引燃油)引燃。要求引燃油喷射系统有不同于柴油机的特性，主要包括自动地射少量油的能力以及适时喷时间，并且具有良好的贯穿和重复性，这对双燃料发动机的性能和排欣有很大的影响。LPG直接喷射有单点喷射和多点喷射之分。单点喷射足指用一个喷嘴将LPG喷人进气歧管的适当部位，与空气混合，进一步在气缸内形成均质混合气。压缩行程接近终了喷入

6、引燃。该方案与真空进气相比能较精确地控制LPG燃料量；多点喷射是指用多个喷嘴将LPG喷人各缸进气门处，其优点除能精确地控制LPG燃料量外，并能保证各缸优良的燃料分配。上述两种方案，发动机性能优于真空进气，但改动较大，改装成本高。柴油喷射系统主要有机械控制、机电控制和电脑控制等三种类型。由于双燃料发动机只需要少量的引燃油，故不论采用那种喷油系统，都不能原封不动地应用。如对于机械控制燃油喷射系统应采取一些措施改变或取消调速装置对燃油量的控制等。3 试验用发动机和试验用仪器本文对不同供给方案的LPG柴油双燃发动机的排放特性分别进行了试验分析和比较。试验在卧式、单缸、四冲程、自然吸气、水冷直喷式ZH1

7、105W型柴油机上进行。该机采用浅w型燃烧室，以适当的进气涡流帮助形成混合气。发动机的主要技术参数如表1所示。表1发动机的主要技术参数技术规格柴油LPG柴油混合液缸径行程（mm）105/115连杆长度（mm）185吸气方式自然吸气冷却方式水冷燃烧室形状w型压缩比例16.5标定功率转速11.03kW/2000r/min供油提前角（。CABTDC）22+2可调喷油压力（MPa）18.6+0.491626试验用柴油是商用0柴油，试验用LPG燃料为西安石油化工总厂生产的LPG,LPG的密度（15。C）为536kg/m3，蒸汽压（37.8。C）不大于1380kPa，C5及C5以上组分含量不大于3.0%(

8、V/V)，蒸发残留物不大于0.05ml/100ml,铜片腐蚀不大于1级，硫化含量不大于343mg/m3，目测无游离水。测量装置列于表2，试验装置如图3所示。表2试验测量仪器测量项目仪表名称型号生产厂家扭矩水力测功机德国转速柴油转速仪CE-571日本小野进气流量双纽线流量计自制燃油流量流量传感器TP-224日本小野数字流量计DF-313燃料消耗量电子天平69100KX沈阳龙腾有限公司排气温度铬铝合金热电偶59-11上海自动化仪表三厂毫伏指温控制计上止点信号光电式传感器Kistler曲轴转角发生器PA-500日本小野起缸压力6051BKistler压力信号CB-566日本小野5019BKistle

9、r噪声ND2江西红声器材厂烟度DidSmoke 4000奥地利AVL公司CO、HC、NOxDiGas4000奥地利AVL公司1发动机 2水力测功机 3光感传感器 4曲轴转角发生器 5。CB566燃烧分析仪 6计算机 7电荷放大器 8压力传感器 9五气分析仪 10烟度计 11排温传感器 12电子天平 13LPG钢瓶 14氮气瓶 15过滤器 16电磁阀 17喷油泵 18油耗计 19柴油箱 20空气稳压箱 21空气流量计两点说明； 混合燃料消耗量的测量 采用具有自动计时功能的高精度电子天平计量LPG柴油混合燃料的消耗量，燃料箱使用车用LPG，钢瓶，钢瓶上的燃料出口位于其底部，回油口位于其上部。排气成

10、份的测定废气排放的测试采用奥地利里斯特内燃机研究所(AVL公司)生产的AVL Digas4000发动机排气五气分析仪，测量原理为：NOx采用化学发光法(CLD)，CO、CO2和HC采用不分光红外线法(NDIR)，O2用顺磁法。烟度测量采用AVL Dismoke4000部分流不透光烟度计。用光吸收系数K(m-1)表示烟度值，它与烟度N的关系为：式中：S为光通路的有效长度。试验中所用的主要测量仪器和监控仪表见表2。试验台架的总体布置见图3。 4 混合喷射双燃料排放特性 试验表明，当LPG的质量掺混比达40(E40)以上时，发动机起动困难，特别是发动机运行一段时间后，发动机整体温度升高，停机后无法再

11、起动，所以对LPG质量掺混比分别为10、20、30(分别计为E10、E20、E30)时的排放性能进行研究并与纯柴油（0号柴油）进行了对。表1是LPG、柴油混合燃料主要物理性质比较表3LPG、柴油和混合燃料主要物理性质比较燃料性质 柴油LPGE10E20E30密度（液态），kg/m3810560775744672质量低热值MJ/kg42.546.342.2843.2643.64体积低热（液态）MJ/kg33442525928331853218529326理论空燃比kg/kg14.315.514.4214.5414.661)碳烟排放碳烟生成的根本条件是高温、缺氧。柴油机的非均质燃烧导致燃烧时燃料分

12、子往往被高温火焰或燃烧产物包围。这一特点决定了碳烟生成的必然性。初生的碳烟颗粒物是表面积很大的疏松团状结构，不断聚集，颗粒物变大，一直聚集到llOm，而且有很强的亲和力，它能吸附高分子量的有机物。研究发现，燃烧中碳烟的浓度是先上升到最大值，然后浓度下降，这表明在燃烧的初期和中期会形成大量的碳烟，其中很大一部分在燃烧的后续过程中会被烧掉。碳烟的形成过程和部分消失过程几乎是同时连续进行的。碳烟的生成主要是在燃烧的初期和中期，而碳烟的氧化主要是在燃烧的中期和后期。图4和图5分别为转速和负荷对发动机燃用混合燃料和柴油时烟度排放的影响。由图可见，混合燃料发动机烟度排放随负荷和转速的变化趋势与柴油机基本相

13、同，在一定转速下，随负荷的增加，烟度排放在较低负何增加缓慢，在较大负荷增加较快。负荷增加，每循环供油重增加，即过量空气系数减少，燃空比增加，燃烧向缺氧方向发展，从而使烟度增加。烟度排放随转速的变化是先增后减，在最大转矩点附近达到最大值。由于LPG的混入，混合燃料在宽广的负荷范围内可大幅度改善烟度，掺混比越大，改善越明显。转速对混合燃料发动机烟度的影响较小，低负荷烟度改善幅度不大，高负荷的改善效果明显。当平均有效压力Pme为027MPa和062MPa时，E10混合燃料发动机烟度的K值分别由02m-1和328m-1降为004m-1和121m-10另外，?昆合燃料使发动机烟度排放处于低颗粒排放水平的

14、负荷范围扩大。例如，1500rmin负荷特性曲线烟度排放的K值低于10m-1的负荷范围，柴油为平均有效压力小于0.45Mh，但对于正10和正30混合燃料，平均有效压力升高到0印MP2。这是因为LPG的沸点低、易于汽化，混入柴油中减压沸腾而促进雾化，形成的油束雾化质量高，混合燃料能快速而均匀地与空气形成混合气，提高扩散燃烧速率，从而有利于抑制碳烟的生成和排放。另外，掺混比较大时，由于LPG汽化吸热，燃烧温度显著降低，也是烟度减小的一个因素。混合燃料排气中碳烟少，发动机的冒烟极限功率比单烧柴油时大。2) NOx排放NOx县燃烧过程中形成的多种氮氧化物，如N0、N02、N203、N205等，在内燃机

15、中主要是NO，其次是N02。当燃烧温度超过2000。C时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合成NO，所以NO的生成主要取决于燃烧温度、氧的浓度以及燃气在商温和富氧的条仟下逗留的时间。高温足最重要的条件，即使氧很充足，但燃烧温度不高时，氧的分解进行也很慢，NO的生成浓度低；NO生成与反应时间有关，如果燃气在高温和富氧的条件下逗留的时间长，N0的生成量必然增加。图6为发动机燃用混合燃料和柴油时NO，I排放的外特性对比。由图可见，随着转速的升高，发动机燃用混合燃料与柴油时NOx排放浓度都略有降低，这是因为转速越商，在供油提前角一定时，提前喷油的实际时间缩短，使参加预混合燃烧的燃油量较少，初期放热量

16、和放热率峰值较低，从而使最高燃烧温度较低。同时，转速高，以ms计的燃烧持续时间较短，缸内高温持续时间短。这两个因素都促使在高速时NOx的生成和排放浓度下降。但是，转速的改变会引起燃烧室内涡流、挤流和紊流强度的改变，改变了混合气形成的速度和品质，从而影响到NOx排放的浓度。另外还可以看出，E10混合燃料的NOx排放略高于柴油，这是因为由于LPG的混入，预混合放热量增加，燃烧后期的扩散燃烧放热量减少，且燃烧期缩短。但E30混合燃料的NOx排放却大幅度下降，平均值比柴油机的NOx排放下降了40左右。这是因为随着LPG混入量的增加，混合，气热值减小，同时滞燃期增长，燃烧过程严重滞后，燃烧温度降低，另外

17、，由于LPG的汽化吸热而使初期燃烧温度较低，所以NOx排放显著降低。图7给出了发动机燃用混合燃料与柴油时NOx排放浓度随负荷变化的曲线比较。由图可以看出，发动机燃用混合燃料时，随负荷的增加，NOx排放浓度增加。但从低负荷到中负荷时，NOx的增加速度大；而从中负荷到高负荷时，NOx的增加速度变小，曲线趋于平缓，与燃用柴油时的规律相同。这是因为随着负荷的增加，循环供油量增加，最高燃烧温度增加，过量空气系数减小到逐步接近于产生最大NOx的值(105)。与外特性曲线相似，E10混合燃料在不同转速的负荷特性上的NOx排放在某些较高负荷范围内略高于柴油，而正30混合燃料的NOx排放在整个负荷范围内有较大幅

18、度降低，负荷越小，降低幅度越大，其原因仍与LPG的物理和化学性质有关。柴油机降低NOx排放和碳炯排放存在著矛盾，降低其中其一项必然导致另一项的增加。LpG混入些油，在掺混比较大时可同时降低二者的排放，从而成功地解决了这一茅盾。3) HC 排放 柴油机的工作原理为喷油压燃，燃料停留在燃烧室中的时间比汽油机短的多，因而受壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小，柴油机的HC排放较低。柴油机未燃HC的排放主要来自燃料喷注的外缘混合过度造成的过稀混合气区，结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的HC排放高于全负荷工况。图8为发动机燃用混合燃料和柴油时HC徘放的速度特性对比。从图中可以看出，转速对

19、发动机燃用混合燃料时HC排放的影响趋势为：随着转速的升高，HC排放略有降低，这一变化趋势与发动机燃用柴油时不大相同。另外，E10混合燃料的HC排放比柴油略右提高，而E30混合燃料的HC排放则相对较高。这是多种因素综合影响的结果。首先因为LPG的十六烷值低于柴油，混合燃料的十六烷值也相对较低，着火性能差，滞燃期延长，其未燃HC和裂解HC均多。同时，LPG的芳香烃含量高，所以HC排放有增大的倾向。另一方面，混合于柴油中的LPG减压沸腾而促进雾化，并且附着于壁面的混合燃料量减少使HC排放大幅度下降，所以混合燃料的HC排放增加不明显。而柴油机未燃HC主要是局部浓度或瞬时浓度过浓或过稀，超出可燃界限，柴

20、油不能完全燃烧造成的。图9为发动机燃用混合燃料和柴油时HC排放的负荷特性对比。由图可以看出：转速一定时，随着负荷的升高，柴油机HC排放浓度增加较明显，而混合燃料的HC排放变化不大。这是因为，在固定转速下，随著负荷的升高，每循环供油量增大，过量空气系数减小，混合气逐渐变浓，使得未燃HC增多，排放浓度增大。对混合燃料而言，随负荷的升高，燃烧温度升高，混合在柴油中的LPG减压沸腾而促进雾化，与空气混合均匀，或附着于壁面的燃料量减少，所以HC排放几乎没有变化。4) CO排放CO是一种不完全燃烧产物，其生成主要受混合气浓度的影响。控制CO排放量的主要因素是可燃混合气的过量空气系数。柴油机总是在稀混合气下

21、运行，CO的排放很低，只有在负荷很大接近冒烟界限时才急剧增加。 图10为柴油机燃用混合燃料和柴油时CO排放的外特性对比。由图可以看出，随着转速的升高，混合图10 CO排放的外特性对比 图11 CO排放的负荷特性对比燃料的CO排欣浓度略有增加，而柴油的CO排放浓度几乎没有变化。这是因为随著转速的升高，混合气形成和燃烧的时间变短，混合气品质变差，混合不均匀的现象加剧，部分co来不及继续氧化而排出缸外。从图中还可以看出，混合燃料的CO排放明显低于柴油，这是因为LPG混入柴油改善了燃料的雾化质量，提高了 燃料与空气的混合效率，掺混比越大，降低越明显。图11为柴油机燃用混合燃料和柴油时CO排故的负荷特性

22、对比。由图可见，混合燃料的CO排放随负荷的变化趋势与柴油的基本相同，即先减少，后增加，有一个最低值。在小负荷，E30混合燃料的CO排放略高，在大负荷柴油和E10的略高，总的来说变化不明显。分析原因：在高负荷，局部缺氧加剧，使CO不能充分燃烧成最终产物C02。在小负荷，燃烧温度降低，混合气浓度随负荷的降低而变稀。局部区域温度过低和混合气过稀的情况严重，使CO失去温度条件而不能继续氧化为C02。另外，火焰在低温区猝熄现象严重，也使CO的排放增加。5 LPG预混真空进气双燃料排放特性图12为1500rmin不同负荷下预混进气双燃料发动机排放随LPG替代率的变化曲线。从图中可以看出，该方式下运行双燃料

23、发动机的排放与其运行工况有很大关系。1)碳烟排放试验表明，双燃料工况的碳烟排放在整个负荷范围都低于纯柴油工况。这是因为双燃料运行时，LPG与空气在进气过程中进行预混合，当引燃油喷人时，混合气已相当均匀，很少会因为局部缺氧而生成碳烟。生成碳烟的唯一可能是柴油的燃烧，但在后续的燃烧过程中右充足的时间使这些物质燃烧完全。当然，来自缸壁的润滑油和柴油的未燃物会形成微粒，所以双燃料发动机仍会有微粒排放。另外，随着替代率的升高，碳烟排放下降。在较大负荷时，掺烧LPG，对于降低碳烟排放有明显效果，尤其在替代率增高的初期，随着替代率的升高，烟度急剧下降。2)N0x排放在中、小负荷，双燃料发动机的NOx排放随替

24、代率的增大略有降低：大负荷则相反，随着负荷的升高，NOx排放浓度明显增加。这是因为双燃料发动机大部分NOx在引燃油区生成，这里有较高的局部温度和校长的反应时间。替代率提高，引燃油量减少，引燃油区域减小，NOX排放降低，但在大负荷，燃烧温度升高，替代率提高后预混合燃烧量迅速增加，导致NOX排放升高。3)HC排放预混进气双燃料发动机HC的排放很高，如图所示。在整个负荷范围HC排放随替代率的升高而升高，在小负荷工况尤为明显。有很多原因：HC排放主要是由于在压缩时未燃的LPG空气混合气被挤入缝隙，这些缝隙包括活塞顶面积，柴油机有相对较大的活塞顶面积，能容纳较多量的未燃混合气，增加了HC的排放。HC排放

25、的另一来源是发动机气缸的扫气过程。大多数高速柴油机在进气门开启和排气门关闭之间存在一个重叠角。这可使空气流过气缸而高效地扫除废气，降低缸内温度，提高最大输出功率。由于双燃料发动机利用预混的LPG空气混合气，同样的过扫气会使未燃的混合气直接排出缸外。小负荷工况，混合气非常稀，部分LPG空气混合气和不完全燃烧产物都将会在排气行程中排出气缸，HC的排放会很高。另外，燃用稀混合气和引燃油量较少时，仅仅渗入引燃区及其周围的温度较高的LPG燃烧，加浓混合气也只能使放热率的后续部分有一些增加，主要靠引燃油燃烧的放热率的前部分几乎没有变化。然而，在大负荷时，混合气较浓，火焰传播速度快，整个放热率都有很大的提高

26、。降低小负荷稀混合气运行时排放中HC的浓度可以采取以下一些措施：增大引燃油燃烧区域面积，在上止点附近加快火焰传播速度。另外，引燃油量及其喷射特性对HC排放有很大的影响。在小负荷时应适当增大引燃油量而大负荷时应大幅减少。其它降低HC排放量的措施，优化引燃油的喷射特性，喷射时间提前或预热混合气。另外，给双燃料发动机捉供过重的空气使HC在排气管内进一步氧化而不致排到大气中。4)CO排放预混进气双燃料发动机运行时，在通常情况下，C0是由于LPG氧化反应不壳全而生成的。随着替代率的提高，CO排放浓度升高，在中、小负荷升高幅度较大，在大负荷升高幅度较小。这是因为CO主要形成于引燃油燃烧区附近的LPG的燃烧

27、，在小负荷时，LPG空气混合气非常稀，由于燃烧过程不能进行到整个气缸充量和相对较慢，CO不能进一步氧化，一些CO可能会保留到排气行程，替代率越高，这种现象越明显，因此，CO的排放量很高。随着负荷的升高，CO排放量有所下降，最后接近于柴油机的水平。这是因为燃烧过程能扩展到整个气缸，燃烧迅速完全，燃烧温度提高。另外、小负荷运行时CO的浓度主要依赖引燃油区域的大小，较多的引燃油会产生浓度高的CO。降低CO排放可采取一些措施，如提高进气温度会增强CO的氧化。另外，对一定的引燃油量，喷射特性会改变LPG的利用程度来影响CO的浓度。引燃油的燃烧对CO的直接影响非常小。6 柴油机燃用LPG两种方式的排放比较图13给出了发动机燃用LPG两种方式的排放特性对比。试验工况为转速1500rmin的负荷特性，预混进气双燃料发动机(预混进气)LPG替代率为20，混合喷射双燃料发动机(混合喷射)LPG掺混比为20。由图可以看出，在整个负荷范围内混合喷射双燃料发动机的NOX排放明显高于预混进气双燃料发动机。这是因为预混进气双燃