使用LPG—柴油混合燃料的壓燃式發(fā)動機燃燒與廢氣排放特性

1、 使用LPG柴油混合燃料的壓燃式發(fā)動機燃燒與廢氣排放特性摘要 為了減少污染物排放，尤其是來自直噴式（DI）柴油發(fā)動機排出的煙和氮氧化物，工程師們提出了各種解決方案，其中之一就是用氣體燃料作為部分燃料補充柴油來使用。使用液化石油氣作為替代燃料是一種很有前景的解決方案。柴油發(fā)動機中使用石油氣很有潛力，既經(jīng)濟又環(huán)保。液化石油氣其較高的自燃溫度有非常大的優(yōu)勢，使得傳統(tǒng)柴油發(fā)動機的壓縮比能夠維持下去。 本文描述的是在一個單缸直噴式柴油機進行的實驗研究，發(fā)動機已經(jīng)過適當(dāng)改動能在液化石油氣-柴油混合燃料條件下運行，并使用不同混合率的液化石油氣與柴油混合燃料（0，10，20，30，40）。比較結(jié)果是在不同的發(fā)

2、動機轉(zhuǎn)速和負載對比與傳統(tǒng)的柴油和混合燃料對比下得出的，來揭示混合燃料燃燒對發(fā)動機性能和尾氣排放的影響。1。簡介 目前，各種替代燃料已在研究，目的是減少柴油發(fā)動機柴油燃料的消耗和氮氧化物（NOx）和微粒排放量。因為其十六烷值較低，液化石油氣（LPG）和壓縮天然氣（CNG）是最廣泛使用點燃式發(fā)動機的燃料。斯內(nèi)爾格羅夫等1指出，歐洲測試循環(huán)中，在25 C時，與使用無鉛汽油相比，使用LPG給車輛減少排放帶來了實質(zhì)性的效益。根據(jù)報告碳氫化合物（HC）排放量降低40，一氧化碳（CO）的降低60，二氧化碳（CO2）大幅減少。這主要因為，和汽油相比LPG有高的氫/碳比。根據(jù)Yoong和Watkins 2，因其

3、較高的熱效率，所以，提高燃油經(jīng)濟利用可從使用LPG的內(nèi)燃機獲得，而不是無鉛汽油。這是因為LPG有較高的辛烷值，通常純丙烷辛烷值（RON）為112，這樣能在高壓縮比時阻止爆燃出現(xiàn)。 Homeyer等3指出，與使用無鉛汽油對比，使用LPG時在功率輸出方面存在一不利因素，原因是部分進氣被LPG取代，燃氣的體積比遠大于其液態(tài)。在雙燃料壓燃式（CI）發(fā)動機中，液化石油氣為主要燃料，一定數(shù)量的柴油作為點火源，像在傳統(tǒng)柴油發(fā)動機里一樣，LPG和空氣氣一起引入和壓縮。因其有高的自燃溫度，LPG和空氣的混合氣不會自燃。少量的柴油在壓縮沖程快結(jié)束時注入缸內(nèi)引燃混合氣，這時柴油自燃并產(chǎn)生點火源給周圍空氣-LPG混合

4、氣。那些柴油可由傳統(tǒng)柴油機的噴射裝置噴入，其通常只是提供一小部分發(fā)動機功率輸出4,5。 Karim 等 6,7已經(jīng)指出，雙燃料發(fā)動機在低負荷，LPG濃度更低時，注入的燃料點火延遲將增加，分散均勻的部分LPG仍未燃，致使排放效果較差。因為LPG-空氣混合氣稀釋了，低負荷下的LPG燃燒效果欠佳導(dǎo)致高的CO和未燃HC含量的排放。但是，在高負荷下，LPG進氣量增加會導(dǎo)致，在柴油霧化附近不受控制的反應(yīng)速率增加，從而敲缸。 本文的目的是考察一臺測試的發(fā)動機在采用LPG-柴油混合燃料，尾氣排放和運行特點。正因如此，在作者的實驗室的直噴式試驗發(fā)動機上進行測試研究。對試驗機子適當(dāng)改進后以適應(yīng)使用混合燃料，有兩套

5、設(shè)備進行測量，均在變化的運行條件下進行，一是只使用柴油，另一個是使用混合燃料。處理被測汽缸壓力數(shù)據(jù)信息，從而推導(dǎo)揭示了混合燃料對放熱速率、燃燒時間、著火延遲期,汽缸壓力和有效油耗率(b.s.f.c)的影響。此外,排放測量數(shù)據(jù)的分析揭示了混合燃料燃燒對污染物形成機理的影響。 2.LPG和柴油的性能介紹 液化石油氣是由天然氣生產(chǎn)和原油提煉的副產(chǎn)物。液化石油氣和柴油的主要性能已經(jīng)在表1中給出，在表里也給出了混合燃料的性能?？梢钥闯觯琇PG在室溫常壓下是氣態(tài)，需在壓力保持在約0.5兆帕和溫度25條件下，來保證它是液態(tài)。為了表示出混合燃料中的LPG質(zhì)量分數(shù)，我們使用了下面的表達式： 當(dāng)z=0%，代表柴油

6、燃料，z=10%,z=20%,z=30%,z=40%表示LPG在混合燃料里的質(zhì)量分數(shù)。從表一可以看出，隨著LPG的質(zhì)量分數(shù)的增加，混合燃料的質(zhì)量低熱值和蒸發(fā)熱值也增加，但體積低熱值確減少。3.1實驗設(shè)備 使用的發(fā)動機為單缸，自然吸氣，四沖程，風(fēng)冷，直噴，高速，帶燃燒室的ZH1105W柴油發(fā)動機。該發(fā)動機的基本數(shù)據(jù)見圖2。使用高壓燃油泵噴射，其噴嘴為直徑8毫米，其有四個噴油孔（每孔直徑為0.32毫米）。這個噴油嘴置于燃燒室中心，開啟壓力為18Mpa。在本實驗中，LPG柴油燃料如液化氣燃料一樣制備，如圖1。首先，往空LPG箱里灌入少量的柴油,其次，通過壓縮氮氣，在油箱里產(chǎn)生一定的壓力（該壓力不低于

7、LPG飽和蒸汽壓）。最后，由加壓氮氣把一定質(zhì)量的LPG壓到柴油里，用手搖LPG管，并立即開展實驗。燃料出口位于管底?；旌先剂贤ㄟ^過濾器和電磁磁閥，直接進入注射泵，這樣可以過濾雜質(zhì)，迅速切斷燃料供給，保證實驗安全，并防止發(fā)動機受損。混合燃料通過活塞注入汽缸，剩余的燃料則進入回油管，被回收利用。LPG的蒸汽壓力非常高，在燃油系統(tǒng)極易發(fā)生氣阻,因此有必要把LPG壓力加大到約2.0Mpa，防止氮氣或氣泵阻塞。 帶計時功能的高精密電子秤每30秒測量燃油的流量。安裝Kistler電換能器和Kistler電荷放大器，用來監(jiān)控汽缸壓力（100個工作周期取平均值），并使用CB566燃燒分析儀記錄測量數(shù)據(jù)。氣體排

8、放量的通過ACL Digas 4000測量，該儀器專門為專門檢測NOx的化學(xué)發(fā)光測量器，HC由火焰電離探測分析儀(FID)分析，CO和CO2由非分散（NDIR）紅外分析儀分析。煙霧則由部分流煙霧不透明性測量儀測量（AVL Dismoke 4000）。該實驗安裝如圖1（b）。測量裝置的主要技術(shù)要求和解決方案如表3所示。3.2。試驗條件檢查對所處情況檢驗后空氣進氣溫度是23C。測量是采取在6組不同的發(fā)動機負荷，相應(yīng)于全負荷的15%,30%,45%,60%,75%和90%,有兩個發(fā)動機轉(zhuǎn)速：1500和2000r/分鐘，其均在柴油和混合燃料下運行。 當(dāng)發(fā)動機正使用柴油運行時,閥門1(V1)是開放和閥門

9、2(V2)關(guān)閉,當(dāng)發(fā)動機使用混合燃料運行時，V1關(guān)閉和V2打開【如圖1(b)】在發(fā)動機運行新一組混合燃料前,允用充分的時間消耗剩下的燃料。表4給出對應(yīng)地柴油和混合燃料的質(zhì)量流量率，并在所有的情況下進行了測定?；旌先剂系钠骄剂嫌行в秃穆?，是在柴油等量低熱值的基礎(chǔ)上計算得出的，所依據(jù)的計算公式如下4 熱釋放率試驗的評估對于每一個操作條件,記錄下發(fā)動機的100個壓力循環(huán)，并從其中估計平均氣缸壓力跡線。使用平均測量氣缸壓力圖和上止點采集的信號，我們可以估計點火延時期，燃燒時間和放熱率速率，然后從熱釋放速率估算燃燒持續(xù)時間和強度。這是柴油機燃燒機理的信息的最寶貴來源。放熱率圖也為我們提供了燃燒初期有價

10、值的信息，而燃燒初期是大部分NOx形成的時期。熱釋放率是通過熱力學(xué)第一定律計算確定的。公式如下：其中熱導(dǎo)率由下式給出：導(dǎo)熱系數(shù)h 使用 Woschni的傳熱系數(shù)。點火延遲是從噴油到壓力急劇上升這段時間間隔。燃燒持續(xù)期是從燃燒放熱開始到放熱結(jié)束。5，結(jié)果與討論如前所述，目前的主要工作范圍是，通過運行現(xiàn)有的直噴式柴油機發(fā)動機，考查混合燃料燃燒對發(fā)動機性能和排放的影響。在以下各段，所有的測試案例均已給出，重點的是燃燒機理和污染物的排放。 由于發(fā)動機的脈沖特性，我們始終在個工作條件下以3次測量取平均采集數(shù)據(jù)。這使我們能夠確定的所測數(shù)據(jù)可重復(fù)性，并估計測量精度。特別強調(diào)考慮到對污染物排放量的測量誤差。為

11、了保證所測值的精度高，氣體分析儀必須在每次測量前使用參考氣體校準。煙度計也務(wù)必在每次測量前調(diào)整到零點。 為了估計測量的可重復(fù)性和程序的精度，每個測量參數(shù)的變化系數(shù)（COV的）是確定的。它代表每個數(shù)值平均數(shù)的百分比作為標準差。每個主要COV的測量參數(shù)列于表5?？催@些值可以得出，測量是非常重復(fù)性的，特別是對發(fā)動機的性能而言。對于考慮到污染物排放量，COV是小于3.5的氣態(tài)污染物和3.8的煙霧。通過實測數(shù)據(jù)，我們可以得出混合燃料對發(fā)動機性能和排放影響的合理結(jié)論。5.1使用混合燃料對缸壓和放熱率的影響 圖2 給出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500和2000轉(zhuǎn)/分鐘，負荷為滿負荷的30和60條件下的熱釋放率，其燃料

12、為柴油Z = 0和混合燃料z = 10，20，30和40。結(jié)果表明，混合燃料的熱釋放率峰值比柴油稍高，在1500轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下隨著LPG質(zhì)量分數(shù)的增加保持不變。LPG的質(zhì)量分數(shù)低于20時，2000r/min速與1500轉(zhuǎn)/分鐘情況是一樣的，但是，當(dāng)LPG的質(zhì)量分數(shù)大于20，混合燃料的熱釋放率峰值明顯下降。LPG-柴油混合燃料與柴油燃料相比，其熱釋放初始位置（以曲軸角度）延遲些，這種延遲會隨著LPG的質(zhì)量分數(shù)增加而趨于增加，在高轉(zhuǎn)速時（2000r/min）尤為明顯。LPG質(zhì)量分數(shù)的增加會降低混合燃料的十六烷值，增加點火延遲時間，在點火延遲期內(nèi)可燃燒的燃料數(shù)量增加了，隨之熱釋放率的峰值還有預(yù)混合燃燒

13、階段放熱量也增加。由于混合燃料的密度降低，為了達到同樣水平的平均有效壓力，需增加噴油時間。但是，由于LPG低沸點，其瞬間沸騰噴射可以促進混合燃料的霧化，可在擴散燃燒階段改善燃燒縮短燃燒時間10。同時，數(shù)據(jù)顯示所有燃料幾乎在同一位置釋放熱量，這在另一個方面提供了，當(dāng)LPG質(zhì)量分數(shù)低于20或在1500r/min轉(zhuǎn)速時，短時間擴散燃燒階段發(fā)生的證據(jù)。 在氣缸的壓力和溫度相同的條件下，點火延遲表現(xiàn)為物理和化學(xué)的預(yù)燃階段的準備時間，在時間（毫秒）變化很短，但隨著發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速的增加而增加。放熱曲線表明在低轉(zhuǎn)速（1500r/min）和/或降低LPG的質(zhì)量分數(shù)（低于20）時，尖而短預(yù)混合燃燒階段，而在高轉(zhuǎn)速

14、（2000r/min）和較高的LPG質(zhì)量分數(shù)（20以上）時有平而長的預(yù)混合燃燒階段。 圖3提供1500和2000轉(zhuǎn)/分發(fā)動機轉(zhuǎn)速，滿負荷的30%和60條件下的點火延遲期。結(jié)果表明，隨著混合氣中LPG質(zhì)量分數(shù)的提高，點火延遲期也增加，情況在高轉(zhuǎn)速（2000轉(zhuǎn)/分）趨于明顯。以上的情況可解釋為隨著LPG的質(zhì)量分數(shù)的增加十六烷值降低。此外，LPG-柴油混合燃料的蒸發(fā)熱值隨著LPG質(zhì)量分數(shù)的提高而提高，由于燃料蒸發(fā)，這種情況會使汽缸內(nèi)氣體溫度下降。在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，較長的點火延遲是由于高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機在同一時間內(nèi)轉(zhuǎn)過更大的曲軸轉(zhuǎn)角。 圖4給出了發(fā)動機的燃燒時間，條件是分別在柴油和混合燃料，在1500和2

15、000r/min的轉(zhuǎn)速下，載荷為滿載荷的30%到60%?？?cè)紵掷m(xù)時間表現(xiàn)與LPG質(zhì)量分數(shù)之間關(guān)系可歸為為兩種形式。一種為低轉(zhuǎn)(1500 r/min)LPG質(zhì)量分數(shù)較高（20%以上）情況下燃燒期減少。由于長的點火延遲增加了預(yù)混燃燒階段時間,在擴散燃燒階段由于LPG的快速蒸發(fā)燃燒得到改善，從而縮短總?cè)紵龝r間。另一種情況是在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速(2000 r/min)LPG質(zhì)量分數(shù)較高（20%以上）情況下,總?cè)紵龝r間增加。在高轉(zhuǎn)速LPG質(zhì)量分數(shù)高于20%時，點火延遲增加趨于明顯，熱量釋放曲線延遲至下一階段，延長了燃燒期。 圖5給出了發(fā)動機的缸壓，條件是分別在柴油和混合燃料，在1500和2000r/min的

16、轉(zhuǎn)速下，載荷為滿載荷的30%到60%。結(jié)果顯示缸壓峰值隨LPG質(zhì)量分數(shù)增加而下降，情況在高速時更明顯。這可被看作是十六烷值和蒸發(fā)熱值的影響，LPG質(zhì)量分數(shù)增加減少了混合燃料的十六烷值，增加了點火延遲和在預(yù)混合階段的燃料燃燒量，但增加LPG質(zhì)量分數(shù)同時也增加蒸發(fā)熱值，在燃料蒸發(fā)時減少了缸內(nèi)氣體溫度。這兩個因素解釋了混合燃料缸內(nèi)壓力峰值的變化。5.2 使用混合燃料對有效油耗率的影響 作為反映發(fā)動機載荷性能之一有效油耗率，其變化量已在圖6給出，分別為混合燃料與柴油，在1500和2000r/min轉(zhuǎn)速條件下。通過發(fā)動機輸出功率和燃料質(zhì)量流率來估計平均油耗率。因此，所做的修正是考慮到LPG與柴油在低熱值

17、上的差異。如圖所示，當(dāng)發(fā)動機負荷低于滿負荷的55%時，平均有效油耗率隨著LPG質(zhì)量分數(shù)的上升而稍增大。當(dāng)發(fā)動機負荷大于滿負荷的55%時，各種燃料平均有效油耗幾乎相同。通過對LPG質(zhì)量分數(shù)更高時的放熱率分析，結(jié)果顯示混合燃料的低利用率主要原因是發(fā)動機低載荷時缸內(nèi)燃氣溫度較低，導(dǎo)致燃燒率減慢。5.3 使用混合燃料對氮氧化物排放的影響 使用混合燃料和柴油的發(fā)動機排放的NOx變化量已在圖7給出，轉(zhuǎn)速分別為1500和2000r/min。眾所周知，NOx的形成是深受高氧濃度和高電荷溫度的影響。結(jié)果顯示NOx集中量隨著LPG質(zhì)量分數(shù)增加而減少，當(dāng)發(fā)動機載荷增加時其差量更大。主要原因是，LPG-柴油混合燃料的

18、蒸發(fā)熱值隨LPG質(zhì)量分數(shù)增加而增加，燃料蒸發(fā)后會降低缸內(nèi)溫度。最后考慮到發(fā)動機車速的影響，當(dāng)車度提高時與使用柴油相比，使用混合燃料能進一步減少NOx的排放量。5.4使用混合燃料對煙氣排放的影響 煙氣的不透明性作為反映發(fā)動機載荷性能之一，其變化量已在圖8中給出，分別為混合燃料與柴油，在1500和2000r/min轉(zhuǎn)速條件下。從圖中可以看出，光吸收系數(shù)隨著LPG質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。原因是LPG的沸點較低，易蒸發(fā)。一旦自由噴入，LPG會因降壓而快速蒸發(fā)，這種快速沸騰噴射可以增強氣體紊流，在霧化區(qū)域有壓力波動。氣體紊流必然改善霧化過程。而霧化可以使混合燃料微滴小于柴油微滴。由于燃料分解，長時間保持的

19、液滴降低了顆粒物的污染。5.5使用混合燃料對CO排放的影響 作為反映發(fā)動機載荷性能之一的CO排放，其實驗結(jié)果見圖9。分別為混合燃料與柴油，在1500和2000r/min轉(zhuǎn)速條件下。已經(jīng)知道，CO形成率是由未燃氣態(tài)燃料和混合溫度綜合作用的，這兩者均控制燃料的分解和氧化。很明顯可看出，隨著LPG質(zhì)量分數(shù)增加，CO排放在發(fā)動機低載荷時稍增加，在高載荷時明顯降低。主要原因是，在發(fā)動機低負荷時缸內(nèi)氣體溫度低，在高負荷時快速沸騰噴射能加強燃料與空氣的混合效率，讓混合燃料更多機會接觸空氣。轉(zhuǎn)速由1500r/min到2000r/min增加時并無大的影響，因為其他的范例也出現(xiàn)同樣結(jié)果。當(dāng)LPG質(zhì)量分數(shù)增至30%，混合燃料的CO排放與柴油的幾乎相同（見圖10），在40%左右排放稍增加。5.6使用混合燃料對未燃HC排放的影響未燃HC集中作為反映發(fā)動機載荷性能之一，其變化量已在圖11給出，分別為混合燃料與柴油，在1500和2000r/min轉(zhuǎn)速條件下。據(jù)觀測，尾氣中未燃HC的變化量與發(fā)動機燃燒過程質(zhì)量相一致。從圖中可看出，在低負荷時，HC排放隨著LPG質(zhì)量分數(shù)增加而增加，高負荷時也相差無幾。主要原因是，在低負荷LPG質(zhì)量分數(shù)增加時，使用混合燃料缸內(nèi)氣體溫度較低，而LPG里含有較多的芳香族HC很穩(wěn)定不易完全燃燒。從另一方面來說，良好的物化可以減少混合燃料接近缸壁，這樣可以大大減少HC集中?？偨Y(jié) 在本文中，