使用LPG-柴油混合燃料的壓燃式發(fā)動機(jī)燃燒與廢氣排放特性

1、.：.； 運(yùn)用LPG柴油混合燃料的壓燃式發(fā)動機(jī)熄滅與廢氣排放特性摘要 為了減少污染物排放，尤其是直噴式DI柴油發(fā)動機(jī)排出的煙和氮氧化物，工程師們提出了各種處理方案，其中之一就是用氣體燃料作為部分燃料補(bǔ)充柴油來運(yùn)用。運(yùn)用液化石油氣作為替代燃料是一種很有前景的處理方案。柴油發(fā)動機(jī)中運(yùn)用石油氣很有潛力，既經(jīng)濟(jì)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(jī)的緊縮比可以維持下去。 本文描畫的是在一個單缸直噴式柴油機(jī)進(jìn)展的實(shí)驗(yàn)研討，發(fā)動機(jī)曾經(jīng)過適當(dāng)改動能在液化石油氣-柴油混合燃料條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，并運(yùn)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)動機(jī)

2、轉(zhuǎn)速和負(fù)載對比與傳統(tǒng)的柴油和混合燃料對比下得出的，來提示混合燃料熄滅對發(fā)動機(jī)性能和尾氣排放的影響。1。簡介 目前，各種替代燃料已在研討，目的是減少柴油發(fā)動機(jī)柴油燃料的耗費(fèi)和氮氧化物NOx和微粒排放量。由于其十六烷值較低，液化石油氣LPG和緊縮天然氣CNG是最廣泛運(yùn)用點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)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，與運(yùn)用無鉛汽油相比，運(yùn)用LPG給車輛減少排放帶來了本質(zhì)性的效益。根據(jù)報(bào)告碳?xì)浠衔颒C排放量降低40，一氧化碳CO的降低60，二氧化碳CO2大幅減少。這主要由于，和汽油相比LPG有高的氫/碳比。根據(jù)Yoong和Watkins 2，因其較高的熱效率，所以，提高燃油

3、經(jīng)濟(jì)利用可從運(yùn)用LPG的內(nèi)燃機(jī)獲得，而不是無鉛汽油。這是由于LPG有較高的辛烷值，通常純丙烷辛烷值RON為112，這樣能在高緊縮比時阻止爆燃出現(xiàn)。 Homeyer等3指出，與運(yùn)用無鉛汽油對比，運(yùn)用LPG時在功率輸出方面存在一不利要素，緣由是部分進(jìn)氣被LPG取代，燃?xì)獾捏w積比遠(yuǎn)大于其液態(tài)。在雙燃料壓燃式CI發(fā)動機(jī)中，液化石油氣為主要燃料，一定數(shù)量的柴油作為點(diǎn)火源，像在傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)里一樣，LPG和空氣氣一同引入和緊縮。因其有高的自燃溫度，LPG和空氣的混合氣不會自燃。少量的柴油在緊縮沖程快終了時注入缸內(nèi)引燃混合氣，這時柴油自燃并產(chǎn)生點(diǎn)火源給周圍空氣-LPG混合氣。那些柴油可由傳統(tǒng)柴油機(jī)的放射安裝

4、噴入，其通常只是提供一小部分發(fā)動機(jī)功率輸出4,5。 Karim 等 6,7曾經(jīng)指出，雙燃料發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷，LPG濃度更低時，注入的燃料點(diǎn)火延遲將添加，分散均勻的部分LPG仍未燃，致使排放效果較差。由于LPG-空氣混合氣稀釋了，低負(fù)荷下的LPG熄滅效果欠佳導(dǎo)致高的CO和未燃HC含量的排放。但是，在高負(fù)荷下，LPG進(jìn)氣量添加會導(dǎo)致，在柴油霧化附近不受控制的反響速率添加，從而敲缸。 本文的目的是調(diào)查一臺測試的發(fā)動機(jī)在采用LPG-柴油混合燃料，尾氣排放和運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)。正因如此，在作者的實(shí)驗(yàn)室的直噴式實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)上進(jìn)展測試研討。對實(shí)驗(yàn)機(jī)子適當(dāng)改良后以順應(yīng)運(yùn)用混合燃料，有兩套設(shè)備進(jìn)展丈量，均在變化的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下進(jìn)

5、展，一是只運(yùn)用柴油，另一個是運(yùn)用混合燃料。處置被測汽缸壓力數(shù)據(jù)信息，從而推導(dǎo)提示了混合燃料對放熱速率、熄滅時間、著火延遲期,汽缸壓力和有效油耗率(b.s.f.c)的影響。此外,排放丈量數(shù)據(jù)的分析提示了混合燃料熄滅對污染物構(gòu)成機(jī)理的影響。 2.LPG和柴油的性能引見 液化石油氣是由天然氣消費(fèi)和原油提煉的副產(chǎn)物。液化石油氣和柴油的主要性能曾經(jīng)在表1中給出，在表里也給出了混合燃料的性能?？梢钥闯?，LPG在室溫常壓下是氣態(tài)，需在壓力堅(jiān)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?jǐn)?shù)，我們運(yùn)用了下面的表達(dá)式： 當(dāng)z=0%，代表柴油燃料，z=10%,z=20%,z=3

6、0%,z=40%表示LPG在混合燃料里的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從表一可以看出，隨著LPG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加，混合燃料的質(zhì)量低熱值和蒸發(fā)熱值也添加，但體積低熱值確減少。3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 運(yùn)用的發(fā)動機(jī)為單缸，自然吸氣，四沖程，風(fēng)冷，直噴，高速，帶熄滅室的ZH1105W柴油發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)的根本數(shù)據(jù)見圖2。運(yùn)用高壓燃油泵放射，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。這個噴油嘴置于熄滅室中心，開啟壓力為18Mpa。在本實(shí)驗(yàn)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，經(jīng)過緊縮氮?dú)?，在油箱里產(chǎn)生一定的壓力該壓力不低于LPG飽和蒸汽壓。最后，由加壓氮?dú)獍岩欢ㄙ|(zhì)

7、量的LPG壓到柴油里，用手搖LPG管，并立刻開展實(shí)驗(yàn)。燃料出口位于管底?；旌先剂辖?jīng)過過濾器和電磁磁閥，直接進(jìn)入注射泵，這樣可以過濾雜質(zhì)，迅速切斷燃料供應(yīng)，保證明驗(yàn)平安，并防止發(fā)動機(jī)受損?；旌先剂辖?jīng)過活塞注入汽缸，剩余的燃料那么進(jìn)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?dú)饣驓獗米枞?帶計(jì)時功能的高精細(xì)電子秤每30秒丈量燃油的流量。安裝Kistler電換能器和Kistler電荷放大器，用來監(jiān)控汽缸壓力100個任務(wù)周期取平均值，并運(yùn)用CB566熄滅分析儀記錄丈量數(shù)據(jù)。氣體排放量的經(jīng)過ACL Digas 4000丈量，該

8、儀器專門為專門檢測NOx的化學(xué)發(fā)光丈量器，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。煙霧那么由部分流煙霧不透明性丈量儀丈量AVL Dismoke 4000。該實(shí)驗(yàn)安裝如圖1b。丈量安裝的主要技術(shù)要求和處理方案如表3所示。3.2。實(shí)驗(yàn)條件檢查對所處情況檢驗(yàn)后空氣進(jìn)氣溫度是23C。丈量是采取在6組不同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷，相應(yīng)于全負(fù)荷的15%,30%,45%,60%,75%和90%,有兩個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速：1500和2000r/分鐘，其均在柴油和混合燃料下運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)發(fā)動機(jī)正運(yùn)用柴油運(yùn)轉(zhuǎn)時,閥門1(V1)是開放和閥門2(V2)封鎖,當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)用混合燃料運(yùn)轉(zhuǎn)時，V1封鎖和V

9、2翻開【如圖1(b)】在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)新一組混合燃料前,允用充分的時間耗費(fèi)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，并在一切的情況下進(jìn)展了測定。混合燃料的平均燃料有效油耗率，是在柴油等量低熱值的根底上計(jì)算得出的，所根據(jù)的計(jì)算公式如下4 熱釋放率實(shí)驗(yàn)的評價對于每一個操作條件,記錄下發(fā)動機(jī)的100個壓力循環(huán)，并從其中估計(jì)平均氣缸壓力跡線。運(yùn)用平均丈量氣缸壓力圖和上止點(diǎn)采集的信號，我們可以估計(jì)點(diǎn)火延時期，熄滅時間和放熱率速率，然后從熱釋放速率估算熄滅繼續(xù)時間和強(qiáng)度。這是柴油機(jī)熄滅機(jī)理的信息的最珍貴來源。放熱率圖也為我們提供了熄滅初期有價值的信息，而熄滅初期是大部分NOx構(gòu)成的時期。熱釋放率是

10、經(jīng)過熱力學(xué)第一定律計(jì)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 運(yùn)用 Woschni的傳熱系數(shù)。點(diǎn)火延遲是從噴油到壓力急劇上升這段時間間隔。熄滅繼續(xù)期是從熄滅放熱開場到放熱終了。5，結(jié)果與討論如前所述，目前的主要任務(wù)范圍是，經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)有的直噴式柴油機(jī)發(fā)動機(jī)，調(diào)查混合燃料熄滅對發(fā)動機(jī)性能和排放的影響。在以下各段，一切的測試案例均已給出，重點(diǎn)的是熄滅機(jī)理和污染物的排放。 由于發(fā)動機(jī)的脈沖特性，我們一直在個任務(wù)條件下以3次丈量取平均采集數(shù)據(jù)。這使我們可以確定的所測數(shù)據(jù)可反復(fù)性，并估計(jì)丈量精度。特別強(qiáng)調(diào)思索到對污染物排放量的丈量誤差。為了保證所測值的精度高，氣體分析儀必需在每次丈量前運(yùn)用參考

11、氣體校準(zhǔn)。煙度計(jì)也務(wù)必在每次丈量前調(diào)整到零點(diǎn)。 為了估計(jì)丈量的可反復(fù)性和程序的精度，每個丈量參數(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)的百分比作為規(guī)范差。每個主要COV的丈量參數(shù)列于表5?？催@些值可以得出，丈量是非常反復(fù)性的，特別是對發(fā)動機(jī)的性能而言。對于思索到污染物排放量，COV是小于3.5的氣態(tài)污染物和3.8的煙霧。經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)，我們可以得出混合燃料對發(fā)動機(jī)性能和排放影響的合理結(jié)論。5.1運(yùn)用混合燃料對缸壓和放熱率的影響 圖2 給出了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500和2000轉(zhuǎn)/分鐘，負(fù)荷為滿負(fù)荷的30和60條件下的熱釋放率，其燃料為柴油Z = 0和混合燃料z = 10，20，30和40。結(jié)

12、果闡明，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?jǐn)?shù)的添加堅(jiān)持不變。LPG的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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?jǐn)?shù)添加而趨于添加，在高轉(zhuǎn)速時2000r/min尤為明顯。LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加會降低混合燃料的十六烷值，添加點(diǎn)火延遲時間，在點(diǎn)火延遲期內(nèi)可熄滅的燃料數(shù)量添加了，隨之熱釋放率的峰值還有預(yù)混合熄滅階段放熱量也添加。由于混合燃料的密度降低，為了到達(dá)同樣程度的平均有效

13、壓力，需添加噴油時間。但是，由于LPG低沸點(diǎn)，其瞬間沸騰放射可以促進(jìn)混合燃料的霧化，可在分散熄滅階段改善熄滅縮短熄滅時間10。同時，數(shù)據(jù)顯示一切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?jǐn)?shù)低于20或在1500r/min轉(zhuǎn)速時，短時間分散熄滅階段發(fā)生的證據(jù)。 在氣缸的壓力和溫度一樣的條件下，點(diǎn)火延遲表現(xiàn)為物理和化學(xué)的預(yù)燃階段的預(yù)備時間，在時間毫秒變化很短，但隨著發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的添加而添加。放熱曲線闡明在低轉(zhuǎn)速1500r/min和/或降低LPG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20時，尖而短預(yù)混合熄滅階段，而在高轉(zhuǎn)速2000r/min和較高的LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)20以上時有平而長的預(yù)混合熄滅階段。 圖

14、3提供1500和2000轉(zhuǎn)/分發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，滿負(fù)荷的30%和60條件下的點(diǎn)火延遲期。結(jié)果闡明，隨著混合氣中LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，點(diǎn)火延遲期也添加，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?jǐn)?shù)的添加十六烷值降低。此外，LPG-柴油混合燃料的蒸發(fā)熱值隨著LPG質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)高轉(zhuǎn)速時，較長的點(diǎn)火延遲是由于高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)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(jī)的熄滅時間，條件是分別在柴油和混合燃料，在1500和2000r/min的轉(zhuǎn)速下，載荷為滿載荷的30%到60%?？傁缋^續(xù)時間表現(xiàn)與LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)之

15、間關(guān)系可歸為為兩種方式。一種為低轉(zhuǎn)(1500 r/min)LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高20%以上情況下熄滅期減少。由于長的點(diǎn)火延遲添加了預(yù)混熄滅階段時間,在分散熄滅階段由于LPG的快速蒸發(fā)熄滅得到改善，從而縮短總熄滅時間。另一種情況是在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速(2000 r/min)LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高20%以上情況下,總熄滅時間添加。在高轉(zhuǎn)速LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于20%時，點(diǎn)火延遲添加趨于明顯，熱量釋放曲線延遲至下一階段，延伸了熄滅期。 圖5給出了發(fā)動機(jī)的缸壓，條件是分別在柴油和混合燃料，在1500和2000r/min的轉(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?jǐn)?shù)添加而下降，情況在高速時更明顯

16、。這可被看作是十六烷值和蒸發(fā)熱值的影響，LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加減少了混合燃料的十六烷值，添加了點(diǎn)火延遲和在預(yù)混合階段的燃料熄滅量，但添加LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)同時也添加蒸發(fā)熱值，在燃料蒸發(fā)時減少了缸內(nèi)氣體溫度。這兩個要素解釋了混合燃料缸內(nèi)壓力峰值的變化。5.2 運(yùn)用混合燃料對有效油耗率的影響 作為反映發(fā)動機(jī)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。經(jīng)過發(fā)動機(jī)輸出功率和燃料質(zhì)量流率來估計(jì)平均油耗率。因此，所做的修正是思索到LPG與柴油在低熱值上的差別。如下圖，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷低于滿負(fù)荷的55%時，平均有效油耗率隨著LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升而稍增大。

17、當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷大于滿負(fù)荷的55%時，各種燃料平均有效油耗幾乎一樣。經(jīng)過對LPG質(zhì)量分?jǐn)?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緣由是發(fā)動機(jī)低載荷時缸內(nèi)燃?xì)鉁囟容^低，導(dǎo)致熄滅率減慢。5.3 運(yùn)用混合燃料對氮氧化物排放的影響 運(yùn)用混合燃料和柴油的發(fā)動機(jī)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的構(gòu)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?jǐn)?shù)添加而減少，當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷添加時其差量更大。主要緣由是，LPG-柴油混合燃料的蒸發(fā)熱值隨LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加而添加，燃料蒸發(fā)后會降低缸內(nèi)溫度。最后思索到發(fā)動機(jī)車速的影響，當(dāng)車度提高時

18、與運(yùn)用柴油相比，運(yùn)用混合燃料能進(jìn)一步減少NOx的排放量。5.4運(yùn)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(jī)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?jǐn)?shù)的添加而降低。緣由是LPG的沸點(diǎn)較低，易蒸發(fā)。一旦自在噴入，LPG會因降壓而快速蒸發(fā)，這種快速沸騰放射可以加強(qiáng)氣體紊流，在霧化區(qū)域有壓力動搖。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，長時間堅(jiān)持的液滴降低了顆粒物的污染。5.5運(yùn)用混合燃料對CO排放的影響 作為反映發(fā)動機(jī)載荷性能之一的CO排放，其實(shí)

19、驗(yàn)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。曾經(jīng)知道，CO構(gòu)成率是由未燃?xì)鈶B(tài)燃料和混合溫度綜協(xié)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?jǐn)?shù)添加，CO排放在發(fā)動機(jī)低載荷時稍添加，在高載荷時明顯降低。主要緣由是，在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時缸內(nèi)氣體溫度低，在高負(fù)荷時快速沸騰放射能加強(qiáng)燃料與空氣的混合效率，讓混合燃料更多時機(jī)接觸空氣。轉(zhuǎn)速由1500r/min到2000r/min添加時并無大的影響，由于其他的范例也出現(xiàn)同樣結(jié)果。當(dāng)LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至30%，混合燃料的CO排放與柴油的幾乎一樣見圖10，在40%左右排放稍添加。5.6運(yùn)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(jī)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(jī)熄滅過程質(zhì)量相一致。從圖中可看出，在低負(fù)荷時，HC排放隨著LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加而添加，高負(fù)荷時也相差無幾。主要緣由是，在低負(fù)荷LPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加時，運(yùn)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)定不易完全熄滅。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，對不斷噴式柴