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添加水分的LPG四冲程内燃机的热平衡 加济安泰普大学工程院机械工程系,27130加济安泰普,土耳其 2004年6月1日提交论文，2004年11月24日提交改进版，2005年5月27日论文被接收，2005年6月27日能够网上阅览。摘要 对在点燃式内燃机内喷入水蒸气给发动机热平衡和性能造成的影响进行了实验。四缸四冲程常规发动机使用LPG（液化石油气）作为燃料。对不同的燃料水分质量分数进行发动机转数从1000到4500 rpm测试。测试结果表明随着喷入的水分的增加，机械效率提高，同时除了不计的损失外损失减少了。另外，燃油消耗率减少，同时发动机的热效率提高了。有效热效率提高方面当水分与燃油的质量比为0.5时在一定的发动机转数变化下大约要比单独使用LPG高2.7。关键词：热平衡；代用燃料；LPG发动机；添加水分引言LPG（液化石油气）被认为是发动机一种清洁代用燃料。一些研究员1,2正在研究把LPG作为压燃式发动机和点燃式发动机的代用燃料。在内燃机里添加水分的原理并不新颖3。有很多关于在发动机内添加水分后发动机的性能、敲缸和排放特性效果的报告4,5。Lestz et al4研究通过各种的方法添加水分进入活塞对单缸柴油机进行总冷却的可行性。他们为直接喷入水分进行总冷却的柴油机绘制了热平衡图。热平衡图表明为了提供通常被水套带走的废热每磅的燃料需要5.5磅的注入水分。Lanzafame5研究将水分注入在进气管道的理论和实验观点的效果。他的实验结果表明水分注入在进气管道确实代表一种能避免爆震、低压缩功和控制NOX的产生的点燃式发动机的新方法。化学燃料为发动机提供能量,同时以废气、冷却水以及热能转化的形式带走一部分热能。余下的部分则转变成有用功。为了提高发动机的效率必须减少热量损失。因此，知道热量的损失机理就显得非常重要。而这也是热量平衡实验的目的。关于内燃机的实验经常涉及到内燃机的热平衡问题6,7。然而，显而易见的是关于LPG燃料的点燃式发动机包含喷入水分效果的热平衡的可用资料很少。这篇研究报告的目的是证实使用LPG作为燃料的传统点燃式发动机的热平衡在喷入水分后效果。2.实验器械实验设备主要是传统的四缸四冲程水冷点燃式发动机。列表1列举了测试发动机的性能，而图1则展示测试原理的流程。具有列表2中的特性的LPG燃料作为测试用的燃料。能量输出通过功率计测量而瞬时速度通过传感钳来测量。气缸压力测量通过压电石英将高压信号转变成电压信号，再通过放大器进行放大。发动机曲轴转角用转角编码器通过编码器与上止点同步进行测量，编码器的信号被用来表示气缸压力。数字示波器被用来观察每一次测试开始阶段发动机的不稳定的气缸压力对应的转角。发动机在不同点的温度使用数据自动记录器来测量。温度测量点和在实验中使用的热电偶的类型在列表3中。水和燃料的流动比率通过电子天平来测量。编写的程序用来记录水和燃料的流动比率在电脑的串行端口上。水分通过汽油喷嘴喷入进气口。喷水量由喷水压力或者通过使用电脑的并行端口由步进电机控制可调整阀来控制。控制阀的开度由相同的并行端口通过另一个步进电机来调整适应每一个转速。点火系统带有磁触发器特殊沟槽的飞轮使点火时刻的曲轴转角范围能在上止点的-70到20。另外，点火时刻在测试机构的显示系统中受到监控和测量。列表1测试发动机的特性 类型 4缸4冲程额定转速 （1000-4500）rpm汽缸数 4缸径行程（mm） 7671.5气缸排量 1297cm3压缩比 7.8：1冷却系统 水冷润滑系统 强制润滑 图1.测试发动机的机构1. 机体组 11. 油箱2. 测功仪 12. 电脑23. 数据记录器 13. 多端口串行适配器4. 电脑1 14. 可靠性性能测定单元5. 空气流量测试仪 15. 冷却水流量计6. 水量流速控制器 16. 信号调节器7. 水循环流动平衡 17. 直接中断按钮8. 供水系统 18. 电脑39. 速度控制器 19. 数据采集器&控制器210. 油管稳压器 20. 接口装置列表2测试燃料的特性 气体燃料的名称 液化石油气（%） 丙烷 30丁烷 70 列表3热电偶的类型和使用的位置 序号 名称 类型 使用的位置 1 T1 铜-康铜 冷却水进口2 T2 铜-康铜 冷却水出口3 T3 铜-康铜 气缸(左侧)4 T4 铜-康铜 气缸(左侧)5 T5 铜-康铜 气缸(左侧)6 T6 铜-康铜 气缸(左侧)7 T7 铜-康铜 气缸(右侧)8 T8 铜-康铜 气缸(右侧)9 T9 铜-康铜 气缸(右侧)10 T10 铜-康铜 气缸(右侧)11 T11 铜-康铜 进气12 T12 铜-康铜 排气 3.实验步骤这次的研究实验在不同发动机转速下进行。而所有的测量在稳定的状态下进行。当发动机气缸的表面温度的变化近似于零时则认为发动机达到了稳定状态。在进行连续测量时，测量前后都要进行测量仪器的校准。当发动机达到稳定状态时，单独对LPG燃料的测试作为实验比较的基准。所有的测试在相同的节气门开度下通过改变发动机的转速来实现。发动机在节气门3/4开度下运行，同时发动机转数从4500到1000rpm每次以500rpm进行变化。发动机调节到匀速，同时输出功由水力测功机测量。在每一个发动机转速和燃料的水分质量分数下，发动机的点火时刻在最大的制动转矩处（这里参考最大刹车力矩）。不考虑点火提前角的影响。对于每一个测试状态，让发动机至少运行5分钟以上，同时对各个点的温度和制动力进行记录。在每一个测试点，需要重复进行实验直到连续两次实验的结果的误差不超过5%。平均值能减少误差。燃料的化学能为发动机提供能量。只有一部分的燃料能量通过发动机的曲轴变成可用的机械能。而剩下的能量则通过热损耗消耗掉。两个主要的能量损失方式是废气带走热量和冷却水带走的热量。被润滑油带走的热量与被冷却水带走的热量相比只是很小的一部分8。各个点损失的热量通过以下的方式进行计算。由燃料提供总的热量（）的计算通过以下公式：式中：是燃料消耗的速率（kg/s）是燃料的低热值（KJ/kg）由测功计吸收的发动机的有效功率()式中：N是曲轴转速(rev/s)T是扭矩(Nm)冷却水带走的热量 式中：是冷却水的流动速率(kg/s)是水的比热容(KJ/kg)是进水温度()是出水温度()这次的研究表明热量通过废气流失的热量是非常明显的。在计算废气损失掉的热量时，考虑到这部分热量用来加热混合气（水、空气和丙烷）（kg/s），计算通过环境温度()和排出废气的温度（）。热量损失也被称为焓值，同时为了计算焓值，需要估计废气的平均比热容，而在这里假定其值为废气平均温度时的空气的比热容7。 没有被计算的热量损失通过油的热对流损失掉，而热辐射通过发动机的外表面损失掉。未被计算的热损失（）计算如下： 发动机的热效率（）的计算如下： 有效燃油消耗率是单位输出功率的燃料流动速率。有效燃油消耗率的定义如下： 4.实验误差应该注意到在这次试验中通过数据采集系统获得的所有数据会有小的误差。由于在这次实验中使用的数据采集系统造成的误差是12进制的大约是0.02%而16进制的大约是0.001%，和其他误差因素相比造成的误差很小，可以忽略不计。误差在发动机扭矩方面是0.1Nm。因此，不确定的扭矩的值大约是在0.14-0.07%的范围。而在发动机转速测量的误差是1rpm。因此不确定的发动机的转速是在0.1-0.02%的范围内。燃料和水的流动速率的测量的误差应该通过电子天平的误差进行估计，电子天平的分辨率是0.1g。测量使用的计时器的单位刻度是0.1s。也就是说，不确定的水和燃料的流动速率大约是在0.4-0.7%范围内。对于实验过程中温度的测量误差的估计要考虑使用的热电偶的类型。铜-康铜的热电偶的误差相当大，是2.2或者0.75%。而镍铬-镍铝热电偶的误差是2.2或者0.75%。因此，不确定的温度测量值大约在2-5%的范围内。对输出量的误差分析，例如发动机的动力、制动燃油消耗率、热效率、冷却水带走的热量、废气带走的热量、向发动机提供的能量以及未计的热量损失得到解决。通过Kline和McClintrok9的方法进行的误差分析表明不确定的部分在3-7%的范围里。应该指出的是对基本输出量的估计误差并不会对最终的结果产生重大的影响。5.实验结果和讨论发动机的热平衡是根据发动机的不同转速下的工况来决定进入进气道LPG燃料和喷入水分。热平衡是建立在对有用功、冷却水带走的热量、废气带走的热量以及没有计算的热量损失的考虑上的。在实验中使用纯LPG燃料和添加不同的水分质量分数燃料，发动机在热平衡方面的表现如图2和表4-8所示。从这些图2可以看出随着进入发动机的燃料的水分质量分数的增加，机械效率提高，而其他热损失减少,除了未计的热损失。图3表明了有效燃油消耗率(制动热效率)随着添加的水分的增加而增加。表4-8同样表明了随着喷入水分的比率的增加，与纯的LPG燃料的发动机相比有用功的输出会有一个较大的提高。有用功的增加有不同的来源。有用功的增加可能是因为水的冷却效果，这是因为添加的水分能够降低在进气道中由于涡轮增压而提高的混合气的温度，因此，与纯的LPG燃料发动机相比其燃烧更加的充分。图2.使用纯LPG燃料或者添加水分的燃料的发动机的热平衡。表4使用纯LPG燃料的发动机的热平衡和性能参数的数据 N(rpm) Q(kW) Pb(kW) Qw(kW) Qe(kW) Qu(kW) Bsfc(g/kWh) gth (%) 1000 56.93 14.25 6.53 9.46 26.69 317.305 0.25031500 66.27 18.36 8.34 15.81 23.76 286.667 0.27702000 79.60 23.64 11.02 19.94 25.00 267.411 0.29702500 94.15 28.33 13.32 24.3 28.20 263.932 0.30093000 97.10 30.17 15.43 27.03 24.47 255.592 0.31073500 101.13 31.23 16.92 29.46 23.52 257.176 0.30884000 107.89 32.97 18.41 31.46 25.05 259.873 0.30564500 115.46 34.35 20.48 33.86 26.77 266.934 0.2975 表5.当燃料中的水分与燃油的质量比(mw/mf)为0.125时发动机的热平衡和性能参数 N (rpm) Q(kW) Pb(kW) Qw(kW) Qe(kW) Qu(kW) Bsfc(g/kWh) gth(%) 1000 56.93 14.75 6.32 9.06 26.80 306.549 0.25911500 66.27 18.84 8.07 15.16 24.20 279.363 0.28432000 79.60 24.26 10.45 18.89 26.00 260.577 0.30482500 94.15 29.12 12.89 23.1 29.04 256.772 0.30933000 97.10 30.87 14.66 26.12 25.45 249.796 0.31793500 101.13 31.96 15.95 28.56 24.66 251.302 0.31604000 107.89 33.39 17.96 30.56 25.98 256.604 0.30954500 115.46 35.46 19.41 32.83 27.76 258.579 0.3071 表6.当燃料中的水分与燃油的质量比(mw/mf)为0.25时发动机的热平衡和性能参数 N (rpm) Q(kW) Pb(kW) Qw(kW) Qe(kW) Qu(kW) Bsfc(g/kWh) gth(%) 1000 56.93 15.25 6.09 8.83 26.76 296.498 0.26791500 66.27 19.34 7.88 14.91 24.14 272.141 0.29182000 79.60 24.82 10.12 18.32 26.34 254.698 0.31182500 94.15 29.81 12.51 22.21 29.62 250.829 0.31663000 97.10 31.45 15.06 25.01 25.58 245.189 0.32393500 101.13 32.61 16.42 27.41 24.69 246.293 0.32254000 107.89 34.19 17.78 29.73 26.19 250.600 0.31694500 115.46 36.18 19.19 32.17 27.92 253.433 0.3134 表7.当燃料中的水分与燃油的质量比(mw/mf为0.33时发动机的热平衡和性能参数 N (rpm) Q(kW) Pb(kW) Qw(kW) Qe(kW) Qu(kW) Bsfc(g/kWh) gth(%) 1000 56.93 15.44 5.97 8.63 26.89 292.850 0.27121500 66.27 19.52 7.72 14.71 24.32 269.631 0.29452000 79.60 25.05 9.92 18.02 26.61 252.359 0.31472500 94.15 29.74 12.22 21.75 30.44 251.419 0.31593000 97.10 31.73 14.47 24.41 26.49 243.026 0.32683500 101.13 32.92 15.6 27.43 25.18 243.973 0.32554000 107.89 34.62 17.21 29.34 26.72 247.487 0.32094500 115.46 36.68 18.79 31.51 28.48 249.978 0.3177 表8.当燃料中的水分与燃油的质量比(mw/mf为0.33时发动机的热平衡和性能参数 N (rpm) Q(kW) Pb(kW) Qw(kW) Qe(kW) Qu(kW) Bsfc(g/kWh) gth(%) 1000 56.93 15.86 5.82 8.36 26.89 285.095 0.27861500 66.27 20.46 7.54 14.52 23.75 257.243 0.30872000 79.60 25.8 9.59 17.31 26.90 245.023 0.32412500 94.15 30.61 11.92 20.69 30.93 244.273 0.32513000 97.10 32.55 14.04 23.31 27.20 236.903 0.33523500 101.13 33.82 15.19 26.91 25.21 237.481 0.33444000 107.89 35.45 16.82 28.91 26.71 241.693 0.32864500 115.46 37.56 18.45 31.06 28.39 244.121 0.3253 实验的结果表明流到冷却水的热量与发动机的转速和燃料的水分质量分数有关。随着燃料的水分质量分数的增加，与单纯使用LPG的发动机相比热量因冷却水而损失的比率有所下降。这是因为冷却水在每一个指定的转速下的流速是恒定的，而冷却水的温度的下降是由于缸内温度的下降。对于纯LPG燃料的发动机的实验，平均的冷却水热量损失率是15%，然而对于燃料中水分与燃油的质量比为0.5的发动机其减少为13.5%。实验结果表明当发动机的转速增加时，通过废气排放带走的热量也会增加。随着燃料的水分的质量分数的提高，通过废气排放而损失的热量将会减少，这是因为随着燃料水分质量分数的提高，废气的温度同时会降低。废气温度的降低是由于部分热量被添加的水分吸收掉了。Taymaz et al10研究了柴油机的热量损失在有没有陶瓷涂层和不同的发动机负荷以及转速下的情况。其研究结果表明有陶瓷涂层的发动机在不同的负荷下废气排放温度的提高与气缸内温度的升高有关。通常情况下，在整个发动机循环过程中低的排气温度意味着低的燃烧温度。在纯LPG燃料实验过程中，废气排放的平均热损失是26%，然而当燃料中水分与燃油的质量比为0.5时其热损失就降到23%。显而易见，随着发动机转速的提高，有效燃烧时间将会减少，同时燃烧产生的热量向环境传递的时间也将减少，这将会降低热损失。然而，燃料中添加水分的增加将会降低气缸的平均温度。图2和表4-8清楚表明随着燃料中水分质量分数的增加，未统计的热量损失将会增加。这可能是由于燃烧时间的延长或者火焰传播速度的降低引起热量损失的增加，因为燃烧产生的热量有更多的是向周围环境传递。这种情况主要是在较低的发动机转速下气缸内的涡流减少而导致的。另外，提前点火将会导致热损失率的增加，因为提前点火使燃烧在上止点之前完成。因此，燃烧产生的热量有更多的时间向周围的环境传递。Harrington11认为向燃料里添加水分将会导致燃烧率的降低，因为滞燃期和燃烧时间被延长了。他也认为燃料添加水分后外特性时点火时间需要提前。图3.有效热效率在发动机不同转速和不同的有液混合的质量比时的变化。图4.有效燃油消耗率在发动机不同转速和不同的有液混合的质量比时的变化。图3揭示了燃料中不同的水分质量分数对发动机的热效率影响。结果表明随着燃料中的水分质量分数增加，发动机的热效率将会因为燃油消耗率的降低而提高，如图4所示。在纯LPG实验中，平均热效率为29.3%，而当燃料中水分与燃油的质量比为0.5时平均热效率提高到32%。这个趋向证实了做过使用油液乳化剂作燃料的单缸柴油发动机实验的Abu-Zaid12的结论。他认为随着燃料中的水分质量分数的增加，发动机的输出功率将会增加。他的实验结果表明与只使用柴油相比，使用20%的油液混合的乳化剂发动机的平均输出功率将提高大约3.5%。图4表明有效地燃油消耗量将会降低到最小值，然后正如预期的一样，在高的转速时将会增加。提高燃料中的水分质量分数将会降低有效地燃油消耗率，因为有用功将会增加。Yamin and Badran13认为热损失率的提高降低了发动机气缸内的最大的压力和温度，同时导致了发动机动力的下降，因为较少的热能转化为有用功。6.结论目前的研究表明在燃料中添加水分对于发动机的热损失率有明显的影响。下面的结论来自实验研究。(1)由于在燃料中添加水分后废气排放的温度和气缸内的最大压力较低，较少的热量通过这些渠道流失掉，因此更多的能量通过曲轴转化成有用功。(2)随着燃料中的水分质量分数提高，未统计的热量损失将会轻微增加。(3)热效率将会随着燃料中的水分质量分数的增加而提高，因为有效燃油消耗率的减少。致谢非常感谢加济安泰普大学研究基金会对这个研究项目的资金支持；MF 01-06。参考资料1 Thring RH.Alternative fuels for spark ignition engines.SAE 1983 paper no: 831685.2 Ulrich O, Wallace IS.SAE 1987 paper no: 872095.3 Obert EF.Detonation and internal coolants.SAE Quart Trans 1948:529.4 Lestz SJ, Melton Jr RB, Rambie EJ.Feasibility of cooling diesel engines by introducing water into the combustionchamber.SAE Trans 1975:60619 document number: 750129.5 Lanzafame R.Water injection eects in a single-cylinder CFR engine.SAE 1999 paper no: 1999-01-0568.6 Yu ksel F, Ceviz MA.Thermal balance of a four stroke SI engine operating on hydrogen as a supplementary