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、.：.； 运用LPG柴油混合燃料的压燃式发动机熄灭与废气排放特性摘要 为了减少污染物排放，尤其是直喷式DI柴油发动机排出的烟和氮氧化物，工程师们提出了各种处理方案，其中之一就是用气体燃料作为部分燃料补充柴油来运用。运用液化石油气作为替代燃料是一种很有前景的处理方案。柴油发动机中运用石油气很有潜力，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紧缩比可以维持下去。 本文描画的是在一个单缸直喷式柴油机进展的实验研讨，发动机曾经过适当改动能在液化石油气-柴油混合燃料条件下运转，并运用不同混合率的液化石油气与柴油混合燃料0，10，20，30，40。比较结果是在不同的发动机

2、转速和负载对比与传统的柴油和混合燃料对比下得出的，来提示混合燃料熄灭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讨，目的是减少柴油发动机柴油燃料的耗费和氮氧化物NOx和微粒排放量。由于其十六烷值较低，液化石油气LPG和紧缩天然气CNG是最广泛运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，与运用无铅汽油相比，运用LPG给车辆减少排放带来了本质性的效益。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。这主要由于，和汽油相比LPG有高的氢/碳比。根据Yoong和Watkins 2，因其较高的热效率，所以，提高燃油

3、经济利用可从运用LPG的内燃机获得，而不是无铅汽油。这是由于LPG有较高的辛烷值，通常纯丙烷辛烷值RON为112，这样能在高紧缩比时阻止爆燃出现。 Homeyer等3指出，与运用无铅汽油对比，运用LPG时在功率输出方面存在一不利要素，缘由是部分进气被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和空气气一同引入和紧缩。因其有高的自燃温度，LPG和空气的混合气不会自燃。少量的柴油在紧缩冲程快终了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放射安装

4、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曾经指出，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添加，分散均匀的部分LPG仍未燃，致使排放效果较差。由于LPG-空气混合气稀释了，低负荷下的LPG熄灭效果欠佳导致高的CO和未燃HC含量的排放。但是，在高负荷下，LPG进气量添加会导致，在柴油雾化附近不受控制的反响速率添加，从而敲缸。 本文的目的是调查一台测试的发动机在采用LPG-柴油混合燃料，尾气排放和运转特点。正因如此，在作者的实验室的直喷式实验发动机上进展测试研讨。对实验机子适当改良后以顺应运用混合燃料，有两套设备进展丈量，均在变化的运转条件下进

5、展，一是只运用柴油，另一个是运用混合燃料。处置被测汽缸压力数据信息，从而推导提示了混合燃料对放热速率、熄灭时间、着火延迟期,汽缸压力和有效油耗率(b.s.f.c)的影响。此外,排放丈量数据的分析提示了混合燃料熄灭对污染物构成机理的影响。 2.LPG和柴油的性能引见 液化石油气是由天然气消费和原油提炼的副产物。液化石油气和柴油的主要性能曾经在表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，需在压力坚持在约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，我们运用了下面的表达式： 当z=0%，代表柴油燃料，z=10%,z=20%,z=3

6、0%,z=40%表示LPG在混合燃料里的质量分数。从表一可以看出，随着LPG的质量分数的添加，混合燃料的质量低热值和蒸发热值也添加，但体积低热值确减少。3.1实验设备 运用的发动机为单缸，自然吸气，四冲程，风冷，直喷，高速，带熄灭室的ZH1105W柴油发动机。该发动机的根本数据见图2。运用高压燃油泵放射，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。这个喷油嘴置于熄灭室中心，开启压力为18Mpa。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，经过紧缩氮气，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

7、量的LPG压到柴油里，用手摇LPG管，并立刻开展实验。燃料出口位于管底。混合燃料经过过滤器和电磁磁阀，直接进入注射泵，这样可以过滤杂质，迅速切断燃料供应，保证明验平安，并防止发动机受损。混合燃料经过活塞注入汽缸，剩余的燃料那么进入回油管，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。 带计时功能的高精细电子秤每30秒丈量燃油的流量。安装Kistler电换能器和Kistler电荷放大器，用来监控汽缸压力100个任务周期取平均值，并运用CB566熄灭分析仪记录丈量数据。气体排放量的经过ACL Digas 4000丈量，该

8、仪器专门为专门检测NOx的化学发光丈量器，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。烟雾那么由部分流烟雾不透明性丈量仪丈量AVL Dismoke 4000。该实验安装如图1b。丈量安装的主要技术要求和处理方案如表3所示。3.2。实验条件检查对所处情况检验后空气进气温度是23C。丈量是采取在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转。 当发动机正运用柴油运转时,阀门1(V1)是开放和阀门2(V2)封锁,当发动机运用混合燃料运转时，V1封锁和V

9、2翻开【如图1(b)】在发动机运转新一组混合燃料前,允用充分的时间耗费剩下的燃料。表4给出对应地柴油和混合燃料的质量流量率，并在一切的情况下进展了测定。混合燃料的平均燃料有效油耗率，是在柴油等量低热值的根底上计算得出的，所根据的计算公式如下4 热释放率实验的评价对于每一个操作条件,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。运用平均丈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，熄灭时间和放热率速率，然后从热释放速率估算熄灭继续时间和强度。这是柴油机熄灭机理的信息的最珍贵来源。放热率图也为我们提供了熄灭初期有价值的信息，而熄灭初期是大部分NOx构成的时期。热释放率是

10、经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 运用 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。熄灭继续期是从熄灭放热开场到放热终了。5，结果与讨论如前所述，目前的主要任务范围是，经过运转现有的直喷式柴油机发动机，调查混合燃料熄灭对发动机性能和排放的影响。在以下各段，一切的测试案例均已给出，重点的是熄灭机理和污染物的排放。 由于发动机的脉冲特性，我们一直在个任务条件下以3次丈量取平均采集数据。这使我们可以确定的所测数据可反复性，并估计丈量精度。特别强调思索到对污染物排放量的丈量误差。为了保证所测值的精度高，气体分析仪必需在每次丈量前运用参考

11、气体校准。烟度计也务必在每次丈量前调整到零点。 为了估计丈量的可反复性和程序的精度，每个丈量参数的变化系数COV的是确定的。它代表每个数值平均数的百分比作为规范差。每个主要COV的丈量参数列于表5。看这些值可以得出，丈量是非常反复性的，特别是对发动机的性能而言。对于思索到污染物排放量，COV是小于3.5的气态污染物和3.8的烟雾。经过实测数据，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运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

12、果阐明，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质量分数的添加坚持不变。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的质量分数添加而趋于添加，在高转速时2000r/min尤为明显。LPG质量分数的添加会降低混合燃料的十六烷值，添加点火延迟时间，在点火延迟期内可熄灭的燃料数量添加了，随之热释放率的峰值还有预混合熄灭阶段放热量也添加。由于混合燃料的密度降低，为了到达同样程度的平均有效

13、压力，需添加喷油时间。但是，由于LPG低沸点，其瞬间沸腾放射可以促进混合燃料的雾化，可在分散熄灭阶段改善熄灭缩短熄灭时间10。同时，数据显示一切燃料几乎在同一位置释放热量，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，短时间分散熄灭阶段发生的证据。 在气缸的压力和温度一样的条件下，点火延迟表现为物理和化学的预燃阶段的预备时间，在时间毫秒变化很短，但随着发动机曲轴转速的添加而添加。放热曲线阐明在低转速1500r/min和/或降低LPG的质量分数低于20时，尖而短预混合熄灭阶段，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熄灭阶段。 图

14、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。结果阐明，随着混合气中LPG质量分数的提高，点火延迟期也添加，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的质量分数的添加十六烷值降低。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给出了发动机的熄灭时间，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%。总熄灭继续时间表现与LPG质量分数之

15、间关系可归为为两种方式。一种为低转(1500 r/min)LPG质量分数较高20%以上情况下熄灭期减少。由于长的点火延迟添加了预混熄灭阶段时间,在分散熄灭阶段由于LPG的快速蒸发熄灭得到改善，从而缩短总熄灭时间。另一种情况是在发动机高转速(2000 r/min)LPG质量分数较高20%以上情况下,总熄灭时间添加。在高转速LPG质量分数高于20%时，点火延迟添加趋于明显，热量释放曲线延迟至下一阶段，延伸了熄灭期。 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质量分数添加而下降，情况在高速时更明显

16、。这可被看作是十六烷值和蒸发热值的影响，LPG质量分数添加减少了混合燃料的十六烷值，添加了点火延迟和在预混合阶段的燃料熄灭量，但添加LPG质量分数同时也添加蒸发热值，在燃料蒸发时减少了缸内气体温度。这两个要素解释了混合燃料缸内压力峰值的变化。5.2 运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。经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，所做的修正是思索到LPG与柴油在低热值上的差别。如下图，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。

17、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一样。经过对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缘由是发动机低载荷时缸内燃气温度较低，导致熄灭率减慢。5.3 运用混合燃料对氮氧化物排放的影响 运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的构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质量分数添加而减少，当发动机载荷添加时其差量更大。主要缘由是，LPG-柴油混合燃料的蒸发热值随LPG质量分数添加而添加，燃料蒸发后会降低缸内温度。最后思索到发动机车速的影响，当车度提高时

18、与运用柴油相比，运用混合燃料能进一步减少NOx的排放量。5.4运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质量分数的添加而降低。缘由是LPG的沸点较低，易蒸发。一旦自在喷入，LPG会因降压而快速蒸发，这种快速沸腾放射可以加强气体紊流，在雾化区域有压力动摇。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，长时间坚持的液滴降低了颗粒物的污染。5.5运用混合燃料对CO排放的影响 作为反映发动机载荷性能之一的CO排放，其实

19、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。曾经知道，CO构成率是由未燃气态燃料和混合温度综协作用的，这两者均控制燃料的分解和氧化。很明显可看出，随着LPG质量分数添加，CO排放在发动机低载荷时稍添加，在高载荷时明显降低。主要缘由是，在发动机低负荷时缸内气体温度低，在高负荷时快速沸腾放射能加强燃料与空气的混合效率，让混合燃料更多时机接触空气。转速由1500r/min到2000r/min添加时并无大的影响，由于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排放与柴油的几乎一样见图10，在40%左右排放稍添加。5.6运用混合燃料对未燃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的变化量与发动机熄灭过程质量相一致。从图中可看出，在低负荷时，HC排放随着LPG质量分数添加而添加，高负荷时也相差无几。主要缘由是，在低负荷LPG质量分数添加时，运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很稳定不易完全熄灭。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 在本文中，对不断喷式柴