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、使用LPPG柴柴油混合合燃料的的压燃式式发动机机燃烧与与废气排排放特性性摘要 为为了减少少污染物物排放，尤尤其是来来自直喷喷式（DDI）柴柴油发动动机排出出的烟和和氮氧化化物，工工程师们们提出了了各种解解决方案案，其中中之一就就是用气气体燃料料作为部部分燃料料补充柴柴油来使使用。使使用液化化石油气气作为替替代燃料料是一种种很有前前景的解解决方案案。柴油油发动机机中使用用石油气气很有潜潜力，既既经济又又环保。液化石石油气其其较高的的自燃温温度有非非常大的的优势，使使得传统统柴油发发动机的的压缩比比能够维维持下去去。 本本文描述述的是在在一个单单缸直喷喷式柴油油机进行行的实验验研究，发发动机已已经

2、过适适当改动动能在液液化石油油气-柴柴油混合合燃料条条件下运运行，并并使用不不同混合合率的液液化石油油气与柴柴油混合合燃料（00，110，220，330，440）。比较结结果是在在不同的的发动机机转速和和负载对对比与传传统的柴柴油和混混合燃料料对比下下得出的的，来揭揭示混合合燃料燃燃烧对发发动机性性能和尾尾气排放放的影响响。1。简介介 目目前，各各种替代代燃料已已在研究究，目的的是减少少柴油发发动机柴柴油燃料料的消耗耗和氮氧氧化物（NOx）和微粒排放量。因为其十六烷值较低，液化石油气（LPG）和压缩天然气（CNG）是最广泛使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

3、时，与使用无铅汽油相比，使用LPG给车辆减少排放带来了实质性的效益。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。这主要因为，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，提高燃油经济利用可从使用LPG的内燃机获得，而不是无铅汽油。这是因为LPG有较高的辛烷值，通常纯丙烷辛烷值（RON）为112，这样能在高压缩比时阻止爆燃出现。 Homeyer等3指出，与使用无铅汽油对比，使用LPG时在功率输出方面存在一不利因素，原因是部分进气被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

4、，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和空气气一起引入和压缩。因其有高的自燃温度，LPG和空气的混合气不会自燃。少量的柴油在压缩冲程快结束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喷射装置喷入，其通常只是提供一小部分发动机功率输出4,5。 Karim 等 6,7已经指出，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增加，分散均匀的部分LPG仍未燃，致使排放效果较差。因为LPG-空气混合气稀释了，低负荷下的LPG燃烧效果欠佳导致高的CO和未燃HC含量的排放。但是，在高负荷下，LPG进

5、气量增加会导致，在柴油雾化附近不受控制的反应速率增加，从而敲缸。 本本文的目目的是考考察一台台测试的的发动机机在采用用LPGG-柴油油混合燃燃料，尾尾气排放放和运行行特点。正因如如此，在在作者的的实验室室的直喷喷式试验验发动机机上进行行测试研研究。对对试验机机子适当当改进后后以适应应使用混混合燃料料，有两两套设备备进行测测量，均均在变化化的运行行条件下下进行，一一是只使使用柴油油，另一一个是使使用混合合燃料。处理被被测汽缸缸压力数数据信息息，从而而推导揭揭示了混混合燃料料对放热热速率、燃烧时时间、着着火延迟迟期,汽汽缸压力力和有效效油耗率率(b.s.ff.c)的影响响。此外外,排放放测量数数据

6、的分分析揭示示了混合合燃料燃燃烧对污污染物形形成机理理的影响响。2.LPPG和柴柴油的性性能介绍绍 液化石油油气是由由天然气气生产和和原油提炼炼的副产产物。液液化石油油气和柴柴油的主主要性能能已经在在表1中中给出，在在表里也也给出了了混合燃燃料的性性能。可可以看出出，LPPG在室室温常压压下是气气态，需需在压力力保持在在约0.5兆帕帕和温度度25条件下下，来保保证它是是液态。为了表表示出混混合燃料料中的LLPG质质量分数数，我们们使用了了下面的的表达式式： 当zz=0%，代表表柴油燃燃料，zz=100%,zz=200%,zz=300%,zz=400%表示示LPGG在混合合燃料里里的质量量分数。

7、从表一一可以看看出，随随着LPPG的质质量分数数的增加加，混合合燃料的的质量低低热值和和蒸发热热值也增增加，但但体积低低热值确确减少。3.1实实验设备备 使用的的发动机机为单缸缸，自然然吸气，四四冲程，风风冷，直直喷，高高速，带带燃烧室室的ZHH11005W柴柴油发动动机。该该发动机机的基本本数据见见图2。使用高高压燃油油泵喷射射，其喷喷嘴为直直径8毫毫米，其其有四个个喷油孔孔（每孔孔直径为为0.332毫米米）。这这个喷油油嘴置于于燃烧室室中心，开开启压力力为188Mpaa。在本实验验中，LLPG柴油燃燃料如液液化气燃燃料一样样制备，如如图1。首先，往空LPG箱里灌入少量的柴油,其次，通过压缩

8、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量的LPG压到柴油里，用手摇LPG管，并立即开展实验。燃料出口位于管底。混合燃料通过过滤器和电磁磁阀，直接进入注射泵，这样可以过滤杂质，迅速切断燃料供给，保证实验安全，并防止发动机受损。混合燃料通过活塞注入汽缸，剩余的燃料则进入回油管，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。 带计计时功能能的高精精密电子子秤每330秒测测量燃油油的流量量。安装装Kisstleer电换换能器和和Kisstleer电荷荷放大器器，用来来监控汽汽缸

9、压力力（1000个工工作周期期取平均均值），并并使用CCB5666燃烧烧分析仪仪记录测测量数据据。气体体排放量量的通过过ACLL Diigass 40000测测量，该该仪器专专门为专专门检测测NOxx的化学学发光测测量器，HHC由火火焰电离离探测分分析仪(FIDD)分析析，COO和COO2由非非分散（NNDIRR）红外外分析仪仪分析。烟雾则则由部分分流烟雾雾不透明明性测量量仪测量量（AVVL DDismmokee 40000）。该实验验安装如如图1（bb）。测测量装置置的主要要技术要要求和解解决方案案如表33所示。3.2。试验条条件检查查对所处情情况检验验后空气气进气温温度是223CC。测量量

10、是采取取在6组组不同的的发动机机负荷，相相应于全全负荷的的15%,300%,445%,60%,755%和990%,有两个个发动机机转速：15000和220000r/分分钟，其其均在柴柴油和混混合燃料料下运行行。 当当发动机机正使用用柴油运运行时,阀门11(V11)是开开放和阀阀门2(V2)关闭,当发动动机使用用混合燃燃料运行行时，VV1关闭闭和V22打开【如如图1(b)】在在发动机机运行新新一组混混合燃料料前,允允用充分分的时间间消耗剩剩下的燃燃料。表表4给出出对应地地柴油和和混合燃燃料的质质量流量量率，并并在所有有的情况况下进行行了测定定。混合合燃料的的平均燃燃料有效效油耗率率，是在在柴油等

11、等量低热热值的基基础上计计算得出出的，所所依据的的计算公公式如下下4 热释释放率试试验的评评估对于每一一个操作作条件,记录下下发动机机的1000个压压力循环环，并从从其中估估计平均均气缸压压力迹线线。使用用平均测测量气缸缸压力图图和上止止点采集集的信号号，我们们可以估估计点火火延时期期，燃烧烧时间和和放热率率速率，然然后从热热释放速速率估算算燃烧持持续时间间和强度度。这是是柴油机机燃烧机机理的信信息的最最宝贵来来源。放放热率图图也为我我们提供供了燃烧烧初期有有价值的的信息，而而燃烧初初期是大大部分NNOx形形成的时时期。热热释放率率是通过过热力学学第一定定律计算算确定的的。公式式如下：其中热导

12、导率由下下式给出出：导热系数数h 使使用 WWoscchnii的传热热系数。点火延迟迟是从喷喷油到压压力急剧剧上升这这段时间间间隔。燃烧持持续期是是从燃烧烧放热开开始到放放热结束束。5，结果果与讨论论如前所述述，目前前的主要要工作范范围是，通通过运行行现有的的直喷式式柴油机机发动机机，考查查混合燃燃料燃烧烧对发动动机性能能和排放放的影响响。在以以下各段段，所有有的测试试案例均均已给出出，重点点的是燃燃烧机理理和污染染物的排排放。 由由于发动动机的脉脉冲特性性，我们们始终在在个工作作条件下下以3次次测量取取平均采采集数据据。这使使我们能能够确定定的所测测数据可可重复性性，并估估计测量量精度。特别

13、强强调考虑虑到对污污染物排排放量的的测量误误差。为为了保证证所测值值的精度度高，气气体分析析仪必须须在每次次测量前前使用参参考气体体校准。烟度计计也务必必在每次次测量前前调整到到零点。 为为了估计计测量的的可重复复性和程程序的精精度，每每个测量量参数的的变化系系数（CCOV的的）是确确定的。它代表表每个数数值平均均数的百百分比作作为标准准差。每每个主要要COVV的测量量参数列列于表55。看这这些值可可以得出出，测量量是非常常重复性性的，特特别是对对发动机机的性能能而言。对于考考虑到污污染物排排放量，CCOV是是小于33.5的气态态污染物物和3.8的的烟雾。通过实实测数据据，我们们可以得得出混合

14、合燃料对对发动机机性能和和排放影影响的合合理结论论。5.1使使用混合合燃料对对缸压和和放热率率的影响响 图图2 给给出了发发动机转转速为115000和20000转转/分钟钟，负荷荷为满负负荷的330和和60条件下下的热释释放率，其其燃料为为柴油ZZ = 0和和混合燃燃料z = 110，220，330和和40。结果果表明，混混合燃料料的热释释放率峰峰值比柴柴油稍高高，在115000转/分分转速下下随着LLPG质质量分数数的增加加保持不不变。LLPG的的质量分分数低于于20时，220000r/mmin速速与15500转转/分钟钟情况是是一样的的，但是是，当LLPG的的质量分分数大于于20，混合合燃

15、料的的热释放放率峰值值明显下下降。LLPG-柴油混混合燃料料与柴油油燃料相相比，其其热释放放初始位位置（以以曲轴角角度）延延迟些，这这种延迟迟会随着着LPGG的质量量分数增增加而趋趋于增加加，在高高转速时时（20000rr/miin）尤尤为明显显。LPPG质量量分数的的增加会会降低混混合燃料料的十六六烷值，增增加点火火延迟时时间，在在点火延延迟期内内可燃烧烧的燃料料数量增增加了，随随之热释释放率的的峰值还还有预混混合燃烧烧阶段放放热量也也增加。由于混混合燃料料的密度度降低，为为了达到到同样水水平的平平均有效效压力，需需增加喷喷油时间间。但是是，由于于LPGG低沸点点，其瞬瞬间沸腾腾喷射可可以促

16、进进混合燃燃料的雾雾化，可可在扩散散燃烧阶阶段改善善燃烧缩缩短燃烧烧时间10。同时时，数据据显示所所有燃料料几乎在在同一位位置释放放热量，这这在另一一个方面面提供了了，当LLPG质质量分数数低于220或或在15500rr/miin转速速时，短短时间扩扩散燃烧烧阶段发发生的证证据。 在在气缸的的压力和和温度相相同的条条件下，点点火延迟迟表现为为物理和和化学的的预燃阶阶段的准准备时间间，在时时间（毫毫秒）变变化很短短，但随随着发动动机曲轴轴转速的的增加而而增加。放热曲曲线表明明在低转转速（115000r/mmin）和和/或降降低LPPG的质质量分数数（低于于20）时，尖尖而短预预混合燃燃烧阶段段，

17、而在在高转速速（20000rr/miin）和和较高的的LPGG质量分分数（220以以上）时时有平而而长的预预混合燃燃烧阶段段。 图33提供115000和20000转转/分发发动机转转速，满满负荷的的30%和600条件件下的点点火延迟迟期。结结果表明明，随着着混合气气中LPPG质量量分数的的提高，点点火延迟迟期也增增加，情情况在高高转速（220000转/分分）趋于于明显。以上的的情况可可解释为为随着LLPG的的质量分分数的增增加十六六烷值降降低。此此外，LLPG-柴油混混合燃料料的蒸发发热值随随着LPPG质量量分数的的提高而而提高，由由于燃料料蒸发，这这种情况况会使汽汽缸内气气体温度度下降。在发

18、动动机高转转速时，较较长的点点火延迟迟是由于于高转速速的发动动机在同同一时间间内转过过更大的的曲轴转转角。 图44给出了了发动机机的燃烧烧时间，条条件是分分别在柴柴油和混混合燃料料，在115000和20000rr/miin的转转速下，载载荷为满满载荷的的30%到600%。总总燃烧持持续时间间表现与与LPGG质量分分数之间间关系可可归为为为两种形形式。一一种为低低转(115000 r/minn)LPPG质量量分数较较高（220%以以上）情情况下燃燃烧期减减少。由由于长的的点火延延迟增加加了预混混燃烧阶阶段时间间,在扩扩散燃烧烧阶段由由于LPPG的快快速蒸发发燃烧得得到改善善，从而而缩短总总燃烧时

19、时间。另另一种情情况是在在发动机机高转速速(20000 r/mmin)LPGG质量分分数较高高（200%以上上）情况况下,总总燃烧时时间增加加。在高高转速LLPG质质量分数数高于220%时时，点火火延迟增增加趋于于明显，热热量释放放曲线延延迟至下下一阶段段，延长长了燃烧烧期。 图图5给出出了发动动机的缸缸压，条条件是分分别在柴柴油和混混合燃料料，在115000和20000rr/miin的转转速下，载载荷为满满载荷的的30%到600%。结结果显示示缸压峰峰值随LLPG质质量分数数增加而而下降，情情况在高高速时更更明显。这可被被看作是是十六烷烷值和蒸蒸发热值值的影响响，LPPG质量量分数增增加减少

20、少了混合合燃料的的十六烷烷值，增增加了点点火延迟迟和在预预混合阶阶段的燃燃料燃烧烧量，但但增加LLPG质质量分数数同时也也增加蒸蒸发热值值，在燃燃料蒸发发时减少少了缸内内气体温温度。这这两个因因素解释释了混合合燃料缸缸内压力力峰值的的变化。5.2 使用混混合燃料料对有效效油耗率率的影响响 作为为反映发发动机载载荷性能能之一有有效油耗耗率，其其变化量量已在图图6给出出，分别别为混合合燃料与与柴油，在在15000和220000r/mmin转转速条件件下。通通过发动动机输出出功率和和燃料质质量流率率来估计计平均油油耗率。因此，所所做的修修正是考考虑到LLPG与与柴油在在低热值值上的差差异。如如图所示

21、示，当发发动机负负荷低于于满负荷荷的555%时，平平均有效效油耗率率随着LLPG质质量分数数的上升升而稍增增大。当当发动机机负荷大大于满负负荷的555%时时，各种种燃料平平均有效效油耗几几乎相同同。通过过对LPPG质量量分数更更高时的的放热率率分析，结结果显示示混合燃燃料的低低利用率率主要原原因是发发动机低低载荷时时缸内燃燃气温度度较低，导导致燃烧烧率减慢慢。5.3 使用混混合燃料料对氮氧氧化物排排放的影影响 使用用混合燃燃料和柴柴油的发发动机排排放的NNOx变变化量已已在图77给出，转转速分别别为15500和和20000r/minn。众所所周知，NOx的形成是深受高氧浓度和高电荷温度的影响。

22、结果显示NOx集中量随着LPG质量分数增加而减少，当发动机载荷增加时其差量更大。主要原因是，LPG-柴油混合燃料的蒸发热值随LPG质量分数增加而增加，燃料蒸发后会降低缸内温度。最后考虑到发动机车速的影响，当车度提高时与使用柴油相比，使用混合燃料能进一步减少NOx的排放量。5.4使使用混合合燃料对对烟气排排放的影影响 烟烟气的不不透明性性作为反反映发动动机载荷荷性能之之一，其其变化量量已在图图8中给给出，分分别为混混合燃料料与柴油油，在115000和20000rr/miin转速速条件下下。从图图中可以以看出，光光吸收系系数随着着LPGG质量分分数的增增加而降降低。原原因是LLPG的的沸点较较低，

23、易易蒸发。一旦自自由喷入入，LPPG会因因降压而而快速蒸蒸发，这这种快速速沸腾喷喷射可以以增强气气体紊流流，在雾雾化区域域有压力力波动。气体紊紊流必然然改善雾雾化过程程。而雾雾化可以以使混合合燃料微微滴小于于柴油微微滴。由由于燃料料分解，长长时间保保持的液液滴降低低了颗粒粒物的污污染。5.5使使用混合合燃料对对CO排排放的影影响 作为为反映发发动机载载荷性能能之一的的CO排排放，其其实验结结果见图图9。分分别为混混合燃料料与柴油油，在115000和20000rr/miin转速速条件下下。已经经知道，CO形成率是由未燃气态燃料和混合温度综合作用的，这两者均控制燃料的分解和氧化。很明显可看出，随着

24、LPG质量分数增加，CO排放在发动机低载荷时稍增加，在高载荷时明显降低。主要原因是，在发动机低负荷时缸内气体温度低，在高负荷时快速沸腾喷射能加强燃料与空气的混合效率，让混合燃料更多机会接触空气。转速由1500r/min到2000r/min增加时并无大的影响，因为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排放与柴油的几乎相同（见图10），在40%左右排放稍增加。5.6使使用混合合燃料对对未燃HHC排放放的影响响未燃HCC集中作作为反映映发动机机载荷性性能之一一，其变变化量已已在图111给出出，分别别为混合合燃料与与柴油，在在15000和220000r/mmin转转速条件件下。据据观测，尾尾气中未未燃HCC的变化化量与发发动机燃燃烧过程程质量相相一致。从图中中可看出出，在低低负荷时时，HCC排放随随着LPPG质量量分数增增加而增增加，高高负荷时时也相差差无几。主要原原因是，在在低负荷荷LPGG质量分分数增加加时，使使用混合合燃料缸缸内气体体温度较较低，而而LPGG里含有有较多的的芳香族族HC很很稳定不不易完全全燃烧。从另一一方面来来说，良良好的物物化可以以减少混混合燃料料接近缸缸壁，这这样可以以大大减减少HCC集中。总结 在在本文中中，对一一直喷式式柴油机机使用混混合燃料料燃烧的的性能和和污染物物排放进进行了研研究。该该发