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

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摘要为了了减少污污染物排排放，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。液液化石油油气其较较高的自自燃温度度有非常常大的优优势，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。本文文描述的的是在一一个单缸缸直喷式式柴油机机进行的的实验研研究，发发动机已已经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％）。比比较结果果是在不不同的发发动机转转速和负负载对比比与传统统的柴油油和混合合燃料对对比下得得出的，来来揭示混混合燃料料燃烧对对发动机机性能和和尾气排排放的影影响。1。简介目前前，各种种替代燃燃料已在在研究，目目的是减减少柴油油发动机机柴油燃燃料的消消耗和氮氮氧化物物（NOOx）和和微粒排排放量。因因为其十十六烷值值较低，液液化石油油气（LLPG）和和压缩天天然气（CCNG）是是最广泛泛使用点点燃式发发动机的的燃料。斯斯内尔格格罗夫等等[1]]指出，欧欧洲测试试循环中中，在225°°C时时，与使使用无铅铅汽油相相比，使使用LPPG给车车辆减少少排放带带来了实实质性的的效益。根根据报告告碳氢化化合物（HHC）排排放量降降低400％，一一氧化碳碳（COO）的降降低600％，二二氧化碳碳（COO2）大大幅减少少。这主主要因为为，和汽汽油相比比LPGG有高的的氢/碳碳比。根根据Yooongg和Waatkiins[2]]，因其其较高的的热效率率，所以以，提高高燃油经经济利用用可从使使用LPPG的内内燃机获获得，而而不是无无铅汽油油。这是是因为LLPG有有较高的的辛烷值值，通常常纯丙烷烷辛烷值值（ROON）为为1122，这样样能在高高压缩比比时阻止止爆燃出出现。Hommeyeer等[[3]指指出，与与使用无无铅汽油油对比，使使用LPPG时在在功率输输出方面面存在一一不利因因素，原原因是部部分进气气被LPPG取代代，燃气气的体积积比远大大于其液液态。在在双燃料料压燃式式（CII）发动动机中，液液化石油油气为主主要燃料料，一定定数量的的柴油作作为点火火源，像像在传统统柴油发发动机里里一样，LLPG和和空气气气一起引引入和压压缩。因因其有高高的自燃燃温度，LLPG和和空气的的混合气气不会自自燃。少少量的柴柴油在压压缩冲程程快结束束时注入入缸内引引燃混合合气，这这时柴油油自燃并并产生点点火源给给周围空空气-LLPG混混合气。那那些柴油油可由传传统柴油油机的喷喷射装置置喷入，其其通常只只是提供供一小部分分发动机机功率输输出[44,5]]。KKariim等等[66,7]]已经指指出，双双燃料发发动机在在低负荷荷，LPPG浓度度更低时时，注入入的燃料料点火延延迟将增增加，分分散均匀匀的部分分LPGG仍未燃燃，致使使排放效效果较差差。因为为LPGG-空气气混合气气稀释了了，低负负荷下的的LPGG燃烧效效果欠佳佳导致高高的COO和未燃燃HC含含量的排排放。但但是，在在高负荷荷下，LLPG进进气量增增加会导导致，在在柴油雾雾化附近近不受控控制的反反应速率率增加，从从而敲缸缸。本文文的目的的是考察察一台测测试的发发动机在在采用LLPG--柴油混混合燃料料，尾气气排放和和运行特特点。正正因如此此，在作作者的实实验室的的直喷式式试验发发动机上上进行测测试研究究。对试试验机子子适当改改进后以以适应使使用混合合燃料，有有两套设设备进行行测量，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。处处理被测测汽缸压压力数据据信息，从从而推导导揭示了了混合燃燃料对放放热速率率、燃烧烧时间、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.LPGG和柴油油的性能能介绍液化石油气气是由天天然气生生产和原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。为为了表示示出混合合燃料中中的LPPG质量量分数，我我们使用用了下面面的表达达式：当z==0%，代代表柴油油燃料，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。从从表一可以看看出，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实验验设备使用的发发动机为为单缸，自自然吸气气，四冲冲程，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。使使用高压压燃油泵泵喷射，其其喷嘴为为直径88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。在本实验中中，LPPG—柴柴油燃料料如液化化气燃料料一样制制备，如如图1。首首先，往往空LPPG箱里里灌入少少量的柴柴油,其其次，通通过压缩缩氮气，在在油箱里里产生一一定的压压力（该该压力不不低于LLPG饱饱和蒸汽汽压）。最最后，由由加压氮氮气把一一定质量量的LPPG压到到柴油里里，用手手摇LPPG管，并并立即开开展实验验。燃料料出口位位于管底底。混合合燃料通通过过滤滤器和电电磁磁阀，直直接进入入注射泵泵，这样样可以过过滤杂质质，迅速速切断燃燃料供给给，保证证实验安安全，并并防止发发动机受受损。混混合燃料料通过活活塞注入入汽缸，剩剩余的燃燃料则进进入回油油管，被被回收利利用。LLPG的的蒸汽压压力非常常高，在在燃油系系统极易易发生气气阻,因因此有必必要把LLPG压压力加大大到约22.0MMpa，防防止氮气气或气泵泵阻塞。带计时时功能的的高精密密电子秤秤每300秒测量量燃油的的流量。安安装Kiistller电电换能器器和Kiistller电电荷放大大器，用用来监控控汽缸压压力（1100个个工作周周期取平平均值），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ACLLDiigass40000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。烟烟雾则由由部分流流烟雾不不透明性性测量仪仪测量（AAVLDissmokke440000）。该该实验安安装如图图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。试试验条件件检查对所处情况况检验后后空气进进气温度度是233·C。测测量是采采取在66组不同同的发动动机负荷荷，相应应于全负负荷的115%,,30%%,455%,660%,,75%%和900%,有有两个发发动机转转速：115000和20000rr/分钟钟，其均均在柴油油和混合合燃料下下运行。当发发动机正正使用柴柴油运行行时,阀阀门1((V1))是开放放和阀门门2(VV2)关关闭,当当发动机机使用混混合燃料料运行时时，V11关闭和和V2打打开【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热释放放率试验验的评估估对于每一个个操作条条件,记记录下发发动机的的1000个压力力循环，并并从其中中估计平平均气缸缸压力迹迹线。使使用平均均测量气气缸压力力图和上上止点采采集的信信号，我我们可以以估计点点火延时时期，燃燃烧时间间和放热热率速率率，然后后从热释释放速率率估算燃燃烧持续续时间和和强度。这这是柴油油机燃烧烧机理的的信息的的最宝贵贵来源。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：：其中热导率率由下式式给出：：导热系数hh使用用Wooschhni的的传热系系数。点火延迟是是从喷油油到压力力急剧上上升这段段时间间间隔。燃燃烧持续续期是从从燃烧放放热开始始到放热热结束。5，结果与与讨论如前所述，目目前的主主要工作作范围是是，通过过运行现现有的直直喷式柴柴油机发发动机，考考查混合合燃料燃燃烧对发发动机性性能和排排放的影影响。在在以下各各段，所所有的测测试案例例均已给给出，重重点的是是燃烧机机理和污污染物的的排放。由于于发动机机的脉冲冲特性，我我们始终终在个工工作条件件下以33次测量量取平均均采集数数据。这这使我们们能够确确定的所所测数据据可重复复性，并并估计测测量精度度。特别别强调考考虑到对对污染物物排放量量的测量量误差。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。烟烟度计也也务必在在每次测测量前调调整到零零点。为了了估计测测量的可可重复性性和程序序的精度度，每个个测量参参数的变变化系数数（COOV的）是是确定的的。它代代表每个个数值平平均数的的百分比比作为标标准差。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。对对于考虑虑到污染染物排放放量，CCOV是是小于33.5％％的气态态污染物物和3..8％的的烟雾。通通过实测测数据，我我们可以以得出混混合燃料料对发动动机性能能和排放放影响的的合理结结论。5.1使用用混合燃燃料对缸缸压和放放热率的的影响图22给出出了发动动机转速速为15500和和20000转//分钟，负负荷为满满负荷的的30％％和600％条件件下的热热释放率率，其燃燃料为柴柴油Z=00％和混混合燃料料z==100％，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。由由于混合合燃料的的密度降降低，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。在气气缸的压压力和温温度相同同的条件件下，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。放放热曲线线表明在在低转速速（15500rr/miin）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，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3提提供15500和和20000转//分发动动机转速速，满负负荷的330%和和60％％条件下下的点火火延迟期期。结果果表明，随随着混合合气中LLPG质质量分数数的提高高，点火火延迟期期也增加加，情况况在高转转速（220000转/分分）趋于于明显。以以上的情情况可解解释为随随着LPPG的质质量分数数的增加加十六烷烷值降低低。此外外，LPPG-柴柴油混合合燃料的的蒸发热热值随着着LPGG质量分分数的

提提高而提提高，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。在在发动机机高转速速时，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4给给出了发发动机的的燃烧时时间，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(115000r//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时间。另另一种情情况是在在发动机机高转速速(20000r/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55给出了了发动机机的缸压压，条件件是分别别在柴油油和混合合燃料，在在15000和220000r/mmin的的转速下下，载荷荷为满载载荷的330%到到60%%。结果果显示缸缸压峰值值随LPPG质量量分数增增加而下下降，情情况在高高速时更更明显。这这可被看看作是十十六烷值值和蒸发发热值的的影响，LLPG质质量分数数增加减减少了混混合燃料料的十六六烷值，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使使用混合合燃料对对有效油油耗率的的影响作为反反映发动动机载荷荷性能之之一有效效油耗率率，其变变化量已已在图66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。通过过发动机机输出功功率和燃燃料质量量流率来来估计平平均油耗耗率。因因此，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使使用混合合燃料对对氮氧化化物排放放的影响响使用混混合燃料料和柴油油的发动动机排放放的NOOx变化化量已在在图7给给出，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。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使用用混合燃燃料对烟烟气排放放的影响响烟气气的不透透明性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88中给出出，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。从从图中可可以看出出，光吸吸收系数数随着LLPG质质量分数数的增加加而降低低。原因因是LPPG的沸沸点较低低，易蒸蒸发。一一旦自由由喷入，LLPG会会因降压压而快速速蒸发，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。气气体紊流流必然改改善雾化化过程。而而雾化可可以使混混合燃料料微滴小小于柴油油微滴。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使用用混合燃燃料对CCO排放放的影响响作为反反映发动动机载荷荷性能之之一的CCO排放放，其实实验结果果见图99。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。已已经知道道，COO形成率率是由未未燃气态态燃料和和混合温温度综合合作用的的，这两两者均控控制燃料料的分解解和氧化化。很明明显可看看出，随随着LPPG质量量分数增增加，CCO排放放在发动动机低载载荷时稍稍增加，在在高载荷荷时明显显降低。主主要原因因是，在在发动机机低负荷荷时缸内内气体温温度低，在在高负荷荷时快速速沸腾喷喷射能加加强燃料料与空气气的混合合效率，让让混合燃燃料更多多机会接接触空气气。转速速由15500rr/miin到220000r/mmin增增加时并并无大的的影响，因因为其他他的范例例也出现现同样结结果。当当LPGG质量分分数增至至30%%，混合合燃料的的CO排排放与柴柴油的几几乎相同同（见图图10），在在40%%左右排排放稍增增加。5.6使用用混合燃燃料对未未燃HCC排放的的影响未燃HC集集中作为为反映发发动机载载荷性能能之一，其其变化量量已在图图11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。据观观测，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。从从图中可可看出，在在低负荷荷时，HHC排放放随着LLPG质质量分数数增加而而增加，高高负荷时时也相差差无几。主主要原因因是，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。从从另一方方面来说说，良好好的物化化可以减减少混合合燃料接接近缸壁壁，这样样可以大大大减少少HC集集中。总结在本本文中，对对一直