LPG／柴油双燃料发动机排放性能研究

LPG／柴油双燃料发动机排放性能研究2004-4-1分享到： QQ空间新浪微博开心网人人网边耀璋祁东辉张春化长安大学引言近年来，我国一些城市相继将柴油车赶出了市区，这种做法，与国际上几十年来汽车动力的柴油化趋势恰恰相反，可能会对我国柴汕车的发展带来一定的负面影响。

禁止柴油车进城是一种行政手段，从管理角度，该禁止的应当是所有小符合国家有关法规、标准或规范的车辆，不论它是甚麽车型，哪怕它是牌子很亮的进口车或者是标称的绿色燃料汽车。

而不应当以车类或车型为界笼统地一刀切。

这些城市发布禁柴令的理由大体上都是认定柴油车所造成的污染比汽油车严重，这个认识显然与业界的看法相反。

原因是柴油车排污中的微粒浓度的确大于汽油车且微粒直观上表现为排气冒黑烟，看得见摸得着，很容易给人以柴油车比汽油车排污严重的表象。

如果柴油机的技术水平欠高，则会使误解加深。

应当正视，我国的柴油车水平与国外先进水平还存在很大的差距。

柴油车尤其是柴油公交车冒黑烟问题确实是大城市尤其是旅游开放城市的心头病。

不管是否禁止柴油车进城，努力提高我国柴油车的技术水平、降低柴油车排污并着重解决冒烟问题都应是当务之急。

1 治理柴油车排污的技术途径治理柴油车污染的渠道，一是从改进柴油机的燃烧系统和燃料供给系统、采用电控技术和后处理技术等方面着，扎扎实实地提高柴油机的技术水平；二是以原柴油机为基础采取一定的技术措施后，改烧或掺烧绿色气体燃料，如天然气(CN G)、液化石油气(LPG)等。

第一项措施是常规技术措施，本文讨论第二项，即代用燃料方面的措施，这是一项在现有技术水平的基础上可以使柴油机冒烟大幅度下降的措施。

考虑到液化石油气携带和加注比天然气方便，能量密度大、续驶里程长，本文侧重介绍液化石油气的应用。

2 LPG／柴油双燃料的应用方式柴油车燃用液化石油气的技术途径有改为点燃式发动机和采用LPG／柴油双燃料两大类。

改为点燃式发动机方案是将柴油机从压燃式改为点燃式，一般是单烧LPG，也可以LPG／汽油两用。

由于将柴油机改为电火花点燃式LPG发动机，必须较大幅度地降低压缩比，原柴油机机件的强度余量太大，相当不合理，较少采用。

而将柴油机改为电火花点燃式LPG发动机有多年的研究和实践。

这项工程通常由生产柴油机的厂家实施。

对柴油机改为点燃式发动机方案本文不做进一步探讨，LPG／柴油双燃料方案是将LPG和柴油先后或同时供入气缸、两种燃料共同参与燃烧的方案。

LPG／柴油双燃料在压燃式发动机上的供给方式主要有LPG与柴油混合喷射和LPG预混进气加柴油喷射两种。

1)LPG与柴油混合喷射该方案是指将LPG与柴油事先混合，之后一同喷入气缸。

本研究采用的方案是利用高压氮气使LPG液化并与柴油形成混合燃料。

在供油管路上连接一个耐高压；过滤器和电磁阀，可过滤混合燃料的杂质和及时切断供油，保证试验的安全和防止对发动机的损坏，燃料供给系统图1所示。

2)LPG预混进气加柴油喷射LPG预混进气有真空进气和直接喷射两类。

真空进气是当前一种主要的应用方案，系统简图如图1所示。

原机结构基本不变的情况下加装套LPG供给装置。

具体为LPG经蒸发、减压后在进气管通过一个混合器与空气进入气缸，在活塞到达压缩行程上止点前，喷入小部分柴油(通常称引燃油)引燃。

要求引燃油喷射系统有不同于柴油机的特性，主要包括自动地射少量油的能力以及适时喷时间，并且具有良好的贯穿和重复性，这对双燃料发动机的性能和排欣有很大的影响。

LPG直接喷射有单点喷射和多点喷射之分。

单点喷射足指用一个喷嘴将LPG喷人进气歧管的适当部位，与空气混合，进一步在气缸内形成均质混合气。

压缩行程接近终了喷入引燃。

该方案与真空进气相比能较精确地控制LPG燃料量；多点喷射是指用多个喷嘴将LPG喷人各缸进气门处，其优点除能精确地控制LPG燃料量外，并能保证各缸优良的燃料分配。

上述两种方案，发动机性能优于真空进气，但改动较大，改装成本高。

柴油喷射系统主要有机械控制、机电控制和电脑控制等三种类型。

由于双燃料发动机只需要少量的引燃油，故不论采用那种喷油系统，都不能原封不动地应用。

如对于机械控制燃油喷射系统应采取一些措施改变或取消调速装置对燃油量的控制等。

3 试验用发动机和试验用仪器本文对不同供给方案的LPG／柴油双燃发动机的排放特性分别进行了试验分析和比较。

试验在卧式、单缸、四冲程、自然吸气、水冷直喷式ZH1105W型柴油机上进行。

该机采用浅w型燃烧室，以适当的进气涡流帮助形成混合气。

发动机的主要技术参数如表1所示。

表1 发动机试验用柴油是商用0≠柴油，试验用LPG燃料为西安石油化工总厂生产的LPG, LPG的密度（15。

C）为536kg/m3，蒸汽压（37.8。

C）不大于1380kPa，C5及C5以上组分含量不大于3.0%(V/V)，蒸发残留物不大于0.05ml/100ml,铜片腐蚀不大于1级，硫化含量不大于343mg/m3，目测无游离水。

测量装置列于表2，试验装置如图3所示。

光电式传感器Kistler上止点信号曲轴转角发生器PA-500 日本小野起缸压力6051B KistlerCB-566 日本小野压力信号5019B Kistler噪声ND2 江西红声器材厂烟度DidSmoke 4000 奥地利AVL公司CO、HC、NOx DiGas4000 奥地利AVL公司1．发动机 2．水力测功机 3．光感传感器 4．曲轴转角发生器 5。

CB566燃烧分析仪 6．计算机 7．电荷放大器 8．压力传感器 9．五气分析仪 10．烟度计 11排温传感器 12．电子天平 13．LPG钢瓶 14．氮气瓶 15．过滤器 16．电磁阀 17．喷油泵 18．油耗计 19．柴油箱 20．空气稳压箱 21．空气流量计两点说明；混合燃料消耗量的测量——采用具有自动计时功能的高精度电子天平计量LPG／柴油混合燃料的消耗量，燃料箱使用车用LPG，钢瓶，钢瓶上的燃料出口位于其底部，回油口位于其上部。

排气成份的测定——废气排放的测试采用奥地利里斯特内燃机研究所(AVL公司)生产的AVL Digas4000发动机排气五气分析仪，测量原理为：NOx采用化学发光法(CLD)，CO、CO2和HC采用不分光红外线法(NDI R)，O2用顺磁法。

烟度测量采用AVL Dismoke4000部分流不透光烟度计。

用光吸收系数K(m-1)表示烟度值，它与烟度N的关系为：式中：S为光通路的有效长度。

试验中所用的主要测量仪器和监控仪表见表2。

试验台架的总体布置见图3。

4 混合喷射双燃料排放特性试验表明，当LPG的质量掺混比达40％(E40)以上时，发动机起动困难，特别是发动机运行一段时间后，发动机整体温度升高，停机后无法再起动，所以对LP G质量掺混比分别为10％、20％、30％(分别计为E10、E20、E30)时的排放性能进行研究并与纯柴油（0号柴油）进行了对。

表1是LPG、柴油混合燃料主要物理性质比较表3 LPG、柴油和混合燃料主要物理性质比1)碳烟排放碳烟生成的根本条件是高温、缺氧。

柴油机的非均质燃烧导致燃烧时燃料分子往往被高温火焰或燃烧产物包围。

这一特点决定了碳烟生成的必然性。

初生的碳烟颗粒物是表面积很大的疏松团状结构，不断聚集，颗粒物变大，一直聚集到l～lOμm，而且有很强的亲和力，它能吸附高分子量的有机物。

研究发现，燃烧中碳烟的浓度是先上升到最大值，然后浓度下降，这表明在燃烧的初期和中期会形成大量的碳烟，其中很大一部分在燃烧的后续过程中会被烧掉。

碳烟的形成过程和部分消失过程几乎是同时连续进行的。

碳烟的生成主要是在燃烧的初期和中期，而碳烟的氧化主要是在燃烧的中期和后期。

图4和图5分别为转速和负荷对发动机燃用混合燃料和柴油时烟度排放的影响。

由图可见，混合燃料发动机烟度排放随负荷和转速的变化趋势与柴油机基本相同，在一定转速下，随负荷的增加，烟度排放在较低负何增加缓慢，在较大负荷增加较快。

负荷增加，每循环供油重增加，即过量空气系数减少，燃空比增加，燃烧向缺氧方向发展，从而使烟度增加。

烟度排放随转速的变化是先增后减，在最大转矩点附近达到最大值。

由于LPG的混入，混合燃料在宽广的负荷范围内可大幅度改善烟度，掺混比越大，改善越明显。

转速对混合燃料发动机烟度的影响较小，低负荷烟度改善幅度不大，高负荷的改善效果明显。

当平均有效压力Pme为0．27MPa和0．62MPa 时，E10混合燃料发动机烟度的K值分别由0．2m-1和3．28m-1降为0．04m-1和1．21m-10另外，?昆合燃料使发动机烟度排放处于低颗粒排放水平的负荷范围扩大。

例如，1500r／min负荷特性曲线烟度排放的K值低于1．0m-1的负荷范围，柴油为平均有效压力小于0.45Mh，但对于正10和正30混合燃料，平均有效压力升高到0．印MP2。

这是因为LPG的沸点低、易于汽化，混入柴油中减压沸腾而促进雾化，形成的油束雾化质量高，混合燃料能快速而均匀地与空气形成混合气，提高扩散燃烧速率，从而有利于抑制碳烟的生成和排放。

另外，掺混比较大时，由于LPG汽化吸热，燃烧温度显著降低，也是烟度减小的一个因素。

混合燃料排气中碳烟少，发动机的冒烟极限功率比单烧柴油时大。

2) NOx排放NOx县燃烧过程中形成的多种氮氧化物，如N0、N02、N203、N205等，在内燃机中主要是NO，其次是N02。

当燃烧温度超过2000。

C时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合成NO，所以NO的生成主要取决于燃烧温度、氧的浓度以及燃气在商温和富氧的条仟下逗留的时间。

高温足最重要的条件，即使氧很充足，但燃烧温度不高时，氧的分解进行也很慢，NO的生成浓度低；NO生成与反应时间有关，如果燃气在高温和富氧的条件下逗留的时间长，N0的生成量必然增加。

图6为发动机燃用混合燃料和柴油时NO，I排放的外特性对比。

由图可见，随着转速的升高，发动机燃用混合燃料与柴油时NOx排放浓度都略有降低，这是因为转速越商，在供油提前角一定时，提前喷油的实际时间缩短，使参加预混合燃烧的燃油量较少，初期放热量和放热率峰值较低，从而使最高燃烧温度较低。

同时，转速高，以ms计的燃烧持续时间较短，缸内高温持续时间短。

这两个因素都促使在高速时NOx．的生成和排放浓度下降。

但是，转速的改变会引起燃烧室内涡流、挤流和紊流强度的改变，改变了混合气形成的速度和品质，从而影响到NOx排放的浓度。

另外还可以看出，E10混合燃料的NOx排放略高于柴油，这是因为由于LPG 的混入，预混合放热量增加，燃烧后期的扩散燃烧放热量减少，且燃烧期缩短。

但E30混合燃料的NOx排放却大幅度下降，平均值比柴油机的NOx排放下降了40％左右。

这是因为随着LPG混入量的增加，混合，气热值减小，同时滞燃期增长，燃烧过程严重滞后，燃烧温度降低，另外，由于LPG的汽化吸热而使初期燃烧温度较低，所以NOx排放显著降低。