LPG柴油混合燃料发动机性能与排放的研究

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内燃。机工程lpg/柴油混合燃料发动机性能与排放的研究祁东辉，边耀，彭小红，王向东，程前（长安大学汽车学院，西安710064）排放特性。结果表明，入-定比例的lpg可以改善缸内燃烧过程随着混比的增大，碳烟和nox的排放大幅度降低，co和hc的排放略有升高，动力性和经济性基本居持不变。

1概述目前，对柴油机的双燃料改造主要是先将气体燃料（天然气或lpg）蒸发、气化、减压，然后在进气管通过混合器与空气预混，进入气缸燃烧，气体燃料作为主燃料，少量柴油喷入起引燃作用，这种双燃料发动机使用机动性强，既可使用双燃料，也可燃用柴油单燃料；对多数柴油机不必进行很大变动；柴油引燃火焰能量大，可实现气体燃料的稀薄燃烧和完全燃烧。但以该方式运行的双燃料发动机同时存在着一些的问题，燃烧速度低，着火滞后；在小负荷时燃料经济性差，碳氢（hc）排放量高；针对汽车不同运行工况的合理控制还没有完全成熟，需进一步研究。

本研究lpg的供给方式采用缸内直接喷射，即预先将柴油与lpg在钢瓶内按一定比例通过氮气加压后液态混合，从钢瓶流出的混合燃料经过滤器和电磁阀后到喷油泵，完全按原柴油机的控制方式运行，为lpg等气体燃料在柴油机上的应用提供一条新途径。通过试验，研究使用该方式对混合燃料时发动机的动力性、经济性和排放，为进一步的研究奠定一定的理论基础。

2试验条件lpg是多种成分的混合物，主要成分是丙烷和丁烷，可替代传统的石油系燃料而成为内燃机代用燃料。下表列出了lpg和柴油的主要物化特性。

试验用燃料是商用0柴油和西安石油化工总厂生产的家用lpglpg液态密度（15°c）为表lpg与柴油主要物化特性比较油低液体状态下单位容积的热值油的7所ubli真二而八61、2、：30燃料分：别为1x0m」、536kg/m3；蒸气压（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；硫化氢含量不大于343mg/m3；目测无游离水。

发动机燃料供给系统的改造主要是增加管路供油压力以克服lpg在供油管路中发生气阻。由于发动机燃油供给系统非常靠近发动机机体，而单缸机的喷油泵甚至深入到机体内部。所以喷油泵的温度往往与机体的温度接近，达70°c左右。如果不采取措施增加燃料供给系统的压力，lpg很容易蒸发成气态而产生气阻，影响发动机的正常运行。

通过氮气加压提高燃料供给系统的背压，可以克服这个问题。

试验用发动机为自然吸气zh1105w型柴油机，压缩比为16.5；标定功率/转速为11.03kw/2000（1-min-；最大扭矩/转速为59n*m/1500排气成分的分析和烟度的测量采用avl公司的digas4000排气分析仪和dismoke 4000烟度分析仪，用光吸收系数k表示烟度大小。

3试验结果与分析该研究分别进行了外特性和最大扭矩转速（1500r/min）负荷特性试验，考察了纯柴油（0柴油）以及lpg掺混比分别为10%、0%、30%（代号分别为e10、e20、e30）时的动力性、燃料经济性及排放性能（烟度、nox、co、hc）。

3.1动力性与燃料经济性由上述lpg物化特性可知，虽然lpg的低热值和理论混合气热值略高于柴油，但其液态密度比柴形成的理论混合气热值为柴油的76%.所以在进行混合燃料的外特性试验时，随着掺混比的提高，应逐步旋出油量校正螺钉，保证在调速手柄处于最大位置时喷油泵有较大的循环供油量，使混合燃料的外特性功率、扭矩达到柴油机最佳水平。为柴油和不同lpg掺混比时外特性功率、扭矩变化曲线。

从图中可以看出，混合燃料与柴油的外特性功率和扭矩相比，在高转速、掺混比较大时略有降低，其它变化很小。另外，混合燃料排气中碳烟少，但发动机的冒烟极限功率比单烧柴油时大。

为柴油机使用不同lpg掺混比混合燃料时的燃料消耗率变化曲线，由图可知，不同掺混比时燃料消耗率变化不明显。lpg的理论质量空燃比和低热值略高于柴油，理论混合气热值和柴油接近，理论上随着掺混比的提高，燃料消耗率应有所改善。由于用电子秤测量混合燃料的消耗，并且试验所用柴油机的小时耗油量较低，燃料测量的误差可能是导致上述试验结果的原因。由于lpg的十六烷值低，混合燃料的滞燃期会延长，预混合燃烧量增加，发动机噪声增大，但掺混比为e30时，燃烧滞后，燃烧过程主要在膨胀过程进行，燃烧压力及压力升高率降低，发动机噪声减小。

3.2排放性能柴油机由于空燃比大，排气中co和hc的浓度低，因而降低柴油机污染主要是抑制nox和碳烟（颗粒）的生成。

碳烟是燃烧过程中局部高温、缺氧、裂解并脱氢而成的以碳为主的固态微小颗粒。

分别为发动机在外特性和负荷特性时燃用不同掺混比混合燃料与柴油的烟度比较。在标定工况点，柴油的排气烟度的光吸收系数为在最大扭矩时，e30燃料的光吸收系数可降低78%以上。混合燃料的烟度低于柴油，并且随着掺混比的提高，烟度逐步降低。主要原因是lpg沸点低、粘度小、易于气化，油束雾化质量高，能快速而均匀地与空气形成可燃混合气，从而有利于抑制碳烟的生成。另外，混合燃料的喷雾角增大，卷入的空气量增加以及滞燃期略有增大可使烟度降低。

影响nox排放的根本因素是火焰温度、氧的浓度和火焰高温的持续时间。

4分别机外时燃用ub不同掺混比混合燃料与柴油的nox排放比较。外特性上随着转速的升高，发动机燃用混合燃料和柴油时nox排放都略有降低。这是因为转速愈高，在供油提前角一定时，提前喷油的实际时间愈短，使参加预混合燃烧的燃油量愈少，初期放热量和放热率峰值较低，从而使最高燃烧温度降低。同时，高转速时缸内高温持续时间短。这两个因素都促使在高温时nox排放浓度下降。发动机燃用混合燃料时，随着负荷的增加，nox排放浓度逐步增加，与燃用柴油时的规律相同。其中e10混合燃料的nox排放浓度略高于柴油，而e20和e30则有较大幅度的降低，e30混合燃料在外特性曲线上可降低nox排放35%以上，在负荷特性曲线上可降低nox排放30%以上，这是多方面因素综合影响的结果。lpg的自燃温度高，十六烷值小，混合燃料的滞燃期长，参加预混合燃烧的燃料量多，最高燃烧温度提高，促进nox的生成。但另一方面，lpg的气化潜热比柴油大，喷入燃烧室发生闪急喷射，迅速气化吸收大量的热量，使燃烧室内温度下降，在一定程度上抑制nox的生成。同时，燃烧过程滞后到膨胀行程，也使燃烧温度降低。

柴油机co的排放一般都很低，因为平均过量空气系数大于1，气缸内有足够的氧使已形成的co能被进一步氧化。

分别为发动机在外特性和负荷特性时燃用不同掺混比混合燃料与柴油的co排放的比较。从图中可以看出，外特性时随着掺混比的增加，co排放明显降低，混合燃料的co排放低于柴油。这是因为柴油都含有芳香烃，燃油含芳香烃越高，co排放越高；lpg基本上不含芳香烃，所以随掺混比增加，co排放减少。另一方面，随掺混比增加，由于lpg易于气化，使局部缺氧的情况减少，co能充分燃烧成co2.转速对co的影响不明显。co浓度随负荷的增加先略有降低，而在大负荷迅速增加。因为负荷增大后，局部缺氧加剧，co不能完全燃烧而排出缸外。小负荷时局部温度过低和混合气过稀，co失去温度条件而不能完全氧化，co排放略有升高。混合燃料与柴油的co排放随负荷变化的趋势基本一致，掺混比大时，小负荷co排放略高，而大负荷co排放略低。

混合气过稀或缸内温度太低是形成hc的两大主要因素。

分别为发动机外特性和负荷特性时燃用不同掺混比混合燃料与柴油的hc排放的比较。由图可以看出，混合燃料的hc排放随转速的升高略有降低，而柴油的hc排放随转速的变化是先减后增。e10、20混合燃料的hc排放与柴油基本相同，e30混合燃料的hc排放明显升高。总的来说hc排放随转速的变化幅度不大。原因是lpg的着火温度高，在相同供油提前角的情况下，掺混1994-2012chinaacademicjournalelectronic 4结论通过高压氮气给lpg/柴油混合燃料供给系统提供背压，可以实现混合燃料的缸内直接喷射，试验证明该方案切实可行。

柴油机燃用不同掺混比的混合燃料可以获得与柴油一样的动力性与燃料经济性。

柴油机燃用混合燃料的烟度明显降低，并且随掺混比的增加，降低幅度增大。

燃用混合燃料时nox排放在掺混比较大时有明显降低，解决了柴油机降低nox和降低碳烟之间存在的矛盾。

燃用混合燃料的co排放在外特性时有所降低，在负荷特性与柴油基本相同。

燃用混合燃料时hc排放在外特性和负荷特性时与柴油相比都略有增加。

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