液化石油氣對二甲醚-柴油雙燃料發動機燃燒和排放特性的影響

汪映,黃智勇,柯希春,劉紅

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.大連理工大學能源與動力工程學院,116024,遼寧大連)

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液化石油氣對二甲醚-柴油雙燃料發動機燃燒和排放特性的影響

汪映1,黃智勇1,柯希春1,劉紅2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.大連理工大學能源與動力工程學院,116024,遼寧大連)

為了解決內燃機在抑制二甲醚早燃而導致爆燃的問題,實驗研究了著火抑制劑液化石油氣對二甲醚-柴油雙燃料預混燃燒發動機燃燒和排放特性的影響。實驗所用發動機為缸內直噴柴油機,并在原機的基礎上增加了一套氣體燃料預混合系統,以使發動機同時實現預混和直噴壓燃兩種燃燒方式。研究結果表明:隨著二甲醚/液化石油氣混合燃料中液化石油氣比例的增加,預混壓燃發動機的燃燒始點滯后,燃燒持續期縮短,缸內最大爆發壓力和平均燃燒溫度逐漸降低,有效熱效率略有下降,但有效熱效率仍高于缸內直噴柴油機;摻混液化石油氣可在顆粒排放基本保持不變的情形下減少NOx的排放。該結果可為設計更為節能、環保的汽車發動機提供參考。

雙燃料;二甲醚;液化石油氣;燃燒;排放

內燃機的廣泛使用消耗了大量的化石能源并且產生了大量的污染物,為解決該問題,國內外很多學者都在積極尋找新的替代燃料和探索新的燃燒方式[1-3]。其中,二甲醚-柴油雙燃料預混合壓縮燃燒(PCCI)發動機以其較好的燃油經濟性以及較低的顆粒物排放[4-5],得到了國內外學者的廣泛關注。但是,由于二甲醚(DME)著火點低、滯燃期短,隨著發動機轉速和負荷的增加,較高的DME預混比會使發動機發生爆燃[6]。為了抑制DME早燃導致的爆燃,本文擬在二甲醚中加入辛烷值較高的液化石油氣(LPG)作為著火抑制劑,改變進氣道預混合氣體的理化性質,抑制DME的早燃,推遲燃燒。為此,本文擬開展不同比例LPG對二甲醚-柴油雙燃料發動機燃燒和排放特性的影響。

1 實驗臺架及裝置

本文所用的發動機由2105柴油機改裝而成,2105柴油發動機是直列、水冷、雙缸、四沖程、自然吸氣式直噴柴油機,主要技術參數如表1所示。

表1 2105柴油機主要技術參數

圖1 發動機實驗臺架布置

本文實驗臺架布置如圖1所示,整個實驗臺架包括氣體燃料預混合系統、缸內壓力測量系統、排放測量及分析系統等。實驗所用發動機原機為缸內直噴柴油機,為了使發動機能夠同時實現DICI和PCCI兩種燃燒方式,在保留原柴油機直噴燃油系統的基礎上增加了一套氣體燃料預混合系統。本實驗使用水冷式壓電晶體傳感器(Kistler 7061)來測量發動機各時刻的缸內壓力,使用ANSYS 720測量NOx排放,采用低壓電子沖擊儀(ELPI)測量顆粒粒徑分布。實驗所用柴油是商用0#柴油,二甲醚的純度約為99.9%,LPG的成分為60%丙烷和40%丁烷。

實驗采用DME/LPG的混合燃料來部分替代柴油。為方便分析對比,本實驗中定義了預混比,計算公式為

(1)

式中:BD、Bd、BL分別為DME、柴油、LPG的質量流量(g/s);HD、Hd和HL分別為DME、柴油和LPG的低熱值(J/g)。

本文研究主要是在供油提前角為上止點前18°、額定轉速為1 700 r/min、平均指示壓力為0.24 MPa和額定轉速為1 700 r/min、平均指示壓力為0.48 MPa兩種工況下進行。由于二甲醚預混量較大時會發生明顯早燃現象,不利于燃燒和排放的控制,因此著重研究二甲醚預混比較大時(r=40%),添加不同比例LPG對PCCI發動機燃燒和排放特性的影響。本研究中混合燃料DME/LPG通過進氣道與空氣混合以后進入氣缸,LPG和DME的3種質量比為1∶4、1∶2和1∶1,根據LPG所占質量百分比,用代號依次表示為L20、L33和L50。

2 不同比例LPG預混燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機燃燒特性的影響

2.1 缸內壓力和溫度

圖2所示為添加不同比例LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料PCCI發動機缸內壓力的影響。從圖中可以看出,預混燃料中加入LPG以后,發動機缸內壓力升高的始點與預混純二甲醚時相比有所推遲,并且隨著LPG比例的增大,缸內壓力曲線依次滯后,在預混燃料為L50的情況下,其缸內壓力急劇升高的始點與純柴油缸內直噴基本接近。另外,隨著LPG比例的增大,PCCI發動機缸內最大爆發壓力逐漸降低,這說明LPG/DME混合燃料與空氣形成的混合氣進入氣缸后,二甲醚的早燃現象得到了抑制,LPG發揮了抑制二甲醚早燃的作用,致使燃燒始點有所滯后,而且隨LPG比例的增大,上述情況更加明顯,因此使得燃燒始點進一步滯后,同時也降低了缸內燃燒的最大爆壓力。

(a)平均指示壓力為0.24 MPa

(b)平均指示壓力為0.48 MPa圖2 不同比例LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機缸內壓力的影響

圖3所示為添加不同比例LPG對二甲醚-柴油雙燃料發動機缸內溫度的影響。從圖3中可以看出,隨著預混燃料中LPG比例的增大,PCCI發動機的缸內溫度逐漸下降,溫度峰值對應曲軸轉角逐漸滯后。當預混純二甲醚時,二甲醚的早燃提高了缸內溫度,有利于促進柴油的蒸發和混合,燃燒放熱過程提前,提高了缸內壓力,集中在上止點燃燒,因此溫度升高,但是當添加LPG以后,LPG抑制了二甲醚的早燃,相對于預混純二甲醚時,燃燒滯后,導致缸內壓力降低,散熱損失增多,因此缸內溫度隨預混燃料中LPG比例的增大而降低。

(a)平均指示壓力為0.24 MPa

(b)平均指示壓力為0.48 MPa圖3 不同比例LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機缸內溫度的影響

2.2 燃燒放熱率

圖4所示為添加不同比例LPG對二甲醚-柴油雙燃料發動機瞬時放熱率的影響,從圖中可以看出,在平均指示壓力為0.24 MPa工況下,預混二甲醚的量較少,二甲醚高溫HCCI燃燒與柴油擴散燃燒同時進行,所以此時PCCI發動機的放熱過程包括二甲醚低溫HCCI燃燒和柴油擴散燃燒兩階段。隨著預混燃料中LPG量的增加,二甲醚低溫HCCI燃燒階段的放熱率峰值逐漸減小,對應的相位逐漸滯后。這是由于LPG辛烷值較高,預混燃料中加入LPG后推遲了二甲醚著火時刻,因此二甲醚低溫HCCI燃燒逐漸推遲,同時隨著LPG比例的增大,二甲醚的量減少,因此放熱率峰值有所減小。隨著預混燃料中LPG量的增加,柴油擴散燃燒階段的放熱率峰值逐漸增大,其對應相位逐漸滯后,其中預混L50燃料時擴散燃燒階段的放熱率峰值和對應相位與純柴油發動機十分接近。LPG比例的增大延長了燃料的滯燃期,因此燃料與空氣混合的時間延長,混合氣的量增多,使得瞬時放熱率曲線的峰值升高。在平均指示壓力為0.48 MPa工況下,二甲醚量增多,發動機的放熱過程分為二甲醚低溫HCCI燃燒、二甲醚高溫HCCI燃燒和柴油擴散燃燒3個階段。隨著預混燃料中LPG量的增加,二甲醚低溫HCCI燃燒和高溫HCCI燃燒階段的放熱率峰值逐漸減小,對應相位逐漸后移,柴油擴散燃燒階段的放熱率峰值逐漸增大,對應相位逐漸滯后。

(b)平均指示壓力為0.48 MPa圖4 不同比例LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機瞬時放熱率的影響

圖5所示為添加不同比例LPG對二甲醚-柴油雙燃料發動機累積放熱率的影響。從圖5可以看出,發動機的燃燒始點隨著LPG量的增加而逐漸滯后:在平均指示壓力為0.24 MPa工況下,預混40%二甲醚時燃燒始點位于上止點前6.8°,當LPG與DME質量比為1∶1時燃燒始點推遲到上止點前1.8°,與純柴油時的上止點前0.6°僅僅相差1.2°;在平均指示壓力為0.48 MPa工況下,預混40%二甲醚時燃燒始點位于上止點前10.6°,當LPG與DME質量比為1∶1時燃燒始點推遲到上止點前4°,已經接近純柴油時的上止點前1.2°。這是因為預混燃料中加入LPG后,混合氣的滯燃期延長,二甲醚HCCI燃燒的放熱量減小,放熱時間推遲,因此燃燒始點逐漸滯后。同時,PCCI發動機的燃燒終點也隨LPG量的增大而滯后,但是滯后的幅度明顯小于燃燒始點滯后的幅度。因此可以得出,隨著預混燃料中LPG量的增多,PCCI發動機的燃燒持續期逐漸縮短。

(a)平均指示壓力為0.24 MPa

(b)平均指示壓力為0.48 MPa圖5 不同比例DME/LPG預混燃料對PCCI發動機累積放熱率的影響

2.3 有效熱效率

圖6所示為不同比例DME/LPG預混燃料對DI發動機和二甲醚/柴油雙燃料PCCI發動機有效熱效率ηet的影響。從圖6中可以看出,預混燃料中添加LPG以后,PCCI發動機的有效熱效率低于預混純二甲醚發動機,但是高于DI發動機,隨著預混燃料中LPG比例的增大,ηet略有降低。這是因為LPG比例的增大使得燃料滯燃期延長,燃燒推遲,燃燒速率變慢,缸內壓力和溫度均低于預混純二甲醚工況,導致發動機當量有效燃油消耗率增加,有效熱效率下降,而且在預混燃料L50的情況下,由于LPG量較多,使得燃料的滯燃期過長,滯燃期內形成較多可燃混合氣,導致壓力升高率較大,降低了熱效率。

圖6 不同比例LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機有效熱效率的影響

3 LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機NOx和顆粒排放特性的影響

圖7所示為添加不同比例LPG對二甲醚-柴油雙燃料發動機NOx排放的影響,從圖中可以看出:當預混燃料中LPG比例較小時,由于缸內溫度相比于預混純二甲醚工況降低幅度較小,因此NOx排放變化不大;隨著預混燃料中LPG比例的進一步增大,NOx排放呈現下降趨勢,但下降幅度并不明顯。這是因為LPG比例增大后PCCI發動機的缸內溫度降低比較明顯,并且由于燃燒持續期有所縮短,局部高溫區域持續時間也縮短,因此NOx排放逐漸降低。圖8為顆粒物的粒徑濃度分布圖。圖中可以看出,發動機顆粒數量濃度呈單峰分布,顆粒數量濃度峰值主要集中在粒徑為0.055～0.170 μm的積聚態。對于預混L20和L33兩種燃料的情況,顆粒數量濃度高于預混純二甲醚工況。這是由于預混純二甲醚時,二甲醚發生HCCI燃燒以后氣缸內溫度升高,缸內工質的流動加快,從而促進了柴油擴散燃燒階段的蒸發和混合,減少了局部缺氧區域,降低了顆粒排放。預混燃料中加入LPG以后,二甲醚HCCI燃燒受到一定抑制,因此相對于預混純二甲醚時局部缺氧區域有所增多,顆粒排放略微升高,但是隨著LPG比例的進一步增大,L50情況下的顆粒排放與預混純二甲醚時相差不多。這是因為在L50情況下,PCCI發動機的缸內溫度大幅度降低,因此破壞了顆粒物生成所需的高溫條件,從而降低了顆粒物排放。

圖7 不同比例LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發動機NOx排放的影響

(a)平均指示壓力為0.24 MPa

(b)平均指示壓力為0.48 MPa圖8 顆粒物的粒徑濃度分布圖

4 結 論

為防止二甲醚-柴油雙燃料PCCI發動機在二甲醚預混合量較大時發生二甲醚早燃,從而導致燃燒惡化、爆震等情況,可以采用在進氣道中添加適量LPG的方法來抑制二甲醚的早燃。本文主要研究添加不同比例LPG對二甲醚-柴油雙燃料發動機燃燒和排放特性的影響,獲得的主要結論如下。

(1)隨著預混燃料中LPG比例的增加,二甲醚HCCI燃燒階段的放熱率峰值略有下降,對應的相位逐漸滯后;柴油擴散燃燒階段的放熱率峰值逐漸增大,對應相位逐漸滯后。隨著燃料中LPG比例的增加,二甲醚-柴油雙燃料發動機的燃燒始點和終點均逐漸滯后,但是燃燒終點滯后的幅度明顯大于燃燒始點滯后的幅度,使得二甲醚-柴油雙燃料發動機的燃燒持續期逐漸縮短。

(2)隨著預混燃料中LPG比例的增加,發動機缸內壓力曲線逐漸滯后,缸內壓力升高的始點與預混純二甲醚時相比有所推遲,預混燃料為L50時缸內壓力急劇升高的始點與純柴油基本接近;二甲醚-柴油雙燃料發動機缸內最大爆發壓力和最高溫度逐漸降低,缸內壓力和溫度峰值對應曲的軸轉角逐漸滯后。

(3)預混燃料中添加LPG以后,二甲醚-柴油雙燃料發動機的有效熱效率低于預混純二甲醚發動機,但是高于DI發動機,隨著預混燃料中LPG比例的進一步增大,ηet略有降低。

(4)預混燃料中LPG比例較小時NOx排放變化不大,隨著預混燃料中LPG比例的進一步增大,NOx排放略微下降;預混L20和L33兩種燃料時,發動機顆粒物的數量濃度均高于預混純二甲醚燃料時的顆粒物數量濃度,但是預混L50燃料時的顆粒物數量濃度與預混純二甲醚時相差不多。

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[2] LEE K, CHO S, KIM N, et al. A study on combustion control and operating range expansion of gasoline HCCI [J]. Energy, 2015, 91: 1038-1048.

[4] 趙玉偉, 汪映, 雷雄, 等. 預混均質充量壓縮燃燒發動機燃燒與排放特性 [J]. 西安交通大學學報, 2014, 48(7): 23-28. ZHAO Yuwei, WANG Ying, LEI Xiong, et al. Combustion and emission characteristics of premixed charge compression ignition engine [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(7): 23-28.

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(編輯 趙煒 苗凌)

Effects of LPG on the Combustion and Emission Characteristics of DME-Diesel Dual-Fuel Engines

WANG Ying1,HUANG Zhiyong1,KE Xichun1,LIU Hong2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)

In order to overcome the combustion knock caused by preignition of DME, the experimental investigation on the effects of liquefied petroleum gas (LPG) on the combustion and emission characteristics of DME-diesel PCCI was carried out. The experiments were conducted on a modified direct injection diesel engine with port injection of DME and LPG. Results showed that by increasing the proportion of LPG in the DME/LPG mixture, the igniting timing was delayed, the combustion duration was shortened, and the maximum cylinder temperature and pressure gradually decreased. The effective thermal efficiency of the engine declined slightly with an increase of LPG proportion in the DME/LPG mixture, but was still higher than that of DI diesel engine. Moreover, the NOxemissions were reduced to a certain extend and the particulate emission stayed at the same level when blending LPG into DME. These results can provide a reference for designing more energy-efficient and environment-friendly internal combustion engines.

dual-fuel; dimethyl-ether; LPG; combustion; emission

10.7652/xjtuxb201605003

2015-11-02。 作者簡介:汪映(1975—),女,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51376038);低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室開放基金資助項目(LLEUTS-201506)。

時間:2016-02-25

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160225.1204.002.html

TK464

A

0253-987X(2016)05-0019-05