LPG摻混比對DME-柴油預混壓燃發動機性能影響的試驗研究

趙玉偉，牛天林，程培源，汪映

(1.空軍工程大學防空反導學院，陜西 西安 710051；2.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

以上研究表明，進氣道預混合一定量的DME能夠改善發動機的燃燒過程并降低污染物排放，但當DME預混量過多時會發生爆震等現象[10]，導致發動機工作粗暴，有效熱效率降低。液化石油氣(LPG)的辛烷值較高，抗爆性好，而且常溫下為氣態，容易與空氣混合均勻，在發動機上得到廣泛應用[11-13]。因此，本研究提出在預混合DME燃料中摻混一定比例的LPG作為著火抑制劑來抑制DME的早燃，并開展了LPG摻混比對DME-柴油雙燃料預混壓燃發動機性能影響的試驗研究。

1 試驗裝置及方法

試驗用發動機為直列、水冷、四沖程、自然吸氣式2105柴油機，其主要技術參數見表1，發動機臺架布置示意見圖1。DME-LPG混合燃料在進氣道內與新鮮空氣進行預混合后進入氣缸，預混氣體管道與進氣管軸線呈30°并指向進氣方向，柴油通過發動機原有燃油噴射系統噴入氣缸。

本試驗使用Kistler7061水冷式壓電晶體傳感器來測量發動機的缸內壓力，由于缸內壓力信號較弱，所測數據先通過Kistler7061B電荷放大器進行放大處理，再進入數據采集儀。由于不同循環在進氣、壓縮和燃燒過程中存在循環變動，每個工況均采集100個完整循環的缸壓數據，并進行數據平均化及光順處理，然后用于分析計算。本試驗使用Horiba ANSYS 720尾氣分析儀測量NOx排放，使用Dekati低壓電子沖擊儀(ELPI)測量發動機的顆粒粒徑分布，使用精密電子秤測量柴油和預混燃料的消耗量。試驗所用柴油為商用0號柴油，DME為99.9%的高純度工業DME，LPG為民用LPG(主要成分為丙烷和丁烷，兩者質量比為1∶1)。

圖1 發動機臺架布置示意

本研究工況為n=1 700 r/min,Ttq=40 N·m(平均有效壓力pme=0.25 MPa)和n=1 700 r/min，Ttq=80 N·m(pme=0.5 MPa)，柴油噴射時刻為11 °BTDC。

由于DME的低熱值(27.6 MJ/kg)、液化石油氣的低熱值(46.5 MJ/kg)與柴油的低熱值(42.5 MJ/kg)相差較大，本研究引入預混率(Premixed Ratio，PR)來表示所消耗預混燃料的熱值占相同時刻發動機總燃料消耗量熱值的比例。PR的計算公式為

(1)

式中：BDME，BLPG，Bdie分別為DME，LPG和柴油的質量消耗量；Hu,DME，Hu,LPG，Hu,die分別為DME，LPG和柴油的低熱值。

本研究中，預混DME時，DME與直噴柴油消耗質量比為1∶1，計算得到預混率PR=40%。為確保試驗結果對比精確，保持預混燃料的預混率為40%，采用3種不同比例的LPG-DME混合燃料，LPG與DME的質量比分別為1∶4，1∶2，1∶1，即LPG摻混比(fL)分別為20%，33%，50%。

2 試驗結果及分析

2.1 LPG摻混比對發動機燃燒特性的影響

試驗工況下DME-柴油雙燃料預混壓燃發動機缸內壓力和放熱率隨LPG摻混比的變化見圖2。

圖2 不同LPG摻混比下缸內壓力和放熱率

從圖2可以看出，DME-柴油雙燃料預混壓燃發動機的燃燒過程包括DME燃燒與柴油燃燒，其中DME燃燒又分為DME低溫反應與DME高溫反應兩個階段，柴油燃燒分為預混燃燒與擴散燃燒。從圖2a可以看出，在pme=0.25 MPa工況下，DME量較少，此時DME高溫反應與柴油預混燃燒同時進行，燃燒過程分為DME低溫反應、柴油預混燃燒、柴油擴散燃燒3個階段。隨著LPG摻混比的增大，DME低溫反應階段放熱率峰值逐漸降低，峰值相位逐漸滯后。這是因為隨LPG摻混比的增大，DME量減少，因此放熱率峰值減小，而由于LPG辛烷值較高，推遲了DME的著火時刻，DME低溫反應逐漸滯后。柴油預混燃燒階段的放熱率峰值逐漸增大，峰值相位逐漸滯后。這是因為LPG摻混比的增大使得柴油滯燃期延長，滯燃期內形成的可燃混合氣增多，因此放熱率峰值增大。從圖2b可以看出，在pme=0.5 MPa工況下，DME量增多，DME發生明顯的高溫反應，此時燃燒過程包括DME低溫反應、DME高溫反應和柴油擴散燃燒3個階段。隨LPG摻混比的增大，DME低溫反應和DME高溫反應階段的放熱率峰值逐漸降低，峰值相位逐漸滯后，柴油擴散燃燒階段的放熱率峰值逐漸增大，峰值相位也逐漸滯后。

圖3示出不同LPG摻混比下缸內最高燃燒壓力分布。由圖3可見，隨LPG摻混比的增大，缸內最高燃燒壓力逐漸降低，峰值相位逐漸滯后。由于LPG的辛烷值較高，隨LPG摻混比增大，燃料的滯燃期延長，燃燒始點滯后，部分燃料在上止點后才燃燒，因此缸內最高燃燒壓力逐漸降低，峰值相位不斷向后推移。

圖3 不同LPG摻混比下缸內最高燃燒壓力分布

圖4示出不同LPG摻混比下缸內最高燃燒溫度分布。由圖4可見，隨LPG摻混比的增大，缸內最高燃燒溫度逐漸降低，峰值相位逐漸滯后。

圖4 不同LPG摻混比下缸內溫度峰值分布

預混DME時，DME的低溫反應和高溫反應提高了缸內壓力和溫度，有利于柴油的蒸發和混合，擴散燃燒提前，燃料集中在上止點附近燃燒，使得缸內溫度較高。隨LPG摻混比的增大，DME早燃受到抑制，燃燒逐漸滯后，缸內壓力減小，散熱損失有所增多，因此缸內最高燃燒溫度逐漸降低。

圖5示出發動機壓力升高率隨LPG摻混比的變化。由圖5可見，壓力升高率峰值相位和圖2中放熱率峰值相位基本一致。在pme=0.25 MPa工況下，隨LPG摻混比的增大，壓力升高率曲線逐漸滯后，DME低溫反應階段壓力升高率峰值略有減小，柴油擴散燃燒階段壓力升高率峰值逐漸增大，最大壓力升高率逐漸增大。在pme=0.5 MPa工況下，隨著LPG摻混比的增大，壓力升高率曲線也逐漸滯后，DME低溫反應和高溫反應階段壓力升高率峰值逐漸減小，柴油擴散燃燒階段壓力升高率峰值逐漸增大，最大壓力升高率先減小后增大，當fL=50%時最大壓力升高率達到0.591 MPa/(°)。因此可以看出，高負荷時預混燃料中添加一定比例LPG能夠有效抑制最大壓力升高率，但是當LPG摻混比過大時最大壓力升高率較高。

圖5 不同LPG摻混比下壓力升高率

2.2 LPG摻混比對發動機燃油經濟性的影響

由于DME、LPG和柴油的低熱值相差較大，本研究把不同工況下預混燃料和柴油的消耗量轉換為與柴油等熱值的當量有效燃油消耗率(beq)來表示發動機的燃油消耗，其計算公式為

(2)

式中：be,DME，be,LPG，be,die分別表示DME，LPG和柴油的燃油消耗率；Hu,DME，Hu,LPG，Hu,die分別表示DME，LPG和柴油的低熱值。

有效熱效率的計算公式為

(3)

圖6示出當量有效燃油消耗率beq和有效熱效率ηet隨LPG摻混比的變化。由圖6可見，隨LPG摻混比的增大，ηet逐漸降低，beq逐漸升高。這是因為預混燃料中LPG量增多以后，燃料的滯燃期延長，燃燒速度變慢，缸內壓力和溫度均低于預混純DME工況，使得發動機有效熱效率下降。當LPG摻混比達到50%時，滯燃期過長，部分燃料在上止點后才開始燃燒，而且由于壓力升高率較高，發動機工作相對粗暴，因此該工況下ηet進一步降低。

圖6 不同LPG摻混比對beq和ηet的影響

2.3 LPG摻混比對發動機排放特性的影響

圖7示出LPG摻混比對NOx排放的影響。從圖7可以看出，相對于燃用柴油工況，預混40%DME后缸內溫度升高，NOx排放略有增加。

圖7 不同LPG摻混比對NOx排放的影響

隨LPG摻混比的增大，NOx排放呈現降低趨勢。由圖4缸內溫度峰值分布可以看出，當LPG摻混比較小時(fL=20%，33%)，缸內溫度相對于預混DME工況有所下降，但降幅并不明顯，因此NOx排放略有降低；隨LPG摻混比增大(fL=50%)，缸內溫度大幅下降，甚至低于柴油工況，而且該工況下LPG有效抑制了DME的早燃，燃燒持續期縮短，局部高溫區域高溫持續時間縮短，使得NOx排放減少。

圖8示出不同LPG摻混比下顆粒物數量濃度粒徑分布。由圖8可見，預混純DME和預混燃料中添加LPG后顆粒數量濃度均呈現單峰分布，顆粒數量濃度峰值主要集中在0.055～0.1 μm的積聚態。DME的高含氧量特性破壞了炭煙生成的缺氧條件，而且DME預混燃燒提高了缸內溫度，缸內工質流動速度加快，促進了柴油擴散燃燒階段的蒸發，使油氣混合更加均勻，局部缺氧區域減少。此外，DME預混量的增大使得柴油直噴量減少，即減少了擴散燃燒階段柴油的比重。顆粒物排放主要取決于擴散燃燒階段柴油的量，因此相對于柴油工況，預混40%DME使得顆粒數量濃度顯著降低。

圖8 不同LPG摻混比下，顆粒物數量濃度粒徑分布

當LPG摻混比較小時(fL=20%，33%)，顆粒數量濃度高于預混DME工況，LPG摻混比較大(fL=50%)工況下顆粒數量濃度明顯降低，與預混DME工況相當。預混燃料中摻混少量LPG后，發生低溫反應和高溫反應的DME量減少，而且燃燒受到一定的抑制，所以相對于DME工況，局部缺氧區域略有增加，顆粒排放增多。當fL=50%時，缸內溫度大幅降低，破壞了顆粒生成所需高溫條件，因此顆粒排放明顯減少。

3 結論

a) 隨LPG摻混比的增大，壓力升高率曲線逐漸滯后；pme=0.25 MPa工況下，最大壓力升高率逐漸增大；pme=0.5 MPa工況下，最大壓力升高率先減小后增大，fL=50%時最大壓力升高率較高；預混燃料中添加一定比例的LPG(fL=20%，33%)能夠控制DME-柴油雙燃料預混壓燃發動機的最大壓力升高率；

b) 隨LPG摻混比的增大，DME低溫反應和高溫反應階段的放熱率峰值逐漸降低，柴油擴散燃燒階段的放熱率峰值逐漸增大，3個階段放熱率峰值相位均逐漸滯后；發動機缸內最高燃燒壓力和最高燃燒溫度均逐漸降低，峰值相位逐漸滯后；fL=50%時最高燃燒壓力和最高燃燒溫度下降的幅度以及峰值相位滯后的幅度較大；

c) 隨LPG摻混比的增大，當量有效燃油消耗率beq略有升高，有效熱效率ηet略有降低；

d) 當fL=20%，33%時，顆粒數量濃度高于預混DME工況；fL=50%時，顆粒數量濃度與預混DME工況相當；隨LPG摻混比的增大，NOx排放呈現降低趨勢。