液化石油氣發動機直接噴射的超臨界壓縮方案

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0 前言

液化石油氣(LPG)是歐洲最常見的代用燃料，并配備有完善的公共加氣設施。從發動機角度來看，由于LPG的抗爆性高于汽油，因而對汽油機而言是一種具有良好前景的代用燃料，而且與外部混合的LPG系統相比，LPG直接噴射(LPG-DE)能在發動機低轉速工況下獲得較高的扭矩。

對LPG-DE的最大挑戰是發動機溫度導致的燃料過熱現象。在利用現代汽油高壓泵壓縮LPG燃料的情況下，特別是丙烷和丙烯較高的蒸汽壓力會導致高壓泵(HDP)前端或在HDP內部產生蒸汽，從而使發動機停機。一種潛在的解決方案是提高HDP的預壓力，并采用超臨界壓縮以避免燃料沸騰。

1 試驗發動機和LPG燃料

為了進行試驗研究，采用了一款Ford公司生產的4缸1.6 L渦輪增壓直噴式汽油機。該試驗汽油機被安置于空調室中，并處于怠速運轉工況。應用量產的高壓汽油噴射系統部件進行LPG直接噴射，該噴射系統裝備了外部加熱層和熱電偶，以便能在熱態溫差條件下進行試驗。在高壓泵上游附加一個中壓泵，用于將LPG預壓縮3～6 MPa的壓力水平(表1)。

總共選擇了4種符合EN589標準的LPG(見表1)用于進行超臨界LPG試驗。LPG 1主要由丙烷和丙烯組成，C3含量最高并且臨界溫度最低。LPG 2含有約70%的丙烷，是一種典型的冬季LPG燃料；而LPG 3和LPG 4則是符合R83標準要求的燃料。所有LPG的辛烷值(RON)都按EN589標準計算，而甲烷值則按FVV 2-235(AVL方法)進行計算。

表1 燃料特性

2 試驗研究結果

為了評估超臨界壓縮LPG的怠速運行效果，采用高壓泵將LPG 1～LPG 4以超過其臨界壓力的參數對其進行預壓縮試驗。在熱怠速運行期間將觀察到燃料在燃料分配器中的壓力降，其大小取決于高壓泵中不同燃料溫度下的LPG燃料特性。圖1作為實例示出了采用LPG 1時的加熱階段。因其C3組分較多，這種LPG燃料在熱怠速及其溫差情況下可被看作處于臨界狀態。圖1表明，在轉速800 r/min時發動機長時間處于怠速運行工況，機油和冷卻水溫度達到110 ℃，在高壓噴油器(HDEV)電磁線圈區域的表面溫度高于100 ℃，而高壓泵進口處的燃料溫度卻被控制在50 ℃左右，燃料壓力被控制在50 MPa，因此根據燃料溫度會呈現為液態或超臨界壓縮態，以此可防止噴射出來的燃料為氣態。在燃料向下游流動期間，由于從發動機處吸熱，因此其溫度隨著發動機變熱而不斷升高，到測試終了時燃料分配器進口處的燃料溫度達到了94 ℃，即證實了該情況。燃料分配器壓力額定值設置為110 MPa。

圖1 采用LPG時加熱階段的試驗結果

圖1在燃料壓力曲線圖中用箭頭示出了高壓泵將預壓縮燃料壓縮到燃料分配器壓力，直至1 125 s高壓泵都能調節燃料所在的燃料分配器壓力，但是在與泵連接的管路中可觀察到燃料分配器壓力明顯降低。在圖2中，根據丙烯的密度-溫度曲線圖，該壓力降低現象可視作為接近LPG 1的狀況。等壓線和兩相區在92.4 ℃臨界點結束并形成等熵線。在4.66 MPa以上壓力的等壓線到達80 ℃溫度時，呈現出幾乎恒定上升的態勢；而4.66～8 MPa的等壓線在80～140 ℃溫度之間呈現出強烈的非線性狀態。

圖2中的①～③箭頭相對于圖1中的箭頭，代表高壓泵壓縮燃料，壓縮過程可近似用等熵線表示。壓縮開始時的狀態可用高壓泵進口壓力和高壓泵中燃料的估算溫度來表示，其溫度可用機油與高壓泵表面溫度的平均值來估算，因為高壓泵被置于空調室之中，并且高壓泵柱塞由排氣凸輪軸上的凸輪驅動，而該凸輪又是由發動機的高溫機油進行潤滑，由此對燃料進行加熱，在發動機暖機階段開始時高壓泵內部的LPG溫度約為70.5 ℃。在該溫度下的狀態變化相當于圖1和圖2中的箭頭①。高壓泵能使燃料分配器的壓力保持在11 MPa。箭頭②是指在高壓泵中燃料溫度處于95 ℃狀態下燃料分配器中壓力開始降低時的狀態變化。在箭頭③所表示的狀態變化(高壓泵中溫度為100.5 ℃)情況下，高壓泵僅能將燃料壓力從5 MPa提高到8.9 MPa。溫度提高時燃料分配器壓力的降低可歸結于兩個原因，一方面由于大幅降低的燃料密度導致高壓泵油腔充量減少，以此減少了燃料進入分配器的質量流量；另一方面等熵壓縮性提高，因在臨界溫度以上的等壓線間距變大，此類現象就更為明顯。

圖2 丙烯的密度-溫度曲線圖

為了提高燃料分配器壓力，提高高壓泵的預壓力是一種可行的措施。這種可能性已在試驗中進行過分析，圖3中就描繪出了使用LPG 1時的此類變化狀況，其中在較高的燃料和發動機溫度下改變高壓泵的預壓力，而其溫度已通過預熱階段進行調整(見圖1)。降低高壓泵的預壓力會使燃料密度大幅減小，同時其可壓縮性增大，而在試驗的第二階段提高高壓泵的預壓力則會導致氣體動力學效應和燃料分配器壓力振蕩等現象。

圖3 采用LPG時高壓泵預壓力變化時的試驗結果

為了評價采用現代汽油高壓泵的LPG直接噴射方案，應先確定所需的高壓泵預壓力，以便在預熱狀態就使LPG 1～LPG 4達到100 MPa燃料分配器壓力。這在使用LPG 1的情況下就相當于60 MPa壓力，從圖3的燃料壓力曲線圖中就可看出。所需的高壓泵預壓力主要取決于LPG燃料中的C3組分含量(圖4)。

圖4 高壓泵預壓力-C3組分碳氫化合物含量曲線圖

丙烷/丙烯的含量越高，所需的高壓泵上游的預壓力就越高，這是由于與丁烷/丁烯相比，在100 ℃左右時的C3組分碳氫化合物的密度較低和壓縮性增大而造成的。因此在所規定的邊界條件下，為采用現代汽油高壓泵的LPG直接噴射方案，推薦丙烷/丙烯的最高含量為70%，因而LPG 2適合用作典型的LPG，在該情況下預壓力必須被調節到4.5 MPa。需要說明的是，現代應用于汽油機的高壓泵經受高預壓力的能力通常較為有限，因而建議用于LPG直接噴射高壓泵的設計應進行適當的優化。

3 結論

為了應用于無冷卻措施的LPG直接噴射系統，已將當前符合EN589燃料標準的4種LPG燃料的高于其臨界壓力的高壓泵預壓力，作為可能的解決方案，并進行了試驗研究。在70%的最大丙烷/丙烯含量情況下，應確保燃料在110 ℃溫度條件下，可使高壓泵的預壓力達到約4.5 MPa。