汪映,黄智勇,柯希春,刘红

(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.大连理工大学能源与动力工程学院,116024,辽宁大连)



液化石油气对二甲醚-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响

汪映1,黄智勇1,柯希春1,刘红2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.大连理工大学能源与动力工程学院,116024,辽宁大连)

为了解决内燃机在抑制二甲醚早燃而导致爆燃的问题,实验研究了着火抑制剂液化石油气对二甲醚-柴油双燃料预混燃烧发动机燃烧和排放特性的影响。实验所用发动机为缸内直喷柴油机,并在原机的基础上增加了一套气体燃料预混合系统,以使发动机同时实现预混和直喷压燃两种燃烧方式。研究结果表明:随着二甲醚/液化石油气混合燃料中液化石油气比例的增加,预混压燃发动机的燃烧始点滞后,燃烧持续期缩短,缸内最大爆发压力和平均燃烧温度逐渐降低,有效热效率略有下降,但有效热效率仍高于缸内直喷柴油机;掺混液化石油气可在颗粒排放基本保持不变的情形下减少NOx的排放。该结果可为设计更为节能、环保的汽车发动机提供参考。

双燃料;二甲醚;液化石油气;燃烧;排放

内燃机的广泛使用消耗了大量的化石能源并且产生了大量的污染物,为解决该问题,国内外很多学者都在积极寻找新的替代燃料和探索新的燃烧方式[1-3]。其中,二甲醚-柴油双燃料预混合压缩燃烧(PCCI)发动机以其较好的燃油经济性以及较低的颗粒物排放[4-5],得到了国内外学者的广泛关注。但是,由于二甲醚(DME)着火点低、滞燃期短,随着发动机转速和负荷的增加,较高的DME预混比会使发动机发生爆燃[6]。为了抑制DME早燃导致的爆燃,本文拟在二甲醚中加入辛烷值较高的液化石油气(LPG)作为着火抑制剂,改变进气道预混合气体的理化性质,抑制DME的早燃,推迟燃烧。为此,本文拟开展不同比例LPG对二甲醚-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响。

1 实验台架及装置

本文所用的发动机由2105柴油机改装而成,2105柴油发动机是直列、水冷、双缸、四冲程、自然吸气式直喷柴油机,主要技术参数如表1所示。

表1 2105柴油机主要技术参数

图1 发动机实验台架布置

本文实验台架布置如图1所示,整个实验台架包括气体燃料预混合系统、缸内压力测量系统、排放测量及分析系统等。实验所用发动机原机为缸内直喷柴油机,为了使发动机能够同时实现DICI和PCCI两种燃烧方式,在保留原柴油机直喷燃油系统的基础上增加了一套气体燃料预混合系统。本实验使用水冷式压电晶体传感器(Kistler 7061)来测量发动机各时刻的缸内压力,使用ANSYS 720测量NOx排放,采用低压电子冲击仪(ELPI)测量颗粒粒径分布。实验所用柴油是商用0#柴油,二甲醚的纯度约为99.9%,LPG的成分为60%丙烷和40%丁烷。

实验采用DME/LPG的混合燃料来部分替代柴油。为方便分析对比,本实验中定义了预混比,计算公式为

(1)

式中:BD、Bd、BL分别为DME、柴油、LPG的质量流量(g/s);HD、Hd和HL分别为DME、柴油和LPG的低热值(J/g)。

本文研究主要是在供油提前角为上止点前18°、额定转速为1 700 r/min、平均指示压力为0.24 MPa和额定转速为1 700 r/min、平均指示压力为0.48 MPa两种工况下进行。由于二甲醚预混量较大时会发生明显早燃现象,不利于燃烧和排放的控制,因此着重研究二甲醚预混比较大时(r=40%),添加不同比例LPG对PCCI发动机燃烧和排放特性的影响。本研究中混合燃料DME/LPG通过进气道与空气混合以后进入气缸,LPG和DME的3种质量比为1∶4、1∶2和1∶1,根据LPG所占质量百分比,用代号依次表示为L20、L33和L50。

2 不同比例LPG预混燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机燃烧特性的影响

2.1 缸内压力和温度

图2所示为添加不同比例LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料PCCI发动机缸内压力的影响。从图中可以看出,预混燃料中加入LPG以后,发动机缸内压力升高的始点与预混纯二甲醚时相比有所推迟,并且随着LPG比例的增大,缸内压力曲线依次滞后,在预混燃料为L50的情况下,其缸内压力急剧升高的始点与纯柴油缸内直喷基本接近。另外,随着LPG比例的增大,PCCI发动机缸内最大爆发压力逐渐降低,这说明LPG/DME混合燃料与空气形成的混合气进入气缸后,二甲醚的早燃现象得到了抑制,LPG发挥了抑制二甲醚早燃的作用,致使燃烧始点有所滞后,而且随LPG比例的增大,上述情况更加明显,因此使得燃烧始点进一步滞后,同时也降低了缸内燃烧的最大爆压力。

(a)平均指示压力为0.24 MPa

(b)平均指示压力为0.48 MPa图2 不同比例LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机缸内压力的影响

图3所示为添加不同比例LPG对二甲醚-柴油双燃料发动机缸内温度的影响。从图3中可以看出,随着预混燃料中LPG比例的增大,PCCI发动机的缸内温度逐渐下降,温度峰值对应曲轴转角逐渐滞后。当预混纯二甲醚时,二甲醚的早燃提高了缸内温度,有利于促进柴油的蒸发和混合,燃烧放热过程提前,提高了缸内压力,集中在上止点燃烧,因此温度升高,但是当添加LPG以后,LPG抑制了二甲醚的早燃,相对于预混纯二甲醚时,燃烧滞后,导致缸内压力降低,散热损失增多,因此缸内温度随预混燃料中LPG比例的增大而降低。

(a)平均指示压力为0.24 MPa

(b)平均指示压力为0.48 MPa图3 不同比例LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机缸内温度的影响

2.2 燃烧放热率

图4所示为添加不同比例LPG对二甲醚-柴油双燃料发动机瞬时放热率的影响,从图中可以看出,在平均指示压力为0.24 MPa工况下,预混二甲醚的量较少,二甲醚高温HCCI燃烧与柴油扩散燃烧同时进行,所以此时PCCI发动机的放热过程包括二甲醚低温HCCI燃烧和柴油扩散燃烧两阶段。随着预混燃料中LPG量的增加,二甲醚低温HCCI燃烧阶段的放热率峰值逐渐减小,对应的相位逐渐滞后。这是由于LPG辛烷值较高,预混燃料中加入LPG后推迟了二甲醚着火时刻,因此二甲醚低温HCCI燃烧逐渐推迟,同时随着LPG比例的增大,二甲醚的量减少,因此放热率峰值有所减小。随着预混燃料中LPG量的增加,柴油扩散燃烧阶段的放热率峰值逐渐增大,其对应相位逐渐滞后,其中预混L50燃料时扩散燃烧阶段的放热率峰值和对应相位与纯柴油发动机十分接近。LPG比例的增大延长了燃料的滞燃期,因此燃料与空气混合的时间延长,混合气的量增多,使得瞬时放热率曲线的峰值升高。在平均指示压力为0.48 MPa工况下,二甲醚量增多,发动机的放热过程分为二甲醚低温HCCI燃烧、二甲醚高温HCCI燃烧和柴油扩散燃烧3个阶段。随着预混燃料中LPG量的增加,二甲醚低温HCCI燃烧和高温HCCI燃烧阶段的放热率峰值逐渐减小,对应相位逐渐后移,柴油扩散燃烧阶段的放热率峰值逐渐增大,对应相位逐渐滞后。

(b)平均指示压力为0.48 MPa图4 不同比例LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机瞬时放热率的影响

图5所示为添加不同比例LPG对二甲醚-柴油双燃料发动机累积放热率的影响。从图5可以看出,发动机的燃烧始点随着LPG量的增加而逐渐滞后:在平均指示压力为0.24 MPa工况下,预混40%二甲醚时燃烧始点位于上止点前6.8°,当LPG与DME质量比为1∶1时燃烧始点推迟到上止点前1.8°,与纯柴油时的上止点前0.6°仅仅相差1.2°;在平均指示压力为0.48 MPa工况下,预混40%二甲醚时燃烧始点位于上止点前10.6°,当LPG与DME质量比为1∶1时燃烧始点推迟到上止点前4°,已经接近纯柴油时的上止点前1.2°。这是因为预混燃料中加入LPG后,混合气的滞燃期延长,二甲醚HCCI燃烧的放热量减小,放热时间推迟,因此燃烧始点逐渐滞后。同时,PCCI发动机的燃烧终点也随LPG量的增大而滞后,但是滞后的幅度明显小于燃烧始点滞后的幅度。因此可以得出,随着预混燃料中LPG量的增多,PCCI发动机的燃烧持续期逐渐缩短。

(a)平均指示压力为0.24 MPa

(b)平均指示压力为0.48 MPa图5 不同比例DME/LPG预混燃料对PCCI发动机累积放热率的影响

2.3 有效热效率

图6所示为不同比例DME/LPG预混燃料对DI发动机和二甲醚/柴油双燃料PCCI发动机有效热效率ηet的影响。从图6中可以看出,预混燃料中添加LPG以后,PCCI发动机的有效热效率低于预混纯二甲醚发动机,但是高于DI发动机,随着预混燃料中LPG比例的增大,ηet略有降低。这是因为LPG比例的增大使得燃料滞燃期延长,燃烧推迟,燃烧速率变慢,缸内压力和温度均低于预混纯二甲醚工况,导致发动机当量有效燃油消耗率增加,有效热效率下降,而且在预混燃料L50的情况下,由于LPG量较多,使得燃料的滞燃期过长,滞燃期内形成较多可燃混合气,导致压力升高率较大,降低了热效率。

图6 不同比例LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机有效热效率的影响

3 LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机NOx和颗粒排放特性的影响

图7所示为添加不同比例LPG对二甲醚-柴油双燃料发动机NOx排放的影响,从图中可以看出:当预混燃料中LPG比例较小时,由于缸内温度相比于预混纯二甲醚工况降低幅度较小,因此NOx排放变化不大;随着预混燃料中LPG比例的进一步增大,NOx排放呈现下降趋势,但下降幅度并不明显。这是因为LPG比例增大后PCCI发动机的缸内温度降低比较明显,并且由于燃烧持续期有所缩短,局部高温区域持续时间也缩短,因此NOx排放逐渐降低。图8为颗粒物的粒径浓度分布图。图中可以看出,发动机颗粒数量浓度呈单峰分布,颗粒数量浓度峰值主要集中在粒径为0.055～0.170 μm的积聚态。对于预混L20和L33两种燃料的情况,颗粒数量浓度高于预混纯二甲醚工况。这是由于预混纯二甲醚时,二甲醚发生HCCI燃烧以后气缸内温度升高,缸内工质的流动加快,从而促进了柴油扩散燃烧阶段的蒸发和混合,减少了局部缺氧区域,降低了颗粒排放。预混燃料中加入LPG以后,二甲醚HCCI燃烧受到一定抑制,因此相对于预混纯二甲醚时局部缺氧区域有所增多,颗粒排放略微升高,但是随着LPG比例的进一步增大,L50情况下的颗粒排放与预混纯二甲醚时相差不多。这是因为在L50情况下,PCCI发动机的缸内温度大幅度降低,因此破坏了颗粒物生成所需的高温条件,从而降低了颗粒物排放。

图7 不同比例LPG燃料对二甲醚-柴油双燃料发动机NOx排放的影响

(a)平均指示压力为0.24 MPa

(b)平均指示压力为0.48 MPa图8 颗粒物的粒径浓度分布图

4 结 论

为防止二甲醚-柴油双燃料PCCI发动机在二甲醚预混合量较大时发生二甲醚早燃,从而导致燃烧恶化、爆震等情况,可以采用在进气道中添加适量LPG的方法来抑制二甲醚的早燃。本文主要研究添加不同比例LPG对二甲醚-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响,获得的主要结论如下。

(1)随着预混燃料中LPG比例的增加,二甲醚HCCI燃烧阶段的放热率峰值略有下降,对应的相位逐渐滞后;柴油扩散燃烧阶段的放热率峰值逐渐增大,对应相位逐渐滞后。随着燃料中LPG比例的增加,二甲醚-柴油双燃料发动机的燃烧始点和终点均逐渐滞后,但是燃烧终点滞后的幅度明显大于燃烧始点滞后的幅度,使得二甲醚-柴油双燃料发动机的燃烧持续期逐渐缩短。

(2)随着预混燃料中LPG比例的增加,发动机缸内压力曲线逐渐滞后,缸内压力升高的始点与预混纯二甲醚时相比有所推迟,预混燃料为L50时缸内压力急剧升高的始点与纯柴油基本接近;二甲醚-柴油双燃料发动机缸内最大爆发压力和最高温度逐渐降低,缸内压力和温度峰值对应曲的轴转角逐渐滞后。

(3)预混燃料中添加LPG以后,二甲醚-柴油双燃料发动机的有效热效率低于预混纯二甲醚发动机,但是高于DI发动机,随着预混燃料中LPG比例的进一步增大,ηet略有降低。

(4)预混燃料中LPG比例较小时NOx排放变化不大,随着预混燃料中LPG比例的进一步增大,NOx排放略微下降;预混L20和L33两种燃料时,发动机颗粒物的数量浓度均高于预混纯二甲醚燃料时的颗粒物数量浓度,但是预混L50燃料时的颗粒物数量浓度与预混纯二甲醚时相差不多。

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(编辑 赵炜 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。 作者简介:汪映(1975—),女,副教授。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51376038);低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室开放基金资助项目(LLEUTS-201506)。

时间:2016-02-25

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

TK464

A

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