摘要 本文对发动机燃用LPG(液化石油气)-柴油双燃料时，进行了LPG不同配比及负荷等因素对发动机有害排放物影响的研究。试验结果表明，随着LPG比例的增大，发动机的烟度及NO减少，而HC及CO排放反而增加。
关键词 柴油机 双燃料发动机 负荷 LPG 有害排放物
1 前言
目前是一个机动车的社会，这些机动车主要是依靠消耗大量的石油产品来运行。地球的暖化和臭氧层的破坏以及能源的枯竭给20世纪带来了严重的问题，由此引起了全社会的广泛关注，因而导致了对机动车排放法规的要求愈来愈严格。而发展汽车代用燃料则可减少对石油资源的依赖及降低发动机的有害排放，这是实现汽车工业可持续发展的重要途径。其中LPG是一种较理想的代用燃料。
LPG是指天然气处理厂和炼油厂所生成的丁烷和丙烷等低分子量碳氢化合物的混合物。天然气处理厂生产的LPG是以丙烷和丁烷为主的液态烃混合物，而来自炼油厂的LPG是以丙烷、丙烯和丁烷、丁烯为主的液态混合烃。液化石油气在常温下用不大的压力(约1.6MPa)即可变成液体，使用比较方便。液态LPG经减压和气化后，再经混合器与空气均匀混合，此混合气的形成和分配优于汽油，且不含铅和硫，排气污染小，气缸与燃烧室内积碳也少，发动机运转较平稳，在冷起动和短距离行驶时不会稀释发动机润滑油，更换润滑油的时间间隙可加长。LPG热值高，气体与空气混合好，燃烧完全，这可改善汽车的动力性；LPG着火温度高，安全性好；但也存在行驶距离短和储气瓶较重及其安全性差等问题。
由于LPG的十六烷值较低，燃料从预混合方式进入气缸后，一方面会使柴油机的着火延迟期变长，另一方面也降低了发动机的容积效率。同时这部分燃料以均质混合气的形式存在，使缸内空燃比的分布与纯柴油情况不同，这些都对缸内的燃烧过程会产生影响，如燃烧温度、压力及放热率等，从而影响到发动机的动力性、经济性及排放等。影响LPG-柴油双燃料发动机排放的因素较多，除与LPG的比例有关外，还受发动机运转参数(如负荷和转速等)及喷油提前角的影响。本试验研究在一定转速及喷油提前角下，发动机有害排放物随LPG比例及负荷的变化而变化的趋势。
2 试验装置
试验装置如图1所示。试验所用发动机为江淮动力机厂生产的S1115直喷式四冲程柴油机。其主要性能及结构参数如表1所示。试验时没有改变原机的供油系统及其它参数，而增加了从进气道喷射LPG的装置。液态LPG由钢瓶径减压阀后通过电磁阀喷入进气道与空气混合，再由自行开发的电控单元通过电磁阀喷射器进行定时定量喷射，消耗量则由电子秤来测量。柴油消耗量用湘仪测试设备厂生产的油耗测定仪测量，使用佛山新域仪器有限公司生产的废气分析仪测量HC、CO及NOX等气体。碳烟用烟度计来测定。
图1 试验装置示意图
表1 发动机性能及结构参数
型 式 单缸卧式水冷
缸径/mm 115
行程/mm 115
压缩比 17
标定转速/(r/min) 2200
标定功率/kW 16.2
3 试验结果及分析
本试验的目的是研究在发动机进气管内喷射LPG-柴油双燃料时，在不同的LPG比例下烟度、HC、NO及CO等排放物的变化趋势。LPG比例是指替代柴油的比例，可由公式R=(1-t1/t2)×100%求得，式中R为LPG的比例，t1为喷入LPG时燃烧某一定量柴油的时间，t2为未喷入LPG时燃烧同等量柴油的时间。试验时先从原机开始，将转速固定在某一值，在选定的两个负荷(最大负荷及中间负荷)下分别测量出发动机的废气排放及烟度，然后打开LPG阀门，在与原机相同的每一工况下，掺烧不同比例的LPG，再测量出此时的废气排放及烟度，掺烧LPG的量以发动机不发生严重的工作粗暴为原则。本试验在标定转速(2000r/min)及中间转速(1600r/min)下进行了测量，其供油提前角为22℃A。试验结果如图2～图9所示。
n=1600r/min θ=22℃
图2 LPG在不同比例时的烟度曲线
An=2200r/min θ=22℃A
图3 LPG在不同比例时的烟度曲线
n=1600r/min θ=22℃Ab
图4 LPG在不同比例下的HC排放曲线
n=2200r/min θ=22℃A
图5 LPG在不同比例下的HC排放曲线
图6 1600r/min时LPG在不同比例下的NO排放曲线
图7 2200r/min时LPG在不同比例下的NO排放曲线
图8 1600r/min时LPG在不同比例下的CO排放曲线
图9 2200r/min时LPG在不同比例下的CO排放曲线
3.1 碳烟排放
如图2和图3所示，随着LPG比例的增加，燃烧双燃料可以大幅度降低原柴油机的碳烟排放，尤其在高负荷时更为明显，降幅可达80%～90%。在中负荷，当LPG量较大时，发动机烟度基本上可降至0.2BSU以下，可见采用LPG-柴油双燃料降低烟度的效果是明显的。这主要是由于LPG是以预混合的方式进入气缸的，这种均质混合气有利于促进燃烧，而且因LPG的十六烷值较低，因而增大了滞燃期，使柴油的预混合量增多。随着LPG比例的增大，均质混合气的比例也增大，在大负荷时，减少了混合气局部过浓缺氧的情况，因此降低的效果更为明显。
3.2 HC的排放
图4和图5表明了HC的排放情况。由图看出在中低负荷时，随着LPG量的增加HC的排放迅速上升，当增加负荷时，上升的趋势变缓。这主要是由于在较低负荷时，随着LPG的增大，缸内预混合气的量仍然较稀，难于完全燃烧，而且此时的缸壁温度较低，已燃混合气易受缸壁激冷的作用，导致HC的生成。另外，由于LPG预混合气易在压缩过程中被挤入狭小的缝隙内，难于进行燃烧，也导致了HC的增加。当负荷增大时，预混合气的量较大，燃烧状况得到改善，缸壁温度上升，激冷作用减少，HC的生成减缓。
3.3 氮氧化物(NOX)的排放
图6和图7所示为NO的排放情况。根据测量仪器的原理只能测定NO，因NO值占NOX的一大部分，故试验中则测定了NO随LPG的变化曲线，但这并不影响NOX的变化趋势。由图可知，在中负荷NO的排放量随LPG比例的增大而降低，在LPG比例小时降低效果较为明显；而在最大负荷情况下，LPG较小时，NO的排放稍有降低，随着比例的增大，其排放缓慢上升，但都低于原机的排放。在较低负荷时，混合气的过量空气系数较大，减少了NO的生成，同时由于LPG的加入，使混合气的滞燃期延长，处于稀混合气范围的柴油量也变多，而且喷入LPG后，因初期放热少，燃烧温度较低，燃烧推迟，也不利于NO的生成。随着负荷的增大，由于混合气变浓及缸内温度上升，NO下降的趋势变缓。在最大负荷，若增大LPG的比例，缸内混合气的混合效果变差及缸内温度较高，此时NO的排放也上升。
3.4 CO的排放
CO在不同LPG比例下的排放情况如图8和图9所示。随着LPG比例的增大，在中负荷时CO的排放量增大，这主要是由于LPG的十六烷值较低，滞燃期较长，使混合气的燃烧推迟，故CO浓度增加。而在最大负荷CO的排放与转速有关，在1600r/min时，CO的排放量随LPG比例的增大而增大，但趋势比较缓慢；在2200r/min时，当比例增大到一定值时，CO反而有所下降，这是由于此时缸内温度较高，占有较大比例的LPG因混合均匀而有利于混合气的燃烧，故使CO的浓度有所下降。
4 结论
(1)LPG-柴油双燃料发动机由于LPG的十六烷值较低，以预混合的方式进入气缸后，一方面导致混合气的着火延迟期变长，同时，这部分燃料以均质混合气的状态存在，缸内空燃比的分布与燃用纯柴油时不同，这些对缸内的整个燃烧会产生影响，因而影响到发动机有害排放物的排放。
(2)LPG-柴油双燃料发动机与原机相比，随着LPG比例的增大，双燃料发动机可有效地降低碳烟和NO的排放；但同时也使HC和CO的排放增加，因此有必要采取其它措施来减少HC和CO的排放。
(3)欲想更好地发挥LPG降低有害排放物的作用，必须同时改变发动机的一些参数，如压缩比、供油提前角及燃烧室形状等，以寻求最佳的匹配。
(end)
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