液化石油氣對二甲醚-柴油雙燃料發(fā)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(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.大連理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)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(fā)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(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.大連理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,116024,遼寧大連)

為了解決內(nèi)燃機在抑制二甲醚早燃而導(dǎo)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(yù)混燃燒發(fā)動機燃燒和排放特性的影響。實驗所用發(fā)動機為缸內(nèi)直噴柴油機,并在原機的基礎(chǔ)上增加了一套氣體燃料預(yù)混合系統(tǒng),以使發(fā)動機同時實現(xiàn)預(yù)混和直噴壓燃兩種燃燒方式。研究結(jié)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(yù)混壓燃發(fā)動機的燃燒始點滯后,燃燒持續(xù)期縮短,缸內(nèi)最大爆發(fā)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(nèi)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(jié)果可為設(shè)計更為節(jié)能、環(huán)保的汽車發(fā)動機提供參考。

雙燃料;二甲醚;液化石油氣;燃燒;排放

內(nèi)燃機的廣泛使用消耗了大量的化石能源并且產(chǎn)生了大量的污染物,為解決該問題,國內(nèi)外很多學(xué)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(yù)混合壓縮燃燒(PCCI)發(fā)動機以其較好的燃油經(jīng)濟性以及較低的顆粒物排放[4-5],得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是,由于二甲醚(DME)著火點低、滯燃期短,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加,較高的DME預(yù)混比會使發(fā)動機發(fā)生爆燃[6]。為了抑制DME早燃導(dǎo)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(jìn)氣道預(yù)混合氣體的理化性質(zhì),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(fā)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(fā)動機由2105柴油機改裝而成,2105柴油發(fā)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(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 2105柴油機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)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(yù)混合系統(tǒng)、缸內(nèi)壓力測量系統(tǒng)、排放測量及分析系統(tǒng)等。實驗所用發(fā)動機原機為缸內(nèi)直噴柴油機,為了使發(fā)動機能夠同時實現(xiàn)DICI和PCCI兩種燃燒方式,在保留原柴油機直噴燃油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一套氣體燃料預(yù)混合系統(tǒng)。本實驗使用水冷式壓電晶體傳感器(Kistler 7061)來測量發(fā)動機各時刻的缸內(nèi)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(yù)混比,計算公式為

(1)

式中:BD、Bd、BL分別為DME、柴油、LPG的質(zhì)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(zhuǎn)速為1 700 r/min、平均指示壓力為0.24 MPa和額定轉(zhuǎn)速為1 700 r/min、平均指示壓力為0.48 MPa兩種工況下進(jìn)行。由于二甲醚預(yù)混量較大時會發(fā)生明顯早燃現(xiàn)象,不利于燃燒和排放的控制,因此著重研究二甲醚預(yù)混比較大時(r=40%),添加不同比例LPG對PCCI發(fā)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(jìn)氣道與空氣混合以后進(jìn)入氣缸,LPG和DME的3種質(zhì)量比為1∶4、1∶2和1∶1,根據(jù)LPG所占質(zhì)量百分比,用代號依次表示為L20、L33和L50。

2 不同比例LPG預(yù)混燃料對二甲醚-柴油雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響

2.1 缸內(nèi)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(fā)動機缸內(nèi)壓力的影響。從圖中可以看出,預(yù)混燃料中加入LPG以后,發(fā)動機缸內(nèi)壓力升高的始點與預(yù)混純二甲醚時相比有所推遲,并且隨著LPG比例的增大,缸內(nèi)壓力曲線依次滯后,在預(yù)混燃料為L50的情況下,其缸內(nèi)壓力急劇升高的始點與純柴油缸內(nèi)直噴基本接近。另外,隨著LPG比例的增大,PCCI發(fā)動機缸內(nèi)最大爆發(fā)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(jìn)入氣缸后,二甲醚的早燃現(xiàn)象得到了抑制,LPG發(fā)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(jìn)一步滯后,同時也降低了缸內(nèi)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(fā)動機缸內(nèi)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(fā)動機缸內(nèi)溫度的影響。從圖3中可以看出,隨著預(yù)混燃料中LPG比例的增大,PCCI發(fā)動機的缸內(nèi)溫度逐漸下降,溫度峰值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐漸滯后。當(dāng)預(yù)混純二甲醚時,二甲醚的早燃提高了缸內(nèi)溫度,有利于促進(jìn)柴油的蒸發(fā)和混合,燃燒放熱過程提前,提高了缸內(nèi)壓力,集中在上止點燃燒,因此溫度升高,但是當(dāng)添加LPG以后,LPG抑制了二甲醚的早燃,相對于預(yù)混純二甲醚時,燃燒滯后,導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低,散熱損失增多,因此缸內(nèi)溫度隨預(yù)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(fā)動機缸內(nèi)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(fā)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(yù)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(jìn)行,所以此時PCCI發(fā)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(yù)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(yīng)的相位逐漸滯后。這是由于LPG辛烷值較高,預(yù)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(yù)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(yīng)相位逐漸滯后,其中預(yù)混L50燃料時擴散燃燒階段的放熱率峰值和對應(yīng)相位與純柴油發(fā)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(fā)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(fā)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(fā)動機累積放熱率的影響。從圖5可以看出,發(fā)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(yù)混40%二甲醚時燃燒始點位于上止點前6.8°,當(dāng)LPG與DME質(zhì)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(yù)混40%二甲醚時燃燒始點位于上止點前10.6°,當(dāng)LPG與DME質(zhì)量比為1∶1時燃燒始點推遲到上止點前4°,已經(jīng)接近純柴油時的上止點前1.2°。這是因為預(yù)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(fā)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(yù)混燃料中LPG量的增多,PCCI發(fā)動機的燃燒持續(xù)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(yù)混燃料對PCCI發(fā)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(yù)混燃料對DI發(fā)動機和二甲醚/柴油雙燃料PCCI發(fā)動機有效熱效率ηet的影響。從圖6中可以看出,預(yù)混燃料中添加LPG以后,PCCI發(fā)動機的有效熱效率低于預(yù)混純二甲醚發(fā)動機,但是高于DI發(fā)動機,隨著預(yù)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(nèi)壓力和溫度均低于預(yù)混純二甲醚工況,導(dǎo)致發(fā)動機當(dāng)量有效燃油消耗率增加,有效熱效率下降,而且在預(yù)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(nèi)形成較多可燃混合氣,導(dǎo)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(fā)動機有效熱效率的影響

3 LPG燃料對二甲醚-柴油雙燃料發(fā)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(fā)動機NOx排放的影響,從圖中可以看出:當(dāng)預(yù)混燃料中LPG比例較小時,由于缸內(nèi)溫度相比于預(yù)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(yù)混燃料中LPG比例的進(jìn)一步增大,NOx排放呈現(xiàn)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(fā)動機的缸內(nèi)溫度降低比較明顯,并且由于燃燒持續(xù)期有所縮短,局部高溫區(qū)域持續(xù)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(fā)動機顆粒數(shù)量濃度呈單峰分布,顆粒數(shù)量濃度峰值主要集中在粒徑為0.055～0.170 μm的積聚態(tài)。對于預(yù)混L20和L33兩種燃料的情況,顆粒數(shù)量濃度高于預(yù)混純二甲醚工況。這是由于預(yù)混純二甲醚時,二甲醚發(fā)生HCCI燃燒以后氣缸內(nèi)溫度升高,缸內(nèi)工質(zhì)的流動加快,從而促進(jìn)了柴油擴散燃燒階段的蒸發(fā)和混合,減少了局部缺氧區(qū)域,降低了顆粒排放。預(yù)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(yù)混純二甲醚時局部缺氧區(qū)域有所增多,顆粒排放略微升高,但是隨著LPG比例的進(jìn)一步增大,L50情況下的顆粒排放與預(yù)混純二甲醚時相差不多。這是因為在L50情況下,PCCI發(fā)動機的缸內(nèi)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(fā)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(jié) 論

為防止二甲醚-柴油雙燃料PCCI發(fā)動機在二甲醚預(yù)混合量較大時發(fā)生二甲醚早燃,從而導(dǎo)致燃燒惡化、爆震等情況,可以采用在進(jìn)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(fā)動機燃燒和排放特性的影響,獲得的主要結(jié)論如下。

(1)隨著預(yù)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(yīng)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(yīng)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(fā)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(fā)動機的燃燒持續(xù)期逐漸縮短。

(2)隨著預(yù)混燃料中LPG比例的增加,發(fā)動機缸內(nèi)壓力曲線逐漸滯后,缸內(nèi)壓力升高的始點與預(yù)混純二甲醚時相比有所推遲,預(yù)混燃料為L50時缸內(nèi)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(fā)動機缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和最高溫度逐漸降低,缸內(nèi)壓力和溫度峰值對應(yīng)曲的軸轉(zhuǎn)角逐漸滯后。

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

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

[1] BENDU H, MURUGAN S. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion: mixture preparation and control strategies in diesel engines [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 38: 732-746.

[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(yù)混均質(zhì)充量壓縮燃燒發(fā)動機燃燒與排放特性 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)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.

[5] ZHAO Y, WANG Y, LI D, et al. Combustion and emission characteristics of a DME (dimethyl ether)-diesel dual fuel premixed charge compression ignition engine with EGR (exhaust gas recirculation) [J]. Energy, 2014, 72: 608-617.

[6] 侯軍興, 喬信起, 王真, 等. 二甲醚發(fā)動機復(fù)合燃燒爆震特性 [J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2009, 43(5): 735-739. HOU Junxing, QIAO Xinqi, WANG Zhen, et al. Knock characteristics of compound combust ion in an engine fueled with dimethyl ether [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2009, 43(5): 735-739.

(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(xué)基金資助項目(51376038);低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)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