液化石油氣發(fā)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(shè)施。從發(fā)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(tǒng)相比，LPG直接噴射(LPG-DE)能在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速工況下獲得較高的扭矩。

對LPG-DE的最大挑戰(zhàn)是發(fā)動機溫度導(dǎo)致的燃料過熱現(xiàn)象。在利用現(xiàn)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(dǎo)致高壓泵(HDP)前端或在HDP內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽，從而使發(fā)動機停機。一種潛在的解決方案是提高HDP的預(yù)壓力，并采用超臨界壓縮以避免燃料沸騰。

1 試驗發(fā)動機和LPG燃料

為了進行試驗研究，采用了一款Ford公司生產(chǎn)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(diào)室中，并處于怠速運轉(zhuǎn)工況。應(yīng)用量產(chǎn)的高壓汽油噴射系統(tǒng)部件進行LPG直接噴射，該噴射系統(tǒng)裝備了外部加熱層和熱電偶，以便能在熱態(tài)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(yù)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(jié)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(shù)對其進行預(yù)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(tài)。圖1表明，在轉(zhuǎn)速800 r/min時發(fā)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(qū)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(jù)燃料溫度會呈現(xiàn)為液態(tài)或超臨界壓縮態(tài)，以此可防止噴射出來的燃料為氣態(tài)。在燃料向下游流動期間，由于從發(fā)動機處吸熱，因此其溫度隨著發(fā)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(shè)置為110 MPa。

圖1 采用LPG時加熱階段的試驗結(jié)果

圖1在燃料壓力曲線圖中用箭頭示出了高壓泵將預(yù)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(diào)節(jié)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(jù)丙烯的密度-溫度曲線圖，該壓力降低現(xiàn)象可視作為接近LPG 1的狀況。等壓線和兩相區(qū)在92.4 ℃臨界點結(jié)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(xiàn)出幾乎恒定上升的態(tài)勢；而4.66～8 MPa的等壓線在80～140 ℃溫度之間呈現(xiàn)出強烈的非線性狀態(tài)。

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(tài)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(diào)室之中，并且高壓泵柱塞由排氣凸輪軸上的凸輪驅(qū)動，而該凸輪又是由發(fā)動機的高溫機油進行潤滑，由此對燃料進行加熱，在發(fā)動機暖機階段開始時高壓泵內(nèi)部的LPG溫度約為70.5 ℃。在該溫度下的狀態(tài)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(tài)下燃料分配器中壓力開始降低時的狀態(tài)變化。在箭頭③所表示的狀態(tài)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(jié)于兩個原因，一方面由于大幅降低的燃料密度導(dǎo)致高壓泵油腔充量減少，以此減少了燃料進入分配器的質(zhì)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(xiàn)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(yù)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(fā)動機溫度下改變高壓泵的預(yù)壓力，而其溫度已通過預(yù)熱階段進行調(diào)整(見圖1)。降低高壓泵的預(yù)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(yù)壓力則會導(dǎo)致氣體動力學效應(yīng)和燃料分配器壓力振蕩等現(xiàn)象。

圖3 采用LPG時高壓泵預(yù)壓力變化時的試驗結(jié)果

為了評價采用現(xiàn)代汽油高壓泵的LPG直接噴射方案，應(yīng)先確定所需的高壓泵預(yù)壓力，以便在預(yù)熱狀態(tài)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(yù)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(yù)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(yù)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(guī)定的邊界條件下，為采用現(xiàn)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(yù)壓力必須被調(diào)節(jié)到4.5 MPa。需要說明的是，現(xiàn)代應(yīng)用于汽油機的高壓泵經(jīng)受高預(yù)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(shè)計應(yīng)進行適當?shù)膬?yōu)化。

3 結(jié)論

為了應(yīng)用于無冷卻措施的LPG直接噴射系統(tǒng)，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(yù)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(yīng)確保燃料在110 ℃溫度條件下，可使高壓泵的預(yù)壓力達到約4.5 MPa。