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使用LPG—柴油混合燃料的压燃式发动机燃烧与废气排放特性

摘要
为了减少污染物排放，尤其是来自直喷式（DI）柴油发动机排出的烟和氮氧化物，工程师们提出了各种解决方案，其中之一就是用气体燃料作为部分燃料补充柴油来使用。使用液化石油气作为替代燃料是一种很有前景的解决方案。柴油发动机中使用石油气很有潜力，既经济又环保。液化石油气其较高的自燃温度有非常大的优势，使得传统柴油发动机的压缩比能够维持下去。
本文描述的是在一个单缸直喷式柴油机进行的实验研究，发动机已经过适当改动能在液化石油气-柴油混合燃料条件下运行，并使用不同混合率的液化石油气与柴油混合燃料（0％，10％，20％，30％，40％）。比较结果是在不同的发动机转速和负载对比与传统的柴油和混合燃料对比下得出的，来揭示混合燃料燃烧对发动机性能和尾气排放的影响。

1。简介
目前，各种替代燃料已在研究，目的是减少柴油发动机柴油燃料的消耗和氮氧化物（NOx）和微粒排放量。因为其十六烷值较低，液化石油气（LPG）和压缩天然气（CNG）是最广泛使用点燃式发动机的燃料。斯内尔格罗夫等[1]指出，欧洲测试循环中，在25°C时，与使用无铅汽油相比，使用LPG给车辆减少排放带来了实质性的效益。根据报告碳氢化合物（HC）排放量降低40％，一氧化碳（CO）的降低60％，二氧化碳（CO2）大幅减少。这主要因为，和汽油相比LPG有高的氢/碳比。根据Yoong和Watkins[2]，因其较高的热效率，所以，提高燃油经济利用可从使用LPG的内燃机获得，而不是无铅汽油。这是因为LPG有较高的辛烷值，通常纯丙烷辛烷值（RON）为112，这样能在高压缩比时阻止爆燃出现。Homeyer等[3]指出，与使用无铅汽油对比，使用LPG时在功率输出方面存在一不利因素，原因是部分进气被LPG取代，燃气的体积比远大于其液态。在双燃料压燃式（CI）发动机中，液化石油气为主要燃料，一定数量的柴油作为点火源，像在传统柴油发动机里一样，LPG和空气气一起引入和压缩。因其有高的自燃温度，LPG和空气的混合气不会自燃。少量的柴油在压缩冲程快结束时注入缸内引燃混合气，这时柴油自燃并产生点火源给周围空气-LPG混合气。那些柴油可由传统柴油机的喷射装置喷入，其通常只是提供一小部分发动机功率输出[4,5]。Karim等[6,7]已经指出，双燃料发动机在低负荷，LPG浓度更低时，注入的燃料点火延迟将增加，分散均匀的部分LPG仍未燃，致使排放效果较差。因为LPG-空气混合气稀释了，低负荷下的LPG燃烧效果欠佳导致高的CO和未燃HC含量的排放。但是，在高负荷下，LPG进气量增加会导致，在柴油雾化附近不受控制的反应速率增加，从而敲缸。
本文的目的是考察一台测试的发动机在采用LPG-柴油混合燃料，尾气排放和运行特点。正因如此，在作者的实验室的直喷式试验发动机上进行测试研究。对试验机子适当改进后以适应使用混合燃料，有两套设备进行测量，均在变化的运行条件下进行，一是只使用柴油，另一个是使用混合燃料。处理被测汽缸压力数据信息，从而推导揭示了混合燃料对放热速率、燃烧时间、着火延迟期,汽缸压力和有效油耗率(b.s.f.c)的影响。此外,排放测量数据的分析揭示了混合燃料燃烧对污染物形成机理的影响。

2.LPG和柴油的性能介绍
液化石油气是由天然气生产和原油提炼的副产物。液化石油气和柴油的主要性能已经在表1中给出，在表里也给出了混合燃料的性能。可以看出，LPG在室温常压下是气态，需在压力保持在约0.5兆帕和温度25℃条件下，来保证它是液态。为了表示出混合燃料中的LPG质量分数，我们使用了下面的表达式：

当z=0%，代表柴油燃料，z=10%,z=20%,z=30%,z=40%表示LPG在混合燃料里的质量分数。从表一可以看出，随着LPG的质量分数的增加，混合燃料的质量低热值和蒸发热值也增加，但体积低热值确减少。

3.1实验设备

使用的发动机为单缸，自然吸气，四冲程，风冷，直喷，高速，带燃烧室的ZH1105W柴油发动机。该发动机的基本数据见图2。使用高压燃油泵喷射，其喷嘴为直径8毫米，其有四个喷油孔（每孔直径为0.32毫米）。这个喷油嘴置于燃烧室中心，开启压力为18Mpa。
在本实验中，LPG—柴油燃料如液化气燃料一样制备，如图1。首先，往空LPG箱里灌入少量的柴油,其次，通过压缩氮气，在油箱里产生一定的压力（该压力不低于LPG饱和蒸汽压）。最后，由加压氮气把一定质量的LPG压到柴油里，用手摇LPG管，并立即开展实验。燃料出口位于管底。混合燃料通过过滤器和电磁磁阀，直接进入注射泵，这样可以过滤杂质，迅速切断燃料供给，保证实验安全，并防止发动机受损。混合燃料通过活塞注入汽缸，剩余的燃料则进入回油管，被回收利用。LPG的蒸汽压力非常高，在燃油系统极易发生气阻,因此有必