LPG掺混比对DME-柴油预混压燃发动机性能影响的试验研究

赵玉伟，牛天林，程培源，汪映

(1.空军工程大学防空反导学院，陕西 西安 710051；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

以上研究表明，进气道预混合一定量的DME能够改善发动机的燃烧过程并降低污染物排放，但当DME预混量过多时会发生爆震等现象[10]，导致发动机工作粗暴，有效热效率降低。液化石油气(LPG)的辛烷值较高，抗爆性好，而且常温下为气态，容易与空气混合均匀，在发动机上得到广泛应用[11-13]。因此，本研究提出在预混合DME燃料中掺混一定比例的LPG作为着火抑制剂来抑制DME的早燃，并开展了LPG掺混比对DME-柴油双燃料预混压燃发动机性能影响的试验研究。

1 试验装置及方法

试验用发动机为直列、水冷、四冲程、自然吸气式2105柴油机，其主要技术参数见表1，发动机台架布置示意见图1。DME-LPG混合燃料在进气道内与新鲜空气进行预混合后进入气缸，预混气体管道与进气管轴线呈30°并指向进气方向，柴油通过发动机原有燃油喷射系统喷入气缸。

本试验使用Kistler7061水冷式压电晶体传感器来测量发动机的缸内压力，由于缸内压力信号较弱，所测数据先通过Kistler7061B电荷放大器进行放大处理，再进入数据采集仪。由于不同循环在进气、压缩和燃烧过程中存在循环变动，每个工况均采集100个完整循环的缸压数据，并进行数据平均化及光顺处理，然后用于分析计算。本试验使用Horiba ANSYS 720尾气分析仪测量NOx排放，使用Dekati低压电子冲击仪(ELPI)测量发动机的颗粒粒径分布，使用精密电子秤测量柴油和预混燃料的消耗量。试验所用柴油为商用0号柴油，DME为99.9%的高纯度工业DME，LPG为民用LPG(主要成分为丙烷和丁烷，两者质量比为1∶1)。

图1 发动机台架布置示意

本研究工况为n=1 700 r/min,Ttq=40 N·m(平均有效压力pme=0.25 MPa)和n=1 700 r/min，Ttq=80 N·m(pme=0.5 MPa)，柴油喷射时刻为11 °BTDC。

由于DME的低热值(27.6 MJ/kg)、液化石油气的低热值(46.5 MJ/kg)与柴油的低热值(42.5 MJ/kg)相差较大，本研究引入预混率(Premixed Ratio，PR)来表示所消耗预混燃料的热值占相同时刻发动机总燃料消耗量热值的比例。PR的计算公式为

(1)

式中：BDME，BLPG，Bdie分别为DME，LPG和柴油的质量消耗量；Hu,DME，Hu,LPG，Hu,die分别为DME，LPG和柴油的低热值。

本研究中，预混DME时，DME与直喷柴油消耗质量比为1∶1，计算得到预混率PR=40%。为确保试验结果对比精确，保持预混燃料的预混率为40%，采用3种不同比例的LPG-DME混合燃料，LPG与DME的质量比分别为1∶4，1∶2，1∶1，即LPG掺混比(fL)分别为20%，33%，50%。

2 试验结果及分析

2.1 LPG掺混比对发动机燃烧特性的影响

试验工况下DME-柴油双燃料预混压燃发动机缸内压力和放热率随LPG掺混比的变化见图2。

图2 不同LPG掺混比下缸内压力和放热率

从图2可以看出，DME-柴油双燃料预混压燃发动机的燃烧过程包括DME燃烧与柴油燃烧，其中DME燃烧又分为DME低温反应与DME高温反应两个阶段，柴油燃烧分为预混燃烧与扩散燃烧。从图2a可以看出，在pme=0.25 MPa工况下，DME量较少，此时DME高温反应与柴油预混燃烧同时进行，燃烧过程分为DME低温反应、柴油预混燃烧、柴油扩散燃烧3个阶段。随着LPG掺混比的增大，DME低温反应阶段放热率峰值逐渐降低，峰值相位逐渐滞后。这是因为随LPG掺混比的增大，DME量减少，因此放热率峰值减小，而由于LPG辛烷值较高，推迟了DME的着火时刻，DME低温反应逐渐滞后。柴油预混燃烧阶段的放热率峰值逐渐增大，峰值相位逐渐滞后。这是因为LPG掺混比的增大使得柴油滞燃期延长，滞燃期内形成的可燃混合气增多，因此放热率峰值增大。从图2b可以看出，在pme=0.5 MPa工况下，DME量增多，DME发生明显的高温反应，此时燃烧过程包括DME低温反应、DME高温反应和柴油扩散燃烧3个阶段。随LPG掺混比的增大，DME低温反应和DME高温反应阶段的放热率峰值逐渐降低，峰值相位逐渐滞后，柴油扩散燃烧阶段的放热率峰值逐渐增大，峰值相位也逐渐滞后。

图3示出不同LPG掺混比下缸内最高燃烧压力分布。由图3可见，随LPG掺混比的增大，缸内最高燃烧压力逐渐降低，峰值相位逐渐滞后。由于LPG的辛烷值较高，随LPG掺混比增大，燃料的滞燃期延长，燃烧始点滞后，部分燃料在上止点后才燃烧，因此缸内最高燃烧压力逐渐降低，峰值相位不断向后推移。

图3 不同LPG掺混比下缸内最高燃烧压力分布

图4示出不同LPG掺混比下缸内最高燃烧温度分布。由图4可见，随LPG掺混比的增大，缸内最高燃烧温度逐渐降低，峰值相位逐渐滞后。

图4 不同LPG掺混比下缸内温度峰值分布

预混DME时，DME的低温反应和高温反应提高了缸内压力和温度，有利于柴油的蒸发和混合，扩散燃烧提前，燃料集中在上止点附近燃烧，使得缸内温度较高。随LPG掺混比的增大，DME早燃受到抑制，燃烧逐渐滞后，缸内压力减小，散热损失有所增多，因此缸内最高燃烧温度逐渐降低。

图5示出发动机压力升高率随LPG掺混比的变化。由图5可见，压力升高率峰值相位和图2中放热率峰值相位基本一致。在pme=0.25 MPa工况下，随LPG掺混比的增大，压力升高率曲线逐渐滞后，DME低温反应阶段压力升高率峰值略有减小，柴油扩散燃烧阶段压力升高率峰值逐渐增大，最大压力升高率逐渐增大。在pme=0.5 MPa工况下，随着LPG掺混比的增大，压力升高率曲线也逐渐滞后，DME低温反应和高温反应阶段压力升高率峰值逐渐减小，柴油扩散燃烧阶段压力升高率峰值逐渐增大，最大压力升高率先减小后增大，当fL=50%时最大压力升高率达到0.591 MPa/(°)。因此可以看出，高负荷时预混燃料中添加一定比例LPG能够有效抑制最大压力升高率，但是当LPG掺混比过大时最大压力升高率较高。

图5 不同LPG掺混比下压力升高率

2.2 LPG掺混比对发动机燃油经济性的影响

由于DME、LPG和柴油的低热值相差较大，本研究把不同工况下预混燃料和柴油的消耗量转换为与柴油等热值的当量有效燃油消耗率(beq)来表示发动机的燃油消耗，其计算公式为

(2)

式中：be,DME，be,LPG，be,die分别表示DME，LPG和柴油的燃油消耗率；Hu,DME，Hu,LPG，Hu,die分别表示DME，LPG和柴油的低热值。

有效热效率的计算公式为

(3)

图6示出当量有效燃油消耗率beq和有效热效率ηet随LPG掺混比的变化。由图6可见，随LPG掺混比的增大，ηet逐渐降低，beq逐渐升高。这是因为预混燃料中LPG量增多以后，燃料的滞燃期延长，燃烧速度变慢，缸内压力和温度均低于预混纯DME工况，使得发动机有效热效率下降。当LPG掺混比达到50%时，滞燃期过长，部分燃料在上止点后才开始燃烧，而且由于压力升高率较高，发动机工作相对粗暴，因此该工况下ηet进一步降低。

图6 不同LPG掺混比对beq和ηet的影响

2.3 LPG掺混比对发动机排放特性的影响

图7示出LPG掺混比对NOx排放的影响。从图7可以看出，相对于燃用柴油工况，预混40%DME后缸内温度升高，NOx排放略有增加。

图7 不同LPG掺混比对NOx排放的影响

随LPG掺混比的增大，NOx排放呈现降低趋势。由图4缸内温度峰值分布可以看出，当LPG掺混比较小时(fL=20%，33%)，缸内温度相对于预混DME工况有所下降，但降幅并不明显，因此NOx排放略有降低；随LPG掺混比增大(fL=50%)，缸内温度大幅下降，甚至低于柴油工况，而且该工况下LPG有效抑制了DME的早燃，燃烧持续期缩短，局部高温区域高温持续时间缩短，使得NOx排放减少。

图8示出不同LPG掺混比下颗粒物数量浓度粒径分布。由图8可见，预混纯DME和预混燃料中添加LPG后颗粒数量浓度均呈现单峰分布，颗粒数量浓度峰值主要集中在0.055～0.1 μm的积聚态。DME的高含氧量特性破坏了炭烟生成的缺氧条件，而且DME预混燃烧提高了缸内温度，缸内工质流动速度加快，促进了柴油扩散燃烧阶段的蒸发，使油气混合更加均匀，局部缺氧区域减少。此外，DME预混量的增大使得柴油直喷量减少，即减少了扩散燃烧阶段柴油的比重。颗粒物排放主要取决于扩散燃烧阶段柴油的量，因此相对于柴油工况，预混40%DME使得颗粒数量浓度显著降低。

图8 不同LPG掺混比下，颗粒物数量浓度粒径分布

当LPG掺混比较小时(fL=20%，33%)，颗粒数量浓度高于预混DME工况，LPG掺混比较大(fL=50%)工况下颗粒数量浓度明显降低，与预混DME工况相当。预混燃料中掺混少量LPG后，发生低温反应和高温反应的DME量减少，而且燃烧受到一定的抑制，所以相对于DME工况，局部缺氧区域略有增加，颗粒排放增多。当fL=50%时，缸内温度大幅降低，破坏了颗粒生成所需高温条件，因此颗粒排放明显减少。

3 结论

a) 随LPG掺混比的增大，压力升高率曲线逐渐滞后；pme=0.25 MPa工况下，最大压力升高率逐渐增大；pme=0.5 MPa工况下，最大压力升高率先减小后增大，fL=50%时最大压力升高率较高；预混燃料中添加一定比例的LPG(fL=20%，33%)能够控制DME-柴油双燃料预混压燃发动机的最大压力升高率；

b) 随LPG掺混比的增大，DME低温反应和高温反应阶段的放热率峰值逐渐降低，柴油扩散燃烧阶段的放热率峰值逐渐增大，3个阶段放热率峰值相位均逐渐滞后；发动机缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度均逐渐降低，峰值相位逐渐滞后；fL=50%时最高燃烧压力和最高燃烧温度下降的幅度以及峰值相位滞后的幅度较大；

c) 随LPG掺混比的增大，当量有效燃油消耗率beq略有升高，有效热效率ηet略有降低；

d) 当fL=20%，33%时，颗粒数量浓度高于预混DME工况；fL=50%时，颗粒数量浓度与预混DME工况相当；随LPG掺混比的增大，NOx排放呈现降低趋势。