机械工程师学报，D部分：汽车工程学报外文翻译资料

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机械工程师学报，D部分：汽车工程学报

摘要：以气体燃料运行的柴油发动机通常称为双燃料发动机。在目前的工作中，在阿拉伯联合酋长国大学安装了单缸，压缩点火，间接喷射研究发动机，用于在发动机作为双燃料发动机运行时调查排气排放。研究了主要操作和设计参数（例如气缸充气中的气体燃料浓度，引燃燃料量，喷射正时和进气温度）对废气排放的产生的变化的影响。柴油燃料用作引燃燃料，而甲烷或丙烷用作主燃料，其被引入进气歧管中并与进气混合。实验研究表明，通过增加气体燃料的浓度（总当量比），采用大的引燃燃料量，提前引燃燃料的喷射正时和增加进气温度，可以显着改善轻负载时的差排放。已经证明，一般来说，倾向于增加过稀的气缸充量内的燃烧区域的尺寸的任何措施将显着地降低废气中未燃烧的氢碳和一氧化碳的浓度。

关键词：废气排放，双燃料发动机，引燃燃料，气体燃料，喷射正时，进气温度，燃烧特性，NO_x排放

1 简介

对于内燃机的操作的环境问题的增加的关注最近关注于以气体燃料操作的常规柴油发动机，通常称为双燃料发动机。这些发动机保留少量液体柴油燃料的喷射作为引燃燃料以引发点火源，同时用空气引入气体燃料以提供大量的能量释放。在双燃料发动机中，气体燃料取代了大部分柴油燃料，只有很少的柴油引燃喷射用于点燃气体。柴油发动机在气体燃料上的操作既不是新的也不是最近的。 有可能追溯到本世纪初，当Rudolph Diesel博士获得专利的压缩点火发动机运行煤气作为燃料。随后，似乎已经做出了更成功的商业应用，主要是用于固定应用。

多年来，双燃料发动机的废气排放的性质和程度一直是调查的主题。具有各种气体燃料资源的双燃料型压缩点火发动机比常规柴油发动机产生更少的废气排放，而不会显着增加操作和资本成本。双燃料发动机的烟雾和颗粒物排放通常比相应的柴油操作低得多。从原始的压缩点火柴油发动机到双燃料操作的一些转换已经由制造商进行，在发动机的喷射系统中利用双柱塞系统或两个泵来处理点火所需的少量柴油燃料。

已经开发了用于柴油发动机的天然气燃料供给的增强器喷射器系统，其中采用具有先导柴油点火的高压天然气的直接喷射。在多气缸装置中使用气体燃料的直接喷射允许通过在非常轻的负荷下以双燃料模式不运行所有发动机气缸而减少废气排放。

1993年，Danyluk开发和测试了一个双缸发动机，柴油和双燃料等级为650 马力/缸，与正常的737和850 马力/缸相比。 在650马力/缸时，与大约2400磅力/平方英寸的结构限制相比，压力为磅力/平方英寸。

Shinichi等使用液化石油气（LPG），主要是丁烷作为单缸，四循环，直接喷射柴油发动机的主要燃料，缸径为130times;140mm，压缩LPG直接作为喷雾在进气阀的方向上喷射，以防止爆震并保持高的充气效率。使用电子燃料喷射（EFI）来防止敲击和精确地供应丁烷燃料。结果，具有高热效率的稳定操作成为可能。通过使用高速摄像机观察丁烷的注入，并且用激光多普勒测速仪（LDV）测量高速度。对于双燃料燃烧，热效率增加到36％，因为高压缩比。在空转条件下，产量约为使用瓦斯油的柴油作业产量的75％。在这种情况下，总热值的70％由丁烷占据。此外，当用铜离子替代吗啉催化剂时，来自双燃料柴油发动机的废气排放减少;例如废气中的NO_x减少约20％。

Soliman和Isaid研究了使用LPG或汽油蒸汽作为单缸柴油机的二次燃料的性能和排气烟度的效果。他们发现，添加LPG或汽油蒸汽，以恒定速度减少液体燃料，导致烟雾量急剧减少。他们指出，使用30％的气体燃料（LPG）将烟雾水平降低了80％。他们还发现，通过引入LPG实现了烟雾量的改进，而汽油蒸汽由于其对气缸压力的较低的影响而对发动机部件的机械负载具有更好的效果。

在轻负载下，双燃料发动机通常表现出相对于柴油运行的效率和功率输出的下降。与柴油运行相比，双燃料运行下未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放更高。

Barata最近研究了以丙烷为主要燃料的双燃料发动机的排放特性。在本研究中，一氧化碳浓度在所有负荷下都较高。 对于小于最大额定功率的50％的负载，这种效应更为明显。相比之下，在引入气体燃料时，NO_x水平总是较低。在本研究中，单缸间接喷射柴油发动机（Ricardo E6）的废气排放的气体燃料浓度，引燃燃料量，喷射正时的提前和进气温度的影响，气体燃料。

2 实验装置

在本工作中使用的Ricardo E6发动机是单缸四冲程水冷发动机，其具有75.2mm（3.0英寸）的孔径，111.1mm（4.375英寸）的行程和507cm³的扫掠体积（31英寸）。Ricardo Comet MKV压缩涡流燃烧室安装在气缸盖上。头部中的涡流室具有球形的上半部分，下半部分是通过窄通道或喉部与气缸连通的截头圆锥体。第二部分由切入活塞顶部的特殊空腔组成。包含喉部的燃烧室的下半部与气缸盖的其余部分热绝缘。

使用两个计量系统来测量柴油燃料。使用基于多功能微处理器的燃料测量系统与全柴油操作。然而，对于双燃料操作，具有固有误差的低得多的低流量导致使用高精度热脉冲流量计。使用热脉冲“时间”技术代替孔或移动部件。该方法包括使用热敏电阻来传递和检测热电池中的热脉冲。

本研究中的气体燃料测量系统由一个压力计，一个压电压力传感器和一个具有电源的数字压力计（DPM）组成。 图1示出了在本工作中使用的气体燃料和空气进料系统的示意图。

使用加热的电离检测器（HFID），加热的化学发光分析仪（HCLA）测量包括总烃（THC），氮氧化物（NO_X），碳氧化物（CO，CO2）和氧气（O₂）非分散红外分析仪和顺磁法。

3 结果与讨论

这项研究的主要目的是实验研究一些操作参数对压燃式双燃料发动机的废气排放的影响。这些参数包括引燃燃料的量，喷射正时和进气温度，以及进气混合物中的气体燃料的浓度。最后一个参数间接地表示为总当量比，其被定义为气态燃料和引燃柴油燃料的化学计量燃烧所需的空气质量流率与实际引入的空气量的比率 由发动机.所考虑的参数的范围示于表1中。

来自间接喷射双燃料发动机的排气排放

同步电机

发动机

空气加热器

空气计

阻尼室

气缸

孔板计

调节阀

气化器(立管)

水压力计

空气过滤器

图1气体燃料和空气系统

3.1 一氧化碳

对于一定数量的引燃燃料，双燃料操作的燃烧特性非常强烈地依赖于气缸充气中的气体燃料的浓度。图2显示了一氧化碳排放与总当量比的实验结果。对于非常稀的燃料plusmn;空气混合物操作（低于有效可燃极限），不传播。在该范围内，可以表明，由于与低总装料温度相关的相对慢的反应速率，在排气中出现的大部分一氧化碳由气态燃料plusmn;空气混合物的局部部分氧化产生。另一方面，在发动机的膨胀冲程期间，装料平均温度逐渐地和连续地降低，导致剩余的未反应的气体燃料的部分氧化，并因此导致一氧化碳的产生。因此，对于贫燃料侧，废气中的一氧化碳随着气缸进料中气态燃料的进入增加而增加。然而，进气中的气体燃料的浓度的持续增加导致混合物的初始化和部分传播，从而导致混合物的更完全的氧化，这导致排气中一氧化碳的相应减少。

随着引燃燃料量的增加，由引燃燃料封套的燃烧引起的燃料的体积将增加，因此气体燃料的燃烧部分将增加，因此在排气中排放的污染物将减少。较大的飞行员原则上提供大的飞行员燃料包络和更大量的点火中心，其中在整个非常贫气的燃料plusmn;空气混合物内具有较大的反应区。此外，在电荷内的每个点火中心的传播路径变得相对较短，因此燃烧更好。此外，对于涉及非常稀的气体燃料plusmn;空气混合物的低负荷，使用大的引燃燃料改善了喷射特性，导致引燃燃料的稳定燃烧，这有助于气体燃料的燃烧而没有振荡。在较高的负载下，当空气充气中的气体燃料浓度高于稀燃烧极限时，燃烧室能够无辅助地传播通过大部分燃烧室，并且改变引燃燃料量具有很小的效应。氧化反应从不成功到成功扩散的变化减少了一氧化碳的排放，如上所示。

推进喷射正时引起相对于上止点（TDC）的较早的燃烧开始。

表1考虑的参数范围

*发动机转速保持恒定在1000r / min

图3 实验结果的一氧化碳浓度与总当量比的不同喷射定时的变化

图2 一氧化碳浓度与不同引燃燃料量的总当量比的实验结果的变化

因此，当活塞移动到TDC时被压缩的气缸充气具有相对较高的温度，因此降低了一氧化碳排放。 更好的总燃烧也可能是由于汽缸内的较长时间的高温和具有较大喷射提前的部分氧化反应的活性，这导致减少一氧化碳排放，如图3所示，而且有效地加宽了整个贫混合物的较低燃烧极限界限。

在双燃料发动机的操作期间，进气温度的变化是非常重要的，因为它们显着地指示了引燃燃料的点火行为和气态燃料 - 空气充量的提前点火反应性。 进气温度的增加加速了混合物的反应速率，加宽了其可燃性极限并维持相对稀薄的混合物内的物质传播。 因此，增加进气温度产生更高的进气温度，这导致通过气体燃料plusmn;空气混合物的更大部分成功地传播燃料。这可以减少排气中的一氧化碳，如图4所示。

3.2 未燃烧的碳氢化合物

图5显示了未燃烧碳氢化合物浓度与不同引燃燃料量的当量比的实验结果的对应变化。 虽然在非常稀薄侧的整个燃烧过程随着气缸燃料在气缸充气中的浓度的增加而改善，但是未燃烧的碳氢化合物的特定值总是随着增加气体燃料进入气缸而增强。 如所预期的，未燃烧碳氢化合物排放的减少开始于接近混合物的相应的较低的起始极限。

图5 未燃烃浓度与不同引燃燃料量的总当量比的实验结果的变化

图4 实验结果的一氧化碳浓度与总当量比的不同进气温度的变化

引燃燃料量是能够具有对双燃料发动机的性能和排放的控制的最重要的变量之一，特别是在轻负荷下。已知当每个循环喷射的燃料量减少到最大设计水平的约5plusmn;10％以下时，大多数柴油燃料喷射系统经历较差的雾化和燃烧。 在本工作中的引燃燃料的最小量为0.15kg / h，以保持气体燃料的连续燃烧。这为注入的引燃燃料的量设置了有效的下限。上述结果表明，在具有小的引燃燃料量的非常轻的载荷下，测量的未燃烧碳氢化合物的浓度相对较高。这是因为，在过稀的混合物中，来自引燃点火的物质（如果有的话）不能在整个燃烧室中传播;仅发生部分氧化，因此产生未燃烧的碳氢化合物排放物。

引燃燃料的喷射正时是影响双燃料发动机燃烧特性的重要因素。对于总的当量比，提前喷射正时以使得燃烧发生在循环中较早的阶段增加了峰值气缸压力，因为在TDC（BTDC）之前燃烧更多的燃料，并且峰值压力移动更接近气缸容积较小的TDC。延迟喷射正时降低了峰值气缸压力，因为更多的燃料在TDC之后燃烧。较高的峰值气缸压力导致较高的峰值充气温度。由于喷射正时的延迟（在25BTDC），引燃燃料燃烧被延迟，因此混合物的温度不足以在整个气体燃料plusmn;空气混合物中传播燃料，因此不完全燃烧可以发生气态燃料plusmn;空气混合物。预期充气温度随着引燃燃料的喷射正时的提前和混合物的相关联的较高能量释放速率而增加。类似地，气体燃料燃烧期间的压力升高速率随着引燃燃料的喷射正时的增加而增加。图6示出了对于1000r / min的喷射速度和0.15kg / h的引燃燃料量，具有不同的喷射正时值的未燃烧的烃的浓度的实验结果的变化。可以看出，提前引燃燃料喷射正时减少了未燃烧的碳氢化合物排放。据信，这通过较长的点火延迟和提高的定时提前来促进。较长的点火延迟可能允许更充分的喷雾渗透和显影，在点燃之前产生更大量的引燃燃料/空气/气体燃料混合物（或预混合区域）。较大的预混合区域的较高燃烧速率产生较高的燃烧温度，因此降低未燃烧的碳氢化合物排放。

图7显示了未燃烧碳氢化合物的浓度与总当量比的变化，其中进气温度在1000r / min的速度和引燃燃料量为0.15kg / h下，用丙烷作为气态燃料。可以看出，增加进气温度降低了未燃烧的烃。随着进气温度的增加，引燃燃料的点火延迟减小，这导致相对于TDC的燃烧的更早开始。因此，当活塞移动到TDC时被压缩的气缸充气具有相对较高的温度，这可以减少未燃烧的碳氢化合物排放。

图7 未燃烃浓度与不同进气温度下总当量比的实验结果的变化

图6 未燃烃浓度的实验结果与不同喷射时间的总当量比的变化

图8 不同引燃燃料量的NOx浓度与总当量比的实验结果的变化

3.3 氮氧化物的排放

气缸中氮氧化物的生产取决于混合物强度

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