使用化学计量LPG直喷发动机降低颗粒物排放外文翻译资料

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

使用化学计量LPG直喷发动机降低颗粒物排放

Keunsoo Kim, Junghwan Kim, Seungmook Oh , Changup Kim, Yonggyu Lee

关键词：液化石油气（LPG）直接注射 火花点火 发射特性 颗粒物质（PM）

摘要

直接喷射（DI）发动机被认为是可以提高燃料经济性的有前途的技术相比传统的端口燃料喷射发动机。然而，研究表明，相对高水平的颗粒物质（PM）由汽油燃料发动机排放。预计在未来更严格的排放法规这是一个令人关注的问题。在这方面，使用液化直接喷射发动机中的石油气（LPG）具有以下优点：（1）更低的二氧化碳（CO₂）排放;（2）减少的PM排放，因为它是预混合的混合物。这项研究使用LPG直接喷射发动机，排量2L，4缸汽油端口燃油喷射（PFI）发动机。发动机头被重新设计用于喷雾引导的直接喷射燃烧系统。常规液化石油气在韩国的运输被用作燃料，并且发动机在化学计量条件下操作。在这项研究中，提供了覆盖整个操作包络的发动机操作图来调查其粒子数量浓度和废气排放，包括总烃（THC），一氧化碳（CO），二氧化碳（CO₂）和氮氧化物（NO_X）作为发动机工作点的函数。同样的，颗粒数目尺寸分布被显示为发动机操作条件的函数。结果的研究表明，与以前的汽油相比，THC和NOx排放的发生率较低。这项研究的主要发现是LPG直接注入的颗粒物质排放发动机的功率显着低于来自汽油直喷发动机的功率。

1. 介绍

目前，人类面临环境问题;全球变暖和燃料枯竭。在这方面，重要的问题汽车工业是排放法规和燃料经济性。自从批准“联合国气候变化框架公约”以来，已经制定了条例旨在减少温室气体，如二氧化碳（CO₂）[1,2]。由于越来越注重环境保护，预计将来会有更严格的法规。

已经提出了各种各样的燃烧策略满足排放法规和燃油经济性的需求。其中，直接喷射燃料直接喷入缸内的高压燃料供应系统，已经获得广泛关注[3,4]。直接喷射的燃料可以容易地蒸发然后降低燃烧室温度。这导致通过增加电荷密度来提高容积效率。在本研究中，选择喷雾引导注射系统。它使用位于火花塞附近的高压燃料喷射，具有改善的燃料壁润湿特性，超过所有其他直接注射方法（例如，壁引导，空气引导）的喷射引导直接喷射系统还能够建立良好的空气-燃料混合物，而与周围的气缸空气流无关[5-8]。

汽油直喷（GDI）发动机的试验结果一直由几家公司和研究机构出版。GDI燃烧策略在操作期间显示颗粒排放，使得这些策略进一步满足是一个挑战未来规则。因此，几项研究集中在减少直喷发动机的颗粒物排放[9-14]。

一种减少直接喷射中的颗粒物的方法燃烧是通过使用替代燃料。液化石油（LPG）被认为是LPG可以替代的清洁燃料减少二氧化碳和碳化排放由于其较低碳含量与常规汽油和柴油燃料相比。此外，LPG的不同蒸发和分散特性促进预混合的混合物形成和最小的燃料壁润湿，改善热效率和排放的性质特性[15]。因此，汽车工业中的液化石油气市场规模在几个欧盟国家中稳步扩大亚洲国家，基于竞争性定价策略。

虽然液体LPG注入燃烧系统已经研究[16-25]，以前的研究集中在基于驾驶循环和冷启动模式的瞬态操作。在DI中对稳态发动机运行的研究很少LPG燃烧系统研究发动机之间的关系排放和操作条件，以及关系排放。因此，研究LPG如何影响是很有价值的在直接喷射发动机中使用时的燃料经济性和废气排放[26,27]。

在本研究中，实验研究和分析了具有均匀化学计量操作的喷雾引导LPG直接喷射系统。粒子数（PN）浓度和废气排放，包括THC，CO，CO₂并且NOx将作为发动机工作点的函数呈现。此外，PN尺寸分布将被显示为操作的函数条件。

2.实验设置和程序

2.1实验装置图

图1表示发动机实验装置的示意图。在本实验中使用的发动机是4缸型喷淋式直喷式燃烧发动机。商业多点端口燃料喷射型2.0升汽油发动机直接转化为喷雾引导型通过重新设计发动机头。的确定喷射器和火花塞的最佳位置通过LPG喷雾可视化结果[28,29]。向外打开的压电喷射器和火花塞根据喷雾可视化结果进行安装。一个空心锥形燃料喷雾由压电喷射器和燃料引起在火花塞附近产生涡流，如图2所示。本研究中使用的发动机的详细规格发动机具有四冲程行程的气缸孔径为86mm，压缩比为10:1。

低压电动泵在燃油箱加压燃料至0.5MPa，然后将液相LPG引入高压柱塞式泵。高压燃料可以通过再循环系统和共轨系统维持。的燃料喷射指令和火花正时指令通过通用发动机控制单元（ECU）系统。发动机转速和扭矩由直接控制电流测功机。

宽带氧传感器（LA4，ETAS）安装在每个气缸的排气歧管和排气的接合点以测量过量空气比。

三个取样探针安装在排气歧管上测量废气排放，烟尘和PN数。一个尾气工作台（AVL AMA i60，AVL）进行测量THC，CO和NOx排放。从不透光度计（4390G004，AVL）测量的不透明度根据[30,31]转化为PM质量。使用分析PN浓度和颗粒数目大小分布扫描迁移率粒度分析器（SMPS，GRIMM）的动态移动性分析仪（DMA）和冷凝颗粒（DEED-100，DEKATI）稀释后的计数器（CPC）。一个多通道数据采集记录仪（GL820GRAPHTEC）用于收集所有获取的发动机实验数据。

压电压力传感器（6052C31，Kistler）安装在每个气缸中以转录燃烧信息并且所获取的数据与发动机曲轴同步角度位置，用高精度旋转器测量编码器。使用获得的燃烧信息进行分析提供燃烧的燃烧分析器（Osiris，D2T）特性。

在本研究中使用的燃料是常规LPG＃2在韩国的运输。 LPG用于实验由78.25％丁烷和21.75％丙烷组成。燃料的性质列于表2中。

2.2 测试条件

发动机转速从1000转/分钟变化到3000转/分钟，发动机负载范围从空转状态变为最大状态，基于节流阀限制。在目前的研究中，发动机实验在稳态发动机操作模式下进行以便投资发动机本身并构造引擎映射。本研究中的所有发动机工作点采用均匀化学计量燃烧。本研究中的燃料喷射压力固定在20MPa。以前的研究已经表明喷射压力对燃料的影响有限经济性和LPG直接喷射的燃烧稳定性发动机。然而，注射压力设定为高值因为由于LPG的较高蒸气压，其注入穿透长度相比汽油的相对较短[32,33]。开始喷射命令和火花命令在每个操作点扫描并且定义最佳点作为最低制动专用燃料消耗（BSFC）情况。

发动机冷却剂维持在稳态条件下80℃。获取一分钟的废气排放数据在发动机冷却剂达到稳态条件之后。

2.3 分析

基于200个连续的缸内压力迹线计算指示平均有效压力（IMEP）和指示平均有效压力的变化系数（COVIMEP）循环。 获得表观净热释放速率计算从根据[34]的平均缸内压力。使用理想值计算峰值气缸内气体温度气体定律，来自燃料和空气的进入质量。 最大值气缸压力中的标准偏差值为2 bar在满负荷条件下和其他的标准偏差操作点低于1.3 bar。

总指示热效率用作不同操作条件和比较性能的比较性能根据等式 （1）和排放在制动器中表示使用公式 （2）根据[31,34]。

热效率 （1）

制动器X的特定种类 （2）

3.结果和讨论

3.1 开始注射命令扫描

执行喷射开始定时的扫描以进行选择用于均匀化学计量燃烧操作的最佳喷射正时。基于燃料选择最佳情况经济和废气排放。火花命令固定为45 CAD bTDC，注射压力设定20MPa，如上所述。发动机以1500转/分钟和负荷运行为40 N m，这是乘客的常见运行价值汽车。

图1. 实验设置的示意图

图2.喷油器和火花塞的配置。

图3示出了注入定时如何影响BSFC，COVIMEP和NOx排放。这些趋势与其他操作条件一致。尽管NOx减少，但燃料消耗和燃烧稳定性随着延迟火花命令而降低。[35,36]建议早期注射能够实现更长的混合时间和良好混合的空气-燃料混合物正确燃烧无不完全燃烧。如图3所示，充分混合直接喷射燃烧需要燃料和空气的时间系统和注射开始命令应该提前早于200 CAD bTDC。燃油喷射正时研究设定在330 CAD bTDC，以便有燃料喷射事件，以便使燃料效率最大化。

3.2 火花命令扫描

虽然喷射时间对于所有情况是固定的，但是最佳火花命令应通过某些标准选择。因此，火花对所有工作条件进行定时扫描以获得最优点。火花定时效应趋于在所有操作条件下都相似，结果与发动机操作1500转/分钟和负载40 N m在这里显示部分。图4给出了BSFC和热效率变化相对于火花正时。 BSFC和热效率相互关联。燃油经济性改善为火花时间从TDC提前到一定点，然后效率再次下降。作为拐点的特定点可以被确定为优化的燃料经济点（标记为“BEST BSFC”）。燃烧点火先进火花用于先扩大气缸室它达到其最小尺寸。 aTDC后燃烧快速bTDC之前的燃烧对于动力冲程是反作用的。在这种情况下，36 CAD bTDC的火花命令被最小化BSFC点。

图5表示缸内压力和热释放速率根据火花命令的气缸的曲线。电流探头安装在火花塞上以测量致动电压，其可以被推断为实际火花正时。对于所有情况，最大缸内压力峰值的曲柄角延迟约10-30加元。均匀化学计量燃烧，火焰从局部预混合混合物开始其中燃烧通过放电点燃火花塞。然后火焰通过热传递和扩散，扩散到周围的均匀混合物。距离在火花的探测时间和热的峰值点之间释放速率曲线随着火花时间延迟而延迟这可以指示低火焰速度。 “BEST BSFC”点表明热释放速率曲线偏向一点aTDC。

图6显示了通过测量的THC，NOx和CO排放废气台在各种火花命令下。价值以制动专用术语表示，红色虚线表示使用计算出的峰值气缸内气体温度理想气体定律。这三种排放量的偏差在所有情况下是一致的;然而，这种趋势的原因对于每种排放可能是不同的。已知NOx的形成与之有关燃烧温度和氧浓度的化学计量区域，根据Zeldovich机理的热NOx形成[37,38]。已知生产烃由于火焰传播的限制，来自缸内壁附近的燃料-空气混合物。如图5所示，火花正时提前，没有足够的时间用于液化燃料蒸发，此外火焰周期更短。这些因素由于前进的火花命令导致THC增加。 CO排放受燃料雾化特性的影响很大。 A少扩散火焰降低了CO氧化[31];因此，当火花正时提前时，CO排放增加，如图所示图6中的放热率曲线。

图7表示相对于火花的燃烧稳定性命令。计算COVIMEP作为循环变化的量度。本研究中使用的燃烧策略显示稳定燃烧特性测量低于2％操作案例。此外，最大压力升高速率（MPRR）在所有操作条件下低于900kPa / CA。尽管减排，最佳火花正时选择在所有工作点的最小燃料消耗点。的详细的工作条件如图8所示。

3.3 发动机轮廓图

图9表示缸内压力轨迹和热释放速率曲线。热量的宽度释放率曲线在病例中定性相似，但是峰值由于变化的负载条件而不同。在里面在高负载条件的情况下，喷射更大量的燃料并且由于缸内压力高，实现均匀的燃料-空气混合物的时间相对较短。因此，最佳火花命令被延迟以使作功行程最大化。

图10表示缸内压力轨迹和热量释放速率曲线与各种速度条件的关系。的峰值缸内压力移动并增大发动机转速提高，放热曲线为根据各种发动机速度变化。缸内压力在较高的发动机转速下增加。同样，最优火花命令被延迟以最大化功率冲程。

图.3喷射正时对BSFC，COVIMEP和NOx排放的影响，在4500Nm的负荷下，在45CA bTDC的火花正时。

图4.火花正时对BSFC的影响和在1500rpm下的热效率，对于在330CA bTDC下的喷射命令的开始，40N m的负载。

来自各种操作条件的结果被呈现在轮廓图。11-17是在他们的最佳点。

负载条件对BSFC有显着影响，如图11所示。发动机速度在低负载条件下有影响。在高负载条件下，显示通过使用全开节气门来实现最大发动机效率泵送损失。

降低发动机转速和负载条件增加了THC发射，如图12所示。 引起THC形成在裂缝体积中捕获的燃料和过度富燃料区域发生不完全燃烧。 在这个意义上，THC排放与烧伤持续时间相关[39]。 增加负载和由于混合的改进，速度抑制了THC形成。 LPG中的THC排放水平低于汽油。

图5.对于在330CA bTDC下的喷射命令的开始，在40N m的负载下，在1500rpm下各种火花命令的缸内压力和放热率曲线。

图 6.火花正时对峰值缸内温度，BSHC，BSNOx和BSCO在1500rpm下的负载为40N m，用于在330CA bTDC下开始喷射命令的影响。

2900 ppm（估计为5.75 g / kW h）和Prati et al。 [14] 5.88g /kW h）。注入后的LPG蒸发导致更短的燃料喷雾渗透具有较小的动量[7,18,40]通过改善混合物质量来减少未燃烧的烃的量。

图13表示关于发动机的CO排放变化操作条件。 CO排放受到显着影响发动机负载条件。 CO形成取决于局部等价比率和温度;并且因此，已知是相关的与燃烧室中可用氧气的量[41]。随着增加进气压力促进燃料和燃料之间的混合空气，在较高负载条件下的CO排放减少如图13所示。

图14示出了发动机操作条件对CO₂的影响排放。 CO₂排放的减少归因于燃料的碳含量的减少和最大化的燃烧效率。由于LPG的碳含量较低，CO₂排放量会减少低于其他燃料燃烧系统中。的趋势CO₂排放

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[139110]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word