論天燃氣-柴油及雙燃料發(fā)動機的技術

論天燃氣-柴油及雙燃料發(fā)動機的技術（金恒信達科技協(xié)會任一虎匯編）2012/06/07雙燃料發(fā)動機的技術摘要：簡要介紹了氣體燃料發(fā)動機的主要特點是緩解能源危機和降低摘要有害物排放，按使用燃料的特點可分為單一燃料、兩用燃料和雙燃料發(fā)動機，雙燃料發(fā)動機是氣體燃料使用的主要方式。綜述了國內(nèi)外雙燃料發(fā)動機技術的研究進展和現(xiàn)狀。目前國內(nèi)外天然氣--柴油雙燃料發(fā)動機的研究開發(fā)狀況及其技術特點，雙燃料發(fā)動機已成為目前柴油機燃用清潔氣體燃料以使發(fā)動機燃油經(jīng)濟性、排放和噪聲得到改善的技術方案之一。通過對天然氣品質、天然氣對柴油的替代率、熱效率及排放等問題的分析和探討，提出了雙燃料發(fā)動機進一步發(fā)展的方向和建議。天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機由于其良好的排放性、動力性、經(jīng)濟性，而成為目前研究的熱點。綜述了天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機在國內(nèi)外的研究與開發(fā)現(xiàn)狀，重點介紹了天然氣柴油雙燃料發(fā)動機天然氣供給形式及特點，LPG-柴油雙燃料發(fā)動機的技術解析。分析了天然氣柴油雙燃料發(fā)動機目前研究所存在的關鍵技術問題和發(fā)展前景。當前一種順序噴射、稀燃、全電控天燃氣--柴油雙燃料發(fā)動機已經(jīng)被開發(fā)出來，電控噴氣技術、微噴技術、稀薄燃燒技術乃是天燃氣-柴油雙燃料發(fā)動機關鍵技術問題。綜述了甲醇-柴油燃料的發(fā)展概況，介紹了甲醇-柴油的乳化和節(jié)能環(huán)保機理，以及近年來燃料配方的研究進展，其中微乳化甲醇-柴油與普通柴油相比，具有燃燒性能好、能耗低、污染少等優(yōu)點。并對甲醇-柴油的發(fā)展趨勢進行了展望。關鍵詞:關鍵詞1LPG-dieseldualfuelengineoptimizationAbstract:ThisarticlebyreducingthecompressionratioforasolutiontotheLPGdieseldualfuelengineknockathighloadconditionsaseriousproblem,focusesontheanalysisofthedualfuelengineatdifferentcompressionratioofmaximumcombustionpressure.Force,themaximumrateofpressurerise,pressureandcombustionheatreleaserateofcyclicvariation,andasabasisforoptimizationofadualfuel.Feedtheenginecompressionratio.Inaddition,intheoptimalcompressionratiooffuelignitionunderafullloadofdifferentsmokeemission.Dischargetest.Theresultsshowedthat:reducethecompressionratio,dual-fuelenginemaximumcombustionpressureandmaximumpressure.Greatlyreducethepowerrateincrease,whilesmallerchangesinthepressurecycle,buttheignitiondelayperiod,thecombustiondurationis.Willincrease.Optimized,thatwhenthecompressionratioof14.5,ZHll05WLPGasfuelforadieselengine.Dualfueloilaftertheheavyloadconditionswithoutseriousdetonation,thepressurechangeinrelativelysmallcirculation,andtheeconomyisgood,Thermalefficiencytobesignificant.Anotherdual-fuelenginefullloadsmokeemissionsthandieseldecreasedsignificantly,andthedoped.Burnedthanthehigher,moresignificantlyreducethesmoke.However,toomuchblendingratioalsoresultedindecreaseddynamic.optimizedcompressionratiosmokeKeywords:dualfuelengine引言我國的大氣污染狀況日趨嚴重，其中最重要的污染源之一是汽車尾氣，降低汽車尾氣排放刻不容緩。在目前的技術條件及資源、經(jīng)濟條件下，改善汽車尾氣排放最現(xiàn)實有效的方法是對其進行燃氣技術改造。對于用途廣泛的柴油汽車，采用雙燃料技術是收效最快、費用最低的方法。在發(fā)動機技術發(fā)達國家，由于柴油微引燃技術的出現(xiàn)，使得雙燃料汽車的排放指標可以達到火花點火、電控噴射、三元催化、閉環(huán)反饋單燃料燃氣汽車所能達到的排放水平，而同時保持其在動力性、經(jīng)濟性、可靠性、靈活性方面的優(yōu)勢，是一種理想的高效低污染發(fā)動機技術。雖然目前我國的天然氣加氣站還沒有得到普及，但雙燃料發(fā)動機具有恢復原柴油機工作的特點，其動力性、經(jīng)濟性、排放性等具有潛在的優(yōu)勢，因而，雙燃料發(fā)動機的研究也成為國內(nèi)研究的重點與熱點。為了解決由發(fā)動機排放造成的環(huán)境污染問題和日益嚴峻的能源問題，世界各國在制定各種嚴格的車輛排放法規(guī)來規(guī)范汽車的生產(chǎn)和使用的同時，開始大力發(fā)展代用燃料汽車。由于天然氣在資源、成本、環(huán)保等方面具有優(yōu)勢，天然氣汽車迅速發(fā)展起來，汽車改裝、天然氣儲存及加氣站的全套技術也日趨成熟。近年來，我國天然氣汽車研究和開發(fā)也迅速興起。然而由于天然氣著火溫度較高，發(fā)動機在壓縮過程中缸內(nèi)氣體溫度達不到其自燃點，因此必須依靠電火花點火，或者先噴入少量柴油，柴油自燃再引燃天然氣。按照點火方式的不同，天然氣發(fā)動機可分為火花塞點火的天然氣發(fā)動機和柴油引燃的天然氣發(fā)動機。柴油引燃的天然氣發(fā)動機是以天然氣作為主燃料，以少量柴油來引燃；而天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機是在原柴油機基礎上改裝的既可以燃用天然氣（以少量柴油引燃）又可以用柴油作為單一燃料的一種發(fā)動機（以下簡稱雙燃料發(fā)動機)。目前，雙燃料發(fā)動機因其具有使用燃料靈活、碳煙排放少、發(fā)動機改動小、改動成本低等特點而具有良好的推廣前景。第1章實現(xiàn)雙燃料改造可行緒論大量的試驗研究結果表明，柴油機可以實現(xiàn)雙燃料工作，技術改造可行，功率能達到原柴油機的水平，但還存在一些需要進一步完善和改進的方面。將柴油機改為雙燃料發(fā)動機應該達到以下目標：1.發(fā)動機改動??；2.與原機相比，動力性保持不變或略有提高，排放指標應有大幅度的改善；3.具有良好的安全性和可靠性。目前，大多數(shù)雙燃料發(fā)動機的引燃油量由原來的機械式噴油泵控制，只增加一套供氣系統(tǒng)，而不必對柴油機做很大的改動就可實現(xiàn)雙燃料運行。怠速工況一般在柴油單燃料狀態(tài)運行，中小負荷工況天然氣替代柴油的比例較小，而在高負荷工況天然氣在所消耗的燃料總量中可達到較大比例。烏克蘭科學院天然氣研究所和基輔汽車公路研究所研制的雙燃料汽車采用由柴油機改裝成的雙燃料發(fā)動機。天然氣與柴油采用聯(lián)動控制機構。試驗表明天然氣替代了45%的柴油。新西蘭T.F.S.公司及荷蘭TNO公司開發(fā)的雙燃料發(fā)動機引燃油量的調(diào)節(jié)采用電控油泵齒條方法，而KAMAZ采用機械控制加電磁鐵限位。國內(nèi)一般是對齒條作有級限位。為了提高雙燃料發(fā)動機天然氣替代柴油的比例!有的柴油機在原有的輸油管路與噴油器之間增加一小型高壓油泵（點火油泵）控制點火用的少量柴油，可大大提高控制精度，點火油量可減少至柴油運行時全負荷噴油量的1%。點火油泵和主噴油泵的進油口連接在同一輸油管路上，兩油泵的出油口分別與噴油器的兩個進油口相連，噴油器兩個進油口內(nèi)部均設有單向閥，防止由主噴油泵和點火油泵供入噴油器的高壓燃油倒流。雙燃料運行狀態(tài)下，氣體燃料的導入量決定了發(fā)動機的功率大小，而工作于純柴油運行方式時，發(fā)動機的功率大小由主噴油泵的噴油量決定。美國CleanAirPartner公司與加拿大阿爾伯達州卡爾加里市代用燃料系統(tǒng)(AFS)公司聯(lián)營,共同開發(fā)出多點噴射的雙燃料控制系統(tǒng),并應用在10.3卡特彼勒3176B重型發(fā)動機上。在發(fā)動機壓縮比不變的情況下，兩種燃料均采用電子控制，使燃用的天然氣可達燃料總量的60%~90%，發(fā)動機根據(jù)需要能轉換為100%燃用柴油。美國BKM公司研制了具有先進水平的微引燃雙燃料系統(tǒng),用接近1%的引燃柴油為天然氣發(fā)動機提供所需要的點火能量。這一系統(tǒng)的核心是采用電控液壓泵噴嘴控制點火油量及天然氣多點電子控制順序噴射裝置和專用的計算機軟件。這一系統(tǒng)為降低小負荷時的未燃HC排放及提高天然氣替代柴油的百分率,采用了斷缸、增壓空氣旁路、廢氣再循環(huán)及優(yōu)化引燃油的噴射正時等措施，從而在所有工況范圍內(nèi)使天然氣在所消耗的燃料總量中超過了95%。DDC6V-92TV增壓雙燃料發(fā)動機采用柴油天然氣電子泵噴嘴。天然氣噴射壓力在14MPa以上。電子泵噴嘴對燃料的調(diào)節(jié)和控制更為精確。第2章雙燃料發(fā)動機的燃燒特性及排放特性雙燃料發(fā)動機技術研究現(xiàn)狀近年來的研究熱點是雙燃料發(fā)動機的燃燒特性及排放特性、燃燒模型、稀燃技術、增壓中冷技術、油氣電子調(diào)節(jié)與控制、控制排放的缸內(nèi)燃燒技術、機外催化技術和廢氣再循環(huán)技術等。Shui等人提出了雙燃料發(fā)動機爆震的簡化反應機理，Tetsuya和Said等人對天然氣一柴油雙燃料發(fā)動機的爆震極限和爆震機理進行了研究；Mohamed對柴油機和雙燃料發(fā)動機的燃燒噪聲進行了對比研究，在相同運行參數(shù)下雙燃料發(fā)動機的燃燒噪聲低于原機；David等人研究了天然氣一柴油雙燃料發(fā)動機催化轉化技術；Takuji、Yusaf和Naris等人通過試驗研究了天然氣一柴油雙燃料發(fā)動機的性能和排放特性，探討了不同運行參數(shù)對雙燃料發(fā)動機性能的影響，Naris等人。列還對增壓式雙燃料發(fā)動機的燃燒特性進行了試驗研究；Mohanan和Sudhird。等人探討了氣體燃料入口溫度、引燃油量替代率、噴油提前角等參數(shù)對LPG-柴油雙燃料發(fā)動機燃燒及排放特性的影響，Papagiannakis等人。對直噴式雙燃料發(fā)動機的燃燒和污染物形成機理進行了試驗和理論研究；AbdAlia、Gamal和Tomita等人通過試驗和利用數(shù)學模型研究了廢氣再循環(huán)雙燃料發(fā)動機中各工況廢氣再循環(huán)率對動力性及排放性能的影響，Tomita還提出了將廢氣再循環(huán)和增大噴油提前角相結合的方法；Stan91．maier等人利用HCCI技術，降低了雙燃料發(fā)動機中低負荷工況的排放并改善了經(jīng)濟性，Bengtsson等人利用燃燒反應區(qū)的離子電流反饋信號對采用HCCI技術的雙燃料發(fā)動機的燃燒控制進行了研究。國內(nèi)在雙燃料發(fā)動機技術領域也進行了大量的研究。吉林大學通過試驗分析了柴油和天然氣的復合燃燒特性和規(guī)律，指出了天然氣-柴油雙燃料燃燒的主要特征和存在的主要問題。清華大學通過試驗著重研究了引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響。天津大學利用開發(fā)的雙燃料發(fā)動機燃燒放熱規(guī)律計算軟件分析了雙燃料發(fā)動機的燃燒特陛，并發(fā)現(xiàn)控制雙燃料發(fā)動機著火始點是控制缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和NOx排放的關鍵；通過增置天然氣多點順序噴射系統(tǒng)和比例電磁鐵及電控系統(tǒng)，將斯太爾WD615．64增壓非中冷柴油機改裝為雙燃料發(fā)動機，NOx和顆粒排放6能達到歐Ⅱ標準。在自然吸氣、混合器混合直列式6缸天然氣一柴油雙燃料發(fā)動機的研究中證實采用進氣節(jié)流和廢氣再循環(huán)等措施可有效降低HC和CO的排放。在與大連柴油機廠合作中，采用混合器混合和機械控制柴油量及進氣管壓力調(diào)節(jié)控制天然氣量的方法將廢氣渦輪增壓直噴式柴油機改裝為CA6113BN-01柴汪VCNG雙燃料發(fā)動機，天然氣替代率在50％左右，此后，又進一步利用空一空中冷方案研究了中冷后進氣溫度對增壓雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響。長安大學將一臺4缸增壓直噴式索菲姆柴油機改裝為LPG-柴油雙燃料發(fā)動機，引燃柴油由原柴油機的供給系統(tǒng)提供，氣體燃料由電子控制的混合器吸人，通過試驗對比了原機和雙燃料發(fā)動機的動力和排放性能，并進行了汽車道路試驗，還利用高分辨率數(shù)碼相機對柴油與LPG-柴油混合噴霧特性進行了對比研究。西安交通大學將斯太爾WD615．型增壓直噴式柴油機改裝為天然氣-柴油64雙燃料發(fā)動機，通過試驗得出適當提高進氣溫度和合適的進氣節(jié)流可降低CO和HC排放，低負荷工況采用停缸技術可改善雙燃料發(fā)動機的排放Ⅲ。北京交通大學研發(fā)了雙燃料發(fā)動機天然氣電控噴射系統(tǒng)，并在試驗中與原機和混合器雙燃料發(fā)動機的排放性能進行了對比。北京工業(yè)大學將車用X6130柴油機改裝為天然氣／柴油雙燃料發(fā)動機，替代率可超過70％，同時輸出的轉矩和功率并沒有降低|。武漢理工大學將D6114型增壓柴油機改裝成單點電控的柴油／CNG雙燃料發(fā)動機，動力性與原機相當，常用工況天然氣替代率為50％左右。浙江大學將490Q型柴油機改裝成柴油-LPG雙燃料發(fā)動機，試驗對比了原機和雙燃料發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放和噪聲等性能指標，針對雙燃料發(fā)動機由純柴油工況向雙燃料工況切換過程時出現(xiàn)了轉速大幅波動現(xiàn)象，改進了油氣切換過程的控制模型，實現(xiàn)了油氣切換的平穩(wěn)過渡。江蘇大學將LR6105型柴油機改裝為電控多點順序噴射LPG-柴油雙燃料發(fā)動機?，F(xiàn)正在開展生物制氣一柴油雙燃料發(fā)動機的研究。北京理工大學將北京內(nèi)燃機廠生產(chǎn)的F6L912Q型風冷柴油機改裝為電子控制多點順序噴射雙燃料發(fā)動機，排放指標除HC外均可達到歐三標準。今后研究方向由上可知，為使雙燃料發(fā)動機技術更加完善，尚需作進一步的研究，解決一些實際問題：1．目前，國產(chǎn)雙燃料供氣裝置缺少配套產(chǎn)品，性能優(yōu)良的雙燃料供氣裝置的引進、開發(fā)和研制是我國今后面臨的一項重要任務。同時應保證天然氣具有優(yōu)良的品質（如CH含量應保證在95%,N2、2、2S等廢氣成分比例應嚴格控制）COH。2．進行雙燃料發(fā)動機燃燒規(guī)律和燃燒特性的研究，側重稀薄燃燒技術的應用研究，特別是中、小負荷工況的燃燒惡化問題。3．針對13工況排放試驗中某些排放物和某些工況排放量略高的問題，特別是HC排放量高的問題，研究雙燃料發(fā)動機有關排放物的形成規(guī)律及其控制，包括缸內(nèi)燃燒技術及機外催化技術。對于HC、CO采取缸內(nèi)充分燃燒，同時選擇新型有效的催化劑實施機外處理的技術方案。為降低HC、CO排放，同時也限制全負荷工況的NOx排放，可試用廢氣再循環(huán)(EGR)技術。4．采用電控技術，特別是電控噴氣和噴油技術，將是徹底解決雙燃料發(fā)動機動力性、替代率、熱效率和排放問題的較佳方案。雙燃料發(fā)動機采用電控技術后，駕駛員操作與原柴油機一樣方便，過程不會復雜化。電控單元采集油門踏板位置、轉速及其他信號，根據(jù)這些信號自動調(diào)節(jié)所需天然氣量和引燃柴油量，使每一工況的天然氣替代率均達到最佳值，有效地控制燃燒，從而使發(fā)動機的每一工況的性能均達到最佳。國外采用電控噴氣技術的雙燃料發(fā)動機動排放量已達到較低的數(shù)量指標，并完全在“歐洲四號標準”排放限值以下，也有的僅是HC還略高于原柴油機燃燒工況。8氣體燃料柴油雙燃料發(fā)動機技術研究綜述燃料-柴油雙燃料第3章氣體燃料柴油雙燃料發(fā)動機技術研究綜述3.1氣體燃料發(fā)動機定義以可燃氣體為燃料的內(nèi)燃機統(tǒng)稱為氣體燃料發(fā)動機。天然氣、石油氣、煤氣、甲烷、氫氣、沼氣和生物制氣等多種氣體均可作為氣體燃料發(fā)動機的燃料。1860年lenior制成世界上最早的以煤氣為燃料的氣體燃料發(fā)動機，表明人們在使用液體燃料之前，就通過實踐證明了各種成分的可燃氣體同樣可以作為發(fā)動機的燃料。1908年，我國上海均和安機器廠制造出了我國首臺以煤氣為燃料的內(nèi)燃機。20世紀30年代，在意大利、俄羅斯、荷蘭等天然氣儲存和產(chǎn)量較大的國家中開始發(fā)展壓縮天然氣(CNG，CompressedNaturalGas)和液化石油氣(LPG，LiquefiedPetroleumGas)汽車及發(fā)動機。進入20世紀80年代后，氣體燃料發(fā)動機的研究與開發(fā)異常活躍，氣體燃料發(fā)動機的應用技術、燃燒機理和燃燒過程優(yōu)化成為研究的熱點。巨大的市場前景還吸引了GM、Deutz、Benz、Honda、Detorit，Toyota，Caterpillar、Cummins等眾多知名的發(fā)動機和汽車制造廠商都參與到此領域的研究。3.2氣體燃料發(fā)動機的特點使用氣體燃料除了能替代石油燃料緩解能源危機，降低石油燃料對環(huán)境造成的污染外還具有以下特點：（1）由于氣體燃料的使用，使得氣缸內(nèi)積碳減少，減小發(fā)動機磨損，從而延長了發(fā)動機的壽命；（2）與使用液體燃料不同，不需要精密的噴油設備或霧化裝置；（3）能與空氣很好的混合，各缸問分配較均勻，并能進行較充分的燃燒，有利于組織稀混合氣的燃燒；（4）形成混合氣時，氣體燃料占有一定的體積，減小了進入氣缸的新鮮空氣量，對發(fā)動機的動力性有不利的影響；（5）由于氣體燃料的成分、氣量及壓力不穩(wěn)定。需對混合氣的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進行精心的設計。3.3氣體燃料發(fā)動機的分類氣體燃料發(fā)動機按其使用燃料的特點分為：（1）單一氣體燃料發(fā)動機專門針對一種氣體燃料的特性而設計制造的專用發(fā)動機，可以最大限度的發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)勢，多用于氣源供應充足的固定場所，如油田電站，氣源供應穩(wěn)定的城市公交車輛，中大型生物制氣發(fā)電站等。（2）兩用燃料發(fā)動機同時兼顧液體燃料與氣體燃料的特點，即可單獨使用液體燃料也可單獨使用氣體燃料。兩用燃料發(fā)動機可以方便的由現(xiàn)有的火花點火汽油發(fā)動機改造而實現(xiàn)，例如汽油-LPG或汽油-CNG等，這對于氣體燃料供氣系統(tǒng)未形成網(wǎng)絡的地區(qū)使用兩用燃料發(fā)動機尤為重要。（3）雙燃料發(fā)動機可以同時使用氣體燃料與液體燃料，例如柴油-CNG，柴油-LPG和柴油-生物制氣等。這種發(fā)動機以少量的柴油引燃進入氣缸的氣體燃料。氣體燃料發(fā)動機按其混合物的著火方式可分為兩類：a.點燃式單一氣體燃料發(fā)動機和兩用燃料發(fā)動機，由點火系統(tǒng)的火花塞點燃。在將柴油機改裝為單一氣體燃料發(fā)動機時，需要增加點火系統(tǒng)，并同時降低壓縮比，避免氣體燃燒時產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。b.壓燃式可燃氣與空氣進入氣缸后在壓縮階段均勻混合，混合氣依靠噴入氣缸的少量柴油自燃放出的熱量引燃。雙燃料發(fā)動機根據(jù)工況按比例調(diào)節(jié)引燃油量和進氣量，也可單獨使用柴油。與點燃式發(fā)動機相比，壓燃式雙燃料發(fā)動機具有以下優(yōu)點：第一，保持了柴油機的高壓縮比，熱效率高，燃料經(jīng)濟性好；第二，引燃柴油所釋放的能量大大高于火花點火的能量，有利于保證氣體燃料著火穩(wěn)定，避免失火，雙燃料發(fā)動機的循環(huán)變動也較點燃式發(fā)動機小；第三，引燃柴油可形成多個點火源，加快氣體燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋岣邉恿π阅軌蛟谳^寬的空燃比范圍內(nèi)工作，可實現(xiàn)較稀薄的燃燒；第四，柴油機結構的改動小，各部件與原機型之間具有良好的互換性，從而降低了制造和配套成本，使用和維修比較方便；第五，可雙燃料運行，也可在氣體燃料成本較高或短缺時純柴油工作。3.4天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展3.4.1天然氣品質問題天然氣品質（氣質）對雙燃料發(fā)動機的動力性有很大的影響。柴油機進行雙燃料發(fā)動機技術改造后，在其標定功率達到原柴油機指標的前提下，對于含有95%甲烷的天然氣，多數(shù)運轉工況下的天然氣替代柴油比率可達到90%以上，最低也達80%。對于氣質好的天然氣，其替代率在80%"以上時，扭矩儲備系數(shù)比原柴油機有較大幅度提高，可較大幅度提高低速高負荷時的動力性能。對于氣質條件較差的天然氣，無法保證較高的替代率，從而使標定工況和低速高負荷時的動力性下降。3.4.2天然氣的替代率問題天然氣對柴油的替代率是衡量雙燃料發(fā)動機性能的一個重要指標。只有提高替代率，才能充分發(fā)揮天然氣燃料的顯著優(yōu)點。但替代率的提高受到燃燒性能、工作穩(wěn)定性、排放等一系列問題的制約。原因是天然氣-空氣的混合氣濃度過稀，必須加大引燃柴油量比例。隨著負荷的增加，混合氣中天然氣量越來越多，即混合氣濃度增大，使燃燒更快捷和充分，用相對較少的引燃柴油即可達到穩(wěn)定燃燒，替代率也隨之增大。但混合氣的濃度不能太大，適當濃度的混合氣只需少量的引燃柴油點燃就可達到穩(wěn)定燃燒，而過稀或過濃的混合氣都需要更多的柴油引燃。因此合理的替代率應該是：在怠速時僅以柴油作為燃料，中小負荷時替代率較小，而在高負荷時替代率可達到較大值。因此，協(xié)調(diào)控制天然氣量、空氣量和柴油量，使每一工況下的天然氣對柴油的替代率都達到最佳，從而實現(xiàn)雙燃料發(fā)動機最佳的燃燒性能是今后必須解決的重要問題。3.5LPG-柴油雙燃料發(fā)動機優(yōu)化研究3.5.1柴油機燃用液化石油氣問題的提出汽車是現(xiàn)代社會必不可少的交通運輸工具，也是人類文明的重要標志之一，而能源與環(huán)保始終是汽車工業(yè)發(fā)展過程中的重要問題。1973年中東戰(zhàn)爭觸發(fā)了許多國家早己潛在的石油危機，人們逐漸意識到石油資源終將減少直至枯竭;據(jù)資料介紹，截止1994年1月1日，世界石油探明儲量為9991.2億桶(約1440億11噸)，如果按現(xiàn)在全世界石油的日需求量6500萬桶再加上增長的150萬桶計算，預計2035年之前地球上的石油資源將會消耗殆盡。因此，開發(fā)代用燃料已經(jīng)成為解決石油危機的主要途徑。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機以汽油、柴油作為燃料，必然也受到了石油危機的困擾，找尋汽油、柴油以外的汽車燃料已經(jīng)成為重要的研究方向。與此同時，隨著世界汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，當今世界汽車保有量達到6億多輛。按現(xiàn)在的速度計算，預計到2030年，世界汽車保有量將增至10億輛，汽車引起的污染問題將日益嚴重。隨著汽車柴油機化的發(fā)展趨勢，柴油汽車所占比例不斷增加，柴油機排放問題日益受到人們的關注。與汽油機相比，柴油機排放中的CO、HC及NOx含量較少，但碳煙排放要明顯高于汽油機。碳煙顆粒具有很強的吸附力，對人體的呼吸器官危害極大，可以導致慢性肺病并有致癌作用。因此，降低柴油機碳煙排放已經(jīng)成為汽車工業(yè)急待解決的問題。目前為止，柴油機燃用液化石油氣是緩解石油資源緊缺，降低柴油機碳煙排放較為有效的方法之一。3.5.2液化石油氣的特點液化石油氣(LiquefiedPetroleumGas,簡稱LPG)是油氣田開采和煉油廠加工過程中的一種副產(chǎn)品，亦可以煤為原料制取。LPG主要是含有三個或四個碳原子的烴類如丙烷(C3H3)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)等。石油氣在常溫常壓下以氣態(tài)形態(tài)存在，且臨界溫度高而臨界壓力較低，適當加壓或在不太低的溫度下，即可成為便于儲存和運輸?shù)囊后w。汽油、柴油、天然氣、石油氣的理化特性列于表1-1中。分子式液相密度kg／l沸點（℃）自燃點（℃）可燃范圍體積比，％低熱值(MJ／kg)汽油C5~C11的烴類0.71~0.7430~2202601.3~7.643.9柴油C11~C19的烴類0.83180~370200~3001.5~8.242.5天然氣CH40.42-161.57005~1549.8石油氣C3~C4的烴類0.54-0.5400~4501.7~9.745.312理論空燃比【質量比】混合氣熱值（MJ／m?）辛烷值RON十六烷值14.814.516.7515.463.84900~103.79―40~553.39120―3.66100~110―表1-1LPG具有以下幾方面的顯著特點:1.資源豐富LPG是石油提煉及油氣生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，以往這些副產(chǎn)品是作為廢物點燃后排放到大氣中的。如今除做家用燃料外，還可滿足車用燃料的需要。在我國，LPG作為代石油車用燃料具有更重要的意義:改革開放以來，我國國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定的增長，對石油的需求量不斷增加，而我國石油工業(yè)的增長近期只能維持在2%左右，滿足不了日益增長的需求;從1993年起，我國已由石油出口國變?yōu)槭瓦M口國，因此使用LPG作為車用燃料對于緩解我國石油資源緊缺的狀況具有重要意義。我國在新疆、四川、陜西、內(nèi)蒙及陜北相繼發(fā)現(xiàn)大的氣田，儲量均達到幾十億至幾百億立方米，保證了LPG的來源。2.燃料經(jīng)濟性好LPG霧化汽化性能好，進入氣缸內(nèi)不存在任何霧狀顆粒，是完全的氣態(tài)。完全汽化有利于燃料分子與氧氣分子的充分接觸，使燃燒速率及燃燒完全度提高;同時液化石油氣的低熱值為45.3MJlkg，比柴油的低熱值42.5M放g要高，這意味著即使按相同的熱效率，做同樣的功，所需的LPG也比柴油的耗量少。3.延長發(fā)動機使用壽命由于LPG與空氣混合充分，燃燒完全，燃燒室內(nèi)積碳極少，保養(yǎng)時清理積碳作業(yè)量較少。進氣通道和氣缸內(nèi)無燃料及燃燒產(chǎn)物冷凝物，因而氣缸壁和活塞表面的油膜不會被沖刷，機油盤內(nèi)機油不會被稀釋，從而可以減少氣缸和活塞組零件的磨損，提高其壽命。同時可延長機油使用期限，減少機油耗量。4.有害污染物排放少與汽油機相比，柴油機排放中的CO、HC及Nox含量較少，但碳煙排放量13明顯高于汽油機.柴油機摻燒LPG后，CO、HC及Nox排放均有一定降低，同時雙燃料發(fā)動機煙度有顯著的降低。LPG中不含鉛，故鉛化物的排放為零。因此LPG在工業(yè)發(fā)達國家被視為“清潔燃料”而倍受人們的青睞。5.具有良好的安全性LPG的自燃溫度在400~450℃，比汽油、柴油的自燃溫度要高得多。當汽車發(fā)生碰撞、翻車事故時，LPG在容器中激烈震蕩，磨擦后溫度升高到自燃點起火爆炸的可能性較柴油少得多;同時LPG遇明火的爆炸極限較柴油的爆炸極限高，因此LPG相對柴油更不易著火、爆炸。同時LPG儲氣瓶制造要求嚴格，只要按照我國和國際標準化組織的有關規(guī)定制造生產(chǎn)的儲氣瓶均可保證良好的安全性。6.較天然氣使用方便、成本低目前全世界廣泛應用的代用燃料是LPG和天然氣(NaturalGas)。LPG與壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)相比具有儲運性能好的優(yōu)點。石油氣在常溫15℃下，只需0.SMPa的壓力即可液化，而CNG的貯存壓力一般在20~30MPa之間，LNG則需在3.5.3國內(nèi)外液化石油氣研究及應用現(xiàn)狀美國是一個汽車大國，全世界4.4億輛轎車中大約有1/3在美國。目前，美國50%的石油依靠進口，到2010年將超過75%;為了解決能源緊缺和環(huán)保問題，從90年代開始，美國政府制訂了一系列政策法規(guī)，大力發(fā)展天然氣、液化石油氣汽車，其中最具影響力的是1992年頒布的《能源政策法》《能源政策法》規(guī)。定，聯(lián)邦政府、州政府以及燃料提供者的車隊必須為天然氣、液化石油氣等代用燃料汽車的使用做出表率，分階段實施代用燃料計劃。與此同時，聯(lián)邦政府和州政府還特別頒布了一系列政策和措施，鼓勵使用天然氣和液化石油氣作為車用燃14料，其中包括免征代用燃料銷售稅，代用燃料價格優(yōu)惠，購代用燃料汽車退稅、抵免稅等。這一系列配套政策已初見成效，美國現(xiàn)有CNG汽車4.9萬輛，加氣站1100座:LPG汽車170萬輛，已占轎車總數(shù)的1.3%，建成1250座液化石油氣站，年耗量可達97萬噸。荷蘭國家雖小，但使用液化石油氣作為車用清潔燃料己有40多年的歷史，其液化石油氣的加工能力也相當高。目前，荷蘭己具有世界上最成熟的液化石油氣汽車市場，其液化石油氣轎車數(shù)量已占轎車總數(shù)的8%。亞洲的代用燃料汽車主要是液化石油氣汽車，它是世界上最大的液化石油氣汽車市場，與歐美液化石油氣汽車以私人轎車為主的情況不同的是亞洲主要是以出租車為主。日本是一個比較典型的例子，眾所周知，日本是一個礦物燃料嚴重不足的工業(yè)發(fā)達國家。日本于1959年開始研究LPG汽車，1964年日產(chǎn)株式會社生產(chǎn)出第一輛LPG汽車。目前日本已擁有30萬輛液化石油氣汽車，其中20萬輛是出租車。我國代用燃料汽車起步較晚，近年來一些地區(qū)尤其是天然氣、液化石油氣產(chǎn)區(qū)，已先后改裝10000多輛天然氣或液化石油氣汽車。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止1998年底，已有液化石油汽車7000多輛，加氣站33座。我國代用燃料汽車雖然有一定的數(shù)量，但按比例還不到全國汽車保有量的千分之一，無論從絕對值還是相對值來看都很小。國外對LPG的使用研究已相當成熟，美國、德國、日本等發(fā)達國家首先完成了LPG燃料的單缸機和多缸機的臺架試驗，并進行了道路試驗。據(jù)資料介紹，日本采用高壓油管內(nèi)混入LPG的方法在柴油機上做了一些燃燒特性研究，得到如下結論:燃用混入LPG的柴油時，盡管發(fā)動機的噪聲有所增大，但是煙度及熱消耗率均有改善;隨著LPG混入量的增大，煙度、CO排放以及熱消耗率均得到改善，但發(fā)動機噪聲有增大傾向。目前，國內(nèi)許多高等院校、科研院所在消化吸收國外LPG發(fā)動機技術的同時，積極開展了多項技術研究，做了許多有益的嘗試，獲得了一些初步研究成果。浙江大學在柴油機發(fā)電機組上使用液化石油氣，將柴油機改裝成LP壓柴油雙燃料發(fā)動機，得出如下結論:發(fā)電機組負荷小于50%時，雙燃料發(fā)電機組的燃料消耗率大于柴油發(fā)電機組的燃料消耗率，而負荷大于50%時則相反;雙燃料發(fā)動機15的排溫低于純柴油排溫;雙燃料發(fā)動機負荷增大到80%后，發(fā)動機運轉出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，繼續(xù)增大負荷，發(fā)動機工作粗暴，將壓縮比降至14，仍未能消除爆震現(xiàn)象。另外，福建農(nóng)業(yè)大學也使用LPG在渦流室柴油機上作雙燃料運行試驗研究，得出與浙江大學基本相同的結論。其中如何使LPG-柴油雙燃料發(fā)動機在高負荷下消除爆震現(xiàn)象，實現(xiàn)長期穩(wěn)定運轉，是今后探索和解決的問題。第4章液體燃料-柴油雙燃料發(fā)動機的發(fā)展4.1甲醇-柴油研究及發(fā)展趨勢隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需要日趨增大。柴油作為大功率內(nèi)燃機的主要燃料，常有供不應求局面出現(xiàn)。雖然國際原油價格近期暫時回落，但從長遠來看，原油資源總有枯竭。而且柴油機尾氣中顆粒物、氮氧化合物和碳氫化合物的含量很高，污染環(huán)境，嚴重損害人體健康，因此研究開發(fā)清潔可再生能源是國家立項研究的重要課題。醇類燃料作為重要的可再生燃料是近年來人們研究的最大熱點，其中甲醇燃料由于可由煤、天然氣直接轉化得到尤受人們重視。甲醇與汽油和柴油的比較接近，具有燃燒性能良好、熱效率高、比能耗低、排放的顆粒物和氮氧化物(NOX)含量低、來源廣泛，價格低廉等優(yōu)點。美國環(huán)保局認為：“采用甲醇燃料是實現(xiàn)清潔環(huán)境的最有效的方法”。我國具有豐富的煤炭資源，山西省于2002年10月確定太原、陽泉、臨汾、榆次等4個城市為甲醇-柴油產(chǎn)業(yè)試點城市，老軍營加油站、漪汾街加油站和新華街加油站進行車用甲醇-柴油的試點銷售。甲醇在柴油機上的應用主要方法有乳化液法、混合燃料法、熏蒸法、雙燃料噴射系統(tǒng)法。乳化燃料的歷史較長，20世紀60年代開始對柴油-水乳化燃料進行廣泛研究，但是由于甲醇和柴油極性上的巨大差異，要實現(xiàn)甲醇與柴油的溶解，形成穩(wěn)定均勻的混合燃料，必須在原有的甲醇-柴油體系中加入一定比例的表面活性劑、助溶劑，使兩者能夠充分混溶，并保持穩(wěn)定。該混合燃料不僅價格低廉，解決了柴油短缺的問題，而且燃燒后廢氣的排放也大幅度減少，可以作為一種清潔能源，替代現(xiàn)有的柴油直接用于民用和工業(yè)生產(chǎn)，具有十分廣闊的應用前景。4.2甲醇-柴油的乳化及節(jié)能、環(huán)保機理4.2.1甲醇-柴油的乳化機理甲醇與柴油是兩種不相溶的液體，他們之間要以均勻的混合物存在，只有制成均勻的乳化液。乳化液是一種多相體系，在高速剪切力的作用下，甲醇以珠狀均勻地分散在柴油中，形成油包水型的乳化液，但這種狀態(tài)是一種熱力學不穩(wěn)定17體系，因此，為了得到較穩(wěn)定的乳化液，必須在體系中加入表面活性劑，以改變兩種液體的界面張力形成穩(wěn)定的乳液結構。4.2.2甲醇-柴油的節(jié)能、環(huán)保機理1.節(jié)能機理乳化油作為燃料，在節(jié)能方面目前公認的機理為微爆理論。①微爆作用，對于油包水型的微乳液，由于甲醇的沸點低于燃油沸點(130℃以上)，當油表面燃燒時,內(nèi)部甲醇受熱并汽化,體積急劇膨脹,產(chǎn)生的巨大壓力使油滴爆破，油滴進一步微?；纬伞岸戊F化”，油和空氣的接觸面積大幅度增加，提高了燃燒效率，達到節(jié)能的效果。②加速燃燒反應，甲醇在汽化過程中，分子中的OH基團活性大大增強，一氧化碳盡可能完全燃燒。相當于“水煤氣反應”，從而加速燃油裂解所形成焦炭的燃燒，抑制了煙塵的生成。2.環(huán)保機理一般柴油機中產(chǎn)生碳氫化合物的主要原因是混合不均勻，及燃燒不良所致一氧化碳是一種不完全燃燒產(chǎn)物，生成柴油機碳煙，概括地說是由烴類燃料在高溫缺氧條件下裂解生成的。乳化柴油能發(fā)生“二次霧化”，其霧化質量是任何柴油機噴嘴都難以達到的，它使柴油分子與高溫空氣的混合更均勻，燃燒環(huán)境的改善能顯著減少煙塵排放。氮氧化合物是柴油機的主要污染物，其生成過程在溫度大于1600℃的條件下，進一步氧化生成。可見溫度、氧濃度在生成過程中起著重要作用，一般認為，當溫度高于4.3傳統(tǒng)甲醇-柴油燃料和存在的問題4.3.1傳統(tǒng)甲醇-柴油的研究情況傳統(tǒng)的甲醇-柴油燃料，以柴油為主要原料，在表面活性劑和助溶劑的作用下，加入一定比例的甲醇，得到均質的白色或黃色乳狀液,此項技術，在國外起步較早，至今已取得較大進展。近幾年來，由于我國能源問題的凸顯，甲醇-柴油的研究發(fā)展迅速，現(xiàn)已開發(fā)出許多種甲醇-柴油配方，有多項科研成果和發(fā)明專利產(chǎn)生，并正在向實用化和市場化的方向前進，例如楚宜民等研制的甲醇-柴油混合燃料，在柴油機結構不變的情況下，把甲醇、柴油、OP乳化劑、其他助18劑按體積比15:80:2.5:2.5混合,混合燃料平均節(jié)油率達9.5%，在中、高負荷下節(jié)油率平均達12.4%。在中、高負荷范圍內(nèi)燃用混合燃料的煙度均低于燃用柴油時，下降達25.6%，NOx的排放值顯著降低。還有，通常會加入一定量的助溶劑，比如中碳醇、基礎油等，合適的助表面活性劑可以調(diào)節(jié)微乳液的HLB值、分子排列參數(shù)、表面活性劑單分子膜的粘彈性，進一步降低界面張力，從而可大大提高表面活性劑的增溶能力，加入甲醇的比例最高可達到50%以上，形成的乳化液穩(wěn)定時間更長，低溫下不會出現(xiàn)分層。并研究了復合乳化劑的HLB值、乳化溫度、極性添加物、混合方式、乳化時間、甲醇純度等對乳狀液穩(wěn)定性的影響。如與其它乳化技術比較，超聲波乳化可使液滴分散細而分布窄，分散效果好，增加乳液的穩(wěn)定性。再經(jīng)實驗得出復合表面活性劑的值在2.8～3.3時，所制得的甲醇-柴油乳狀液穩(wěn)定性最好。4.3.2傳統(tǒng)甲醇-柴油存在的問題目前，甲醇-柴油在開發(fā)、生產(chǎn)和應用仍存在一些有待攻克的技術問題，如：甲醇加入柴油后的混融和分層問題，甲醇燃燒不充分產(chǎn)生甲醛的問題，如何使甲醇大比例加入的問題，甲醇-柴油的動力下降和速度沖擊問題，應用中甲醇-柴油對油路及氣缸金屬部分的腐蝕問題、以及對橡塑件的腐蝕和溶脹問題等。另外，甲醇-柴油中，雖然甲醇非常廉價易得，但表面活性劑和助溶劑用量較大，而且價格昂貴，這就造成甲醇-柴油的成本較高，降低了甲醇-柴油的實用價值。所以尋求價格低廉、乳化效率高的表面活性劑，仍然是函待解決的問題。4.4微乳化甲醇-柴油的優(yōu)勢及研究進展4.4.1微乳燃油的形成機理及優(yōu)勢微乳液是由油、甲醇或水、表面活性劑、助表面活性劑組成，其粒徑約為10～100nm。微乳狀液之所以能形