间接喷射式双燃料发动机的废气排放外文翻译资料

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《机械工程师学会学报》上,D部分：《汽车工程》

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技术报告：间接喷射式双燃料发动机的废气排放

G. H. Abd Alla, O. A. Badr, H. A. Soliman and Abd M. F. Rabbo

美国机械工程师学会学报，D部分：汽车工程 2000 214: 333

DOI: 10.1243/0954407001527457

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间接喷射双燃料发动机的废气排放

G H Abd Alla*, O A Badr, H A Soliman and M F Abd Rabbo

机械工程系,Shoubra工学院,Zagazig大学,埃及,开罗

文摘:对气体燃料的柴油机操作通常称为双燃料发动机。在目前的工作中，一个单缸、压缩点火、间接喷射研究用(Ricardo E6)发动机已经被安装在阿拉伯联合酋长国大学用来调查废气排放，此发动机作为一个双燃料发动机运行。在排放废气产生的研究中，主要操作和设计参数的变化的影响,如在气缸中气体燃料的浓度,引燃燃料质量、喷射时间和进气温度。柴油作为引燃燃料,而甲烷和丙烷是主要的燃料，它们在进气歧管与进入的空气混合。实验调查表明，在低负荷时，废气排放能够得到有效的改善，通过增加气态燃油浓度（总当量比），增大引燃燃料量，提前引燃燃油喷射时间和增加进气温度。我们已经证明，一般而言，在过度倾斜的缸里任何增加燃烧面积的措施都能使废气中未燃烧的燃油和CO的含量明显降低。

关键词：废气排放，双燃料发动机，引燃燃料，气体燃料，喷射时间，进气温度，燃烧特性，氮氧化物的排放

1. 介绍

内燃机的使用对环境造成了很大的损害，人们对此的担心逐渐的增加，但目前，人们把更多的目光投向了一种以气态燃料为能源的发动机上，这种发动机被称为双燃料发动机。

这些发动机保持喷射少量的液态柴油，液态柴油作为引燃燃油来引燃气态燃料和空气，气态混合物为发动机提供了大部分能量。双燃料发动机的气体燃料替代了大部分柴油,只有一个小部分引燃喷射柴油用于点燃气体。燃烧气体燃料的柴油发动机的操作既不新也不近。它的起源可以追溯到本世纪初,以Dr Rudolph Diesel研发专利压缩点火发动机以煤气作为燃料为始点。随后,出现了更成功的商业应用,主要用于固定的应用。

近年来双燃料发动机排气排放物的性质和程度一直是研究调查的主题。双燃料类型式压缩点火发动机装以各种气体资源为燃料,比传统柴油发动机相比产生更少的尾气排放任何且操作和成本没有大幅增加。双燃料发动机排放的烟雾和微粒是远低于相应的柴油机操作所产生的。一些转换从最原始的压缩点火柴油发动机到双燃料发动机操作已经由制造商制造并改进,利用发动机的一个双柱塞系统或两个泵喷射系统来处理需要少量的柴油做为引燃燃料的问题。

一种增压喷射系统已经开发了使用天然气做为燃料的柴油发动机,高压天然气直接喷射与采用柴油做为引燃天然气燃料。在多缸装置中运用气体燃料直接喷射已经减少了废气排放,借助于双燃料模式下的轻负载运行而不是运行所有的发动机活塞双燃料模式下。

Shinichi et al使用液化石油气(LPG)为主要燃料的单缸,四冲程,直接喷射柴油机,孔径 x冲程的130 x 140毫米,压缩比17，且液化石油气主要成分是丁烷。液化石油气直接以喷雾的形式从进气阀的方向喷射从而防止敲门撞击且提高了进气效率。电子燃油喷射(EFI)用来防止敲门,且精度提供丁烷燃料。因此,稳定运行与高热效率是可能的。通过使用高速摄像机观察丁烷的喷射和用激光多普勒测速仪(LDV)测量流速。因为高压缩比，双燃料燃烧的热效率可以并能够提高到36%。在空载条件下,输出的能量大约是柴油机使用油气单独操作的75%。在这种情况下,70%的总热值是丁烷燃烧所产生的。此外,铜离子取代沸石催化剂时,双燃料柴油机的废气排放减少,如废气中的氮氧化物减少了约20%。

Soliman and Isaid调查单缸柴油机使用液化石油气或汽油蒸汽作为二次燃料的影响,来研究单缸柴油机性能和排烟的水平。他们发现对于燃料有了液化石油气或汽油蒸汽的添加,以恒定的速度减少了液体燃料的消耗,并且导致排放的烟量急剧减少。他们证实,燃料中含有30%的气体燃料(液化石油气)烟雾水平可以减少80%。他们还发现,通过加入液化石油气能够改善排烟的量,而且由于汽油蒸气对汽缸压力有较低的影响对于发动机组件它有一个更好的机械负荷。

在轻负荷的时候,对于柴油机的操作双燃料发动机通常表现出效率和输出功率的下降。在双燃料操作运行时未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放与柴油机运行操作是更高的。

Barata最近研究了以丙烷气的主要燃料的双燃料发动机的排放特性。在这个调查中,在全负荷时一氧化碳浓度更高。在负载小于最大额定功率的50%时这种效应更加明显。相比之下,燃料中加入气体燃料氮氧化物排放水平总是更低。在目前的研究中,气体燃料的浓度,引燃燃料量、喷射时间提前角和进气温度对单缸的废气排放的影响,气体燃料的间接喷射柴油发动机(Ricardo E6)操作调查。

2、实验装置

在目前的工作中Ricardo E6 发动机是一个单缸,四冲程,水冷式发动机，有一个75.2毫米(3.0英寸)的孔,一个111.1毫米(4.375英寸)的冲程和一个体积为507立方厘米(31 立方英寸)的扫气空间。Ricardo Comet MKV 发动机压缩涡流燃烧室安装于气缸头部。涡流室的头部有一个球形形式的上半部分,下半部分是一个通过狭窄通道或窄路于气缸相联系的截锥。第二部分由一个特殊腔切成活塞的头部。它的包含喉咙的燃烧室下半部分与气缸头部的剩余部分热绝缘。

柴油燃料由两个测量系统进行测量。以微机为基础的多功能燃油测量系统在全柴油运行时操作使用。然而，对于双燃料运行操作,有着更低的流速,有着固有的错误,导致使用了高精度热脉冲流量计。不是孔或移动部件,而是使用了热脉冲“飞行时间质谱”的技巧方法。该方法包括热敏电阻的使用传授和在一个流动单元内热脉冲的检测。

本研究中的气体燃料测量系统由一个孔板流量计,压电式压差传感器和供电式数字压力计(DPM)。图1展示了一个气体燃料的原理图和在目前的工作所应用的空气供给系统。

废气,包括总碳氢化合物(THC),氮氧化物(NOx),碳氧化物(公司,因为)和氧(Oz),测量使用加热火焰离子化检测器(HFID),激烈的化学发光分析仪(HCLA),非色散红外分析仪和顺方法分别。一个基于计算机的数据采集系统是用来收集、分析并显示重要的测量参数。

3、结果与讨论

本研究的主要目的是实验性调查一些操作参数对压缩点火类型双燃料发动机的废气排放的影响。这些参数包括引燃燃料量、喷射时机和进气温度,气体燃料在进气混合的浓度。最后一个参数间接的提出了总等效比，其被定义为气体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发动机所消耗的实际的空气质量流率的比值。参数数据变化范围如图1所示。参数数据变化范围如表1所示。

间接喷射DUAL-FUEL发动机的废气排放

图1：气态燃料和空气系统

表1：数据范围认定*

数据 范围

总等效比 0.25—0.70

引燃燃料量 0.12—0.35kg/h

喷射时机 25—30度

进气温度 301—338K

*发动机转速固定在1000r/min.

3.1 一氧化碳

对于固定量的引燃燃料,双燃料操作的燃烧特性很大程度地依赖于气体燃料在汽缸的浓度。图2显示了实验结果的一氧化碳排放总等效比率。对于稀薄气体燃料空气混合(处在有效燃烧极限以下)操作,火焰持续燃烧不会发生。 在这个范围内, 由于相对缓慢的反应速率与全面低反应温度，可以认为排放废气中大部分的一氧化碳是由气体混合燃料的部分氧化产生的。另一方面,在发动机膨胀冲程期间，装置反应平均温度逐渐不断下降导致剩余的未反应的气体燃料部分氧化,因此,一氧化碳反应产生。因此，对于燃油最后阶段，随着气缸中气态燃油的排放增加，排放废气中一氧化碳的量随之增加。 然而,在进气冲程中气态燃料浓度持续增加导致火焰产生和部分扩散,从而使混合物更完全的氧化,从而导致废气中一氧化碳含量相应的减少。

随着引燃燃料量的增加，由引燃燃料持续燃烧所影响的反应空间体积将会增加，因此气态燃料的燃烧程度值将会增加进而排放废气中产生的污染量将会减少。原则上,在整个稀薄气体燃料空气混合物中，更多的引燃燃油供应会导致大量引燃燃油和更大的点火中心伴随有更大的反应区。此外,在气缸内每个点火中央的火焰传播路径变得相对更短,因此燃烧效果更好。此外,对于低负荷状态涉及到稀薄空气燃料混合物,大量引燃燃料的提供可以改善喷射特性,可以引导引燃燃料的稳定燃烧,有助于气态燃料的燃烧。在高负载时,当空气室中的气体燃料浓度高于稀薄燃烧极限浓度,火焰能够通过独立燃烧室的大部分空间,且改变引燃燃料量几乎没有影响。氧化反应的变化从失败到成功的火焰传播略有减少一氧化碳的排放,如上图所示。

提前喷射时机能够导致燃烧开始时间提前相对于上死点(TDC)。

G H ABD ALLA, O A BADR, H A SOLIMAN AND M F ABD RABBO

图2：，引燃燃料量处于不同状态下，一氧化碳浓度随着总等效比的变化图

图3：在不同喷射时机条件下，一氧化碳浓度随着总等效比的实验变化图

因此,随着活塞移动到上止点(TDC)，气缸空间逐渐的被压缩，气缸内产生相对更高的温度，从而降低了一氧化碳的排放。整体更好的燃烧也可能是由于气缸内更长一段时期的高温和有着更大喷射提前角部分氧化反应的活动，其导致减少了一氧化碳的排放,如图3所示,且有效地扩大了稀释混合物整体的燃烧下限值。

双燃料发动机的操作期间,进气温度的变化是非常重要的，因为它们明显影响了引燃燃料的点火行为和气态燃料空气混合物的的预点火反应。提高进气温度加快了混合物的反应速率,扩大其可燃性限制和维持在相对稀薄混合气条件下气火焰的持续燃烧。因此,提高进气温度有助于产生更高的反应温度，它通过气态燃料空气混合物的更大的部分导致火焰成功的持续燃烧。这会降低排放废气中一氧化碳的含量，如图4所示。

3.2 未燃烧的碳氢化合物

图5显示了对于不

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