柴油机掺烧LPG(液化石油气)等清洁燃料, 被称为柴油/LPG双燃料发动机, 是降低城市柴油公交汽车碳烟排放, 改善城市大气环境的一项有效措施。LPG本身固有的低排放特性只有与柴油机合理地匹配, 才能够得到充分发挥。此外, 还应该根据城市公交汽车的运行特点, 同时考虑柴油机掺烧LPG对其经济性、动力性和可靠性的影响。为此作者首先介绍一种适合于改装城市公交车用柴油机的双燃料供给系统; 结合台架试验结果, 分析了柴油机掺烧LPG的低负荷特性和高负荷特性; 提出LPG掺烧比例的优化策略, 分析了装车试验结果。

1.   双燃料供给系统

柴油机掺烧LPG的双燃料供给系统如图 1所示。掺烧的LPG由进气管预混合进入气缸, 利用安装在进气管上的文杜里混合器喉口处的真空度变化, LPG供给量随转速变化自动调节。柴油机负荷变化时, 与油门联动的型板按照预先设定的曲线规律, 控制通过调节阀的LPG供给量。型板的曲线规律由台架试验确定。这种以型板为特征的机械式双燃料供给系统, 具有低成本和良好的操作使用性能, 并且为柴油机能够满足综合的技术指标提供可能, 特别适合于改装城市公交车用柴油机。

图  1  柴油/LPG双燃料发动机系统

Figure  1.  The diesel/LPG dual fuel engine system

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2.   优化柴油/LPG掺烧比例

型板的型线规律是由各个负荷工况下柴油/LPG的掺烧比例所确定的。柴油机掺烧LPG后, 要求在全部的工况范围内满足排放、动力性、经济性、可靠性和操作性能要求, 因此, 优化柴油/LPG掺烧比例研究重点是柴油机掺烧LPG的高负荷特性和低负荷特性。

2.1   柴油机掺烧LPG的高负荷特性

相比原柴油机, 掺烧LPG后点火延迟, 燃烧滞后, 但是着火后缸内压力升高比较迅速, 具有较明显的预混合燃烧特点, 见图 2。LPG掺烧比例愈高, 缸内压力增加愈大, 因此, 高负荷时应当适当控制LPG掺烧比例, 防止缸内压力过高造成爆震和敲缸现象。

图  2  2000 r/min 90%负荷气缸压力

Figure  2.  Pressure curve in cylinder under high load

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图 3是掺烧不同比例LPG时, 发动机转速为2000 r/min, 全负荷扭矩时的烟度测量结果。随着掺烧比例的增加, 柴油机的碳烟排放减小。掺烧40%左右的LPG, 烟度大幅度下降。

图  3  不同LPG掺烧比例的烟度

Figure  3.  Soot emission in different proportion of LPG

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图 4是为掺烧LPG前后, 在全负荷工况下的能耗测量结果。LPG掺烧比例均在40%左右, LPG消耗量按照热值换算成为当量柴油耗量。全负荷工况掺烧LPG后经济性改善, 是由于预混合的气体燃料混合充分, 空气利用率较高, 改善了燃烧, 此时发动机的喷油提前角是原柴油机调整范围的上限。

图  4  全负荷工况掺烧LPG前后能耗对比

Figure  4.  Energy consumption curve under full load

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图 5为全负荷工况下的排气温度。测量结果表明: 掺烧LPG后, 柴油机的排气温度大幅度下降。这有利于改善高负荷时发动机的热负荷。

图  5  全负荷工况掺烧LPG前后排气温度

Figure  5.  Temperature curve of exhaust under full load

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2.2   柴油机掺烧LPG的低负荷特性

低负荷下掺烧LPG同样使得燃烧滞后, 与高负荷工况不同的是: LPG掺烧比例增加, 则缸内压力下降(图 6)。这是由于低负荷下柴油机的稀薄燃烧, 喷油量较少, 掺烧LPG后, 缸内压力进一步下降。

图  6  2000 r/min, 25%负荷气缸压力

Figure  6.  Pressure curve in cylinder under low load

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图  7  25%负荷工况的能耗对比

Figure  7.  Energy consumption curve under low load

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图 7所示为掺烧LPG在25%负荷时的能耗测量结果。LPG掺烧比例约为20%, LPG消耗量按照热值换算成为当量柴油耗量。低负荷工况掺烧LPG, 能耗略有增加。柴油机在低负荷时烟度原本很低, 掺烧LPG后烟度改善不明显。掺烧LPG比例过高, 反而会产生未燃LPG, 形成新的排放污染。

2.3   柴油/LPG掺烧比例的优化策略

根据图 1所示的双燃料供给系统, 结合试验研究, 确定如下柴油/LPG掺烧比例的优化策略。

(1) 怠速工况时完全燃用柴油。可以避免怠速不稳定和“死火”现象, 防止掺烧LPG引起喷油器损坏, 不会出现公共汽车停站时排放未燃LPG而产生的异味, 柴油状态与双燃料状态之间的切换方便。

(2) 低负荷尽量减少LPG掺烧比例。低负荷烟度不严重, 无需掺烧较多的LPG, 掺烧LPG后经济性下降, 但是考虑到各个负荷之间的圆滑过渡, 需要掺烧少量LPG。

(3) 中间负荷工况可适当增加LPG掺烧比例。

(4) 全负荷工况在保证可靠性前提下, 尽量提高LPG掺烧比例。全负荷工况掺烧LPG可以充分体现LPG低排放的特点, 碳烟排放明显下降, 经济性和动力性均有改善。

3.   改装车辆运行试验结果

应用上述技术策略对广州市在用柴油公交车辆进行了掺烧LPG燃料改装, 总共改装了10辆样车改装后运行试验达6个月, 主要试验结果如下。

3.1   碳烟排放

从图 8可看出, 对10辆样车不同运行日期随机抽测结果均表明, 掺烧LPG后排放烟大幅度降低。

图  8  10辆样车排放烟度测试结果

Figure  8.  The soot emission of experimental buses

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3.2   动力性试验

从表 1可看出, 掺烧LPG后连续换档加速时间有所延长, 但不超过10%。

表  1  动力性试验结果

Table  1.  Experimental results of power performance

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3.3   能耗试验

从表 2可看出, 掺烧LPG后, 柴油耗量减少, 将消耗的LPG按其热值换算成当量的柴油量, 综合后结果是百公里能耗降低了4%。

表  2  燃料消耗试验结果

Table  2.  Experimental results of energy consumption

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4.   结语

所采用的柴油/LPG双燃料供给系统, 具有良好的过渡工况性能, 成本低, 便于改装, 适合于改装城市公交车用柴油机; 所采用的LPG掺烧比例策略, 能够充分发挥LPG燃料的优点, 抑制其缺点。能够满足城市公共汽车对排放、经济性、动力性和可靠性等诸多方面的要求; 所提出的技术策略已经成功应用于广州市柴油公共汽车掺烧LPG燃料改装, 进行了小批量的实际营运试验, 取得了良好的效果。