1、LPG 预燃式发动机燃烧系统的开发研究杜炜、 崔晓敏、周俊杰、隆武强(大连理工大学内燃机研究所， 辽宁 大连 116024)摘要：本文针对液化石油气（LPG）的气质特点将小型 2100 柴油机改进设计为独具特色的预燃式 LPG 发动机。其结构简单，改装方便。试验结 果表明，改装后，该燃烧系统可大大加快燃烧速度，提高燃 烧效率，并且具有较好的动力性和排放特性，有实用推广价值。关键词：液化石油气（LPG） 发动机 预燃室中图分类号：TK464 文献标识码: ADevelopment And Study of LPGs Pre-combustion System Du Wei, Cui Xiao-M
2、in, Zhou Jun-Jie，Long Wu-Qiang(Res. Inst. Of Intern. Combust. Engine, Dalian Univ. of Technol. , Dalian 116024, China)Abstract A small-size diesel based LPG engine was modified into a special precombustion LPG engine. The precombustion chamber was designed to increase burning speed of premixture. Th
3、e engine is characterized by its simple structure and convenience of reconstruction. The engine was used in performance experiments. The test results indicate that the new engine perform smoothly with much higher burning speed and higher combustion efficiency than the original LPG engine. With bette
4、r power and emission characteristics, the new engine has practical value of popularizing.Key Words: Liquefied Petroleum Gas(LPG); Engine; Pre-chamber 随着城市环境污染加剧，多年来，人们一直在努力探寻汽车用的清洁燃料。液化石油气（LPG）具有成本低、低热值高、抗爆性好，且不含铅、硫等特点，是一种十分有前途的清洁代用燃料。本文以 2100 小型直喷式柴油机为母型机，结合 LPG 自身特性，设计了一种预燃式 LPG 发动机燃烧系统，以期实现紊流稀薄燃烧
5、，达到较好的动力性和排放特性。1 改装设计1.1 预燃室设计特点1） 利用原机喷油嘴处的狭小空间设计成具有较小预燃量的预燃室 1。预燃室为一体式，采用高温耐热钢以保证其耐高温和热冲击等特性；2） 预燃室不设冷却水腔，保持预燃室高温，有利于 LPG 空气混合气的点燃；3） 预燃室不另设一套供气系统，靠喷嘴与主燃室相连，完成工作循环。结构简单易行，缩短了研究周期。这种设计，不破坏原机结构，与原机零部件保持了最大通用性，结构简单，改装方便，使预燃室成为主燃室的点火能量放大器和燃烧过程扰动源，可扩大空燃比范围，加快燃烧速度，提高燃烧效率。其结构如图 1 所示。图 1 预燃室结构、安装示意图1.2 主燃
6、室设计由于原喷油器孔为斜置，为了充分利用进气涡流和压缩挤流，并与预燃室喷束相适配，以期实现较强的紊流燃烧，主燃室设计成偏心浅浴盆形，压缩比由原机的 16 降至 10.9。1.3 其它1） 考虑到稀燃对点火能量的要求，选用了性能优良的 BOSCH FSDC 型火花塞，并将点火电流提高了 1.5 个安培，以增大点火能量，使用过程中未发现失火现象；2） 蒸发调压器后加装 LPG 调节阀，对 LPG 供气量进行实时控制，实现空燃比的调节；3） LPG 供气系统中加装了冷车启动加热器，便于启动。其它改装设计因与一般改装相类似在此不一一赘述。试验装置布置如图 2 所示。图 2 LPG 发动机试验装置布置图
7、2 性能试验及结果分析2.1 负荷特性图3为2100预燃式LPG发动机在标定转速下经济性、排温与负荷的关系。2002503003504004505005506006500 5 10 15 20P/kwb/(g/kw.h)350370390410430450470490510Tr/图 3 经济性、排温与负荷的关系(1500r/min)由图 3 可以看出，排温随着负荷的增大而迅速增加；发动机的经济性在 60%负荷处最好。当负荷低于 50时，经济性迅速恶化。经济性恶化的主要原因在于各种能量损失在低负荷时所占比例增大引起的。另一方面，由于本发动机沿用了原柴油机的凸轮轴，进排气的重叠角达到 36A 曲轴
8、转角，这会增加发动机的泵气能量损失，也在一定程度上影响了经济性。另外，由图 3 可见，该机能达到原柴油机的标定功率（16.18kW） 。2.2 排放特性02040608010253035040450HC O N(P/ e) /1%NO/ 1-6 1502503504HC/ 10-640680120CO/ -6图 4 排放特性(1500r/min)图 4 为 2100 预燃室式 LPG 发动机标定转速下排放随负荷的变化。由图可以看出，该机 HC 和 CO的排放均较理想，但高负荷下的 NO 排放较高。这一方面主要是由于预燃室没有冷却，散热效果差，燃烧高温引起的；另一方面，由于主燃室燃烧速度加快，温
9、度升高所至。2.3 外特性图 5 外特性图 5 为该机的外特性。 由图可知，该机最大扭矩转速为 1000r/min,扭矩为 117Nm，而原柴油机最大扭矩为 116.3 Nm，转速为 1200r/min。可见，预燃室式 LPG 发动机扭矩特性也略高于原柴油机。2.4 燃烧过程分析图 6图 7 为 2100 预燃式 LPG 发动机在标定转速下，功率为 14.56 kW，点火提前角为 20A 时，主燃室测录的压力和压升率曲线。从图中可以看出，虽然点火提前角比一般基于柴油机改造的缸内直接点火式 LPG 发动机点火提前角滞后约 10A 左右，但着火点却与之相差不大 2，所以预燃式 LPG 发动机从点火
10、到主燃室混合气着火时间较短。这说明，预燃室内的混合气从着火到火焰喷射过程完成得非常迅速。主燃室的燃烧非常迅速，最高爆发压力和压升率较高 3。因为这种预燃烧系统作为主燃室的点火能量放大器和扰动源，提高了燃烧速度，从而缩短了燃烧持续期，达到了快燃的目的。012345678-60 -30 0 30 60 90 120 / AP/MPa图 6 LPG 发动机主室缸内压力（1500r/min）-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8-60 -40 -20 0 20 40 60 / A(dp/d)/MPa(A)-1图 7 LPG 发动机主室压升率（1500r/min）由于预燃室喷嘴直径和长度直接
11、影响喷射火焰的贯穿距离，对发动机的性能有直接影响。为改善燃烧状况，还需对预燃室容积、喷嘴直径与长度等结构参数进一步优化，以期达到与主燃室的良好匹配。2.5 怠速排放试验为考查预燃室式 LPG 发动机怠速排放性能，在喷嘴直径为 4 的条件下，改变点火提前角，对怠速排放进行测试，结果如图 8 所示。0500100015005 15 25 35 45ig/ AHC、CO、NO/10-6HC排 放CO排 放NO排 放图 8 怠速排放与点火提前角的关系曲线由图可知，怠速排放在很宽的点火提前角范围内均能达到较理想的排放,尤其 NO 的排放在各个点火提前角下均低于 100ppm。3 结论（1） 结合 LPG
12、 自身特性设计了一种适用于小缸径发动机的新型预燃烧系统，试验证明，改装后的预燃式 LPG 发动机扭矩和功率与原机相当；（2） 预燃烧系统作为主室的点火能量放大器和扰动源，可提高燃烧速度，缩短燃烧持续期，扩大空燃比的范围，易实现稀气快燃，可获得较好的动力性和改善排放，尤其怠速工况下 NO 排放较低；（3） 这种燃烧系统燃烧迅速，放热集中在活塞位于上止点附近，能较好地克服 LPG 着火温度高，火焰传播速度慢的缺点，较适用于基于柴油机改装的 CNG 或 LPG 发动机。参考文献1 范曙睿. 填埋气发动机的实验研究D. 大连理工大学硕士论文，20012 严兆大等. 工程车燃用 LPG 对动力性和排放的影响J. 内燃机工程， 2001（ 2）：243 赵奎翰等，火花点火式天然气发动机燃烧系统的研究J. 内燃机学报， 1998（1）：184 左承基. 火花点火式天然气发动机燃烧系统的近期发展J. 石油机械， 1998（2）：39425 Nakazono T. The development of high speed and high performance prechamber lean burn gas engine,19th CIMAC D41,1991:116
