Исследование влияния впрыска жидкого LPG на двигатель с искровым зажиганием (SI)

Мохд Мустаким Тукиман^1,2,*, Норризал Мустаффа^1,2, Мас Фавзи^1,2, Шахрул Азмир Осман^1,2

¹ Факультет инженерных технологий, ² Факультет машиностроения и производственной инженерии. ² Группа автомобильных исследований (ARG), Центр энергетических и промышленных экологических исследований (CEIES), Малайзийский университет Хуссейна Онна, 86400 Парит Раджа, Бату Пахат, Джохор, Малайзия.

MATEC Web of Conferences 90, 01075 (2017) DOI: 10.1051/matecconf/20179001075 AIGEV 2016

Аннотация

Сжиженный нефтяной газ (LPG) — один из альтернативных видов топлива, который становится популярным для использования в двигателях с искровым зажиганием (SI). В данной работе кратко представлено влияние энергосодержания на выходную мощность двигателя SI объёмом 1,6 л автомобиля Proton Gen 2. Двигатель был соединён с шассийным динамометром, и для определения поведения двигателя использовался ряд соответствующих приборов. Все собранные данные были проиллюстрированы в виде графиков для дальнейшего анализа. Двигатель демонстрирует сопоставимую выходную мощность, однако для полного использования энергосодержания LPG требуется некоторая настройка.

1 Введение

LPG — это чистое топливо, также известное как «Autogas». LPG состоит из смеси пропана (C₃H₈) и бутана (C₄H₁₀). В настоящее время LPG является одним из альтернативных видов топлива, которое привлекает большое внимание как замена традиционным видам топлива благодаря своей экономичности, высокому октановому числу, высокой теплоте сгорания, доступности в больших объёмах и более низким токсичным выбросам. Использование LPG, особенно в двигателях SI, широко распространено в ряде стран, таких как Италия, Турция, Россия и Корея [1].

Использование LPG в качестве альтернативного топлива, особенно в бензиновых двигателях, даёт множество преимуществ, в частности снижение опасного явления детонации при работе двигателя на средних и высоких нагрузках, а также обеспечивает лучшие показатели токсичности выбросов [2]. Оно также обеспечивает лучшие характеристики холодного пуска в бензиновом двигателе, поскольку скорость его испарения очень высока во время такта впуска, а количество гомогенной смеси в камере сгорания существенно увеличивается [3–6]. Поэтому чрезмерное обогащение топливно-воздушной смеси при низкой температуре охлаждающей жидкости исключается.

В настоящее время технология переоборудования двигателей SI на систему LPG расширилась с момента её появления. Технология продолжает развиваться по мере ужесточения норм выбросов. Исходя из подачи LPG и управления системой, поколения и технологии LPG в двигателях SI можно разделить на пять поколений [7,8]. Первые четыре поколения работают на газообразном LPG, а пятое поколение — на жидком LPG. В таблице 1 представлена сводка поколений LPG в двигателях SI.

Настоящая работа направлена на характеристику выходной мощности двигателя применительно к энергосодержанию бензина и LPG при различных положениях дроссельной заслонки (TP). Рабочие характеристики двигателя и выбросы отработавших газов были исследованы. Также было записано распределение топливно-воздушной смеси для каждого положения дроссельной заслонки (TP) для испытуемого двигателя.

Таблица 1. Поколения LPG [7,8].

1.1 Энергосодержание

Каждое топливо имеет различное энергосодержание, и это энергосодержание существенно влияет на результаты сгорания, особенно в двигателе внутреннего сгорания. С учётом бензина и LPG энергосодержание на единицу массы показано в таблице 2, и представлено, что энергосодержание LPG было немного выше по сравнению с бензиновым топливом. Логически, производительность двигателя на LPG будет выше, чем на бензине, но преимущество энергосодержания LPG может быть полезным только при правильной настройке и регулировке. Это связано с тем, что LPG является газообразным топливом, тогда как бензин — жидким. В этом исследовании использовалось пятое поколение LPG.

Таблица 2. Энергосодержание бензина и LPG [9–11].

2 Детали эксперимента

2.1 Испытательный двигатель

В качестве испытательного автомобиля был выбран 1,6-литровый двигатель с искровым зажиганием и естественным всасыванием Proton Gen-2. Подробные характеристики двигателя приведены в таблице 3.

2.2 Экспериментальное оборудование

Для получения экспериментальных данных выделенного двигателя SI и двигателя SI, переоборудованного на LPG, был проведён ряд экспериментов по анализу характеристик двигателя. Двигатель был соединён с шассийным динамометром Dynapack, который выдавал данные о производительности, такие как крутящий момент и мощность торможения. Шассийный динамометр способен работать и моделировать различные типы испытаний двигателя, включая реальную дорожную эксплуатацию. Выбросы отработавших газов двигателя регистрировались с помощью анализатора выбросов Autocheck Gas 4/5. Время выборки анализатора выбросов было установлено на 5 секунд для каждого измерения.

Массовый расход топлива измерялся с помощью расходомера топлива Ono Sokki (FZ-2100), в котором использовался принцип Кориолиса. Продолжительность впрыска и положение дроссельной заслонки (TP) контролировались в реальном времени во время экспериментов с помощью сканера Bosch KTS570. Для фиксации положения дроссельной заслонки на определённом проценте, например 25% TP, использовался специальный инструмент для нажатия на педаль. Для работы на LPG использовалось специализированное программное обеспечение для определения продолжительности впрыска. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Таблица 3. Характеристики двигателя Proton Gen 2.

2.3 Методология эксперимента

Для оценки полного исследования был выбран тест в установившемся режиме. Установившийся режим означает, что выделенный двигатель будет испытываться на основе скорости двигателя, начиная с режима холостого хода до 4000 об/мин с шагом 500 об/мин. Положение дроссельной заслонки (TP) варьировалось в четырёх различных положениях: 25%, 50%, 75% и 100% для каждой测试 скорости двигателя. В таблице 4 описаны подробности проводимых испытаний в установившемся режиме. Все эксперименты повторялись три раза для каждого рабочего режима, чтобы уменьшить погрешность и получить достоверные результаты.

Таблица 4. Режимы испытаний в установившемся режиме.

3 Результаты и обсуждение

На рис. 2 показан тормозной термический КПД (BTE) испытуемого двигателя для обоих видов топлива — бензина и LPG — при четырёх различных положениях дроссельной заслонки (TP). BTE бензина при всех TP увеличивался с ростом скорости двигателя, тогда как BTE LPG немного снижался с увеличением скорости двигателя. Поскольку энергосодержание является функцией BTE, это наглядно описывает эффективность преобразования энергии обоих испытуемых видов топлива в механическую энергию. Исходя из рис. 2, LPG имеет лучший BTE при скорости ниже 3000 об/мин, а бензин показывает превосходный BTE после 3000 об/мин. Это чётко показывает, что двигатель, работающий на бензине, имеет плохие характеристики на низких оборотах и эффективен только на высоких. Это может быть связано с характеристиками двигателя, имеющего плохие настройки от производителя на низких оборотах. Однако LPG показывает почти стабильную производительность на протяжении всей скорости двигателя. Хотя скорость пламени LPG ниже, чем у бензина, он демонстрирует надёжный BTE, и его можно улучшить путём регулировки угла опережения зажигания.

Поскольку энергосодержание LPG было немного выше, чем у бензина, количество впрыскиваемого бензина было немного выше, чем LPG. Это связано с энергетической компенсацией для получения одинаковой выходной мощности. Это наглядно показано на рис. 3, где количество впрыскиваемого топлива напрямую зависит от продолжительности впрыска каждого топлива. Продолжительность впрыска LPG при всех TP была зафиксирована ниже, чем у бензина, и характер продолжительности впрыска был схожим для обоих видов топлива. Кроме того, количество впрыскиваемого топлива увеличивалось с ростом TP. Удельный расход топлива на тормозную мощность (BSFC) также показан на рис. 3, где BSFC демонстрирует сопоставимую картину с BTE, а компромисс между этими двумя видами топлива находится на скорости 3000 об/мин. Это показывает, что двигатель потреблял больше бензина при скорости ниже 3000 об/мин, но производил более низкий BTE, и наоборот для LPG при всех TP.

Тормозная мощность, производимая для обоих видов топлива, показана на рис. 4, и она увеличивалась с ростом скорости двигателя. Тормозная мощность для обоих видов топлива была почти идентичной при всех TP. Это связано с тем, что LPG впрыскивался в жидкой форме, а не в газообразной. Жидкий впрыск приводит к преимуществам его энергосодержания за счёт улучшения объёмного КПД благодаря быстрому испарению, что приводит к более холодной и плотной топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. С другой стороны, жидкий впрыск LPG создаёт эффект Джоуля-Томпсона во время процесса смешивания топлива с воздухом, что в конечном итоге приводит к меньшему количеству несгоревшего топлива.

Что касается выбросов, были проанализированы оксид углерода (CO) и углеводороды (HC), и данные по обоим газам показаны на рис. 5. Выбросы CO при 25%, 50% и 75% показали очень низкие значения, что указывает на то, что сгорание обоих испытуемых видов топлива происходило в режиме бедной смеси. Однако при 100% TP выбросы CO были зафиксированы выше на протяжении всей скорости двигателя и только при 4000 об/мин для 50% и 75%. Это явно указывает на то, что неполное сгорание произошло из-за недостатка кислорода во время сгорания.

В целом, выбросы HC у LPG были выше, чем у бензина, при всех TP, и эти выбросы HC согласуются с выбросами CO. Это свидетельствует о том, что большое количество LPG оставалось несгоревшим по сравнению с бензином, особенно при 100% TP. Это может быть связано с неточным углом опережения зажигания и неправильным смешиванием топлива с воздухом. Поскольку скорость пламени LPG ниже, чем у бензина, а энергосодержание LPG выше, чем у бензина, требуется регулировка и правильная настройка угла опережения зажигания, чтобы полностью использовать свойства LPG. Кроме того, характеристики топливно-воздушной смеси испытуемого двигателя были проанализированы на основе собранных данных. В целом, картирование топливно-воздушной смеси можно разделить на четыре различных состояния в зависимости от TP, как показано в таблице 5. Топливно-воздушная смесь была отображена как богатая при 4000 об/мин для 50% и 75% TP, а также при всех скоростях двигателя для 100% TP. Это связано с сохранением двигателя, поскольку богатая смесь снижает температуру сгорания и охлаждает двигатель, что уменьшает вероятность неисправности двигателя.

Таблица 5. Картирование топливно-воздушной смеси испытуемого двигателя при четырёх различных TP.

4 Выводы

На основе полученных результатов и проведённого анализа LPG представляет собой отличную перспективу в качестве альтернативного топлива для двигателя с искровым зажиганием благодаря более высокому энергосодержанию по сравнению с бензиновым топливом. Однако фаза впрыска и угол опережения зажигания должны быть отрегулированы до оптимальных настроек.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить Малайзийский университет Хуссейна Онна за поддержку этого исследования в рамках краткосрочного гранта VOT. U383.

Литература

1. Autogas Incentive Policies, A country-by-country analysis of why and how governments promote autogas and what works. World LP Gas Association. (2012)
2. Pipitone. E, Beccari. S, SAE Technical Paper. (2010)
3. Arcoumanis, C. Bae, C. Crookes, R. Kinoshita. E, Fuel 87, (2008)
4. Kwak, H. Myung, Park, Fuel 86 (2007)
5. Myung, Choi, K. Kim, J. Lim, Y. Lee, Park, Energy 44, 1(2012)
6. Myung, Kim, J. Choi, K. Hwang, Park, Fuel 94, (2012)
7. Raslavičius, L. Keršys, A. Mockus, S. Keršienė, N. Starevičius, Renewable and Sustainable Energy Reviews 32, (2014)
8. Biscoff, R. Akple, M. Turkson, R. Klomegah, Scenario of the emerging shift from gasoline to LPG fuelled cars in Ghana: A case study in Ho Municipality, Volta Region. Energy Policy 44, (2012)
9. Saraf, Thipse, Saxena, SAE Tech. Pap. (2008)
10. Saraf, Thipse, Saxena, SAE Tech. Pap. (2009)
11. Park, Park, Y. Oh, S. Lee, Y. Kim, T. Y. Kim, Kang, SAE Tech. Pap. (2013).