液化石油气发动机直接喷射的超临界压缩方案

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0 前言

液化石油气(LPG)是欧洲最常见的代用燃料，并配备有完善的公共加气设施。从发动机角度来看，由于LPG的抗爆性高于汽油，因而对汽油机而言是一种具有良好前景的代用燃料，而且与外部混合的LPG系统相比，LPG直接喷射(LPG-DE)能在发动机低转速工况下获得较高的扭矩。

对LPG-DE的最大挑战是发动机温度导致的燃料过热现象。在利用现代汽油高压泵压缩LPG燃料的情况下，特别是丙烷和丙烯较高的蒸汽压力会导致高压泵(HDP)前端或在HDP内部产生蒸汽，从而使发动机停机。一种潜在的解决方案是提高HDP的预压力，并采用超临界压缩以避免燃料沸腾。

1 试验发动机和LPG燃料

为了进行试验研究，采用了一款Ford公司生产的4缸1.6 L涡轮增压直喷式汽油机。该试验汽油机被安置于空调室中，并处于怠速运转工况。应用量产的高压汽油喷射系统部件进行LPG直接喷射，该喷射系统装备了外部加热层和热电偶，以便能在热态温差条件下进行试验。在高压泵上游附加一个中压泵，用于将LPG预压缩3～6 MPa的压力水平(表1)。

总共选择了4种符合EN589标准的LPG(见表1)用于进行超临界LPG试验。LPG 1主要由丙烷和丙烯组成，C3含量最高并且临界温度最低。LPG 2含有约70%的丙烷，是一种典型的冬季LPG燃料；而LPG 3和LPG 4则是符合R83标准要求的燃料。所有LPG的辛烷值(RON)都按EN589标准计算，而甲烷值则按FVV 2-235(AVL方法)进行计算。

表1 燃料特性

2 试验研究结果

为了评估超临界压缩LPG的怠速运行效果，采用高压泵将LPG 1～LPG 4以超过其临界压力的参数对其进行预压缩试验。在热怠速运行期间将观察到燃料在燃料分配器中的压力降，其大小取决于高压泵中不同燃料温度下的LPG燃料特性。图1作为实例示出了采用LPG 1时的加热阶段。因其C3组分较多，这种LPG燃料在热怠速及其温差情况下可被看作处于临界状态。图1表明，在转速800 r/min时发动机长时间处于怠速运行工况，机油和冷却水温度达到110 ℃，在高压喷油器(HDEV)电磁线圈区域的表面温度高于100 ℃，而高压泵进口处的燃料温度却被控制在50 ℃左右，燃料压力被控制在50 MPa，因此根据燃料温度会呈现为液态或超临界压缩态，以此可防止喷射出来的燃料为气态。在燃料向下游流动期间，由于从发动机处吸热，因此其温度随着发动机变热而不断升高，到测试终了时燃料分配器进口处的燃料温度达到了94 ℃，即证实了该情况。燃料分配器压力额定值设置为110 MPa。

图1 采用LPG时加热阶段的试验结果

图1在燃料压力曲线图中用箭头示出了高压泵将预压缩燃料压缩到燃料分配器压力，直至1 125 s高压泵都能调节燃料所在的燃料分配器压力，但是在与泵连接的管路中可观察到燃料分配器压力明显降低。在图2中，根据丙烯的密度-温度曲线图，该压力降低现象可视作为接近LPG 1的状况。等压线和两相区在92.4 ℃临界点结束并形成等熵线。在4.66 MPa以上压力的等压线到达80 ℃温度时，呈现出几乎恒定上升的态势；而4.66～8 MPa的等压线在80～140 ℃温度之间呈现出强烈的非线性状态。

图2中的①～③箭头相对于图1中的箭头，代表高压泵压缩燃料，压缩过程可近似用等熵线表示。压缩开始时的状态可用高压泵进口压力和高压泵中燃料的估算温度来表示，其温度可用机油与高压泵表面温度的平均值来估算，因为高压泵被置于空调室之中，并且高压泵柱塞由排气凸轮轴上的凸轮驱动，而该凸轮又是由发动机的高温机油进行润滑，由此对燃料进行加热，在发动机暖机阶段开始时高压泵内部的LPG温度约为70.5 ℃。在该温度下的状态变化相当于图1和图2中的箭头①。高压泵能使燃料分配器的压力保持在11 MPa。箭头②是指在高压泵中燃料温度处于95 ℃状态下燃料分配器中压力开始降低时的状态变化。在箭头③所表示的状态变化(高压泵中温度为100.5 ℃)情况下，高压泵仅能将燃料压力从5 MPa提高到8.9 MPa。温度提高时燃料分配器压力的降低可归结于两个原因，一方面由于大幅降低的燃料密度导致高压泵油腔充量减少，以此减少了燃料进入分配器的质量流量；另一方面等熵压缩性提高，因在临界温度以上的等压线间距变大，此类现象就更为明显。

图2 丙烯的密度-温度曲线图

为了提高燃料分配器压力，提高高压泵的预压力是一种可行的措施。这种可能性已在试验中进行过分析，图3中就描绘出了使用LPG 1时的此类变化状况，其中在较高的燃料和发动机温度下改变高压泵的预压力，而其温度已通过预热阶段进行调整(见图1)。降低高压泵的预压力会使燃料密度大幅减小，同时其可压缩性增大，而在试验的第二阶段提高高压泵的预压力则会导致气体动力学效应和燃料分配器压力振荡等现象。

图3 采用LPG时高压泵预压力变化时的试验结果

为了评价采用现代汽油高压泵的LPG直接喷射方案，应先确定所需的高压泵预压力，以便在预热状态就使LPG 1～LPG 4达到100 MPa燃料分配器压力。这在使用LPG 1的情况下就相当于60 MPa压力，从图3的燃料压力曲线图中就可看出。所需的高压泵预压力主要取决于LPG燃料中的C3组分含量(图4)。

图4 高压泵预压力-C3组分碳氢化合物含量曲线图

丙烷/丙烯的含量越高，所需的高压泵上游的预压力就越高，这是由于与丁烷/丁烯相比，在100 ℃左右时的C3组分碳氢化合物的密度较低和压缩性增大而造成的。因此在所规定的边界条件下，为采用现代汽油高压泵的LPG直接喷射方案，推荐丙烷/丙烯的最高含量为70%，因而LPG 2适合用作典型的LPG，在该情况下预压力必须被调节到4.5 MPa。需要说明的是，现代应用于汽油机的高压泵经受高预压力的能力通常较为有限，因而建议用于LPG直接喷射高压泵的设计应进行适当的优化。

3 结论

为了应用于无冷却措施的LPG直接喷射系统，已将当前符合EN589燃料标准的4种LPG燃料的高于其临界压力的高压泵预压力，作为可能的解决方案，并进行了试验研究。在70%的最大丙烷/丙烯含量情况下，应确保燃料在110 ℃温度条件下，可使高压泵的预压力达到约4.5 MPa。