進(jìn)氣摻水降低柴油機(jī)排放的實(shí)驗(yàn)研究

李宏剛，韓 銳，楊榮海，張邢磊，王 娜

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

在注重“安全、節(jié)能、環(huán)?！钡慕裉?，汽車排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，對(duì)柴油機(jī)排放的控制也再度成為研究的熱點(diǎn)［1］。柴油機(jī)的排放控制方式很多，如EGR，SCR，F(xiàn)WE等。1964年由庫帕在對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放機(jī)理研究后提出:水可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中減少NOX的生成量［2］。幾十年來對(duì)柴油工質(zhì)摻水燃燒的研究一直沒有間斷，研究已經(jīng)證實(shí)了庫帕的論斷。摻水燃燒作為一種獨(dú)特、廉價(jià)的減排NOX的方法，也越來越引起人們的重視。

1 柴油摻水燃燒機(jī)理

(1)水的大熱容量可以有效地降低燃燒時(shí)汽缸內(nèi)的溫度，從而降低NOX的排量:水的自身潛熱大，可以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中炙熱零部件的熱量和工質(zhì)中其他成分的熱量，從而降低汽缸內(nèi)的燃燒溫度?？諝庵兴魵饬吭黾?，其摩爾濃度百分比對(duì)燃燒絕熱溫度有直接影響，會(huì)導(dǎo)致NO濃度降低。

(2)微爆作用可以優(yōu)化燃燒，利于降低排放:1962年，B.H.依萬諾夫首次提出微爆理論。該理論認(rèn)為油包水油滴在氣缸內(nèi)燃燒時(shí)，油膜內(nèi)的水滴被加熱蒸發(fā)，水蒸汽沖破油膜，使燃油二次霧化，從而燃燒更充分［3］，充分地燃燒可促使燃燒更安全和完善，有利于排放。

(3)工質(zhì)加濕降排的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理［4］:較低的燃燒溫度直接造成NO生成速率的降低。而NO的濃度主要受O濃度影響，而工質(zhì)加水后進(jìn)入燃燒室時(shí)霧化的水蒸汽充滿燃燒室降低了氧氣的濃度，減少了NO的生成量。

2 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)方法

目前，柴油機(jī)加水燃燒方法主要有三種，第一種是燃用乳化燃油法，第二種方法是直接向柴油機(jī)氣缸內(nèi)噴水，第三種是在柴油機(jī)進(jìn)氣口處噴入水霧［5－6］。

本實(shí)驗(yàn)采用超聲波霧化水的方法對(duì)進(jìn)氣空氣進(jìn)行加濕。加濕裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生進(jìn)氣負(fù)壓，將外部空氣通過玻璃蓋板3和箱體5的空隙吸入箱體5，經(jīng)過進(jìn)氣導(dǎo)流板1導(dǎo)流后平緩流動(dòng)到水汽發(fā)生室8上部，帶走超聲波霧化頭9產(chǎn)生的水汽，經(jīng)緩沖室6緩沖后已經(jīng)被均勻、充分加濕的工質(zhì)直接通過管道進(jìn)入柴油機(jī)。

圖1 柴油機(jī)進(jìn)氣加濕實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experiment installation of diesel engine with water induction through air intake

超聲波霧化頭是超聲波發(fā)生器超聲霧化系統(tǒng)的核心部分，由電源變換、振蕩器和換能器構(gòu)成［7］。換能器也稱超聲振子，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能量或電磁能量與超聲振動(dòng)能量相互轉(zhuǎn)換的器件［8］。本實(shí)驗(yàn)中采用壓電陶瓷片作為換能器。在超聲波發(fā)生器的電路中，換能器是電路振蕩頻率的元件。壓電陶瓷振子的固有超聲波振動(dòng)頻率與電路振蕩頻率產(chǎn)生共振，電路超聲波振蕩，傳輸?shù)綁弘娞沾烧褡颖砻妫瑝弘娞沾烧褡訒?huì)產(chǎn)生軸向機(jī)械共振變化，這種機(jī)械共振變化再傳輸?shù)脚c其接觸的液體，使液體表面產(chǎn)生隆起，并在隆起的周圍發(fā)生空化作用，由這種空化作用產(chǎn)生的沖擊波將以振子的振動(dòng)頻率不斷反復(fù)，使液體表面產(chǎn)生有限振幅的表面張力波。這種張力波的波頭飛散，就能直接將壓電陶瓷振子接觸的液體霧化成1～10μm的微小顆粒。

壓電陶瓷振蕩頻率是固有的，只能產(chǎn)生一個(gè)振蕩沖擊波。實(shí)驗(yàn)過程中需要改變霧化量時(shí)，可采用多組同時(shí)工作的方法來實(shí)現(xiàn)不同霧化量的控制［9］。

經(jīng)霧化后的水的細(xì)小顆粒將發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣工質(zhì)均勻加濕，被加濕的工質(zhì)進(jìn)入燃燒室后可以與被壓燃的柴油顆粒更加均勻地混合，提高燃燒效率，降低污染物的排放。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)見表1。實(shí)驗(yàn)中采用分路開關(guān)對(duì)每個(gè)霧化頭單獨(dú)控制，每工況實(shí)驗(yàn)工作時(shí)間為1 min。結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)，確定在實(shí)驗(yàn)過程中采用對(duì)不摻水、4個(gè)霧化頭工作和10個(gè)霧化頭工作三種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)Tab.1 Diesel engine model number

3.1 全負(fù)荷速度特性的NOX排放分析

圖2 全負(fù)荷速度特性的NOX排放曲線Fig.2 NOX emission curve at full load speed

從發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷特性的NOX排放量曲線可以看出，所有轉(zhuǎn)速工況NOX的排放量在加水后都有明顯地降低，而且隨著加濕量的增加NOX的排量在逐漸降低。與不加濕時(shí)的進(jìn)行對(duì)比分析，全負(fù)荷時(shí)NOX的排量的降幅均在10%以上，1800 r/min時(shí)的降排效果最明顯，降幅可達(dá)30%。

3.2 1600r/min負(fù)荷特性的NOX排放分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)1600r/min的負(fù)荷特性分析發(fā)現(xiàn)，所有的轉(zhuǎn)矩工況下的NOX的排放量摻水工況均低于未摻水工況，且所有轉(zhuǎn)矩工況的NOX的排放都會(huì)隨著摻水量的增加而逐漸增加。與不加濕的工況進(jìn)行對(duì)比，NOX的排量的最大降幅在12.70%。

圖3 1600r/min負(fù)荷特性的NOX排放曲線Fig.3 NOX emission curve at 1600r/min

3.3 燃油經(jīng)濟(jì)性分析

圖4 1600r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率曲線Fig.4 Engine oil consumption curve at 1600r/min

在怠速低轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低，加濕后的工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后會(huì)因激冷作用有部分工質(zhì)被冷卻至液態(tài)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率會(huì)有所上升，而少量的加濕工質(zhì)仍可在一定程度上降低油耗。

在進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，隨著負(fù)荷的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)逐漸上升，霧化的工質(zhì)會(huì)全部參與燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率下降，最大的降幅約為4.34%。

3.4 煙度 (排氣溫度)

圖5 1600r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度曲線Fig.5 Exhaust temperature curve of engine at 1600r/min

加濕后的工質(zhì)能有效地降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度，上圖為在1 600r/min時(shí)不同加濕狀況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度曲線，最大降溫幅度為36℃，平均降溫14.86℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的降低減少了排氣能量的消耗，提高的燃料燃燒轉(zhuǎn)化為有效功的效率，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣和排氣溫度的降低都會(huì)有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，提高其使用壽命。

4 結(jié)論

使用超聲波將水霧化微小蒸汽微粒為進(jìn)氣工質(zhì)加濕在柴油機(jī)上的降排效果明顯。在保證降排效果的同時(shí)，還可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo):

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷速度特性和1 600r/min負(fù)荷特性都表明，加水可以有效地降低NOX的排量，隨著加水量的增加降排效果越明顯。

1 800 r/min全負(fù)荷時(shí)NOX的降幅最大，可達(dá)30%。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加濕可以在一定程度上降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加濕可以明顯地降低排氣溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

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