進氣加濕對柴油機燃用不同牌號柴油NOx排放性能的影響

韓銳，李宏剛，楊榮海，張邢磊，王娜

(東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

0 引言

在“安全、節(jié)能、環(huán)?！钡目沙掷m(xù)發(fā)展的前提下，汽車排放法規(guī)越來越嚴格，對柴油機排放的控制也再度成為研究的熱點.柴油機的排放控制方式很多，如廢氣再循環(huán)(EGR)，選擇性催化還原技術(shù)(SCR)，燃料水乳化法(FWE)等，但這些方法進行降排的過程中容易出現(xiàn)成本高、發(fā)動機易損耗、難于操作等問題.而1964年由庫帕在對內(nèi)燃機燃燒與排放機理研究后提出:水可以使發(fā)動機在燃燒過程中減少NOx的生成量［1-2］.幾十年來對柴油工質(zhì)摻水燃燒的研究一直沒有間斷，研究已經(jīng)證實了庫帕的論斷.摻水燃燒作為一種獨特、廉價的減排的方法，也越來越引起人們的重視.本文在485QB型柴油發(fā)動機上進行了不同牌號柴油的進氣加濕降排NOx的實驗研究.通過濕空氣與燃油的混合燃燒，研究NOx的排放性能.

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

本實驗所采用的實驗發(fā)動機相關(guān)具體參數(shù)見附表.

附表 柴油發(fā)動機型號

水霧化裝置為自行設(shè)計研發(fā)，具體工作原理見圖1.本實驗采用超聲波霧化水的方法對進氣空氣進行加濕.柴油發(fā)動機工作時產(chǎn)生進氣負壓，將外部空氣通過玻璃蓋板和箱體的空隙吸入箱體，經(jīng)過進氣導流板導流后平緩流動到水汽發(fā)生室上部，帶走超聲波霧化頭產(chǎn)生的水汽，經(jīng)緩沖室緩沖后已經(jīng)被均勻、充分加濕的工質(zhì)直接通過管道進入柴油機.

圖1 柴油機進氣加濕實驗裝置圖

1.2 超聲波霧化機理

超聲波霧化器電路主要由4個模塊組成，分別為交流電源、變壓整流、水位控制和振蕩換能，如圖2所示［3］.振蕩換能是超聲波霧化器的核心部分，它將高頻電磁振蕩轉(zhuǎn)化為液體的機械振蕩，使液體破碎成霧，振蕩換能在液體中輻射強超聲，通過薄透聲膜輻射到液體中，而在液面產(chǎn)生噴泉狀霧化［4］.經(jīng)霧化后的水的細小顆粒將發(fā)動機的進氣工質(zhì)均勻加濕，被加濕的工質(zhì)進入燃燒室后可以與被壓燃的柴油顆粒更加均勻地混合.

圖2 超聲波霧化器電路原理框圖

1.3 實驗方法

實驗中采用超聲波霧化頭是將壓電陶瓷片作為換能器，而其振蕩頻率是固有的，只能產(chǎn)生一個振蕩沖擊波，及其單霧化頭的霧化水量是固定的.實驗過程中需要改變霧化量時，采用了多組、不同數(shù)量的霧化頭同時工作的方法來實現(xiàn)不同霧化水量的控制.

2 實驗數(shù)據(jù)分析

為了分析在不同季節(jié)柴油摻水對發(fā)動機排放的影響，實驗中分別對-35號柴油和0號柴油的發(fā)動機排放性能進行了測試.

2.1 全負荷速度特性的NOx排放分析

圖3 發(fā)動機全負荷特性的NOx排放曲線

從圖3發(fā)動機全負荷特性的NOx排放量曲線中可以看出，-35號柴油和0號柴油的所有轉(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.

與不加濕時的進行對比分析，0號柴油全負荷時NOx的排量的降幅均在6%以上，2 200 r/min時的降排效果最明顯，降幅可達16.43%;而-35號全負荷時NOx的排量的降幅均在10%以上，1800 r/min時的降排效果最明顯，降幅可達30%.

2.2 2 000 r/min負荷特性的NOx排放分析

對圖4發(fā)動機2 000 r/min的負荷特性分析發(fā)現(xiàn)，-35號柴油和0號柴油的所有的轉(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的排放量的降低程度都會隨著摻水量的增加而逐漸增加.與不加濕的工況進行對比，0號柴油2 000 r/min加濕后NOx的排量的降幅均在8%以上，低轉(zhuǎn)矩時NOx排量的降幅效果較明顯，20 Nm時的降幅可達18.84%;-35號柴油2 000 r/min加濕后NOx排量的降幅均在11%以上，低轉(zhuǎn)矩時NOx排量的降幅效果較明顯，20 Nm時的降幅可達20.43%.

圖4 2 000 r/min負荷特性的NOx排放曲線

2.3 2 000 r/min的燃油經(jīng)濟性分析

對圖5發(fā)動機2 000 r/min不同牌號柴油的燃油經(jīng)濟性進行分析發(fā)現(xiàn)，在怠速低轉(zhuǎn)矩時，發(fā)動機溫度較低，加濕后的工質(zhì)進入發(fā)動機后會因激冷作用有部分工質(zhì)被冷卻至液態(tài)，會出現(xiàn)部分工況的油耗會隨著工質(zhì)加濕量的增加而增加.

圖5 2 000 r/min時發(fā)動機油耗率曲線

在進入正常運轉(zhuǎn)后，隨著負荷的增加發(fā)動機的溫度會逐漸上升，霧化的工質(zhì)會全部參與燃燒，使發(fā)動機的油耗率下降.與未加濕工況對比，0號油油耗率的最大降幅出現(xiàn)在滿負荷狀態(tài)，降幅為2.69%;-35號油油耗率的最大降幅出現(xiàn)在100 N·m的工況，降幅為3.68%.

2.4 2 000 r/min時發(fā)動機的功率分析

對圖6發(fā)動機2 000 r/min不同牌號不同工況柴油的功率進行分析發(fā)現(xiàn)，排除奇異點，無論是0號柴油還是-35號柴油，隨著加水量的變化其功率變化很小，都在0.5%以下.

圖6 2 000 r/min時發(fā)動機功率曲線

3 結(jié)論

本文分析了不同牌號柴油，使用超聲波霧化水蒸汽為進氣工質(zhì)加濕，對柴油發(fā)動機性能的影響.

(1)0號柴油和-35號柴油的發(fā)動機的全負荷速度特性和2 000 r/min負荷特性都表明，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，最大降幅在30%;

(2)0號柴油和-35號柴油的燃油經(jīng)濟性分析表明，對發(fā)動機進氣工質(zhì)加濕都可以在一定程度上降低發(fā)動機的油耗;

(3)無論是0號柴油還是-35號柴油，隨著加水量的變化對發(fā)動機的功率影響不大.

［1］NICHOLLS J E ，EI-Messiri A，Newhall H K.Inlet manifold water injection for control of nitrogen oxides［J］.Society of Automotive Engineers Transactions，1969(4):690018.

［2］ LARS-Ola Olsson Munters Euroform Gmbh.Asimple way to Reduse NOxEmissions in Diesel Enginens of All sizes［J］.Journal of the institution of Diesel and Gas Turbine Engineers，2000，4(5):68-71.

［3］唐宇，王克強，劉傳菊，等.基于SCT89C52單片機的無線超聲波霧化系統(tǒng)的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2012，(9):146-149.

［4］賈立斌.油霧發(fā)生器的理論及實驗研究［D］.沈陽:東北大學，2009.