煙霧機(jī)的加裝對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響

趙瑛，潘江如，印治濤

摘 要：煙霧機(jī)是一種借助其他載體，如電、油、水等把藥劑轉(zhuǎn)化為煙霧形式的機(jī)器，但是在植保領(lǐng)域中將煙霧機(jī)加載在車輛上，目前研究的比較少。文章通過(guò)加載煙霧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的余熱余壓霧化吹散煙霧機(jī)中的藥液，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到加裝煙霧機(jī)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響。

關(guān)鍵詞：尾氣排放;尾氣溫度;影響因素

中圖分類號(hào)：U463.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-164-03

Effect Of Adding Smoke Machine On Engine Exhaust Emission

Zhao Ying1， Pan Jiangru2， Yin Zhitao3

（ 1.School of Transportation and Logistics Engineering， Xinjiang Agricultural University， Xinjiang Urumqi 830052;2.Institute of Control Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Xinjiang Urumqi 830052;3.Shandong Taikai Heavy Industry Machinery Co.， Ltd. Shandong Taian 271000 ）

Abstract： Smoke machine is a kind of machine that converts medicine into smoke by means of other carriers， such as electricity， oil， water， etc. However， in the field of plant protection， there is little research on loading smoke machine on vehicles. In this paper， the residual heat pressure of engine exhaust is used to atomize and disperse the liquid medicine in the smoker by loading the engine test bench of the smoker. The influence of adding the smoker on the exhaust emission of the engine is obtained through experiments.

Keywords： Tail gas emission; Tail gas temperature; Influencing factors

CLC NO.： U463.9 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-164-03

前言

根據(jù)2018年年底的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)新注冊(cè)的機(jī)動(dòng)車有3172萬(wàn)輛，機(jī)動(dòng)車保有量就達(dá)到3.27億輛，其中汽車達(dá)到了2.4億輛，小型載客汽車2億輛，機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉_(dá)到了4.09億，其中汽車駕駛?cè)?.69億。2019年上半年7月數(shù)據(jù)顯示全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.4億輛，全國(guó)汽車保有量達(dá)2.5億輛，私家車達(dá)1.98億輛，機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藬?shù)量達(dá)4.22億人。隨著汽車保有量的逐年升高，同時(shí)也帶來(lái)了能源消耗總量的增加，汽車是石油最大的能源消耗品。隨著人們?cè)絹?lái)越多對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，汽車節(jié)能減排已經(jīng)成為重要的研究課題之一。國(guó)家的2019年政府報(bào)告以及2019的兩會(huì)中都多次提到過(guò)“節(jié)能、減排、降耗”等關(guān)鍵詞。

在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃燒總量中約有30%的能量能夠轉(zhuǎn)化為有用功[1]，其余的70%都以各種形式散逸到大氣中，在這70%的能量中，冷卻過(guò)程消耗的能量占30%，通過(guò)尾氣排放消散的能量約30%-35%，由此數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在尾氣中浪費(fèi)的能量所占比例還是很大，如何有效的利用汽車尾氣能量是我們解決汽車“節(jié)能、減排、降耗”的方法之一。

煙霧機(jī)功[2]是一種借助其他載體，如電、油、水等把藥劑轉(zhuǎn)化為煙霧形式的設(shè)備。煙霧機(jī)可以提高藥劑的利用率，節(jié)省農(nóng)民的種植成本，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，還可以提高工作效率。但是在植保機(jī)械煙霧機(jī)的使用上，將煙霧機(jī)加載在車輛上，目前研究的比較少。

本文通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上加載煙霧機(jī)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的余熱余壓霧化吹散煙霧機(jī)的藥液，通過(guò)測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度、尾氣排放等數(shù)據(jù)，來(lái)測(cè)得加裝煙霧機(jī)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)末開(kāi)始，隨著汽車節(jié)能等問(wèn)題的研究，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量利用技術(shù)得到了全面的研究和發(fā)展，國(guó)外的學(xué)者、專家紛紛提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量來(lái)改善節(jié)能、減排等問(wèn)題，采用的方法有溫差發(fā)電、渦輪增壓、改良燃料等。

尾氣溫差發(fā)電是將汽車尾氣熱量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)的能源，它的轉(zhuǎn)化可以使汽車的燃油利用率提高 10%。渦輪增壓[3]也在一定程度上提高了尾氣的利用率。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

針對(duì)汽車尾氣的研究[4]，清華大學(xué)也在進(jìn)行排氣管發(fā)電裝置的的研究，部分研究人員建立了一套能準(zhǔn)確測(cè)量熱電裝置和性能參數(shù)的試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、測(cè)試精度高，這些實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷和數(shù)據(jù)都對(duì)后續(xù)研究熱電發(fā)電裝置的性能測(cè)試及新式熱電發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架具有指導(dǎo)和參考價(jià)值。

此外，其他的研究人員結(jié)合動(dòng)力渦輪能量回收系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)架，應(yīng)用Matlab 分析了不同工況下，排氣狀態(tài)參數(shù)、余熱能、余動(dòng)能和余壓能的變化特性，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)比歸納總結(jié)，得出排氣狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)輸出功率的影響。數(shù)據(jù)同時(shí)也反映出系統(tǒng)回收的排氣能量占比17.34%-23.56%，與原機(jī)型的對(duì)比熱效率平均提升10.6%。但是對(duì)數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生明顯的變化。

在車輛的尾氣余熱余壓能量回收效率方面，與國(guó)外的研究對(duì)比，國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)的學(xué)術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)較晚，發(fā)表的論文、專利及期刊較少。就目前開(kāi)展的相關(guān)實(shí)驗(yàn)或是研究上，很多研究多集中在吉林大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校以及相關(guān)研究院所或是研究中心 ，并且各個(gè)大學(xué)研究著重以朗肯循環(huán)或改良的朗肯循環(huán)對(duì)內(nèi)燃機(jī)余熱能量的回收利用 、以動(dòng)力渦輪聯(lián)合系統(tǒng)的方式回收尾氣余熱、以朗肯循環(huán)和、氣動(dòng)式膨脹機(jī)構(gòu)完成對(duì)內(nèi)燃機(jī)尾氣余熱能量的回收、以溫差發(fā)電優(yōu)化系統(tǒng)方法提高能量回收效率等，同時(shí)部分的研究和實(shí)驗(yàn)仍處于基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)論證階段。

2 煙霧機(jī)的加裝對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響

本文通過(guò)加載煙霧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的余熱余壓霧化吹散煙霧機(jī)的藥液，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到加裝煙霧機(jī)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的影響。

本試驗(yàn)選用了YN系列38CRD2國(guó)4標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并且試驗(yàn)臺(tái)架采用了渦輪增壓、中冷技術(shù)以及燃油共軌噴射技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)布置形式為4缸直列式，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，排量為3.3L。本試驗(yàn)采用AVL DiGas 4000 四/五組分尾氣分析儀，可以進(jìn)行柴油機(jī)尾氣成分的測(cè)定，如發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO、NOX、HC等的含量進(jìn)行測(cè)量。

圖1 有*的是未加裝煙霧機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)CO的含量曲線，有三角是加裝煙霧機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下CO的含量曲線。在1200轉(zhuǎn)速時(shí)，加載煙霧機(jī)的CO含量明顯少于未加載的，尾氣中一氧化碳的產(chǎn)生主要是在燃燒室中局部缺氧或低溫條件下，由于烴不能完全燃燒而產(chǎn)生，隨著其他燃燒過(guò)后的廢氣一同排出。當(dāng)汽車超載、慢速行駛時(shí)或空擋運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，混合氣體不能充分燃燒，會(huì)造成尾氣中一氧化碳含量增加。

圖2看出在安裝煙霧機(jī)之后發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO的上升幅度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升在1800轉(zhuǎn)速附近時(shí)達(dá)到最大值，整體曲線是先逐漸上升后又逐漸下降最后又上升的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)在1800附近時(shí)，加裝煙霧機(jī)產(chǎn)生的摩擦損失隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加迅速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部的燃燒條件迅速惡化，此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度的降低，使得CO在排氣管中的氧化作用變小，因此含量在上升。轉(zhuǎn)速在2400前后時(shí)，尾氣溫度上升，局部問(wèn)題高于500℃，CO的氧化作用加強(qiáng)了，因此尾氣中CO含量又下降了。在2600轉(zhuǎn)速附近時(shí)，尾氣管中不斷受到阻力，CO的含量又開(kāi)始上升。

圖3加裝了煙霧機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架HC化合物隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，隨著轉(zhuǎn)速的增加先下降然后又有小幅度的上升，但是上升的幅度較小。在冷啟動(dòng)、暖機(jī)、怠速工況、小負(fù)荷工況或是混合氣過(guò)稀或是過(guò)濃不能充分燃燒時(shí)可以產(chǎn)生部分HC化合物。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此產(chǎn)生HC化合物多是混合氣濃度過(guò)稀造成的，特別是怠速和小負(fù)荷工況。在圖3中還可以看出剛開(kāi)始轉(zhuǎn)速不高時(shí)，排出的HC化合物還是比較多的，隨著轉(zhuǎn)速上升，含量在下降，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷啟動(dòng)、怠速等工況，冷激效果凸顯，故而產(chǎn)生HC化合物，但是在轉(zhuǎn)速2000以后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，藥液的持續(xù)噴出，造成排氣管中排氣背壓增大[5]，氣流不暢，導(dǎo)致HC化合物有微量上升幅度，但是上升幅度不大。

過(guò)量空氣系數(shù)是影響CO、CH生成量的另一個(gè)主要因素。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)等于1時(shí)，是理想的混合氣體，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)小于1時(shí)，此時(shí)燃料與空氣中的氧氣不能完全燃燒，產(chǎn)生的為濃混合氣，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，混合氣燃燒后反應(yīng)生成的CO、HC會(huì)降低;當(dāng)達(dá)到理論值之后，隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加CO、HC的生成量變化不是很大，如果空氣系數(shù)進(jìn)一步增大，會(huì)導(dǎo)致可以燃燒的混合氣過(guò)稀，這時(shí)候混合氣體燃燒后生成的CO和HC排放增加，混合氣過(guò)稀是導(dǎo)致HC化合物產(chǎn)生的原因之一。氣缸里剩余的沒(méi)有及時(shí)排出的氣體會(huì)參與到下一個(gè)過(guò)程的燃燒，這時(shí)可以燃燒的氣體就比較少?gòu)亩谷紵郎囟冉档?，此外，二氧化碳和水蒸汽等熱容較大氣體的增加也會(huì)使燃燒室里的余氣溫度降低，最后造成的結(jié)果就是燃燒室里的混合氣體溫度較低，使得尾氣中氮氧化合物排放量有所降低，但是碳?xì)浠衔锱欧艜?huì)增加。

圖4中，由于加裝了煙霧機(jī)，藥液在排氣管中吹散造成排氣系統(tǒng)內(nèi)的阻力加大、排氣背壓高，殘余氣體增多會(huì)使NOX的排放減少，但對(duì)HC的影響很小。

圖5中，虛線是未加裝煙霧機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度曲線圖，實(shí)線是加裝了煙霧機(jī)的尾氣溫度曲線圖。從圖中可以看出兩個(gè)曲線基本上都是隨著轉(zhuǎn)速的提高尾氣溫度呈上升趨勢(shì)。在1200轉(zhuǎn)速時(shí)，未加裝煙霧機(jī)的尾氣溫度要明顯高于加裝煙霧機(jī)的，原因是加裝煙霧機(jī)后，隨著藥液額噴出，影響到排氣管中氣流流動(dòng)，排氣管背壓增加，造成排氣阻力，所以會(huì)比沒(méi)有加裝煙霧機(jī)的尾氣溫度曲線總體要低。隨著轉(zhuǎn)速的升高，尾氣溫度也隨之升高。

3 結(jié)論

加裝了煙霧機(jī)后尾氣排放受到較大影響，CO、HC的排放量上升幅度較大，NOX的排放量下降。

參考文獻(xiàn)

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