基于低壓氧彈燃燒法評定柴油添加劑的節能降污功效

廖梓珺,陳國需,趙立濤,秦 敏,王志民

(解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系,重慶400016)

能源危機和人居環境的日益惡化使得節能與環保成為全球性的重要課題,我國更是將節能減排作為“十一·五”規劃的一項重要任務。柴油機與汽油機相比,具有熱效率高、CO和 HC排放較低等優點,但NOx和顆粒物的排放高于汽油機,仍不能滿足日益嚴格的排放和節能的要求[1]。使用性能良好的柴油節能降污添加劑,對已投入使用的車輛來說,既不用改動發動機結構也不用增加設備,是一種降低排放和提高經濟性的最佳方法[2-3]。目前評價柴油節能降污添加劑功效的方法一般是采用發動機臺架試驗,通過測試節油率、煙度變化率和NOx等有害排放物的變化率來評價柴油添加劑節能減排功效[4]。這種試驗法比較直觀準確,但是資源損耗和費用較高。有研究者[5]提出,采用灰色相關分析法可以判斷柴油添加劑的功效,可節省大量的發動機臺架試驗資源。

筆者采用低壓氧彈燃燒法測定加入節能降污添加劑后柴油樣的發熱量以及殘余物質量,提出了2個評定指標,即發熱量變化率 Z和每克柴油燃燒后殘余物質量變化率 R,對柴油節能降污添加劑效能進行模擬評定,并將該模擬評定結果與發動機臺架試驗和鍋爐試驗結果進行了灰色相關分析。

1 實驗部分

1.1 油樣、儀器和方法

采用自行研制的納米節能降污添加劑1#和2#,分別以質量分數0.08%添加到中國石油天然氣集團公司生產的0#柴油中,得到的油樣編號為A和B。

采用河南省鶴壁市儀表廠有限責任公司ZDHW-2型自動量熱儀測定油樣發熱量,利用Sartouris BS210s型電子天平(精度0.1 mg)稱量油樣燃燒后殘余物質量。在柴油發動機D1135上,按QC/T 524-1999標準進行發動機臺架試驗,儀表精度符合上述標準的規定。該標準是汽車發動機在臺架上所進行的動力性、經濟性及其他重要性能的試驗方法。采用該發動機臺架試驗對比A和B 2種油樣的節能、減排效果,并以空白的0#柴油為參照。該發動機臺架試驗符合 QC/T 524-1999標準中“5對試驗一般條件的控制”的規定,未作改動。

為考察節能降污添加劑在鍋爐上的實際使用性能,采用 CLSS0.2-Y(Q)型燃料油鍋爐,根據GB/T 15317-94和 GB 10180-2003的要求進行鍋爐試驗。以正平衡法考察鍋爐的熱效率,以稱重法測定耗油量,測量水箱的水位獲取蒸汽量,通過熱電偶溫度計獲得蒸汽溫度。調節進氣門測定某一過量空氣系數下的燃燒情況,采用英國產DH-9111型燃燒完全度綜合測定儀測定計算過量空氣系數。

1.2 鍋爐試驗的測定指標

鍋爐在工作過程中,主蒸汽和給水的溫度和壓力均保持不變,根據鍋爐的蒸汽量來計算節油率(Φ),見式(1)。

式(1)中,Φ為節油率,%;G0和 G1分別為鍋爐每產生1 t額定蒸汽參數的蒸汽所消耗的空白和加劑燃油的質量,kg。

1.3 低壓氧彈燃燒法測定發熱量

參考 GB/T 384-1981(石油產品熱值測定法)測定油樣的發熱量。為了模擬實際工況,需將氧彈充氧壓力降低,以此時測得的發熱量表征燃燒的完全程度。

1.3.1 氧彈充氧壓力的確定

根據燃料的低熱值 QD可以近似估計理論空氣量V0[6-7],如式(2)所示。

式(2)中,“2.63”表示每產生10000 kJ發熱量需理論空氣量2.63 m3,柴油的低熱值 QD為44.562 kJ/g,故V0=11.72 m3/kg。

通常狀況下,理論需氧量為0.21V0,即2.46 m3/kg,彈筒容積為275 mL(實測),實驗用油0.9 g,由氣體狀態方程計算得到彈筒內氧氣壓力 p=2.46×0.9×101.325×106/275=0.816× 106(Pa)。即彈筒內氧氣壓力為0.816 MPa時,以理論空燃比燃燒。由于車輛在運行時有一定的過量空氣(取過量空氣系數為1.10),實際消耗空氣 Vn= nV0[8],即實際空氣量為 12.89 m3/kg。在過量空氣系數為1.10時,實際需氧量為0.21Vn,即2.71 m3/kg,計算此時彈筒內氧氣壓力 p=2.71× 0.9×101.325×106/275=0.899×106(Pa)。

即氧彈充氧壓力為0.9 MPa時,模擬評定在過量空氣系數為1.10時輕質柴油發動機的燃燒工況。

1.3.2 模擬評定指標的確定

測定加劑前后柴油的發熱量,然后按照式(3)計算得到發熱量變化率(Z)。稱量燃燒后殘余物質量,按照式(4)計算得到每克油燃燒后殘余物質量變化率(R)。采用這2個指標模擬評定柴油節能降污添加劑效能。

式(3)中,QD0和 QD1分別為加劑前后柴油的發熱量, kJ/g。式(4)中,M0和 M1分別為加劑前后柴油燃燒殘余物的質量,g;m0和 m1分別為加劑前后柴油樣的質量,g。

1.4 理化指標的測定

測定理化指標的目的在于比較理化指標和模擬評價指標的變化與發動機臺架試驗和鍋爐試驗結果的接近程度。分別按照 GB/T 508和 GB/T 1884標準測定加劑前后油樣的灰分和20℃時密度。

2 結果與討論

2.1 灰色相關分析法

灰色相關分析是一種系統分析方法。對一個抽象的系統或現象進行分析,首先要選準反映系統行為特征的數據序列,用它來間接表征系統行為,然后和其他相關因素的數據序列進行對比分析。其基本原理是根據不同序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密,曲線形狀越接近,相應序列之間的關聯度就越大,反之就越小[9]。灰色相關分析對樣本量的多少和樣本有無規律都同樣適用,而且計算量小,十分方便,不會出現量化結果與定性分析結果不符的情況,因而具有廣泛的實用性[10]。

灰色相關分析的一般步驟[9]:

(1)確定參考數列 X0和比較數列 Xi,求各序列的初值像(或均值像)。i為各個數列的序號。

(2)由式(5)求差序列。

式(5)中,Δi=(Δi(1),Δi(2),…,Δi(n)),k為各序列所包含的元素序號,x為元素。

(3)由式(6)求兩極最大差與最小差。

(4)由式(7)求關聯系數(γ0i(k))。

(5)由式(8)計算關聯度:

(6)計算得到的各個序列關聯度γ0i∈(0,1),因此關聯度越接近1,說明它們的性能與參考數列越接近。

2.2 實驗數據處理

表1列出加劑前后油樣的平均節油率(RAFS)、平均煙度變化率(RASV)和 NOx總體變化率(RNOx),發動機臺架測試結果和鍋爐常用過量空氣系數α=1.07時的節油率(RBFS),以及采用低壓氧彈燃燒法得到模擬評價指標結果。灰分和20℃時密度(ρ20)的測試結果也列于表1。

表1 3種柴油樣的鍋爐試驗、發動機臺架試驗和低壓氧彈燃燒法評價結果Table 1 The results of boiler test,bench test and evaluation by low pressure oxygen bomb combustion method for three diesel samples

以表1中3個油樣的平均節油率數列 XAFS(0, 3.1,2.3)、平均煙度變化率數列 XASV(0,-24.6, -20.3)、NOx總體變化率數列 XNOx(0,-17.3, -19.6)和鍋爐常用過量空氣系數α=1.07時的節油率數列 XBFS(0,4.30,3.78)分別作為參考數列 X0,表1中的 Z、R、灰分和密度分別作為4組比較數列 Xi,分別記為 X1Z、X2R、X3A和 X4ρ。采用公式(5)、(6)、(7)和(8)計算出這4組比較數列分別相對于3組參考數列的灰色關聯度,結果如表2所示。通過灰色相關分析比較4組比較數列與參考數列的接近程度。

表2 根據表3數據的灰色關聯度計算結果Table 2 The results of grey relational degree based on the data of Table 3

從表2可以看出,以臺架試驗結果作為參考數列、2個模擬評價指標作為比較數列時,得到的關聯度都較大。說明在評定添加劑節能降污效能時,采用模擬評價指標評定與發動機臺架試驗和鍋爐試驗評定最接近,即用提出的模擬評價指標來評定添加劑的節能降污性能較準確且可行。其中,在以平均節油率數列 XAFS、平均煙度變化率數列 XASV和鍋爐試驗的節油率數列 XBFS分別作為參考數列 X0時,提出的模擬評價指標 Z作為比較數列得到的灰色關聯度最大,其次是模擬評價指標 R作為比較數列得到的灰色關聯度,說明模擬評價指標 Z能夠更好模擬發動機臺架試驗的平均節油率、平均煙度變化率和鍋爐試驗的節油率。在以NOx總體變化率數列 XNOx作為參考數列 X0時,提出的模擬評價指標R作為比較數列得到的灰色關聯度最大,其次是模擬評價指標 Z作為比較數列得到的灰色關聯度,說明模擬評價指標 R可以更好地模擬發動機臺架試驗中的NOx總體變化率。

3 結 論

(1)對模擬評定結果和理化指標與發動機臺架試驗和鍋爐試驗進行灰色相關分析,得到了在以發動機臺架試驗和鍋爐試驗結果為參考數列、模擬評定結果作為比較數列時關聯度最大的結論,即評定添加劑節能降污功效時,采用低壓氧彈燃燒法與發動機臺架試驗法和鍋爐試驗結果最為接近。

(2)采用低壓氧彈燃燒法得到的模擬評價指標Z可以模擬發動機臺架試驗中的平均節油率、平均煙度變化率和鍋爐試驗的節油率,模擬評價指標 R可以模擬發動機臺架試驗中的NOx總體變化率。

(3)采用低壓氧彈燃燒法得到的2個模擬評價指標 Z和R可對所研制柴油添加劑節能降污功效進行模擬評價,為柴油添加劑的研發階段提供篩選指標,可節省大量發動機臺架試驗資源。

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