進氣摻水降低柴油機排放的實驗研究

李宏剛，韓 銳，楊榮海，張邢磊，王 娜

(東北林業大學交通學院，哈爾濱150040)

在注重“安全、節能、環保”的今天，汽車排放法規越來越嚴格，對柴油機排放的控制也再度成為研究的熱點［1］。柴油機的排放控制方式很多，如EGR，SCR，FWE等。1964年由庫帕在對內燃機燃燒與排放機理研究后提出:水可以使發動機在燃燒過程中減少NOX的生成量［2］。幾十年來對柴油工質摻水燃燒的研究一直沒有間斷，研究已經證實了庫帕的論斷。摻水燃燒作為一種獨特、廉價的減排NOX的方法，也越來越引起人們的重視。

1 柴油摻水燃燒機理

(1)水的大熱容量可以有效地降低燃燒時汽缸內的溫度，從而降低NOX的排量:水的自身潛熱大，可以吸收發動機燃燒室中炙熱零部件的熱量和工質中其他成分的熱量，從而降低汽缸內的燃燒溫度?？諝庵兴魵饬吭黾樱淠枬舛劝俜直葘θ紵^熱溫度有直接影響，會導致NO濃度降低。

(2)微爆作用可以優化燃燒，利于降低排放:1962年，B.H.依萬諾夫首次提出微爆理論。該理論認為油包水油滴在氣缸內燃燒時，油膜內的水滴被加熱蒸發，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)工質加濕降排的化學反應機理［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，而工質加水后進入燃燒室時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 實驗方案與實驗方法

目前，柴油機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氣缸內噴水，第三種是在柴油機進氣口處噴入水霧［5－6］。

本實驗采用超聲波霧化水的方法對進氣空氣進行加濕。加濕裝置的結構簡圖如圖1所示。柴油發動機工作時產生進氣負壓，將外部空氣通過玻璃蓋板3和箱體5的空隙吸入箱體5，經過進氣導流板1導流后平緩流動到水汽發生室8上部，帶走超聲波霧化頭9產生的水汽，經緩沖室6緩沖后已經被均勻、充分加濕的工質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Fig.1 Experiment installation of diesel engine with water induction through air intake

超聲波霧化頭是超聲波發生器超聲霧化系統的核心部分，由電源變換、振蕩器和換能器構成［7］。換能器也稱超聲振子，是實現機械能量或電磁能量與超聲振動能量相互轉換的器件［8］。本實驗中采用壓電陶瓷片作為換能器。在超聲波發生器的電路中，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頻率與電路振蕩頻率產生共振，電路超聲波振蕩，傳輸到壓電陶瓷振子表面，壓電陶瓷振子會產生軸向機械共振變化，這種機械共振變化再傳輸到與其接觸的液體，使液體表面產生隆起，并在隆起的周圍發生空化作用，由這種空化作用產生的沖擊波將以振子的振動頻率不斷反復，使液體表面產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，只能產生一個振蕩沖擊波。實驗過程中需要改變霧化量時，可采用多組同時工作的方法來實現不同霧化量的控制［9］。

經霧化后的水的細小顆粒將發動機的進氣工質均勻加濕，被加濕的工質進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 實驗數據分析

實驗采用柴油發動機型號見表1。實驗中采用分路開關對每個霧化頭單獨控制，每工況實驗工作時間為1 min。結合前期實驗，確定在實驗過程中采用對不摻水、4個霧化頭工作和10個霧化頭工作三種情況進行對比分析。

表1 柴油發動機型號Tab.1 Diesel engine model number

3.1 全負荷速度特性的NOX排放分析

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

從發動機的全負荷特性的NOX排放量曲線可以看出，所有轉速工況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，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%。

3.2 1600r/min負荷特性的NOX排放分析

對發動機1600r/min的負荷特性分析發現，所有的轉矩工況下的NOX的排放量摻水工況均低于未摻水工況，且所有轉矩工況的NOX的排放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，NOX的排量的最大降幅在12.70%。

圖3 1600r/min負荷特性的NOX排放曲線Fig.3 NOX emission curve at 1600r/min

3.3 燃油經濟性分析

圖4 1600r/min時發動機油耗率曲線Fig.4 Engine oil consumption curve at 1600r/min

在怠速低轉矩時，發動機溫度較低，加濕后的工質進入發動機后會因激冷作用有部分工質被冷卻至液態，導致發動機油耗率會有所上升，而少量的加濕工質仍可在一定程度上降低油耗。

在進入正常運轉后，隨著負荷的增加發動機的溫度會逐漸上升，霧化的工質會全部參與燃燒，使發動機的油耗率下降，最大的降幅約為4.34%。

3.4 煙度 (排氣溫度)

圖5 1600r/min時發動機排氣溫度曲線Fig.5 Exhaust temperature curve of engine at 1600r/min

加濕后的工質能有效地降低了發動機的排氣溫度，上圖為在1 600r/min時不同加濕狀況下發動機的排氣溫度曲線，最大降溫幅度為36℃，平均降溫14.86℃。

發動機排氣溫度的降低減少了排氣能量的消耗，提高的燃料燃燒轉化為有效功的效率，同時發動機混合氣和排氣溫度的降低都會有效地改善發動機的性能，提高其使用壽命。

4 結論

使用超聲波將水霧化微小蒸汽微粒為進氣工質加濕在柴油機上的降排效果明顯。在保證降排效果的同時，還可以有效地提高發動機的各項性能指標:

(1)發動機的全負荷速度特性和1 600r/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。

1 800 r/min全負荷時NOX的降幅最大，可達30%。

(2)發動機進氣加濕可以在一定程度上降低發動機的油耗。

(3)發動機進氣加濕可以明顯地降低排氣溫度，提高發動機性能。

［1］周叢鉅，韓壞陽.沼氣燃料在小型柴油機上燃用措施的試驗研究.森林工程，2006，22(4):10 －14.

［2］許東平，殷佩海.掃氣箱噴水加濕改善船用四號沖程柴油機排放性能的實驗研究［J］.大連海事大學學報，2003，29(1):31－34.

［3］童景山，梁燕波.乳化燃油燃燒值的實驗測定與燃燒性能的研究［J］.節能技術，1997(4):2 －4.

［4］呂 林，姚光榮，溫苗苗.利用水降低柴油機NOx排放研究［J］.武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2004，2(28):159－162.

［5］Psota M A，Easley W L，Fort T H，et al.Water injection on NOXemissions for engines utilizing diffusion flame combustion［R］.SAE Technical Paper，971657.USA:SAE International，1997:1835 －1843.

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［8］佘錦錦.超聲及表面活性劑對柴油微乳化的影響［D］.南京:南京工業大學，2005.

［9］趙新磊，劉渝妍，楊永發.基于優化小波神經網絡在柴油機故障診斷上的應用［J］.林業機械與木工設備，2012，40(4):32 －34.