柴油機摻水燃燒降排NOx的機理及方法

汪國強

摘 要：柴油機排放的NOX等污染物是重要污染物之一。針對柴油機排放的NOX，分析了其生成機理、摻水燃燒能夠降低其排放的原理及現有摻水燃燒方法對降低NOX的影響程度等問題，提出了更具有實際操作性的摻水燃燒方法。

關鍵詞：柴油發動機；摻水燃燒；排放

引言

現代社會人們對能源和環境問題給予了越來越多的關注，與此同時，人們對作為污染物的主要排放源的汽車也提出了越來越苛刻的要求。

柴油機的主要排放污染物是NOX和顆粒物，而多方面的研究表明，柴油摻水能夠在不同程度上降低柴油機的這兩種排放污染物。

1 柴油機氮氧化物產生的機理

NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱。在發動機排放出的NOX中有約99%是NO，其形成機理較為復雜。通常可以表達為[1]：

這些反應是連鎖反應，由氮分子與氧原子、氮原子與氧分子碰撞生成NO，由公式（1）和（2）可知氮原子與氧原子的生成則取決于反應時的溫度。而發動機燃燒時的反應速度卻遠高于化學平衡的速度，所以除燃燒氣體溫度和氮氧濃度外燃燒時停留在高溫的時間也是影響NO的重要因素。

2 柴油摻水可降低氮氧化物排放的機理

對柴油機的進氣工質進行加濕可以有效地降低發動機混合氣燃燒的最高溫度，減少混合氣停留在高溫的時間，同時，水蒸氣分子在發動機燃燒室溫度條件下極易分解成具有一定催化作用的離子對NO的生成也具有抑制作用。

2.1 微爆理論

微爆理論是1962年原蘇聯學者B.H.依萬若夫提出的。當霧化的燃油噴射入氣缸時，油滴高速撞擊水滴，使二者變得更細。水流的渦動增加了油和水碰撞及接觸的機會，從而形成了油吸附于并包圍著水滴的微粒即油包水的油水乳化液，并較均勻地分布于燃燒室。當油滴中水過熱到超過油的表面張力時，水蒸氣將突破油包水的膜殼。微爆效應使大直徑的油滴變成小直徑的油滴，提高了油滴的燃燒速率，從而提高了能量的轉換速率，使原有燃油燃燒得更加充分，從而達到節油降排放的目的[2-3]。

同時，水蒸氣的比熱容遠大于干空氣的比熱容（見圖1[3]），水的大熱容量可以降低缸內燃燒溫度，防止局部富氧，從而抑制氮氧化物和顆粒物的生成。

2.2 加水燃燒機理的定量分析

傅維標等對柴油摻水的節油機理進行了定量分析，從多組分液體燃料蒸發的基本方程出發，定量地算出放熱速率、燃盡速率以及他們隨曲軸轉角的變化，解釋了柴油摻水燃燒節油的機理有三個原因，即水的快速蒸發使純柴油直徑變細并強化了燃燒；處于高溫高壓的蒸汽與燃氣一樣會做功；水的加入使排煙溫度下降總能量損失減少。

研究人員同時還進行了實驗研究認為，第一個原因是最重要的，且油摻水燃燒的最大節油率為4%左右[3]。

3 柴油不同摻水方法對柴油機排放的分析

柴油機摻水燃燒方法主要有乳化柴油（FWE），進氣空氣加濕，燃燒室直噴（DWI）三種。每種方法都可以不同程度的降低柴油發動機的排放，但在控制排放量、對發動機結構的改動以及降低燃油消耗等方面卻有著很大的差異。

3.1 乳化柴油

乳化柴油是指水（或甲醇）和柴油通過乳化劑、助乳化劑在一定乳化設備經乳化而形成的油包水（W/O）型（透明）乳液。這種柴油通常要經過復雜的制備工藝、制備流程和制備設施。

對柴油乳化質量的主要影響因素有乳化劑種類的選擇、乳化劑的用量、乳化溫度等。每一個影響因素的微小變化都會直接影響到乳化柴油的質量。

國內外對乳化柴油的研究展開的比較早，且取得了一些成果。陳鎮和孫平等人研究的微乳化生物柴油對柴油機性能的影響中就提及了在動力性不變的情況下，微乳化生物柴油在燃油消耗率基本不增加，甚至相對于生物柴油的燃油消耗率更低的情況下還能夠顯著地減少NOx和碳煙的排放，其環保效果十分明顯。但乳化溫度且表面活性劑、水、油比例的確定對油品質量影響較大[3]。

3.2 燃燒室直噴

向燃燒室直接噴水的方法是一種需要對柴油發動機的結構進行較復雜改裝的一種柴油摻水燃燒方法。

燃燒室直噴往往要對柴油發動機的硬件有一定的要求，即DWI系統采用雙孔噴嘴，由電磁閥控制噴射。由于共孰電噴噴油器一般安在氣缸蓋中心，因此DWI最近的發展是把水噴嘴置于汽缸蓋側端。

有研究表明隨著噴水量的增加，NOx成比例地下降。但是同時油耗也大幅增加。鑒于此，一般只用DWI系統降低NOx的排放至IMO標準要求的一半，以控制油耗的增加率。DWI方法要較大改動柴油機結構，噴水嘴的使用壽命較短，需要相對高的投入[4]。

3.3 進氣空氣加濕

進氣空氣加濕是對柴油機從進氣管部分就增加空氣濕度，這種方法從混合氣進入發動機的最前端即對其進行處理，既避免了乳化柴油的復雜制備工藝，也避免了燃燒室直噴方式對柴油機結構的改裝。

進氣空氣加濕可以大幅降低NOx排放、控制不同工況下噴入水分的總量，目前采用對進氣空氣進行加濕的方法來降低柴油發動機的燃燒已經成為了國內外研究的熱點。

2013年廖文蓉和王鐵等人的研究結果表明進氣空氣加濕能夠改善了柴油機的做功能力和循環效率；NOx的生成量顯著降低，降幅均在10～30%之間；而且柴油機的熱效率有所提高[5]。

4 結束語

經過對柴油機不同摻水燃燒方式在控制排放量、對發動機結構的改動以及降低燃油消耗等方面的對比分析，在三種燃燒方式中進氣空氣加濕是容易實現且降排效果最明顯的一種方式，且在工藝上容易實現和控制。

參考文獻

[1]高延齡.汽車運用工程[M].北京：人民交通出版社，1999：128.

[2]張東興，楊瑞，謝偉超.柴油機電控單體式噴油器（EUI）開啟壓力測試裝置[J].森林工程，2013，29（6）：89-91.

[3]鄢嵐，任自中.氣缸工質加水對柴油機NOX排放的影響[C].中國內燃機學會第四屆青年學術年會中國內燃機學會第四屆青年學術年會論文集，2006.

[4]傅維標，侯凌云，王利坡，等.柴油機燃用摻水燃料的節油機理的定量分析[J].內燃機，2005（2）：1-9.

[5]陳鎮，孫平，石中光，等.柴油機燃用微乳化生物柴油的性能和排放研究[J].小型內燃機與摩托車，2008，37（2）：64-67.endprint

摘 要：柴油機排放的NOX等污染物是重要污染物之一。針對柴油機排放的NOX，分析了其生成機理、摻水燃燒能夠降低其排放的原理及現有摻水燃燒方法對降低NOX的影響程度等問題，提出了更具有實際操作性的摻水燃燒方法。

關鍵詞：柴油發動機；摻水燃燒；排放

引言

現代社會人們對能源和環境問題給予了越來越多的關注，與此同時，人們對作為污染物的主要排放源的汽車也提出了越來越苛刻的要求。

柴油機的主要排放污染物是NOX和顆粒物，而多方面的研究表明，柴油摻水能夠在不同程度上降低柴油機的這兩種排放污染物。

1 柴油機氮氧化物產生的機理

NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱。在發動機排放出的NOX中有約99%是NO，其形成機理較為復雜。通常可以表達為[1]：

這些反應是連鎖反應，由氮分子與氧原子、氮原子與氧分子碰撞生成NO，由公式（1）和（2）可知氮原子與氧原子的生成則取決于反應時的溫度。而發動機燃燒時的反應速度卻遠高于化學平衡的速度，所以除燃燒氣體溫度和氮氧濃度外燃燒時停留在高溫的時間也是影響NO的重要因素。

2 柴油摻水可降低氮氧化物排放的機理

對柴油機的進氣工質進行加濕可以有效地降低發動機混合氣燃燒的最高溫度，減少混合氣停留在高溫的時間，同時，水蒸氣分子在發動機燃燒室溫度條件下極易分解成具有一定催化作用的離子對NO的生成也具有抑制作用。

2.1 微爆理論

微爆理論是1962年原蘇聯學者B.H.依萬若夫提出的。當霧化的燃油噴射入氣缸時，油滴高速撞擊水滴，使二者變得更細。水流的渦動增加了油和水碰撞及接觸的機會，從而形成了油吸附于并包圍著水滴的微粒即油包水的油水乳化液，并較均勻地分布于燃燒室。當油滴中水過熱到超過油的表面張力時，水蒸氣將突破油包水的膜殼。微爆效應使大直徑的油滴變成小直徑的油滴，提高了油滴的燃燒速率，從而提高了能量的轉換速率，使原有燃油燃燒得更加充分，從而達到節油降排放的目的[2-3]。

同時，水蒸氣的比熱容遠大于干空氣的比熱容（見圖1[3]），水的大熱容量可以降低缸內燃燒溫度，防止局部富氧，從而抑制氮氧化物和顆粒物的生成。

2.2 加水燃燒機理的定量分析

傅維標等對柴油摻水的節油機理進行了定量分析，從多組分液體燃料蒸發的基本方程出發，定量地算出放熱速率、燃盡速率以及他們隨曲軸轉角的變化，解釋了柴油摻水燃燒節油的機理有三個原因，即水的快速蒸發使純柴油直徑變細并強化了燃燒；處于高溫高壓的蒸汽與燃氣一樣會做功；水的加入使排煙溫度下降總能量損失減少。

研究人員同時還進行了實驗研究認為，第一個原因是最重要的，且油摻水燃燒的最大節油率為4%左右[3]。

3 柴油不同摻水方法對柴油機排放的分析

柴油機摻水燃燒方法主要有乳化柴油（FWE），進氣空氣加濕，燃燒室直噴（DWI）三種。每種方法都可以不同程度的降低柴油發動機的排放，但在控制排放量、對發動機結構的改動以及降低燃油消耗等方面卻有著很大的差異。

3.1 乳化柴油

乳化柴油是指水（或甲醇）和柴油通過乳化劑、助乳化劑在一定乳化設備經乳化而形成的油包水（W/O）型（透明）乳液。這種柴油通常要經過復雜的制備工藝、制備流程和制備設施。

對柴油乳化質量的主要影響因素有乳化劑種類的選擇、乳化劑的用量、乳化溫度等。每一個影響因素的微小變化都會直接影響到乳化柴油的質量。

國內外對乳化柴油的研究展開的比較早，且取得了一些成果。陳鎮和孫平等人研究的微乳化生物柴油對柴油機性能的影響中就提及了在動力性不變的情況下，微乳化生物柴油在燃油消耗率基本不增加，甚至相對于生物柴油的燃油消耗率更低的情況下還能夠顯著地減少NOx和碳煙的排放，其環保效果十分明顯。但乳化溫度且表面活性劑、水、油比例的確定對油品質量影響較大[3]。

3.2 燃燒室直噴

向燃燒室直接噴水的方法是一種需要對柴油發動機的結構進行較復雜改裝的一種柴油摻水燃燒方法。

燃燒室直噴往往要對柴油發動機的硬件有一定的要求，即DWI系統采用雙孔噴嘴，由電磁閥控制噴射。由于共孰電噴噴油器一般安在氣缸蓋中心，因此DWI最近的發展是把水噴嘴置于汽缸蓋側端。

有研究表明隨著噴水量的增加，NOx成比例地下降。但是同時油耗也大幅增加。鑒于此，一般只用DWI系統降低NOx的排放至IMO標準要求的一半，以控制油耗的增加率。DWI方法要較大改動柴油機結構，噴水嘴的使用壽命較短，需要相對高的投入[4]。

3.3 進氣空氣加濕

進氣空氣加濕是對柴油機從進氣管部分就增加空氣濕度，這種方法從混合氣進入發動機的最前端即對其進行處理，既避免了乳化柴油的復雜制備工藝，也避免了燃燒室直噴方式對柴油機結構的改裝。

進氣空氣加濕可以大幅降低NOx排放、控制不同工況下噴入水分的總量，目前采用對進氣空氣進行加濕的方法來降低柴油發動機的燃燒已經成為了國內外研究的熱點。

2013年廖文蓉和王鐵等人的研究結果表明進氣空氣加濕能夠改善了柴油機的做功能力和循環效率；NOx的生成量顯著降低，降幅均在10～30%之間；而且柴油機的熱效率有所提高[5]。

4 結束語

經過對柴油機不同摻水燃燒方式在控制排放量、對發動機結構的改動以及降低燃油消耗等方面的對比分析，在三種燃燒方式中進氣空氣加濕是容易實現且降排效果最明顯的一種方式，且在工藝上容易實現和控制。

參考文獻

[1]高延齡.汽車運用工程[M].北京：人民交通出版社，1999：128.

[2]張東興，楊瑞，謝偉超.柴油機電控單體式噴油器（EUI）開啟壓力測試裝置[J].森林工程，2013，29（6）：89-91.

[3]鄢嵐，任自中.氣缸工質加水對柴油機NOX排放的影響[C].中國內燃機學會第四屆青年學術年會中國內燃機學會第四屆青年學術年會論文集，2006.

[4]傅維標，侯凌云，王利坡，等.柴油機燃用摻水燃料的節油機理的定量分析[J].內燃機，2005（2）：1-9.

[5]陳鎮，孫平，石中光，等.柴油機燃用微乳化生物柴油的性能和排放研究[J].小型內燃機與摩托車，2008，37（2）：64-67.endprint

摘 要：柴油機排放的NOX等污染物是重要污染物之一。針對柴油機排放的NOX，分析了其生成機理、摻水燃燒能夠降低其排放的原理及現有摻水燃燒方法對降低NOX的影響程度等問題，提出了更具有實際操作性的摻水燃燒方法。

關鍵詞：柴油發動機；摻水燃燒；排放

引言

現代社會人們對能源和環境問題給予了越來越多的關注，與此同時，人們對作為污染物的主要排放源的汽車也提出了越來越苛刻的要求。

柴油機的主要排放污染物是NOX和顆粒物，而多方面的研究表明，柴油摻水能夠在不同程度上降低柴油機的這兩種排放污染物。

1 柴油機氮氧化物產生的機理

NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的總稱。在發動機排放出的NOX中有約99%是NO，其形成機理較為復雜。通常可以表達為[1]：

這些反應是連鎖反應，由氮分子與氧原子、氮原子與氧分子碰撞生成NO，由公式（1）和（2）可知氮原子與氧原子的生成則取決于反應時的溫度。而發動機燃燒時的反應速度卻遠高于化學平衡的速度，所以除燃燒氣體溫度和氮氧濃度外燃燒時停留在高溫的時間也是影響NO的重要因素。

2 柴油摻水可降低氮氧化物排放的機理

對柴油機的進氣工質進行加濕可以有效地降低發動機混合氣燃燒的最高溫度，減少混合氣停留在高溫的時間，同時，水蒸氣分子在發動機燃燒室溫度條件下極易分解成具有一定催化作用的離子對NO的生成也具有抑制作用。

2.1 微爆理論

微爆理論是1962年原蘇聯學者B.H.依萬若夫提出的。當霧化的燃油噴射入氣缸時，油滴高速撞擊水滴，使二者變得更細。水流的渦動增加了油和水碰撞及接觸的機會，從而形成了油吸附于并包圍著水滴的微粒即油包水的油水乳化液，并較均勻地分布于燃燒室。當油滴中水過熱到超過油的表面張力時，水蒸氣將突破油包水的膜殼。微爆效應使大直徑的油滴變成小直徑的油滴，提高了油滴的燃燒速率，從而提高了能量的轉換速率，使原有燃油燃燒得更加充分，從而達到節油降排放的目的[2-3]。

同時，水蒸氣的比熱容遠大于干空氣的比熱容（見圖1[3]），水的大熱容量可以降低缸內燃燒溫度，防止局部富氧，從而抑制氮氧化物和顆粒物的生成。

2.2 加水燃燒機理的定量分析

傅維標等對柴油摻水的節油機理進行了定量分析，從多組分液體燃料蒸發的基本方程出發，定量地算出放熱速率、燃盡速率以及他們隨曲軸轉角的變化，解釋了柴油摻水燃燒節油的機理有三個原因，即水的快速蒸發使純柴油直徑變細并強化了燃燒；處于高溫高壓的蒸汽與燃氣一樣會做功；水的加入使排煙溫度下降總能量損失減少。

研究人員同時還進行了實驗研究認為，第一個原因是最重要的，且油摻水燃燒的最大節油率為4%左右[3]。

3 柴油不同摻水方法對柴油機排放的分析

柴油機摻水燃燒方法主要有乳化柴油（FWE），進氣空氣加濕，燃燒室直噴（DWI）三種。每種方法都可以不同程度的降低柴油發動機的排放，但在控制排放量、對發動機結構的改動以及降低燃油消耗等方面卻有著很大的差異。

3.1 乳化柴油

乳化柴油是指水（或甲醇）和柴油通過乳化劑、助乳化劑在一定乳化設備經乳化而形成的油包水（W/O）型（透明）乳液。這種柴油通常要經過復雜的制備工藝、制備流程和制備設施。

對柴油乳化質量的主要影響因素有乳化劑種類的選擇、乳化劑的用量、乳化溫度等。每一個影響因素的微小變化都會直接影響到乳化柴油的質量。

國內外對乳化柴油的研究展開的比較早，且取得了一些成果。陳鎮和孫平等人研究的微乳化生物柴油對柴油機性能的影響中就提及了在動力性不變的情況下，微乳化生物柴油在燃油消耗率基本不增加，甚至相對于生物柴油的燃油消耗率更低的情況下還能夠顯著地減少NOx和碳煙的排放，其環保效果十分明顯。但乳化溫度且表面活性劑、水、油比例的確定對油品質量影響較大[3]。

3.2 燃燒室直噴

向燃燒室直接噴水的方法是一種需要對柴油發動機的結構進行較復雜改裝的一種柴油摻水燃燒方法。

燃燒室直噴往往要對柴油發動機的硬件有一定的要求，即DWI系統采用雙孔噴嘴，由電磁閥控制噴射。由于共孰電噴噴油器一般安在氣缸蓋中心，因此DWI最近的發展是把水噴嘴置于汽缸蓋側端。

有研究表明隨著噴水量的增加，NOx成比例地下降。但是同時油耗也大幅增加。鑒于此，一般只用DWI系統降低NOx的排放至IMO標準要求的一半，以控制油耗的增加率。DWI方法要較大改動柴油機結構，噴水嘴的使用壽命較短，需要相對高的投入[4]。

3.3 進氣空氣加濕

進氣空氣加濕是對柴油機從進氣管部分就增加空氣濕度，這種方法從混合氣進入發動機的最前端即對其進行處理，既避免了乳化柴油的復雜制備工藝，也避免了燃燒室直噴方式對柴油機結構的改裝。

進氣空氣加濕可以大幅降低NOx排放、控制不同工況下噴入水分的總量，目前采用對進氣空氣進行加濕的方法來降低柴油發動機的燃燒已經成為了國內外研究的熱點。

2013年廖文蓉和王鐵等人的研究結果表明進氣空氣加濕能夠改善了柴油機的做功能力和循環效率；NOx的生成量顯著降低，降幅均在10～30%之間；而且柴油機的熱效率有所提高[5]。

4 結束語

經過對柴油機不同摻水燃燒方式在控制排放量、對發動機結構的改動以及降低燃油消耗等方面的對比分析，在三種燃燒方式中進氣空氣加濕是容易實現且降排效果最明顯的一種方式，且在工藝上容易實現和控制。

參考文獻

[1]高延齡.汽車運用工程[M].北京：人民交通出版社，1999：128.

[2]張東興，楊瑞，謝偉超.柴油機電控單體式噴油器（EUI）開啟壓力測試裝置[J].森林工程，2013，29（6）：89-91.

[3]鄢嵐，任自中.氣缸工質加水對柴油機NOX排放的影響[C].中國內燃機學會第四屆青年學術年會中國內燃機學會第四屆青年學術年會論文集，2006.

[4]傅維標，侯凌云，王利坡，等.柴油機燃用摻水燃料的節油機理的定量分析[J].內燃機，2005（2）：1-9.

[5]陳鎮，孫平，石中光，等.柴油機燃用微乳化生物柴油的性能和排放研究[J].小型內燃機與摩托車，2008，37（2）：64-67.endprint