煙霧機的加裝對發(fā)動機尾氣排放的影響

趙瑛，潘江如，印治濤

摘 要：煙霧機是一種借助其他載體，如電、油、水等把藥劑轉化為煙霧形式的機器，但是在植保領域中將煙霧機加載在車輛上，目前研究的比較少。文章通過加載煙霧機發(fā)動機試驗臺架，利用發(fā)動機尾氣的余熱余壓霧化吹散煙霧機中的藥液，通過實驗得到加裝煙霧機后對發(fā)動機尾氣排放的影響。

關鍵詞：尾氣排放;尾氣溫度;影響因素

中圖分類號：U463.9 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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，全國新注冊的機動車有3172萬輛，機動車保有量就達到3.27億輛，其中汽車達到了2.4億輛，小型載客汽車2億輛，機動車駕駛人達到了4.09億，其中汽車駕駛人3.69億。2019年上半年7月數(shù)據(jù)顯示全國機動車保有量達到3.4億輛，全國汽車保有量達2.5億輛，私家車達1.98億輛，機動車駕駛人數(shù)量達4.22億人。隨著汽車保有量的逐年升高，同時也帶來了能源消耗總量的增加，汽車是石油最大的能源消耗品。隨著人們越來越多對環(huán)境保護意識的增強，汽車節(jié)能減排已經成為重要的研究課題之一。國家的2019年政府報告以及2019的兩會中都多次提到過“節(jié)能、減排、降耗”等關鍵詞。

在傳統(tǒng)的內燃機燃燒總量中約有30%的能量能夠轉化為有用功[1]，其余的70%都以各種形式散逸到大氣中，在這70%的能量中，冷卻過程消耗的能量占30%，通過尾氣排放消散的能量約30%-35%，由此數(shù)據(jù)可見，在尾氣中浪費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。

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

本文通過在發(fā)動機實驗臺上加載煙霧機，利用發(fā)動機尾氣的余熱余壓霧化吹散煙霧機的藥液，通過測得發(fā)動機尾氣溫度、尾氣排放等數(shù)據(jù)，來測得加裝煙霧機后對發(fā)動機尾氣排放的影響。

1 國內外研究現(xiàn)狀分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

從20世紀末開始，隨著汽車節(jié)能等問題的研究，國外發(fā)動機尾氣能量利用技術得到了全面的研究和發(fā)展，國外的學者、專家紛紛提出了利用發(fā)動機尾氣能量來改善節(jié)能、減排等問題，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化為驅動車輛運動的能源，它的轉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 國內研究現(xiàn)狀

針對汽車尾氣的研究[4]，清華大學也在進行排氣管發(fā)電裝置的的研究，部分研究人員建立了一套能準確測量熱電裝置和性能參數(shù)的試驗臺架系統(tǒng)，通過試驗臺架進行了大量的實驗數(shù)據(jù)檢測，通過對大量數(shù)據(jù)的分析研究，結果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、測試精度高，這些實驗經歷和數(shù)據(jù)都對后續(xù)研究熱電發(fā)電裝置的性能測試及新式熱電發(fā)電系統(tǒng)測試臺架具有指導和參考價值。

此外，其他的研究人員結合動力渦輪能量回收系統(tǒng)進行試驗臺架，應用Matlab 分析了不同工況下，排氣狀態(tài)參數(shù)、余熱能、余動能和余壓能的變化特性，通過數(shù)據(jù)分析對比歸納總結，得出排氣狀態(tài)對系統(tǒng)輸出功率的影響。數(shù)據(jù)同時也反映出系統(tǒng)回收的排氣能量占比17.34%-23.56%，與原機型的對比熱效率平均提升10.6%。但是對數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)該實驗沒有對經濟性產生明顯的變化。

在車輛的尾氣余熱余壓能量回收效率方面，與國外的研究對比，國內開展相關的學術研究和實驗較晚，發(fā)表的論文、專利及期刊較少。就目前開展的相關實驗或是研究上，很多研究多集中在吉林大學、清華大學、西安交通大學等高校以及相關研究院所或是研究中心 ，并且各個大學研究著重以朗肯循環(huán)或改良的朗肯循環(huán)對內燃機余熱能量的回收利用 、以動力渦輪聯(lián)合系統(tǒng)的方式回收尾氣余熱、以朗肯循環(huán)和、氣動式膨脹機構完成對內燃機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，同時部分的研究和實驗仍處于基礎理論和實驗論證階段。

2 煙霧機的加裝對發(fā)動機尾氣排放的影響

本文通過加載煙霧機發(fā)動機試驗臺架，利用發(fā)動機尾氣的余熱余壓霧化吹散煙霧機的藥液，通過實驗得到加裝煙霧機后對發(fā)動機尾氣排放的影響。

本試驗選用了YN系列38CRD2國4標準的柴油發(fā)動機，并且試驗臺架采用了渦輪增壓、中冷技術以及燃油共軌噴射技術，發(fā)動機布置形式為4缸直列式，額定轉速為3000rpm，排量為3.3L。本試驗采用AVL DiGas 4000 四/五組分尾氣分析儀，可以進行柴油機尾氣成分的測定，如發(fā)動機尾氣中CO、NOX、HC等的含量進行測量。

圖1 有*的是未加裝煙霧機時發(fā)動機不同轉速時CO的含量曲線，有三角是加裝煙霧機后發(fā)動機不同轉速下CO的含量曲線。在1200轉速時，加載煙霧機的CO含量明顯少于未加載的，尾氣中一氧化碳的產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生，隨著其他燃燒過后的廢氣一同排出。當汽車超載、慢速行駛時或空擋運轉時，混合氣體不能充分燃燒，會造成尾氣中一氧化碳含量增加。

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

圖3加裝了煙霧機的發(fā)動機試驗臺架HC化合物隨著發(fā)動機轉速的提升，隨著轉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、暖機、怠速工況、小負荷工況或是混合氣過稀或是過濃不能充分燃燒時可以產生部分HC化合物。本實驗臺架是柴油發(fā)動機，因此產生HC化合物多是混合氣濃度過稀造成的，特別是怠速和小負荷工況。在圖3中還可以看出剛開始轉速不高時，排出的HC化合物還是比較多的，隨著轉速上升，含量在下降，原因是發(fā)動機處于冷啟動、怠速等工況，冷激效果凸顯，故而產生HC化合物，但是在轉速2000以后，隨著轉速的增加，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，導致HC化合物有微量上升幅度，但是上升幅度不大。

過量空氣系數(shù)是影響CO、CH生成量的另一個主要因素。當過量空氣系數(shù)等于1時，是理想的混合氣體，當過量空氣系數(shù)小于1時，此時燃料與空氣中的氧氣不能完全燃燒，產生的為濃混合氣，隨著過量空氣系數(shù)的增加，混合氣燃燒后反應生成的CO、HC會降低;當達到理論值之后，隨過量空氣系數(shù)的增加CO、HC的生成量變化不是很大，如果空氣系數(shù)進一步增大，會導致可以燃燒的混合氣過稀，這時候混合氣體燃燒后生成的CO和HC排放增加，混合氣過稀是導致HC化合物產生的原因之一。氣缸里剩余的沒有及時排出的氣體會參與到下一個過程的燃燒，這時可以燃燒的氣體就比較少從而使燃燒溫度降低，此外，二氧化碳和水蒸汽等熱容較大氣體的增加也會使燃燒室里的余氣溫度降低，最后造成的結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，但是碳氫化合物排放會增加。

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

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

3 結論

加裝了煙霧機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

[1] 郭仲海.柴油機性能對排氣被壓的敏感性研究[J].內燃機，2010（04）： 47-49.

[2] 劉敬平，付建勤，馮康，等.發(fā)動機廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的能量流研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2011，38（5）：48-53.

[3] 王宇，一種新式脈沖煙霧機的研制及應用[D].海口：海南大學， 2012： 3.

[4] 孫瀟，張學義，史立偉.車用廢氣能量回收利用技術現(xiàn)狀分析與發(fā)展前景[J].拖拉機與農用運輸車， 2009， 36（06）： 6-7.

[5] 韋正貴，農榮，梁桂章.排氣背壓對發(fā)動機性能的影響研究[J].裝備制造技術， 2016（02）： 25-26.