柴油機富氧進氣燃用乳化柴油的循環變動與燃燒特性

陳浩平　牛彩云

摘 要：在柴油機中應用進氣富氧技術能夠減少碳煙排放量，對于提升燃燒熱效率，增加發動機功率密度也有一定作用。本文考察了進氣富氧和水乳化柴油的應用，研究了進氣氧濃度和乳化柴油水成分對增壓柴油機燃燒和排放的具體影響，會產生正氧效應。進氣富氧技術的發展。研究得出結論，將進氣充氧技術應用于直噴柴油機，分析了不同水混合比的乳化柴油的循環變化和燃燒特性。在一定程度上，使用乳化柴油時，由于乳化率的增加，閃點會不斷降低，當含水量達到30%時，著火延遲增加，此時燃燒組織變差，周期性波動相應增加。

關鍵詞：柴油機 富氧進氣 乳化柴油 循環變動 燃燒特性

通過在柴油中加入一定比例的水，水在氣缸內吸熱氣化，降低氣缸內溫度，延長點火延遲，導致發動機運轉不平穩，整體燃燒持續惡化，還會導致有害氣體的排放增加，嚴重污染空氣環境。柴油機富氧燃燒縮短了燃燒準備時間，提前了點火正時。由此看來，富氧燃燒與乳化柴油相結合，可以避免單一方法應用過程中的不利因素，有利于優化燃燒條件。燃用水乳化的柴油，能夠讓缸內溫度下降，也能減少NOX以及顆粒物排放量。而將氧摻入到進氣成分中，可以讓缸內實現富氧燃燒，這樣可以避免碳煙排放量，但是，由于吸收的氧氣體積分數增加，NOX會增加。富氧燃燒時氣缸溫度升高，可通過氣缸內形成的大量水蒸氣與乳化柴油發生吸熱反應來解決。反之，乳化柴油的著火延遲延長會因富氧引起的著火時間提前而得到改善。乳化柴油和不同富氧比的應用，可以調節點火正時和燃燒速度，有效控制變化率。

1 實驗裝置及乳化柴油配置

1.1 實驗裝置和方法

在內燃機進氣中吸入富氧空氣是內燃機富氧燃燒最初探索的一項技術。現階段，隨著材料科學技術的不斷發展，空氣分離用滲透膜技術可以為內燃機進氣富氧提供技術支持，合適的膜還具有良好的選擇性和滲透性，可以結合其需要，發動機空氣在車內創造理想的氧氣富集。在膜分離技術的支持下，氧氣體積分數可達35%，有效支持發動機富氧燃燒。然而，透氧膜技術在應用中，其分離效率低、氣阻大、空分成本高等缺點也值得注意。目前，對內燃機富氧燃燒的研究主要基于富氧進氣法進行的研究，通過液氧儲罐供氧，可以實現連續穩定供氧，從而實驗中可以精確控制供氧量。所選擇的實驗裝置是增壓中冷柴油機和發動機[1]。

設計實驗中使用的主要設備與儀器相關設備連接簡單，考慮到實驗中使用的氧氣主要是低溫保持的絕熱液氧技術，需要使用蒸發器、液體氧氣吸熱氣化，適應后體積膨脹，壓力升高，為此需要控制空氣與氧氣輸出壓力的相容程度。壓縮機壓力，可利用高壓氧氣排出，減壓結束后，氧氣與壓縮機壓縮空氣在進口穩壓混合罐內充分混合，實驗測試是在工況穩態下進行的，在被試柴油機常用的經濟轉速下進行，其中，當發動機最高轉速達到1600r/min時，調節輸出扭矩為100N/m，打開供氧閥，注入氧氣。插入進氣壓力罐，調節供氧閥開度，使供氧部分滿足試驗要求，保證發動機工作穩定，并清楚記錄相關信息[2]。實驗中按水乳化率0%、10%、20%和30%進行分組，分別對21%、23%、25%和30%的不同氧體積分數進行比較。

1.2 乳化柴油配置

乳化柴油采用實時在線乳化配置，相關成分包括乳化劑正丁醇，乳化劑用量為1%左右。進入汽缸行業的乳化柴油需要充分混合，以保證進入燃燒室時能均勻霧化，保證水分的完全吸熱氣化，滿足氧氣低溫燃燒的需要。豐富的進氣可以使用超聲乳化裝置來實現[3]。查看乳化柴油在燃燒過程中排放的污染氣體。借助該設備，對乳化液中的熱效應、空化效應和機械效應進行處理，確保乳化液中分散相的平均粒徑可控，使油水大分子分解并充分混合。

2 實驗結果以及模擬計算結果分析

2.1 燃燒室模型和邊界條件

化學動力學模型和CFD耦合計算時需要嚴格控制網格質量，一般的三維建模軟件構建的燃燒室模型在進行單元格劃分中質量得不到保障，還可能導致計算發散現象。而使用ESE Diesel創建的網格質量可靠，所以選擇以此作為計算參考。將發動機相應參數輸入到模型中。

在Sketcher中選擇燃燒室模型，在結合真實燃燒室參數對模型進行優化和完善，再進行噴油器參數設置，創建燃燒室模型網格，以此作為3D實體模型的構建基礎。考慮到全尺寸模型計算會消耗較長時間，要提升相關工作效率，可結合噴油器噴孔的數量，對燃燒室模型進行適度簡化[4]。

研究發現正庚烷的十六烷值與柴油非常近似，因此可以用正庚烷代替柴油進行燃燒計算。本次試驗選用的簡化模型為美國國家實驗室提供的正庚烷氧化燃燒機理。在這種機理下，相應的模型可以模擬內燃機在低溫和高溫條件下以及寬壓力范圍內的缸內燃燒[5]。2000r/min外特性缸壓力測試數據與模擬復合計算值對比，兩組數據差異不明顯，但對應的缸內最大壓力有一定差異，因為模擬計算是未對實際過程中的壓力損失進行分析，但總體而言，相應的復合計算結果能夠滿足真實試驗的模擬需要。

2.2 進氣氧體積分數及乳化率對缸內壓力、放熱率的影響

從實驗得到的缸內壓力曲線來看，隨著純柴油燃燒中氧氣體積分數的增加，發動機的最高壓力會出現一定程度的升高，對應的著火點也會提前一些。燃用10%以及20%乳化柴油的缸內燃燒情況和其他情況有類似情況，而在含水率增加的情況下，著火時刻會出現不斷向上右側移動的情況。

柴油中加水30%后，缸內點火正時在相應的氧體積分數下移動到上止點，點火延遲時間延長。相應的壓力隨吸氧量的增加而顯著增加，因此在燃燒初期仍有一定進展。可以看出，隨著柴油含水量的不斷增加，在相同的氧氣體積分數下，點火延遲延遲時間也呈現出線性特征[6]。

而在被測發動機燃用相同乳化率前提下，將進氣內的氧體積分數從21%提升到24%，缸內的著火也會呈現線性向上止點前移的現象，這樣對應最大爆發壓力出現時刻也會因為樣體積分數增加不斷前移，此時的最大爆發壓力有小幅度的提升。在相同進氣氧體積分數條件下，增加柴油中的含水率，會讓缸內的著火延遲增加，此時的最大爆發壓力降低，隨之而來的是時刻滯后，這樣壓力升高率也會不斷增加[7]。

2.3 進氣氧體積分數及乳化率對NO和碳煙排放的影響

實驗發現，隨著燃料中含水率的不斷增加，NO排放量呈現不斷下降趨勢，此時進氣內的氧氣含量也因此增加。含水乳化柴油對于控制缸內溫度有很好的應用效果，這對于抑制NO生成是有促進作用的。在富氧燃燒的狀態下，缸內氧氣富足，這為NO生成創造了良好條件，通過使用燃用柴油，在21%氧氣狀態下，NO的排放量已經達到1.130×10-3，該點的NO排放零是原機的排放量。30%的乳化柴油對于NO的抑制效果最理想，氧體積分數從21%增加到24%的情況下，并沒有NO超出原機排放量的現象。20%乳化柴油在21%以及22%兩個樣體積分數下的應用效果最為理想。10%乳化柴油在空氣助燃的情況下要優于原機[8]。

總體而言，隨著氧體積分數的增加，煙塵排放量不斷降低，隨著乳化速度的增加也呈下降趨勢。總之，在燃油進氣中加入氧氣和水也會導致更好的煙灰抑制，所以在柴油機中使用乳化柴油和含氧進氣會導致柴油機煙灰排放低于原裝發動機。

2.4 進氣氧體積分數及乳化率對燃燒室內溫度場分布的影響

結合CFD軟件FIRE和正庚烷的化學動力學模型模擬了相應的實驗條件。選取0%和30%乳化柴油樣品，比較進氣含氧體積分數為21%和含氧體積分數為24%的四種工況。選取上止點、上止點4°CA和上止點后10°CA分析各工況下的缸內溫度場切片，進而分析不同混水條件下的不同氧體積分數.分析含燃料的缸內燃燒和火焰傳播的影響[9]。

就模擬計算值而言，空氣助燃狀態下的最大壓力出現在8°ATDC，高出預測值0.3MPa。將實測結果和模擬計算結果比較，最大壓力要相對更高，不過其變化趨勢基本相同。模擬計算得出的著火時刻，最大壓力出現時刻有所不同。在對比分析后，可以對富氧燃燒情況精準反映。在富氧條件下，同一時刻缸內的火焰傳播方向和路徑大致相同。由此形成的火焰形狀也十分接近，但是范圍擴散比較明顯。就最高溫度來看，將3%的氧氣摻入空氣中，溫度提升超過100K，不同上止點和上止點時刻接近，都可以保持相似的火焰形狀以及擴散方向，不過相應著火范圍上富氧比空氣助燃情況大得多，且其燃燒速度也更快，由此帶來的最高溫度也更高。

從上止點時刻溫度場分布來看，燃燒含氧量為21%的空氣，將24%的富氧燃料與30%的水混合后，情況幾乎相同，此時加入的水具有明顯的吸熱效果。控制缸內的化學反應非常重要，一個好的效果是活塞上升到上止點時，部分區域溫度超過800K，可以滿足低溫反應要求。上止點后4°CA，在空氣燃燒的情況下，此時燃燒室內會出現一個開燃點，在富氧24%的情況下，已經形成了一個比較寬的范圍，并且它正迅速向著火點移動膨脹的火焰團。上止點后，在 10°CA，富氧 24% 的條件下，許多燃料反應已完成，此時缸內壓力達到最大峰值。在空氣燃燒的情況下，情況會略有不同，因為點火延遲比富氧時間長，而且上止點后10°CA時間也是氣缸內放熱的時間。由于是最集中的，所以在氣缸中積聚的燃油較多，此時會參與反應，燃燒速度加快，這時候的最高溫度要比富氧情況下更高。

3 乳化柴油和富氧燃燒對柴油機燃燒特性及循環變動率影響

研究發現，當乳化柴油在中等負荷下以經濟率使用且不與含氧、10-20%水乳化率混合時，純柴油可以使發動機循環變化率改變燃燒條件。30%的水乳化率將大大提高柴油循環率。加入富氧時，10%乳化山茶油在含氧量大于25%時，循環率比純柴油好，而其他乳化率則相對不足。燃燒結構不良可加速燃燒[10]。

進氣與氧氣混合，保證氣缸內富氧燃燒，在發動機部分點火延遲的情況下提前燃燒開始時間，促進放熱的正常過程，有效減少氧氣交換。發動機循環。反之，乳化柴油的作用可以不斷降低缸內燃燒溫度，延緩化學反應所需的時間，有助于著火延遲的不斷增加。通過調節進氣氧濃度和乳化柴油的含水量，可以控制發動機的燃燒時間和溫度。

在經濟轉速的中等負荷下，采用乳化柴油和缸內富氧燃燒，可以提高發動機的整體放熱率，此時混合燃油水應消耗適量的燃油。實現吸熱蒸發，柴油遇水乳化會增加油耗。

4 總結

研究通過實驗分析對比的方法，得出結論：與進氣混合的氧氣量可以提前氣缸內的燃燒起點，加快燃燒速度，提高其最大爆炸壓力。柴油加水乳化后燃燒可降低燃燒溫度，延緩缸內化學反應時間，增加阻燃現象，現在含水量越高，相應的阻燃越明顯。在調節進氣的氧氣體積分數和柴油乳化速度時，可以有效地控制發動機的啟動時刻和缸內溫度。在污染物控制方面，30%乳化柴油的NO控制效果最好，氧體積分數由21%提高到24%時，NO排放低于原機。20%乳化柴油在氧體積分數為21%和22%時效果最佳。10%乳化柴油遇空燃比原車好。感覺排放與氧氣體積分數之間存在反比關系，會隨著乳化率增加降低，通過乳化柴油以及進氣富氧的配合使用，可以讓柴油機發動機碳煙排放比原機更低。此外，在對溫度場分析中可以發現，低溫階段燃料氧化反應受到一定抑制，這時候氧體積分數對于缸內的化學反應影響不大，而燃料中華的水分氣化會同時產生吸熱現象，這種吸熱作用會降低缸內溫度，在缸內溫度不斷提升的過程中，一旦出現穩定火焰，此時進氣內的氧體積分數會隨著高溫出現較大變化。研究得出，低溫燃燒溫度可以切實降低NOx排放，而燃燒溫度過低情況下，也可能造成HC和CO的上升以及熱效率的降低，所以下一步工作目標應該關注對于燃燒室內局部高溫現象的改良上，這對于確保排放達標，避免熱效率降低都十分必要。

基金項目：

項目來源：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目

項目名稱：水乳化柴油與富氧協同作用的高效清潔燃燒機理研究

項目編號：（2022KY1241）。

參考文獻：

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