尾氣回收式煙霧機霧化影響因素及能量回收試驗

摘要：基于YN系列38CRD2型柴油發動機，在排氣管加裝尾氣回收式煙霧機進行負荷特性試驗，研究發動機轉速、噴頭流量和煙霧劑濃度變化對煙霧機霧化效果的影響，通過排氣管前后端溫度變化及加裝嫻霧機前后油耗變化得到尾氣能量回收效率。試驗結果表明，發動機轉速在2 400 r/min時，霧滴顆粒粒徑最佳；在定發動機轉速工況下，煙霧劑濃度為30%時，霧滴顆粒粒徑最佳；噴頭流量為7.5L/min時噴頭霧化較優。安裝煙霧機后，發動機轉速在2200～2 400 r/min時，發動機工作穩定且煙霧機霧滴顆粒粒徑均勻；通過采集發動機排氣管前后端溫度數據計算出尾氣回收再利用率為11%，即多利用88 g柴油，提高了燃油利用效率，實現節能減排。該研究為農業機械的多功能開發提供了新的方向。

關鍵詞：尾氣回收；煙霧機；能量回收效率；霧滴顆粒粒徑；發動機；負荷特性；燃油經濟性

中圖分類號：S220 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）03-0014-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.003

0引言

目前，內燃機普遍存在燃料轉化效率低、環境污染嚴重等問題，而且燃油是不可再生能源，柴油發動機的轉換效率只有28%～37%，燃料能量有40%左有被廢氣散失。因此，內燃機余熱、余壓回收技術領域得到廣泛的關注與研究，眾多科研人員都在為節能減排、提升總能效率做努力。本研究以YN系列38CRD2型4沖程柴油發動機為研究對象，在發動機排氣管加裝尾氣回收式煙霧機，使煙霧機與發動機相結合成為一個整體，發動機作為動力源，煙霧機作為工作機，利用發動機排氣管尾氣的熱量和壓力使煙霧機達到霧化的日的。對發動機轉速、煙霧劑濃度、噴頭流量選定和尾氣能量回收效率進行了試驗驗證，研究結果可為減少農機作業中碳排放、提高燃料轉化效率提供新的思路。

1試驗材料與方法

1.1試驗儀器和試驗材料

基于YN系列38CRD2型柴油發動機臺架進行試驗，在其排氣管加裝尾氣回收式煙霧機，利用發動機排氣管尾氣的熱量和壓力來實現煙霧機發煙霧化，試驗布置如圖1所示。主要試驗裝置與測試儀器參數如表1所示。對于霧化評價方式采用霧滴測試卡（A6）及霧滴分析軟件（WJL-602）進行采樣分析。

1.2試驗方法

在原有發動機排氣管道上加裝一臺煙霧機，在固定噴頭安裝位置和噴頭型號的條件下，研究發動機轉速、煙霧劑濃度及噴頭流量的變化對尾氣回收式煙霧機霧化效果的影響，通過排氣管前后端溫度變化及加裝煙霧機前后油耗變化得到尾氣能量的回收效率。加裝的煙霧機噴藥裝置結構如圖2所示，試驗方法如下。

（1）將發動機以200 r/min的遞增速度由2 000 r/min提升至2 800 r/min，做負荷特性試驗。用霧滴測試卡收集樣本分析數據，找到尾氣回收式煙霧機的最佳發煙工況，然后選擇5個煙霧劑濃度（10%、20%、30%、40%、50%）進行試驗并采集樣本密封留存，以備后期軟件處理。噴頭流量選擇的原則是與發動機尾氣中的余熱、余壓相匹配，避免藥物浪費，試驗采用數顯PWM控制供藥泵，設置4個不同的工作電壓（6、12、18和24 V）控制噴頭流量，進行樣本采樣。發動機轉速、煙霧劑濃度和噴頭流量作為尾氣回收式煙霧機霧化的影響因素，通過試驗篩選出最佳的3個數值，目的是提升作業霧化效果、減少環境污染和提高農藥利用率。

（2）對于尾氣回收式煙霧機的能量回收情況，從兩個方面進行試驗研究。①發動機的燃油經濟性試驗。在發動機臺架上做兩次負荷特性試驗，先通過測控儀控制臺收集發動機沒有加裝煙霧機時的油耗，再收集加裝煙霧機后的油耗，兩組數據進行對比，研究發動機單位燃料的變化情況。②發動機排氣管的余熱變化試驗。在發動機排氣管前端與排氣管末端安裝尾氣溫度傳感器，溫度采集是在改變發動機工況的情況下進行的，通過判斷排氣管前后端溫度差來判斷尾氣余熱的回收轉化情況。

（3）煙霧霧化效果依據霧滴顆粒粒徑的體積中值直徑VMD值、數值中值直徑NMD值及均勻度DR值指標來評判。通過霧滴分析軟件對樣本的分析取值，選取顆粒粒徑范圍在20～50 um的VMD值與NMD值，因為lt;20 um的霧滴顆粒會漂浮在空氣中，很難下沉到作物標靶上，霧滴顆粒粒徑太大會造成霧滴連片、藥液浪費和藥物殘留多等問題。DR值代表噴灑的霧滴顆粒是否均勻，一般為0.67～1.00，越接近1說明霧滴顆粒越均勻，lt;0.67可能會出現霧滴不均勻造成漏打、霧滴覆蓋密度不足的現象，因此要找到最佳的發動機轉速、煙霧劑濃度、噴頭流量和尾氣能量回收效率情況，通過VMD值、NMD值和DR值3個數值進行交叉對比篩選出最優組合。

2尾氣回收式煙霧機霧化影響因素

2.1發動機轉速對霧化效果的影響

尾氣回收式煙霧機是利用發動機尾氣的熱量及壓力進行發煙，不同工況的發動機，其尾氣能量回收程度不同。對發動機進行負荷特性試驗，通過霧滴測試卡采集的數值研究尾氣回收式煙霧機發煙效果，結果如圖3所示。

由圖3可知，霧滴顆粒直徑和發動機轉速成正比關系，轉速越大，霧滴顆粒直徑越大，造成這一現象的原因是當增加發動機轉速時，排氣量增加，尾氣溫度和壓力也隨之增大，排氣管內氣體雷諾數增大，紊流激烈，使煙霧劑破碎，因此霧化程度和藥劑顆粒數也會越來越明顯。發動機轉速在2 000～2 800 r/min時，發動機尾氣排出的余熱、余壓都可以使煙霧機發煙。

當發動機轉速為2 600 r/min時，霧滴顆粒直徑出現下降的趨勢，之后叉出現上升的趨勢。出現這種情況的原因：一是煙霧劑噴人排氣管，與排氣管中的尾氣碰撞摩擦，造成排氣減少、排氣背壓增大，同時發動機的充氣效率下降、氧氣含量減少，導致燃油燃燒不充分，輸出功率降低，使數值中值直徑呈現減小的趨勢；二是測量數據的誤差。

當發動機轉速為2 800 r/min時，VMD值gt;50 um，其值為53.32 um，原因是發動機轉速過快，流速過大，發動機排氣管中的能量來不及被回收就直接排出管外，導致發動機轉速達到2 800 r/min時，VMD值超出20～50 um粒徑范圍。說明此時霧滴粒徑較大，會造成霧滴連片、藥液浪費、藥物殘留多及防治效果不佳等問題。

發動機轉速在2 000～2 800 r/min時，DR值分別為0.76、0.91、0.93、0.85和0.79，DR值都在0.67～1.00范圍內，說明尾氣回收式煙霧機在正常運行時都有較好的均勻度且DR值都較高。其中發動機轉速2 400 r/min時，VMO值與NMD值分別為46.63、43.5 um，均在20～50 um粒徑范圍內，DR值為0.93，最接近于1，在霧化體系的評價指標中屬較高的均勻值。因此，發動機轉速在2 400 r/min的工況下，尾氣回收式煙霧機的霧滴顆粒粒徑最佳。

2.2煙霧劑濃度對霧化效果的影響

煙霧機通過煙霧劑霧化的方式使藥液懸浮在農作物周圍，減少噴灑不均勻、漏噴的情況，煙霧劑霧化情況的好壞直接影響施藥效果。結合試驗條件，選用水性溶解劑作為煙霧載體，其主要以水為介質，有較好的發煙效果及擴散性和附著性，而且成本較低、藥效持久性好，應用范圍較廣。

一般情況下，煙霧劑濃度與尾氣回收式煙霧機的發煙量成正比，但并不能說明發煙量越大防治效果就越好。防治效果不僅需要發煙量的指標判定，還需要霧滴顆粒的指標來評定，以此選擇較優的煙霧劑濃度。在固定發動機轉速為2 400 r/min條件下，選取5個煙霧劑濃度，分別設為10%、20%、30%、40%和50%進行試驗，結果如圖4所示。

由圖4可知，不同的煙霧劑濃度都可以使尾氣回收式煙霧機發煙，煙霧劑濃度在10%～40%時，霧滴顆粒直徑呈增大的趨勢。這是因為發動機工況在2 400 r/min時，發動機排氣管的溫度遠高于煙霧劑的臨界溫度，隨著煙霧劑濃度的增加，發煙量也隨之增加。煙霧劑濃度在10%～30%時，VMD值與NMD值均在20～50 um粒徑范圍內，而且DR直分別達到0.92、0.91、0.93，說明發動機工況在2400 r/min時，煙霧劑濃度調整至10%～30%范圍內效果最佳，可以達到較好的發煙效果，因此機器作業時煙霧劑的濃度可在此范圍內適當進行調整選擇。

當煙霧劑濃度為30%時，霧滴DR值達到0.93，DR值最接近于1，表明煙霧劑濃度為30%時最均勻，因此選擇煙霧劑濃度為30%。煙霧劑濃度為40%時，VMD值與NMD值上升到80.75和58.01 um，造成這一現象的原因是，40%濃度的煙霧劑發煙吸收的熱量大于發動機排氣管產生的熱量，在煙霧劑噴射出的一剎那產生了大量的煙，使VMO值不在最佳粒徑范圍20～50 um，因此也驗證了發煙量大小并不能直接決定防治效果好壞的判斷。煙霧劑濃度達到50%時，VMD值與NMD值呈下降趨勢，這是因為發動機排氣管中的能量不足以供給煙霧劑全部反應，導致煙霧劑直接被排出管外，霧滴顆粒粒徑下降。因此，煙霧劑濃度為40%～50%時，造成霧滴顆粒粒徑突然上升后又下降的原因是發動機排氣管的能量與煙霧劑濃度不匹配，煙霧劑濃度過大。

2.3噴頭流量對霧化效果的影響

為使尾氣回收式煙霧機達到最佳的發煙效果，同時避免藥物浪費、提升化學防治效果，在獲得發動機最佳工況與煙霧劑濃度的情況下，還需試驗獲取最佳的噴頭流量。采用數顯PWM直流電機調速器調整工作電壓以控制噴頭流量，試驗發現噴頭流量與霧滴粒徑呈正相關關系，表明噴頭流量會對霧滴顆粒粒徑產生直接影響，不同噴頭流量下煙霧機的VMD、NMD和DR值如圖5所示。

由圖5可知，工作電壓為6～12V時，VMD值與NMD值均在20～50 um粒徑范圍內，DR值分別為0.64、0.74，說明雖然工作電壓在這個范圍內可以正常發煙，但是霧滴均勻度相對不理想，會造成漏打、霧滴覆蓋密度不足的現象。當工作電壓增加到18V時，VMO值與NMD值分別為49.25和44.99 um，DR值達到0.91，最接近于1，表明工作電壓為18V時的噴頭流量霧化最均勻，噴頭流量為7.5 L/min，相較于其他噴頭流量發煙效果最好，因此推薦煙霧機噴頭流量為7.5 L/min。工作電壓為24V時的噴頭流量不建議采用，這是因為發動機排氣管余熱不足以提供足夠的熱量，而且噴管直徑相對固定，沒有足夠的壓力把噴頭流量全部壓縮噴出，導致出現VMD值突然上升至86.81 um，超出50 um粒徑范圍，霧滴顆粒粒徑過大，引發霧滴連片、藥液浪費和藥物殘留增多等問題。

3發動機尾氣能量回收效率

發動機在運行過程中，大部分的能量通過冷卻系統、潤滑系統及排氣散失到大氣中，只有少部分的燃料燃燒能量轉化為有用功，在造成能源浪費的同時，對大氣環境也產生了嚴重污染。一般柴油發動機的轉換效率為28%～37%，40%左右的燃料能量被廢氣散失。因此，加裝煙霧機通過發動機排氣管熱量及壓力實現二次霧化的同時增加柴油發動機的單位燃料可用功，提高燃料利用率以達到節能減排的效果。本研究用尾氣溫度傳感器、智能油耗儀及測控儀控制臺做負荷特性試驗，對排氣管余熱回收及燃油經濟性進行評價。

3.1發動機燃油經濟性

發動機燃油油耗與發動機工況變化關系如圖6所示。可以看出，油耗與發動機轉速成正相關關系，轉速增加，油耗增加。加裝煙霧機后，相同轉速下，油耗雖保持上升趨勢，但增幅為2.552%～3.882%，增幅較小。油耗增加是因為加裝的煙霧機相當于外掛負載，煙霧機在沒有附加動力源的情況下實現發煙，增加了發動機單位燃料的可用功，所以不能單一證明油耗增加就是發動機燃油經濟性的下降，而要通過煙霧機發煙效果與發動機尾氣余熱回收效率來衡量。

由圖6可知，發動機轉速在2 200～2 400 r/min時，加裝煙霧機前后油耗變化平緩穩定，增幅分別為3.314%和3.285%，說明在這個工況下發動機工作穩定，煙霧機霧滴顆粒粒徑均勻，這也印證了發動機轉速在2 400 r/min的工況下，煙霧機的霧滴顆粒粒徑是最佳的試驗結果。

3.2發動機排氣管余熱回收效率

在加裝煙霧機的排氣管前端與末端安裝尾氣溫度傳感器采集溫度變化數據，通過判斷排氣管前后端溫度差來判斷尾氣余熱的回收轉化情況，結果如圖7所示。可以看出，發動機轉速從2 000 r/min上升到2 800 r/min時，煙霧機在藥劑破碎過程中吸收了排氣管中的熱量使得排氣管溫度明顯下降，從前后端溫差曲線可以看出，在2 400～2 600 r/min范圍內，前后端溫度差值變化逐漸減小。這是因為隨著發動機轉速的增大，發動機狀態逐漸趨于穩定，發動機的排氣溫度遠大于煙霧機霧化所吸收的溫度值，發動機轉速增大的同時導致排氣速率加快，尾氣中一部分能量來不及回收，因此溫度變化越來越小。當發動機轉速增加到2 800 r/min時，排氣管前后端溫差增大，原因是隨著轉速的增加，發動機穩態破壞，處于高轉速、中低負荷區域，導致排氣管溫度突然升高，之后又趨于穩定。

排氣管前后端溫度發生變化驗證了尾氣中的能量得到了回收，煙霧機能量回收效率計算方式如下。柴油的燃燒熱量為43 070 kj/kg，柴油密度為0.84 kg/L，可計算出柴油釋放的熱量Q為36178.8 kJ/L，本研究按柴油發動機最高轉化效率37%計算，通過無利用熱量公式Q費=（1-37%）Q計算出柴油浪費的熱量為22 792.644 kj/L。通過TN16型紅外測溫儀測得煙霧劑發煙的臨界溫度為（125±1）℃，室溫25℃時，在煙霧劑、水、藥液3者的混合溶液中，以水為代表測得吸收能量Q吸為2 520 kJ/L。通過再利用率公式n=Q吸／Q費計算出煙霧機能量回收效率為11%，即多利用88g柴油。這說明煙霧機不僅回收了尾氣中的余熱，還有效提高了燃料利用率，起到節能減排的效果。

4結論與分析

（1）發動機轉速對霧化效果的影響試驗表明，在固定噴頭安裝位置和噴頭型號的條件下，隨著發動機轉速的不斷遞增，霧滴顆粒直徑呈增大趨勢。其中發動機轉速在2 400 r/min時，VMD值與NMD值分別為46.63、43.5，均在20～50 um粒徑范圍內，而且DR值達到0.93，最接近于1，在霧化體系的評價指標中屬較高的均勻值。通過VMD、NMD和DR值交叉篩選，認為發動機轉速在2 400 r/min的工況下，煙霧機的霧滴顆粒粒徑最佳。

（2）煙霧劑濃度對霧化效果的影響試驗表明，在確定噴頭安裝位置、噴頭型號、發動機轉速的情況下，煙霧劑濃度在10%～30%時，VMD值與NMD值均在20～50um粒徑范圍內，而且DR值分別達到0.92、0.91、0.93，說明煙霧劑濃度在此范圍內都可以達到較好的發煙效果及較好的均勻度。當煙霧劑濃度為30%時，霧滴DR值達到0.93，最接近于1，表明霧滴顆粒最均勻，因此推薦煙霧劑濃度為30%。

（3）噴頭流量對霧化效果的影響試驗表明，噴頭流量與霧滴粒徑呈正相關關系，工作電壓為6～12 V時，VMD值與NMD值均在20～50 um粒徑范圍內，DR值分別為0.64、0.74，說明這個工況下雖然可以正常發煙，但是霧滴均勻度相對不理想。當電壓增加到18 V時，VMD值與NMD值分別為49.25和44.99 um，DR值達到0.91，最接近于1，表明噴頭流量霧化最均勻，此時噴頭流量為7.5 L/min，因此推薦這個流量的噴頭。

（4）發動機燃油經濟性的影響試驗表明，安裝煙霧機后，發動機油耗有所上升，增幅為2.552%～3.882%，但增幅較小，油耗量增加主要受煙霧機外掛負載的影響。發動機轉速在2 200～2 400 r/min時，發動機工作穩定且煙霧機霧滴顆粒粒徑均勻，驗證了發動機在2 400 r/min轉速下煙霧機霧滴顆粒粒徑最佳的試驗結果。

（5）發動機排氣管余熱回收試驗表明，室溫25℃時，在煙霧劑、水、藥液3者的混合溶液中，以水為代表測得吸收能量為2 520 kJ/L。通過再利用率公式計算出煙霧機能量回收效率為11%，即多利用88 g柴油。這說明煙霧機不僅回收了尾氣中的余熱，還有效提高了燃料利用率，起到節能減排的效果。

5應用展望

根據我國農機目前發展現狀，未來應全力提升主要農作物生產全程機械化技術、大力發展應用綠色環保機械化技術、拓寬農機化發展領域。尾氣能量回收式煙霧機是綠色環保機械化裝置，可以作為拖拉機出廠時的一個選配配件，使用戶有更多的選擇。很多農機的功能都不是單一的，如中耕施肥機，在中耕作業的同時進行施肥。本研究設計的尾氣回收式煙霧機就是拖拉機進地一次完成2種作業，如棉花地進行除草作業的同時，可以利用煙霧機進行病蟲害防治；果園進行施肥作業的同時進行病蟲害防治等。

本研究設計的煙霧機由發動機排氣管改裝而來，使排氣管不單單只是排氣管，同時也是尾氣能量回收裝置煙霧機。需要煙霧機作業時，打開藥泵開關，此時就是煙霧機；不需要工作時，它就是排氣管的作用。本設計優化了農藝，增加了拖拉機的功能，提高了發動機燃油轉化效率，減少碳排放，為農業機械的發展提供了新的方向。