廖梓珺,陳國需,趙立濤,秦 敏,王志民

(解放軍后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系,重慶400016)

能源危機(jī)和人居環(huán)境的日益惡化使得節(jié)能與環(huán)保成為全球性的重要課題,我國更是將節(jié)能減排作為“十一·五”規(guī)劃的一項(xiàng)重要任務(wù)。柴油機(jī)與汽油機(jī)相比,具有熱效率高、CO和 HC排放較低等優(yōu)點(diǎn),但NOx和顆粒物的排放高于汽油機(jī),仍不能滿足日益嚴(yán)格的排放和節(jié)能的要求[1]。使用性能良好的柴油節(jié)能降污添加劑,對(duì)已投入使用的車輛來說,既不用改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)也不用增加設(shè)備,是一種降低排放和提高經(jīng)濟(jì)性的最佳方法[2-3]。目前評(píng)價(jià)柴油節(jié)能降污添加劑功效的方法一般是采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),通過測(cè)試節(jié)油率、煙度變化率和NOx等有害排放物的變化率來評(píng)價(jià)柴油添加劑節(jié)能減排功效[4]。這種試驗(yàn)法比較直觀準(zhǔn)確,但是資源損耗和費(fèi)用較高。有研究者[5]提出,采用灰色相關(guān)分析法可以判斷柴油添加劑的功效,可節(jié)省大量的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)資源。

筆者采用低壓氧彈燃燒法測(cè)定加入節(jié)能降污添加劑后柴油樣的發(fā)熱量以及殘余物質(zhì)量,提出了2個(gè)評(píng)定指標(biāo),即發(fā)熱量變化率 Z和每克柴油燃燒后殘余物質(zhì)量變化率 R,對(duì)柴油節(jié)能降污添加劑效能進(jìn)行模擬評(píng)定,并將該模擬評(píng)定結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和鍋爐試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了灰色相關(guān)分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 油樣、儀器和方法

采用自行研制的納米節(jié)能降污添加劑1#和2#,分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%添加到中國石油天然氣集團(tuán)公司生產(chǎn)的0#柴油中,得到的油樣編號(hào)為A和B。

采用河南省鶴壁市儀表廠有限責(zé)任公司ZDHW-2型自動(dòng)量熱儀測(cè)定油樣發(fā)熱量,利用Sartouris BS210s型電子天平(精度0.1 mg)稱量油樣燃燒后殘余物質(zhì)量。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)D1135上,按QC/T 524-1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),儀表精度符合上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上所進(jìn)行的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及其他重要性能的試驗(yàn)方法。采用該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比A和B 2種油樣的節(jié)能、減排效果,并以空白的0#柴油為參照。該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)符合 QC/T 524-1999標(biāo)準(zhǔn)中“5對(duì)試驗(yàn)一般條件的控制”的規(guī)定,未作改動(dòng)。

為考察節(jié)能降污添加劑在鍋爐上的實(shí)際使用性能,采用 CLSS0.2-Y(Q)型燃料油鍋爐,根據(jù)GB/T 15317-94和 GB 10180-2003的要求進(jìn)行鍋爐試驗(yàn)。以正平衡法考察鍋爐的熱效率,以稱重法測(cè)定耗油量,測(cè)量水箱的水位獲取蒸汽量,通過熱電偶溫度計(jì)獲得蒸汽溫度。調(diào)節(jié)進(jìn)氣門測(cè)定某一過量空氣系數(shù)下的燃燒情況,采用英國產(chǎn)DH-9111型燃燒完全度綜合測(cè)定儀測(cè)定計(jì)算過量空氣系數(shù)。

1.2 鍋爐試驗(yàn)的測(cè)定指標(biāo)

鍋爐在工作過程中,主蒸汽和給水的溫度和壓力均保持不變,根據(jù)鍋爐的蒸汽量來計(jì)算節(jié)油率(Φ),見式(1)。

式(1)中,Φ為節(jié)油率,%;G0和 G1分別為鍋爐每產(chǎn)生1 t額定蒸汽參數(shù)的蒸汽所消耗的空白和加劑燃油的質(zhì)量,kg。

1.3 低壓氧彈燃燒法測(cè)定發(fā)熱量

參考 GB/T 384-1981(石油產(chǎn)品熱值測(cè)定法)測(cè)定油樣的發(fā)熱量。為了模擬實(shí)際工況,需將氧彈充氧壓力降低,以此時(shí)測(cè)得的發(fā)熱量表征燃燒的完全程度。

1.3.1 氧彈充氧壓力的確定

根據(jù)燃料的低熱值 QD可以近似估計(jì)理論空氣量V0[6-7],如式(2)所示。

式(2)中,“2.63”表示每產(chǎn)生10000 kJ發(fā)熱量需理論空氣量2.63 m3,柴油的低熱值 QD為44.562 kJ/g,故V0=11.72 m3/kg。

通常狀況下,理論需氧量為0.21V0,即2.46 m3/kg,彈筒容積為275 mL(實(shí)測(cè)),實(shí)驗(yàn)用油0.9 g,由氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到彈筒內(nèi)氧氣壓力 p=2.46×0.9×101.325×106/275=0.816× 106(Pa)。即彈筒內(nèi)氧氣壓力為0.816 MPa時(shí),以理論空燃比燃燒。由于車輛在運(yùn)行時(shí)有一定的過量空氣(取過量空氣系數(shù)為1.10),實(shí)際消耗空氣 Vn= nV0[8],即實(shí)際空氣量為 12.89 m3/kg。在過量空氣系數(shù)為1.10時(shí),實(shí)際需氧量為0.21Vn,即2.71 m3/kg,計(jì)算此時(shí)彈筒內(nèi)氧氣壓力 p=2.71× 0.9×101.325×106/275=0.899×106(Pa)。

即氧彈充氧壓力為0.9 MPa時(shí),模擬評(píng)定在過量空氣系數(shù)為1.10時(shí)輕質(zhì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工況。

1.3.2 模擬評(píng)定指標(biāo)的確定

測(cè)定加劑前后柴油的發(fā)熱量,然后按照式(3)計(jì)算得到發(fā)熱量變化率(Z)。稱量燃燒后殘余物質(zhì)量,按照式(4)計(jì)算得到每克油燃燒后殘余物質(zhì)量變化率(R)。采用這2個(gè)指標(biāo)模擬評(píng)定柴油節(jié)能降污添加劑效能。

式(3)中,QD0和 QD1分別為加劑前后柴油的發(fā)熱量, kJ/g。式(4)中,M0和 M1分別為加劑前后柴油燃燒殘余物的質(zhì)量,g;m0和 m1分別為加劑前后柴油樣的質(zhì)量,g。

1.4 理化指標(biāo)的測(cè)定

測(cè)定理化指標(biāo)的目的在于比較理化指標(biāo)和模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和鍋爐試驗(yàn)結(jié)果的接近程度。分別按照 GB/T 508和 GB/T 1884標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定加劑前后油樣的灰分和20℃時(shí)密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 灰色相關(guān)分析法

灰色相關(guān)分析是一種系統(tǒng)分析方法。對(duì)一個(gè)抽象的系統(tǒng)或現(xiàn)象進(jìn)行分析,首先要選準(zhǔn)反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列,用它來間接表征系統(tǒng)行為,然后和其他相關(guān)因素的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行對(duì)比分析。其基本原理是根據(jù)不同序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密,曲線形狀越接近,相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大,反之就越小[9]?；疑嚓P(guān)分析對(duì)樣本量的多少和樣本有無規(guī)律都同樣適用,而且計(jì)算量小,十分方便,不會(huì)出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符的情況,因而具有廣泛的實(shí)用性[10]。

灰色相關(guān)分析的一般步驟[9]:

(1)確定參考數(shù)列 X0和比較數(shù)列 Xi,求各序列的初值像(或均值像)。i為各個(gè)數(shù)列的序號(hào)。

(2)由式(5)求差序列。

式(5)中,Δi=(Δi(1),Δi(2),…,Δi(n)),k為各序列所包含的元素序號(hào),x為元素。

(3)由式(6)求兩極最大差與最小差。

(4)由式(7)求關(guān)聯(lián)系數(shù)(γ0i(k))。

(5)由式(8)計(jì)算關(guān)聯(lián)度:

(6)計(jì)算得到的各個(gè)序列關(guān)聯(lián)度γ0i∈(0,1),因此關(guān)聯(lián)度越接近1,說明它們的性能與參考數(shù)列越接近。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

表1列出加劑前后油樣的平均節(jié)油率(RAFS)、平均煙度變化率(RASV)和 NOx總體變化率(RNOx),發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果和鍋爐常用過量空氣系數(shù)α=1.07時(shí)的節(jié)油率(RBFS),以及采用低壓氧彈燃燒法得到模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果?；曳趾?0℃時(shí)密度(ρ20)的測(cè)試結(jié)果也列于表1。

表1 3種柴油樣的鍋爐試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和低壓氧彈燃燒法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 The results of boiler test,bench test and evaluation by low pressure oxygen bomb combustion method for three diesel samples

以表1中3個(gè)油樣的平均節(jié)油率數(shù)列 XAFS(0, 3.1,2.3)、平均煙度變化率數(shù)列 XASV(0,-24.6, -20.3)、NOx總體變化率數(shù)列 XNOx(0,-17.3, -19.6)和鍋爐常用過量空氣系數(shù)α=1.07時(shí)的節(jié)油率數(shù)列 XBFS(0,4.30,3.78)分別作為參考數(shù)列 X0,表1中的 Z、R、灰分和密度分別作為4組比較數(shù)列 Xi,分別記為 X1Z、X2R、X3A和 X4ρ。采用公式(5)、(6)、(7)和(8)計(jì)算出這4組比較數(shù)列分別相對(duì)于3組參考數(shù)列的灰色關(guān)聯(lián)度,結(jié)果如表2所示。通過灰色相關(guān)分析比較4組比較數(shù)列與參考數(shù)列的接近程度。

表2 根據(jù)表3數(shù)據(jù)的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果Table 2 The results of grey relational degree based on the data of Table 3

從表2可以看出,以臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果作為參考數(shù)列、2個(gè)模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)作為比較數(shù)列時(shí),得到的關(guān)聯(lián)度都較大。說明在評(píng)定添加劑節(jié)能降污效能時(shí),采用模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)定與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和鍋爐試驗(yàn)評(píng)定最接近,即用提出的模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)定添加劑的節(jié)能降污性能較準(zhǔn)確且可行。其中,在以平均節(jié)油率數(shù)列 XAFS、平均煙度變化率數(shù)列 XASV和鍋爐試驗(yàn)的節(jié)油率數(shù)列 XBFS分別作為參考數(shù)列 X0時(shí),提出的模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) Z作為比較數(shù)列得到的灰色關(guān)聯(lián)度最大,其次是模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) R作為比較數(shù)列得到的灰色關(guān)聯(lián)度,說明模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) Z能夠更好模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的平均節(jié)油率、平均煙度變化率和鍋爐試驗(yàn)的節(jié)油率。在以NOx總體變化率數(shù)列 XNOx作為參考數(shù)列 X0時(shí),提出的模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)R作為比較數(shù)列得到的灰色關(guān)聯(lián)度最大,其次是模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) Z作為比較數(shù)列得到的灰色關(guān)聯(lián)度,說明模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) R可以更好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的NOx總體變化率。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)模擬評(píng)定結(jié)果和理化指標(biāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和鍋爐試驗(yàn)進(jìn)行灰色相關(guān)分析,得到了在以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和鍋爐試驗(yàn)結(jié)果為參考數(shù)列、模擬評(píng)定結(jié)果作為比較數(shù)列時(shí)關(guān)聯(lián)度最大的結(jié)論,即評(píng)定添加劑節(jié)能降污功效時(shí),采用低壓氧彈燃燒法與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)法和鍋爐試驗(yàn)結(jié)果最為接近。

(2)采用低壓氧彈燃燒法得到的模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)Z可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的平均節(jié)油率、平均煙度變化率和鍋爐試驗(yàn)的節(jié)油率,模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) R可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中的NOx總體變化率。

(3)采用低壓氧彈燃燒法得到的2個(gè)模擬評(píng)價(jià)指標(biāo) Z和R可對(duì)所研制柴油添加劑節(jié)能降污功效進(jìn)行模擬評(píng)價(jià),為柴油添加劑的研發(fā)階段提供篩選指標(biāo),可節(jié)省大量發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)資源。

[1]向紅,梁正文.車用柴油機(jī)的發(fā)展前景[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2006,17(12):141-145.(XIANG Hong,LIANG Zhengwen.The developing tendency of automobile diesel engine[J].Communication Standardization,2006,17 (12):141-145.)

[2]高永建,陳國需,秦敏,等.燃油助燃劑研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī),2002,18(4):3-5.(GAO Yongjian,CHEN Guoxu,QIN Min,etal. Developmentoffuel combustion improver[J].Internal Combustion Engine, 2002,18(4):3-5.)

[3]紀(jì)常偉,何洪,馬慧,等.燃油添加劑對(duì)柴油機(jī)排放影響的試驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(4): 471-473.(J I Changwei,HE Hong,MA Hui,et al. Experimental study on the effect of fuel additive on diesel emissions[J].Journal of Beijing Polytechnic University,2004,30(4):471-473.)

[4]王賀武,周龍保.含氧燃料添加劑對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001,19(1):1-4.(WANG Hewu,ZHOU Longbao.Effect of oxygenate additive on performances and emissions of dieselengine [J]. Transactions of CSICE,2001,19(1):1-4.)

[5]LIANG Rongguang,ZENG Kai,DONG Zhurong,et al. Application of grey relation analysis for factors influencing efficacy of diesel oil additives[J]. Transactions of CSICE,2003,21(4):234-238.

[6]王志民,陳國需,李華峰,等.缺氧條件下含氧燃料添加劑助燃性能的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2004,22(1): 75-78.(WANG Zhimin,CHEN Guoxu,LI Huafeng, et al.Research of oxygenated additive on the combustion characteristics under oxygen deficient condition[J]. Transactions of CSICE,2004,22(1):75-78.)

[7]馮俊凱,沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算[M].第二版.北京:科學(xué)出版社,1992.

[8]韓昭滄.燃料及燃燒[M].第二版.北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

[9]劉思峰,郭天榜,黨耀國,等.灰色系統(tǒng)理論及應(yīng)用[M].第二版.北京:科學(xué)出版社,1999.

[10]梁榮光,孫紹云,黃洪濤.柴油添加劑功效判斷的非臺(tái)架試驗(yàn)方法研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2005,18(3):52-55. (LIANG Rongguang, SUN Shaoyun, HUANG Hongtao. Experimental research without requiring engine on the efficacy evaluating for diesel oil additives [J].Vehicle Engine,2005,18(3):52-55.)