陳慶平，金晗輝，何理瑞

(1.浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310018;2.浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，由此產(chǎn)生了氣候惡化、能源危機(jī)、油價(jià)上漲等一系列問題，使各國政府、汽車制造業(yè)和消費(fèi)者都越來越關(guān)注汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的問題.怠速作為汽車行駛的一種重要工況，其約占城市工況總運(yùn)行時(shí)間的1/4～1/3左右，此時(shí)發(fā)動機(jī)需要供給極濃的混合氣，需要消耗相當(dāng)多的燃油，所以研究發(fā)動機(jī)的怠速節(jié)油技術(shù)具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義.霧化燃燒是目前發(fā)動機(jī)內(nèi)液體燃料的主要燃燒方式，研究表明燃料的霧化質(zhì)量及燃燒室內(nèi)燃油霧滴的流場直接影響著燃燒過程和污染物的生成［1］.目前很多針對發(fā)動機(jī)節(jié)能減排的研究都是基于這些方面展開的:如稀燃技術(shù)和快速燃燒技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、高壓噴射技術(shù)及高性能燃燒室的研究設(shè)計(jì)等.

靜電噴霧燃燒技術(shù)則是利用高壓靜電對燃油霧化過程以及燃油霧滴在燃燒室流場中的運(yùn)動進(jìn)行控制，達(dá)到從另外一個(gè)思路來提高燃燒效率，降低污染物排放的目的.研究發(fā)現(xiàn)，靜電不僅改善了燃油霧化質(zhì)量，同時(shí)還對燃油液滴的運(yùn)動規(guī)律有很大影響，能很好的促進(jìn)燃料和空氣的混合，從而非常有效地提高燃油經(jīng)濟(jì)性［2］.靜電霧化的另一優(yōu)點(diǎn)是在外界條件沒有發(fā)生大的變化的情況下，僅需要外加很小電能，就能獲得超出普通霧化很多的霧化效果，成本很低.因此靜電噴霧燃燒技術(shù)只需要極少的成本代價(jià)，就能大幅改善發(fā)動機(jī)燃油霧化質(zhì)量，提高燃燒效率，研究靜電噴霧燃燒技術(shù)對減低發(fā)動機(jī)怠速油耗具有較大現(xiàn)實(shí)意義［3］.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

怠速工況是指發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率只用于自身及其所帶的附件消耗的功率，不對外做功的運(yùn)行工況.此時(shí)發(fā)動機(jī)的節(jié)氣門接近全閉，空氣流速很低，霧化條件很差，所以要供給極濃的混合氣，油耗很大.國內(nèi)外的研究表明，燃油霧化的好壞主要取決于燃油液滴的表面張力和外力的相互作用結(jié)果.如果使燃油在霧化前或霧化后帶上一定量的電荷(可以使之帶上靜電產(chǎn)生)，由于同種電荷互相排斥，會使液滴抵消掉一部分的表面張力或分裂，從而達(dá)到霧化成更小液滴的目的［3］.所以在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候把靜電噴霧燃燒技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動機(jī)上，使油液的液滴帶上足夠的靜電(電荷)，可以顯著的提升液滴的霧化效果，達(dá)到節(jié)油的目的.

國內(nèi)外的研究表明，靜電噴霧的充電方式有三種:電暈充電、感應(yīng)充電和接觸充電，其中接觸充電由于絕緣較困難而應(yīng)用較少.根據(jù)各種介質(zhì)的導(dǎo)電性和充電機(jī)理的不同，可以采取其他的兩種充電方式.根據(jù)江蘇理工大學(xué)的研究表明，對于汽油來說利用針狀電極的接觸充電能取得比較好的充電效果［4］.本實(shí)驗(yàn)是以此為基礎(chǔ)在實(shí)際怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行的，由于靜電很容易流失，所以如何在油液上加上靜電并能使之有效的利用是本實(shí)驗(yàn)要考慮的關(guān)鍵問題.從理論上分析，最理想的方案是在發(fā)動機(jī)噴油器噴油口處安裝靜電霧化裝置，把高壓靜電直接作用于噴射出來的燃油液滴上，此時(shí)靜電流失最少，霧化效果最明顯.但這種方案的實(shí)施必須要在汽缸蓋或進(jìn)氣管側(cè)打孔進(jìn)去，工藝比較復(fù)雜，實(shí)施的成本比較高.本實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)成本等方面的考慮，采用在噴油器支架進(jìn)油口的油管處安裝一個(gè)靜電霧化裝置，使油液在進(jìn)入噴油器之前就帶上足夠的電荷，雖然帶上靜電的油液在流動過程中會流失部分的電荷，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從噴油器噴射出來的燃油霧化效果還是比不加靜電的要好很多，所以此方案是可行的.

1.2 靜電霧化裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析可知，如果油液在進(jìn)入噴油器之前帶上的靜電越多，油液流動過程中流失的靜電越少，霧化的效果就會越明顯.根據(jù)這個(gè)思路，作者設(shè)計(jì)了多個(gè)靜電霧化裝置，經(jīng)過多方比較和驗(yàn)證，最后決定采用見圖1.

圖1 靜電霧化裝置

此靜電霧化裝置安裝在在噴油器支架進(jìn)油口處，它分為左右兩部分，分別和油管連接，中間是若干層鋁網(wǎng)，在鋁網(wǎng)中間盡可能的把鋁絲剪斷，產(chǎn)生盡可能多的尖端電極，當(dāng)它和靜電發(fā)生器連接的時(shí)候，尖端電極就能產(chǎn)生足夠的靜電，當(dāng)油液流過尖端電極的時(shí)候就能帶上足夠的電荷［4］.

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置見圖2.主要由桑塔納2000AFE型發(fā)動機(jī)、HNA-500廢氣分析儀、CW100型電渦流測功機(jī)、ES100KX1型電子稱、點(diǎn)火正時(shí)檢測儀、真空壓力表、靜電發(fā)生器等組成［5］.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置

此實(shí)驗(yàn)臺的核心是桑塔納2000AFE型發(fā)動機(jī).ES100KX1型電子稱用來測定發(fā)動機(jī)在不同怠速轉(zhuǎn)速下油耗.HNA-500廢氣分析儀用不分光紅外吸收法原理測量尾氣中的CO、HC、CO2的含量，用電化學(xué)原理測量排氣中的NO和O2的含量，并可根據(jù)尾氣中測得的CO、HC、CO2和O2的成分計(jì)算出過量空氣系數(shù)λ.此廢氣分析儀還帶有感應(yīng)式轉(zhuǎn)速測量鉗和溫度傳感器探頭，可在檢測廢氣的同時(shí)監(jiān)測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和潤滑油或冷卻水的溫度.靜電發(fā)生器和作者設(shè)計(jì)的靜電霧化裝置一起可以讓進(jìn)入噴油器的油液產(chǎn)出足夠的靜電.

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開始前，先把作者設(shè)計(jì)好的靜電霧化裝置安裝到噴油器支架進(jìn)油口的油管處，其他裝置都保持原機(jī)的狀態(tài).在測量怠速工況的油耗時(shí)，選擇發(fā)動機(jī)起動40 s后進(jìn)入暖機(jī)過程(快怠速)開始測量，大部分?jǐn)?shù)據(jù)是在穩(wěn)定怠速工況下獲得的.

此實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)過程進(jìn)行，第一個(gè)過程是在油液不加靜電的前提下，用ES100KX1型電子稱測出發(fā)動機(jī)在不同怠速轉(zhuǎn)速下的油耗，同時(shí)用HNA-500廢氣分析儀測出發(fā)動機(jī)在不同怠速轉(zhuǎn)速下的CO、HC、CO2、NOX等的變化規(guī)律.第二個(gè)過程是把靜電發(fā)生器連接到靜電霧化裝置上，讓進(jìn)入發(fā)動機(jī)的油液帶上足夠的靜電，再次用ES100KX1型電子稱測出發(fā)動機(jī)在不同怠速轉(zhuǎn)速下的油耗，用HNA-500廢氣分析儀測出發(fā)動機(jī)在不同怠速轉(zhuǎn)速下的 CO、HC、CO2、NOX等的變化規(guī)律［6］.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖5.

圖3為靜電噴霧燃燒技術(shù)對發(fā)動機(jī)怠速油耗的影響規(guī)律:怠速狀態(tài)下當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以下時(shí)，加上靜電以后比油耗有所減低，下降幅度大約為3%左右，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以上時(shí)，比油耗變化不大.原因是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以下時(shí)，霧化條件較差，所以使用靜電噴霧燃燒技術(shù)后容易改善其霧化，節(jié)油效果會比較明顯.當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到了1 000 r/min以上時(shí)，霧化條件開始變好，所以靜電噴霧燃燒技術(shù)改善霧化的潛力減少，節(jié)油效果表現(xiàn)的不是很明顯.

圖4是靜電噴霧燃燒技術(shù)對發(fā)動機(jī)怠速狀態(tài)下HC排放的影響規(guī)律:在所有的怠速轉(zhuǎn)速下靜電噴霧燃燒技術(shù)都可以使HC的排放下降，幅度大概在10% ～17%之間，可見靜電噴霧燃燒技術(shù)確實(shí)改善了燃油的霧化，對HC的排放非常有利.下CO排放的影響規(guī)律:在所有的怠速轉(zhuǎn)速下靜電噴霧燃燒技術(shù)都可以使CO的排放下降，幅度大概在5%～25%之間，可見靜電噴霧燃燒技術(shù)對改善CO排放的效果也是比較明顯的.

3 結(jié)語

本文針對桑塔納2000AFE型發(fā)動機(jī)，搭建了基于靜電噴霧燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺，并對油耗和排放進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試研究.結(jié)果表明，在怠速狀態(tài)下，靜電噴霧燃燒技術(shù)可以明顯改善發(fā)動機(jī)的節(jié)油和排放:

(1)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以下時(shí)，節(jié)油可達(dá)3%;

(2)在所有的怠速轉(zhuǎn)速下，HC的排放下降幅度可達(dá)10% ～17%，CO的排放幅度可達(dá)5% ～25%.

［1］岑可法，姚 強(qiáng).燃燒理論與污染控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］李世武，高延令，徐紹曾，等.燃油荷電改善霧化的機(jī)理與試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2000，31(3):19-23.

［3］葛自良，毛駿健，陸汝潔.液體靜電霧化現(xiàn)象及其應(yīng)用［J］.自然雜志，2003，22(1):87-41.

［4］王軍鋒，聞建龍，羅惕乾.煤油荷電噴霧特性及噴霧流場的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(7):37-40.

［5］李國杰.怠速工況下發(fā)動機(jī)性能的研究［J］.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，6(1):35-37.

［6］李世武，王云鵬，王 羽.靜電霧化技術(shù)在汽車節(jié)能降排中的應(yīng)用［J］.汽車工程，2001，23(4):283-286.