韓銳，李宏剛，楊榮海，張邢磊，王娜

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

0 引言

在“安全、節(jié)能、環(huán)?！钡目沙掷m(xù)發(fā)展的前提下，汽車排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，對(duì)柴油機(jī)排放的控制也再度成為研究的熱點(diǎn).柴油機(jī)的排放控制方式很多，如廢氣再循環(huán)(EGR)，選擇性催化還原技術(shù)(SCR)，燃料水乳化法(FWE)等，但這些方法進(jìn)行降排的過程中容易出現(xiàn)成本高、發(fā)動(dòng)機(jī)易損耗、難于操作等問題.而1964年由庫帕在對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放機(jī)理研究后提出:水可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中減少NOx的生成量［1-2］.幾十年來對(duì)柴油工質(zhì)摻水燃燒的研究一直沒有間斷，研究已經(jīng)證實(shí)了庫帕的論斷.摻水燃燒作為一種獨(dú)特、廉價(jià)的減排的方法，也越來越引起人們的重視.本文在485QB型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了不同牌號(hào)柴油的進(jìn)氣加濕降排NOx的實(shí)驗(yàn)研究.通過濕空氣與燃油的混合燃燒，研究NOx的排放性能.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)具體參數(shù)見附表.

附表 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)

水霧化裝置為自行設(shè)計(jì)研發(fā)，具體工作原理見圖1.本實(shí)驗(yàn)采用超聲波霧化水的方法對(duì)進(jìn)氣空氣進(jìn)行加濕.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生進(jìn)氣負(fù)壓，將外部空氣通過玻璃蓋板和箱體的空隙吸入箱體，經(jīng)過進(jìn)氣導(dǎo)流板導(dǎo)流后平緩流動(dòng)到水汽發(fā)生室上部，帶走超聲波霧化頭產(chǎn)生的水汽，經(jīng)緩沖室緩沖后已經(jīng)被均勻、充分加濕的工質(zhì)直接通過管道進(jìn)入柴油機(jī).

圖1 柴油機(jī)進(jìn)氣加濕實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 超聲波霧化機(jī)理

超聲波霧化器電路主要由4個(gè)模塊組成，分別為交流電源、變壓整流、水位控制和振蕩換能，如圖2所示［3］.振蕩換能是超聲波霧化器的核心部分，它將高頻電磁振蕩轉(zhuǎn)化為液體的機(jī)械振蕩，使液體破碎成霧，振蕩換能在液體中輻射強(qiáng)超聲，通過薄透聲膜輻射到液體中，而在液面產(chǎn)生噴泉狀霧化［4］.經(jīng)霧化后的水的細(xì)小顆粒將發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣工質(zhì)均勻加濕，被加濕的工質(zhì)進(jìn)入燃燒室后可以與被壓燃的柴油顆粒更加均勻地混合.

圖2 超聲波霧化器電路原理框圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用超聲波霧化頭是將壓電陶瓷片作為換能器，而其振蕩頻率是固有的，只能產(chǎn)生一個(gè)振蕩沖擊波，及其單霧化頭的霧化水量是固定的.實(shí)驗(yàn)過程中需要改變霧化量時(shí)，采用了多組、不同數(shù)量的霧化頭同時(shí)工作的方法來實(shí)現(xiàn)不同霧化水量的控制.

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了分析在不同季節(jié)柴油摻水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)-35號(hào)柴油和0號(hào)柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能進(jìn)行了測(cè)試.

2.1 全負(fù)荷速度特性的NOx排放分析

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷特性的NOx排放曲線

從圖3發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷特性的NOx排放量曲線中可以看出，-35號(hào)柴油和0號(hào)柴油的所有轉(zhuǎn)速工況NOx的排放量在加水后都有明顯地降低，而且隨著加濕量的增加NOx的排量在逐漸降低.

與不加濕時(shí)的進(jìn)行對(duì)比分析，0號(hào)柴油全負(fù)荷時(shí)NOx的排量的降幅均在6%以上，2 200 r/min時(shí)的降排效果最明顯，降幅可達(dá)16.43%;而-35號(hào)全負(fù)荷時(shí)NOx的排量的降幅均在10%以上，1800 r/min時(shí)的降排效果最明顯，降幅可達(dá)30%.

2.2 2 000 r/min負(fù)荷特性的NOx排放分析

對(duì)圖4發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min的負(fù)荷特性分析發(fā)現(xiàn)，-35號(hào)柴油和0號(hào)柴油的所有的轉(zhuǎn)矩工況下的NOx的排放量摻水工況均低于未摻水工況，且所有轉(zhuǎn)矩工況的NOx的排放量的降低程度都會(huì)隨著摻水量的增加而逐漸增加.與不加濕的工況進(jìn)行對(duì)比，0號(hào)柴油2 000 r/min加濕后NOx的排量的降幅均在8%以上，低轉(zhuǎn)矩時(shí)NOx排量的降幅效果較明顯，20 Nm時(shí)的降幅可達(dá)18.84%;-35號(hào)柴油2 000 r/min加濕后NOx排量的降幅均在11%以上，低轉(zhuǎn)矩時(shí)NOx排量的降幅效果較明顯，20 Nm時(shí)的降幅可達(dá)20.43%.

圖4 2 000 r/min負(fù)荷特性的NOx排放曲線

2.3 2 000 r/min的燃油經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)圖5發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min不同牌號(hào)柴油的燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在怠速低轉(zhuǎn)矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低，加濕后的工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后會(huì)因激冷作用有部分工質(zhì)被冷卻至液態(tài)，會(huì)出現(xiàn)部分工況的油耗會(huì)隨著工質(zhì)加濕量的增加而增加.

圖5 2 000 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率曲線

在進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，隨著負(fù)荷的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)逐漸上升，霧化的工質(zhì)會(huì)全部參與燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率下降.與未加濕工況對(duì)比，0號(hào)油油耗率的最大降幅出現(xiàn)在滿負(fù)荷狀態(tài)，降幅為2.69%;-35號(hào)油油耗率的最大降幅出現(xiàn)在100 N·m的工況，降幅為3.68%.

2.4 2 000 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分析

對(duì)圖6發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min不同牌號(hào)不同工況柴油的功率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，排除奇異點(diǎn)，無論是0號(hào)柴油還是-35號(hào)柴油，隨著加水量的變化其功率變化很小，都在0.5%以下.

圖6 2 000 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線

3 結(jié)論

本文分析了不同牌號(hào)柴油，使用超聲波霧化水蒸汽為進(jìn)氣工質(zhì)加濕，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.

(1)0號(hào)柴油和-35號(hào)柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷速度特性和2 000 r/min負(fù)荷特性都表明，加水可以有效地降低NOx的排量，隨著加水量的增加降排效果越明顯，最大降幅在30%;

(2)0號(hào)柴油和-35號(hào)柴油的燃油經(jīng)濟(jì)性分析表明，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣工質(zhì)加濕都可以在一定程度上降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗;

(3)無論是0號(hào)柴油還是-35號(hào)柴油，隨著加水量的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率影響不大.

［1］NICHOLLS J E ，EI-Messiri A，Newhall H K.Inlet manifold water injection for control of nitrogen oxides［J］.Society of Automotive Engineers Transactions，1969(4):690018.

［2］ LARS-Ola Olsson Munters Euroform Gmbh.Asimple way to Reduse NOxEmissions in Diesel Enginens of All sizes［J］.Journal of the institution of Diesel and Gas Turbine Engineers，2000，4(5):68-71.

［3］唐宇，王克強(qiáng)，劉傳菊，等.基于SCT89C52單片機(jī)的無線超聲波霧化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012，(9):146-149.

［4］賈立斌.油霧發(fā)生器的理論及實(shí)驗(yàn)研究［D］.沈陽:東北大學(xué)，2009.