進氣加濕對柴油機燃用不同牌號柴油NOx排放性能的影響

韓銳，李宏剛，楊榮海，張邢磊，王娜

(東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)*

0 引言

在“安全、節能、環保”的可持續發展的前提下，汽車排放法規越來越嚴格，對柴油機排放的控制也再度成為研究的熱點.柴油機的排放控制方式很多，如廢氣再循環(EGR)，選擇性催化還原技術(SCR)，燃料水乳化法(FWE)等，但這些方法進行降排的過程中容易出現成本高、發動機易損耗、難于操作等問題.而1964年由庫帕在對內燃機燃燒與排放機理研究后提出:水可以使發動機在燃燒過程中減少NOx的生成量［1-2］.幾十年來對柴油工質摻水燃燒的研究一直沒有間斷，研究已經證實了庫帕的論斷.摻水燃燒作為一種獨特、廉價的減排的方法，也越來越引起人們的重視.本文在485QB型柴油發動機上進行了不同牌號柴油的進氣加濕降排NOx的實驗研究.通過濕空氣與燃油的混合燃燒，研究NOx的排放性能.

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

本實驗所采用的實驗發動機相關具體參數見附表.

附表 柴油發動機型號

水霧化裝置為自行設計研發，具體工作原理見圖1.本實驗采用超聲波霧化水的方法對進氣空氣進行加濕.柴油發動機工作時產生進氣負壓，將外部空氣通過玻璃蓋板和箱體的空隙吸入箱體，經過進氣導流板導流后平緩流動到水汽發生室上部，帶走超聲波霧化頭產生的水汽，經緩沖室緩沖后已經被均勻、充分加濕的工質直接通過管道進入柴油機.

圖1 柴油機進氣加濕實驗裝置圖

1.2 超聲波霧化機理

超聲波霧化器電路主要由4個模塊組成，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化為液體的機械振蕩，使液體破碎成霧，振蕩換能在液體中輻射強超聲，通過薄透聲膜輻射到液體中，而在液面產生噴泉狀霧化［4］.經霧化后的水的細小顆粒將發動機的進氣工質均勻加濕，被加濕的工質進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 實驗方法

實驗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，只能產生一個振蕩沖擊波，及其單霧化頭的霧化水量是固定的.實驗過程中需要改變霧化量時，采用了多組、不同數量的霧化頭同時工作的方法來實現不同霧化水量的控制.

2 實驗數據分析

為了分析在不同季節柴油摻水對發動機排放的影響，實驗中分別對-35號柴油和0號柴油的發動機排放性能進行了測試.

2.1 全負荷速度特性的NOx排放分析

圖3 發動機全負荷特性的NOx排放曲線

從圖3發動機全負荷特性的NOx排放量曲線中可以看出，-35號柴油和0號柴油的所有轉速工況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.

與不加濕時的進行對比分析，0號柴油全負荷時NOx的排量的降幅均在6%以上，2 200 r/min時的降排效果最明顯，降幅可達16.43%;而-35號全負荷時NOx的排量的降幅均在10%以上，1800 r/min時的降排效果最明顯，降幅可達30%.

2.2 2 000 r/min負荷特性的NOx排放分析

對圖4發動機2 000 r/min的負荷特性分析發現，-35號柴油和0號柴油的所有的轉矩工況下的NOx的排放量摻水工況均低于未摻水工況，且所有轉矩工況的NOx的排放量的降低程度都會隨著摻水量的增加而逐漸增加.與不加濕的工況進行對比，0號柴油2 000 r/min加濕后NOx的排量的降幅均在8%以上，低轉矩時NOx排量的降幅效果較明顯，20 Nm時的降幅可達18.84%;-35號柴油2 000 r/min加濕后NOx排量的降幅均在11%以上，低轉矩時NOx排量的降幅效果較明顯，20 Nm時的降幅可達20.43%.

圖4 2 000 r/min負荷特性的NOx排放曲線

2.3 2 000 r/min的燃油經濟性分析

對圖5發動機2 000 r/min不同牌號柴油的燃油經濟性進行分析發現，在怠速低轉矩時，發動機溫度較低，加濕后的工質進入發動機后會因激冷作用有部分工質被冷卻至液態，會出現部分工況的油耗會隨著工質加濕量的增加而增加.

圖5 2 000 r/min時發動機油耗率曲線

在進入正常運轉后，隨著負荷的增加發動機的溫度會逐漸上升，霧化的工質會全部參與燃燒，使發動機的油耗率下降.與未加濕工況對比，0號油油耗率的最大降幅出現在滿負荷狀態，降幅為2.69%;-35號油油耗率的最大降幅出現在100 N·m的工況，降幅為3.68%.

2.4 2 000 r/min時發動機的功率分析

對圖6發動機2 000 r/min不同牌號不同工況柴油的功率進行分析發現，排除奇異點，無論是0號柴油還是-35號柴油，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時發動機功率曲線

3 結論

本文分析了不同牌號柴油，使用超聲波霧化水蒸汽為進氣工質加濕，對柴油發動機性能的影響.

(1)0號柴油和-35號柴油的發動機的全負荷速度特性和2 000 r/min負荷特性都表明，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號柴油和-35號柴油的燃油經濟性分析表明，對發動機進氣工質加濕都可以在一定程度上降低發動機的油耗;

(3)無論是0號柴油還是-35號柴油，隨著加水量的變化對發動機的功率影響不大.

［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，劉傳菊，等.基于SCT89C52單片機的無線超聲波霧化系統的設計［J］.農機化研究，2012，(9):146-149.

［4］賈立斌.油霧發生器的理論及實驗研究［D］.沈陽:東北大學，2009.