进气加湿对柴油机燃用不同牌号柴油NOx排放性能的影响

韩锐，李宏刚，杨荣海，张邢磊，王娜

(东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)*

0 引言

在“安全、节能、环保”的可持续发展的前提下，汽车排放法规越来越严格，对柴油机排放的控制也再度成为研究的热点.柴油机的排放控制方式很多，如废气再循环(EGR)，选择性催化还原技术(SCR)，燃料水乳化法(FWE)等，但这些方法进行降排的过程中容易出现成本高、发动机易损耗、难于操作等问题.而1964年由库帕在对内燃机燃烧与排放机理研究后提出:水可以使发动机在燃烧过程中减少NOx的生成量［1-2］.几十年来对柴油工质掺水燃烧的研究一直没有间断，研究已经证实了库帕的论断.掺水燃烧作为一种独特、廉价的减排的方法，也越来越引起人们的重视.本文在485QB型柴油发动机上进行了不同牌号柴油的进气加湿降排NOx的实验研究.通过湿空气与燃油的混合燃烧，研究NOx的排放性能.

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

本实验所采用的实验发动机相关具体参数见附表.

附表 柴油发动机型号

水雾化装置为自行设计研发，具体工作原理见图1.本实验采用超声波雾化水的方法对进气空气进行加湿.柴油发动机工作时产生进气负压，将外部空气通过玻璃盖板和箱体的空隙吸入箱体，经过进气导流板导流后平缓流动到水汽发生室上部，带走超声波雾化头产生的水汽，经缓冲室缓冲后已经被均匀、充分加湿的工质直接通过管道进入柴油机.

图1 柴油机进气加湿实验装置图

1.2 超声波雾化机理

超声波雾化器电路主要由4个模块组成，分别为交流电源、变压整流、水位控制和振荡换能，如图2所示［3］.振荡换能是超声波雾化器的核心部分，它将高频电磁振荡转化为液体的机械振荡，使液体破碎成雾，振荡换能在液体中辐射强超声，通过薄透声膜辐射到液体中，而在液面产生喷泉状雾化［4］.经雾化后的水的细小颗粒将发动机的进气工质均匀加湿，被加湿的工质进入燃烧室后可以与被压燃的柴油颗粒更加均匀地混合.

图2 超声波雾化器电路原理框图

1.3 实验方法

实验中采用超声波雾化头是将压电陶瓷片作为换能器，而其振荡频率是固有的，只能产生一个振荡冲击波，及其单雾化头的雾化水量是固定的.实验过程中需要改变雾化量时，采用了多组、不同数量的雾化头同时工作的方法来实现不同雾化水量的控制.

2 实验数据分析

为了分析在不同季节柴油掺水对发动机排放的影响，实验中分别对-35号柴油和0号柴油的发动机排放性能进行了测试.

2.1 全负荷速度特性的NOx排放分析

图3 发动机全负荷特性的NOx排放曲线

从图3发动机全负荷特性的NOx排放量曲线中可以看出，-35号柴油和0号柴油的所有转速工况NOx的排放量在加水后都有明显地降低，而且随着加湿量的增加NOx的排量在逐渐降低.

与不加湿时的进行对比分析，0号柴油全负荷时NOx的排量的降幅均在6%以上，2 200 r/min时的降排效果最明显，降幅可达16.43%;而-35号全负荷时NOx的排量的降幅均在10%以上，1800 r/min时的降排效果最明显，降幅可达30%.

2.2 2 000 r/min负荷特性的NOx排放分析

对图4发动机2 000 r/min的负荷特性分析发现，-35号柴油和0号柴油的所有的转矩工况下的NOx的排放量掺水工况均低于未掺水工况，且所有转矩工况的NOx的排放量的降低程度都会随着掺水量的增加而逐渐增加.与不加湿的工况进行对比，0号柴油2 000 r/min加湿后NOx的排量的降幅均在8%以上，低转矩时NOx排量的降幅效果较明显，20 Nm时的降幅可达18.84%;-35号柴油2 000 r/min加湿后NOx排量的降幅均在11%以上，低转矩时NOx排量的降幅效果较明显，20 Nm时的降幅可达20.43%.

图4 2 000 r/min负荷特性的NOx排放曲线

2.3 2 000 r/min的燃油经济性分析

对图5发动机2 000 r/min不同牌号柴油的燃油经济性进行分析发现，在怠速低转矩时，发动机温度较低，加湿后的工质进入发动机后会因激冷作用有部分工质被冷却至液态，会出现部分工况的油耗会随着工质加湿量的增加而增加.

图5 2 000 r/min时发动机油耗率曲线

在进入正常运转后，随着负荷的增加发动机的温度会逐渐上升，雾化的工质会全部参与燃烧，使发动机的油耗率下降.与未加湿工况对比，0号油油耗率的最大降幅出现在满负荷状态，降幅为2.69%;-35号油油耗率的最大降幅出现在100 N·m的工况，降幅为3.68%.

2.4 2 000 r/min时发动机的功率分析

对图6发动机2 000 r/min不同牌号不同工况柴油的功率进行分析发现，排除奇异点，无论是0号柴油还是-35号柴油，随着加水量的变化其功率变化很小，都在0.5%以下.

图6 2 000 r/min时发动机功率曲线

3 结论

本文分析了不同牌号柴油，使用超声波雾化水蒸汽为进气工质加湿，对柴油发动机性能的影响.

(1)0号柴油和-35号柴油的发动机的全负荷速度特性和2 000 r/min负荷特性都表明，加水可以有效地降低NOx的排量，随着加水量的增加降排效果越明显，最大降幅在30%;

(2)0号柴油和-35号柴油的燃油经济性分析表明，对发动机进气工质加湿都可以在一定程度上降低发动机的油耗;

(3)无论是0号柴油还是-35号柴油，随着加水量的变化对发动机的功率影响不大.

［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，王克强，刘传菊，等.基于SCT89C52单片机的无线超声波雾化系统的设计［J］.农机化研究，2012，(9):146-149.

［4］贾立斌.油雾发生器的理论及实验研究［D］.沈阳:东北大学，2009.