柴油机富氧进气燃用乳化柴油的循环变动与燃烧特性

2023-10-24陈浩平牛彩云

时代汽车 2023年20期

陈浩平　牛彩云

摘要：在柴油机中应用进气富氧技术能够减少碳烟排放量，对于提升燃烧热效率，增加发动机功率密度也有一定作用。本文考察了进气富氧和水乳化柴油的应用，研究了进气氧浓度和乳化柴油水成分对增压柴油机燃烧和排放的具体影响，会产生正氧效应。进气富氧技术的发展。研究得出结论，将进气充氧技术应用于直喷柴油机，分析了不同水混合比的乳化柴油的循环变化和燃烧特性。在一定程度上，使用乳化柴油时，由于乳化率的增加，闪点会不断降低，当含水量达到30%时，着火延迟增加，此时燃烧组织变差，周期性波动相应增加。

关键词：柴油机富氧进气乳化柴油循环变动燃烧特性

通过在柴油中加入一定比例的水，水在气缸内吸热气化，降低气缸内温度，延长点火延迟，导致发动机运转不平稳，整体燃烧持续恶化，还会导致有害气体的排放增加，严重污染空气环境。柴油机富氧燃烧缩短了燃烧准备时间，提前了点火正时。由此看来，富氧燃烧与乳化柴油相结合，可以避免单一方法应用过程中的不利因素，有利于优化燃烧条件。燃用水乳化的柴油，能够让缸内温度下降，也能减少NOX以及颗粒物排放量。而将氧掺入到进气成分中，可以让缸内实现富氧燃烧，这样可以避免碳烟排放量，但是，由于吸收的氧气体积分数增加，NOX会增加。富氧燃烧时气缸温度升高，可通过气缸内形成的大量水蒸气与乳化柴油发生吸热反应来解决。反之，乳化柴油的着火延迟延长会因富氧引起的着火时间提前而得到改善。乳化柴油和不同富氧比的应用，可以调节点火正时和燃烧速度，有效控制变化率。

1 实验装置及乳化柴油配置

1.1 实验装置和方法

在内燃机进气中吸入富氧空气是内燃机富氧燃烧最初探索的一项技术。现阶段，随着材料科学技术的不断发展，空气分离用渗透膜技术可以为内燃机进气富氧提供技术支持，合适的膜还具有良好的选择性和渗透性，可以结合其需要，发动机空气在车内创造理想的氧气富集。在膜分离技术的支持下，氧气体积分数可达35%，有效支持发动机富氧燃烧。然而，透氧膜技术在应用中，其分离效率低、气阻大、空分成本高等缺点也值得注意。目前，对内燃机富氧燃烧的研究主要基于富氧进气法进行的研究，通过液氧储罐供氧，可以实现连续稳定供氧，从而实验中可以精确控制供氧量。所选择的实验装置是增压中冷柴油机和发动机[1]。

设计实验中使用的主要设备与仪器相关设备连接简单，考虑到实验中使用的氧气主要是低温保持的绝热液氧技术，需要使用蒸发器、液体氧气吸热气化，适应后体积膨胀，压力升高，为此需要控制空气与氧气输出压力的相容程度。压缩机压力，可利用高压氧气排出，减压结束后，氧气与压缩机压缩空气在进口稳压混合罐内充分混合，实验测试是在工况稳态下进行的，在被试柴油机常用的经济转速下进行，其中，当发动机最高转速达到1600r/min时，调节输出扭矩为100N/m，打开供氧阀，注入氧气。插入进气压力罐，調节供氧阀开度，使供氧部分满足试验要求，保证发动机工作稳定，并清楚记录相关信息[2]。实验中按水乳化率0%、10%、20%和30%进行分组，分别对21%、23%、25%和30%的不同氧体积分数进行比较。

1.2 乳化柴油配置

乳化柴油采用实时在线乳化配置，相关成分包括乳化剂正丁醇，乳化剂用量为1%左右。进入汽缸行业的乳化柴油需要充分混合，以保证进入燃烧室时能均匀雾化，保证水分的完全吸热气化，满足氧气低温燃烧的需要。丰富的进气可以使用超声乳化装置来实现[3]。查看乳化柴油在燃烧过程中排放的污染气体。借助该设备，对乳化液中的热效应、空化效应和机械效应进行处理，确保乳化液中分散相的平均粒径可控，使油水大分子分解并充分混合。

2 实验结果以及模拟计算结果分析

2.1 燃烧室模型和边界条件

化学动力学模型和CFD耦合计算时需要严格控制网格质量，一般的三维建模软件构建的燃烧室模型在进行单元格划分中质量得不到保障，还可能导致计算发散现象。而使用ESE Diesel创建的网格质量可靠，所以选择以此作为计算参考。将发动机相应参数输入到模型中。

在Sketcher中选择燃烧室模型，在结合真实燃烧室参数对模型进行优化和完善，再进行喷油器参数设置，创建燃烧室模型网格，以此作为3D实体模型的构建基础。考虑到全尺寸模型计算会消耗较长时间，要提升相关工作效率，可结合喷油器喷孔的数量，对燃烧室模型进行适度简化[4]。

研究发现正庚烷的十六烷值与柴油非常近似，因此可以用正庚烷代替柴油进行燃烧计算。本次试验选用的简化模型为美国国家实验室提供的正庚烷氧化燃烧机理。在这种机理下，相应的模型可以模拟内燃机在低温和高温条件下以及宽压力范围内的缸内燃烧[5]。2000r/min外特性缸压力测试数据与模拟复合计算值对比，两组数据差异不明显，但对应的缸内最大压力有一定差异，因为模拟计算是未对实际过程中的压力损失进行分析，但总体而言，相应的复合计算结果能够满足真实试验的模拟需要。

2.2 进气氧体积分数及乳化率对缸内压力、放热率的影响

从实验得到的缸内压力曲线来看，随着纯柴油燃烧中氧气体积分数的增加，发动机的最高压力会出现一定程度的升高，对应的着火点也会提前一些。燃用10%以及20%乳化柴油的缸内燃烧情况和其他情况有类似情况，而在含水率增加的情况下，着火时刻会出现不断向上右侧移动的情况。

柴油中加水30%后，缸内点火正时在相应的氧体积分数下移动到上止点，点火延迟时间延长。相应的压力随吸氧量的增加而显着增加，因此在燃烧初期仍有一定进展。可以看出，随着柴油含水量的不断增加，在相同的氧气体积分数下，点火延迟延迟时间也呈现出线性特征[6]。

而在被测发动机燃用相同乳化率前提下，将进气内的氧体积分数从21%提升到24%，缸内的着火也会呈现线性向上止点前移的现象，这样对应最大爆发压力出现时刻也会因为样体积分数增加不断前移，此时的最大爆发压力有小幅度的提升。在相同进气氧体积分数条件下，增加柴油中的含水率，会让缸内的着火延迟增加，此时的最大爆发压力降低，随之而来的是时刻滞后，这样压力升高率也会不断增加[7]。

2.3 进气氧体积分数及乳化率对NO和碳烟排放的影响

实验发现，随着燃料中含水率的不断增加，NO排放量呈现不断下降趋势，此时进气内的氧气含量也因此增加。含水乳化柴油对于控制缸内温度有很好的应用效果，这对于抑制NO生成是有促进作用的。在富氧燃烧的状态下，缸内氧气富足，这为NO生成创造了良好条件，通过使用燃用柴油，在21%氧气状态下，NO的排放量已经达到1.130×10-3，该点的NO排放零是原机的排放量。30%的乳化柴油对于NO的抑制效果最理想，氧体积分数从21%增加到24%的情况下，并没有NO超出原机排放量的现象。20%乳化柴油在21%以及22%两个样体积分数下的应用效果最为理想。10%乳化柴油在空气助燃的情况下要优于原机[8]。

总体而言，随着氧体积分数的增加，烟尘排放量不断降低，随着乳化速度的增加也呈下降趋势。总之，在燃油进气中加入氧气和水也会导致更好的烟灰抑制，所以在柴油机中使用乳化柴油和含氧进气会导致柴油机烟灰排放低于原装发动机。

2.4 进气氧体积分数及乳化率对燃烧室内温度场分布的影响

结合CFD软件FIRE和正庚烷的化学动力学模型模拟了相应的实验条件。选取0%和30%乳化柴油样品，比较进气含氧体积分数为21%和含氧体积分数为24%的四种工况。选取上止点、上止点4°CA和上止点后10°CA分析各工况下的缸内温度场切片，进而分析不同混水条件下的不同氧体积分数.分析含燃料的缸内燃烧和火焰传播的影响[9]。

就模拟计算值而言，空气助燃状态下的最大压力出现在8°ATDC，高出预测值0.3MPa。将实测结果和模拟计算结果比较，最大压力要相对更高，不过其变化趋势基本相同。模拟计算得出的着火时刻，最大压力出现时刻有所不同。在对比分析后，可以对富氧燃烧情况精准反映。在富氧条件下，同一时刻缸内的火焰传播方向和路径大致相同。由此形成的火焰形状也十分接近，但是范围扩散比较明显。就最高温度来看，将3%的氧气掺入空气中，温度提升超过100K，不同上止点和上止点时刻接近，都可以保持相似的火焰形状以及扩散方向，不过相应着火范围上富氧比空气助燃情况大得多，且其燃烧速度也更快，由此带来的最高温度也更高。

从上止点时刻温度场分布来看，燃烧含氧量为21%的空气，将24%的富氧燃料与30%的水混合后，情况几乎相同，此时加入的水具有明显的吸热效果。控制缸内的化学反应非常重要，一个好的效果是活塞上升到上止点时，部分区域温度超过800K，可以满足低温反应要求。上止点后4°CA，在空气燃烧的情况下，此时燃烧室内会出现一个开燃点，在富氧24%的情况下，已经形成了一个比较宽的范围，并且它正迅速向着火点移动膨胀的火焰团。上止点后，在 10°CA，富氧 24% 的条件下，许多燃料反应已完成，此时缸内压力达到最大峰值。在空气燃烧的情况下，情况会略有不同，因为点火延迟比富氧时间长，而且上止点后10°CA时间也是气缸内放热的时间。由于是最集中的，所以在气缸中积聚的燃油较多，此时会参与反应，燃烧速度加快，这时候的最高温度要比富氧情况下更高。

3 乳化柴油和富氧燃烧对柴油机燃烧特性及循环变动率影响

研究发现，当乳化柴油在中等负荷下以经济率使用且不与含氧、10-20%水乳化率混合时，纯柴油可以使发动机循环变化率改变燃烧条件。30%的水乳化率将大大提高柴油循环率。加入富氧时，10%乳化山茶油在含氧量大于25%时，循环率比纯柴油好，而其他乳化率则相对不足。燃烧结构不良可加速燃烧[10]。

進气与氧气混合，保证气缸内富氧燃烧，在发动机部分点火延迟的情况下提前燃烧开始时间，促进放热的正常过程，有效减少氧气交换。发动机循环。反之，乳化柴油的作用可以不断降低缸内燃烧温度，延缓化学反应所需的时间，有助于着火延迟的不断增加。通过调节进气氧浓度和乳化柴油的含水量，可以控制发动机的燃烧时间和温度。

在经济转速的中等负荷下，采用乳化柴油和缸内富氧燃烧，可以提高发动机的整体放热率，此时混合燃油水应消耗适量的燃油。实现吸热蒸发，柴油遇水乳化会增加油耗。

4 总结

研究通过实验分析对比的方法，得出结论：与进气混合的氧气量可以提前气缸内的燃烧起点，加快燃烧速度，提高其最大爆炸压力。柴油加水乳化后燃烧可降低燃烧温度，延缓缸内化学反应时间，增加阻燃现象，现在含水量越高，相应的阻燃越明显。在调节进气的氧气体积分数和柴油乳化速度时，可以有效地控制发动机的启动时刻和缸内温度。在污染物控制方面，30%乳化柴油的NO控制效果最好，氧体积分数由21%提高到24%时，NO排放低于原机。20%乳化柴油在氧体积分数为21%和22%时效果最佳。10%乳化柴油遇空燃比原车好。感觉排放与氧气体积分数之间存在反比关系，会随着乳化率增加降低，通过乳化柴油以及进气富氧的配合使用，可以让柴油机发动机碳烟排放比原机更低。此外，在对温度场分析中可以发现，低温阶段燃料氧化反应受到一定抑制，这时候氧体积分数对于缸内的化学反应影响不大，而燃料中华的水分气化会同时产生吸热现象，这种吸热作用会降低缸内温度，在缸内温度不断提升的过程中，一旦出现稳定火焰，此时进气内的氧体积分数会随着高温出现较大变化。研究得出，低温燃烧温度可以切实降低NOx排放，而燃烧温度过低情况下，也可能造成HC和CO的上升以及热效率的降低，所以下一步工作目标应该关注对于燃烧室内局部高温现象的改良上，这对于确保排放达标，避免热效率降低都十分必要。

基金项目：

项目来源：2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目

项目名称：水乳化柴油与富氧协同作用的高效清洁燃烧机理研究

项目编号：（2022KY1241）。

参考文献：

[1]张韦，舒歌群，彭益源，等. 柴油机富氧进气燃用乳化柴油的循环变动与燃烧特性[J]. 农业机械学报，2010，41（9）：1-7.

[2]周俊瑾，沈颖刚，徐波峰. 富氧燃烧对柴油机工作特性影响的试验研究[J]. 小型内燃机与车辆技术，2016，45（4）：15-19.

[3]钱俊男. 可变氧氮组分进气的燃烧和排放特性的研究[D]. 江苏：江苏大学，2013.

[4]韦泽富. 气道高压喷射乙二醇/直喷柴油双燃料发动机的燃烧与排放特性研究[D]. 陕西：长安大学，2021.

[5]王科，赵昌普，蔡玉洁. 富氧燃烧与EGR对船用柴油机NO-碳烟排放和燃烧特性的影响[J]. 燃烧科学与技术，2020，26（3）：248-256.

[6]张韦，舒歌群，韩睿，等. 高比率冷EGR与进气富氧对柴油机燃烧及排放特性的影响[J]. 内燃机工程，2011，32（4）：12-16.

[7]左承基，李海海，徐天玉，等. 富氧燃烧对柴油机排放特性的影响[J]. 小型内燃机与摩托车，2003，32（5）：15-18.