陳浩平　牛彩云

摘 要：在柴油機(jī)中應(yīng)用進(jìn)氣富氧技術(shù)能夠減少碳煙排放量，對(duì)于提升燃燒熱效率，增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度也有一定作用。本文考察了進(jìn)氣富氧和水乳化柴油的應(yīng)用，研究了進(jìn)氣氧濃度和乳化柴油水成分對(duì)增壓柴油機(jī)燃燒和排放的具體影響，會(huì)產(chǎn)生正氧效應(yīng)。進(jìn)氣富氧技術(shù)的發(fā)展。研究得出結(jié)論，將進(jìn)氣充氧技術(shù)應(yīng)用于直噴柴油機(jī)，分析了不同水混合比的乳化柴油的循環(huán)變化和燃燒特性。在一定程度上，使用乳化柴油時(shí)，由于乳化率的增加，閃點(diǎn)會(huì)不斷降低，當(dāng)含水量達(dá)到30%時(shí)，著火延遲增加，此時(shí)燃燒組織變差，周期性波動(dòng)相應(yīng)增加。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 富氧進(jìn)氣 乳化柴油 循環(huán)變動(dòng) 燃燒特性

通過(guò)在柴油中加入一定比例的水，水在氣缸內(nèi)吸熱氣化，降低氣缸內(nèi)溫度，延長(zhǎng)點(diǎn)火延遲，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，整體燃燒持續(xù)惡化，還會(huì)導(dǎo)致有害氣體的排放增加，嚴(yán)重污染空氣環(huán)境。柴油機(jī)富氧燃燒縮短了燃燒準(zhǔn)備時(shí)間，提前了點(diǎn)火正時(shí)。由此看來(lái)，富氧燃燒與乳化柴油相結(jié)合，可以避免單一方法應(yīng)用過(guò)程中的不利因素，有利于優(yōu)化燃燒條件。燃用水乳化的柴油，能夠讓缸內(nèi)溫度下降，也能減少NOX以及顆粒物排放量。而將氧摻入到進(jìn)氣成分中，可以讓缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)富氧燃燒，這樣可以避免碳煙排放量，但是，由于吸收的氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，NOX會(huì)增加。富氧燃燒時(shí)氣缸溫度升高，可通過(guò)氣缸內(nèi)形成的大量水蒸氣與乳化柴油發(fā)生吸熱反應(yīng)來(lái)解決。反之，乳化柴油的著火延遲延長(zhǎng)會(huì)因富氧引起的著火時(shí)間提前而得到改善。乳化柴油和不同富氧比的應(yīng)用，可以調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)和燃燒速度，有效控制變化率。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及乳化柴油配置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣中吸入富氧空氣是內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒最初探索的一項(xiàng)技術(shù)。現(xiàn)階段，隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，空氣分離用滲透膜技術(shù)可以為內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣富氧提供技術(shù)支持，合適的膜還具有良好的選擇性和滲透性，可以結(jié)合其需要，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣在車內(nèi)創(chuàng)造理想的氧氣富集。在膜分離技術(shù)的支持下，氧氣體積分?jǐn)?shù)可達(dá)35%，有效支持發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒。然而，透氧膜技術(shù)在應(yīng)用中，其分離效率低、氣阻大、空分成本高等缺點(diǎn)也值得注意。目前，對(duì)內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒的研究主要基于富氧進(jìn)氣法進(jìn)行的研究，通過(guò)液氧儲(chǔ)罐供氧，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供氧，從而實(shí)驗(yàn)中可以精確控制供氧量。所選擇的實(shí)驗(yàn)裝置是增壓中冷柴油機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中使用的主要設(shè)備與儀器相關(guān)設(shè)備連接簡(jiǎn)單，考慮到實(shí)驗(yàn)中使用的氧氣主要是低溫保持的絕熱液氧技術(shù)，需要使用蒸發(fā)器、液體氧氣吸熱氣化，適應(yīng)后體積膨脹，壓力升高，為此需要控制空氣與氧氣輸出壓力的相容程度。壓縮機(jī)壓力，可利用高壓氧氣排出，減壓結(jié)束后，氧氣與壓縮機(jī)壓縮空氣在進(jìn)口穩(wěn)壓混合罐內(nèi)充分混合，實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在工況穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的，在被試柴油機(jī)常用的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，其中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到1600r/min時(shí)，調(diào)節(jié)輸出扭矩為100N/m，打開供氧閥，注入氧氣。插入進(jìn)氣壓力罐，調(diào)節(jié)供氧閥開度，使供氧部分滿足試驗(yàn)要求，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，并清楚記錄相關(guān)信息[2]。實(shí)驗(yàn)中按水乳化率0%、10%、20%和30%進(jìn)行分組，分別對(duì)21%、23%、25%和30%的不同氧體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較。

1.2 乳化柴油配置

乳化柴油采用實(shí)時(shí)在線乳化配置，相關(guān)成分包括乳化劑正丁醇，乳化劑用量為1%左右。進(jìn)入汽缸行業(yè)的乳化柴油需要充分混合，以保證進(jìn)入燃燒室時(shí)能均勻霧化，保證水分的完全吸熱氣化，滿足氧氣低溫燃燒的需要。豐富的進(jìn)氣可以使用超聲乳化裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。查看乳化柴油在燃燒過(guò)程中排放的污染氣體。借助該設(shè)備，對(duì)乳化液中的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)進(jìn)行處理，確保乳化液中分散相的平均粒徑可控，使油水大分子分解并充分混合。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1 燃燒室模型和邊界條件

化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型和CFD耦合計(jì)算時(shí)需要嚴(yán)格控制網(wǎng)格質(zhì)量，一般的三維建模軟件構(gòu)建的燃燒室模型在進(jìn)行單元格劃分中質(zhì)量得不到保障，還可能導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散現(xiàn)象。而使用ESE Diesel創(chuàng)建的網(wǎng)格質(zhì)量可靠，所以選擇以此作為計(jì)算參考。將發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)參數(shù)輸入到模型中。

在Sketcher中選擇燃燒室模型，在結(jié)合真實(shí)燃燒室參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，再進(jìn)行噴油器參數(shù)設(shè)置，創(chuàng)建燃燒室模型網(wǎng)格，以此作為3D實(shí)體模型的構(gòu)建基礎(chǔ)?？紤]到全尺寸模型計(jì)算會(huì)消耗較長(zhǎng)時(shí)間，要提升相關(guān)工作效率，可結(jié)合噴油器噴孔的數(shù)量，對(duì)燃燒室模型進(jìn)行適度簡(jiǎn)化[4]。

研究發(fā)現(xiàn)正庚烷的十六烷值與柴油非常近似，因此可以用正庚烷代替柴油進(jìn)行燃燒計(jì)算。本次試驗(yàn)選用的簡(jiǎn)化模型為美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供的正庚烷氧化燃燒機(jī)理。在這種機(jī)理下，相應(yīng)的模型可以模擬內(nèi)燃機(jī)在低溫和高溫條件下以及寬壓力范圍內(nèi)的缸內(nèi)燃燒[5]。2000r/min外特性缸壓力測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬復(fù)合計(jì)算值對(duì)比，兩組數(shù)據(jù)差異不明顯，但對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)最大壓力有一定差異，因?yàn)槟M計(jì)算是未對(duì)實(shí)際過(guò)程中的壓力損失進(jìn)行分析，但總體而言，相應(yīng)的復(fù)合計(jì)算結(jié)果能夠滿足真實(shí)試驗(yàn)的模擬需要。

2.2 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)及乳化率對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率的影響

從實(shí)驗(yàn)得到的缸內(nèi)壓力曲線來(lái)看，隨著純柴油燃燒中氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高壓力會(huì)出現(xiàn)一定程度的升高，對(duì)應(yīng)的著火點(diǎn)也會(huì)提前一些。燃用10%以及20%乳化柴油的缸內(nèi)燃燒情況和其他情況有類似情況，而在含水率增加的情況下，著火時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)不斷向上右側(cè)移動(dòng)的情況。

柴油中加水30%后，缸內(nèi)點(diǎn)火正時(shí)在相應(yīng)的氧體積分?jǐn)?shù)下移動(dòng)到上止點(diǎn)，點(diǎn)火延遲時(shí)間延長(zhǎng)。相應(yīng)的壓力隨吸氧量的增加而顯著增加，因此在燃燒初期仍有一定進(jìn)展。可以看出，隨著柴油含水量的不斷增加，在相同的氧氣體積分?jǐn)?shù)下，點(diǎn)火延遲延遲時(shí)間也呈現(xiàn)出線性特征[6]。

而在被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用相同乳化率前提下，將進(jìn)氣內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)從21%提升到24%，缸內(nèi)的著火也會(huì)呈現(xiàn)線性向上止點(diǎn)前移的現(xiàn)象，這樣對(duì)應(yīng)最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)時(shí)刻也會(huì)因?yàn)闃芋w積分?jǐn)?shù)增加不斷前移，此時(shí)的最大爆發(fā)壓力有小幅度的提升。在相同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)條件下，增加柴油中的含水率，會(huì)讓缸內(nèi)的著火延遲增加，此時(shí)的最大爆發(fā)壓力降低，隨之而來(lái)的是時(shí)刻滯后，這樣壓力升高率也會(huì)不斷增加[7]。

2.3 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)及乳化率對(duì)NO和碳煙排放的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著燃料中含水率的不斷增加，NO排放量呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，此時(shí)進(jìn)氣內(nèi)的氧氣含量也因此增加。含水乳化柴油對(duì)于控制缸內(nèi)溫度有很好的應(yīng)用效果，這對(duì)于抑制NO生成是有促進(jìn)作用的。在富氧燃燒的狀態(tài)下，缸內(nèi)氧氣富足，這為NO生成創(chuàng)造了良好條件，通過(guò)使用燃用柴油，在21%氧氣狀態(tài)下，NO的排放量已經(jīng)達(dá)到1.130×10-3，該點(diǎn)的NO排放零是原機(jī)的排放量。30%的乳化柴油對(duì)于NO的抑制效果最理想，氧體積分?jǐn)?shù)從21%增加到24%的情況下，并沒(méi)有NO超出原機(jī)排放量的現(xiàn)象。20%乳化柴油在21%以及22%兩個(gè)樣體積分?jǐn)?shù)下的應(yīng)用效果最為理想。10%乳化柴油在空氣助燃的情況下要優(yōu)于原機(jī)[8]。

總體而言，隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加，煙塵排放量不斷降低，隨著乳化速度的增加也呈下降趨勢(shì)?？傊谌加瓦M(jìn)氣中加入氧氣和水也會(huì)導(dǎo)致更好的煙灰抑制，所以在柴油機(jī)中使用乳化柴油和含氧進(jìn)氣會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)煙灰排放低于原裝發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.4 進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)及乳化率對(duì)燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)分布的影響

結(jié)合CFD軟件FIRE和正庚烷的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型模擬了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件。選取0%和30%乳化柴油樣品，比較進(jìn)氣含氧體積分?jǐn)?shù)為21%和含氧體積分?jǐn)?shù)為24%的四種工況。選取上止點(diǎn)、上止點(diǎn)4°CA和上止點(diǎn)后10°CA分析各工況下的缸內(nèi)溫度場(chǎng)切片，進(jìn)而分析不同混水條件下的不同氧體積分?jǐn)?shù).分析含燃料的缸內(nèi)燃燒和火焰?zhèn)鞑サ挠绊慬9]。

就模擬計(jì)算值而言，空氣助燃狀態(tài)下的最大壓力出現(xiàn)在8°ATDC，高出預(yù)測(cè)值0.3MPa。將實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果比較，最大壓力要相對(duì)更高，不過(guò)其變化趨勢(shì)基本相同。模擬計(jì)算得出的著火時(shí)刻，最大壓力出現(xiàn)時(shí)刻有所不同。在對(duì)比分析后，可以對(duì)富氧燃燒情況精準(zhǔn)反映。在富氧條件下，同一時(shí)刻缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑シ较蚝吐窂酱笾孪嗤?。由此形成的火焰形狀也十分接近，但是范圍擴(kuò)散比較明顯。就最高溫度來(lái)看，將3%的氧氣摻入空氣中，溫度提升超過(guò)100K，不同上止點(diǎn)和上止點(diǎn)時(shí)刻接近，都可以保持相似的火焰形狀以及擴(kuò)散方向，不過(guò)相應(yīng)著火范圍上富氧比空氣助燃情況大得多，且其燃燒速度也更快，由此帶來(lái)的最高溫度也更高。

從上止點(diǎn)時(shí)刻溫度場(chǎng)分布來(lái)看，燃燒含氧量為21%的空氣，將24%的富氧燃料與30%的水混合后，情況幾乎相同，此時(shí)加入的水具有明顯的吸熱效果?？刂聘變?nèi)的化學(xué)反應(yīng)非常重要，一個(gè)好的效果是活塞上升到上止點(diǎn)時(shí)，部分區(qū)域溫度超過(guò)800K，可以滿足低溫反應(yīng)要求。上止點(diǎn)后4°CA，在空氣燃燒的情況下，此時(shí)燃燒室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)開燃點(diǎn)，在富氧24%的情況下，已經(jīng)形成了一個(gè)比較寬的范圍，并且它正迅速向著火點(diǎn)移動(dòng)膨脹的火焰團(tuán)。上止點(diǎn)后，在 10°CA，富氧 24% 的條件下，許多燃料反應(yīng)已完成，此時(shí)缸內(nèi)壓力達(dá)到最大峰值。在空氣燃燒的情況下，情況會(huì)略有不同，因?yàn)辄c(diǎn)火延遲比富氧時(shí)間長(zhǎng)，而且上止點(diǎn)后10°CA時(shí)間也是氣缸內(nèi)放熱的時(shí)間。由于是最集中的，所以在氣缸中積聚的燃油較多，此時(shí)會(huì)參與反應(yīng)，燃燒速度加快，這時(shí)候的最高溫度要比富氧情況下更高。

3 乳化柴油和富氧燃燒對(duì)柴油機(jī)燃燒特性及循環(huán)變動(dòng)率影響

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乳化柴油在中等負(fù)荷下以經(jīng)濟(jì)率使用且不與含氧、10-20%水乳化率混合時(shí)，純柴油可以使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變化率改變?nèi)紵龡l件。30%的水乳化率將大大提高柴油循環(huán)率。加入富氧時(shí)，10%乳化山茶油在含氧量大于25%時(shí)，循環(huán)率比純柴油好，而其他乳化率則相對(duì)不足。燃燒結(jié)構(gòu)不良可加速燃燒[10]。

進(jìn)氣與氧氣混合，保證氣缸內(nèi)富氧燃燒，在發(fā)動(dòng)機(jī)部分點(diǎn)火延遲的情況下提前燃燒開始時(shí)間，促進(jìn)放熱的正常過(guò)程，有效減少氧氣交換。發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。反之，乳化柴油的作用可以不斷降低缸內(nèi)燃燒溫度，延緩化學(xué)反應(yīng)所需的時(shí)間，有助于著火延遲的不斷增加。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣氧濃度和乳化柴油的含水量，可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒時(shí)間和溫度。

在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速的中等負(fù)荷下，采用乳化柴油和缸內(nèi)富氧燃燒，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體放熱率，此時(shí)混合燃油水應(yīng)消耗適量的燃油。實(shí)現(xiàn)吸熱蒸發(fā)，柴油遇水乳化會(huì)增加油耗。

4 總結(jié)

研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比的方法，得出結(jié)論：與進(jìn)氣混合的氧氣量可以提前氣缸內(nèi)的燃燒起點(diǎn)，加快燃燒速度，提高其最大爆炸壓力。柴油加水乳化后燃燒可降低燃燒溫度，延緩缸內(nèi)化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，增加阻燃現(xiàn)象，現(xiàn)在含水量越高，相應(yīng)的阻燃越明顯。在調(diào)節(jié)進(jìn)氣的氧氣體積分?jǐn)?shù)和柴油乳化速度時(shí)，可以有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)刻和缸內(nèi)溫度。在污染物控制方面，30%乳化柴油的NO控制效果最好，氧體積分?jǐn)?shù)由21%提高到24%時(shí)，NO排放低于原機(jī)。20%乳化柴油在氧體積分?jǐn)?shù)為21%和22%時(shí)效果最佳。10%乳化柴油遇空燃比原車好。感覺(jué)排放與氧氣體積分?jǐn)?shù)之間存在反比關(guān)系，會(huì)隨著乳化率增加降低，通過(guò)乳化柴油以及進(jìn)氣富氧的配合使用，可以讓柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放比原機(jī)更低。此外，在對(duì)溫度場(chǎng)分析中可以發(fā)現(xiàn)，低溫階段燃料氧化反應(yīng)受到一定抑制，這時(shí)候氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)于缸內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)影響不大，而燃料中華的水分氣化會(huì)同時(shí)產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，這種吸熱作用會(huì)降低缸內(nèi)溫度，在缸內(nèi)溫度不斷提升的過(guò)程中，一旦出現(xiàn)穩(wěn)定火焰，此時(shí)進(jìn)氣內(nèi)的氧體積分?jǐn)?shù)會(huì)隨著高溫出現(xiàn)較大變化。研究得出，低溫燃燒溫度可以切實(shí)降低NOx排放，而燃燒溫度過(guò)低情況下，也可能造成HC和CO的上升以及熱效率的降低，所以下一步工作目標(biāo)應(yīng)該關(guān)注對(duì)于燃燒室內(nèi)局部高溫現(xiàn)象的改良上，這對(duì)于確保排放達(dá)標(biāo)，避免熱效率降低都十分必要。

基金項(xiàng)目：

項(xiàng)目來(lái)源：2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：水乳化柴油與富氧協(xié)同作用的高效清潔燃燒機(jī)理研究

項(xiàng)目編號(hào)：（2022KY1241）。

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