（轮机工程专业论文）发动机进气道喷水的研究——降低nox排放.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在大气污染中，汽车尾气排放所造成的污染占6 0 7 0 。柴油机的主要 排放物是n o x 与颗粒的排放。因此柴油机面临的最大发展困难就是，必须降 低其n o x 与颗粒的排放量。利用进气道喷水技术能够大幅度降低n o x 排放 量，同时具有节能的作用。 n o x 生成的首要条件是高温。氮和氧的化合必须在高温条件下才能进 行。所以，只要降低气缸内的温度和局部高温点的温度，就能明显降低n o x 的生成量和排放量。水可以利用自身潜热大的特点吸收热量而汽化成为过热 蒸汽，从而降低缸内燃烧温度。同时在高温条件下，水蒸汽参与燃烧，部分 水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水煤气反应，形成可燃性气体，从而 减少了火焰中的炭粒，提高了油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了油的 燃烧效率。 本文作者课题组针对国产4 1 3 5 g 型柴油机，自行开发出种进气道喷水 技术，同时设计出一套迸气道喷水系统。在柴油机上应用该技术非常简单， 不需要对柴油机结构做任何改变，只需在进气总管前安装一套喷水系统。系 统采用电子控制技术可以很方便在有水与无水模式下切换，同时在有水模式 时能够调节水量。本文利用该系统对4 1 3 5 g 型柴油机进行试验，得出了良好 结论。 本文详细介绍了喷水系统总体方案、台架试验及喷水系统的优化方向。 喷水系统包括雾化系统及水量控制系统，其中雾化系统包括空气源( 空气压 缩机) 、水源( 加压水) 及气一雾喷嘴：水量控制系统包括比例调压阀、控制 电路部分。试验包括敏感性试验、排放测试试验、油耗试验及燃烧压力曲线 测试试验。试验结果表明，不同喷水量能够明显降低n o x 排放，燃油经济性 也有改善的趋势。喷水系统优化方向的介绍包括最佳水量方案( 不同工况下 喷入不同水量) 确定原则和闭环系统的设计方案。 关键词：柴油机，喷水，n o x 排放 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p o l l u t i o n d u et oe m i s s i o n so fa u t o m o b i l ei st h em a i nc a u s eo f a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n t h ec r u c i a ld i s c h a r g e so f d i e s e le n g i n ea r en o xe m i s s i o n s a n d ( p m ) p a r t i c l em a t e r i a le m i s s i o n s s ol o w e r i n gn o x a n dp me m i s s i o n si st h e u l t i m a t eh a n d i c a pa l o n gd e v e l o p i n go fd i e s e l e n g i n e s u t i l i z i n gt e c h n o l o g yo f w a t e ri n j e c t i o ni n t oi n t a k e p o r t s c a nb o t hl o w e rl a r g e l yn o xe m i s s i o n sa n d e c o n o m i z eo i l h i g ht e m p e r a t u r ei st h ec h i e f m a t t e r r e s u l t i n gi np r o d u c eo fn o x o n l y i fw e w o u l df i n dak i n do f w a y t ol o w e rc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e , - t h en o xe m i s s i o n s w i l lb er e d u c e de v i d e n t l y b e c a u s eo fi t sg r e a tl a t e n th e a t ，w a t e rc a l la b s o r bh e a t a n db o i l a w a y ，s o a st ol o w e rc o m b u s t i o n t e m p e r a t u r e m e a n w h i l e i nt h e c o n d i t i o no f h i g ht e m p e r a t u r e ，w a t e rv a p o r sc a np a r t i c i p a t ei nc o m b u s t i o n w a t e r g a sr e a c t i o nw i l lh a p p e n ，w h i c hw i l lr e d u c ec a r b o np a r t i c l ei nf l a m e ，a n dr e f o r m c o m b u s t i o np e r f o r m a n c e ，s oi m p r o v ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y t h ea r t i c l ed e v e l o p e dak i n do ft e c h n o l o g yo fw a t e ri n j e c t i o ni n t oi n t a k e p o r t s f o r4 1 3 5 gd i e s e l e n g i n e ，m e a n w h i l ed e s i g n e d as u i to fw a t e r i n j e c t i o n s y s t e m i tc a l lb ea p p l i e ds i m p l yt od i e s e le n g i n e ，b e c a u s ei ti su n n e c e s s a r yt o c h a n g ee n g i n e sc o n f i g u r a t i o n i to n l yn e e d sas e to fw a t e ri n j e c t i o ns y s t e mo f i n s t a l l a t i o nb e f o r ei n t a k ep i p eo fd i e s e le n g i n e t h er u n n i n gm o d eo f e n g i n ec a n b es w i t c h e db e t w e e nw a t e ri n j e c t i n gm o d ea n dn o w a t e rm o d eb yt h e s y s t e m a n d q u a n t i t yo f w a t e rw i l lb ea d j u s t e db yt h es y s t e mw h e n e n g i n ew o r k si nt h e w a t e ri n j e c t i n gm o d e af a v o r a b l ec o n c l u s i o ni se d u c e dt h r o u g h e x p e r i m e n t t h ea r t i c l ei n t r o d u c e di nd e t a i lt h es c h e m eo fw a t e r i n j e c t i o ns y s t e m ， t e s t b e da n dt h ed i r e c t i o no p t i m i z i n gt h es y s t e m w a t e r i n j e c t i o ns y s t e mi n c l u d e s p u l v e r i z a t i o ns y s t e m a n d c o n t r o l l i n gs y s t e m o fw a t e r q u a n t i t y p u l v e r i z a t i o n s y s t e mi n c l u d e sa i rr e s o u r c e ，w a t e rr e s o u r c ea n dg a s m i s t n o z z l e ；c o n t r o l l i n g s y s t e mo fw a t e rq u a n t i t yi n c l u d e sb o o s t e r ，c o n t r o l l i n gc i r c u i t s w a t e rq u a n t i t yi s d e c i d e db yh y d r a u l i cp r e s s u r ea n dg a sp r e s s u r e t e s t si n c l u d es e n s i t i v et e s t ，t e s t o f e m i s s i o n s ，o i lc o n s u m i n gt e s t ，a n dc o m b u s t i o np r e s s u r ec u r v et e s t i ti ss h o w e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h a tn o xe m i s s i o n sc a nb er e d u c e de v i d e n t l y t h ed i r e c t i o no fo p t i m i z i n gs y s t e m i n c l u d e so p t i m a lw a t e rq u a n t i t ya n dd e s i g no f c l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，n o x ，w a t e ri n j e c t i o n i i i 武汉理【：大学硕士学位论文 1 1 引言1 卜6 1 第1 章绪论 1 9 9 9 年g 月，世界自然基金公布了当年环境指数，报告显示从1 9 7 0 年 到1 9 9 5 年，全球环境指数下降了3 0 左右：在大气污染中，汽车尾气排放所 造成的污染占大气污染的6 0 7 0 。举世瞩目的“温室效应”、“臭氧保护层 破坏”等都与汽车排放有关。能源短缺、环境污染和生态失衡己成为人类社 会严重的、迫切需要解决的三大问题。 随着内燃机工业的迅猛发展，内燃机对环境的污染阿题日益突出，对大 气质量造成严重破坏，日益严重的全球性环境恶化，已经威胁到人类和社会 发展，世界各国为保护本国的生态环境，都相继制定汽车排放法规，并同趋 严格化。我国g b1 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排放污染物排放限值及测 量方法对污染排放物限值的规定见表l 。l ，欧洲排放法规对污染排放物限 值的规定见表1 2 。表1 3 为美国、日本、欧洲对重型柴油载货车n o x 排放 的有关规定。表1 4 为欧洲非陆用发动机的排放法规。 表1 1我国车用压燃式发动机排放污染物排放限值 型式认证试验生产一致性检查 生效日期 2 0 0 0 9 12 0 0 3 9 12 0 0 1 9 12 0 0 4 91 一氧化碳c o( g k w h ) 4 54 04 94 0 碳氢化合物h c ( g k w h ) 1 11 11 2 31 1 氮氧化合物n o x ( g k w h ) 8 o7 09 07 0 颗粒p m 8 5 k w0 6 10 1 5o 6 8o 1 5 ( g k w h ) 8 5 k w0 3 60 150 4 00 15 表1 2 欧洲排放污染物限值 欧洲排放法规欧洲i 欧洲 测试循环e s ce l re t ce s ce l re t c 生效b 期2 0 0 02 0 0 02 0 9 02 0 0 52 0 0 5 2 0 0 5 一氧化碳c o( g k wh ) 2l 5 4 51 54o 武汉理工大学硕士学位论文 碳氢化合物h e ( g k _ 1 1 h ) o 6 6 o4 6 非甲烷碳氢n m h c ( g k w h ) o 7 8o5 5 甲烷c h 。o( g k w h ) 161 1 氮氧化台物n o x ( g k w h ) 5 05 03 53 5 颗粒p m 。( g k w h ) 0 1 001 6 o0 20 0 3 01 3 00 2 1 0 动态烟度m 。 0 8 m 。05 m 1 往：适用于单缸排量小于0 7 5 l 额定转速大于3 0 0 0 r m i n 的柴油机 只对气体燃料发动机限制； 气体发动机不用做e t c 循环 表1 3 重型柴油载货车n o x 排放( 美国、欧洲、日本) 单位：g k w h 试验循环工况 过渡工况日本十三点工况欧洲十三点工况 采用年份 美国日本欧洲 1 9 9 76 6 7 7 7 5 ( 直喷) 6 7 6 ( 非直喷) 7 9 6 1 9 9 85 3 3 1 9 9 9 4 4 8 ( 建议14 9 7 ( 建议) 2 0 0 42 6 7 表1 4 欧洲非陆用排放规范 1 9 9 7 年2 0 0 2 芷 n o x ( g k w h ) 9 27 0 h c ( g k w h ) 1 31 o c o ( g k w h ) 5 o 3 5 微粒( g k w h ) 0 5 4o 2 0 相对汽油机，柴油机的主要排放物是n o x 与颗粒的排放。因此柴油机面 临的最大发展困难就是，必须降低其n o x 与颗粒的排放量。已经有了许多研 究面向柴油机排放性能的优化，产生了一系列的优化措施，包括优化燃烧、 燃油改善及排气后处理，如混合燃料( b l e n d e df u e l ) 燃烧、可变喷油正时、 可变空气组分、废气再循环、废气选择性催化等。这些措施对于降低n o x 排放均有一定的效果，但是降幅都比较小，而且一般都是牺牲某种排放物的 武汉理工大学硕士学位论文 排放以及牺牲耗油量来达到另一种排放的减少。本文就是要寻求一种能够大 幅度降低n o x 排放的方法，同时不对燃油消耗与其它排放造成明显的恶化。 1 2 有害排放物的生成机理及其控制措施7 卜1 1 2 1 生成机理 柴油机的有害排放主要包括：氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢 化合物( h c ) 、颗粒( p t ) 排放。它们的生成机理为： 1 ) 氮氧化物( n o x ) 柴油机排出的n o 中，n o 约占9 0 ，n 0 2 只是其中很少的一部分。燃 烧过程n o 的生成有3 种方式，根据产生机理的不同分别称之为热力型n o 也称热n o 或高温n o 、燃料n o 以及瞬发n o 。对于内燃机，n o 的生成机 理主要是高温n o 。 在燃料空气混合气的燃烧过程中，分子氮被氧化成n o 的机理首先由 z e l d o v i c h 于1 9 4 6 年提出，其后又进一步完善： o + n 2 = n o + n n + 0 2 = n o + o n + o h = h + n 0 把质量作用定律用于上面的方程可得 d 乜。j 旃= k f l c o c 虬+ k ：2 c c o ：十k f 3 c o c 0 h k 6 l c c 一k 2 c u o c o k b 3 c o c h 上式可以演变成： e ( c u o ) d t = 6 x 1 0 2 i e x p ( - 6 9 0 9 0 t ) k n c 。：i ：2 c n ：。 c 3 ( c m 3 s ) 上式说明了n o 的生成速度与温度有密切关系，在高温和高含氧量条件 下，n o 浓度的生成速度高，即把d d t 的数值较大。 燃烧过程中，氧的浓度基本上是不变的，因而，影响n o 生成量的主要 因素是温度、氧气的浓度和停留时间。 2 ) 一氧化碳( c o ) c o 是由含碳燃料氧化而成的一种中间产物，在燃烧过程中这一中阃产 物的一部分又会进一步转换成c 0 2 。其转换几乎全部通过一个反应来进行， 即c o + o h = c o 什h 武汉理工大学硕士学位论文 燃烧室中碳氢燃料燃烧生成的c o 含量高于观察到的c o 含量，并且废 气中c o 含量又高于排气条件下的平衡值。在预混合火焰中，c o 含量在火 焰区内迅速增大到最大值。 在富燃料混合气中，随燃油过剩量的增加，废气中c o 含量增大。在贫 燃料混合气燃烧中c o 几乎不随混合比发生变化，其摩尔分数的数量级为1 0 弓 以下。 3 ) 碳氢化合物( h c ) 未燃烃是指没有燃烧或部分燃烧的碳氢化合物的总称。除排气中的未燃 烃外，还包括燃油供给系统的蒸发排放以及燃烧室等泄露排放出的h c 。 燃烧室中h c 的生成主要有下列几类：第类是由于多种原因造成的不 完全燃烧所生成的h c ；第二类是燃烧室壁面的淬熄作用形成的h c ；第三类 是由于热力过程中狭缝效应生成的h c 。 4 ) 颗粒( p t ) 颗粒常被分为可溶性部分和碳粒部分。碳粒的生成是一个非平衡过程， 导致碳粒生成的准确化学细节至今还不清楚，现在比较流行的理论认为生成 碳粒的过程是燃油分子的大量分解和原子的重新排列过程。烃类在缺氧进行 热分解时，可直接热解生成碳黑，如甲烷的热裂解，即c h 4 = c + 2 h 2 。碳粒 核心通过气相物质表面反应使粒子质量增加的过程称为表面增长。颗粒一旦 形成，粒子问的碰撞能导致聚结，从而减少颗粒数目和增大它们的体积。在 颗粒生长的初始阶段，两个球状颗粒的碰撞可引起它们聚集为单一的球体。 这种现象容易在碳氢化合物的热裂解中观测到，初始的碳粒有焦油状一样的 粘性，并且这样的快速表面增长能迅速恢复初始的球面形状。这种过程主要 发生在直径小于1 0 n m 的颗粒中。关于球成形的原因，目前尚无定论。一种 观点认为，初期的碳粒子由于轻成分多而粘性较低，类似于半流体。因而粒 子相撞后能融合体，并通过变成球形使表面能量低。另一种观点认为碳粒 形成初期，粒子直径小，相撞时原子力起作用，造成能量重新调整，使粒子 趋于球形。当凝聚速率比成核速率大得多时，火焰中炭粒子的粒径分布由高 斯分布逐渐变为对数分布。凝结使颗粒核心密度下降，当核心密度下降一个 数量级后，随着基本碳烟粒子的形成，球状粒子相互碰撞不再融合成球形， 而是粘接为链状，这种现象称之为集聚。 武汉理上大学硕士学位论文 1 22 控制n o x 排放的措施 表卜5 从机内和机外净化技术两方面示出了控制n o x 排放的各种措施及 其实施方法。 表1 5 控制n o x 排放的措旋 分类措施实施方法 推迟喷油提前 e o re g r 、中冷e g r 、内部e g r 机内加水燃烧 进气喷水( 湿空气) 、缸内嗔水、乳化油 燃烧室设计各种燃烧室、设计参数优化、新燃烧方式 喷油规律改进喷油规律曲线形状、预喷射、多段喷射 机外后处理装置氧化催化器、微粒捕捉器、n o x 还原催化器 1 3 课题的提出 内燃机燃油掺水，始于1 9 1 3 年剑桥大学的h0pki nson 教授，其 目的是为了内燃机内部介质的冷却和消除汽油机爆燃。随后，英国、美国、 前苏联在乳化油的配置和应用上做了大量工作并取得了一定成果。二战期问， 欧美国家曾将油水混合燃料用于增压式发动机上，用于提高战斗机的航速和 增加航程，这些都是燃油掺水技术的早期尝试。但是，由于当时世界性能源 危机不明显，且缺乏对燃烧机理的深入了解，许多技术问题尚未解决，无法 指导具体的实践，因此这一技术发展缓慢。直到六七十年代，随着乳化剂与 超声乳化技术的发展，特别是v m i v a n o v 等发现了微爆现象，加之世界能源 消耗不断增加，能源短缺日益严重，人们发现乳化油技术具有明显的节能和 降低排气污染作用，因此这项技术再次引起人们重视并开始系统的理论工作。 以前，国内外利用水降低排放的研究主要集中在乳化油方面。现在，越 来越多的科研工作者意识到直接加水参与燃烧的优越性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 内燃机加水燃烧的国内外研究现状 国外，直接利用水降低排放的技术已受到高度重视。不少学者都在进行 研究，做了大量的实验，发表了一些相关的论文。我们国家也注意到这一技 术的巨大的潜力，正迎头赶上。随着排放法规的同益严格，直接用水降低排 放的研究无疑会进一步深入和推广。 m u n t e re u r o f o r m 在n o xe m i s s i o nr e d u c t i o nw i t ht 1 4 e h u m i n da i r m o t o rc o n c e p t ) ) i i j j 一文中首先总结了用水降低n o x 排放 的两种典型方法( 水在燃油中乳化与直接向气缸喷水) 和湿空气法的优缺点。 然后介绍了湿空气法的实验情况，其实验情况如下：p c 2 6 三缸机、 5 4 0 k w c y l 、5 4 0 r m i n 、缸径为4 0 0 m m 、冲程为5 0 0 r a m 。实验中水蒸气与燃 油的质量比值为3 ：1 ，则其含水率w 为7 5 。实验得到了令人满意的结果， n o x 减少量为3 5 1 3 5 9 k w h ，油耗降低3 5 9 j 7 k w h 。 2 0 0 1 年第5 期柴油机【l2 】有一篇译文探讨了直接喷水降n o x 排放技 术。d w i ( 直接喷水装置) 通过分层式喷嘴直接将水喷入燃烧室。由于水的 可用量大，因此降低n o x 的效率明显提高。d w i 结构特点如下：d w i 装置 结构设计的关键是油与水都经过组合式喷射阀。此中，单用一个阀来完成对 喷油和喷水两种模式的操作。组合式喷嘴中的一个针阀用于喷水，另一个引 阀用于喷油，目的是降低燃烧室空间温度，以确保n o x 的生成量降低。该装 置使用一个高压水泵，可产生2 0 4 0 m p a 高的水压。从泵中出来的水经过压 力脉冲滤波和消波后经由压力调节阀供至喷嘴，以达到合适的喷射压力。为 安全起见，为接至气缸的每根水管安装一个敏感的机械式断流器，用来实现 水量过大时快速断水。喷水的定时与持续时间采用电子控制，并且通过键盘 对控制装置进行编程就能很容易地加以调整，以为各种使用情况选择最佳值。 喷水量由喷射持续时间控制。实验同样获得了令人满意的结果，n o x 排放在 不同工况下均有一定的降低。 另外，日本石田正弦在文章通过进气道喷水降低柴油机n o x 排放 1 3 1 中以定量地查明进气中的水对柴油机燃烧和n o x 生成的影响为目标，从试验 和理论两个方面来研究进气道喷水。在试验中，喷水阀采用电子控制式水喷 射系统，在4 缸直喷式增压柴油机的进气总管上分别安装4 个喷射器，在进 气行程初期，从4 个喷射器向各进气道口喷水，由此来做到在基本不损害发 武汉理工大学硕士学位论文 动机容积效率的条件下对进入空气进行加湿。其结果，在不增加燃油消耗率 的前提下获得了n o x 排放的大幅度降低。 2 0 0 1 年汉堡举行的c i m a c 会议上还有一篇关于s t i d 的文章 p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fas t e a mi n j e c t e dd i e s e l ( s t i d ) e n g i n e ) ) f 1 4 。作者运用中冷器和废气里的热量产生水蒸气，水蒸气被加热 成过热蒸汽到尽可能高的温度，其压力要求超过最高燃烧压力以便能够快速 喷射。水蒸气沿气缸圆周切线喷入燃烧室，在气缸圆周上产生迅速的涡流层， 由于着火过程伴随着压力脉冲，缸内水蒸气涡流层变得不稳定。于是，燃烧 气体与水蒸气迅速混合，可以降低n o x 和烟度排放。 这种水蒸气喷向缸内的方法需要大量的水，作者给出的水量是 o 6 8 k g k w h ，它相当于3 8 倍的油量，即含水率1w = 7 1 9 。 1 9 9 8 年哥本哈根举行的c i m a c 会议上有一篇通过向进气管喷水来降排放 的论文s i g n i f i c a n tn o xr e d u c t i o ni nd i e s e le n g i n eb a s e do n e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dp o r tw a t e ri n j e c t l 0 n “”。作者用电控喷油 器将水喷入进气管以达到降低n 0 x 排放的目的。实验发动机为一车用，高速 、四缸、直喷式、中冷式、涡轮增压柴油机，由日本三菱汽车公司制造，型 号为4 d 3 1 一t 。其缸径为1 0 0 m m ，行程为1 0 5 m m ，压缩比为1 6 ，最大输出功率 为9 5 6 k w ( 1 3 0 p s ) ，最大输出速度为3 5 0 0 r m i n 。实验中，发动机在两种平 均有效压力情况下以l7 5 0 r m i f l 的恒定转速工作：p m e = o 4 0 ，0 8 3 m p a 。喷水 器前面的进气温度固定在4 4 5 4 5 5 范围内，这通过控制中冷器的水流 量来实现。 由德国j j s i e t a s 船厂承建，芬兰t r a n s f e n n i c a 租用的七艘运纸船( 主 机为w a r t s i l a 中速柴油机) 于1 9 9 9 年交付使用。这些船上装用了d w l ，n o x 排放降低了5 0 6 0 。方法中喷入的油水比为0 4 0 7 。 1 3 2 内燃机加水燃烧的各种方法及其优缺点h 1 8 目前己知，有三种向燃烧室供水的方法：进气道供水( 燃烧空气增湿法) 、 柴油掺水乳化方法、向燃烧室直接喷水。 1 ) 柴油机掺水乳化 柴油机掺水乳化是柴油喷入气缸前和水混合，同时加入乳化剂形成稳定 武汉理工大学硕士学位论文 的悬浮液，由原喷油系统喷入气缸。 柴油机掺水乳化的优点：不需要对发动机进行大的改变；对发动机 可靠性不会造成无利影响；能同时降低颗粒排放；水油达到3 0 也不 会造成油耗的增加：较低的水消耗量；低投资。 柴油机掺水乳化的缺点：最大掺水量较少，因此对应的n o x 的减少量 也很有限：需要乳化剂。 2 ) 向燃烧室直接喷水 向燃烧室直接喷水是利用原喷油系统或者第二套喷射系统在高压下直接 将水喷入气缸内参与燃烧。 该方法的优点是：水油比可以达到较高的水平，因此n o x 的排放降低 量也可以达到相对高的水平。 一 该方法的缺点是：需要对柴油机系统结构做较大改变：喷水嘴的使 用寿命较短；燃油消耗量增加；颗粒排放量增加；需要相对高的投资。 3 ) 进气道供水( 空气增湿法) 这种方法是将雾化水或者水蒸气从进气道喷入，随着空气进入燃烧室参 与燃烧，这种方法主要是利用增湿空气热容量剧增，从而起到降低燃烧温度， 以致大幅度降低n o x 排放。 该方法的优点是：进气道可以进入大量的水，促使排放尾气中的n o x 大幅度的降低。将水蒸汽喷入进气道，当水量达到燃油的3 倍时，n o x 可以 降低7 0 o ，这是一个非常可观的数值；既可以克服乳化方法中的只能有限 地降低n o x ( 由于水量有限) 缺点，又不像直接喷入燃烧室的方法那样必须 对柴油机系统结构做较大得改变：燃油消耗降低。 这种方法的缺点是：对颗粒排放没有效果，只能保持颗粒排放的不恶化。 1 3 3 利用水降排放机理乜”叫”1 1 1 水的热容量大可以降低缸内燃烧温度、防止局部富氧，从而降低n o 。 排放量 n o x 生成的三要素是高温( 含局部高温) ，富氧( 含局部富氧) 以及氮 与氧在高温下滞留的时间长。这三个要素缺一不可。只有三者同时具备时， n o x 才能生成。所以，要降低n o x 的生成，只要控制其中一至三个要素， 就能奏效。内燃机的燃烧过程中，氮和氧永远存在。n o x 生成的首要条件是 武汉理工大学硕士学位论文 高温。氮和氧的化合必须在高温条件下才能进行。所以，只要降低气缸内的 高温和局部高温点的温度，就能明显降低n o x 的生成量和排放量。水可以利 用自身潜热大的特点吸收热量而汽化成为过热蒸汽，从而降低缸内燃烧温度。 在一切固态和液态物质中，水的热容量最大。所以，它能大量吸收燃烧室中 炽热零部件的热量和工质的热量使得自己成为过热蒸汽。过热蒸汽充满整个 燃烧室，对空气( 氧) 进行了稀释，从而防止了局部富氧。 2 ) 利用微爆现象可以优化燃烧，有利于排放，同时减少燃油消耗量 当雾化的燃油喷射入气缸时，油滴高速撞击水滴，使二者变得更细。气 流的涡动增加了油与水碰撞及接触的机会，从而形成了油吸附于并包围着水 滴的微粒即油包水的油水乳化液，并较均匀地分布于燃烧室。油包水型乳化 油中，水以分散的珠状均匀地悬浮在油中，称为分散相或内相：油包在所有 水珠的外层，称为连续相或外相。由于水的热导率比液态油的热导率高，而 水的沸点比绝大多数油( 除1 0 0 度以下的汽油组分) 低，使油包水乳化油中 的内相水受热快，达到沸点和蒸发早，从而由水蒸气造成的压力突破油包水 的膜壳。以上就是微爆效应( 如图1 1 ) 图1 1 微爆效应示意图 微爆效应使油和水获得了第二次雾化，扩散和均化，这就使燃料油在空 气中分布更加均匀，空气利用率提高，促使燃烧更安全和完善，有利于排放。 1 3 4 本课题选取进气道喷水技术 基于进气道喷水技术的优点，本课题选取进气道喷水技术。通过向进气 道加水参与燃烧降低其n o x 排放，并减少油耗。水可以降低柴油机内的最高 燃烧温度，从而减少n o x 的形成。同时水参与燃烧形成水煤气反应，减少了 火焰中的炭粒，提高了油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了油的燃烧效 率。该技术可以获得低油耗和低n o x 排放之间的平衡。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究工作 f 1 ) 寻求一种能有效将水雾化的方法，包括雾化构件设计、喷嘴的选型； ( 2 ) 喷水系统总体方案设计，包括主要元部件的选型、喷水系统的搭建： ( 3 ) 确定定量喷水的方法，包括电控系统的设计、水量验证性试验、确 定上机试验中需要的水量： ( 4 ) 喷水对柴油机性能影响的敏感性实验； ( 5 ) 确定不同水量，并上机进行不同工况实验，获取排放数据以及燃烧 过程的示功图； ( 6 ) 根据实验结果进行排放计算、放热效率计算，获得喷水条件下不同 水量对柴油机排放性能和燃烧过程的影响情况； - ( 7 ) 根据计算结果选取最佳的喷水方案，即确定不同工况点的喷水量， 为喷水系统下一步研究与应用推广确定最佳实施方案与研究方向。 1 5 本章小结 本章首先提出了内燃机排放研究的紧迫性，介绍了柴油机有害排放物的 生成机理以及n o x 排放的控制措施。接下来介绍了内燃机加水燃烧的隋况， 包括利用水降低排放和油耗的机理、柴油机掺水燃烧的各种方法及其优缺点、 国内外在该领域的研究现状。最后介绍了本文的主要工作内容。 武汉理i 大学硕士学位论文 第2 章进气道喷水系统的设计 2 1 寻求一种能将水有效雾化的方法 将水雾化的方法有许多种，但是要达到良好的雾化效果，并且能够随意 控制雾化水流量的方法却不多。尤其需要提出的是，雾化水的效果是否优良 的评判标准是柴油机对其是否具有非常良好的敏感度。 因此寻求雾化方法的困难在于雾化装置必须满足以下几点： ( 1 ) 雾化效果优良，即柴油机的燃烧过程与污染物的排放值对雾化水必 须具有非常好的敏感度； ( 2 ) 水份必须全部以雾状进入柴油机，不能形成明显流水，因为那样将 对柴油机造成较大的破坏性影响； ( 3 ) 水量必须能够很好的被控制，喷入柴油机的水量在一定时间内必须 具有较好的稳定性和均匀性； ( 4 ) 雾化装置应该简便，易于装配，不需要对柴油机结构进行大的改动。 ( 5 ) 雾化装置不能对水的质量要求太高： 如何寻找一种简便有效的雾化方法在课题前期阶段是本研究面临的最大 困难。下面简要介绍这项工作中所尝试的方法及遇到的困难。 2 1 1 全锥形喷嘴雾化方法一失败方案一 该喷嘴的喷雾形状为弧状扁平形， 喷雾区域分布均匀，且嘴体不易堵塞。 图。 是具有高动力的窄角扇形喷嘴，整个 图2 1 为喷嘴的示意图与喷雾的效果 图2 1 全锥形喷嘴示意图及喷雾效果图 武汉理工大学硕士学位论文 通过试验发现以下失败原因： 1 ) 试验过程中水量不易控制，无法获得稳定的各种水量； 2 ) 水量太大，超过3 0 k g h ，不满足试验需求。 2 1 2 小水量挡板雾化装置一一失败方案二 为了获得较小的喷水量，设计了一个喷嘴( 图2 2 ) ，其通过激光打孔使 得出水孔径为0 1 o 3 m m ，喷水量约为3 k g h 1 5 k g h 。 承番鲢者空气 敢 进气遵 图2 2 喷嘴结构图图2 3 挡板雾化示意图 警肇拶：77 _ ：! ： 7 7 一之一。，l ， ：_ 麓w 麓 k 图2 - 4 挡板雾化装置结构图 该喷嘴虽然喷出的水量较小，能够满足水量的要求；但是喷出的水压太 武汉理】：大学硕士学位论文 大且不能达到雾化效果，在喷嘴前加一块光滑挡片，喷嘴将高压且水量很小 的水喷到该光滑挡片上就能产生雾化效果较好的水雾( 图2 3 ) 。当然同时也 会在挡片上产生未雾化的水流，因此可以通过设计挡片的结构，使得产生在 挡片上的水流能够及时的回流，而水雾能够随着空气一起进入进气总管( 图 2 4 ) 。 失败原因： 1 ) 柴油机运行时，由于进气空气的高速流动，使得从喷嘴中喷出的水 到达挡板时已经没有多大的压力，从而雾化效果较差，通过敏感性试验获知， n o x 排放变化不明显，柴油机的燃烧过程对其敏感度较差，难以达到改善燃 烧和优化排放性能的目标： 2 ) 产生的流水很容易被高速进气带入柴油机，因此该方案对柴油机的 燃烧反而起到恶化的作用： 3 ) 由于喷嘴的出水孑l 非常小( 0 1 m m o 3 m m ) ，因此经常发生水孔被 堵塞的现象，即该喷嘴对水的质量要求较高。 2 2 气一水雾化喷嘴一一成功雾化方案 本研究采用了气一水喷嘴。该喷嘴属气、水混合型喷嘴，其喷淋形式为 扁平状，雾化均匀，粒子较小，扩散角较大；水量随着水压、气压的改变而 改变。喷嘴的结构图、示意图与喷雾效果图如图2 - 5 。 图2 - 5 气一雾喷嘴 如图2 _ 5 ，气体和水分别输入喷嘴的两个进e l ，左边为入水口，右边为 气体进口，当然水压和气压可以相同也可以不同。喷嘴的出水量由进水的水 压和进气的气压同时控制，当水压一定时，如果加大气压，喷水量则减少， 武汉理工大学硕士学位论文 反之亦然：当气压一定时，如果加大水压，喷水量则增大，反之亦然。即喷 嘴的出水量与水压成j 下比，与气压成反比。本文称该气体为雾化水的载体。 2 3 该雾化方案对n o x 排放影响的敏感性试验 2 3 1 敏感性试验方案 为了从实验上证明上述所寻求的雾化方案是可行的，必须针对柴油机 n o x 排放进行敏感性试验。图2 - 6 为试验方案。 图2 6 敏感性试验方案 如图2 6 ，通过调节两个减压阀，可以得到不同压力的气体和水进入喷 雾器，因而得到不同大小水量的雾化水喷入进气总管，通过对比喷水和不喷 水条件下的n o x 排放与其它排放，可以得出该喷水方案对柴油机n o x 排放 与其它排放的敏感性效果( 详见以下的试验结果) 。试验对象为4 1 3 5 g 型柴 油机。 试验工况点选取转速15 0 0 r m i n 与1 2 0 0 r m i n ，负荷分别为5 0 与1 0 0 a 测试项目主要为n o x 排放与缸内压力曲线。喷入柴油机的水量取o k g h 、 6 5 k g h 、1 9 5 k g h 三种水量，对各种水量在选取的不同工况点下测量柴油机 的排放与缸内压力曲线。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 敏感性试验结果 、排放对比 1 ) 1 5 0 0 r r a i n 1 0 0 负荷( 如图2 7 ) 2 5 0 0 2 0 0 0 15 0 0 目 e 蚓 趟1 0 0 0 繁 5 0 0 盛 一 趔 辎 世 n n y r n h r 图2 7 纯柴油与喷水时柴油机排放对比图 2 ) i5 0 0 f r a i n 5 0 负荷( 如图2 - 8 ) 图2 - 8 纯柴油与喷水时柴油机排放对比图 啪 伽 撕 。 武汉理工人学硕士学位论文 3 ) 1 2 0 0 r m i n1 0 0 负荷( 如图2 9 ) 4 ) 1 6 u oj f 1 4 0 0 。 1 2 0 0 或1 f 霎e 0 0 1 4 。 2 。： 縻慝 h 0 1 c 0 图2 - 9 纯柴油与喷水时柴油机排放对比囱 1 2 0 0 r m i n 5 0 负荷( 如图2 - 1 0 ) h 水 縻囊 图2 一1 0 纯柴油与喷水时柴油机排放对比图 5 ) 排放敏感性结论 v ，喷水对柴油机的气体排放具有明显的影响； 喷水条件对柴油机的n o x 与c o 排放影响尤其明显； 喷水能够大幅度降低柴油机的n o x 排放： 喷水对c o 排放造成负面影响，尤其大水量的条件下 喷水对h c 排放影响不太敏感； 1 6 。 一q)刮姑 武汉理工大学硕士学位论文 为了使得n 0 x 排放大幅度降低，而同时又不对c o 排放造成较大的 负面影响，后面的研究致力于确定最优化的水量，从而确定一组或 几组最佳的喷水方案。 二、缸内燃烧压力敏感性试验 通过测试缸内压力曲线可以得到喷水和不喷水时柴油机缸内燃烧压力的 变化差异。 1 ) 1 5 0 0 r m i n1 0 0 负荷( 如图2 1 1 ) c a ( d e g ) 图2 - 1 1纯柴油与喷水时示功图对比 2 ) 1 5 0 0 r p m5 0 负荷( 如图2 1 2 ) 8 0 7 0 6 0 宙5 0 = 乞4 0 一 i 3 0 2 0 1 0 0 c a ( d o g ) 图2 1 2 纯柴油与喷水时示功图对比 木 水 柏 竹 。 竹 一岳兰。lx】d 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 1 2 0 0 r r a i n1 0 0 负荷( 如图2 13 ) 州圳删- ouboz uz 5 ，蚓3 5 4 u c a ( d e o ) 图2 一1 3纯柴油与喷水时示功图对比。 4 ) 缸内压力敏感性结论 喷水对缸内燃烧具有较大的影响： 随着水量的增大，着火点推迟； 高负荷时，最高燃烧压力不降低： 低负荷时，随着水量的增大，最高燃烧压力降低。 三、结论 通过排放敏感性试验与缸内压力敏感性试验可以得出以下结论 1 ) 气一水雾化方案可行； 2 ) 该方案能大幅度降低n o x 排放： 3 ) 该方案简单可行、易于控制水量。 2 4 喷水方案的总体设计 2 4 1 喷水系统的具体方案 本文具体方案采用从进气总管喷入水雾的方法，水雾随着进气一同进入 柴油机各个气缸参与燃烧。图2 1 4 为喷水系统的具体方案。 如图2 1 4 ，水箱由空压机通过减压阀加压，使水路的压力稳定在1 b a r ( 后 面将具体解释原因) ；空气( 为何使用空气，见后面的解释2 4 4 ) 由空压机 。 一罡。lxm 武汉理工大学硕士学位论文 进气总管 水辖 图2 1 4 喷水系统方案示意图 产生，通过电气比例调压阀变成不同压力的空气进入气雾喷嘴。电控单元 e c u 主要起到调节空气压力的作用。通过这套系统，可以产生水量稳定且可 调的水雾。 2 4 2 电一气比例调压阀控制空气压力 当水压一定时，为了获得稳定的水量，必须保证气路压力的稳定，同时 为了获得可任意调节的水量，必须保证气路压力的可调性。以此为目标，有 机械和电控两种方法可以达到。 1 ) 机械调节调压阀 这种方法的优点是经济简单，在本章前面介绍的敏感性实验就是利用这 种方法来获取可调节的气压。但这种方法的缺点是，精确度低，误差大，压 力调节非常麻烦，只能应用于气压不需要改变的情况下。 2 ) 电一气比例调压阀 本文采用的是s m c ( 中国) 有限公司生产的v y l l 0 0 0 2 型电一气比例调 压阀。该型调压阀是将减压阀和电磁阀组合在一起，可根据输入的电信号( 可 以是电压信号也可以是电流信号) 的大小进行无级调压，回路构成简单，容 易操作，可以集装。图2 1 5 为v y l l 0 0 0 2 型电气比例调压阀的回路原理。 图2 一1 6 为电气l r , f f f j 调压阀的实物图。表2 2 为v y l l 0 0 一0 2 型电气比例调压阀 武汉理工大学硕士学位论文 的性能参数。 输 叠 牡 图2 1 5 电气比例调压阀回路原理图图2 1 6 电气比例调压阀 比例调压阀的动作原理如下： _ p 进气口供入一定气压( 压力 。x o ( j ) ) & ( x ( k ) 9 0 时，喷当量湿度为0 0 5 3 的水。 2 ) 软件设计流程图 主程序的流程如图4 - 1 1 所示，主程序是循环执行的，各部分的主要功能 如下： 系统初始化部分主要是进行寄存器的初始化；对各控制参量进行初 始化；设置中断控制方式和等级；设置子程序和中断程序的入口。 武汉理工大学硕士学位论文 信号采集模块完成转速