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湿度对发动机燃烧性能的影响

2018-03-27 09:19:15 点击:

 在本文中,我们研究了向柴油发动机供给的燃料中喷射水时,即一定湿度对发动机性能的影响,对存在于燃料内的水雾对于燃烧有怎么样的影响进行考察。同时,通过可视化燃烧的研究对发动机的油耗、排放烟浓度、排气中的氮氧化物浓度等发动机的性能又有哪些的重大影响,从以下三方面进行了研究:

1. 柴油和含有30%水分的燃料其燃烧过程对比;

2. 燃油温度对发动机性能的影响(使用含30%水分的燃料);

3. 不同含水量对发动机的影响(使用含20%、30%水分的燃料)。

一、可视化燃烧特性对比

  在燃料中含有的水分,对其雾化或再微粒化会不会有影响;过热水蒸气与油雾间产生的化学反应对燃油成分是否有影响;由于其黏性的变化,燃烧所需氧含量量的增加,燃烧温度较高等对发动机的性能影响在本节燃烧特性中简单介绍。

  下图为可视化发动机(光学发动机)采集到的缸内火焰照片。在相同的实验条件下,变化燃油中的水分含量。如图所示,使用柴油的情况下火花核形成的位置在BTDC  10°CA,燃烧室的中心位置,微弱的火花核通过周围可燃混合气的扩散传播使赤黄色火焰充满燃烧室。图1的(b)和(c)是使用了含有30%水分的燃油呈现出的火焰照片,很明显初期火花核的形成位置比使用柴油时延迟5°CA,喷雾的雾化和混合气的形成较差,形成了壁面着火现象,在火焰周围看到未燃混合气的存在,初期火花核的辉度较暗,残光持续时间较长,火焰呈叠加状、密云状、无层次感,燃烧环境恶化。

  含水燃料,在高温高压下水分产生热离解后,发生焰前反应加速造成初期缸内压力较高,混合气的流动性差很容易使大颗粒燃油密集化,造成不完全燃烧,由照片中看出碳烟以及颗粒物增多;同时,附着在气缸壁的燃油形成壁面着火造成冷却水温度异常,热效率降低,功率和扭矩下降,严重时会造成发动机致命故障。

二、燃油温度对发动机性能的影响

  燃料中的水分在燃烧过程中由于过热其黏性增大,对油粒的雾化和微粒化会,以及混合气的形成有何影响。在本节中,为了鲜明对比,对其中一台发动机的油路进行加热保温处理,对比两台发动机的外特性。

  图2为只使用30%含水燃料时,不同的供油温度对发动机性能的影响。随着供油量的增加,两台发动机的性能均呈上升趋势,并没有因为供油温度的影响发生变化,甚至排气温度也基本一致。但是排烟浓度却随着供油温度的升高剧烈增加。

  由于供油温度的上升,燃烧初期形成呈预混合气量(可燃混合气)的增多,燃料温度的上升使燃油黏性增大,喷入气缸内的油雾平均粒子减少,再加上水分的热分解吸热,缸内油雾发生焰前反映的温度较低导致火花核着火温度较低、且相对集中,焰前反应时间变长,滞燃期变长,混合气形成不均布,燃烧不完全,排放烟浓度随供油量的增多而增多,即(未燃油气混合物)颗粒物浓度排放较高。

三、水分量的不同对发动机性能的影响

  既然水分对发动机的性能有这么大影响和作用,那到底喷射多少水分或燃油中含有多少水分合适呢?在这里卖个萌,聪明的人早都看出来了!我们一直采用30%,或20%的水分含量进行对比实验,接下来验证这个含量是否合理。

  为了减少尾气中NOx和颗粒物,需要使燃料中的水分(喷射水分)适量增加,这样做的目的有两个:1.喷射的水分可以降低燃烧温度,降低尾气NOX的含量;2.富氧的燃烧环境下,使其燃烧更充分,以至于完全燃烧。但是考虑到燃油经济性,我们实验时采取持续喷水直至无法自燃,不能形成火花核无法燃烧为止。并记录和对比后,其中在喷水20%----30%的条件下其燃油经济性已到最优状态,这时烟气浓度较低,发动机性能最优。比如喷油60mg/st时,发动机的爆发压力在Pe=0.6MPa左右。正如上图所示,在低负荷时,可采取20%水分含量的燃油;中高负荷时采用30%左右的水分含量燃油较为合理。

结论

1.  使用20%-30%水分含量的燃油,或对缸内进行喷水燃烧时,加上良好的空气流动,比如使用产生涡流、挤流较多的活塞等,可以使燃油的消耗率降低10%左右。同时,由于其可燃混合气量的增多,燃烧加速,整个燃烧期大幅缩短;若将喷油提前角提前5°CA,由滞燃期造成的噪音和震动将会明显降低,舒适性有所提升;

2.   含水燃油的燃烧火焰呈红褐色,燃烧温度较低,氮氧化合物的含量明显减少。但由于水分较多,燃烧不完全使颗粒物和碳烟含量增加;同时,水蒸气的冷凝与热腐蚀对发动机的零部件磨损、防锈也造成很大程度损耗。


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