濕度對發動機燃燒性能的影響

發布日期：2018-05-29 作者：忠程機械點擊：

　在本文中，我們研究了向柴油發動機供給的燃料中噴射水時，即一定濕度對發動機性能的影響，對存在于燃料內的水霧對于燃燒有怎么樣的影響進行考察。同時，通過可視化燃燒的研究對發動機的油耗、排放煙濃度、排氣中的氮氧化物濃度等發動機的性能又有哪些的重大影響，從以下三方面進行了研究：

1. 柴油和含有30%水分的燃料其燃燒過程對比；

2. 燃油溫度對發動機性能的影響(使用含30%水分的燃料)；

3. 不同含水量對發動機的影響(使用含20%、30%水分的燃料)。

一、可視化燃燒特性對比

　　在燃料中含有的水分，對其霧化或再微粒化會不會有影響；過熱水蒸氣與油霧間產生的化學反應對燃油成分是否有影響；由于其黏性的變化，燃燒所需氧含量量的增加，燃燒溫度較高等對發動機的性能影響在本節燃燒特性中簡單介紹。

　　下圖為可視化發動機(光學發動機)采集到的缸內火焰照片。在相同的實驗條件下，變化燃油中的水分含量。如圖所示，使用柴油的情況下火花核形成的位置在BTDC 10°CA，燃燒室的中心位置，微弱的火花核通過周圍可燃混合氣的擴散傳播使赤黃色火焰充滿燃燒室。圖1的(b)和(c)是使用了含有30%水分的燃油呈現出的火焰照片，很明顯初期火花核的形成位置比使用柴油時延遲5°CA，噴霧的霧化和混合氣的形成較差，形成了壁面著火現象，在火焰周圍看到未燃混合氣的存在，初期火花核的輝度較暗，殘光持續時間較長，火焰呈疊加狀、密云狀、無層次感，燃燒環境惡化。

　　含水燃料，在高溫高壓下水分產生熱離解后，發生焰前反應加速造成初期缸內壓力較高，混合氣的流動性差很容易使大顆粒燃油密集化，造成不完全燃燒，由照片中看出碳煙以及顆粒物增多；同時，附著在氣缸壁的燃油形成壁面著火造成冷卻水溫度異常，熱效率降低，功率和扭矩下降，嚴重時會造成發動機致命故障。

二、燃油溫度對發動機性能的影響

　　燃料中的水分在燃燒過程中由于過熱其黏性增大，對油粒的霧化和微粒化會，以及混合氣的形成有何影響。在本節中，為了鮮明對比，對其中一臺發動機的油路進行加熱保溫處理，對比兩臺發動機的外特性。

　　圖2為只使用30%含水燃料時，不同的供油溫度對發動機性能的影響。隨著供油量的增加，兩臺發動機的性能均呈上升趨勢，并沒有因為供油溫度的影響發生變化，甚至排氣溫度也基本一致。但是排煙濃度卻隨著供油溫度的升高劇烈增加。

　　由于供油溫度的上升，燃燒初期形成呈預混合氣量(可燃混合氣)的增多，燃料溫度的上升使燃油黏性增大，噴入氣缸內的油霧平均粒子減少，再加上水分的熱分解吸熱，缸內油霧發生焰前反映的溫度較低導致火花核著火溫度較低、且相對集中，焰前反應時間變長，滯燃期變長，混合氣形成不均布，燃燒不完全，排放煙濃度隨供油量的增多而增多，即(未燃油氣混合物)顆粒物濃度排放較高。

三、水分量的不同對發動機性能的影響

　　既然水分對發動機的性能有這么大影響和作用，那到底噴射多少水分或燃油中含有多少水分合適呢？在這里賣個萌，聰明的人早都看出來了！我們一直采用30%，或20%的水分含量進行對比實驗，接下來驗證這個含量是否合理。

　　為了減少尾氣中NOx和顆粒物，需要使燃料中的水分(噴射水分)適量增加，這樣做的目的有兩個：1.噴射的水分可以降低燃燒溫度，降低尾氣NOX的含量；2.富氧的燃燒環境下，使其燃燒更充分，以至于完全燃燒。但是考慮到燃油經濟性，我們實驗時采取持續噴水直至無法自燃，不能形成火花核無法燃燒為止。并記錄和對比后，其中在噴水20%----30%的條件下其燃油經濟性已到最優狀態，這時煙氣濃度較低，發動機性能最優。比如噴油60mg/st時，發動機的爆發壓力在Pe=0.6MPa左右。正如上圖所示，在低負荷時，可采取20%水分含量的燃油；中高負荷時采用30%左右的水分含量燃油較為合理。

結論

1. 使用20%-30%水分含量的燃油，或對缸內進行噴水燃燒時，加上良好的空氣流動，比如使用產生渦流、擠流較多的活塞等，可以使燃油的消耗率降低10%左右。同時，由于其可燃混合氣量的增多，燃燒加速，整個燃燒期大幅縮短；若將噴油提前角提前5°CA，由滯燃期造成的噪音和震動將會明顯降低，舒適性有所提升；

2. 含水燃油的燃燒火焰呈紅褐色，燃燒溫度較低，氮氧化合物的含量明顯減少。但由于水分較多，燃燒不完全使顆粒物和碳煙含量增加；同時，水蒸氣的冷凝與熱腐蝕對發動機的零部件磨損、防銹也造成很大程度損耗。