濕度對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響

在本文中，我們研究了向柴油發(fā)動(dòng)機(jī)供給的燃料中噴射水時(shí)，即一定濕度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，對存在于燃料內(nèi)的水霧對于燃燒有怎么樣的影響進(jìn)行考察。同時(shí)，通過可視化燃燒的研究對發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、排放煙濃度、排氣中的氮氧化物濃度等發(fā)動(dòng)機(jī)的性能又有哪些的重大影響，從以下三方面進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響(使用含30%水分的燃料)；
3. 不同含水量對發(fā)動(dòng)機(jī)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?；瘯?huì)不會(huì)有影響；過熱水蒸氣與油霧間產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響在本節(jié)燃燒特性中簡單介紹。
下圖為可視化發(fā)動(dòng)機(jī)(光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī))采集到的缸內(nèi)火焰照片。在相同的實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(xiàn)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(shí)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(xiàn)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(xù)時(shí)間較長，火焰呈疊加狀、密云狀、無層次感，燃燒環(huán)境惡化。
含水燃料，在高溫高壓下水分產(chǎn)生熱離解后，發(fā)生焰前反應(yīng)加速造成初期缸內(nèi)壓力較高，混合氣的流動(dòng)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(shí)，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(yán)重時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)致命故障。
二、燃油溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)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?；瘯?huì)，以及混合氣的形成有何影響。在本節(jié)中，為了鮮明對比，對其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的油路進(jìn)行加熱保溫處理，對比兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性。
圖2為只使用30%含水燃料時(shí)，不同的供油溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。隨著供油量的增加，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能均呈上升趨勢，并沒有因?yàn)楣┯蜏囟鹊挠绊懓l(fā)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(yù)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(nèi)的油霧平均粒子減少，再加上水分的熱分解吸熱，缸內(nèi)油霧發(fā)生焰前反映的溫度較低導(dǎo)致火花核著火溫度較低、且相對集中，焰前反應(yīng)時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響
既然水分對發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)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(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，接下來驗(yàn)證這個(gè)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(gè)：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(huán)境下，使其燃燒更充分，以至于完全燃燒。但是考慮到燃油經(jīng)濟(jì)性，我們實(shí)驗(yàn)時(shí)采取持續(xù)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(jīng)濟(jì)性已到最優(yōu)狀態(tài)，這時(shí)煙氣濃度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)。比如噴油60mg/st時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力在pe=0.6mpa左右。正如上圖所示，在低負(fù)荷時(shí)，可采取20%水分含量的燃油；中高負(fù)荷時(shí)采用30%左右的水分含量燃油較為合理。
結(jié)論
1. 使用20%-30%水分含量的燃油，或?qū)Ω變?nèi)進(jìn)行噴水燃燒時(shí)，加上良好的空氣流動(dòng)，比如使用產(chǎn)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(shí)，由于其可燃混合氣量的增多，燃燒加速，整個(gè)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(dòng)將會(huì)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(shí)，水蒸氣的冷凝與熱腐蝕對發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件磨損、防銹也造成很大程度損耗。