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烟雾机的加装对发动机尾气排放的影响

赵瑛,潘江如,印治涛

摘 要:烟雾机是一种借助其他载体,如电、油、水等把药剂转化为烟雾形式的机器,但是在植保领域中将烟雾机加载在车辆上,目前研究的比较少.文章通过加载烟雾机发动机试验台架,利用发动机尾气的余热余压雾化吹散烟雾机中的药液,通过实验得到加装烟雾机后对发动机尾气排放的影响.

关键词:尾气排放;尾气温度;影响因素

中图分类号:U463.9  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2019)23-164-03

Effect Of Adding Smoke Machine On Engine Exhaust Emission

Zhao Ying1, Pan Jiangru2, Yin Zhitao3

( 1.School of Transportation and Logistics Engineering, Xinjiang Agricultural University, Xinjiang Urumqi 830052;2.Institute of Control Engineering, Xinjiang Institute of Engineering, Xinjiang Urumqi 830052;3.Shandong Taikai Hey Industry Machinery Co., Ltd. Shandong Taian 271000 )

Abstract: Smoke machine is a kind of machine that converts medicine into oke by means of other carriers, such as electricity, oil, water, etc. However, in the field of plant protection, there is little research on loading oke machine on vehicles. In this paper, the residual heat pressure of engine exhaust is used to atomize and disperse the liquid medicine in the oker by loading the engine test bench of the oker. The influence of adding the oker on the exhaust emission of the engine is obtained through experiments.

Keywords: Tail gas emission; Tail gas temperature; Influencing factors

CLC NO.: U463.9  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2019)23-164-03

前言

根据2018年年底的数据统计,全国新注册的机动车有3172万辆,机动车保有量就达到3.27亿辆,其中汽车达到了2.4亿辆,小型载客汽车2亿辆,机动车驾驶人达到了4.09亿,其中汽车驾驶人3.69亿.2019年上半年7月数据显示全国机动车保有量达到3.4亿辆,全国汽车保有量达2.5亿辆,私家车达1.98亿辆,机动车驾驶人数量达4.22亿人.随着汽车保有量的逐年升高,同时也帶来了能源消耗总量的增加,汽车是石油最大的能源消耗品.随着人们越来越多对环境保护意识的增强,汽车节能减排已经成为重要的研究课题之一.国家的2019年政府报告以及2019的中都多次提到过“节能、减排、降耗”等关键词.

在传统的内燃机燃烧总量中约有30%的能量能够转化为有用功[1],其余的70%都以各种形式散逸到大气中,在这70%的能量中,冷却过程消耗的能量占30%,通过尾气排放消散的能量约30%-35%,由此数据可见,在尾气中浪费的能量所占比例还是很大,如何有效的利用汽车尾气能量是我们解决汽车“节能、减排、降耗”的方法之一.

烟雾机功[2]是一种借助其他载体,如电、油、水等把药剂转化为烟雾形式的设备.烟雾机可以提高药剂的利用率,节省农民的种植成本,提高农作物的产量,还可以提高工作效率.但是在植保机械烟雾机的使用上,将烟雾机加载在车辆上,目前研究的比较少.

本文通过在发动机实验台上加载烟雾机,利用发动机尾气的余热余压雾化吹散烟雾机的药液,通过测得发动机尾气温度、尾气排放等数据,来测得加装烟雾机后对发动机尾气排放的影响.

1 国内外研究现状分析

1、1 国外研究现状

从20世纪末开始,随着汽车节能等问题的研究,国外发动机尾气能量利用技术得到了全面的研究和发展,国外的学者、专家纷纷提出了利用发动机尾气能量来改善节能、减排等问题,采用的方法有温差发电、涡轮增压、改良燃料等.

尾气温差发电是将汽车尾气热量转化为驱动车辆运动的能源,它的转化可以使汽车的燃油利用率提高 10%.涡轮增压[3]也在一定程度上提高了尾气的利用率.

1、2 国内研究现状

针对汽车尾气的研究[4],清华大学也在进行排气管发电装置的的研究,部分研究人员建立了一套能准确测量热电装置和性能参数的试验台架系统,通过试验台架进行了大量的实验数据检测,通过对大量数据的分析研究,结果表明该系统稳定、可靠、测试精度高,这些实验经历和数据都对后续研究热电发电装置的性能测试及新式热电发电系统测试台架具有指导和参考价值.

此外,其他的研究人员结合动力涡轮能量回收系统进行试验台架,应用Matlab 分析了不同工况下,排气状态参数、余热能、余动能和余压能的变化特性,通过数据分析对比归纳总结,得出排气状态对系统输出功率的影响.数据同时也反映出系统回收的排气能量占比17.34%-23.56%,与原机型的对比热效率平均提升10.6%.但是对数据的分析中发现该实验没有对经济性产生明显的变化.

在车辆的尾气余热余压能量回收效率方面,与国外的研究对比,国内开展相关的学术研究和实验较晚,发表的论文、专利及期刊较少.就目前开展的相关实验或是研究上,很多研究多集中在吉林大学、清华大学、西安交通大学等高校以及相关研究院所或是研究中心 ,并且各个大学研究着重以朗肯循环或改良的朗肯循环对内燃机余热能量的回收利用 、以动力涡轮联合系统的方式回收尾气余热、以朗肯循环和、气动式膨胀机构完成对内燃机尾气余热能量的回收、以温差发电优化系统方法提高能量回收效率等,同时部分的研究和实验仍处于基础理论和实验论证阶段.

2 烟雾机的加装对发动机尾气排放的影响

本文通过加载烟雾机发动机试验台架,利用发动机尾气的余热余压雾化吹散烟雾机的药液,通过实验得到加装烟雾机后对发动机尾气排放的影响.

本试验选用了YN系列38CRD2国4标准的柴油发动机,并且试验台架采用了涡轮增压、中冷技术以及燃油共轨喷射技术,发动机布置形式为4缸直列式,额定转速为3000rpm,排量为3.3L.本试验采用L DiGas 4000 四/五组分尾气分析仪,可以进行柴油机尾气成分的测定,如发动机尾气中CO、NOX、HC等的含量进行测量.

圖1 有*的是未加装烟雾机时发动机不同转速时CO的含量曲线,有三角是加装烟雾机后发动机不同转速下CO的含量曲线.在1200转速时,加载烟雾机的CO含量明显少于未加载的,尾气中一氧化碳的产生主要是在燃烧室中局部缺氧或低温条件下,由于烃不能完全燃烧而产生,随着其他燃烧过后的废气一同排出.当汽车超载、慢速行驶时或空挡运转时,混合气体不能充分燃烧,会造成尾气中一氧化碳含量增加.

图2看出在安装烟雾机之后发动机尾气中CO的上升幅度随发动机转速上升在1800转速附近时达到最大值,整体曲线是先逐渐上升后又逐渐下降最后又上升的趋势.发动机转速达在1800附近时,加装烟雾机产生的摩擦损失随发动机转速的增加迅速上升,发动机的内部的燃烧条件迅速恶化,此外,由于发动机尾气温度的降低,使得CO在排气管中的氧化作用变小,因此含量在上升.转速在2400前后时,尾气温度上升,局部问题高于500℃,CO的氧化作用加强了,因此尾气中CO含量又下降了.在2600转速附近时,尾气管中不断受到阻力,CO的含量又开始上升.

图3加装了烟雾机的发动机试验台架HC化合物随着发动机转速的提升,随着转速的增加先下降然后又有小幅度的上升,但是上升的幅度较小.在冷启动、暖机、怠速工况、小负荷工况或是混合气过稀或是过浓不能充分燃烧时可以产生部分HC化合物.本实验台架是柴油发动机,因此产生HC化合物多是混合气浓度过稀造成的,特别是怠速和小负荷工况.在图3中还可以看出刚开始转速不高时,排出的HC化合物还是比较多的,随着转速上升,含量在下降,原因是发动机处于冷启动、怠速等工况,冷激效果凸显,故而产生HC化合物,但是在转速2000以后,随着转速的增加,药液的持续喷出,造成排气管中排气背压增大[5],气流不畅,导致HC化合物有微量上升幅度,但是上升幅度不大.

过量空气系数是影响CO、CH生成量的另一个主要因素.当过量空气系数等于1时,是理想的混合气体,当过量空气系数小于1时,此时燃料与空气中的氧气不能完全燃烧,产生的为浓混合气,随着过量空气系数的增加,混合气燃烧后反应生成的CO、HC会降低;当达到理论值之后,随过量空气系数的增加CO、HC的生成量变化不是很大,如果空气系数进一步增大,会导致可以燃烧的混合气过稀,这时候混合气体燃烧后生成的CO和HC排放增加,混合气过稀是导致HC化合物产生的原因之一.气缸里剩余的没有及时排出的气体会参与到下一个过程的燃烧,这时可以燃烧的气体就比较少从而使燃烧温度降低,此外,二氧化碳和水蒸汽等热容较大气体的增加也会使燃烧室里的余气温度降低,最后造成的结果就是燃烧室里的混合气体温度较低,使得尾气中氮氧化合物排放量有所降低,但是碳氢化合物排放会增加.

图4中,由于加装了烟雾机,药液在排气管中吹散造成排气系统内的阻力加大、排气背压高,残余气体增多会使NOX的排放减少,但对HC的影响很小.

图5中,虚线是未加装烟雾机的发动机尾气温度曲线图,实线是加装了烟雾机的尾气温度曲线图.从图中可以看出两个曲线基本上都是随着转速的提高尾气温度呈上升趋势.在1200转速时,未加装烟雾机的尾气温度要明显高于加装烟雾机的,原因是加装烟雾机后,随着药液额喷出,影响到排气管中气流流动,排气管背压增加,造成排气阻力,所以会比没有加装烟雾机的尾气温度曲线总体要低.随着转速的升高,尾气温度也随之升高.

3 结论

加装了烟雾机后尾气排放受到较大影响,CO、HC的排放量上升幅度较大,NOX的排放量下降.

参考文献

[1] 郭仲海.柴油机性能对排气被压的敏感性研究[J].内燃机,2010(04): 47-49.

[2] 刘敬平,付建勤,冯康,等.发动机废气涡轮增压系统的能量流研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2011,38(5):48-53.

[3] 王宇,一种新式脉冲烟雾机的研制及应用[D].海口:海南大学, 2012: 3.

[4] 孙潇,张学义,史立伟.车用废气能量回收利用技术现状分析与发展前景[J].拖拉机与农用运输车, 2009, 36(06): 6-7.

[5] 韦正贵,农荣,梁桂章.排气背压对发动机性能的影响研究[J].装备制造技术, 2016(02): 25-26.

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