基于进气道喷水技术减少柴油机Nox排放的研究

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随着汽车、船舶保有量的增加,柴油机的排放成为大气环境的主要污染源之一,加剧了环境的污染。因此,有必要发展高效、低污染的烃燃料燃烧技术,这为柴油机新技术的发展带来新的机遇和挑战。本文采用fluent仿真计算和实验验证方法对进气道喷水技术减少柴油机NOx排放做了较深入的研究。   大量的研究表明,高温、氧气浓度、燃烧产物滞留时间是NOx形成的主要因素。然而,缸内氧气的浓度和燃烧产物的滞留时间则随着柴油机的转速随机变化很难进行控制。因此,降低柴油机气缸内的最高温度和局部温度以减少柴油机NOx排放是比较可行的方法。掺水燃烧过程的物理反应可以降低燃烧温度和产生微爆效应。“微爆炸”改善了燃油的雾化程度,有利于燃料和空气的充分混合,加快反应进程。水吸热变成过热蒸气过程中,吸收大量的热,降低了缸内的燃烧温度。过热水蒸气的存在稀释了混合气体中氧的浓度,NOx的生成得到了抑制。因此,采用简单和低成本的进气道喷水方法可以有效减少柴油机NOx排放。   本文以QC480型柴油机为研究对象,采用fluent仿真计算和实验验证的方法对水油喷射比例、点火延迟、NOx的减少量以及燃油消耗率等进行研究。在3000r/min,额定功率条件下,通过fluent仿真模拟,分析了不同水油比例对缸内温度、放热率变化以及NOx生成量的影响。仿真结果表明:喷水不会影响扩散燃烧的速率,也不会增大扩散燃烧期;最大喷水量时,温度降低约为50K;喷水量从0kg/h~3.5kg/h变化时,NOx排放减少0%~43%。以仿真结果为指导,采用实验方法得出:对于小型柴油机可取的水油比例为0.15~0.6,当水的比例的达到0.6~0.65时,最大NOx减少量可达到50%。考虑到喷水对其它污染物生成的影响,可取的水油比例为0.15~0.45。在相同的功率、转速下,喷水有利于提高燃油经济性,柴油机的滞燃期相应增大,改善了燃烧过程,气缸的最高爆发压力虽然有所降低,但是对柴油机的实际工作性能影响很小。因此,采用进气道喷水技术,可实现柴油机的节能减排。
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