基于低压氧弹燃烧法评定柴油添加剂的节能降污功效

廖梓珺,陈国需,赵立涛,秦 敏,王志民

(解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系,重庆400016)

能源危机和人居环境的日益恶化使得节能与环保成为全球性的重要课题,我国更是将节能减排作为“十一·五”规划的一项重要任务。柴油机与汽油机相比,具有热效率高、CO和 HC排放较低等优点,但NOx和颗粒物的排放高于汽油机,仍不能满足日益严格的排放和节能的要求[1]。使用性能良好的柴油节能降污添加剂,对已投入使用的车辆来说,既不用改动发动机结构也不用增加设备,是一种降低排放和提高经济性的最佳方法[2-3]。目前评价柴油节能降污添加剂功效的方法一般是采用发动机台架试验,通过测试节油率、烟度变化率和NOx等有害排放物的变化率来评价柴油添加剂节能减排功效[4]。这种试验法比较直观准确,但是资源损耗和费用较高。有研究者[5]提出,采用灰色相关分析法可以判断柴油添加剂的功效,可节省大量的发动机台架试验资源。

笔者采用低压氧弹燃烧法测定加入节能降污添加剂后柴油样的发热量以及残余物质量,提出了2个评定指标,即发热量变化率 Z和每克柴油燃烧后残余物质量变化率 R,对柴油节能降污添加剂效能进行模拟评定,并将该模拟评定结果与发动机台架试验和锅炉试验结果进行了灰色相关分析。

1 实验部分

1.1 油样、仪器和方法

采用自行研制的纳米节能降污添加剂1#和2#,分别以质量分数0.08%添加到中国石油天然气集团公司生产的0#柴油中,得到的油样编号为A和B。

采用河南省鹤壁市仪表厂有限责任公司ZDHW-2型自动量热仪测定油样发热量,利用Sartouris BS210s型电子天平(精度0.1 mg)称量油样燃烧后残余物质量。在柴油发动机D1135上,按QC/T 524-1999标准进行发动机台架试验,仪表精度符合上述标准的规定。该标准是汽车发动机在台架上所进行的动力性、经济性及其他重要性能的试验方法。采用该发动机台架试验对比A和B 2种油样的节能、减排效果,并以空白的0#柴油为参照。该发动机台架试验符合 QC/T 524-1999标准中“5对试验一般条件的控制”的规定,未作改动。

为考察节能降污添加剂在锅炉上的实际使用性能,采用 CLSS0.2-Y(Q)型燃料油锅炉,根据GB/T 15317-94和 GB 10180-2003的要求进行锅炉试验。以正平衡法考察锅炉的热效率,以称重法测定耗油量,测量水箱的水位获取蒸汽量,通过热电偶温度计获得蒸汽温度。调节进气门测定某一过量空气系数下的燃烧情况,采用英国产DH-9111型燃烧完全度综合测定仪测定计算过量空气系数。

1.2 锅炉试验的测定指标

锅炉在工作过程中,主蒸汽和给水的温度和压力均保持不变,根据锅炉的蒸汽量来计算节油率(Φ),见式(1)。

式(1)中,Φ为节油率,%;G0和 G1分别为锅炉每产生1 t额定蒸汽参数的蒸汽所消耗的空白和加剂燃油的质量,kg。

1.3 低压氧弹燃烧法测定发热量

参考 GB/T 384-1981(石油产品热值测定法)测定油样的发热量。为了模拟实际工况,需将氧弹充氧压力降低,以此时测得的发热量表征燃烧的完全程度。

1.3.1 氧弹充氧压力的确定

根据燃料的低热值 QD可以近似估计理论空气量V0[6-7],如式(2)所示。

式(2)中,“2.63”表示每产生10000 kJ发热量需理论空气量2.63 m3,柴油的低热值 QD为44.562 kJ/g,故V0=11.72 m3/kg。

通常状况下,理论需氧量为0.21V0,即2.46 m3/kg,弹筒容积为275 mL(实测),实验用油0.9 g,由气体状态方程计算得到弹筒内氧气压力 p=2.46×0.9×101.325×106/275=0.816× 106(Pa)。即弹筒内氧气压力为0.816 MPa时,以理论空燃比燃烧。由于车辆在运行时有一定的过量空气(取过量空气系数为1.10),实际消耗空气 Vn= nV0[8],即实际空气量为 12.89 m3/kg。在过量空气系数为1.10时,实际需氧量为0.21Vn,即2.71 m3/kg,计算此时弹筒内氧气压力 p=2.71× 0.9×101.325×106/275=0.899×106(Pa)。

即氧弹充氧压力为0.9 MPa时,模拟评定在过量空气系数为1.10时轻质柴油发动机的燃烧工况。

1.3.2 模拟评定指标的确定

测定加剂前后柴油的发热量,然后按照式(3)计算得到发热量变化率(Z)。称量燃烧后残余物质量,按照式(4)计算得到每克油燃烧后残余物质量变化率(R)。采用这2个指标模拟评定柴油节能降污添加剂效能。

式(3)中,QD0和 QD1分别为加剂前后柴油的发热量, kJ/g。式(4)中,M0和 M1分别为加剂前后柴油燃烧残余物的质量,g;m0和 m1分别为加剂前后柴油样的质量,g。

1.4 理化指标的测定

测定理化指标的目的在于比较理化指标和模拟评价指标的变化与发动机台架试验和锅炉试验结果的接近程度。分别按照 GB/T 508和 GB/T 1884标准测定加剂前后油样的灰分和20℃时密度。

2 结果与讨论

2.1 灰色相关分析法

灰色相关分析是一种系统分析方法。对一个抽象的系统或现象进行分析,首先要选准反映系统行为特征的数据序列,用它来间接表征系统行为,然后和其他相关因素的数据序列进行对比分析。其基本原理是根据不同序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密,曲线形状越接近,相应序列之间的关联度就越大,反之就越小[9]。灰色相关分析对样本量的多少和样本有无规律都同样适用,而且计算量小,十分方便,不会出现量化结果与定性分析结果不符的情况,因而具有广泛的实用性[10]。

灰色相关分析的一般步骤[9]:

(1)确定参考数列 X0和比较数列 Xi,求各序列的初值像(或均值像)。i为各个数列的序号。

(2)由式(5)求差序列。

式(5)中,Δi=(Δi(1),Δi(2),…,Δi(n)),k为各序列所包含的元素序号,x为元素。

(3)由式(6)求两极最大差与最小差。

(4)由式(7)求关联系数(γ0i(k))。

(5)由式(8)计算关联度:

(6)计算得到的各个序列关联度γ0i∈(0,1),因此关联度越接近1,说明它们的性能与参考数列越接近。

2.2 实验数据处理

表1列出加剂前后油样的平均节油率(RAFS)、平均烟度变化率(RASV)和 NOx总体变化率(RNOx),发动机台架测试结果和锅炉常用过量空气系数α=1.07时的节油率(RBFS),以及采用低压氧弹燃烧法得到模拟评价指标结果。灰分和20℃时密度(ρ20)的测试结果也列于表1。

表1 3种柴油样的锅炉试验、发动机台架试验和低压氧弹燃烧法评价结果Table 1 The results of boiler test,bench test and evaluation by low pressure oxygen bomb combustion method for three diesel samples

以表1中3个油样的平均节油率数列 XAFS(0, 3.1,2.3)、平均烟度变化率数列 XASV(0,-24.6, -20.3)、NOx总体变化率数列 XNOx(0,-17.3, -19.6)和锅炉常用过量空气系数α=1.07时的节油率数列 XBFS(0,4.30,3.78)分别作为参考数列 X0,表1中的 Z、R、灰分和密度分别作为4组比较数列 Xi,分别记为 X1Z、X2R、X3A和 X4ρ。采用公式(5)、(6)、(7)和(8)计算出这4组比较数列分别相对于3组参考数列的灰色关联度,结果如表2所示。通过灰色相关分析比较4组比较数列与参考数列的接近程度。

表2 根据表3数据的灰色关联度计算结果Table 2 The results of grey relational degree based on the data of Table 3

从表2可以看出,以台架试验结果作为参考数列、2个模拟评价指标作为比较数列时,得到的关联度都较大。说明在评定添加剂节能降污效能时,采用模拟评价指标评定与发动机台架试验和锅炉试验评定最接近,即用提出的模拟评价指标来评定添加剂的节能降污性能较准确且可行。其中,在以平均节油率数列 XAFS、平均烟度变化率数列 XASV和锅炉试验的节油率数列 XBFS分别作为参考数列 X0时,提出的模拟评价指标 Z作为比较数列得到的灰色关联度最大,其次是模拟评价指标 R作为比较数列得到的灰色关联度,说明模拟评价指标 Z能够更好模拟发动机台架试验的平均节油率、平均烟度变化率和锅炉试验的节油率。在以NOx总体变化率数列 XNOx作为参考数列 X0时,提出的模拟评价指标R作为比较数列得到的灰色关联度最大,其次是模拟评价指标 Z作为比较数列得到的灰色关联度,说明模拟评价指标 R可以更好地模拟发动机台架试验中的NOx总体变化率。

3 结 论

(1)对模拟评定结果和理化指标与发动机台架试验和锅炉试验进行灰色相关分析,得到了在以发动机台架试验和锅炉试验结果为参考数列、模拟评定结果作为比较数列时关联度最大的结论,即评定添加剂节能降污功效时,采用低压氧弹燃烧法与发动机台架试验法和锅炉试验结果最为接近。

(2)采用低压氧弹燃烧法得到的模拟评价指标Z可以模拟发动机台架试验中的平均节油率、平均烟度变化率和锅炉试验的节油率,模拟评价指标 R可以模拟发动机台架试验中的NOx总体变化率。

(3)采用低压氧弹燃烧法得到的2个模拟评价指标 Z和R可对所研制柴油添加剂节能降污功效进行模拟评价,为柴油添加剂的研发阶段提供筛选指标,可节省大量发动机台架试验资源。

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