柴油机掺水燃烧降排NOx的机理及方法

汪国强

摘 要：柴油机排放的NOX等污染物是重要污染物之一。针对柴油机排放的NOX，分析了其生成机理、掺水燃烧能够降低其排放的原理及现有掺水燃烧方法对降低NOX的影响程度等问题，提出了更具有实际操作性的掺水燃烧方法。

关键词：柴油发动机；掺水燃烧；排放

引言

现代社会人们对能源和环境问题给予了越来越多的关注，与此同时，人们对作为污染物的主要排放源的汽车也提出了越来越苛刻的要求。

柴油机的主要排放污染物是NOX和颗粒物，而多方面的研究表明，柴油掺水能够在不同程度上降低柴油机的这两种排放污染物。

1 柴油机氮氧化物产生的机理

NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称。在发动机排放出的NOX中有约99%是NO，其形成机理较为复杂。通常可以表达为[1]：

这些反应是连锁反应，由氮分子与氧原子、氮原子与氧分子碰撞生成NO，由公式（1）和（2）可知氮原子与氧原子的生成则取决于反应时的温度。而发动机燃烧时的反应速度却远高于化学平衡的速度，所以除燃烧气体温度和氮氧浓度外燃烧时停留在高温的时间也是影响NO的重要因素。

2 柴油掺水可降低氮氧化物排放的机理

对柴油机的进气工质进行加湿可以有效地降低发动机混合气燃烧的最高温度，减少混合气停留在高温的时间，同时，水蒸气分子在发动机燃烧室温度条件下极易分解成具有一定催化作用的离子对NO的生成也具有抑制作用。

2.1 微爆理论

微爆理论是1962年原苏联学者B.H.依万若夫提出的。当雾化的燃油喷射入气缸时，油滴高速撞击水滴，使二者变得更细。水流的涡动增加了油和水碰撞及接触的机会，从而形成了油吸附于并包围着水滴的微粒即油包水的油水乳化液，并较均匀地分布于燃烧室。当油滴中水过热到超过油的表面张力时，水蒸气将突破油包水的膜壳。微爆效应使大直径的油滴变成小直径的油滴，提高了油滴的燃烧速率，从而提高了能量的转换速率，使原有燃油燃烧得更加充分，从而达到节油降排放的目的[2-3]。

同时，水蒸气的比热容远大于干空气的比热容（见图1[3]），水的大热容量可以降低缸内燃烧温度，防止局部富氧，从而抑制氮氧化物和颗粒物的生成。

2.2 加水燃烧机理的定量分析

傅维标等对柴油掺水的节油机理进行了定量分析，从多组分液体燃料蒸发的基本方程出发，定量地算出放热速率、燃尽速率以及他们随曲轴转角的变化，解释了柴油掺水燃烧节油的机理有三个原因，即水的快速蒸发使纯柴油直径变细并强化了燃烧；处于高温高压的蒸汽与燃气一样会做功；水的加入使排烟温度下降总能量损失减少。

研究人员同时还进行了实验研究认为，第一个原因是最重要的，且油掺水燃烧的最大节油率为4%左右[3]。

3 柴油不同掺水方法对柴油机排放的分析

柴油机掺水燃烧方法主要有乳化柴油（FWE），进气空气加湿，燃烧室直喷（DWI）三种。每种方法都可以不同程度的降低柴油发动机的排放，但在控制排放量、对发动机结构的改动以及降低燃油消耗等方面却有着很大的差异。

3.1 乳化柴油

乳化柴油是指水（或甲醇）和柴油通过乳化剂、助乳化剂在一定乳化设备经乳化而形成的油包水（W/O）型（透明）乳液。这种柴油通常要经过复杂的制备工艺、制备流程和制备设施。

对柴油乳化质量的主要影响因素有乳化剂种类的选择、乳化剂的用量、乳化温度等。每一个影响因素的微小变化都会直接影响到乳化柴油的质量。

国内外对乳化柴油的研究展开的比较早，且取得了一些成果。陈镇和孙平等人研究的微乳化生物柴油对柴油机性能的影响中就提及了在动力性不变的情况下，微乳化生物柴油在燃油消耗率基本不增加，甚至相对于生物柴油的燃油消耗率更低的情况下还能够显著地减少NOx和碳烟的排放，其环保效果十分明显。但乳化温度且表面活性剂、水、油比例的确定对油品质量影响较大[3]。

3.2 燃烧室直喷

向燃烧室直接喷水的方法是一种需要对柴油发动机的结构进行较复杂改装的一种柴油掺水燃烧方法。

燃烧室直喷往往要对柴油发动机的硬件有一定的要求，即DWI系统采用双孔喷嘴，由电磁阀控制喷射。由于共孰电喷喷油器一般安在气缸盖中心，因此DWI最近的发展是把水喷嘴置于汽缸盖侧端。

有研究表明随着喷水量的增加，NOx成比例地下降。但是同时油耗也大幅增加。鉴于此，一般只用DWI系统降低NOx的排放至IMO标准要求的一半，以控制油耗的增加率。DWI方法要较大改动柴油机结构，喷水嘴的使用寿命较短，需要相对高的投入[4]。

3.3 进气空气加湿

进气空气加湿是对柴油机从进气管部分就增加空气湿度，这种方法从混合气进入发动机的最前端即对其进行处理，既避免了乳化柴油的复杂制备工艺，也避免了燃烧室直喷方式对柴油机结构的改装。

进气空气加湿可以大幅降低NOx排放、控制不同工况下喷入水分的总量，目前采用对进气空气进行加湿的方法来降低柴油发动机的燃烧已经成为了国内外研究的热点。

2013年廖文蓉和王铁等人的研究结果表明进气空气加湿能够改善了柴油机的做功能力和循环效率；NOx的生成量显著降低，降幅均在10～30%之间；而且柴油机的热效率有所提高[5]。

4 结束语

经过对柴油机不同掺水燃烧方式在控制排放量、对发动机结构的改动以及降低燃油消耗等方面的对比分析，在三种燃烧方式中进气空气加湿是容易实现且降排效果最明显的一种方式，且在工艺上容易实现和控制。

参考文献

[1]高延龄.汽车运用工程[M].北京：人民交通出版社，1999：128.

[2]张东兴，杨瑞，谢伟超.柴油机电控单体式喷油器（EUI）开启压力测试装置[J].森林工程，2013，29（6）：89-91.

[3]鄢岚，任自中.气缸工质加水对柴油机NOX排放的影响[C].中国内燃机学会第四届青年学术年会中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.

[4]傅维标，侯凌云，王利坡，等.柴油机燃用掺水燃料的节油机理的定量分析[J].内燃机，2005（2）：1-9.

[5]陈镇，孙平，石中光，等.柴油机燃用微乳化生物柴油的性能和排放研究[J].小型内燃机与摩托车，2008，37（2）：64-67.endprint

摘 要：柴油机排放的NOX等污染物是重要污染物之一。针对柴油机排放的NOX，分析了其生成机理、掺水燃烧能够降低其排放的原理及现有掺水燃烧方法对降低NOX的影响程度等问题，提出了更具有实际操作性的掺水燃烧方法。

关键词：柴油发动机；掺水燃烧；排放

引言

现代社会人们对能源和环境问题给予了越来越多的关注，与此同时，人们对作为污染物的主要排放源的汽车也提出了越来越苛刻的要求。

柴油机的主要排放污染物是NOX和颗粒物，而多方面的研究表明，柴油掺水能够在不同程度上降低柴油机的这两种排放污染物。

1 柴油机氮氧化物产生的机理

NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称。在发动机排放出的NOX中有约99%是NO，其形成机理较为复杂。通常可以表达为[1]：

这些反应是连锁反应，由氮分子与氧原子、氮原子与氧分子碰撞生成NO，由公式（1）和（2）可知氮原子与氧原子的生成则取决于反应时的温度。而发动机燃烧时的反应速度却远高于化学平衡的速度，所以除燃烧气体温度和氮氧浓度外燃烧时停留在高温的时间也是影响NO的重要因素。

2 柴油掺水可降低氮氧化物排放的机理

对柴油机的进气工质进行加湿可以有效地降低发动机混合气燃烧的最高温度，减少混合气停留在高温的时间，同时，水蒸气分子在发动机燃烧室温度条件下极易分解成具有一定催化作用的离子对NO的生成也具有抑制作用。

2.1 微爆理论

微爆理论是1962年原苏联学者B.H.依万若夫提出的。当雾化的燃油喷射入气缸时，油滴高速撞击水滴，使二者变得更细。水流的涡动增加了油和水碰撞及接触的机会，从而形成了油吸附于并包围着水滴的微粒即油包水的油水乳化液，并较均匀地分布于燃烧室。当油滴中水过热到超过油的表面张力时，水蒸气将突破油包水的膜壳。微爆效应使大直径的油滴变成小直径的油滴，提高了油滴的燃烧速率，从而提高了能量的转换速率，使原有燃油燃烧得更加充分，从而达到节油降排放的目的[2-3]。

同时，水蒸气的比热容远大于干空气的比热容（见图1[3]），水的大热容量可以降低缸内燃烧温度，防止局部富氧，从而抑制氮氧化物和颗粒物的生成。

2.2 加水燃烧机理的定量分析

傅维标等对柴油掺水的节油机理进行了定量分析，从多组分液体燃料蒸发的基本方程出发，定量地算出放热速率、燃尽速率以及他们随曲轴转角的变化，解释了柴油掺水燃烧节油的机理有三个原因，即水的快速蒸发使纯柴油直径变细并强化了燃烧；处于高温高压的蒸汽与燃气一样会做功；水的加入使排烟温度下降总能量损失减少。

研究人员同时还进行了实验研究认为，第一个原因是最重要的，且油掺水燃烧的最大节油率为4%左右[3]。

3 柴油不同掺水方法对柴油机排放的分析

柴油机掺水燃烧方法主要有乳化柴油（FWE），进气空气加湿，燃烧室直喷（DWI）三种。每种方法都可以不同程度的降低柴油发动机的排放，但在控制排放量、对发动机结构的改动以及降低燃油消耗等方面却有着很大的差异。

3.1 乳化柴油

乳化柴油是指水（或甲醇）和柴油通过乳化剂、助乳化剂在一定乳化设备经乳化而形成的油包水（W/O）型（透明）乳液。这种柴油通常要经过复杂的制备工艺、制备流程和制备设施。

对柴油乳化质量的主要影响因素有乳化剂种类的选择、乳化剂的用量、乳化温度等。每一个影响因素的微小变化都会直接影响到乳化柴油的质量。

国内外对乳化柴油的研究展开的比较早，且取得了一些成果。陈镇和孙平等人研究的微乳化生物柴油对柴油机性能的影响中就提及了在动力性不变的情况下，微乳化生物柴油在燃油消耗率基本不增加，甚至相对于生物柴油的燃油消耗率更低的情况下还能够显著地减少NOx和碳烟的排放，其环保效果十分明显。但乳化温度且表面活性剂、水、油比例的确定对油品质量影响较大[3]。

3.2 燃烧室直喷

向燃烧室直接喷水的方法是一种需要对柴油发动机的结构进行较复杂改装的一种柴油掺水燃烧方法。

燃烧室直喷往往要对柴油发动机的硬件有一定的要求，即DWI系统采用双孔喷嘴，由电磁阀控制喷射。由于共孰电喷喷油器一般安在气缸盖中心，因此DWI最近的发展是把水喷嘴置于汽缸盖侧端。

有研究表明随着喷水量的增加，NOx成比例地下降。但是同时油耗也大幅增加。鉴于此，一般只用DWI系统降低NOx的排放至IMO标准要求的一半，以控制油耗的增加率。DWI方法要较大改动柴油机结构，喷水嘴的使用寿命较短，需要相对高的投入[4]。

3.3 进气空气加湿

进气空气加湿是对柴油机从进气管部分就增加空气湿度，这种方法从混合气进入发动机的最前端即对其进行处理，既避免了乳化柴油的复杂制备工艺，也避免了燃烧室直喷方式对柴油机结构的改装。

进气空气加湿可以大幅降低NOx排放、控制不同工况下喷入水分的总量，目前采用对进气空气进行加湿的方法来降低柴油发动机的燃烧已经成为了国内外研究的热点。

2013年廖文蓉和王铁等人的研究结果表明进气空气加湿能够改善了柴油机的做功能力和循环效率；NOx的生成量显著降低，降幅均在10～30%之间；而且柴油机的热效率有所提高[5]。

4 结束语

经过对柴油机不同掺水燃烧方式在控制排放量、对发动机结构的改动以及降低燃油消耗等方面的对比分析，在三种燃烧方式中进气空气加湿是容易实现且降排效果最明显的一种方式，且在工艺上容易实现和控制。

参考文献

[1]高延龄.汽车运用工程[M].北京：人民交通出版社，1999：128.

[2]张东兴，杨瑞，谢伟超.柴油机电控单体式喷油器（EUI）开启压力测试装置[J].森林工程，2013，29（6）：89-91.

[3]鄢岚，任自中.气缸工质加水对柴油机NOX排放的影响[C].中国内燃机学会第四届青年学术年会中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.

[4]傅维标，侯凌云，王利坡，等.柴油机燃用掺水燃料的节油机理的定量分析[J].内燃机，2005（2）：1-9.

[5]陈镇，孙平，石中光，等.柴油机燃用微乳化生物柴油的性能和排放研究[J].小型内燃机与摩托车，2008，37（2）：64-67.endprint

摘 要：柴油机排放的NOX等污染物是重要污染物之一。针对柴油机排放的NOX，分析了其生成机理、掺水燃烧能够降低其排放的原理及现有掺水燃烧方法对降低NOX的影响程度等问题，提出了更具有实际操作性的掺水燃烧方法。

关键词：柴油发动机；掺水燃烧；排放

引言

现代社会人们对能源和环境问题给予了越来越多的关注，与此同时，人们对作为污染物的主要排放源的汽车也提出了越来越苛刻的要求。

柴油机的主要排放污染物是NOX和颗粒物，而多方面的研究表明，柴油掺水能够在不同程度上降低柴油机的这两种排放污染物。

1 柴油机氮氧化物产生的机理

NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称。在发动机排放出的NOX中有约99%是NO，其形成机理较为复杂。通常可以表达为[1]：

这些反应是连锁反应，由氮分子与氧原子、氮原子与氧分子碰撞生成NO，由公式（1）和（2）可知氮原子与氧原子的生成则取决于反应时的温度。而发动机燃烧时的反应速度却远高于化学平衡的速度，所以除燃烧气体温度和氮氧浓度外燃烧时停留在高温的时间也是影响NO的重要因素。

2 柴油掺水可降低氮氧化物排放的机理

对柴油机的进气工质进行加湿可以有效地降低发动机混合气燃烧的最高温度，减少混合气停留在高温的时间，同时，水蒸气分子在发动机燃烧室温度条件下极易分解成具有一定催化作用的离子对NO的生成也具有抑制作用。

2.1 微爆理论

微爆理论是1962年原苏联学者B.H.依万若夫提出的。当雾化的燃油喷射入气缸时，油滴高速撞击水滴，使二者变得更细。水流的涡动增加了油和水碰撞及接触的机会，从而形成了油吸附于并包围着水滴的微粒即油包水的油水乳化液，并较均匀地分布于燃烧室。当油滴中水过热到超过油的表面张力时，水蒸气将突破油包水的膜壳。微爆效应使大直径的油滴变成小直径的油滴，提高了油滴的燃烧速率，从而提高了能量的转换速率，使原有燃油燃烧得更加充分，从而达到节油降排放的目的[2-3]。

同时，水蒸气的比热容远大于干空气的比热容（见图1[3]），水的大热容量可以降低缸内燃烧温度，防止局部富氧，从而抑制氮氧化物和颗粒物的生成。

2.2 加水燃烧机理的定量分析

傅维标等对柴油掺水的节油机理进行了定量分析，从多组分液体燃料蒸发的基本方程出发，定量地算出放热速率、燃尽速率以及他们随曲轴转角的变化，解释了柴油掺水燃烧节油的机理有三个原因，即水的快速蒸发使纯柴油直径变细并强化了燃烧；处于高温高压的蒸汽与燃气一样会做功；水的加入使排烟温度下降总能量损失减少。

研究人员同时还进行了实验研究认为，第一个原因是最重要的，且油掺水燃烧的最大节油率为4%左右[3]。

3 柴油不同掺水方法对柴油机排放的分析

柴油机掺水燃烧方法主要有乳化柴油（FWE），进气空气加湿，燃烧室直喷（DWI）三种。每种方法都可以不同程度的降低柴油发动机的排放，但在控制排放量、对发动机结构的改动以及降低燃油消耗等方面却有着很大的差异。

3.1 乳化柴油

乳化柴油是指水（或甲醇）和柴油通过乳化剂、助乳化剂在一定乳化设备经乳化而形成的油包水（W/O）型（透明）乳液。这种柴油通常要经过复杂的制备工艺、制备流程和制备设施。

对柴油乳化质量的主要影响因素有乳化剂种类的选择、乳化剂的用量、乳化温度等。每一个影响因素的微小变化都会直接影响到乳化柴油的质量。

国内外对乳化柴油的研究展开的比较早，且取得了一些成果。陈镇和孙平等人研究的微乳化生物柴油对柴油机性能的影响中就提及了在动力性不变的情况下，微乳化生物柴油在燃油消耗率基本不增加，甚至相对于生物柴油的燃油消耗率更低的情况下还能够显著地减少NOx和碳烟的排放，其环保效果十分明显。但乳化温度且表面活性剂、水、油比例的确定对油品质量影响较大[3]。

3.2 燃烧室直喷

向燃烧室直接喷水的方法是一种需要对柴油发动机的结构进行较复杂改装的一种柴油掺水燃烧方法。

燃烧室直喷往往要对柴油发动机的硬件有一定的要求，即DWI系统采用双孔喷嘴，由电磁阀控制喷射。由于共孰电喷喷油器一般安在气缸盖中心，因此DWI最近的发展是把水喷嘴置于汽缸盖侧端。

有研究表明随着喷水量的增加，NOx成比例地下降。但是同时油耗也大幅增加。鉴于此，一般只用DWI系统降低NOx的排放至IMO标准要求的一半，以控制油耗的增加率。DWI方法要较大改动柴油机结构，喷水嘴的使用寿命较短，需要相对高的投入[4]。

3.3 进气空气加湿

进气空气加湿是对柴油机从进气管部分就增加空气湿度，这种方法从混合气进入发动机的最前端即对其进行处理，既避免了乳化柴油的复杂制备工艺，也避免了燃烧室直喷方式对柴油机结构的改装。

进气空气加湿可以大幅降低NOx排放、控制不同工况下喷入水分的总量，目前采用对进气空气进行加湿的方法来降低柴油发动机的燃烧已经成为了国内外研究的热点。

2013年廖文蓉和王铁等人的研究结果表明进气空气加湿能够改善了柴油机的做功能力和循环效率；NOx的生成量显著降低，降幅均在10～30%之间；而且柴油机的热效率有所提高[5]。

4 结束语

经过对柴油机不同掺水燃烧方式在控制排放量、对发动机结构的改动以及降低燃油消耗等方面的对比分析，在三种燃烧方式中进气空气加湿是容易实现且降排效果最明显的一种方式，且在工艺上容易实现和控制。

参考文献

[1]高延龄.汽车运用工程[M].北京：人民交通出版社，1999：128.

[2]张东兴，杨瑞，谢伟超.柴油机电控单体式喷油器（EUI）开启压力测试装置[J].森林工程，2013，29（6）：89-91.

[3]鄢岚，任自中.气缸工质加水对柴油机NOX排放的影响[C].中国内燃机学会第四届青年学术年会中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.

[4]傅维标，侯凌云，王利坡，等.柴油机燃用掺水燃料的节油机理的定量分析[J].内燃机，2005（2）：1-9.

[5]陈镇，孙平，石中光，等.柴油机燃用微乳化生物柴油的性能和排放研究[J].小型内燃机与摩托车，2008，37（2）：64-67.endprint