綜述
霧化水燃燒又名摻水燃燒技術，是一種有著廣泛套用前景的技術 。水的加入 , 不僅可以時降低NOx排放及碳煙的生成, 而且還可以降低油耗。目前在柴油機的燃燒中 ,除水以外, 還找不到第二種物質能使三者同時下降, 因此它有著其他方法無法取代的優勢 。但該技術要做到真正的實用化, 尚面臨著許多實際問題。
燃料摻水後燃燒, 排氣溫度降低 ,根據熱力學第一定律, 內燃機的熱效率必然有所提高,即提高了燃料的利用率 ,從而可以降低能耗 。摻水燃燒燃料中的水不是游離狀態, 而是乳化狀態。乳化即一種液體以細小顆粒的狀態分布在另一種不相容的液體中, 細小顆粒表面覆一層另一種液體的吸附膜。
目前摻水燃燒技術的研究主要集中在如下幾個方面。
a.油水混合技術,包括燃料乳化技術、進氣道噴水技術 ,缸內直接噴水技術等 。
b.摻水燃燒的燃燒機理。
c.摻水量與 NOx, PM和油耗的關係以及如何根據發動機工況實時控制摻水量 。
霧化水燃料製備及噴射方式選擇
乳化油的製備
柴油乳化方式大體可分為靜態乳化方式和動態乳化方式。
霧化水燃燒設備圖靜態乳化是在柴油加注到油箱之前, 將含有一定量乳化劑的柴油與水混合, 通過一定的外力措施 ,如超音波 , 包括電超聲和流體動力超聲、膠體磨、機械攪拌等 ,利用乳化劑的親和作用將水分子和油分子擠壓、擾動而乳化。靜態製備的乳化液 ,其穩定存放周期與乳化劑的選擇和乳化方法有很大關係。動態乳化方法也稱為線上乳化方法, 即不使用或很少使用乳化劑, 直接或間接以柴油機為動力, 帶動隨車乳化器將油水混合物乳化, 乳化液直接用於燃燒。動態乳化法需要適當改造發動機, 增大噴油提前角 ,同時為柴油車加裝乳化器及其控制裝置。
噴射方式的選擇
水進入氣缸內目前大體有兩種方法:一種是以乳化油的方式噴射進入氣缸;一種是進氣道噴水或者直接向燃燒室噴水的方式進入氣缸。乳化油噴射進入氣缸燃燒,燃燒機理相對複雜 ,直接噴水進入氣缸或進氣道 ,水蒸汽在氣缸內所起的作用主要有兩點 :一是降低缸內溫度 , 這是它的主要作用;二是起到助燃的作用。水的助燃機理目前爭論較大 。這兩種噴射方式的一個共同問題就是水對氣缸金屬體的腐蝕。
霧化水燃燒機理
自從微爆理論提出以後 , 關於霧化水燃燒的機理一直爭論頗多。目前比較有代表性的觀點主要有兩種 :一是認為摻水燃燒過程中存在微爆現象, 由於微爆作用 ,柴油機的燃燒得到改善 ,排放降低, 油耗減少;另一種觀點認為摻水燃燒過程中不存在微爆現象, 或者有極少數微爆的存在, 摻水燃燒改善燃燒的原因在於水蒸汽吸收缸內的熱量參與做功, 在降低缸內溫度的同時提高了熱效率 。但兩種觀點都認為20% ～ 30%的摻水率可以獲得最佳的經濟性和排放性，一個普遍的共識是最大節油率為4%。
關於霧化水燃燒，分析以下三點，一是從油滴霧化到無水邊界層的形成 ,乳化液的油滴直徑已經大大減小,從燃燒的角度看這已經起到了細化燃油顆粒的作用;同時由於柴油機是質調節 ,增加了並不參與燃燒的水組份, 從燃燒助燃劑的角度看即增加了助燃劑氧氣, 從而改善了燃燒;第三個原因是水組份蒸發吸收了燃燒室及缸壁的熱量 ,水蒸汽和燃燒氣體一樣參與了推動活塞做功 , 因此水組分在降低缸內溫度的同時提高了柴油機的熱效率。更需要值得一提的是,由於燃燒室溫度的降低, NOx的生成量將大大降低,同時由於相對氧含量的增加 , PM的生成也能夠得到極大地抑制。綜合上述三個原因, 摻水燃料改善了柴油的燃燒 ,起到了節能和減排的作用。
