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柴油minus;水乳化柴油发动机

对NOx和PM排放的影响

Sangki Park,dagger; Seungchul Woo,dagger; Hyungik Kim,Dagger; and Kihyung Lee*,dagger;

dagger;Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, 1271 Sa1-dong, Sangrok-gu, Gyeonggi-do 426-791, Korea Dagger;Product Design for Actuator amp; CAE, HYUNDAI KEFICO, 102, Gosan-ro, Gunpo-si, Gyeonggi-do 435-716, Korea

摘要：随着全球变暖和能源消耗的日益关注，柴油发动机已经获得了相当的关注，由于其高的热效率。然而，柴油发动机有高NOx和PM的排放量。因此，本研究主要对柴油minus;水乳化柴油使用的（de）降低NOx和PM排放和评估基于de燃料的基本特性传统柴油发动机中的应用。将脱燃料应用于实际柴油机，并与柴油机的燃烧、排放和油耗特性进行了比较。在所有实验中喷射时间相同。COE系数变化（COV）所有原燃料稳定在一个值为2%的低水平，且燃烧时间短，柴油。NOx和PM的燃料产生率明显低于柴油燃料由于其有益方面微爆和蒸发潜热。

1。简介

随着全球气候变暖的加剧，气候变化将导致全球生态系统发生重大变化。此外，能源消耗的增加导致化石燃料储量枯竭。根据能源信息管理局（EIA）公布的2014年度能源展望，交通运输占温室气体排放量的21.7%，这是全球变暖的原因，76%的运输发生在公路上。因此，大多数主要汽车制造商和研究世界组织承诺努力开发高燃油效率E减少温室气体排放的替代燃料和低排放发动机。

柴油发动机具有较高的热效率比汽油发动机ffi由于其热力学的高压缩率和零泵气损失。此外，与汽油发动机相比，贫油状态下柴油机燃烧的机理在CO2排放方面是有利的。然而，自燃地扩散燃烧的机理，这是柴油机的一个基本概念，导致局部燃烧和大量的含氮化合物（NOx）由于热产生大量。此外，未燃烧的碳氢化合物（UHC）产生大量的颗粒物（PM），这是不可取的。因此，许多国家实施了各种排放法规，对废气排放进行了更严格的限制。正如在以前的研究中，各种技术对NOx和PM的排放减少，各有自己的优点和缺点，正是追求两个或两个以上的排放同时降低。因此，本研究试图解决这个问题通过使用柴油minus;水乳化（DE）的燃料，可降低NOx和PM排放的同时不改变现行制度。

DE燃料指的是油中的水（W O型）燃料状态，其中水滴分散在柴油中。因为W / O型燃料不涉及水上喷油直接暴露，腐蚀的低风险，通过微爆现象增强喷射雾化特性，降低燃烧温度，由于水的蒸发潜热使NOx和PM排放的同时减少1minus;9。

NOx和PM排放的燃料使用先前的理论和实验表明大约30年前，同时降低；然而，对这一课题的研究已经在稳定性、均匀性、小型化的乳液制造技术的限制，限制，和生产成本。10minus;12 R. E. hall9分析排放特性根据利用剩余油乳剂和锅炉水的含量。他观察到的PM、NOx、SO2、和HC排放明显降低，与二差异之间的递减乳化剂类型进行了研究。此外，他获得燃料效率增加2%使用的燃料和柴油燃料时。D. H. Cook等al.10发表对W/O乳化燃烧应用研究在科学和技术的燃料。他们研究了PM的变化和平均有效压力（IMEP）E用单缸柴油机的排放。他们发现，乳化燃料以10%和20%的水含量的体积变化产生的PM和平均指示压力减少；然而，水含量无显著性差异。然而，随着乳液制造技术和表面活性剂的最新进展，DE技术受到了新的关注。因此，应研究新生产技术脱硝的基本特性，同时评估柴油机中NOx和PM排放的同时降低。

这项研究描述了DE燃料的基本特性，并研究了在传统柴油机上应用DE燃料的潜力。众所周知，乳化燃料的性能取决于原料与表面活性剂的混合速度。此外，两者的燃料特性和喷雾特性有显著的E等对柴油机燃烧和排放特性。因此，本文主要介绍了DE燃料的生产方法以及燃料特性和喷雾特性的分析。最后，通过对柴油机燃烧和排放特性的分析，研究了乳化燃料降低NOx和PM排放的能力。

2。实验装置和程序

2.1。陶瓷膜乳化法。除燃料已普遍以四种不同方式制造，包括喷气机，使用静态混合器、均质机、超声波燃料。在实际车辆的应用中，燃料的稳定性和生产率是最重要的因素。乳液制造的最常用的方法是使用均化器。因为一个制造单元，利用均质机只能产生100毫升一次少的原材料，相关的成本都很高；当40minus;80升的燃料需要生产到车辆中的应用，系统规模将是昂贵的，这是不利的。因此，本研究使用陶瓷膜代替上述4种方法，以达到同样粒度的生产率。

膜按所用材料分类，如表1所示。膜特性因原料不同而不同。

表1。膜材分类

膜按所用材料分类，如表1所示。膜特性的变化取决于材料的特性（例如，有机/无机、疏水亲脂、多孔/无孔）。一个膜可能有各种性质。

本研究选择的膜的Shirasu多孔玻璃（SPG）膜，它是利用从宫崎县的火山灰制作的陶瓷膜项目，日本。一个0.05minus;20mu;m孔径的设计是为管板类型的可能，但管型优于平板型的机械强度和热电阻/绝缘。为此，本研究采用孔径为2mu;m的管式膜进行脱膜。由于孔径为2mu;m的颗粒能承受10 bar以下的压力条件，因此本研究选用这种尺寸。此外，遇到因为制造陶瓷膜的能力可以通过调整尺寸和数量的模块控制产能的要求。设计了一种陶瓷膜组件的小型脱油机。如前所述，实验中使用的陶瓷膜孔径为2mu;m，使系统在相对较低的压力下工作。图1显示了生产的紧凑型生产机的示意图。该系统包括一个燃料箱，低压泵、冷却器、油minus;水nonseparating过滤器，陶瓷膜组件。燃料生产所需的能量是通过泵供给的。冷却过程是必不可少的，因为泵内产生大量的热量。此外，如果一个共同的燃料过滤器用于生产乳化燃料，所有的水包含在DE将过滤。在这项研究中，一个油minus;水nonseparating过滤器代替。此外，在燃料室中安装了一个带有两个叶片的搅拌器，将连续相和分散相与乳化燃料中的表面活性剂混合。搅拌机生产，两个反方向安装bladeswere提高流体的混合效率E增加湍流强度。

2.2。表面活性剂的选择。

由于完全不可能完全混合水和油，必须将表面活性物质作为第三元素加入以形成乳化状态。这种物质叫做表面活性剂。表面活性剂在乳状液形成中起着关键作用。选定的表面活性剂是根据经验确定的。GRIN Eff开发有效的选择一个表面活性剂分子的规模，这被称为亲水亲油平衡值（HLB）minus;。这个量表表明表面活性剂分子量中亲油性与亲水性的相对百分比是表面活性剂选择的关键。

生产的W / O乳液，实验5非离子表面活性剂的HLB值范围从3到8进行。表2则显示本研究中使用的非离子表面活性剂的类型。只有非离子表面活性剂是用来防止元素内的燃料的排放造成的负面影响。

Span60和Span80广泛使用的非离子表面活性剂乳化制polyglyceryl-4-oleate（PGO）是一种广泛使用的表面活性剂用于化妆品的物质。卵磷脂是一种优秀的表面活性剂，从各种植物中提取出来。Lanolin，其HLB值的理想范围为W/O型乳状液，即3minus;6，加入审查生产性能取决于HLB。当含量在2%以内，表面活性剂不明显等ff燃烧。在本研究中，燃料表面活性剂含量保持在2%以内，各表面活性剂的质量比分别为1%和2%。分析了它们的特性后，确定了适用于发动机的燃料。

2.3。燃烧可视化系统。在实验中使用的发动机是单缸光学引擎（SCOE）与底视图类型。发动机头部由发动机试验中使用的相同部件组成。石英玻璃安装在膨胀活塞的顶部，火焰图像采用高速摄像机拍摄。

图2显示了光学引擎系统的图表，表3提供了光学引擎的规格。

在实际工况下，在相同条件下模拟燃烧可视化实验。实验条件见表4。利用燃烧压力数据对火焰图像进行分析，然后利用这些信息通过数字图像处理预测NOx和PM排放。

表3。单汽缸光学发动机技术条件

2.4。使用RGB方法和色调饱和度值（HSV）的图像处理方法。这是崇拜火焰图像定量分析通过实验自然光源燃烧可视化而不是使用激光分析方法。然而，火焰的颜色可以定量地参照火焰图像来确定。在这方面，本研究以确定预混/二扩散/丰富的火焰与火焰的颜色RGB方法参考。因为温度范围可以根据火焰颜色进行定量测定。

柴油燃烧时生成，可以通过使用RGB方法预测。13,14在这项研究中，蓝色的，红色的，黄色的火焰区域，确定了使用MATLAB（MathWork公司）代码，和红黄色的部分是下午会产生由专门设计的算法确定。然后对燃烧过程中的pm生成面积进行了分析。然而，RGB方法在定量分析氮氧化物生成面积方面存在局限性。

以火焰图像为基础量化氮氧化物排放量的最佳方法是测量燃烧室内的实际温度，并将数据与火焰图像相匹配。然而，它是二ffi邪教获得燃烧温度数据实验，因为燃烧是苏ffi高效快速，气体立即冷却Off在发射。因此，本研究利用HSV分析法，分析颜色、饱和度和三级，以检查色调、色调和色调。在这种方式中，它是可能的量化的颜色，亮度，图像中每个火焰强度，和NOx排放的地区可参照火焰图像识别。

2.5。发动机性能试验。在这项研究中，2.2升4缸柴油机共轨喷射系统和电涡流测功机系统（EC）。图3显示了用于测量发动机性能的系统。发动机的运转是通过etk-ecu和印加的S / W的控制。在1号缸的火花塞拆下燃烧的解释，和一个适配器安装燃烧压力传感器（6056a，基斯特勒）。通过燃烧压力传感器采集到的信号被送到燃烧分析仪（indimicro /车辆接口，AVL）和PC机上使用这种方法计算，可以很容易地计算各种

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