廖梓珺,陳國需,趙立濤,秦 敏,王志民

(解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系,重慶400016)

能源危機和人居環(huán)境的日益惡化使得節(jié)能與環(huán)保成為全球性的重要課題,我國更是將節(jié)能減排作為“十一·五”規(guī)劃的一項重要任務。柴油機與汽油機相比,具有熱效率高、CO和 HC排放較低等優(yōu)點,但NOx和顆粒物的排放高于汽油機,仍不能滿足日益嚴格的排放和節(jié)能的要求[1]。使用性能良好的柴油節(jié)能降污添加劑,對已投入使用的車輛來說,既不用改動發(fā)動機結構也不用增加設備,是一種降低排放和提高經濟性的最佳方法[2-3]。目前評價柴油節(jié)能降污添加劑功效的方法一般是采用發(fā)動機臺架試驗,通過測試節(jié)油率、煙度變化率和NOx等有害排放物的變化率來評價柴油添加劑節(jié)能減排功效[4]。這種試驗法比較直觀準確,但是資源損耗和費用較高。有研究者[5]提出,采用灰色相關分析法可以判斷柴油添加劑的功效,可節(jié)省大量的發(fā)動機臺架試驗資源。

筆者采用低壓氧彈燃燒法測定加入節(jié)能降污添加劑后柴油樣的發(fā)熱量以及殘余物質量,提出了2個評定指標,即發(fā)熱量變化率 Z和每克柴油燃燒后殘余物質量變化率 R,對柴油節(jié)能降污添加劑效能進行模擬評定,并將該模擬評定結果與發(fā)動機臺架試驗和鍋爐試驗結果進行了灰色相關分析。

1 實驗部分

1.1 油樣、儀器和方法

采用自行研制的納米節(jié)能降污添加劑1#和2#,分別以質量分數(shù)0.08%添加到中國石油天然氣集團公司生產的0#柴油中,得到的油樣編號為A和B。

采用河南省鶴壁市儀表廠有限責任公司ZDHW-2型自動量熱儀測定油樣發(fā)熱量,利用Sartouris BS210s型電子天平(精度0.1 mg)稱量油樣燃燒后殘余物質量。在柴油發(fā)動機D1135上,按QC/T 524-1999標準進行發(fā)動機臺架試驗,儀表精度符合上述標準的規(guī)定。該標準是汽車發(fā)動機在臺架上所進行的動力性、經濟性及其他重要性能的試驗方法。采用該發(fā)動機臺架試驗對比A和B 2種油樣的節(jié)能、減排效果,并以空白的0#柴油為參照。該發(fā)動機臺架試驗符合 QC/T 524-1999標準中“5對試驗一般條件的控制”的規(guī)定,未作改動。

為考察節(jié)能降污添加劑在鍋爐上的實際使用性能,采用 CLSS0.2-Y(Q)型燃料油鍋爐,根據(jù)GB/T 15317-94和 GB 10180-2003的要求進行鍋爐試驗。以正平衡法考察鍋爐的熱效率,以稱重法測定耗油量,測量水箱的水位獲取蒸汽量,通過熱電偶溫度計獲得蒸汽溫度。調節(jié)進氣門測定某一過量空氣系數(shù)下的燃燒情況,采用英國產DH-9111型燃燒完全度綜合測定儀測定計算過量空氣系數(shù)。

1.2 鍋爐試驗的測定指標

鍋爐在工作過程中,主蒸汽和給水的溫度和壓力均保持不變,根據(jù)鍋爐的蒸汽量來計算節(jié)油率(Φ),見式(1)。

式(1)中,Φ為節(jié)油率,%;G0和 G1分別為鍋爐每產生1 t額定蒸汽參數(shù)的蒸汽所消耗的空白和加劑燃油的質量,kg。

1.3 低壓氧彈燃燒法測定發(fā)熱量

參考 GB/T 384-1981(石油產品熱值測定法)測定油樣的發(fā)熱量。為了模擬實際工況,需將氧彈充氧壓力降低,以此時測得的發(fā)熱量表征燃燒的完全程度。

1.3.1 氧彈充氧壓力的確定

根據(jù)燃料的低熱值 QD可以近似估計理論空氣量V0[6-7],如式(2)所示。

式(2)中,“2.63”表示每產生10000 kJ發(fā)熱量需理論空氣量2.63 m3,柴油的低熱值 QD為44.562 kJ/g,故V0=11.72 m3/kg。

通常狀況下,理論需氧量為0.21V0,即2.46 m3/kg,彈筒容積為275 mL(實測),實驗用油0.9 g,由氣體狀態(tài)方程計算得到彈筒內氧氣壓力 p=2.46×0.9×101.325×106/275=0.816× 106(Pa)。即彈筒內氧氣壓力為0.816 MPa時,以理論空燃比燃燒。由于車輛在運行時有一定的過量空氣(取過量空氣系數(shù)為1.10),實際消耗空氣 Vn= nV0[8],即實際空氣量為 12.89 m3/kg。在過量空氣系數(shù)為1.10時,實際需氧量為0.21Vn,即2.71 m3/kg,計算此時彈筒內氧氣壓力 p=2.71× 0.9×101.325×106/275=0.899×106(Pa)。

即氧彈充氧壓力為0.9 MPa時,模擬評定在過量空氣系數(shù)為1.10時輕質柴油發(fā)動機的燃燒工況。

1.3.2 模擬評定指標的確定

測定加劑前后柴油的發(fā)熱量,然后按照式(3)計算得到發(fā)熱量變化率(Z)。稱量燃燒后殘余物質量,按照式(4)計算得到每克油燃燒后殘余物質量變化率(R)。采用這2個指標模擬評定柴油節(jié)能降污添加劑效能。

式(3)中,QD0和 QD1分別為加劑前后柴油的發(fā)熱量, kJ/g。式(4)中,M0和 M1分別為加劑前后柴油燃燒殘余物的質量,g;m0和 m1分別為加劑前后柴油樣的質量,g。

1.4 理化指標的測定

測定理化指標的目的在于比較理化指標和模擬評價指標的變化與發(fā)動機臺架試驗和鍋爐試驗結果的接近程度。分別按照 GB/T 508和 GB/T 1884標準測定加劑前后油樣的灰分和20℃時密度。

2 結果與討論

2.1 灰色相關分析法

灰色相關分析是一種系統(tǒng)分析方法。對一個抽象的系統(tǒng)或現(xiàn)象進行分析,首先要選準反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列,用它來間接表征系統(tǒng)行為,然后和其他相關因素的數(shù)據(jù)序列進行對比分析。其基本原理是根據(jù)不同序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密,曲線形狀越接近,相應序列之間的關聯(lián)度就越大,反之就越小[9]。灰色相關分析對樣本量的多少和樣本有無規(guī)律都同樣適用,而且計算量小,十分方便,不會出現(xiàn)量化結果與定性分析結果不符的情況,因而具有廣泛的實用性[10]。

灰色相關分析的一般步驟[9]:

(1)確定參考數(shù)列 X0和比較數(shù)列 Xi,求各序列的初值像(或均值像)。i為各個數(shù)列的序號。

(2)由式(5)求差序列。

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

(3)由式(6)求兩極最大差與最小差。

(4)由式(7)求關聯(lián)系數(shù)(γ0i(k))。

(5)由式(8)計算關聯(lián)度:

(6)計算得到的各個序列關聯(lián)度γ0i∈(0,1),因此關聯(lián)度越接近1,說明它們的性能與參考數(shù)列越接近。

2.2 實驗數(shù)據(jù)處理

表1列出加劑前后油樣的平均節(jié)油率(RAFS)、平均煙度變化率(RASV)和 NOx總體變化率(RNOx),發(fā)動機臺架測試結果和鍋爐常用過量空氣系數(shù)α=1.07時的節(jié)油率(RBFS),以及采用低壓氧彈燃燒法得到模擬評價指標結果?；曳趾?0℃時密度(ρ20)的測試結果也列于表1。

表1 3種柴油樣的鍋爐試驗、發(fā)動機臺架試驗和低壓氧彈燃燒法評價結果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個油樣的平均節(jié)油率數(shù)列 XAFS(0, 3.1,2.3)、平均煙度變化率數(shù)列 XASV(0,-24.6, -20.3)、NOx總體變化率數(shù)列 XNOx(0,-17.3, -19.6)和鍋爐常用過量空氣系數(shù)α=1.07時的節(jié)油率數(shù)列 XBFS(0,4.30,3.78)分別作為參考數(shù)列 X0,表1中的 Z、R、灰分和密度分別作為4組比較數(shù)列 Xi,分別記為 X1Z、X2R、X3A和 X4ρ。采用公式(5)、(6)、(7)和(8)計算出這4組比較數(shù)列分別相對于3組參考數(shù)列的灰色關聯(lián)度,結果如表2所示。通過灰色相關分析比較4組比較數(shù)列與參考數(shù)列的接近程度。

表2 根據(jù)表3數(shù)據(jù)的灰色關聯(lián)度計算結果Table 2 The results of grey relational degree based on the data of Table 3

從表2可以看出,以臺架試驗結果作為參考數(shù)列、2個模擬評價指標作為比較數(shù)列時,得到的關聯(lián)度都較大。說明在評定添加劑節(jié)能降污效能時,采用模擬評價指標評定與發(fā)動機臺架試驗和鍋爐試驗評定最接近,即用提出的模擬評價指標來評定添加劑的節(jié)能降污性能較準確且可行。其中,在以平均節(jié)油率數(shù)列 XAFS、平均煙度變化率數(shù)列 XASV和鍋爐試驗的節(jié)油率數(shù)列 XBFS分別作為參考數(shù)列 X0時,提出的模擬評價指標 Z作為比較數(shù)列得到的灰色關聯(lián)度最大,其次是模擬評價指標 R作為比較數(shù)列得到的灰色關聯(lián)度,說明模擬評價指標 Z能夠更好模擬發(fā)動機臺架試驗的平均節(jié)油率、平均煙度變化率和鍋爐試驗的節(jié)油率。在以NOx總體變化率數(shù)列 XNOx作為參考數(shù)列 X0時,提出的模擬評價指標R作為比較數(shù)列得到的灰色關聯(lián)度最大,其次是模擬評價指標 Z作為比較數(shù)列得到的灰色關聯(lián)度,說明模擬評價指標 R可以更好地模擬發(fā)動機臺架試驗中的NOx總體變化率。

3 結 論

(1)對模擬評定結果和理化指標與發(fā)動機臺架試驗和鍋爐試驗進行灰色相關分析,得到了在以發(fā)動機臺架試驗和鍋爐試驗結果為參考數(shù)列、模擬評定結果作為比較數(shù)列時關聯(lián)度最大的結論,即評定添加劑節(jié)能降污功效時,采用低壓氧彈燃燒法與發(fā)動機臺架試驗法和鍋爐試驗結果最為接近。

(2)采用低壓氧彈燃燒法得到的模擬評價指標Z可以模擬發(fā)動機臺架試驗中的平均節(jié)油率、平均煙度變化率和鍋爐試驗的節(jié)油率,模擬評價指標 R可以模擬發(fā)動機臺架試驗中的NOx總體變化率。

(3)采用低壓氧彈燃燒法得到的2個模擬評價指標 Z和R可對所研制柴油添加劑節(jié)能降污功效進行模擬評價,為柴油添加劑的研發(fā)階段提供篩選指標,可節(jié)省大量發(fā)動機臺架試驗資源。

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