农用运输车辆发动机缸内碱性燃烧技术刍议

摘要 介绍一种在发动机的进气道按一定比例掺混入碱性空气介质参与发动机缸内燃烧，通过碱性空气介质对燃料的催化助燃作用来改善农用运输车辆性能的技术。

关键词 碱性燃烧 ；农用车性能 ；缸内燃烧 ；催化助燃

中图分类号 S229+.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）25-08832-03

Abstract A kind of engine inlet air mixed with alkaline medium by certain proportion in gasoline engine combustion in cylinder， air by alkaline medium for fuel catalytic combustion technology to improve automobile performance was introduced.

Key words Alkaline burn； Car performance； The combustion in cylinder； The catalytic combustion

近年来，农用运输车辆因其适应我国农村使用条件，适合农民购买力水平得以迅速发展，并取得了巨大的商业成功。20年间产量平均年增长速度约40%，目前社会保有量超过7 000万辆。与其他机动车一样，农用运输车辆排放的主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、细颗粒物（如PM2.5），二氧化碳（CO2）等。这些污染物不仅会对人体产生危害，还会影响农作物的产量[1]。

近年来，大气污染已由原来的单纯煤烟型污染迅速向煤烟和汽车尾气复合型污染转化。这些污染物其中的主要为一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物，对大气污染分别达到 71.5%，72.9%，3.8%，已上升为空气中污染物的主要来源，对人类、家畜、农业生态及自然生态有严重的潜在影响和危害。一辆老式农用农用运输车辆，一年就可以排放将近8 t 的空气污染物，污染大气的同时还严重损害人们的身体健康[2]。因此，着重研究并控制农用运输车辆发动机使用性能及排放品质，是目前农村运输技术研究的当务之急。

1 碱性燃烧的基本原理

“碱性燃烧”是指在农用运输车辆发动机缸内燃烧过程中，在发动机的进气通道前端，利用专用超声波雾化装置，将特定浓度的某种碱性化合物溶液，雾化成具有一定摩尔比的碱性空气气溶胶，让这种碱性空气气溶胶与车辆发动机进气空气均匀混合而进入汽缸参与缸内燃烧的过程[3]。换而言之，将进气空气改性为具有一定碱性浓度的碱性空气介质，并让这种改性后的碱性空气介质持续不断地进入发动机汽缸内参与燃烧，从而实现“碱性燃烧”。实现发动机缸内燃烧是燃油在碱性空气介质中进行的化学反应。

这种人为地改变车辆发动机缸内燃烧空气介质组分的目的是，尽可能地使燃油在发动机缸内燃烧更完全、更充分，进而提高发动机的动力性，降低燃油消耗率，最终减少发动机工作过程中排放的有害污染物数量。

碱性空气介质参与发动机缸内燃烧，应属于催化燃烧，其机理与传统催化燃烧相近[4]。在催化燃烧过程中，催化剂与高键能反应物及低键能产物均形成不同稳定程度的过渡态，使反应物随机碰撞被“吸引”在催化剂表面上进行有序碰撞，提高有效碰撞次数[5]，在催化剂的配位电子参与下，依据能量最小原则，产生低键能的产物，同时释放出热量。

2 碱性空气介质参与发动机缸内燃烧对燃油特性的影响

项目组前期试验研究发现，碱性空气介质参与发动机缸内燃烧后，其排放的气体中污染物CO、CO2、NOX、HC的量会发生变化。在此只探讨碱性空气介质是否参与发动机缸内燃烧，发动机的动力性及燃油经济性的对比影响及变化规律。

2.1 发动机负荷特性对比试验

发动机正常运转时，其功率、扭矩和耗油量这3个基本性能指标都会随着负荷的变化而发生变化，这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映发动机特性的曲线图。根据发动机的各种特性曲线，可以全面地判断发动机的动力性和经济性[6]。发动机负荷特性曲线是指当发动机转速一定时，逐渐改变节气门开度，其经济性指标的每小时耗油量、燃料消耗率随发动机负荷变化的关系。利用这一变化曲线，可最全面地确定发动机在各种负荷和转速时的经济性。

发动机负荷特性在发动机性能试验台架上进行，依据GB/T 18297-2001 《汽车发动机性能试验方法》，测定加入碱性空气介质燃烧前后，发动机的负荷特性变化规律。试验所用主要仪器设备为FC2000发动机测控系统（图1）；发动机性能测试台架（图2），包括DA165 1.5L汽油发动机一台、电涡流测功机一台和碱性空气介质发生装置一套。

由于发动机转速是经常变化的，需要测定发动机不同转速下的负荷特性，才能全面评价不同转速和不同负荷下发动机的燃油经济性。根据侯素礼的研究不同转速下的发动机负荷特性曲线变化的趋势差不多，只是具体数值有所不同[7]。因此，该试验选择在发动机转速为2 000 r/min条件下，从低负荷开始逐步加大节气门开度，测定每增加10 N·m时，该工况下发动机的输出功率、燃油消耗量指标，并在额定转速2 000 r/min条件下测定发动机的扭矩、燃油消耗量和燃油消耗率来对比发动机的负荷特性。

首先，关闭伺服器（碱性空气介质发生装置，下同），测量一组试验数据；然后，在相同试验条件下，开启伺服器再测量一组试验数据（表1）。分别将扭矩变化所对应的发动机输出功率与燃油消耗量作出曲线（图3、4）。

从图3可以看出，在2 000 r/min的额定转速下，碱性空气介质是否参与发动机缸内燃烧对其输出功率几乎没有影响，发动机的动力性对比变化不大。从图4可以看出，在2 000 r/min的额定转速下，碱性空气介质是否参与发动机缸内燃烧，对发动机的燃油消耗量也没有太大影响，发动机的燃油经济性对比变化也不大。

2.2 发动机外特性对比试验

3 结论与讨论

经碱性空气介质参与农用运输车辆发动机缸内燃烧试验分析可以认为：

（1）碱性空气介质参与发动机缸内燃烧，对发动机燃油经济性及发动机动力性能均产生一定影响。

（2）发动机在中低转速（3 000 r/min以下）时，碱性空气介质参与发动机缸内燃烧会对燃油发动机经济性及动力性产生一定的负面影响。

（3）发动机在高转速（3 000 r/min以上）时碱性空气介质参与发动机缸内燃烧对发动机燃油经济性无影响。

（4）发动机在高转速（3 000 r/min以上）时碱性空气介质参与发动机缸内燃烧对发动机动力性产生积极影响。

结合碱性空气介质参与缸内燃烧试验，说明碱性燃烧技术在农用运输车辆内燃机上的应用能够对发动机性能产生影响，具有一定的应用推广价值。

参考文献

[1] 杨延相，杜红.用于汽车道路行驶排放测量的车载实验系统[J].长安大学学报，2002，22（4）：62-65.

[2] 巴兴强，姜博瀚.碱性空气介质参与缸内燃烧对农用车发动机排放的影响[J].安徽农业科学，2014，42（18）：6068-6070.

[3] 赵琪琤，李锦时，孙晓光，等.碱性燃烧应用实例研究[C]//中国环境科学学会.中国环境科学学会学术年会论文集.中国环境科学学会，2013：726-729.

[4] 白昕，毕红岩，孙晓光，等.清洁燃烧——碱性燃烧技术的探讨与研究[C]//中国环境科学学会.中国环境科学学会学术年会论文集.中国环境科学学会，2013：705-708.

[5] R.多代尔（法）.化学键的量子理论[M].北京：北京科学出版社，1985.

[6] 王志辛.汽油发动机外特性曲线解析[J].佳木斯：佳木斯教育学院学报，2014（4）：272-273.

[7] 候素礼.客车电控半自动换档原理研究及操控系统开发[D].大连：大连理工大学，2006.

[8] 水周燕，商高高，何建清.基于四参数的汽车发动机外特性模型[J].机械设计与制造，2011（10）：148-149.

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