農用運輸車輛發動機缸內堿性燃燒技術芻議

摘要 介紹一種在發動機的進氣道按一定比例摻混入堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒，通過堿性空氣介質對燃料的催化助燃作用來改善農用運輸車輛性能的技術。

關鍵詞 堿性燃燒 ；農用車性能 ；缸內燃燒 ；催化助燃

中圖分類號 S229+.1 文獻標識碼 A 文章編號 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

近年來，農用運輸車輛因其適應我國農村使用條件，適合農民購買力水平得以迅速發展，并取得了巨大的商業成功。20年間產量平均年增長速度約40%，目前社會保有量超過7 000萬輛。與其他機動車一樣，農用運輸車輛排放的主要污染物包括一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、細顆粒物（如PM2.5），二氧化碳（CO2）等。這些污染物不僅會對人體產生危害，還會影響農作物的產量[1]。

近年來，大氣污染已由原來的單純煤煙型污染迅速向煤煙和汽車尾氣復合型污染轉化。這些污染物其中的主要為一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物，對大氣污染分別達到 71.5%，72.9%，3.8%，已上升為空氣中污染物的主要來源，對人類、家畜、農業生態及自然生態有嚴重的潛在影響和危害。一輛老式農用農用運輸車輛，一年就可以排放將近8 t 的空氣污染物，污染大氣的同時還嚴重損害人們的身體健康[2]。因此，著重研究并控制農用運輸車輛發動機使用性能及排放品質，是目前農村運輸技術研究的當務之急。

1 堿性燃燒的基本原理

“堿性燃燒”是指在農用運輸車輛發動機缸內燃燒過程中，在發動機的進氣通道前端，利用專用超聲波霧化裝置，將特定濃度的某種堿性化合物溶液，霧化成具有一定摩爾比的堿性空氣氣溶膠，讓這種堿性空氣氣溶膠與車輛發動機進氣空氣均勻混合而進入汽缸參與缸內燃燒的過程[3]。換而言之，將進氣空氣改性為具有一定堿性濃度的堿性空氣介質，并讓這種改性后的堿性空氣介質持續不斷地進入發動機汽缸內參與燃燒，從而實現“堿性燃燒”。實現發動機缸內燃燒是燃油在堿性空氣介質中進行的化學反應。

這種人為地改變車輛發動機缸內燃燒空氣介質組分的目的是，盡可能地使燃油在發動機缸內燃燒更完全、更充分，進而提高發動機的動力性，降低燃油消耗率，最終減少發動機工作過程中排放的有害污染物數量。

堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒，應屬于催化燃燒，其機理與傳統催化燃燒相近[4]。在催化燃燒過程中，催化劑與高鍵能反應物及低鍵能產物均形成不同穩定程度的過渡態，使反應物隨機碰撞被“吸引”在催化劑表面上進行有序碰撞，提高有效碰撞次數[5]，在催化劑的配位電子參與下，依據能量最小原則，產生低鍵能的產物，同時釋放出熱量。

2 堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒對燃油特性的影響

項目組前期試驗研究發現，堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒后，其排放的氣體中污染物CO、CO2、NOX、HC的量會發生變化。在此只探討堿性空氣介質是否參與發動機缸內燃燒，發動機的動力性及燃油經濟性的對比影響及變化規律。

2.1 發動機負荷特性對比試驗

發動機正常運轉時，其功率、扭矩和耗油量這3個基本性能指標都會隨著負荷的變化而發生變化，這些變化遵循一定的規律，將這些有規律的變化描繪成曲線，就有了反映發動機特性的曲線圖。根據發動機的各種特性曲線，可以全面地判斷發動機的動力性和經濟性[6]。發動機負荷特性曲線是指當發動機轉速一定時，逐漸改變節氣門開度，其經濟性指標的每小時耗油量、燃料消耗率隨發動機負荷變化的關系。利用這一變化曲線，可最全面地確定發動機在各種負荷和轉速時的經濟性。

發動機負荷特性在發動機性能試驗臺架上進行，依據GB/T 18297-2001 《汽車發動機性能試驗方法》，測定加入堿性空氣介質燃燒前后，發動機的負荷特性變化規律。試驗所用主要儀器設備為FC2000發動機測控系統（圖1）；發動機性能測試臺架（圖2），包括DA165 1.5L汽油發動機一臺、電渦流測功機一臺和堿性空氣介質發生裝置一套。

由于發動機轉速是經常變化的，需要測定發動機不同轉速下的負荷特性，才能全面評價不同轉速和不同負荷下發動機的燃油經濟性。根據侯素禮的研究不同轉速下的發動機負荷特性曲線變化的趨勢差不多，只是具體數值有所不同[7]。因此，該試驗選擇在發動機轉速為2 000 r/min條件下，從低負荷開始逐步加大節氣門開度，測定每增加10 N·m時，該工況下發動機的輸出功率、燃油消耗量指標，并在額定轉速2 000 r/min條件下測定發動機的扭矩、燃油消耗量和燃油消耗率來對比發動機的負荷特性。

首先，關閉伺服器（堿性空氣介質發生裝置，下同），測量一組試驗數據；然后，在相同試驗條件下，開啟伺服器再測量一組試驗數據（表1）。分別將扭矩變化所對應的發動機輸出功率與燃油消耗量作出曲線（圖3、4）。

從圖3可以看出，在2 000 r/min的額定轉速下，堿性空氣介質是否參與發動機缸內燃燒對其輸出功率幾乎沒有影響，發動機的動力性對比變化不大。從圖4可以看出，在2 000 r/min的額定轉速下，堿性空氣介質是否參與發動機缸內燃燒，對發動機的燃油消耗量也沒有太大影響，發動機的燃油經濟性對比變化也不大。

2.2 發動機外特性對比試驗

3 結論與討論

經堿性空氣介質參與農用運輸車輛發動機缸內燃燒試驗分析可以認為：

（1）堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒，對發動機燃油經濟性及發動機動力性能均產生一定影響。

（2）發動機在中低轉速（3 000 r/min以下）時，堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒會對燃油發動機經濟性及動力性產生一定的負面影響。

（3）發動機在高轉速（3 000 r/min以上）時堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒對發動機燃油經濟性無影響。

（4）發動機在高轉速（3 000 r/min以上）時堿性空氣介質參與發動機缸內燃燒對發動機動力性產生積極影響。

結合堿性空氣介質參與缸內燃燒試驗，說明堿性燃燒技術在農用運輸車輛內燃機上的應用能夠對發動機性能產生影響，具有一定的應用推廣價值。

參考文獻

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[2] 巴興強，姜博瀚.堿性空氣介質參與缸內燃燒對農用車發動機排放的影響[J].安徽農業科學，2014，42（18）：6068-6070.

[3] 趙琪琤，李錦時，孫曉光，等.堿性燃燒應用實例研究[C]//中國環境科學學會.中國環境科學學會學術年會論文集.中國環境科學學會，2013：726-729.

[4] 白昕，畢紅巖，孫曉光，等.清潔燃燒——堿性燃燒技術的探討與研究[C]//中國環境科學學會.中國環境科學學會學術年會論文集.中國環境科學學會，2013：705-708.

[5] R.多代爾（法）.化學鍵的量子理論[M].北京：北京科學出版社，1985.

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[8] 水周燕，商高高，何建清.基于四參數的汽車發動機外特性模型[J].機械設計與制造，2011（10）：148-149.