堿性空氣介質對汽車發動機燃燒特性的影響研究

張麗莉 巴興強 趙琪琤

摘要：堿性空氣介質參與缸內燃燒，是在汽車發動機的進氣通道口使用超聲波霧化裝置，使其在堿性溶液中形成特定濃度的氣溶膠，從而改變空氣的基本摩爾比，并從進氣閥進入發動機缸內參與燃燒。本論文以汽車發動機為研究對象，分析堿性介質在參與燃燒過程中，對發動機燃燒特性的影響，從而為提高發動機功率，降低燃油消耗率，并最終減少有害污染物在發動機排放過程中的排放量提供參考。

關鍵詞： 堿性空氣介質；燃燒特性；汽車；汽油機；柴油機

中圖分類號：S2291文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.02.002

Combustion Characteristics Influence Study of Alkalinity Air Medium on Automotive Engine

ZHANG Lili1， BA Xingqiang1， ZHAO Qizheng2

（1 Dept. of Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China；2 Harbin Environmental Monitoring Center Station）

Abstract：Alkalinity air medium participating in cylinder combustion，which is using ultrasonic atomization device in the inlet channel of automobile engine，and forming specific concentration， and then change the molar ratio of the air， and finally， from the intake valve into the combustion in engine cylinder. In this paper， take the automobile engine as the research object， and analyzing the effects of combustion characteristics of the engine， so as to improve the engine power， reduce the fuel consumption， and ultimately provide the reference for reducing the harmful pollutants in the process of emissions.

Keywords： alkalinity air medium； combustion characteristic； automobile； gasoline engine； diesel engine

基金項目：哈爾濱市創投創新人才研究專項資金項目（2015RQQXJ074）；黑龍江省自然科學基金（E2016001）；黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12543007）。

作者簡介：張麗莉（1980-），女，博士。研究方向：智能決策方法技術、汽車故障診斷及檢測理論。

通訊作者：巴興強（1962-），男，博士，副教授。研究方向：交通污染與控制。E-mail：13603612662@163.com；

隨著我國機動車輛的增多，其污染物排放總量也不斷增加。為了減少汽車尾氣對人體的危害，利用一定濃度的堿性空氣介質，對進入汽車發動機內的氣體進行改性，并參與到發動機缸內燃燒過程中。這種人為地改變汽車發動機氣缸內燃燒空氣介質成分的方法，試圖使燃料在發動機缸內燃燒更全面，進而提高發動機功率，或是降低燃油消耗率，或是減少有害污染物在發動機排放過程中的排放量。

1堿性燃燒機理及應用現狀

堿性燃燒屬于一種特殊的催化燃燒，一般催化燃燒所用的催化劑為具有大表面積的貴金屬和金屬氧化物等物質[1]，其催化作用的機理比較復雜。在一個化學反應過程中，催化劑的加入并不能改變原有的反應平衡，所改變的僅是化學反應速度；而在反應前后，催化劑本身的性質并不發生變化[2]。在催化燃燒過程中，催化劑與高鍵能反應物和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，從而提高有效碰撞次數。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，同時放出熱量[3]。

目前，堿性燃燒技術在燃煤鍋爐領域上已經取得了可觀的成效。已經成功地在220 t煤粉鍋爐和10 t鏈條爐進行了示范應用，同時，該技術已經進行了燃煤煙氣脫硫機理分析與驗證實驗；完成了小型低含硫燃煤鍋爐脫硫實驗。該技術已經在6 t移動固化床取暖鍋爐中進行中試運行，取得了理想結果。

堿性空氣參與缸內燃燒技術在汽車發動機上也進行了初步實驗，初步研究發現，發動機排放的廢氣中的HC、NOx、CO、CO2、O2的含量隨著堿性氣體發生裝置的開閉時刻、參與燃燒時的堿性濃度、原料配比等的不同，會發生不同程度的變化。因此，還需要對該種燃燒狀態下，汽車發動機的燃燒特性進行深入的綜合分析。由于堿性金屬氧化物的路易斯堿性值大、配位性強，因此催化效果會大幅提高[4]。換言之，傳統燃燒是碳酸為過渡態的催化燃燒，而堿性燃燒（如果用鈉堿催化）則是碳酸鈉為過渡態的催化燃燒。碳酸與碳酸鈉的化學性質差距頗大。因此說，堿性燃燒與傳統燃燒相比在化學熱力學上有顯著的區別。

2堿性空氣介質對汽油發動機燃燒特性的影響研究

為了試驗結果的可信度和具有可比性，試驗方法應嚴格按照國家規定的有關內燃機臺架試驗標準進行。根據試驗目的和內容，制定詳細的試驗大綱，明確試驗條件，確定試驗工況、測量參數及試驗步驟等。

相同的發動機在同樣的工作情況下，由于測量環境條件的不同，所以得到的結果也不同。且所有的數據均應按照國家有關標準規定的要求進行大氣校正。當實際試驗條件與標準狀態不同時，需要按相應的要求進行校正。

本實驗選用HONDA車系EG3000型汽油發電機，如圖1所示。使用監測儀對發電機的發電量進行監控，以此對比堿性空氣介質參與缸內燃燒后發動機功率的變化規律。

由于發動機是將化學能轉化為機械能的機器，它的轉化過程實際上就是工作循環的過程，汽油發動機同時作為發電機的動力源，通過帶動發電機定轉子導體間相互動力切割磁力線產生電流，來完成向用電器提供移動電源。因此發電機的發電功率可以大體反映出發動機的動力輸出功率。

由于發動機的轉速是時刻變化的，隨著發動機轉速的變化，輸出功率的數值也會不同。因此，設定四組不同節氣門開度，在四組不同的發動機轉速下，分別記錄正常燃燒及堿性燃燒時發電機發電功率的數值，并進行對比分析。

首先，關閉服務器（堿性空氣介質傳媒裝置，下同），一組測試數據測量；然后，在相同的試驗條件下，打開服務器，測量1組測試數據；以此類推，分別記錄4次試驗數據，如表1所示。

從表1中可以看出：在4種轉速之下，堿性空氣介質參與發動機燃燒，對發電機的發電功率有一定提升，發電機在低峰時發電量在堿性燃燒后被提升到正常燃燒時發電機低峰時的發電量；由發電機發電功率增長，可以判斷出驅動發電機的發動機的功率也有所提升。

3堿性空氣介質對柴油發動機燃燒特性的影響研究

針對柴油發動機的堿性燃燒試驗，選用了一臺配有1.9 L高壓共軌發動機的捷達汽車，如圖2所示。由于柴油車不能安裝火花塞傳感器，所以不能使用燃燒分析儀。試驗選用了科邁恩牌解碼儀，如圖3所示，對怠速狀況時正常燃燒及堿性空氣介質參與燃燒的柴油發動機燃燒狀況進行分析。

發動機怠速狀況分為正常怠速及高怠速狀況，試驗選用的柴油捷達車的正常怠速為950 r/min，額定轉速為4000 r/min，因此該車高怠速轉速為2000 r/min。對試驗車輛選用950 r/min和2000 r/min兩種怠速工況進行檢測。首先，在車輛正常怠速時，關閉服務器，連接解碼儀進行數據讀取，待數據穩定后進行記錄；然后將發動機轉速增高至2000 r/min，此時為高怠速工況，待數據穩定后再次進行數據記錄。相同的試驗條件下，打開服務器，分別記錄堿性空氣介質參與燃燒后，兩種怠速工況的發動機數據如表2所示。

由表2可知：堿性燃燒狀況下，怠速工況的柴油車發動機運轉在點火正時、計算負荷值、進氣歧管絕對壓力幾項數值上改變較大，這對發動機影響主要體現在發動機負荷上。由于發動機負荷是部分節氣門開度所產生的發動機扭矩與節氣門全開時發出的最大扭矩之比來進行定義的，因此，加入堿性空氣介質之后，發動機負荷有所下降，發動機運轉更加平穩，說明柴油機的動力也有所提升，說明堿性空氣介質對柴油發動機燃燒起到催化作用，對發動機燃燒起到了積極的影響。

4結論

經過對比試驗得出結論：汽油機和柴油機在堿性空氣介質參與燃燒之后的燃燒性能均有提升，堿性燃燒技術對發動機運轉有積極影響效果。

（1）在高低不同的四種轉速之下，堿性空氣介質參與發動機燃燒，對發電機的發電功率有一定提升，驅動發電機的發動機的功率也有所提升。

（2）堿性燃燒狀況下，怠速工況的柴油車發動機運轉在點火正時、計算負荷值、進氣歧管絕對壓力幾項數值上改變較大，這對發動機影響主要體現在發動機負荷上。

（3）加入堿性空氣介質之后，發動機負荷有所下降，發動機運轉更加平穩，柴油機的動力也有所提升，說明堿性空氣介質對柴油發動機燃燒起到催化作用，對發動機燃燒起到了積極的影響。

隨著堿性空氣介質在發動機燃燒中的應用，汽車發動機不僅僅在排放質量上有所提高，發動機自身性能也有所提高，因此堿性空氣介質參與發動機燃燒技術對汽車發動機具有一定的應用價值。

參考文獻：

[1]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.

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

[3]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[A].中國環境科學學會.中國環境科學學會學術年會論文集[C].中國環境科學學會，2013：705-708.

[4]巴興強，趙琪琤.堿性燃燒技術對柴油機排放影響的研究[J].安徽農業科學，

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