堿性空氣介質(zhì)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響研究

張麗莉 巴興強(qiáng) 趙琪琤

摘要：堿性空氣介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒，是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)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(jìn)氣閥進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)參與燃燒。本論文以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析堿性介質(zhì)在參與燃燒過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，從而為提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低燃油消耗率，并最終減少有害污染物在發(fā)動(dòng)機(jī)排放過(guò)程中的排放量提供參考。

關(guān)鍵詞： 堿性空氣介質(zhì)；燃燒特性；汽車；汽油機(jī)；柴油機(jī)

中圖分類號(hào)：S2291文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xiàng)目：哈爾濱市創(chuàng)投創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015RQQXJ074）；黑龍江省自然科學(xué)基金（E2016001）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12543007）。

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

通訊作者：巴興強(qiáng)（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(guó)機(jī)動(dòng)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(duì)人體的危害，利用一定濃度的堿性空氣介質(zhì)，對(duì)進(jìn)入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體進(jìn)行改性，并參與到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中。這種人為地改變汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒空氣介質(zhì)成分的方法，試圖使燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒更全面，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，或是降低燃油消耗率，或是減少有害污染物在發(fā)動(dòng)機(jī)排放過(guò)程中的排放量。

1堿性燃燒機(jī)理及應(yīng)用現(xiàn)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(zhì)[1]，其催化作用的機(jī)理比較復(fù)雜。在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，催化劑的加入并不能改變?cè)械姆磻?yīng)平衡，所改變的僅是化學(xué)反應(yīng)速度；而在反應(yīng)前后，催化劑本身的性質(zhì)并不發(fā)生變化[2]。在催化燃燒過(guò)程中，催化劑與高鍵能反應(yīng)物和低鍵能產(chǎn)物均形成不同穩(wěn)定程度的過(guò)渡態(tài)，使反應(yīng)物隨機(jī)碰撞被“吸引”在催化劑表面上進(jìn)行有序碰撞，從而提高有效碰撞次數(shù)。在催化劑的配位電子參與下依據(jù)能量最小原則，產(chǎn)生低鍵能的產(chǎn)物，同時(shí)放出熱量[3]。

目前，堿性燃燒技術(shù)在燃煤鍋爐領(lǐng)域上已經(jīng)取得了可觀的成效。已經(jīng)成功地在220 t煤粉鍋爐和10 t鏈條爐進(jìn)行了示范應(yīng)用，同時(shí)，該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了燃煤煙氣脫硫機(jī)理分析與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；完成了小型低含硫燃煤鍋爐脫硫?qū)嶒?yàn)。該技術(shù)已經(jīng)在6 t移動(dòng)固化床取暖鍋爐中進(jìn)行中試運(yùn)行，取得了理想結(jié)果。

堿性空氣參與缸內(nèi)燃燒技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上也進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，初步研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣中的HC、NOx、CO、CO2、O2的含量隨著堿性氣體發(fā)生裝置的開閉時(shí)刻、參與燃燒時(shí)的堿性濃度、原料配比等的不同，會(huì)發(fā)生不同程度的變化。因此，還需要對(duì)該種燃燒狀態(tài)下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)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(qiáng)，因此催化效果會(huì)大幅提高[4]。換言之，傳統(tǒng)燃燒是碳酸為過(guò)渡態(tài)的催化燃燒，而堿性燃燒（如果用鈉堿催化）則是碳酸鈉為過(guò)渡態(tài)的催化燃燒。碳酸與碳酸鈉的化學(xué)性質(zhì)差距頗大。因此說(shuō)，堿性燃燒與傳統(tǒng)燃燒相比在化學(xué)熱力學(xué)上有顯著的區(qū)別。

2堿性空氣介質(zhì)對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響研究

為了試驗(yàn)結(jié)果的可信度和具有可比性，試驗(yàn)方法應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定的有關(guān)內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容，制定詳細(xì)的試驗(yàn)大綱，明確試驗(yàn)條件，確定試驗(yàn)工況、測(cè)量參數(shù)及試驗(yàn)步驟等。

相同的發(fā)動(dòng)機(jī)在同樣的工作情況下，由于測(cè)量環(huán)境條件的不同，所以得到的結(jié)果也不同。且所有的數(shù)據(jù)均應(yīng)按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行大氣校正。當(dāng)實(shí)際試驗(yàn)條件與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不同時(shí)，需要按相應(yīng)的要求進(jìn)行校正。

本實(shí)驗(yàn)選用HONDA車系EG3000型汽油發(fā)電機(jī)，如圖1所示。使用監(jiān)測(cè)儀對(duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)控，以此對(duì)比堿性空氣介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒后發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化規(guī)律。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，它的轉(zhuǎn)化過(guò)程實(shí)際上就是工作循環(huán)的過(guò)程，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)作為發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源，通過(guò)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體間相互動(dòng)力切割磁力線產(chǎn)生電流，來(lái)完成向用電器提供移動(dòng)電源。因此發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率可以大體反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出功率。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是時(shí)刻變化的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，輸出功率的數(shù)值也會(huì)不同。因此，設(shè)定四組不同節(jié)氣門開度，在四組不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，分別記錄正常燃燒及堿性燃燒時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的數(shù)值，并進(jìn)行對(duì)比分析。

首先，關(guān)閉服務(wù)器（堿性空氣介質(zhì)傳媒裝置，下同），一組測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)量；然后，在相同的試驗(yàn)條件下，打開服務(wù)器，測(cè)量1組測(cè)試數(shù)據(jù)；以此類推，分別記錄4次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表1中可以看出：在4種轉(zhuǎn)速之下，堿性空氣介質(zhì)參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，對(duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率有一定提升，發(fā)電機(jī)在低峰時(shí)發(fā)電量在堿性燃燒后被提升到正常燃燒時(shí)發(fā)電機(jī)低峰時(shí)的發(fā)電量；由發(fā)電機(jī)發(fā)電功率增長(zhǎng)，可以判斷出驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也有所提升。

3堿性空氣介質(zhì)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響研究

針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的堿性燃燒試驗(yàn)，選用了一臺(tái)配有1.9 L高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的捷達(dá)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(yàn)選用了科邁恩牌解碼儀，如圖3所示，對(duì)怠速狀況時(shí)正常燃燒及堿性空氣介質(zhì)參與燃燒的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀況進(jìn)行分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀況分為正常怠速及高怠速狀況，試驗(yàn)選用的柴油捷達(dá)車的正常怠速為950 r/min，額定轉(zhuǎn)速為4000 r/min，因此該車高怠速轉(zhuǎn)速為2000 r/min。對(duì)試驗(yàn)車輛選用950 r/min和2000 r/min兩種怠速工況進(jìn)行檢測(cè)。首先，在車輛正常怠速時(shí)，關(guān)閉服務(wù)器，連接解碼儀進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄；然后將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高至2000 r/min，此時(shí)為高怠速工況，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再次進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。相同的試驗(yàn)條件下，打開服務(wù)器，分別記錄堿性空氣介質(zhì)參與燃燒后，兩種怠速工況的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在點(diǎn)火正時(shí)、計(jì)算負(fù)荷值、進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力幾項(xiàng)數(shù)值上改變較大，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷上。由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷是部分節(jié)氣門開度所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與節(jié)氣門全開時(shí)發(fā)出的最大扭矩之比來(lái)進(jìn)行定義的，因此，加入堿性空氣介質(zhì)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷有所下降，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，說(shuō)明柴油機(jī)的動(dòng)力也有所提升，說(shuō)明堿性空氣介質(zhì)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒起到催化作用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒起到了積極的影響。

4結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出結(jié)論：汽油機(jī)和柴油機(jī)在堿性空氣介質(zhì)參與燃燒之后的燃燒性能均有提升，堿性燃燒技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有積極影響效果。

（1）在高低不同的四種轉(zhuǎn)速之下，堿性空氣介質(zhì)參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，對(duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率有一定提升，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在點(diǎn)火正時(shí)、計(jì)算負(fù)荷值、進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力幾項(xiàng)數(shù)值上改變較大，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷上。

（3）加入堿性空氣介質(zhì)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷有所下降，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，柴油機(jī)的動(dòng)力也有所提升，說(shuō)明堿性空氣介質(zhì)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒起到催化作用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒起到了積極的影響。

隨著堿性空氣介質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中的應(yīng)用，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不僅僅在排放質(zhì)量上有所提高，發(fā)動(dòng)機(jī)自身性能也有所提高，因此堿性空氣介質(zhì)參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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