国内农用发动机研究现状与展望

曹孟冰，汪志义，谷林强，翁凌霄

（1.南昌工学院，江西 南昌 330108；2.安徽全柴动力股份有限公司，安徽 全椒 239500）

国内农用发动机研究现状与展望

曹孟冰1，汪志义2，谷林强2，翁凌霄1

（1.南昌工学院，江西 南昌 330108；2.安徽全柴动力股份有限公司，安徽 全椒 239500）

本文综述了国内农用柴油机、汽油机、乙醇发动机、双燃料发动机、氢发动机、生物质斯特林发动机的研究现状，总结了这些农用发动机的优缺点，并指出洁净能源、短期可再生能源的利用是未来农用发动机燃料开发的主要方向；农用发动机燃料的经济性以及噪声的减少也是未来极有意义的研究方向。

农用柴油机；农用汽油机；双燃料发动机；生物质斯特林发动机

现代农业的发展和农业机械的发展息息相关。农用发动机作为农业机械的支撑核心之一，对农业机械的发展有着非常重要的作用。农用发动机通过燃料燃烧，把化学能转化为机械能，以此来给机械提供动力。目前农业发动机按使用燃料划分较常见的主要是柴油机、汽油机、乙醇内燃机、氢内燃机、双燃料内燃机、生物质斯特林发动机。

1 农用发动机的研究现状

（1）柴油机。单缸四冲程农用柴油机因其良好的经济性和野外工作性能,在农业机械化中被广泛使用。我国是世界上柴油机生产量最大的国家。针对农用柴油机进行了大量的研究，主要有以下几方面：一是高分贝噪声以及尾气排放研究。农用柴油机在使用过程中不仅产生较高分贝的噪声，而且排出大量的尾气和碳烟。其中噪声对人的身心有不良影响，尾气含有大量的致癌物质对人体和环境均有害；二是动力性与经济性研究。利用柴油与其他可溶型燃料混燃，研究柴油机的动力性、经济性及喷油器的雾化性；三是柴油机的可靠性和寿命研究。主要研究柴油机结构中各部分的疲劳限度，以此判断柴油机的可靠性和寿命。四是故障诊断研究以此来对柴油机进行相应维修保养。提高柴油机的可靠性、能动性、经济性，减少柴油机的噪音和尾气排放，是当前柴油机主要研究的目标。

（2）汽油机。目前，小型汽油机普遍用于水稻脱粒、抽水、喷雾等农业机械。国内对于农用汽油机的研究主要有以下几方面：一是汽油机的节油。气缸和曲轴箱压缩力不足会导致燃烧不良，进而导致功率不足、油耗增大；混合气过浓过稀等诸多因素同样对油耗产生的影响；二是沼气对汽油的替代。沼气是可再生能源，如果能利用沼气替代汽油，将对农村经济发展有重大的意义；三是汽油机故障诊断，研究柴油的故障诊断，以此来对汽油机进行维修保养。汽油机在农业方面用的较少，所以研究也相对较少。汽油机的研究主要是在汽油机的节油、汽油机的燃料替代及汽油机的故障诊断等方面。

（3）乙醇内燃机。近年来，乙醇作为一种现实的可再生清洁能源备受学者关注。像乙醇这样使用生物技术路线取代化学技术路线，已成为各国能源研究的核心内容。乙醇完全燃烧可以生成二氧化碳和水，对环境影响不大。但目前乙醇内燃机的应用主要是在汽车领域，农用发动机上的应用尚属空白。

（4）氢内燃机。氢燃料具有高效、清洁燃烧特性，燃烧后生成 H2O，不产生 CO、HCL、CO2及硫化物。浙江大学、华北水利水电大学对氢燃料发动机进行了研究，试验结果表明使用正确的喷氢策略和恰当的喷射提前角及点火提前角都能在一定程度上减少氢燃料发动机的异常燃烧现象。2007 年我国自主研制的第一台氢发动机在长安集团成功点火。经过不断探索，我国在发动机燃氢技术方面取得了一定进展，但还没有真正把氢内燃机使用在农业机械上。

（5）双燃料内燃机。我国双燃料发动机的研究，始于 20 世纪 60 年代。北京交通大学研制了天然气/柴油双燃料发动机，吉林大学研究了双燃料技术的混合燃烧特性及其燃烧规律。清华大学分析了双燃料发动机的最小引燃油量的影响。天津大学着重研究了增压双燃料发动机的燃烧和排放规律。长安大学分析了原柴油机与改装后的双燃料发动机的动力性和排放性能。浙江大学成功设计出沼气/柴油双燃料发动机，综合效果较好。国内主要是利用双燃料混合燃烧来提高发动机的效率和燃油经济性，降低污染物的排放，节约能源。

（6）生物质斯特林发动机。斯特林发动机在农业领域大有用武之地，斯特林发动机适合做农用拖拉机的运输动力。由于斯特林发动机具有良好的环境特性，同时具有燃料的广泛适应性，且具有良好经济性，能满足对运输动力的要求。特别对于有丰富生物能 (包括桔杆、柴草、谷壳等 )的农村非常适用。我国从 70年代末开始研究斯特林发动机。清华大学、中国科学技术大学等院校都在进行相应研究，中国船舶重工集团公司在该领域的研究已取得了一定的成果。

2 各种农用发动机的优缺点

（1）柴油机的优缺点。柴油机在农用方面的优点主要有：热效率高，节约能源；功率大，寿命长，动力性能好；它排放产生的温室效应比汽油低；一氧化碳与碳氢排放也低；柴油的冶炼比汽油节能。柴油机在农用方面的缺点主要有：压缩比高，燃料喷射装置价格昂贵；维修费用高；转速低，加速较慢；有害颗粒物排放大；天冷时柴油机会很难启动；柴油机的噪声很大且容易震动；柴油的使用方便性不如汽油。

（2）汽油机的优缺点。汽油机用于农用的主要优势：汽油机转速高，适应性好，工作平稳、柔和，操作方便省力，质量轻，噪声小，造价低，容易启动等。汽油机用于农用的主要劣势：燃料消耗率较高，经济性较差，排气净化指标低。在正常运转条件下汽油机的温度和压力都比柴油机低。

（3）乙醇内燃机的优缺点。乙醇内燃机在农用方面的优势：减少排放；动力性好；积炭减少；使用方便；资源丰富。乙醇内燃机在农用方面的劣势：蒸发潜力大；热值低；易产生气阻；腐蚀金属；与材料适应性差；易分层。

（4）氢内燃机的优缺点。氢内燃机在农用方面的优势：排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。氢内燃机在农用方面的劣势：氢燃料的存储和运输依照现在的技巧前提来说很是艰苦，由于氢分子很小，极易透过蕴藏装配的外壳逃逸。氢气的提取须要经由过程电解水或者应用自然气，这同样须要耗费大量能源。

（5）双燃料内燃机的优缺点。双燃料内燃机在农用方面的优势：环保性效益高；保养费用较低；燃料费大大节省。双燃料内燃机在农用方面的劣势：双燃料内燃机燃料站不够普及；改装手续麻烦；动力性能不一定会更好。

（6）生物质斯特林发动机的优缺点。双燃料内燃机在农用方面的优势：热效率高；排气污染低；噪音低；运转平稳；适用多种燃料。双燃料内燃机在农用方面的劣势：消耗耐热合金钢较多，造价较高，热量损失是内燃发动机的2～3倍等；发动机在提供有效动力之前需要时间暖机；发动机不能快速改变其动力输出；发动机在运转前需要额外增加起动力，而起动力也需要动能储备。

3 结语

（1）化石燃料污染过于严重，所以目前农用柴油机及农用汽油机的减排是目前农用发动机重要的研究内容之一。而目前出现的醇类及氢等就是很好的清洁能源，所以在减少排放领域研究潜力巨大。

（2）化石燃料是短期内不可再生能源，所以必须有短期可再生能源，例如醇类、氢、生物质等替代原始的化石燃料。在能源紧张的时代，这样才可以使得对农用发动机燃料的使用走可持续道路。

（3）在现代农业中燃料的经济性也非常重要，所以寻找比化石燃料更经济可靠的燃料非常重要。作为现代农用，农业机械的舒适度一样很重要，所以减少农用发动机的噪音非常必要。

[1]黄兴华 . 关于我国农业机械化建设的必要性解析 [J]. 中国农资，2014,4,190.

[2]李胜 . 我国农业机械发展中存在的问题及改善措施 [J]. 中国农业信息，2015,1.87.

[3]陆刚 . 现代燃油直喷燃烧技术引领车用发动机市场 [J]. 上海汽车，2006,5:40～42.

[4]中国汽车工业协会 . 2015 年柴油机销量前十名解析 [N]. 中国汽车报网，2016.

[5]刘俊磊 . 柴油机智能故障诊断系统的综合研究与工程实现 [D].东北大学，2007.

[6]罗 玉 萍 . 小 型 农 用 汽 油 机 的 节 油 方 法 探 讨 [J]. 南 方 农 机，2013,5.

[7]王玲 . 农用小汽油机节油维护技术[J]. 南方农机 ,2010,4:26～27.

[8]黄其彬，岳崇勤，周从钜 . 小型农用汽油机燃用沼气的技术措施 [J]. 广西农业机械化，2006,5:35～37.

[9]赵志国，王生昌 . 我国车用乙醇汽油使用对车辆性能影响及发展建议 [J]. 交通节能与环保，2008,3:30～32.

[10]李 永 钧 . 国 际 醇 类 汽 车 发 展 现 状 与 趋 势 [J]. 世 界 汽 车，2003,11.

[11]郑雪莲，宋喜岗，牛鑫森，李良 . 车用乙醇汽油燃烧生成液态排放物的理论分析 [J]. 黑龙江交通科技，2009,4:129～130.

[12]杨英哲 . 氢能源发动机的研究现状及发展趋势 [J]. 河南科技，2014,3.

[13]石兴超 . 双燃料发动机燃烧特性研究 [D]. 哈尔滨工程大学，2014.

S218

A

1671-0711（2017）03（下）-0154-02

本课题由国家重点研发计划——新型节能环保农用发动机开发（课题批准号：2016YFD0700800）资助。