碱性空气介质对汽车发动机燃烧特性的影响研究

张丽莉 巴兴强 赵琪琤

摘要：碱性空气介质参与缸内燃烧，是在汽车发动机的进气通道口使用超声波雾化装置，使其在碱性溶液中形成特定浓度的气溶胶，从而改变空气的基本摩尔比，并从进气阀进入发动机缸内参与燃烧。本论文以汽车发动机为研究对象，分析碱性介质在参与燃烧过程中，对发动机燃烧特性的影响，从而为提高发动机功率，降低燃油消耗率，并最终减少有害污染物在发动机排放过程中的排放量提供参考。

关键词： 碱性空气介质；燃烧特性；汽车；汽油机；柴油机

中图分类号：S2291文献标识码：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

基金项目：哈尔滨市创投创新人才研究专项资金项目（2015RQQXJ074）；黑龙江省自然科学基金（E2016001）；黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12543007）。

作者简介：张丽莉（1980-），女，博士。研究方向：智能决策方法技术、汽车故障诊断及检测理论。

通讯作者：巴兴强（1962-），男，博士，副教授。研究方向：交通污染与控制。E-mail：13603612662@163.com；

随着我国机动车辆的增多，其污染物排放总量也不断增加。为了减少汽车尾气对人体的危害，利用一定浓度的碱性空气介质，对进入汽车发动机内的气体进行改性，并参与到发动机缸内燃烧过程中。这种人为地改变汽车发动机气缸内燃烧空气介质成分的方法，试图使燃料在发动机缸内燃烧更全面，进而提高发动机功率，或是降低燃油消耗率，或是减少有害污染物在发动机排放过程中的排放量。

1碱性燃烧机理及应用现状

碱性燃烧属于一种特殊的催化燃烧，一般催化燃烧所用的催化剂为具有大表面积的贵金属和金属氧化物等物质[1]，其催化作用的机理比较复杂。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的反应平衡，所改变的仅是化学反应速度；而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化[2]。在催化燃烧过程中，催化剂与高键能反应物和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，从而提高有效碰撞次数。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，同时放出热量[3]。

目前，碱性燃烧技术在燃煤锅炉领域上已经取得了可观的成效。已經成功地在220 t煤粉锅炉和10 t链条炉进行了示范应用，同时，该技术已经进行了燃煤烟气脱硫机理分析与验证实验；完成了小型低含硫燃煤锅炉脱硫实验。该技术已经在6 t移动固化床取暖锅炉中进行中试运行，取得了理想结果。

碱性空气参与缸内燃烧技术在汽车发动机上也进行了初步实验，初步研究发现，发动机排放的废气中的HC、NOx、CO、CO2、O2的含量随着碱性气体发生装置的开闭时刻、参与燃烧时的碱性浓度、原料配比等的不同，会发生不同程度的变化。因此，还需要对该种燃烧状态下，汽车发动机的燃烧特性进行深入的综合分析。由于碱性金属氧化物的路易斯碱性值大、配位性强，因此催化效果会大幅提高[4]。换言之，传统燃烧是碳酸为过渡态的催化燃烧，而碱性燃烧（如果用钠碱催化）则是碳酸钠为过渡态的催化燃烧。碳酸与碳酸钠的化学性质差距颇大。因此说，碱性燃烧与传统燃烧相比在化学热力学上有显著的区别。

2碱性空气介质对汽油发动机燃烧特性的影响研究

为了试验结果的可信度和具有可比性，试验方法应严格按照国家规定的有关内燃机台架试验标准进行。根据试验目的和内容，制定详细的试验大纲，明确试验条件，确定试验工况、测量参数及试验步骤等。

相同的发动机在同样的工作情况下，由于测量环境条件的不同，所以得到的结果也不同。且所有的数据均应按照国家有关标准规定的要求进行大气校正。当实际试验条件与标准状态不同时，需要按相应的要求进行校正。

本实验选用HONDA车系EG3000型汽油发电机，如图1所示。使用监测仪对发电机的发电量进行监控，以此对比碱性空气介质参与缸内燃烧后发动机功率的变化规律。

由于发动机是将化学能转化为机械能的机器，它的转化过程实际上就是工作循环的过程，汽油发动机同时作为发电机的动力源，通过带动发电机定转子导体间相互动力切割磁力线产生电流，来完成向用电器提供移动电源。因此发电机的发电功率可以大体反映出发动机的动力输出功率。

由于发动机的转速是时刻变化的，随着发动机转速的变化，输出功率的数值也会不同。因此，设定四组不同节气门开度，在四组不同的发动机转速下，分别记录正常燃烧及碱性燃烧时发电机发电功率的数值，并进行对比分析。

首先，关闭服务器（碱性空气介质传媒装置，下同），一组测试数据测量；然后，在相同的试验条件下，打开服务器，测量1组测试数据；以此类推，分别记录4次试验数据，如表1所示。

从表1中可以看出：在4种转速之下，碱性空气介质参与发动机燃烧，对发电机的发电功率有一定提升，发电机在低峰时发电量在碱性燃烧后被提升到正常燃烧时发电机低峰时的发电量；由发电机发电功率增长，可以判断出驱动发电机的发动机的功率也有所提升。

3碱性空气介质对柴油发动机燃烧特性的影响研究

针对柴油发动机的碱性燃烧试验，选用了一台配有1.9 L高压共轨发动机的捷达汽车，如图2所示。由于柴油车不能安装火花塞传感器，所以不能使用燃烧分析仪。试验选用了科迈恩牌解码仪，如图3所示，对怠速状况时正常燃烧及碱性空气介质参与燃烧的柴油发动机燃烧状况进行分析。

发动机怠速状况分为正常怠速及高怠速状况，试验选用的柴油捷达车的正常怠速为950 r/min，额定转速为4000 r/min，因此该车高怠速轉速为2000 r/min。对试验车辆选用950 r/min和2000 r/min两种怠速工况进行检测。首先，在车辆正常怠速时，关闭服务器，连接解码仪进行数据读取，待数据稳定后进行记录；然后将发动机转速增高至2000 r/min，此时为高怠速工况，待数据稳定后再次进行数据记录。相同的试验条件下，打开服务器，分别记录碱性空气介质参与燃烧后，两种怠速工况的发动机数据如表2所示。

由表2可知：碱性燃烧状况下，怠速工况的柴油车发动机运转在点火正时、计算负荷值、进气歧管绝对压力几项数值上改变较大，这对发动机影响主要体现在发动机负荷上。由于发动机负荷是部分节气门开度所产生的发动机扭矩与节气门全开时发出的最大扭矩之比来进行定义的，因此，加入碱性空气介质之后，发动机负荷有所下降，发动机运转更加平稳，说明柴油机的动力也有所提升，说明碱性空气介质对柴油发动机燃烧起到催化作用，对发动机燃烧起到了积极的影响。

4结论

经过对比试验得出结论：汽油机和柴油机在碱性空气介质参与燃烧之后的燃烧性能均有提升，碱性燃烧技术对发动机运转有积极影响效果。

（1）在高低不同的四种转速之下，碱性空气介质参与发动机燃烧，对发电机的发电功率有一定提升，驱动发电机的发动机的功率也有所提升。

（2）碱性燃烧状况下，怠速工况的柴油车发动机运转在点火正时、计算负荷值、进气歧管绝对压力几项数值上改变较大，这对发动机影响主要体现在发动机负荷上。

（3）加入碱性空气介质之后，发动机负荷有所下降，发动机运转更加平稳，柴油机的动力也有所提升，说明碱性空气介质对柴油发动机燃烧起到催化作用，对发动机燃烧起到了积极的影响。

随着碱性空气介质在发动机燃烧中的应用，汽车发动机不仅仅在排放质量上有所提高，发动机自身性能也有所提高，因此碱性空气介质参与发动机燃烧技术对汽车发动机具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]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.

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

[3]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[A].中国环境科学学会.中国环境科学学会学术年会论文集[C].中国环境科学学会，2013：705-708.

[4]巴兴强，赵琪琤.碱性燃烧技术对柴油机排放影响的研究[J].安徽农业科学，

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