汽油—水雾混合燃烧技术在汽车驾驶培训车辆上的应用

黄俊平

（天津交通职业学院，天津 300110）

汽油—水雾混合燃烧技术在汽车驾驶培训车辆上的应用

黄俊平

（天津交通职业学院，天津 300110）

为探索特殊用途的在用车辆节能减排的途径，对汽车发动机汽油—水雾混合燃烧技术的机理、系统设计和工艺流程进行了研究。通过实验，验证了该项技术应用在汽车驾驶培训车辆上，不仅能大大改善汽油发动机的燃烧性能，而且能使其燃油消耗量、有害气体的排放量以及培训教学成本明显降低。

汽油；水雾；车辆

汽车发动机汽油—水雾混合燃烧技术源于“燃油掺水”技术。这一技术在国内外已有几十年的历史，其发展过程几起几落，由于受科技水平、环境、加工成本等条件制约，一直没有得到实质性的推广。天津市交通科学技术研究所早在1983年就曾与中科院声学研究所共同开展燃油乳化掺水的研究开发工作，建立了汽车发动机台架实验室和汽车道路实验室，对燃油掺水的理论和试验进行了研究，掌握了大量的一手资料和实验数据，并于1983年经专家论证取得了阶段性成果，但由于当时环境和条件所限，没有继续实施更深入的研究和推广。近两年来，由于国际石油能源紧张和原油油价的大幅上涨，汽车排放法规的进一步严格，特别是我国汽车工业的快速发展和汽车保有量的迅猛增加，使得燃油的价格及供需矛盾日益突出，已成为制约我国汽车工业进一步发展的“瓶颈”。在国务院大力提倡“节能减排”的今天，燃油掺水技术又重新受到人们的高度重视。在此背景下，课题组利用原有研究基础和成果，采用新的工艺技术，创新地提出把“燃油掺水”技术应用于汽车驾驶培训车辆上，以达到降低驾驶员培训成本、节能减排的目的。本文对此进行探讨。

1 燃油掺水技术发展现状

1.1 “燃油掺水”的机理

在燃油（本文仅研究汽油）中掺入一定比例的水分，并经过高度雾化后燃烧，能够达到节能减排的效果，这是国内外专家通过大量实验和理论研究达成的共识。其机理有多种解释，较为成熟的理论为“微爆”理论和“水煤气反应”理论。

（1）微爆理论 掺水燃料在油雾燃烧中的主要特点是滴的微爆。通过对单液滴燃烧的高速摄影，可以看到油雾在燃烧时每个液滴中包含的水滴。当液滴表面的油尚未完全蒸发而温度急剧升高时，其包含的水滴温度升高到沸点以上，水蒸汽压力超过油壳表面张力和环境压力之和时，液滴发生“爆炸”现象。微爆使得雾化更为充分，微爆后，较大的水滴破碎成更细的小滴，急剧增大了与氧气的接触面积，加快了燃烧速度。同时水的蒸发还降低了火焰温度，减少了NOx等有害气体的生成，同时抑制了液相的热分解反应，使排气中的碳颗粒大大减少，既节省了燃料，改善了燃烧性质，又降低了有害气体的排放。

（2）水煤气理论 掺水后的燃油在燃烧过程中CO和碳还存在水煤气反应，即：

这两组化学反应都是吸热反应，分别吸收了125.7 kJ和75.19 kJ的热量，它们所生成的H2、CO与CO2又形成了一般的燃烧反应：

这两组反应都是放热反应，而且最终生成物为水和二氧化碳。水煤气反应能促进碳的加速燃烧和完全燃烧，而且是先吸热后放热，这对内燃机的燃烧过程是相当有利的。

更进一步的研究表明，高度雾化的水雾在燃烧时形成的水蒸汽在高温高压下还能分解为两个活体：OH和H（自由基和自由原子），这将大大促进CO的燃烧和其它燃烧化学反应，加速和完善整个燃烧过程，使燃烧更为充分。

1.2 国内外研究状况及存在的问题

汽油掺水技术研究了几十年，其从燃烧机理到可行性分析已无大的争议，但在技术推广和实际应用，特别是燃油掺水方法及工艺、乳化剂使用、燃油的稳定性、冷启动性能、发动机热损失以及加工成本等方面还存在许多问题，其中集中体现在燃油掺水的方法和工艺方面。目前国内外广泛研究并采用的燃油掺水的方法主要是乳化油法。乳化油法就是将一定比例的燃油和水在乳化剂的作用下，混合成为均匀的乳化液体，并经高度雾化后送入发动机汽缸内燃烧，从而达到解决燃油和减少排气污染的目的。但目前阻碍该技术实用化主要涉及5个方面的因素：①乳化剂成本较高、用量较大，加大了燃油的成本；②乳化剂燃烧时不易分解，容易产生积炭，并可导致新的排放污染物；③不能满足发动机各种工况对燃料的需要，特别是在大功率和过渡工况时会出现动力不足或燃烧不稳定情况；④乳化油的稳定期较短，尤其是长时间存放会导致油水还原，从而影响使用效果；⑤掺水比例过大、冷启动或乳化油搁置时间过长会对发动机缸体产生锈蚀。针对上述问题，不少研究机构也提出了各种各样的技术改进措施和解决方案，但始终未能找到一种高效率、低成本、节能环保的有效途径。

2 汽油—水雾混合燃烧技术的研究及成果

本项目组从2007年开始，在原有汽燃油掺水技术研究的基础上，与天津市质量技术监督局第72站、天津市交通电子仪表实验厂等单位共同合作，重新开展了对“燃油掺水”技术的研究，提出了汽车发动机汽油—水雾混合节能技术的新方法和新工艺，并率先在汽车驾驶培训车辆上进行试验和技术推广。目前该研究项目已获天津市科委批准立项（项目号YSK2008－21），并申请了专利证书（专利号 200810052637X），取得了初步的研究成果。

2.1 本项目研究的内容和特点

（1）开发了“高频振荡雾化器”。实现将普通水高度雾化，形成1～5 μm的“水雾”的功能，取代了原来的乳化剂油水混合技术。

（2）研究开发了“水雾”供给控制系统。实现“水雾”的按需供给和油、水转换的选择控制功能，可根据发动机的实际工作状况随时改变“水雾”的配送比例或中断供给。

（3）利用发动机余热对“水雾”增温（冬季和冷启动低温工况），以进一步细化水雾，提高雾化效率。

（4）完成汽油—水雾混合燃烧节能装置的结构设计。实现小功率、微型化、结构简单、合理，便于安装、调试与操作。

2.2 工作原理及工艺流程

发动机工作时，在48 V转换电源的驱动下，水雾发生器通过超声波高频振荡，将水雾化为1～5 μm的超微粒子，经过控制开关进入发动机进气道，与进入发动机进气道的可燃混合气混合汽化燃烧。与此同时，利用发动机的余热对水雾发生器进行加热，以增加雾化效果。控制开关的作用是根据发动机工况调节进入发动机的水雾比例。燃油掺水技术的工艺流程如图1所示。

2.3 主要技术指标

本项目燃油掺水技术确立主要技术指标如下：①高频振荡雾化器功率0.03 kW，高频振荡元件寿命≥8000 h，工作环境温度0～90℃。②水雾供给系统控制范围：水/油容积比为0～20%。③燃油供给系统与水雾供给系统可单独选择并可控。④发动机余热增温装置（手动、10～70℃）。⑤节油率≥10%（按GB/T 14951—2007《汽车节油技术评定办法》考核）。⑥减排指标有害气体排放低于国家规定新车标准极限限值。⑦燃油—水雾混合节能装置便于安装、调试与操作，且符合GB 7258—2004《机动车运行安全技术条件》的相关规定。⑧获得实用性发明专利一项。

3 燃油掺水技术在汽车驾驶培训车辆上的应用

3.1 汽车驾驶培训车辆的工作特点、能耗与排放分析

汽车驾驶培训车辆的工作状况具有如下几个特点：①汽车平均车速低，一般平均车速仅为20～30 km/h，且停靠、起步、倒车、换挡、制动频繁。②发动机功率利用率较低，其有效功率的平均利用率仅为30%～45%之间。③在有些项目训练中（如坡道起步训练）需要输出瞬时的大功率和大转矩。由于以上的原因，使驾驶培训车辆凸现以下问题：①汽车大部分时间是在低速档范围内行驶，易造成混合气雾化不良，排放污染超标，其中CO、HC、NOx的排放量都大大超过正常行驶的车辆。有资料表明，汽车驾驶训练场地的空气质量几乎与高峰时城市道路的状况相似。②驾驶培训车辆平均车速低且变速频繁，使其燃油消耗量大大增加，据项目组对天津交通职业学院驾校近百辆不同车型的油耗率的调查统计表明，用于驾驶培训车辆的平均燃油消耗量比同类车型的设计油耗指标高出15%～30%。

综上所述，汽车驾驶培训车辆是在特定的环境从事特殊的作业内容，其特殊性就决定了驾驶培训车辆不可避免地面临的两大问题——排放污染严重和燃油消耗量大。而采用“汽油—水雾混合燃烧技术”恰恰就是在这两个方面显示出强大的优势，并可收到显著的社会效益和经济效益。

3.2 实验结果分析

通过对天津交通职业学院汽车驾驶员培训学校近50部教练车进行的对比测试表明：

（1）汽油—水雾混合燃烧技术能够有效地改善其燃烧性能，其尾气排放中的CO、HC、NOx的有害气体含量分别比未采用此项技术的驾驶培训车辆有明显下降，其中NOx的排放量下降幅度达到30%～50%。

（2）汽油—水雾混合燃烧技术节油效果明显，当水雾掺入量在20%时，平均节油率达10%～15%。

（3）在水雾掺入比例≤20%的范围内，对发动机的功率损失无明显影响。当驾驶车辆需要大功率、大转矩输出时（如高速行驶、坡道起步等情况），可停止水雾供给，切换到原有的供油模式。

（4）通过连续120 h的台架实验（水雾掺入比例10%～20%），未发现发动机有异常运转现象，机油消耗量正常。经拆解发动机检查，未发现汽缸体与活塞环的异常磨损。

（5）由于汽油—水雾混合燃烧实现了稀薄燃烧，能明显减少发动机出现“爆震”的倾向。在进行急加速路试中，没有出现明显的“叫杆”现象。

4 结束语

随着我国汽车家庭化的普及率快速增长，汽车驾驶培训市场也在迅速膨胀，据天津市驾校管理部门的统计：截止2008年底，仅天津市驾驶培训车辆就有4800余辆，其中小型教练车3300余辆。如按节油率10%计算，预计可节约驾驶培训燃油80万升以上，节约培训成本约500万元。如果能向全国驾驶员培训车辆推广此项技术，定会产生可观的经济效益。

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［2］ 董成功.汽油掺水乳化对汽车燃料经济性的影响 [J].汽车运输研究，1997（3）：80-83.

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［4］ 刘闯.柴油机燃用乳化油节油新途径的实验研究 [D].北京：清华大学，2006.

［5］ 张士群.汽油掺水技术查新报告 [R].20081201000244.天津：天津市科学技术信息研究所，2008.

Application of automotive engines'mixed combustion technology in drive-training vehicle

HUANG Jun-ping
（College of Tianjin Transportation， Tianjin 300110， China）

The technology of mixed combustion for gasoline and water mist in automotive engines has good prospects and promotion of value.This paper make further research in its mechanism，system design and technological processes in order to explore the way of energy saving and emission reduction.Application of this technology in drive-training vehicle can improve automotive engines′burning behavior.

gasoline； mixed combustion for gasoline and water； vehicle

U464.136

A

1673－1018（2010）02－0037－03

2010-01-15

天津市科技创新专项基金资助项目（YSK2008-21）.

黄俊平（1957—），男，副教授，研究方向为汽车应用技术.