碱性介质参与缸内燃烧对排放影响的实验研究

张丽莉，巴兴强*，赵琪琤，金趁心

(1东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040；2哈尔滨市环境监测中心站 150056 哈尔滨)

碱性介质参与缸内燃烧对排放影响的实验研究

张丽莉1，巴兴强1*，赵琪琤2，金趁心1

(1东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040；2哈尔滨市环境监测中心站 150056 哈尔滨)

为有效地减少发动机尾气排放对环境的污染，提出一种碱性空气介质参与缸内燃烧技术。即在汽车发动机的进气通道上，利用一种超声波雾化的发生装置，将特定浓度的碱性溶液雾化成碱性的空气气溶胶，从而将空气改性为具有一定碱性性质摩尔比的气体，并由进气门进入气缸内部参与发动机燃烧。并以柴油机发动机为对象，分析其在一般条件下和碱性空气介质参与发动机缸内燃烧条件下发动机排放污染物的参数值，并进行对比实验，实验结果表明，碱性空气介质参与缸内燃烧可以有效降低污染物的排放值，从而在缸内燃烧环节就有效地减少了污染物的排放，具有一定的应用价值。

碱性空气介质；排放；汽车；柴油机

0 引言

近年来，我国部分城市空气灰霾、酸雨等区域性大气污染问题越来越严重，这些问题的产生与车辆尾气排放密切相关，因此，机动车尾气污染治理成为最紧迫的问题之一[1-2]。目前，国内外对汽车排放的控制主要采用两类方法：第一类是政府通过制定严格的汽车排放法规，促使汽车企业生产出的汽车满足低污染物排放的要求；第二类是汽车企业想方设法通过优化发动机的工作过程，提高燃烧效率，改进燃油品质，从而降低发动机的污染排放，包括采用尾气净化技术，清洁燃料动力系统等等[3-5]。

根据燃烧热力学理论，碱性空气介质参与汽车 发动机缸内燃烧属于一种特殊的催化燃烧，其机理与传统催化基本相同[6-7]。一般情况下，催化燃烧所用的催化剂为具有大比表面的贵金属和金属氧化物等物质。在一个化学反应过程中，加入催化剂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，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开成不同稳定程度的过渡态，使反应物的随机碰撞被“吸引”在催化剂表面上，变成有序碰撞，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[8-11]。

碱性燃烧就是在燃烧反应中加入碱性金属氧化物和水一样发挥催化作用，由于碱性金属氧化物的路易斯碱性大，配位性强，催化效果大幅提高[12]。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巨大的改变[13-15]。

本文将一种碱性空气介质加入到发动机的缸内，即在汽车发动机的进气通道上，利用一种超声波雾化发生装置，将特定浓度的碱性溶液雾化成碱性的空气溶胶，从而将空气改性为具有一定碱性性质摩尔比的气体，并由进气门进入气缸内部参与发动机燃烧。并研究在加入碱性空气介质与不加入碱性空气介质条件下，对发动机排放性能的影响，从而为寻求其内部机理提供理论和实验支撑。

1 碱性空气介质参与柴油机缸内燃烧的排放实验及其对比分析

本次实验选用配比好的碱性溶液、厢式小货车，不透光烟度计、自动烟尘测试仪以及TESTO 335烟气分析仪等实验设备。柴油机缸内燃烧的排放实验分为两部分：一部分是在不加入碱性空气介质的情况下的排放实验；另部分是在加入碱性空气介质时的排放实验，然后综合分析在这两种燃烧状态下，对柴油发动机部分排放性能的影响。

1.1 不加入碱性空气介质情况下排放实验

本次实验时间在下午13点到下午17点，每隔3 min测试一次，测试环境温度30℃左右。利用不透光烟度计、自动烟尘测试仪、TESTO 335烟气分析仪的取样探头放进排烟管道处来测试柴油机排烟管道的污染物，进行记录分析。实验共测试100组，测试内容包括不透光度N的百分含量，光吸收系数K，排烟管道处的氧气(O2)的百分含量，一氧化氮(NO)含量，环境温度以及排烟管道处的烟温度。经过实验测试所得部分数据及其平均值见表1。

1.2 碱性空气介质参与燃烧条件下排放实验

在碱性空气介质参与燃烧条件下的实验中，实验共测试100组，测试内容仍为不透光度N的百分含量，光吸收系数K，排烟管道处的氧气(O2)的百分含量，一氧化氮(NO)含量，环境温度以及排烟管道处的烟温度。经过实验测得排烟管道处的部分数据值见表2。

表1 不加入碱性空气介质情况下测得柴油发动机排烟管道处的部分数据

注：N为不透光度，K为光吸收系数

表2 碱性液燃烧条件下，柴油车排烟管道处的部分排放数据

注：N为不透光度，K为光吸收系数

1.3 实验结果对比分析

由于不透光度(N)就是阻止光从光源通过充满烟的暗通道到达观察者或者光接收器的传输衰减百分率[16]。不透光度数值越大就说明阻止光从光源通过充满烟的暗通道到达观察者或者光接收器的传输衰减百分率就越大，即烟度较大；不透光度数值越小，就说明阻止光从光源通过充满烟的暗通道到达观察者或者光接收器的传输衰减百分率就越小，即烟度较小。因此，在碱性溶液燃烧条件下测得的不透光度N的数值比在无碱性条件下的燃烧测得的数值小，即碱性容易更有助于减少柴油车排放的污染物浓度。

由于光吸收系数(K)是表征物质对光的吸收的能力的参数[17-18]。光吸收系数越大，说明物质对光的吸收能力越强，即物质的含量越大。相反，光吸收系数越小，说明物质对光的吸收能力越小，即物质的含量越小。由表1和表2可知，在碱性溶液参与发动机缸内燃烧的条件下，测得的光吸收系数K的数值比在无碱性条件下的燃烧测得的数值小，说明在碱性溶液条件下燃烧，测得排放的颗粒物比无碱性条件下燃烧排放少，即碱性溶液参与柴油车缸内燃烧更有助于减少柴油车排放的污染物浓度。

在碱性溶液参与柴油车缸内燃烧时，测得的排气管道处的O2百分含量有所增加，即碱性溶液参与缸内燃烧的条件下排放的O2浓度有所增加。

在碱性溶液参与柴油车发动机缸内燃烧时，排烟管道处的NO比无碱性条件情况下减少，即碱性溶液能够明显降低NO的排放。

2 结论

碱性溶液参与发动机缸内燃烧的条件下，柴油车排烟管道处的污染物数值都有不同程度的改善，可以得出碱性空气介质参与缸内燃烧在一定程度上减少汽车发动机有害气体排放量。然而，如何通过控制碱性溶液的浓度，从而对发动机污染物排放污染物等参数进行调节，还有待于进一步的实验研究。

[1]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.

[2]巴兴强，姜博瀚，朱海涛，等，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.

[3]张晶，陈宗良，王玮，北京市大气小颗粒物的污染源解析[J].环境科学学报，1998：18(1)：62-67.

[4]Horvath H.Size segregated light absorption coefficient of the atmospheric aerosol[J]，Atmospheric Environment，1994，28：755-1082.

[5]吴兑，邓雪娇，毕雪岩，等，细粒子污染形成灰霾天气导致广州地区能见度下降[J].热带气象学报，2007，23(1)：1-6.

[6]王京丽，刘旭林，北京市大气细粒子质量浓度与能见度定量关系初探[J].气象学报，2006，64(2)：221-228.

[7]Poulton M C.The supply of residential access streets and secondary arterial roads[J].Transportation Research Part B Methodological，1980，14(1-2)：121-132.

[8]顾卓良，灰霾天气不同粒径的颗粒物污染特征分析[J].环境监测管理与技术，2012，24(2)：31-33.

[9]Sloane C S，White W H.Visibility：An evolving issue[J].Environmental Science & Technology，1986，20(8)：760.

[10]刚绪航，巴兴强，朱海涛，等.农用运输车辆发动机缸内碱性燃烧技术刍议[J].安徽农业科学，2014，42(25)：8832-8834.

[11]都雪静，许洪国，关强，等.纳米TiO2含量对汽车尾气因子降解效能影响试验研究[J].公路交通科技，2007(10)：155-158.

[12]Schwartz J.Organomentallic chemistry at the interface with materials science[J].Environmental Health Perspective，2000，151：440-448

[13]王恩慈，范松，吴雪斌，等.基于 GREET 模型的新能源汽车污染排放特征分析[J].上海自然科学报，2015，20(5)：13-14.

[14]刘东旭，翁端.柴油车尾气颗粒物净化用SIC过滤材料的研究与应用[J].环境工程学报，2007，1(5)：134-138.

[15]Christopher W，David J，Gautam A.Spatial Aspects of Traffic Circulation[J].Transportation Research Part B，1995：241-264.

[16]陶金忠.汽车的排放污染及其控制技术[J].城市车辆，2002，(6)：22-26.

[17]Srám R J，Binková B，Rössner P，et al.Adverse reproductive outcomes from exposure to environmental mutagens[J].Mutation Research/fundamental & Molecular Mechanisms of Mutagenesis，1999，428(1-2)：203-15.

[18]宁鹏，马振江，张金全，等.汽车尾气热能回收利用装置的设计[J].林业机械与木工设备，2014，42(9)：31-32.

Experimental Study on the Effect of Alkalinity Air Medium participating in Cylinder Combustion on Exhaust Gas Emission of Automobile

Zhang Lili1，Ba Xingqiang1*，Zhao Qizheng2，Jin Chenxin1

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

In order to reduce exhaust gas emission of automobile，alkalinity air medium participating in cylinder combustion technique was put forward in this paper.The proposed technique used an ultrasonic atomization device in the inlet channel of automobile engine to change specific concentration of alkaline solution into alkaline air aerosols and then to have a certain air turn into the gas of alkaline nature mole ratio.The alkaline gas was going to participate in the combustion change the finally from the intake valve.Taking diesel engine as the object，the parameter values of the engine emissions were analyzed under the general condition and that of alkaline air medium participating the combustion in the engine cylinder.The comparative experiment was conducted.The experimental results showed that the alkaline medium air in the combustion in cylinder can effectively reduce the emissions of pollutants value，thus the combustion in cylinder link will effectively reduce the pollutant emissions，and has a certain application value.

alkalinity air medium，emission，automobile，diesel engine

2016-10-23

哈尔滨市科技局科技创新人才专项资金项目(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)

张丽莉，博士，副教授。研究方向：智能决策方法技术、汽车故障诊断及检测理论。

*通信作者：巴兴强，博士，副教授。研究方向：汽车燃烧技术、智能交通技术。E-mail：bxq1218@sina.com

张丽莉，巴兴强，赵琪琤，等.碱性介质参与缸内燃烧对排放影响的实验研究[J].森林工程，2017，33(2)：73-75.

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1001-005X(2017)02-0073-03