黃俊平

（天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110）

汽油—水霧混合燃燒技術(shù)在汽車駕駛培訓(xùn)車輛上的應(yīng)用

黃俊平

（天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110）

為探索特殊用途的在用車輛節(jié)能減排的途徑，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽油—水霧混合燃燒技術(shù)的機(jī)理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工藝流程進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在汽車駕駛培訓(xùn)車輛上，不僅能大大改善汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，而且能使其燃油消耗量、有害氣體的排放量以及培訓(xùn)教學(xué)成本明顯降低。

汽油；水霧；車輛

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽油—水霧混合燃燒技術(shù)源于“燃油摻水”技術(shù)。這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有幾十年的歷史，其發(fā)展過程幾起幾落，由于受科技水平、環(huán)境、加工成本等條件制約，一直沒有得到實(shí)質(zhì)性的推廣。天津市交通科學(xué)技術(shù)研究所早在1983年就曾與中科院聲學(xué)研究所共同開展燃油乳化摻水的研究開發(fā)工作，建立了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室和汽車道路實(shí)驗(yàn)室，對(duì)燃油摻水的理論和試驗(yàn)進(jìn)行了研究，掌握了大量的一手資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并于1983年經(jīng)專家論證取得了階段性成果，但由于當(dāng)時(shí)環(huán)境和條件所限，沒有繼續(xù)實(shí)施更深入的研究和推廣。近兩年來，由于國(guó)際石油能源緊張和原油油價(jià)的大幅上漲，汽車排放法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格，特別是我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的迅猛增加，使得燃油的價(jià)格及供需矛盾日益突出，已成為制約我國(guó)汽車工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的“瓶頸”。在國(guó)務(wù)院大力提倡“節(jié)能減排”的今天，燃油摻水技術(shù)又重新受到人們的高度重視。在此背景下，課題組利用原有研究基礎(chǔ)和成果，采用新的工藝技術(shù)，創(chuàng)新地提出把“燃油摻水”技術(shù)應(yīng)用于汽車駕駛培訓(xùn)車輛上，以達(dá)到降低駕駛員培訓(xùn)成本、節(jié)能減排的目的。本文對(duì)此進(jìn)行探討。

1 燃油摻水技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 “燃油摻水”的機(jī)理

在燃油（本文僅研究汽油）中摻入一定比例的水分，并經(jīng)過高度霧化后燃燒，能夠達(dá)到節(jié)能減排的效果，這是國(guó)內(nèi)外專家通過大量實(shí)驗(yàn)和理論研究達(dá)成的共識(shí)。其機(jī)理有多種解釋，較為成熟的理論為“微爆”理論和“水煤氣反應(yīng)”理論。

（1）微爆理論 摻水燃料在油霧燃燒中的主要特點(diǎn)是滴的微爆。通過對(duì)單液滴燃燒的高速攝影，可以看到油霧在燃燒時(shí)每個(gè)液滴中包含的水滴。當(dāng)液滴表面的油尚未完全蒸發(fā)而溫度急劇升高時(shí)，其包含的水滴溫度升高到沸點(diǎn)以上，水蒸汽壓力超過油殼表面張力和環(huán)境壓力之和時(shí)，液滴發(fā)生“爆炸”現(xiàn)象。微爆使得霧化更為充分，微爆后，較大的水滴破碎成更細(xì)的小滴，急劇增大了與氧氣的接觸面積，加快了燃燒速度。同時(shí)水的蒸發(fā)還降低了火焰溫度，減少了NOx等有害氣體的生成，同時(shí)抑制了液相的熱分解反應(yīng)，使排氣中的碳顆粒大大減少，既節(jié)省了燃料，改善了燃燒性質(zhì)，又降低了有害氣體的排放。

（2）水煤氣理論 摻水后的燃油在燃燒過程中CO和碳還存在水煤氣反應(yīng)，即：

這兩組化學(xué)反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，分別吸收了125.7 kJ和75.19 kJ的熱量，它們所生成的H2、CO與CO2又形成了一般的燃燒反應(yīng)：

這兩組反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，而且最終生成物為水和二氧化碳。水煤氣反應(yīng)能促進(jìn)碳的加速燃燒和完全燃燒，而且是先吸熱后放熱，這對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程是相當(dāng)有利的。

更進(jìn)一步的研究表明，高度霧化的水霧在燃燒時(shí)形成的水蒸汽在高溫高壓下還能分解為兩個(gè)活體：OH和H（自由基和自由原子），這將大大促進(jìn)CO的燃燒和其它燃燒化學(xué)反應(yīng)，加速和完善整個(gè)燃燒過程，使燃燒更為充分。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況及存在的問題

汽油摻水技術(shù)研究了幾十年，其從燃燒機(jī)理到可行性分析已無大的爭(zhēng)議，但在技術(shù)推廣和實(shí)際應(yīng)用，特別是燃油摻水方法及工藝、乳化劑使用、燃油的穩(wěn)定性、冷啟動(dòng)性能、發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失以及加工成本等方面還存在許多問題，其中集中體現(xiàn)在燃油摻水的方法和工藝方面。目前國(guó)內(nèi)外廣泛研究并采用的燃油摻水的方法主要是乳化油法。乳化油法就是將一定比例的燃油和水在乳化劑的作用下，混合成為均勻的乳化液體，并經(jīng)高度霧化后送入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)燃燒，從而達(dá)到解決燃油和減少排氣污染的目的。但目前阻礙該技術(shù)實(shí)用化主要涉及5個(gè)方面的因素：①乳化劑成本較高、用量較大，加大了燃油的成本；②乳化劑燃燒時(shí)不易分解，容易產(chǎn)生積炭，并可導(dǎo)致新的排放污染物；③不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況對(duì)燃料的需要，特別是在大功率和過渡工況時(shí)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足或燃燒不穩(wěn)定情況；④乳化油的穩(wěn)定期較短，尤其是長(zhǎng)時(shí)間存放會(huì)導(dǎo)致油水還原，從而影響使用效果；⑤摻水比例過大、冷啟動(dòng)或乳化油擱置時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體產(chǎn)生銹蝕。針對(duì)上述問題，不少研究機(jī)構(gòu)也提出了各種各樣的技術(shù)改進(jìn)措施和解決方案，但始終未能找到一種高效率、低成本、節(jié)能環(huán)保的有效途徑。

2 汽油—水霧混合燃燒技術(shù)的研究及成果

本項(xiàng)目組從2007年開始，在原有汽燃油摻水技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，與天津市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局第72站、天津市交通電子儀表實(shí)驗(yàn)廠等單位共同合作，重新開展了對(duì)“燃油摻水”技術(shù)的研究，提出了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽油—水霧混合節(jié)能技術(shù)的新方法和新工藝，并率先在汽車駕駛培訓(xùn)車輛上進(jìn)行試驗(yàn)和技術(shù)推廣。目前該研究項(xiàng)目已獲天津市科委批準(zhǔn)立項(xiàng)（項(xiàng)目號(hào)YSK2008－21），并申請(qǐng)了專利證書（專利號(hào) 200810052637X），取得了初步的研究成果。

2.1 本項(xiàng)目研究的內(nèi)容和特點(diǎn)

（1）開發(fā)了“高頻振蕩?kù)F化器”。實(shí)現(xiàn)將普通水高度霧化，形成1～5 μm的“水霧”的功能，取代了原來的乳化劑油水混合技術(shù)。

（2）研究開發(fā)了“水霧”供給控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)“水霧”的按需供給和油、水轉(zhuǎn)換的選擇控制功能，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況隨時(shí)改變“水霧”的配送比例或中斷供給。

（3）利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱對(duì)“水霧”增溫（冬季和冷啟動(dòng)低溫工況），以進(jìn)一步細(xì)化水霧，提高霧化效率。

（4）完成汽油—水霧混合燃燒節(jié)能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)小功率、微型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，便于安裝、調(diào)試與操作。

2.2 工作原理及工藝流程

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在48 V轉(zhuǎn)換電源的驅(qū)動(dòng)下，水霧發(fā)生器通過超聲波高頻振蕩，將水霧化為1～5 μm的超微粒子，經(jīng)過控制開關(guān)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的可燃混合氣混合汽化燃燒。與此同時(shí)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱對(duì)水霧發(fā)生器進(jìn)行加熱，以增加霧化效果?？刂崎_關(guān)的作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的水霧比例。燃油摻水技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目燃油摻水技術(shù)確立主要技術(shù)指標(biāo)如下：①高頻振蕩?kù)F化器功率0.03 kW，高頻振蕩元件壽命≥8000 h，工作環(huán)境溫度0～90℃。②水霧供給系統(tǒng)控制范圍：水/油容積比為0～20%。③燃油供給系統(tǒng)與水霧供給系統(tǒng)可單獨(dú)選擇并可控。④發(fā)動(dòng)機(jī)余熱增溫裝置（手動(dòng)、10～70℃）。⑤節(jié)油率≥10%（按GB/T 14951—2007《汽車節(jié)油技術(shù)評(píng)定辦法》考核）。⑥減排指標(biāo)有害氣體排放低于國(guó)家規(guī)定新車標(biāo)準(zhǔn)極限限值。⑦燃油—水霧混合節(jié)能裝置便于安裝、調(diào)試與操作，且符合GB 7258—2004《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定。⑧獲得實(shí)用性發(fā)明專利一項(xiàng)。

3 燃油摻水技術(shù)在汽車駕駛培訓(xùn)車輛上的應(yīng)用

3.1 汽車駕駛培訓(xùn)車輛的工作特點(diǎn)、能耗與排放分析

汽車駕駛培訓(xùn)車輛的工作狀況具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①汽車平均車速低，一般平均車速僅為20～30 km/h，且停靠、起步、倒車、換擋、制動(dòng)頻繁。②發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率較低，其有效功率的平均利用率僅為30%～45%之間。③在有些項(xiàng)目訓(xùn)練中（如坡道起步訓(xùn)練）需要輸出瞬時(shí)的大功率和大轉(zhuǎn)矩。由于以上的原因，使駕駛培訓(xùn)車輛凸現(xiàn)以下問題：①汽車大部分時(shí)間是在低速檔范圍內(nèi)行駛，易造成混合氣霧化不良，排放污染超標(biāo)，其中CO、HC、NOx的排放量都大大超過正常行駛的車輛。有資料表明，汽車駕駛訓(xùn)練場(chǎng)地的空氣質(zhì)量幾乎與高峰時(shí)城市道路的狀況相似。②駕駛培訓(xùn)車輛平均車速低且變速頻繁，使其燃油消耗量大大增加，據(jù)項(xiàng)目組對(duì)天津交通職業(yè)學(xué)院駕校近百輛不同車型的油耗率的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，用于駕駛培訓(xùn)車輛的平均燃油消耗量比同類車型的設(shè)計(jì)油耗指標(biāo)高出15%～30%。

綜上所述，汽車駕駛培訓(xùn)車輛是在特定的環(huán)境從事特殊的作業(yè)內(nèi)容，其特殊性就決定了駕駛培訓(xùn)車輛不可避免地面臨的兩大問題——排放污染嚴(yán)重和燃油消耗量大。而采用“汽油—水霧混合燃燒技術(shù)”恰恰就是在這兩個(gè)方面顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，并可收到顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)天津交通職業(yè)學(xué)院汽車駕駛員培訓(xùn)學(xué)校近50部教練車進(jìn)行的對(duì)比測(cè)試表明：

（1）汽油—水霧混合燃燒技術(shù)能夠有效地改善其燃燒性能，其尾氣排放中的CO、HC、NOx的有害氣體含量分別比未采用此項(xiàng)技術(shù)的駕駛培訓(xùn)車輛有明顯下降，其中NOx的排放量下降幅度達(dá)到30%～50%。

（2）汽油—水霧混合燃燒技術(shù)節(jié)油效果明顯，當(dāng)水霧摻入量在20%時(shí)，平均節(jié)油率達(dá)10%～15%。

（3）在水霧摻入比例≤20%的范圍內(nèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失無明顯影響。當(dāng)駕駛車輛需要大功率、大轉(zhuǎn)矩輸出時(shí)（如高速行駛、坡道起步等情況），可停止水霧供給，切換到原有的供油模式。

（4）通過連續(xù)120 h的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)（水霧摻入比例10%～20%），未發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)有異常運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，機(jī)油消耗量正常。經(jīng)拆解發(fā)動(dòng)機(jī)檢查，未發(fā)現(xiàn)汽缸體與活塞環(huán)的異常磨損。

（5）由于汽油—水霧混合燃燒實(shí)現(xiàn)了稀薄燃燒，能明顯減少發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)“爆震”的傾向。在進(jìn)行急加速路試中，沒有出現(xiàn)明顯的“叫桿”現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

隨著我國(guó)汽車家庭化的普及率快速增長(zhǎng)，汽車駕駛培訓(xùn)市場(chǎng)也在迅速膨脹，據(jù)天津市駕校管理部門的統(tǒng)計(jì)：截止2008年底，僅天津市駕駛培訓(xùn)車輛就有4800余輛，其中小型教練車3300余輛。如按節(jié)油率10%計(jì)算，預(yù)計(jì)可節(jié)約駕駛培訓(xùn)燃油80萬升以上，節(jié)約培訓(xùn)成本約500萬元。如果能向全國(guó)駕駛員培訓(xùn)車輛推廣此項(xiàng)技術(shù)，定會(huì)產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 李興福，藺恩惠，肖泰.摻水汽油為乳狀液的生成和應(yīng)用[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，30（1）：51-57.

［2］ 董成功.汽油摻水乳化對(duì)汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的影響 [J].汽車運(yùn)輸研究，1997（3）：80-83.

［3］ 吳江霞，孫平.乳化燃油理化特性及在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒和排放[J].能源工程，2002（3）：41-42.

［4］ 劉闖.柴油機(jī)燃用乳化油節(jié)油新途徑的實(shí)驗(yàn)研究 [D].北京：清華大學(xué)，2006.

［5］ 張士群.汽油摻水技術(shù)查新報(bào)告 [R].20081201000244.天津：天津市科學(xué)技術(shù)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

天津市科技創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（YSK2008-21）.

黃俊平（1957—），男，副教授，研究方向?yàn)槠噾?yīng)用技術(shù).