汽油—水霧混合燃燒技術在汽車駕駛培訓車輛上的應用

黃俊平

（天津交通職業(yè)學院，天津 300110）

汽油—水霧混合燃燒技術在汽車駕駛培訓車輛上的應用

黃俊平

（天津交通職業(yè)學院，天津 300110）

為探索特殊用途的在用車輛節(jié)能減排的途徑，對汽車發(fā)動機汽油—水霧混合燃燒技術的機理、系統(tǒng)設計和工藝流程進行了研究。通過實驗，驗證了該項技術應用在汽車駕駛培訓車輛上，不僅能大大改善汽油發(fā)動機的燃燒性能，而且能使其燃油消耗量、有害氣體的排放量以及培訓教學成本明顯降低。

汽油；水霧；車輛

汽車發(fā)動機汽油—水霧混合燃燒技術源于“燃油摻水”技術。這一技術在國內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，一直沒有得到實質性的推廣。天津市交通科學技術研究所早在1983年就曾與中科院聲學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)動機臺架實驗室和汽車道路實驗室，對燃油摻水的理論和試驗進行了研究，掌握了大量的一手資料和實驗數據，并于1983年經專家論證取得了階段性成果，但由于當時環(huán)境和條件所限，沒有繼續(xù)實施更深入的研究和推廣。近兩年來，由于國際石油能源緊張和原油油價的大幅上漲，汽車排放法規(guī)的進一步嚴格，特別是我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的迅猛增加，使得燃油的價格及供需矛盾日益突出，已成為制約我國汽車工業(yè)進一步發(fā)展的“瓶頸”。在國務院大力提倡“節(jié)能減排”的今天，燃油摻水技術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和成果，采用新的工藝技術，創(chuàng)新地提出把“燃油摻水”技術應用于汽車駕駛培訓車輛上，以達到降低駕駛員培訓成本、節(jié)能減排的目的。本文對此進行探討。

1 燃油摻水技術發(fā)展現狀

1.1 “燃油摻水”的機理

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

（1）微爆理論 摻水燃料在油霧燃燒中的主要特點是滴的微爆。通過對單液滴燃燒的高速攝影，可以看到油霧在燃燒時每個液滴中包含的水滴。當液滴表面的油尚未完全蒸發(fā)而溫度急劇升高時，其包含的水滴溫度升高到沸點以上，水蒸汽壓力超過油殼表面張力和環(huán)境壓力之和時，液滴發(fā)生“爆炸”現象。微爆使得霧化更為充分，微爆后，較大的水滴破碎成更細的小滴，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，同時抑制了液相的熱分解反應，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，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，即：

這兩組化學反應都是吸熱反應，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：

這兩組反應都是放熱反應，而且最終生成物為水和二氧化碳。水煤氣反應能促進碳的加速燃燒和完全燃燒，而且是先吸熱后放熱，這對內燃機的燃燒過程是相當有利的。

更進一步的研究表明，高度霧化的水霧在燃燒時形成的水蒸汽在高溫高壓下還能分解為兩個活體：OH和H（自由基和自由原子），這將大大促進CO的燃燒和其它燃燒化學反應，加速和完善整個燃燒過程，使燃燒更為充分。

1.2 國內外研究狀況及存在的問題

汽油摻水技術研究了幾十年，其從燃燒機理到可行性分析已無大的爭議，但在技術推廣和實際應用，特別是燃油摻水方法及工藝、乳化劑使用、燃油的穩(wěn)定性、冷啟動性能、發(fā)動機熱損失以及加工成本等方面還存在許多問題，其中集中體現在燃油摻水的方法和工藝方面。目前國內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，并經高度霧化后送入發(fā)動機汽缸內燃燒，從而達到解決燃油和減少排氣污染的目的。但目前阻礙該技術實用化主要涉及5個方面的因素：①乳化劑成本較高、用量較大，加大了燃油的成本；②乳化劑燃燒時不易分解，容易產生積炭，并可導致新的排放污染物；③不能滿足發(fā)動機各種工況對燃料的需要，特別是在大功率和過渡工況時會出現動力不足或燃燒不穩(wěn)定情況；④乳化油的穩(wěn)定期較短，尤其是長時間存放會導致油水還原，從而影響使用效果；⑤摻水比例過大、冷啟動或乳化油擱置時間過長會對發(fā)動機缸體產生銹蝕。針對上述問題，不少研究機構也提出了各種各樣的技術改進措施和解決方案，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—水霧混合燃燒技術的研究及成果

本項目組從2007年開始，在原有汽燃油摻水技術研究的基礎上，與天津市質量技術監(jiān)督局第72站、天津市交通電子儀表實驗廠等單位共同合作，重新開展了對“燃油摻水”技術的研究，提出了汽車發(fā)動機汽油—水霧混合節(jié)能技術的新方法和新工藝，并率先在汽車駕駛培訓車輛上進行試驗和技術推廣。目前該研究項目已獲天津市科委批準立項（項目號YSK2008－21），并申請了專利證書（專利號 200810052637X），取得了初步的研究成果。

2.1 本項目研究的內容和特點

（1）開發(fā)了“高頻振蕩霧化器”。實現將普通水高度霧化，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。

（2）研究開發(fā)了“水霧”供給控制系統(tǒng)。實現“水霧”的按需供給和油、水轉換的選擇控制功能，可根據發(fā)動機的實際工作狀況隨時改變“水霧”的配送比例或中斷供給。

（3）利用發(fā)動機余熱對“水霧”增溫（冬季和冷啟動低溫工況），以進一步細化水霧，提高霧化效率。

（4）完成汽油—水霧混合燃燒節(jié)能裝置的結構設計。實現小功率、微型化、結構簡單、合理，便于安裝、調試與操作。

2.2 工作原理及工藝流程

發(fā)動機工作時，在48 V轉換電源的驅動下，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，經過控制開關進入發(fā)動機進氣道，與進入發(fā)動機進氣道的可燃混合氣混合汽化燃燒。與此同時，利用發(fā)動機的余熱對水霧發(fā)生器進行加熱，以增加霧化效果?？刂崎_關的作用是根據發(fā)動機工況調節(jié)進入發(fā)動機的水霧比例。燃油摻水技術的工藝流程如圖1所示。

2.3 主要技術指標

本項目燃油摻水技術確立主要技術指標如下：①高頻振蕩霧化器功率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)可單獨選擇并可控。④發(fā)動機余熱增溫裝置（手動、10～70℃）。⑤節(jié)油率≥10%（按GB/T 14951—2007《汽車節(jié)油技術評定辦法》考核）。⑥減排指標有害氣體排放低于國家規(guī)定新車標準極限限值。⑦燃油—水霧混合節(jié)能裝置便于安裝、調試與操作，且符合GB 7258—2004《機動車運行安全技術條件》的相關規(guī)定。⑧獲得實用性發(fā)明專利一項。

3 燃油摻水技術在汽車駕駛培訓車輛上的應用

3.1 汽車駕駛培訓車輛的工作特點、能耗與排放分析

汽車駕駛培訓車輛的工作狀況具有如下幾個特點：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、制動頻繁。②發(fā)動機功率利用率較低，其有效功率的平均利用率僅為30%～45%之間。③在有些項目訓練中（如坡道起步訓練）需要輸出瞬時的大功率和大轉矩。由于以上的原因，使駕駛培訓車輛凸現以下問題：①汽車大部分時間是在低速檔范圍內行駛，易造成混合氣霧化不良，排放污染超標，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，汽車駕駛訓練場地的空氣質量幾乎與高峰時城市道路的狀況相似。②駕駛培訓車輛平均車速低且變速頻繁，使其燃油消耗量大大增加，據項目組對天津交通職業(yè)學院駕校近百輛不同車型的油耗率的調查統(tǒng)計表明，用于駕駛培訓車輛的平均燃油消耗量比同類車型的設計油耗指標高出15%～30%。

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

3.2 實驗結果分析

通過對天津交通職業(yè)學院汽車駕駛員培訓學校近50部教練車進行的對比測試表明：

（1）汽油—水霧混合燃燒技術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技術的駕駛培訓車輛有明顯下降，其中NOx的排放量下降幅度達到30%～50%。

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

（3）在水霧摻入比例≤20%的范圍內，對發(fā)動機的功率損失無明顯影響。當駕駛車輛需要大功率、大轉矩輸出時（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的臺架實驗（水霧摻入比例10%～20%），未發(fā)現發(fā)動機有異常運轉現象，機油消耗量正常。經拆解發(fā)動機檢查，未發(fā)現汽缸體與活塞環(huán)的異常磨損。

（5）由于汽油—水霧混合燃燒實現了稀薄燃燒，能明顯減少發(fā)動機出現“爆震”的傾向。在進行急加速路試中，沒有出現明顯的“叫桿”現象。

4 結束語

隨著我國汽車家庭化的普及率快速增長，汽車駕駛培訓市場也在迅速膨脹，據天津市駕校管理部門的統(tǒng)計：截止2008年底，僅天津市駕駛培訓車輛就有4800余輛，其中小型教練車3300余輛。如按節(jié)油率10%計算，預計可節(jié)約駕駛培訓燃油80萬升以上，節(jié)約培訓成本約500萬元。如果能向全國駕駛員培訓車輛推廣此項技術，定會產生可觀的經濟效益。

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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)新專項基金資助項目（YSK2008-21）.

黃俊平（1957—），男，副教授，研究方向為汽車應用技術.