國內農用發(fā)動機研究現狀與展望

曹孟冰，汪志義，谷林強，翁凌霄

（1.南昌工學院，江西 南昌 330108；2.安徽全柴動力股份有限公司，安徽 全椒 239500）

國內農用發(fā)動機研究現狀與展望

曹孟冰1，汪志義2，谷林強2，翁凌霄1

（1.南昌工學院，江西 南昌 330108；2.安徽全柴動力股份有限公司，安徽 全椒 239500）

本文綜述了國內農用柴油機、汽油機、乙醇發(fā)動機、雙燃料發(fā)動機、氫發(fā)動機、生物質斯特林發(fā)動機的研究現狀，總結了這些農用發(fā)動機的優(yōu)缺點，并指出潔凈能源、短期可再生能源的利用是未來農用發(fā)動機燃料開發(fā)的主要方向；農用發(fā)動機燃料的經濟性以及噪聲的減少也是未來極有意義的研究方向。

農用柴油機；農用汽油機；雙燃料發(fā)動機；生物質斯特林發(fā)動機

現代農業(yè)的發(fā)展和農業(yè)機械的發(fā)展息息相關。農用發(fā)動機作為農業(yè)機械的支撐核心之一，對農業(yè)機械的發(fā)展有著非常重要的作用。農用發(fā)動機通過燃料燃燒，把化學能轉化為機械能，以此來給機械提供動力。目前農業(yè)發(fā)動機按使用燃料劃分較常見的主要是柴油機、汽油機、乙醇內燃機、氫內燃機、雙燃料內燃機、生物質斯特林發(fā)動機。

1 農用發(fā)動機的研究現狀

（1）柴油機。單缸四沖程農用柴油機因其良好的經濟性和野外工作性能,在農業(yè)機械化中被廣泛使用。我國是世界上柴油機生產量最大的國家。針對農用柴油機進行了大量的研究，主要有以下幾方面：一是高分貝噪聲以及尾氣排放研究。農用柴油機在使用過程中不僅產生較高分貝的噪聲，而且排出大量的尾氣和碳煙。其中噪聲對人的身心有不良影響，尾氣含有大量的致癌物質對人體和環(huán)境均有害；二是動力性與經濟性研究。利用柴油與其他可溶型燃料混燃，研究柴油機的動力性、經濟性及噴油器的霧化性；三是柴油機的可靠性和壽命研究。主要研究柴油機結構中各部分的疲勞限度，以此判斷柴油機的可靠性和壽命。四是故障診斷研究以此來對柴油機進行相應維修保養(yǎng)。提高柴油機的可靠性、能動性、經濟性，減少柴油機的噪音和尾氣排放，是當前柴油機主要研究的目標。

（2）汽油機。目前，小型汽油機普遍用于水稻脫粒、抽水、噴霧等農業(yè)機械。國內對于農用汽油機的研究主要有以下幾方面：一是汽油機的節(jié)油。氣缸和曲軸箱壓縮力不足會導致燃燒不良，進而導致功率不足、油耗增大；混合氣過濃過稀等諸多因素同樣對油耗產生的影響；二是沼氣對汽油的替代。沼氣是可再生能源，如果能利用沼氣替代汽油，將對農村經濟發(fā)展有重大的意義；三是汽油機故障診斷，研究柴油的故障診斷，以此來對汽油機進行維修保養(yǎng)。汽油機在農業(yè)方面用的較少，所以研究也相對較少。汽油機的研究主要是在汽油機的節(jié)油、汽油機的燃料替代及汽油機的故障診斷等方面。

（3）乙醇內燃機。近年來，乙醇作為一種現實的可再生清潔能源備受學者關注。像乙醇這樣使用生物技術路線取代化學技術路線，已成為各國能源研究的核心內容。乙醇完全燃燒可以生成二氧化碳和水，對環(huán)境影響不大。但目前乙醇內燃機的應用主要是在汽車領域，農用發(fā)動機上的應用尚屬空白。

（4）氫內燃機。氫燃料具有高效、清潔燃燒特性，燃燒后生成 H2O，不產生 CO、HCL、CO2及硫化物。浙江大學、華北水利水電大學對氫燃料發(fā)動機進行了研究，試驗結果表明使用正確的噴氫策略和恰當的噴射提前角及點火提前角都能在一定程度上減少氫燃料發(fā)動機的異常燃燒現象。2007 年我國自主研制的第一臺氫發(fā)動機在長安集團成功點火。經過不斷探索，我國在發(fā)動機燃氫技術方面取得了一定進展，但還沒有真正把氫內燃機使用在農業(yè)機械上。

（5）雙燃料內燃機。我國雙燃料發(fā)動機的研究，始于 20 世紀 60 年代。北京交通大學研制了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機，吉林大學研究了雙燃料技術的混合燃燒特性及其燃燒規(guī)律。清華大學分析了雙燃料發(fā)動機的最小引燃油量的影響。天津大學著重研究了增壓雙燃料發(fā)動機的燃燒和排放規(guī)律。長安大學分析了原柴油機與改裝后的雙燃料發(fā)動機的動力性和排放性能。浙江大學成功設計出沼氣/柴油雙燃料發(fā)動機，綜合效果較好。國內主要是利用雙燃料混合燃燒來提高發(fā)動機的效率和燃油經濟性，降低污染物的排放，節(jié)約能源。

（6）生物質斯特林發(fā)動機。斯特林發(fā)動機在農業(yè)領域大有用武之地，斯特林發(fā)動機適合做農用拖拉機的運輸動力。由于斯特林發(fā)動機具有良好的環(huán)境特性，同時具有燃料的廣泛適應性，且具有良好經濟性，能滿足對運輸動力的要求。特別對于有豐富生物能 (包括桔桿、柴草、谷殼等 )的農村非常適用。我國從 70年代末開始研究斯特林發(fā)動機。清華大學、中國科學技術大學等院校都在進行相應研究，中國船舶重工集團公司在該領域的研究已取得了一定的成果。

2 各種農用發(fā)動機的優(yōu)缺點

（1）柴油機的優(yōu)缺點。柴油機在農用方面的優(yōu)點主要有：熱效率高，節(jié)約能源；功率大，壽命長，動力性能好；它排放產生的溫室效應比汽油低；一氧化碳與碳氫排放也低；柴油的冶煉比汽油節(jié)能。柴油機在農用方面的缺點主要有：壓縮比高，燃料噴射裝置價格昂貴；維修費用高；轉速低，加速較慢；有害顆粒物排放大；天冷時柴油機會很難啟動；柴油機的噪聲很大且容易震動；柴油的使用方便性不如汽油。

（2）汽油機的優(yōu)缺點。汽油機用于農用的主要優(yōu)勢：汽油機轉速高，適應性好，工作平穩(wěn)、柔和，操作方便省力，質量輕，噪聲小，造價低，容易啟動等。汽油機用于農用的主要劣勢：燃料消耗率較高，經濟性較差，排氣凈化指標低。在正常運轉條件下汽油機的溫度和壓力都比柴油機低。

（3）乙醇內燃機的優(yōu)缺點。乙醇內燃機在農用方面的優(yōu)勢：減少排放；動力性好；積炭減少；使用方便；資源豐富。乙醇內燃機在農用方面的劣勢：蒸發(fā)潛力大；熱值低；易產生氣阻；腐蝕金屬；與材料適應性差；易分層。

（4）氫內燃機的優(yōu)缺點。氫內燃機在農用方面的優(yōu)勢：排放物是純水，行駛時不產生任何污染物。氫內燃機在農用方面的劣勢：氫燃料的存儲和運輸依照現在的技巧前提來說很是艱苦，由于氫分子很小，極易透過蘊藏裝配的外殼逃逸。氫氣的提取須要經由過程電解水或者應用自然氣，這同樣須要耗費大量能源。

（5）雙燃料內燃機的優(yōu)缺點。雙燃料內燃機在農用方面的優(yōu)勢：環(huán)保性效益高；保養(yǎng)費用較低；燃料費大大節(jié)省。雙燃料內燃機在農用方面的劣勢：雙燃料內燃機燃料站不夠普及；改裝手續(xù)麻煩；動力性能不一定會更好。

（6）生物質斯特林發(fā)動機的優(yōu)缺點。雙燃料內燃機在農用方面的優(yōu)勢：熱效率高；排氣污染低；噪音低；運轉平穩(wěn)；適用多種燃料。雙燃料內燃機在農用方面的劣勢：消耗耐熱合金鋼較多，造價較高，熱量損失是內燃發(fā)動機的2～3倍等；發(fā)動機在提供有效動力之前需要時間暖機；發(fā)動機不能快速改變其動力輸出；發(fā)動機在運轉前需要額外增加起動力，而起動力也需要動能儲備。

3 結語

（1）化石燃料污染過于嚴重，所以目前農用柴油機及農用汽油機的減排是目前農用發(fā)動機重要的研究內容之一。而目前出現的醇類及氫等就是很好的清潔能源，所以在減少排放領域研究潛力巨大。

（2）化石燃料是短期內不可再生能源，所以必須有短期可再生能源，例如醇類、氫、生物質等替代原始的化石燃料。在能源緊張的時代，這樣才可以使得對農用發(fā)動機燃料的使用走可持續(xù)道路。

（3）在現代農業(yè)中燃料的經濟性也非常重要，所以尋找比化石燃料更經濟可靠的燃料非常重要。作為現代農用，農業(yè)機械的舒適度一樣很重要，所以減少農用發(fā)動機的噪音非常必要。

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S218

A

1671-0711（2017）03（下）-0154-02

本課題由國家重點研發(fā)計劃——新型節(jié)能環(huán)保農用發(fā)動機開發(fā)（課題批準號：2016YFD0700800）資助。