張麗莉，巴興強*，趙琪琤，金趁心

(1東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站 150056 哈爾濱)

堿性介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒對排放影響的實驗研究

張麗莉1，巴興強1*，趙琪琤2，金趁心1

(1東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站 150056 哈爾濱)

為有效地減少發(fā)動機尾氣排放對環(huán)境的污染，提出一種堿性空氣介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒技術(shù)。即在汽車發(fā)動機的進氣通道上，利用一種超聲波霧化的發(fā)生裝置，將特定濃度的堿性溶液霧化成堿性的空氣氣溶膠，從而將空氣改性為具有一定堿性性質(zhì)摩爾比的氣體，并由進氣門進入氣缸內(nèi)部參與發(fā)動機燃燒。并以柴油機發(fā)動機為對象，分析其在一般條件下和堿性空氣介質(zhì)參與發(fā)動機缸內(nèi)燃燒條件下發(fā)動機排放污染物的參數(shù)值，并進行對比實驗，實驗結(jié)果表明，堿性空氣介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒可以有效降低污染物的排放值，從而在缸內(nèi)燃燒環(huán)節(jié)就有效地減少了污染物的排放，具有一定的應(yīng)用價值。

堿性空氣介質(zhì)；排放；汽車；柴油機

0 引言

近年來，我國部分城市空氣灰霾、酸雨等區(qū)域性大氣污染問題越來越嚴重，這些問題的產(chǎn)生與車輛尾氣排放密切相關(guān)，因此，機動車尾氣污染治理成為最緊迫的問題之一[1-2]。目前，國內(nèi)外對汽車排放的控制主要采用兩類方法：第一類是政府通過制定嚴格的汽車排放法規(guī)，促使汽車企業(yè)生產(chǎn)出的汽車滿足低污染物排放的要求；第二類是汽車企業(yè)想方設(shè)法通過優(yōu)化發(fā)動機的工作過程，提高燃燒效率，改進燃油品質(zhì)，從而降低發(fā)動機的污染排放，包括采用尾氣凈化技術(shù)，清潔燃料動力系統(tǒng)等等[3-5]。

根據(jù)燃燒熱力學(xué)理論，堿性空氣介質(zhì)參與汽車 發(fā)動機缸內(nèi)燃燒屬于一種特殊的催化燃燒，其機理與傳統(tǒng)催化基本相同[6-7]。一般情況下，催化燃燒所用的催化劑為具有大比表面的貴金屬和金屬氧化物等物質(zhì)。在一個化學(xué)反應(yīng)過程中，加入催化劑并不能改變原有的反應(yīng)平衡，所改變的僅是化學(xué)反應(yīng)速度。而在反應(yīng)前后，催化劑本身的性質(zhì)并不發(fā)生變化，在催化燃燒過程中，催化劑與高鍵能反應(yīng)物和低鍵能產(chǎn)物均開成不同穩(wěn)定程度的過渡態(tài)，使反應(yīng)物的隨機碰撞被“吸引”在催化劑表面上，變成有序碰撞，從而提高有效碰撞次數(shù)。在催化劑的配位電子參與下，依據(jù)能量最小原則，產(chǎn)生低鍵能的產(chǎn)物，同時放出熱量[8-11]。

堿性燃燒就是在燃燒反應(yīng)中加入堿性金屬氧化物和水一樣發(fā)揮催化作用，由于堿性金屬氧化物的路易斯堿性大，配位性強，催化效果大幅提高[12]。換言之，傳統(tǒng)燃燒是碳酸為過渡態(tài)的催化燃燒，而堿性燃燒((如果用鈉堿催化))則是碳酸鈉為過渡態(tài)的催化燃燒。碳酸與碳酸鈉的化學(xué)性質(zhì)差距頗大。因此說，堿性燃燒與傳統(tǒng)燃燒相比在化學(xué)熱力學(xué)上有巨大的改變[13-15]。

本文將一種堿性空氣介質(zhì)加入到發(fā)動機的缸內(nèi)，即在汽車發(fā)動機的進氣通道上，利用一種超聲波霧化發(fā)生裝置，將特定濃度的堿性溶液霧化成堿性的空氣溶膠，從而將空氣改性為具有一定堿性性質(zhì)摩爾比的氣體，并由進氣門進入氣缸內(nèi)部參與發(fā)動機燃燒。并研究在加入堿性空氣介質(zhì)與不加入堿性空氣介質(zhì)條件下，對發(fā)動機排放性能的影響，從而為尋求其內(nèi)部機理提供理論和實驗支撐。

1 堿性空氣介質(zhì)參與柴油機缸內(nèi)燃燒的排放實驗及其對比分析

本次實驗選用配比好的堿性溶液、廂式小貨車，不透光煙度計、自動煙塵測試儀以及TESTO 335煙氣分析儀等實驗設(shè)備。柴油機缸內(nèi)燃燒的排放實驗分為兩部分：一部分是在不加入堿性空氣介質(zhì)的情況下的排放實驗；另部分是在加入堿性空氣介質(zhì)時的排放實驗，然后綜合分析在這兩種燃燒狀態(tài)下，對柴油發(fā)動機部分排放性能的影響。

1.1 不加入堿性空氣介質(zhì)情況下排放實驗

本次實驗時間在下午13點到下午17點，每隔3 min測試一次，測試環(huán)境溫度30℃左右。利用不透光煙度計、自動煙塵測試儀、TESTO 335煙氣分析儀的取樣探頭放進排煙管道處來測試柴油機排煙管道的污染物，進行記錄分析。實驗共測試100組，測試內(nèi)容包括不透光度N的百分含量，光吸收系數(shù)K，排煙管道處的氧氣(O2)的百分含量，一氧化氮(NO)含量，環(huán)境溫度以及排煙管道處的煙溫度。經(jīng)過實驗測試所得部分數(shù)據(jù)及其平均值見表1。

1.2 堿性空氣介質(zhì)參與燃燒條件下排放實驗

在堿性空氣介質(zhì)參與燃燒條件下的實驗中，實驗共測試100組，測試內(nèi)容仍為不透光度N的百分含量，光吸收系數(shù)K，排煙管道處的氧氣(O2)的百分含量，一氧化氮(NO)含量，環(huán)境溫度以及排煙管道處的煙溫度。經(jīng)過實驗測得排煙管道處的部分數(shù)據(jù)值見表2。

表1 不加入堿性空氣介質(zhì)情況下測得柴油發(fā)動機排煙管道處的部分數(shù)據(jù)

注：N為不透光度，K為光吸收系數(shù)

表2 堿性液燃燒條件下，柴油車排煙管道處的部分排放數(shù)據(jù)

注：N為不透光度，K為光吸收系數(shù)

1.3 實驗結(jié)果對比分析

由于不透光度(N)就是阻止光從光源通過充滿煙的暗通道到達觀察者或者光接收器的傳輸衰減百分率[16]。不透光度數(shù)值越大就說明阻止光從光源通過充滿煙的暗通道到達觀察者或者光接收器的傳輸衰減百分率就越大，即煙度較大；不透光度數(shù)值越小，就說明阻止光從光源通過充滿煙的暗通道到達觀察者或者光接收器的傳輸衰減百分率就越小，即煙度較小。因此，在堿性溶液燃燒條件下測得的不透光度N的數(shù)值比在無堿性條件下的燃燒測得的數(shù)值小，即堿性容易更有助于減少柴油車排放的污染物濃度。

由于光吸收系數(shù)(K)是表征物質(zhì)對光的吸收的能力的參數(shù)[17-18]。光吸收系數(shù)越大，說明物質(zhì)對光的吸收能力越強，即物質(zhì)的含量越大。相反，光吸收系數(shù)越小，說明物質(zhì)對光的吸收能力越小，即物質(zhì)的含量越小。由表1和表2可知，在堿性溶液參與發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的條件下，測得的光吸收系數(shù)K的數(shù)值比在無堿性條件下的燃燒測得的數(shù)值小，說明在堿性溶液條件下燃燒，測得排放的顆粒物比無堿性條件下燃燒排放少，即堿性溶液參與柴油車缸內(nèi)燃燒更有助于減少柴油車排放的污染物濃度。

在堿性溶液參與柴油車缸內(nèi)燃燒時，測得的排氣管道處的O2百分含量有所增加，即堿性溶液參與缸內(nèi)燃燒的條件下排放的O2濃度有所增加。

在堿性溶液參與柴油車發(fā)動機缸內(nèi)燃燒時，排煙管道處的NO比無堿性條件情況下減少，即堿性溶液能夠明顯降低NO的排放。

2 結(jié)論

堿性溶液參與發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的條件下，柴油車排煙管道處的污染物數(shù)值都有不同程度的改善，可以得出堿性空氣介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒在一定程度上減少汽車發(fā)動機有害氣體排放量。然而，如何通過控制堿性溶液的濃度，從而對發(fā)動機污染物排放污染物等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，還有待于進一步的實驗研究。

[1]白昕，畢紅巖，孫曉光，等.清潔燃燒——堿性燃燒技術(shù)的探討與研究[A].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會.中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集[C].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會，2013：705-708.

[2]巴興強，姜博瀚，朱海濤，等，堿性空氣介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒對農(nóng)用車發(fā)動機排放的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(18)：6068 -6070.

[3]張晶，陳宗良，王瑋，北京市大氣小顆粒物的污染源解析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，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]吳兌，鄧雪嬌，畢雪巖，等，細粒子污染形成灰霾天氣導(dǎo)致廣州地區(qū)能見度下降[J].熱帶氣象學(xué)報，2007，23(1)：1-6.

[6]王京麗，劉旭林，北京市大氣細粒子質(zhì)量濃度與能見度定量關(guān)系初探[J].氣象學(xué)報，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]顧卓良，灰霾天氣不同粒徑的顆粒物污染特征分析[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，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]剛緒航，巴興強，朱海濤，等.農(nóng)用運輸車輛發(fā)動機缸內(nèi)堿性燃燒技術(shù)芻議[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(25)：8832-8834.

[11]都雪靜，許洪國，關(guān)強，等.納米TiO2含量對汽車尾氣因子降解效能影響試驗研究[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，吳雪斌，等.基于 GREET 模型的新能源汽車污染排放特征分析[J].上海自然科學(xué)報，2015，20(5)：13-14.

[14]劉東旭，翁端.柴油車尾氣顆粒物凈化用SIC過濾材料的研究與應(yīng)用[J].環(huán)境工程學(xué)報，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.汽車的排放污染及其控制技術(shù)[J].城市車輛，2002，(6)：22-26.

[17]Srám R J，Binková B，R?ssner 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]寧鵬，馬振江，張金全，等.汽車尾氣熱能回收利用裝置的設(shè)計[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，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

哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才專項資金項目(2015RQQXJ074)；黑龍江省自然科學(xué)基金(E2016001)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12543007)

張麗莉，博士，副教授。研究方向：智能決策方法技術(shù)、汽車故障診斷及檢測理論。

*通信作者：巴興強，博士，副教授。研究方向：汽車燃燒技術(shù)、智能交通技術(shù)。E-mail：bxq1218@sina.com

張麗莉，巴興強，趙琪琤，等.堿性介質(zhì)參與缸內(nèi)燃燒對排放影響的實驗研究[J].森林工程，2017，33(2)：73-75.

U 664

A

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