專利名稱：柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒方法
技術領域：
本發明屬于環境保護技術領域，特別涉及柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒技術。
當前城市中汽車的廢氣排放已成為威脅城市環境的一大禍害，已引起了國際上的重視，并采取了各種措施。對柴油機來說，除從改進內部燃燒過程來解決外，別無其他好方法。
柴油機由于功率大，效率高于汽油機，與汽油機相比，其油耗約減少30％；其碳化氫CH，一氧化碳CO排放量遠低于汽油機，易符合排放標準。氧化氮NOx排放量較高，與汽油機相當；只是碳黑微粒的排放遠高于汽油機。因此，只要解決柴油機的NOx及碳黑微粒排放問題，則柴油機無論在經濟性上，還是在排放特性上都具有很強的競爭力。
然而，柴油機燃燒技術是一門高難技術，它已有上百年的研究歷史，它的水平與起點已相當高。在這種情況下，必須采用新思路、新方法。
綜觀解決柴油機的NOx與碳黑微粒的各種研究可以發現，凡是使NOx減少的各種措施都使碳黑微粒增加，反之亦然。也即它們是相互矛盾的。要同時降低NOx與碳黑微粒的排放不是一件容易的事。目前做得較好的是增壓一中冷方案，及日本的MK燃燒新概念，前者是可使碳黑微粒大幅度下降，但NOx排放量基本不變。日本的方案則正好相反，即可使NOx排放量大幅度下降，但碳黑微粒排放量基本不變。然而兩者的實施方案都較復雜，價格較貴。目前只有一種方法能使兩者同時下降。這就是油摻水燃燒。盡管對柴油機中油摻水燃燒已研究了幾十年，但一直沒有取得突破性進展。因此，對此技術，多數研究者持否定態度。本發明人認為，過去關于油摻水燃燒技術在柴油機中應用失效的原因，主要在于(1)乳化油易分層，無法付諸實用。有人為了解決這一問題，將精力放在乳化劑的研究上，盡管有所改進，但價格很貴，結果造成節油不節錢的狀況，使用戶無采用它的積極性。至今為止，乳化油的油、水分層問題仍未得到解決。再加上乳化油易使氣缸腐蝕及易稀釋潤滑油等弊病。一句話，乳化油的實用化問題沒有得到認真的解決，因此大家對它失去了信心。(2)盡管乳化油能同時降低NOx和碳黑微粒，同時還有一定程度的節油效果，但它在燃燒技術上存在著難以克服的問題，例如，實驗表明，NOx和碳黑微粒下降量通常與摻水量成正比，這樣，摻水量少了，其降污的效果不大；摻水量大了，其著火延遲時間增長，輕者引起敲缸或粗爆運行，重者則不能使燃料著火、燃燒。長期來研究者無法解決這一難題。因此個別國家(如法國)為了充分發揮油摻水燃燒對柴油機降污的作用，只摻了13％的水，盡管效果不能令人滿意，但還是在降污方面起了一定作用。
由于上述兩個原因，這項對環保與節油都有益的油摻水燃燒技術，一直無法在柴油機中得到應用。
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種柴油機的清潔燃燒方法，可同時大幅度降低氧化氮及碳黑微粒排放，且具有節油又節錢，使用安全、可靠的優點。
本發明提出的一種柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒的方法，其特征在于，包括下列各步驟(1)在通常柴油系統的活塞泵的進油端并聯一個乳化油系統，該乳化油系統包括由管道相連的濾油器、靜態乳化器、乳化油泵及裝有按比例配好的乳化油的乳化油箱；(2)在所說的活塞泵的汽缸蓋、活塞頂部采用等離子或火焰噴涂法涂上一層鎳基催化劑；(3)用柴油系統啟動待汽缸壁熱后，再轉換成乳化系統供油。
本發明還可包括停車前幾分鐘再轉換成柴油系統供油的步驟。
本發明所說的的乳化油可為在線配制的乳化油。
所說的的乳化油的配比為油∶水＝1∶0.15。
所說的的乳化油中還可加有表面活性劑。
本發明的原理及特點(1)用在線制備乳化油的方法替代了事先制備；啟動與停車前幾分鐘均采用柴油。這樣，就解決了實用化的問題。由于隨用隨制備，就不存在乳化油的儲存問題，也就不存在油、水分層問題，從而保證了使用的安全、可靠。由于無須考慮乳化油的儲存問題，因此可采用任何廉價的乳化劑，這就解決了節油不節錢的問題。另外，由于用柴油啟動，就不存在啟動難的問題；由于停車前切換成柴油燃燒，這樣保證了乳化油始終不以液體狀態與缸接解，這就避免了氣缸被乳化油腐蝕，潤滑油也不會被乳化油所稀釋。因為以蒸汽狀態存在的水是不會對氣缸和潤滑油有任何影響的。
(2)本發明另一個突破在于用高摻水率的催化燃燒代替了微爆效果。如前所述，要大幅度降低NOx與碳黑微粒的排放，必須加大摻水量，例如采用油∶水＝1∶1的高摻水率。如果在這樣高的摻水率水下仍能維持柴油機的正常著火、燃燒，則①NOx將大幅度下降。這是因為摻水量的增大，使氣缸內溫度及氧濃度下降，這都將使NOx大幅度下降；②大量的水蒸汽的存在，使氣缸缺氧區(這是碳黑微粒產生的重要原因，因為在快速運動的氣缸內很難保證油—空氣之間的理想混合)發生反應，從而有效抑制了碳黑核心的產生和生長，使碳黑微粒大幅下降，并使燃燒效率有所提高；③在保證油、水、空氣混合物的快速著火、燃燒的條件下，則由于水快速發成了水蒸汽，它一方面部分彌補了由于氣缸溫度下降而使氣缸壓力的下降。另一方面，處于高溫、高壓狀態下的水蒸汽與高溫燃氣一樣也會推動活塞作功(這就是蒸汽機原理)，它部分地代替了油燃燒產物做功，這是油摻水節油的重要原因之一。
但是，如何使在摻水量較大的情況下，仍能保證發動機正常著火、燃燒，乃是其關鍵所在。本發明采用了油摻水催化燃燒以強化燃燒(而并非靠乳化油的微爆)，再輔以下述切實可行的技術措施，取得了成功。
第一，采用等離子噴涂(或火焰噴涂)方法將廉價的催化材料噴涂在活塞頂部及氣缸端部，用燃料—水蒸汽重整催化反應來改善乳化油的著火、燃燒特性。
由于H2的熱值高，擴散系數，火焰傳播速度大，反應速率大，因此將對燃燒過程產生良好的影響。但H2從何來？用外界向氣缸中注入氫，沒有實用價值。如果能設法在燃料與空氣的燃燒過程中自身產生H2氣，這將具有普遍意義。燃料與水蒸汽的重整催化反應就能起到這種效果。即在燃燒室的局部地方涂上廉價的催化劑，有水蒸汽存在的條件下，在較低溫度下就能在催化劑表面發生重整反應，連續不斷地使一部分燃料與水蒸汽中的H2釋放出來，這部分H2混入尚未燃燒或正在燃燒的燃料—空氣混合物中，就能顯著地改善燃料的著火、燃燒。由此可見，這時水是保證產生H2的必要條件，而并非像傳統的乳化油燃燒那樣，水是為了保證油珠的微爆。本發明根據對微爆問題的理論研究表明，柴油機中的微爆是很微弱的，因此靠微爆來改善柴油機的燃燒是不現實的，有微爆發生當然好，但這里改善燃料的著火、燃燒特性，主要靠H2的發生及其參于燃燒，而并非靠油珠的微爆。這就跳出了80年代前研究油摻水燃燒的老框框，是油摻水燃燒的新發展。
實驗與理論分析表明，由于重整催化反應的存在，只要在催化劑表面上少量的H2氣(約5％)，就可使著火溫度下降100℃-250℃，這樣，可望在摻水量增加的條件下，用降低著火溫度的方法，保證氣缸內混合氣能正常著火、燃燒，不會造成敲缸或粗爆運行。而產生5％的H2是現實可行的。而且，由于碳在催化劑表上與水易發生反應，因此不易在催化劑表面形成積碳而使催化劑失效。
第二，乳化油用在線乳化裝置制備。將水與油一起注入一容器中，并添加任意廉價的表面活性劑，通過齒輪泵及靜態乳化器，即能制備成乳化油供噴咀使用。當柴油機停車時，在線乳化裝置也停止工作，這時油、水可能很快分層，但不影響使用。實驗證明這種乳化方法，簡單、實用、可靠。
第三，油路采用雙油路，即原有的柴油系統不變，另加一條在線乳化油路。啟動時及到達目地之前幾分鐘，切換成柴油系統。這樣可保證乳化油的液體不與氣缸及潤滑油接觸，避免了乳化油對氣缸的腐蝕及使潤滑油的稀釋。
附圖簡要說明
圖1為本發明的一種實施例供油系統示意圖。
本發明的一種實施例結合附圖詳細說明如下1.柴油機性能型號S195型式四沖程蒸發水冷臥式簡接噴射燃燒室缸數1功率8.8千瓦2.供油系統及操作過程本實施例的供油系統如圖1所示。虛線以內是原柴油機供油系統。虛線以外是新加的在線乳化系統。原柴油機供油系統包括柴油箱6、濾油器5、柱塞油泵11、噴油咀9，以及進柴油閥1、回油閥3；在線乳化系統包括濾油器5、靜態乳化器10、乳化油泵8、乳化油箱7，以及進乳化油閥2和回油閥4。
采用等離子噴涂方法將廉價的催化材料(商用牌號為Z409)噴涂在活塞頂部及氣缸端部。該噴涂方法可不使催化劑失活，并與氣缸有牢固的結合力。
操作過程打開閥門1、3，關閉閥門2、4，啟動柴油系統用柴油供入噴咀，同時啟動油泵8，使在線乳化系統同時投運。水與油按重量比1∶1事先倒入油箱7，并添加任意廉價的表面活性劑，如家用洗滌靈。油、水混合物通過泵8，一部分進入靜態乳化器，經乳化器后的乳化油，一部分供噴油咀用，噴入氣缸。多余部分回至乳化油箱。由于泵8的流量較大，因此大部分乳化油回至乳化油箱7。這樣，只要在線乳化系統投運，則乳化油箱7中一直維持著乳化狀態。
柴油機經用柴油運行1-2分鐘后，可打開閥門2、4，關閉閥門1、3，這時，乳化油供入噴咀，即乳化油在氣缸中開始燃燒。
3.試驗結果柴油機切換成油∶水＝1∶1的乳化油后，照樣可以穩定運行，且功率保持不變，這是經反復試驗證實了的。
當燒柴油時，功率為7.6KW時，其NOx＝600ppm；轉換成乳化油時，在同樣功率下，約為NOx＝80ppm，NOx下降了約85％左右；排放溫度下降約70-80℃。
燒柴油時，當油門加速時，冒出濃濃的黑煙；當轉換成乳化油燃燒時，在同樣的功率下，同樣使油門加速，黑煙基本消失，效果十分明顯。
因此，試驗表明，該技術路線能確保發動機在高摻水率下的運行與純柴油運行時一樣穩定。且達到了同時大幅度降低NOx與碳黑微粒排放的目標。
權利要求
1.一種柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒的方法，其特征在于，包括下列各步驟(1)在通常柴油系統的活塞泵的進油端并聯一個乳化油系統，該乳化油系統包括由管道相連的濾油器、靜態乳化器、乳化油泵及裝有按比例配好的乳化油的乳化油箱；(2)在所說的活塞泵的汽缸蓋、活塞頂部采用等離子或火焰噴涂法涂上一層鎳基催化劑；(3)用柴油系統啟動待汽缸壁熱后，再轉換成乳化系統供油。
2.如權利要求1所述的柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒的方法，其特征在于，還包括停車前幾分鐘再轉換成柴油系統供油的步驟。
3.如權利要求1或2所述的柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒的方法，其特征在于，所說的的乳化油為在線配制的乳化油。
4.如權利要求1或2所述的柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒的方法，其特征在于，所說的的乳化油的配比為油∶水＝1∶0.15。
5.如權利要求1或2所述的柴油機中同時降低氧化氮及碳黑微粒排放的清潔燃燒的方法，其特征在于，所說的的乳化油中還加有任意廉價的表面活性劑。
全文摘要
本發明屬于環境保護技術領域,本發明包括:在通常柴油系統的活塞泵的進油端并聯一個乳化油系統,該乳化油系統包括由管道相連的濾油器、靜態乳化器、乳化油泵及裝有按比例配好的乳化油的乳化油箱;在所說的活塞泵的汽缸蓋、活塞頂部采用等離子或火焰噴涂法涂上一層鎳基催化劑;用柴油系統啟動待汽缸壁熱后,再轉換成乳化系統供油。本發明可同時大降低氧化氮及碳黑微粒排放,且具有節油又節錢,使用的安全、可靠的優點。
文檔編號F02M25/025GK1275677SQ0010943
公開日2000年12月6日 申請日期2000年6月23日 優先權日2000年6月23日
發明者傅維鑣, 周雁, 李長樂 申請人:清華大學