CN103265983A - 一种高效纳米燃油 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效纳米燃油：由纳米颗粒为活性金属单质Fe、Al、Mg、Zn中的一种或多种、用于助溶的表面活性剂和燃油组成；纳米颗粒和表面活性剂的质量分数比为0.5~1.0；纳米颗粒和表面活性剂均为微量添加到燃油中，每升燃油含50~150毫克纳米颗粒。本发明在确保促进燃烧降低排放的同时，降低其使用成本。本发明不仅限于中石化可购得的柴油和汽油等燃料，也可应用于发动机常用的替代燃料如生物柴油、乙醇柴油和乳化燃油。
Description
技术领域
本发明属于发动机燃烧化学和尾气净化领域，主要是涉及一种能显著提高发动机动力性，并可实现发动机高效燃烧与节能减排的纳米燃油，且纳米燃油的配制成本基本不会增加，主要用于以汽油和柴油为燃料的车辆动力装置。
背景技术
在石油资源极其紧缺和环境污染日益严重的双重压力下，如何提高发动机的燃烧效率、节约能源、降低尾气污染物已成为国内外研究工作者的首要任务。燃料的组成和特性对柴油机的动力性、经济性和排放性将会产生重要的影响。在燃油中加入适量性能优良的燃油添加剂可改变燃油的物理化学性质，可在无需调整发动机供油系统的条件下，实现发动机的高效燃烧和节能减排，因此研制新型高效燃油添加剂已成为控制发动机燃烧与排放的重要研究课题。目前常用的改善发动机燃烧与排放的燃油添加剂有十六烷值提升剂、消烟剂和燃烧促进剂等等。其中，燃烧促进剂因其可加速燃油的雾化蒸发，促使与空气混合均匀，实现燃油迅速完全燃烧，从而可降低燃油消耗率和污染物排放，国内外研究者对其应用研究最为广泛。
燃油促进剂主要以某些金属或金属化合物为主，如Ba、Ca、Mg、K、Fe、Ni、Co、Pt金属或其化合物等。目前国内外的研究者们对燃烧促进剂的研究也取得了一些进展，但在发动机上推广应用仍然需要一段时间。Golothan 在柴油中添加金属钡后在单缸柴油机上进行实验，其结果表明：烟度下降40%-50%，说明金属钡对降低烟度有显著作用。Caton对油溶性铂进行台架试验，结果表明：在1900r/min时，CO比排放下降61%，HC(总碳氢含量)比排放下降68%。纪常伟通过在柴油中添加微量的金属铈(Ce)，进行柴油机台架试验得到，HC排放降低41.6%，低速区CO排放降低23.4%，烟度最低降幅达36.5%。
现有技术通过在柴油中添加Al2O3的作用却仅限于改善燃油的热传导系数，促进燃油与空气良好混合，而不会催化燃烧。现有技术通过在柴油中添加钡、铂、铈、CeO2、Co3O4等物质来获得高效纳米燃油，促进燃烧降低排放，虽有一定催化作用，但其成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效纳米燃油，以确保在促进燃烧降低排放的同时，降低其使用成本。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种高效纳米燃油，其特征在于包括以下成分：纳米颗粒为活性金属单质Fe、Al、Mg、Zn中的一种或多种、用于助溶的表面活性剂、燃油；所述纳米颗粒和表面活性剂的质量分数比为0.5~1.0；所述纳米颗粒和表面活性剂均为微量添加到燃油中，每升燃油含50~150毫克纳米颗粒。
所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵CTAB或十二烷基苯磺酸钠SDBS。
制备纳米燃油时，首先将不同质量分数的纳米颗粒倒入柴油中，然后在超声波发射器的作用下连续振动，振动期间，向油品中加入与纳米颗粒成比例的表面活性剂，对纳米颗粒进行表面处理使其成为油溶性的纳米粒子。最终形成均匀稳定的悬浮液即为所配制的纳米燃油。
对采用该配方配制出的纳米燃油进行一台单缸风冷柴油机台架试验证明：发动机燃用该纳米燃油能够正常工作而不会出现喷油器堵塞的现象，试验结果表明，燃用该纳米燃油后，发动机有效热效率略有上升，燃油消耗率也有所降低，四种常规排放物都不同程度的降低。
本发明具有有益效果。本发明的纳米颗粒由于采用Fe、Al、Mg、Zn等价格相对便宜的活性金属单质，在确保促进燃烧降低排放的同时，也降低其使用成本。
附图说明
图1为186F单缸风冷直喷式柴油机燃用0#柴油、含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l和100mg/l的纳米燃油的有效热效率对比；
图2为186F单缸风冷直喷式柴油机燃用0#柴油、含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l和100mg/l的纳米燃油的燃油消耗率对比；
图3为186F单缸风冷直喷式柴油机燃用0#柴油、含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l和100mg/l的纳米燃油的CO排放对比；
图4为186F单缸风冷直喷式柴油机燃用0#柴油、含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l和100mg/l的纳米燃油的HC排放对比；
图5为186F单缸风冷直喷式柴油机燃用0#柴油、含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l和100mg/l的纳米燃油的NO x 排放对比；
图6为186F单缸风冷直喷式柴油机燃用0#柴油、含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l和100mg/l的纳米燃油的烟度排放对比。
具体实施方式
实施例一
研究表明Fe3O4因其Fe3+/Fe4+的价态可相互转化和具有储氧/放氧能力以及优良的稳定性，使其在催化燃烧化学和尾气净化方面具有独特的作用。而纳米颗粒由于具有较小的粒子尺度，较高的面容比和增强的化学反应活性，近年来也为纳米催化剂在燃料燃烧化学领域的应用研究备受关注。将纳米Fe颗粒添加至燃油中，并在柴油机上进行试验发现，纳米Fe颗粒可发挥出如下效能：(1)纳米Fe颗粒粒径小，面容比大，可增大燃油分子的表面积和热容量；其表面能则促使粒子和粒子、粒子和燃油液滴之间的碰撞加剧，增大柴油分子的导热系数，因此喷入气缸后燃油油束更易于分散和蒸发雾化，并可加快与空气混合均匀；(2)含纳米Fe燃油液滴中Fe在燃烧过程中产生剧烈的氧化活动，并促使燃油液滴发生微爆作用，从而进一步促使燃油液滴与空气良好混合；(3)柴油中烃类化合物分子是由C和H依靠共价键组合而成的，键能较大，纳米Fe在燃烧过程氧化生成无数的纳米Fe3O4颗粒具有脱氢化反应的负催化剂作用，可较大幅度降低燃油分子中C-H键的键能，有助于燃油高温热解成醛类、醇类化合物，促使燃油分子燃烧前活性自由基增多，加速燃油分子的自然过程；(4)燃油分子着火后，在Fe的微爆作用和Fe3O4中氧的转移置换作用下，不断地向烃、C和CO传递氧，促进燃油分子的扩散和氧化，并促使产生更多的O、H、OH等活性自由基，可有效促进链反应的进行，促使燃料燃烧速率加快，燃烧过程更为彻底、充分，排放污染物包括CO、HC、NOx和颗粒物等明显降低；(5)受纳米颗粒高面容比以及Fe燃烧微爆作用以及Fe3O4天然的脱氢和储放氧能力，燃油分子和空气雾化混合与链反应相互促进，促使燃油更加迅速集中于主燃烧期内燃烧，工质在上止点附近较小空间内释放出的热量越多，热功转换能力越强，有助于热效率提高；(6)只需添加微量的纳米Fe，可在几乎略微增加燃油成本的前提下，即可实现燃油的高效燃烧和节能减排。
但由于纳米颗粒具有巨大的表面能，颗粒之间存在吸引力和自动集聚力，颗粒有聚集成大颗粒、降低能量的趋势，而发生纳米颗粒的团聚；而且纳米Fe颗粒亲水性较强，难于均匀、稳定地悬浮于柴油中。为充分发挥纳米Fe颗粒在发动机催化燃烧和尾气净化方面的作用，本发明基于颗粒在液相中的分散机理，采用物理法和化学法将纳米Fe颗粒均匀分散于柴油中，制备成长期稳定的悬浮液。
首先将质量分数为50mg/l纳米Fe颗粒放入柴油中，然后在超声波发射器的作用下连续振动，期间向燃油中加入50mg/l的表面活性剂CTAB，即可制备含纳米Fe颗粒质量分数为50mg/l的纳米燃油，即为50 Fe。而后将质量分数为100mg/l纳米Fe颗粒倒入柴油中，然后在超声波发射器的作用下连续振动，期间向燃油中加入100mg/l的表面活性剂CTAB，即可制备含纳米Fe颗粒质量分数为100mg/l的纳米燃油，即为100Fe。
发动机燃用含纳米Fe颗粒质量分数分别为50mg/l和100mg/l的纳米燃油后的具体性能图如附图1-6所示。如附图1有效热效率图和图2燃油消耗率图所示，相比于纯柴油，全负荷时，50Fe和100Fe的有效热效率分别增加约1.9%和3.6%，50Fe和100Fe的比油耗分别降低约1.9%和3.6%。就排放特性而言，如附图3、4、5、6对应的CO、HC、烟度和NOx排放图所示，50Fe和100Fe的CO、HC、烟度和NOx排放平均分别降低7.1%和16.1%、15.3%和38.6%、12.3%和19.8%、5.4%和13.7%。综合来看，微量添加纳米Fe颗粒可在几乎不影响燃油价格的前提下，即可实现发动机的高效燃烧与节能减排，因而是一种性能优良的燃油添加剂。
实施例二
首先将质量分数分别为50mg/l和50mg/l的纳米Al和Mg颗粒放入柴油中，然后在超声波发射器的作用下连续振动，期间向燃油中加入200mg/l的表面活性剂SDBS，即可制备含纳米Al-Mg颗粒质量分数为100mg/l的纳米燃油。
实施例三
首先将质量分数为150mg/l纳米Zn颗粒放入柴油中，然后在超声波发射器的作用下连续振动，期间向燃油中加入与200mg/l的表面活性剂CTAB，即可制备含纳米Zn颗粒质量分数为150mg/l的纳米燃油。
Claims (2)
1.一种高效纳米燃油，其特征在于包括以下成分：材料为活性金属单质Fe、Al、Mg、Zn中的一种或多种的纳米颗粒、用于助溶的表面活性剂、燃油；所述纳米颗粒和表面活性剂的质量分数比为0.5~1.0；所述纳米颗粒和表面活性剂均为微量添加到燃油中，每升燃油含50~150毫克纳米颗粒。
2. 一种如权利要求1所述的高效纳米燃油，其特征在于所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵CTAB或十二烷基苯磺酸钠SDBS。
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