CN104100374A

CN104100374A - 无火焰燃烧清洁型内燃机

Info

Publication number: CN104100374A
Application number: CN201310127325.1A
Authority: CN
Inventors: 冯崇谦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2014-10-15

Abstract

本发明公开了一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机，内燃机的燃烧室主要由气缸盖、活塞顶部、气缸套组成。本发明把内燃机的燃烧室定义为包括传统柴油机气缸盖内的副燃烧室、活塞顶部的主燃烧室，以及由气缸盖内侧壁面、活塞顶面、气缸套由活塞往复运动上止点位置至下止点位置圆柱形内壁组成的随活塞移动而变化的封闭空间，即内燃机燃烧的容积和形状是随活塞行程变化而变化，在燃烧室的所有壁面表面都涂覆有燃烧催化剂涂层，使燃料混合气从着火到全部燃烧的全过程都有催化剂参与进到燃烧化学反应，以达到节能减排的目的。

Description

无火焰燃烧清洁型内燃机

本发明涉及一种清洁型内燃机，特别是一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机。

背景技术

现在国内外的内燃机都是采用火焰燃烧的传统燃烧方式把燃料的热力学化学热能转化为动力学机械功。火焰燃烧有两个主要缺点：1.火焰燃烧实质是燃烧物质的自由基参与下的氧化反应，其反应的机理涉及自由基(特别是氧自由基)的气相引发，在燃烧过程中会产生部分电子激发态产物，并以可见光形式释放能量，这部分能量无法利用而损失，从而造成能量利用率低；2.由于涉及自由基气相引发，空气中的N₂会参与燃烧反应生成NOx，而NOx是毒性很大的污染物，在以上燃烧过程中，产生的HC和CO，从而造成环境污染。

为了解决上述问题，二十世纪六十年代开始研究燃料油掺水技术，燃油掺水制得乳化油已被广泛用于工业炉燃烧，燃料油的乳化技术在一些发达国家得到推广应用。1981年国际燃烧协会第一届会议把燃油掺水作为三大节能环保措施之一。其节能减排的机理是水粒子微爆使混合燃料表面比增加10⁴倍，燃烧更完全，燃烧温度降低，抑制了NOx的生成，燃料裂解生成的碳PM与水汽发生水煤气反应使PM排放降低，但目前乳化油还不能做为内燃机的燃料使用，主要原因是它的稳定性和油性还不能满足内燃机的要求。随着纳米乳化油的研发，纳米乳化油的节能环保的优越性明显发挥出来，现已证明：有害气体排放显著降低，烟度下降40-77％、HC和CO排放量下降75％，排气温度降低20-60％，节油率为5-15％。

内燃机的混合气形成与燃烧：燃烧是一种剧烈的氧化反应，内燃机缸内的燃烧就是进入燃烧室内的燃料(主要是碳、氢元素)和进入气缸内的氧发生氧化放热反应的过程，在产生新的燃烧产物CO₂、H₂O的同时放出大量热量，从而将燃料中贮存的化学能以热能形式释放出来，使气体膨胀作功。但实际上内燃机的燃烧过程中的燃烧要复杂得多，这不仅是因为燃料中含有一些有害成份，更主要是由于燃烧系在很短时间内与有限空间内进行，要进行一系列化学反应过程，其中间与最终产物受到反应环境条件(温度、压力、空气运动情况等)的影响，因为燃料与空气混合不可能完全均匀、燃料的氧化不可能完全，甚至空气中的N₂在高温条件下也会发生氧化反应。因此，所有内燃机的燃烧都不可能完全彻底清洁的，最终必然产生CO、HE、NO_X和微粒PM等一系列有害物质，从而成为环境污染的重要来源。我国现时采用欧III、欧IV法规就是为限制这样有害物质排放而制定的，另外，从节能和减少CO₂排放对地球气候影响(温室效应)的角度出发，国际上也参照日本东京都环保会议上的要求，对内燃机CO₂排放(即节能指标的要求和限制)。

内燃机的燃烧模式：按照混合气形成与燃烧反应之间的关系可以分为预混合燃烧和扩散燃烧两类，汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃烧，柴油机属于扩散燃烧。一般柴油机燃烧室分直喷式如图2a、b、c、d、e、f所示和分隔式燃烧室如图2g、h所示，燃烧室分成两部分，活塞顶部空间为主燃烧室，位于气缸盖内的燃烧室为副燃烧室，燃油喷入后首先在副燃烧室着火，再经主副燃烧室的联接通道火焰扩散燃烧至主燃烧室。直喷式柴油机燃烧室容积全部集中在活塞顶部，依靠进气涡流和利用活塞顶部的挤压排流和缸内涡流来改善混合气的形成。

二十世纪八十年代，科技界为了解决火焰燃烧的低效率和高排放的问题开始研究催化冷燃烧。催化燃烧是无火焰燃烧，是在催化剂的作用下，使燃料与空气在催化剂表面进行非均相的完全氧化反应。它是环境友好过程，即提高燃烧效率又降低了污染，催化剂是一种参与反应过程，能够改变化学反应的速率，使化学反应按照新途径通过一系列基元步骤进行，而本身不参与最终产物的物质，即催化剂的数量化学性质，形态在反应前后设有变化的物质，催化剂这种能改变化学反应速率，化学反应途径而不影响化学平衡的现象称为催化作用。催化剂的存在实质上是一种化学作用。多相催化在工业应用最多，已广泛用于化学工业，石油裂化、电站工业锅炉，居民用热水器、汽车尾气净化等众多领域，均起到跳跃式发展。本发明是把催化燃烧(无火焰燃烧)技术推广应用到内燃机领域，发挥以下优点：①可以在较大的油/空气比的范围内使用时实现完全燃烧；②起燃温度低、容易实现稳定燃烧，利于控制排放和提高效率；③操作温度低可以抑制NOx的形成；④噪音低；⑤如果采用多段式燃烧可以使CO、HC、C的燃烧效率高达99.5％，NOx的排放低于0.0008％(体积分数)；⑥采用纳米乳化清洁柴油(基料是原油和水)，配合使用脱氢贮氧催化剂，可使H₂O催化裂解为H₂和O₂这样可以跳跃式提高纳敉乳化清洁柴油的热值，又加快燃烧速率取得节能环保双丰收。

本发明把纳米乳化清洁柴油技术，催化燃烧技术和传统内燃机技术综合结合起来，创新开发出一种高效节能、无污染排放无噪音的清洁内燃机，实用于传统汽车，传统船舶、传统火车、发电机组的内燃发动机的改造更新，为我国建设新一代清洁汽车、清洁船舶、清洁火车、清洁发电设备等提供一项创新技术。

发明内容

本发明把无火焰催化燃烧的内燃机的燃烧室定义为由气缸盖、活塞顶、气缸套组成，包括传统柴油机的气缸盖中的副燃烧室，活塞顶部的主燃烧室以及由气缸盖内侧壁面、活塞顶壁面与气缸套内壁活塞往复运动的上止点位置到下点位置的圆柱内表面所组成封闭空间，此封闭空间随活塞的运动而变化，即此燃烧室的容积和形状是随活塞行程而变化的，在燃烧室的全部内壁表面都有燃烧催化剂的涂层，根据本发明内燃机所采用的纳米乳化清洁柴油(它基料主要是原油和水)及燃油多段喷射的特殊性，本燃烧室催化反应床采用非均相分段多床催化燃烧结构，还采用非相和均相催化燃烧相结合以达到燃料完全燃烧和无污染排放的目标。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明

具体实施方法

说明书附图

图1：为本发明对目前现有先进的L28/4H柴油机实施改造

图2：国内外传统柴油机燃烧室常见的几种形式；

图3：直然式燃烧室中进气漏流和挤气效应示意图

本发明无火焰催化燃烧内燃机的燃烧室由气缸盖1、活塞2、气缸套3组合成，按本发明定义的燃烧室包括气缸盖1中的副燃烧室1-a₁，活塞2顶部的主燃烧室2-b₁，和由气缸盖1内侧壁表面1-a₂，活塞2的顶面2-b₂，气缸套3圆柱内壁表面全部涂覆有燃烧催化剂的涂层，该催化剂涂层为催化反应床，把传统柴油机的火焰燃烧改变成无火焰催化燃烧，本发明采用非均相分段多床催化与均相催化相结合的催化燃烧结构，其中第一段催化反应床的位置是在原主、副燃烧室1-a₁、2-b₁和气缸盖的内侧壁面1-a₂，活塞顶面2-b₂，采用的催化剂是具有脱氢贮氧，等高活性有水裂解功能的Fe系列和Ti系列等过渡金属高价氧化物复合稀土催化超细粉涂层，喷油适度减少，形成乳化油混合气在反应床表面上低温点燃烧，并使乳化油中的水裂解成H₂和O₂，从而使H₂O参与燃烧反应，燃料混合气是靠活塞运动产生的挤压气流在催化反应床表面上运动，如图3a所示，与催化剂接触，第2段催化反应床的位置是在气缸套3，从活塞运动的上止点位置到下止点位置的圆柱形内壁3-c表面上，全部涂覆氧的活性载体、扩散率高、降低固体碳的着火温度、高活性、大面表稳定性好，贵金属一过渡金属氧化物，并掺杂TiO₂稀土复合催化剂，配合燃油多段喷射距活塞上止点曲柄轴转角30°-45°区间内适当加喷油量，提燃烧速率和燃烧强度，使喷油规律与缸内压力变化规律相配合，组织好进气螺旋涡流如图3b所示，实现燃料混合气与气缸的催化反应床3-c表面有良好接触，促进CO、HC微粒CPM快速全部氧化燃烧达到清洁排放的目标。

本发明无火焰催化燃烧内燃机的节能减排效果，能达到燃烧效率在99.5％以上，CO、HC、NOx、PM排放在0.0008％(体积分数)以下，可超过欧洲排放标准，成为新一代节能减排超清内燃机。

Claims

1.一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机，其特征在于内燃机的燃烧室主要由气缸盖、活塞顶部、气缸套组成，本发明把内燃机的燃烧室定义为包括传统柴油机气缸盖内的副燃烧室、活塞顶部主燃烧室和由气缸盖内侧壁面、活塞顶面、气缸套由运动的活塞上止点位置向下至活塞往复运动的下止点位置，随活塞移动而变化，圆柱形内壁表面形成的封闭空间，即内燃机的燃烧室的容积和形状是随活塞的行程变化而变化，在其燃烧室所有的壁表面全部涂覆有燃烧催化剂涂层。

2.按权利要求1所述的一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机，其特征在于：特别适用于以原油和水为基料的纳米乳化清洁柴油，也适用传统内燃机的新建和旧机改造。

3.按权利要求1所述的一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机，其特征在于：燃烧室的燃烧催化剂涂层采用分段多床催化燃烧结构，其中第一段催化燃烧反应床的位置是传统柴油机汽缸盖中的副燃烧室内壁表面和活塞顶部主燃烧室的内壁表面、以及气缸盖内侧壁表面、活塞顶壁表面采用具有脱氢、蓄氧高活性有水裂解功能的Fe系列、Ti系列等过渡金属高价氧化物复合稀土催化剂超细粉涂层，形成对乳化燃油低温点燃并把其中的H₂O裂解成H₂和O₂，由此使在催化床表面的水参与燃烧反应。

4.按权利要求1所述的一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机，其特征在于：第二段催化燃烧反应床的结构位置是气缸套从活塞往复运动的上止点位置至活塞下止点位置的圆柱形内壁表面全部涂覆氧的高活塞载体、扩散率高、降低固体碳PM的着火温度的高活性、大面积、热稳定性好的贵金属一过渡金属氧化物、掺杂TiO₂稀土复合催化剂，第二段催化燃烧反应床所采用的催化剂与多段燃烧喷射相互配合，控制燃烧速度和燃烧强度，使燃烧规律与喷射规律相互配合，达到总耗油量不变、降低最高爆发压力、保持最低相汽压力、推高平均有效压力。

5.按权利要求1所述的一种无火焰催化燃烧的清洁型内燃机，其特征在于：采用螺旋涡流式进气方式，使燃料混合气体快速扫过气缸套圆柱形催化反应床表面，使燃料混合气与反应床有良好接触。