CN1057316A - 改善内燃机燃烧效率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种向内燃机燃烧室中引入少量以铈为主的稀 土混合物的方法和装置，其中一装有干式、可渗透空 气的稀土粉末充填物(5)的容器(4)和一与大气相通 的开口(11)连接，通过一吸气管(8)和一真空管(2)使 其连到内燃机(7)的燃烧室中。

Description

本发明涉及一种方法和装置，其特征是：向燃烧室中，特别是向点燃式或压燃式内燃机燃烧室中加入少量以铈为主的稀土混合物，以改善它的燃烧效率。

虽然铈氧化物催化作用机理还没有被完全掌握，但下列讨论解释了铈在固体晶态时的催化活性。催化剂的效应由它对所用燃料和氧化剂可逆反应的能力来衡量。进一步的要求是这些可逆表面反应没有不可逆的改变催化物质，并且纯氧的数量是相当少的。

铈氧化物通常存在于“氟石”晶格结构中，每一个铈离子被处在一个立方体的各角上的八个氧离子等距地包围着，而每个氧离子又被处在一个正四面体各角上的四个铈离子包围着。在这种正则状态下，每个铈离子是四价的。

铈也可以几种不同的原子价存在，但三价的Ce-O₃有一个常规的晶格结构，铈离子处于规则氧离子构成的畸变八面体的中央，第七个氧离子位于八个面之一的上方。这是一种“a-MnO₃”晶格结构，它的铈与氧离子间的距离不总相同，因而这种晶格结构代表不同的价键能。

这些氧化物在高温下还有第三种变异，即所谓的“C-M₂O₃”晶格结构。它的氧离子近似地分布在绕着阳离子的一个立方体的角上，但缺两个，另外四个处在为调整缺少所必须的距离上。

铈可以与六个、七个或八个氧离子的配位，它们的难易程度相同。由于几乎没有相变发生，所产生的表面结构能在较大的温度范围内吸收或释放氧离子。

实质上，燃烧催化剂就是增加燃料与氧的接触几率，降低燃烧的温度阈值，提高燃烧率。

DE-A2932603公开了一种装置，利用该装置可将一种稀土金属混合物均匀地分散在被引入到一台内燃机进气岐管中的含水溶剂中。应用含水溶剂产生了一个特别的问题，当这种装置用在汽车上时，由于可用存贮空间的严格限制，必须经常的向存贮容器中充填含水溶剂。

针对上述问题，本发明提供了一种方法和结构设计简单的装置。利用这一装置可在一个相当长的运行时间内将稀土混合物少量地连续地引入到内燃机的燃烧室中，而不需要（或以最少程度的）维修和再填充工作。

为了解决此问题，所发明的装置中有一个装有粉末状的可渗透空气的墒式稀土充干物的容器，由一个开口将该容器与大气联通，并通过一个吸气接头或导管既可以与真空管路相联，也可直接与发动机燃烧室连接。

与大气相通的开口最好设在导管的一端，这个导管通过至少一个孔与充填物相连，在导管与开口毗接的位置设一个空气滤清器，在导管内空气滤清器的下游设置一个节流口。

在本发明的装置中，利用真空管路将一个低于大气压的压为引入导管中，从而通过导管上的孔将空气吸入容器中，再通过导管和真空管路将少量的粉末传送到燃烧室中。

过滤器作为流动屏障，均匀地分配吸入导管中的粉末粒子，并限定一个较大的表面，即过滤器与充填物相对的表面，这个大表面避免了过分集中以及随之相应堵塞过滤器的危险，过滤器最好制成一个横贯到导管中的圆筒形的滤网，在它一端的底部与导管上的孔相连。

容器的尺寸可依据它存放的充填物能满足内燃机在整个寿命期间所需的数量来确定，但是由于现代汽车对空间的限制，所安装的容器的尺寸由一个限定的运转时间，例如：对一个客车限定运行80，000公里的距离，所需的充填物来确定。在后一种情况中，容器在汽车发动机室中被设计成可更换式的，以便新容器的更换。容器也可设置一个充填口，以更换充填物。

本发明的装置使得向内燃机进气中添加少量干燥的稀土混合物成为可能，避免了溶剂的携带与充填，从而避免了短时间内定期地更换溶剂的必要，也避免了盛溶剂的容器对汽车额外空间的要求。

下列对两种具有特殊优点的组分进行分析，并给出可用于本发明的混合物的组合（以重量比计）。

1.材料的粒子尺寸应尽可能的子，可以在60目至0.5微米的范围内，粒子尺寸最好不大于325日。这样的粒子可由研磨获得。

2.考滤到分离各种稀土氧化物的实际困难，对于所用的组分中氧化铈（CeO₂）的含量，在既经济又容易获得的条件下越多越好，铈的含量，以混合物重量比计可达30%至100%。

由于向进气中引入了少量的稀土混合物，减少了有害污染物，特别是一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物，改善了燃烧，得到能与可控催化转换器相比的效果，但费用却少得多。

本发明装置的一个主要优点是它适用于现有的，即使是使用无铅燃料的汽车发动机。当然，该装置也可用于燃用其它常规燃料的内燃机。

真空管路可以是发动机的进气岐管，也可将吸气管路直接与发动机燃烧室相连，这时，为确保容器与燃烧室仅在发动机进气期间相通，必须设置一个单向阀。

本发明装置可以用于火花点火或压缩点火式发动机中，也可用于固定式内燃机中。

特别当用于象机车、船舶或固定式这样大的发动机时，最好用马达驱动的传送方式将稀土粉末粒子传送到吸气管路的吸气口附近。

下面参照附图对本发明的实施例进行详细地说明。

附图，是本发明装置与一台内燃机进气岐管相连的第一个实施例示意图;

附图2是本发明另一实施例的更详细的剖面图。

附图3是将附图2所示装置固定在车辆等的发动机室壁上的安装支架的透视图。

附图4是又一个实施例的剖面图。

在附图1中，一台内燃机1有一个进气岐管2和一个排气岐管3，容器4中装有可渗透空气的粉末状的稀土氧化物混合物的充填物5。容器中充填物的上方有一空间6，其中至少有一个流动屏障7，它由一个吸气管路8与空气进气岐管2相连，导管10固定在容器上，其下端伸入到容器和充填物5中，导管的内侧端面有一孔9与容器4底部附近的充填物5相连，导管上端由一开口11通向大气。在导管10中，开口11的下游设置了空气滤清器13和节流口12，由吸气管路8吸入的空气进入开口11，通过节流口12、导管10，孔9进入充填物5，通过该充填物和流动屏障7，涡流运动传给了空气，使稀土氧化物粒子被空气卷起，并通过吸气管路8传送到进气岐管2，然后进入内燃机的燃烧室中。

当容器形用空后，即在发动机运转了80，000公里以后，可用一新充满的容器更换。另一可选方案是容器4可通过一个再充填口（末示出）重新充填。

如果不用空气进气岐管2，也可选任何其它与燃烧室相连的真空管路来传递通过充填物5的空气。例如汽化器的真空管、燃油喷射系统的真空管、空气-燃油-混合物进气管等等。为获得经济的运转，除用内燃机中自行产生且可以任何方式应用的流动能外，最好不要再用其它的能量传递通过容器进入燃烧室的空气。

附图2中，用同样的数字标出了相同部件或与附图1中那些有相近作用的部件。

导管10插在基体16中，并由一个螺帽14固定。螺帽内侧形成一个用来装与滤网13a联合作用的过滤材料13（例如碳粒）的空气滤清器腔。螺帽14将导管10的凸缘10a压紧在基体16上。在基体16和导管凸缘10a间以及在基体16与螺帽14之间分别加有环形密封垫30和31。螺帽14上的开口11，通过压装到导管一端、孔径为0.5毫米的节流孔12a（在节流阀12上）完成大气与导管10的内部空间10b的连通。充填物消耗量的变化由通过开口11和节流孔12a吸入的空气流控制。

基体16的上端有一螺纹连接接头17，它与容器4下端的螺母18相连。在基体16的连接接头17内侧的盲孔16a中，把园筒形滤网17的下端19插入，该滤网7穿过充填物5的总深度（厚度）。滤网7控制着通过基体16的孔16a和进一步通过两孔9进入导管10的空气与充填物粒子的流动。导管10由一个吸气伸出端8a与吸气管路8相连，此时，需要一个软管接头（末示出）来实现这一联接。这样，当施加一个低于大气压的压力时，通过吸气伸出端8a，含有少量稀土氧化物粒子的空气将被从容器4里的充填物5中、通过滤网7、盲孔16a、孔9和导管内腔10b吸入到吸气伸出端8a内，由附图1可知，从吸气伸出端8a又被吸入到发动机1的由气岐管2中，或直接吸到发动机的燃烧室中。

下述各例给出可用于本发明的以混合物重量比计的组分：

例1

氧化铈  45.0%

氧化镧  22.5%

氧化钕  17.9%

氧化镨  5.7%

氧化钍  0.25%

硫酸盐（SO₃） 1.5%

其它氧化物（Y＝O  S＝O）  2.9%

磷酸盐（PO）  0.8%

氧化钙和镁  1.0%

例2

氧化铈  90%

氧化镧  1.3%

氧化钕  1.3%

氧化镨  0.4%

其它稀土氧化物  1.0%

氧化铁和铝  0.25%

氧化钙和镁  4.0%

二氧化硅  0.05%

磷酸盐  0.5%

硫酸盐  0.5%

例3

氧化铈  45.6%

氧化镧  22.8%

氧化钕  16.2%

氧化镨  4.7%

其它稀土氧化物  5.7%

氧化钍  0.2%

氧化铁和铝  1.0%

氧化钙和镁  0.2%

二氧化硅  0.1%

磷酸盐  0.5%

硫酸盐  1-2.0%

烧蚀损失重量  0-1.0%

例2的成分是最佳的，它的氧化铈含量最高，氧化镧的含量是实际可得到的最低值。虽然实施例1和3中的镧含量小于25%，但实施例2中的氧化镧含量远远小于2%，粒子尺寸不于大于325目，粉末可由研磨加工制取。

附图3示出了一个安装支架20，它作为可调整的连接件和附图2所示装置的螺钉23相连，可将该装置固定在汽车发动机室壁上（末示出）。安装支架有一个变曲的支撑部分22，以支撑基体16的底部。取自同一圆上的不同弧段的两个弧形槽21的尺寸正好与拧入基体16的底部螺纹孔中的螺钉相配。利用槽21可调节本装置的安装位置，使基体16和相应的导管10与吸气伸出端8a在一个最佳的位置与进气岐管2相连。

充填物5的数量取决于内燃机的排量和燃油消耗量，实验表明，在一台一升（1000ccm）的汽油机中，为将废气中的有害物质的排放量降到一个期望值，每公里需加入1.6毫克的充填物，在运行约800公里之后，本发明装置的效益是明显的，在此之后末出现效益再增加的现象。

本发明装置可取代可控催化转换器，特别适用于燃用加铅燃料的内燃机，也特别适用于那些如果用可控催化转化器代价太昂贵的内燃机。

附图4所示的实施例中，包括一个容器104、一个空气滤清器部件136和一个内有电机124和传动箱125的驱动部件138。容器104中有一个含有稀土粉末充填物105的空腔134。空气滤清器136中含有滤清材料113（例如：活性炭粒）或滤网，并有一开口111与大气相通。空气滤清部件136和驱动部件138分别由分隔壁（也是轴承座）130和132将它们与空腔134隔开。分隔壁上装有轴承128，以支承由电机124驱动的中心轴126、部件134、136和138的里面通常是低于大气压的。滤清部件136和空腔134由一空气开口112连通，该开口可由压在其上并具有弹力的膜片112a盖住，开口与其相配的膜片具有节流阀的功用。

在上述中心轴126上固定有一轮120，它有一径向部分120a和一锥面部分120b。在锥面部分120b的最外周边，绕着轮120的整个外圈设有铲形或齿形的传送装置，当轮120在空腔134中旋转时，除了铲或齿之外，任何现它装置，如加工粗糙的表面都可容易地提取充填物105中的稀土粒子，并将它们传送到穿过容器104的壁面126的吸气孔109附近。吸气口109通过吸气管接头108a与吸气管108相连，如附图4示出的一个管接头。

当起动内燃机时，电机124被带动，并以较低的转速（如每分钟6转）带动轴126和轮120。锥面部分120b的作用类似于一个搅捧或铲，它推动轮120侧面和底部的充填物流入轮120中心部分之下的区域中，从而利用设在轮120周边的传递装置122将稀土粒子传到靠近吸气孔109的位置，再利用来自吸气管108的吸气作用将粒子吸走，这样就将稀土粒子传送到内燃机的燃烧室中。

附图4中的实施例对机车、船舶和固定式动力装置等用的大型发动机特别有用。

本发明要求保护的内容包括充填物5是氧化铈含量在30%-100%（重量）范围的混合物;为50%-90%氧化铈的混合物。

充填物的粒子尺寸为60目至0.5微米;不大于325目;充填物中的氧化镧的含量为：小于25%（重量计）;小于10%;小于2%。

Claims (23)

1、向内燃机燃烧室中引入少量以铈为主的稀土混合物的装置，其特征在于：一个可渗透空气的干式稀土粉末充填物(5)的容器(4)，通过一个开口(11)与大气相通，通过一个吸气接头或的吸气管(8)，既可与真空管路(2)相连，又可直接与发动机燃烧室相连。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，将与大气相通的开口（11）设置在导管（10）的一端，导管至少有一个孔（9）与充填物（5）相通。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，滤清器（7）设置在孔（9）与充填物（5）之间的流动路径上。

4、如权利要求2或3所述装置，其特征在于，容器与吸气管（8）之间是通过导管（10）另一端的开口（8a处）将其连通。

5、如权利要求2所述装置，其特征在于，将空气滤清器（13）设置在导管（10）上的开口（11）内或其附近。

6、如权利要求2至5之一所述装置，其特征在于，节流口（12）设置在导管（10）内空气滤清器（13）的下游。

7、如权利要求1至6所述装置，其特征在于，容器（4）设计成在汽车发动机室中是可更换的，或在其中设有一个可更新充填物（5）的密闭式再充填口。

8、如权利要求1至7中之一所述装置，其特征在于，充填物（5）是氧化铈含量在30%-100%（以重量计）范围的混合物。

9、如权利要求8所述装置，其特征在于充填物（5）是氧化铈含量在50%-90%（以重量计）范围内的混合物。

10、如权利要求1、7、8或9之一所述装置，其特征在于，一可转动的带有传送装置（120b，122）的轮（12）设置在容器（104）中，以便传送稀土粒子至由电机（124）驱动的轮（120）的周边附近;吸气管（108）的吸气口（109）设置在与该轮的周边相毗接的容器（104）的壁上。

11、如权利要求10所述装置，其特征在于，将轮（120）固定在轴（12b）上，该轴穿过容器（104）并由安装在两个轴承座（130，132）中的一对轴承（128）支承，该轴承座同时还作为盛有稀土混合物的容器内部空腔（134）的两个分隔壁。

12、如权利要求10或11所述装置，其特征在于，容器（104）包括空气滤清部件（136）和驱动部件（138），空气滤清部件位于两个轴承座之一的外侧，由一开口（111）将其与大气连通，并由一可做成节流口式的开口（112）将它与容器内部部件（134）相连，驱动部件位于另一轴承座的外侧，其中有驱动轴（126）的电机（124）。

13、如权利要求10至12之一所述装置，其特征在于，传送装置制成铲形、齿形或其它类似形状，当轮（120）在容器（134）中转动时，传送装置（122）提取少量稀土粒子，并将它们送到与吸气口（109）毗接的位置。

14、如上述任一权利要求所述的装置，其中充填物粒子的尺寸在60目至0.5微米之间。

15、如权利要求14所述装置，其中充干物粒子的尺寸不大于325目。

16、如上述任一权利要求所述的装置，其中充填物的组分为例1到例3任意一个中所列出的组分。

17、如权利要求16所述装置，其中充填物的组分中氧化镧的含量小于25%（以重量计）。

18、如权利要求17所述装置，其中充填物中氧化镧含量小于10%（以重量计）。

19、如权利要求17所述装置，其中充填物中氧化镧含量小于2%（以重量计）。

20、一种运转内燃机的方法，包括向内燃机燃烧室中引入一种以铈为主的、干式粉末状的稀土材料。

21、运转内燃机的方法，其中粉末粒子尺寸在60目至0.5微米的范围内。

22、运转内燃机的方法，其中采用例1到3中任一个所给出的组分。

23、例1至例3中任一所例之组合，它呈粉末状，粒子尺寸为60目或以下，用于改善内燃机燃烧效率的一种促进剂。

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