CN107956554B - 基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统，通过在动力系统中采用在线制备纳米流体燃料的方法以及在线制备纳米流体燃料的装置，有效减少燃烧装置碳烟颗粒物和氮氧化物的排放，可实现供求平衡，即燃烧装置用的燃料体积等于超声混合的燃料体积，有效减少了纳米颗粒沉降现象的发生，采用的磁性颗粒物过滤器不需要提供额外能量，不仅可以吸附尾气中的碳烟颗粒物，还可以捕集尾气中携带的催化剂颗粒，使排气中的微粒从孔道流动时，沉积在孔道的壁面上，同时带有磁性的催化剂材料会被磁性颗粒物过滤器中的磁体吸附，从而实现过滤作用减少不必要的能耗损失。
Description
技术领域
本发明属于动力领域，具体涉及一种基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统。
背景技术
随着人们生活质量以及消费水平的增长，汽车产业高速发展，并已成为我国的支柱产业之一。汽车使用量增加的同时，其所带来的环境污染问题也日趋严重。柴油机与汽油机相比，具有燃油经济性好、污染物（CO、CO2和HC）排放量相对较小等显著优点，城市大巴、工业设备几乎都是用柴油机提供动力。然而，柴油机的应用存在一个严重的问题，即微粒物（PM）和氮氧化物（NOx）的排放量很高。PM的尺寸仅有微米、亚微米级别，其吸入肺部会引起呼吸道疾病等对人体危害很大的疾病；大气中的氮氧化物会导致人体中枢神经受损，引起痉挛和麻痹。因此，污染物排放的控制迫在眉睫，并成为柴油机技术的重点和难点，在很大程度上限制了现代柴油机的发展。
目前，控制PM最有效的手段是在发动机后安装颗粒物过滤器装置DPF，PM经过DPF过滤器时，沉积在滤芯内，当微粒过多时，则会堵塞DPF通道，且造成发动机背压升高。因此，DPF要定期清理附着的PM，也即DPF的再生，DPF发展的关键技术正是DPF的再生技术。柴油机排放的PM大部分为烟黑可燃物（soot），燃点较高，一般在600度以上，而柴油机排气的温度一般低于400度，因此实现直接利用尾气对PM氧化消除较为困难。目前常见的再生技术为主动再生，即利用外加能源，如电加热、微波加热、缸内增加后燃，使得排气温度或DPF的温度达到PM的着火温度，从而实现DPF的再生。但主动再生耗能较多，且系统相对复杂，故有必要寻找一种更高效的被动再生方式，同时满足在高温和低温下被动再生的高效率性。目前，常见的被动再生方式为在DPF气流通道表面添加催化剂涂层，降低soot的可燃温度点，最终达到利用尾气的热量来催化氧化soot的目的。大部分研究者都着眼于催化剂对成熟后soot的催化作用，迄今为止，仍没有找到应用于被动再生系统的理想稳定的催化剂。本系统不仅考虑催化剂对成熟soot的催化作用，同时关注催化剂在soot生成过程中的耦合催化作用，从而降低soot燃烧的起燃温度，使DPF被动再生，达到节能减排的目的。
纳米流体燃料是指把金属或非金属纳米颗粒分散到燃料基液中，制备成均匀、稳定、高导热的悬浮液。纳米颗粒可伴随燃料基液燃烧，释放出大量的热量，减少发动机的压力峰值，提高制动热效率和制动燃油消耗率，并减少氮氧化物、烟黑的排放。
同时，纳米流体燃料的应用也受到了较大的限制，主要是由于悬浮液难以保持稳定性、燃烧过后颗粒物难以捕集。目前，稳定悬浮液的常见方法为减小纳米颗粒粒径、添加分散剂、调整pH值和超声振动等，但都只能得到含纳米颗粒浓度较低的纳米流体燃料，对于高浓度的纳米流体燃料，纳米颗粒仍会迅速团聚下沉。
纳米级别的金属颗粒具有较大的比表面积，极易点燃、燃烧。粒径为100nm的金属铝颗粒可在约250度的环境下点燃，远低于金属铝的点燃温度。将纳米颗粒加入到传统的碳氢燃料中，纳米颗粒可伴随碳氢燃料的燃烧而被氧化，释放大量的能量，且其能量密度远远高于汽油和柴油，可作为潜在的能量载体；同时使碳氢燃料燃烧更加充分，可提高燃料的燃烧效率，减少污染物的排放。
Selvan等人通过单缸压缩点火发动机研究了氧化铈-柴油混合燃料的燃烧特性，在柴油燃料中加入25ppm的氧化铈后，一氧化碳和氮氧化物的排放明显减少。Kao等人则研究了加入纳米铝颗粒的柴油的燃烧特性，发现加入纳米颗粒后，燃料的燃烧热有可观的提高，燃料的消耗量随之减少，烟雾以及氮氧化物的排放明显降低。Mehta等人研究发现添加AL、B、Fe的纳米流体燃料可使在满负荷工作下的气缸压力峰值分别下降59%、60%、62%；在产生相同的制动功率下，添加少量纳米铝颗粒的燃料可以减少7%的燃油消耗量；加入AL、B、Fe的纳米流体燃料燃烧排放的气体温度分别升高9%、7%、4%，有效热效率分别升高9%、4%、2%。
目前，很多技术常在管道涂层可降低碳烟颗粒物氧化温度的催化剂，由于碳烟颗粒物常以松散的方式与催化剂接触，催化并未达到理想的效果。本体系中，纳米颗粒以紧密的接触方式嵌入到生成的碳烟颗粒物中，可大大减低碳烟颗粒物的氧化物温度，达到被动再生的目的。已有部分学者基于添加催化剂的烯烃、烷烃气体燃料较为系统地证明了较少量的催化剂不仅对成熟的soot成熟具有催化效果，同时对形成期间的soot的石墨化程度也有明显的影响。
Hu等人在丙烷燃料中加入0.1~0.2体积分数的二茂铁，发现火焰末端所生成的soot的微晶尺度变短，微晶的层间距以及曲率均增加。Soot微观结构的变化证明了二茂铁在soot生成中阻碍了soot的石墨化，提高了氧化活性。Kim等人研究了添加0.1mol%的五羰基铁对乙烯燃料产生soot的氧化活性的影响，发现soot的活化能由162KJ/mol左右减小到116KJ/mol左右。Rinkenhurger等人在丙烷燃料中添加不同的碱金属盐，探究了碱金属盐在soot生成过程以及成熟后对其氧化活性的影响，发现加入少量的K2CO3的催化效果最强，可使soot催化活性速率最高对应的温度下降到300度。
发明内容
本发明提出一种基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统，能有效减少发动机碳烟颗粒物和氮氧化物的排放，可实现供求平衡，即燃烧装置用的燃料体积等于超声混合的燃料体积，有效减少了纳米颗粒沉降现象的发生，减少不必要的能耗损失，同时采用磁性方式捕集催化剂，不仅可以吸附尾气中的碳烟颗粒物，并且可以捕集尾气中携带的催化剂颗粒，无需再提供额外的能源，具有耗能少、效率高、成本低、结构简单灵活的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统，包括燃烧装置、在线制备磁性纳米流体燃料的装置、燃料箱和磁性颗粒物过滤器，所述在线制备磁性纳米流体燃料的装置设置于燃料箱和燃烧装置之间，其用于将燃烧装置所需的液体燃料与相应量的磁性纳米颗粒进行混合以在线制备磁性纳米流体燃料，并将制备好的磁性纳米流体燃料供给燃烧装置，所述磁性颗粒物过滤器与燃烧装置的排气端相连接，所述磁性颗粒物过滤器内部设置有能够吸附带有磁性的催化剂材料的磁体，所述磁性纳米颗粒为金属颗粒。
进一步地，所述磁性颗粒物过滤器的出口连接涡轮增压机，所述涡轮增压机与燃烧装置的进气管相连接。
进一步地，所述在线制备磁性纳米流体燃料的装置包括给粉装置、液体燃料供应管、混合器、液体燃料输出管、超声波振荡器、液体燃料供给控制装置，所述混合器位于所述给粉装置的下端且所述混合器与所述液体燃料供应管和所述给粉装置连通，所述超声波振荡器设置在混合器的侧面，所述液体燃料供给控制装置设置于所述混合器的下端用于控制磁性纳米流体燃料的供给，所述液体燃料输出管用于将磁性纳米流体燃料供给燃烧装置。
进一步地，所述给粉装置包括位于其上端的上盖、位于其下端的纳粉盘，给粉装置内部形成储粉腔以容纳所述磁性纳米颗粒，纳粉盘上设置有连通储粉腔和混合器的给粉孔，给粉装置内部设置有给粉器，通过位于纳粉盘下端的控制舵机对给粉器进行控制以实现和调节所述磁性纳米颗粒的供给。
进一步地，所述液体燃料供应管、混合器和所述超声波振荡器均为多个且数量相同。
进一步地，采用非金属颗粒替换所述金属颗粒。
进一步地，所述燃烧装置为发动机。
进一步地，所述发动机为内燃机。
进一步地，所述磁性颗粒物过滤器包括外壁和内壁，所述内壁位于所述外壁内，所述内壁形成有多个连通过滤器进口和出口的孔道，所述磁体设置于所述孔道的表面。
进一步地，所述过滤器从其进口到出口由多个子部分依次连接而成。
进一步地，所述过滤器为圆柱状。
进一步地，所述孔道自过滤器的中心沿径向发散层状排列或所述孔道自过滤器的一个边缘部分向与中心径向对称的另一侧部分层状有序排列。
本发明具有以下有益效果：（1）区别于常见的颗粒物过滤器DPF，本系统将催化剂直接混入燃料中，催化剂在燃料燃烧过程中嵌入于碳烟颗粒物中，催化剂的催化作用不仅作用于成熟后的碳烟颗粒物，且有效地作用于碳烟颗粒物生成阶段微观结构的变化，从而较好地发挥催化剂的催化效果，有助于实现DPF的被动再生。
（2）使用磁性方式捕集催化剂，无需再提供额外的能源。
（3）整个系统耗能少，成本较低，系统结构简单，过滤效果好，实用性强。
（4）采用在线制备纳米流体燃料的方式，将磁性纳米流体燃料实时喷射进入燃烧装置，有效地减缓了纳米颗粒在燃烧过程中的沉降现象。
（5）不仅降低NOx和碳烟颗粒物等污染物的排放，且可提高燃料的利用率。
（6）可应用于多种发动机系统，如汽车发动机，实际可应用于工厂等多种类型的燃烧室，推广性较强。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统的结构示意图。
图2为本发明在线制备磁性纳米流体燃料的装置的整体结构示意图。
图3为本发明在线制备磁性纳米流体燃料的装置的内部结构示意图。
图4为本发明磁性颗粒物过滤器的结构示意图。
图5为本发明磁性颗粒物过滤器子部分的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
结合图1，一种基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统，包括燃烧装置14、在线制备磁性纳米流体燃料的装置15、燃料箱和磁性颗粒物过滤器16，所述在线制备磁性纳米流体燃料的装置15设置于燃料箱和燃烧装置14之间，其用于将燃烧装置所需的液体燃料与相应量的磁性纳米颗粒进行混合以在线制备磁性纳米流体燃料，并将制备好的磁性纳米流体燃料供给燃烧装置14，所述磁性颗粒物过滤器16与燃烧装置14的排气端相连接，所述磁性颗粒物过滤器16内部设置有能够吸附带有磁性的催化剂材料的磁体。
进一步地，所述磁性颗粒物过滤器16的出口连接涡轮增压机17的涡轮部分，所述涡轮增压机17的压气机部分与燃烧装置的进气管18相连接。
下面结合图2、3，详细描述了本发明在线制备磁性纳米流体燃料的装置15的结构，包括给粉装置1、液体燃料供应管2、混合器4、液体燃料输出管5、超声波振荡器9、液体燃料供给控制装置10，所述混合器4位于所述给粉装置1的下端且所述混合器4与所述液体燃料供应管2和所述给粉装置1连通，所述超声波振荡器9设置在混合器4的侧面，所述液体燃料供给控制装置10设置于所述混合器4的下端用于控制磁性纳米流体燃料的供给，所述液体燃料输出管用于将磁性纳米流体燃料供给燃烧装置。
优选地，所述给粉装置1包括位于其上端的上盖6、位于其下端的纳粉盘8，给粉装置1内部形成储粉腔7以容纳所述磁性纳米颗粒，纳粉盘8上设置有连通储粉腔7和混合器4的给粉孔，给粉装置1内部设置有给粉器，通过位于纳粉盘8下端的控制舵机3对给粉器进行控制以实现和调节所述磁性纳米颗粒的供给。
优选地，所述给粉器包括一中心轴，所述中心轴底端与所述控制舵机连接，所述中心轴顶端穿过所述上盖6，所述中心轴位于储粉腔7内部的部分连接一横杆，所述中心轴穿过所述横杆的中部，所述横杆的两端各连接一推扫块，所述中心轴可带动横杆旋转从而带动所述推扫块将所述磁性纳米颗粒推送入所述给粉孔。
优选地，所述液体燃料供应管2、混合器4和所述超声波振荡器9均为多个且数量相同。
优选地，所述磁性纳米颗粒为金属或非金属颗粒，优选为金属铝颗粒。
优选地，所述燃料为柴油，所述燃烧装置为发动机，所述发动机为内燃机，所述舵机为KST215舵机。
下面结合图4、5，详细描述了本发明磁性颗粒物过滤器16的结构，包括外壁11和内壁12，所述内壁12位于所述外壁11内，所述内壁12形成有多个连通过滤器进口和出口的孔道，所述磁体设置于所述孔道的表面。
优选地，所述过滤器从其进口到出口由多个子部分13依次连接而成。
优选地，所述过滤器为圆柱状。
优选地，所述孔道自过滤器的中心沿径向发散排列或所述孔道自过滤器的一个边缘部分向与中心径向对称的另一侧部分层状有序排列。
优选地，每层所述孔道与相邻层连通。
优选地，前一个子部分与后一个子部分错开连接，即前一个子部分沿中心线旋转一角度后再与后一个连接，所述孔道蜿蜒延伸从而增加了过滤面积。
具体工作过程和机理：通过燃料箱将燃烧装置所需液体燃料供给在线制备磁性纳米流体燃料的装置15，在在线制备磁性纳米流体燃料的装置15中所述液体燃料与磁性纳米颗粒混合后供给燃烧装置，燃烧装置进行工作并将排气排向磁性颗粒物过滤器16进行过滤，过滤后的排气进入涡轮增压机17的涡轮部分，涡轮增压机的压气机部分压缩空气后通过进气管将压缩空气供给燃烧装置与燃料进行燃烧。
磁性纳米颗粒作为添加剂与液体燃料混合形成均匀、稳定的磁性纳米流体燃料，不仅可以减少污染物的排放，还可以明显增加基液燃料的能量密度。由于纳米颗粒的密度较液体燃料的大，即使添加表面活性剂，也只能制备均匀的低浓度纳米流体，并很难在基液中长时间悬浮。纳米颗粒沉降现象的发生，不仅会影响纳米流体的燃烧，更有可能堵塞管道。本系统采用在线制备、即混即用纳米流体燃料的方式，在燃料箱与燃烧装置之间加装一个在线制备磁性纳米流体燃料的装置。通过给粉器将定量的纳米颗粒扫入纳粉盘；再通过液体燃料供应管口液体燃料冲刷，进入混合器；然后经过超声波发生器振荡配成一定比例的混合液体燃料，液体燃料供给控制装置旋转打开管路，实现燃料供给。整个系统分成两个支路，各部分并行工作，通过舵机控制液体燃料和纳米颗粒不断混合，并不断供给。本系统摒弃了给燃料箱连续超声振动的方案，原因是使用超声发生器长时间作用于容积较大的燃料箱时耗能较大。本系统添加了在线制备磁性纳米流体燃料的装置后，可实现供求平衡，即燃烧装置用的燃料体积等于超声混合的燃料体积，减少不必要的能耗损失。
与常见的主动再生的DPF不同的是，本发明不需要提供额外能量，不仅可以吸附尾气中的碳烟颗粒物，并且可以捕集尾气中携带的催化剂颗粒。本发明设置多个孔道，可以增加过滤器的几何表面积，使排气中的微粒从孔道流动时，沉积在孔道的壁面上，同时带有磁性的催化剂材料会被磁性颗粒物过滤器中的磁体吸附，从而实现过滤作用。随着应用次数的增加，磁性颗粒物过滤器上会积累大量的催化剂材料，可以进一步催化尾气中碳烟颗粒物的氧化。本发明将催化剂直接混入燃料中，催化剂在燃料燃烧过程中嵌入于碳烟颗粒物中，催化剂的催化作用不仅作用于成熟后的碳烟颗粒物，且有效地作用于碳烟颗粒物生成阶段微观结构的变化，从而较好地发挥催化剂的催化效果，有助于实现DPF的被动再生。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于纳米流体燃料的高效低污染动力系统，其特征在于，包括燃烧装置（14）、在线制备磁性纳米流体燃料的装置（15）、燃料箱和磁性颗粒物过滤器（16），所述在线制备磁性纳米流体燃料的装置（15）设置于燃料箱和燃烧装置（14）之间，其用于将燃烧装置所需的液体燃料与相应量的磁性纳米颗粒进行混合以在线制备磁性纳米流体燃料，并将制备好的纳米流体燃料供给燃烧装置（14），所述磁性颗粒物过滤器（16）与燃烧装置（14）的排气端相连接，所述磁性颗粒物过滤器（16）内部设置有能够吸附带有磁性的催化剂材料的磁体，所述磁性纳米颗粒为金属颗粒；
所述在线制备磁性纳米流体燃料的装置（15）包括给粉装置（1）、液体燃料供应管（2）、混合器（4）、液体燃料输出管（5）、超声波振荡器（9）、液体燃料供给控制装置（10），所述混合器（4）位于所述给粉装置（1）的下端且所述混合器（4）与所述液体燃料供应管（2）和所述给粉装置（1）连通，所述超声波振荡器（9）设置在混合器（4）的侧面，所述液体燃料供给控制装置（10）设置于所述混合器（4）的下端用于控制磁性纳米流体燃料的供给，所述液体燃料输出管用于将磁性纳米流体燃料供给燃烧装置；
所述给粉装置（1）包括位于其上端的上盖（6）、位于其下端的纳粉盘（8），给粉装置（1）内部形成储粉腔（7）以容纳所述磁性纳米颗粒，纳粉盘（8）上设置有连通储粉腔（7）和混合器（4）的给粉孔，给粉装置（1）内部设置有给粉器，通过位于纳粉盘（8）下端的控制舵机（3）对给粉器进行控制以实现和调节所述磁性纳米颗粒的供给；
所述磁性颗粒物过滤器（16）包括外壁（11）和内壁（12），所述内壁（12）位于所述外壁（11）内，所述内壁（12）形成有多个连通过滤器进口和出口的孔道，所述磁体设置于所述孔道的表面。
2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于：所述磁性颗粒物过滤器（16）的出口连接涡轮增压机（17），所述涡轮增压机（17）与燃烧装置的进气管（18）相连接。
3.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于：所述液体燃料供应管（2）、混合器（4）和所述超声波振荡器（9）均为多个且数量相同。
4.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于：采用非金属颗粒替换所述金属颗粒。
5.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于：所述燃烧装置（14）为发动机。
6.根据权利要求1或2所述的动力系统，其特征在于：所述过滤器从其进口到出口由多个子部分（13）依次连接而成。
7.根据权利要求6所述的动力系统，其特征在于：所述孔道自过滤器的中心沿径向发散层状排列或所述孔道自过滤器的一个边缘部分向与中心径向对称的另一侧部分层状有序排列。
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