CN110094757B - 一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，电磁铁布置在中空排气门、活塞底部和密封壳内，密封壳设在水道上下壁之间，电磁铁通过开关连接高压直流电源，高压直流电源与电子控制单元相连，当转速和功率改变时，电子控制单元控制高压直流电源的接通、断开，调节电流大小和方向，颗粒捕捉器捕捉废气中的颗粒物。在不同磁场强度下，燃烧火焰中的离子和纳米微粒通过“离子风”效应和纳米微粒本身性质，促进了混合气形成，使得燃油充分燃烧，提高燃烧效率，减少燃油消耗率，减少发动机污染物的排放。

Description

一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统

技术领域

本发明属于内燃机燃烧领域，具体涉及一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统。利用磁场来改变燃烧产生的离子和离子团的运动轨迹，与纳米燃油添加剂促进燃烧相结合，以达到减少燃油消耗率，降低排放，提高压缩空气温度，促进混合气形成，提升燃油效率。

背景技术

随着排放法规的日益严格和化石能源的日益短缺，对气缸内燃料的燃烧效率、低耗油量和污染物排放提出了更高的要求。燃料的燃烧过程是一个十分复杂的过程，对于发动机而言，组织迅速与完善的燃烧过程对提高发动机能量转换效率、改善燃油经济性和降低污染物排放至关重要。燃烧火焰中燃料的热解必然会产生一定数量的带电离子，将火焰放在磁场中，洛伦兹力会改变燃烧过程中所产生离子团的运动轨迹，由无序运动变为一定轨迹下的规律运动，燃烧过程中各种反应物的化学反应速度也将发生改变，从而对燃烧过程产生影响。以往研究中，应用固定的磁场强度来改变燃烧，燃烧效果不是每个阶段都得到改善且没有具体到缸内各个燃烧阶段磁场的作用。

此外，纳米燃油添加剂越来越多地应用到燃油中，纳米燃油可以有效改善燃料蒸发、催化燃烧和清洁气缸。纳米燃油添加剂一般含有过氧化物或大分子胺类化合物，对发动机积碳和沉积物有一定的化学清洗和降污作用，但对于节油效果不明显且会腐蚀缸壁的零件，由于氮化物的添加和其他原因，又导致了污染物中氮氧化物的升高。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提出了一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，利用电控电磁铁的电流大小来改变磁场强度以控制燃烧产生离子和离子团每个阶段的运动轨迹，与低腐蚀、高清洁性和改善燃烧的纳米燃油添加剂相互配合，促进混合气形成，提高压缩空气温度，提高燃烧效率，减少燃油消耗率，减少发动机污染物的排放。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，包括第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁以及纳米燃油添加剂，第一电磁铁固定在中空的排气门中，第二电磁铁对称安装在活塞底部，第三电磁铁固定在密封壳内部，密封壳设置在水道上下壁之间，电磁铁与开关相连，开关与高压直流电源相连，高压直流电源与电子控制单元相连，所述纳米燃油添加剂加入柴油中。

上述方案中，所述电磁铁通过固定器固定。

上述方案中，所述第三电磁铁的导线通过密封壳再引出气缸。

上述方案中，所述第一电磁铁与排气门间固定绝热块，第二电磁铁与活塞之间固定绝热块。

上述方案中，所述第一电磁铁、第二电磁铁为长方体状，所述第三电磁铁为U形。

上述方案中，所述电磁铁包括铁芯、线圈，线圈缠绕在铁芯上。

上述方案中，所述纳米燃油添加剂包含纳米铁粉、纳米石墨粉、丙二醇甲醚、4-甲基苯磺酸、环氧改性硅油、苯甲基醇和去离子水。

上述方案中，所述纳米燃油添加剂包含纳米铁粉20～40Kg、石墨纳米粉20～30Kg、丙二醇甲醚10～20Kg、4-甲基苯磺酸6～16Kg、环氧改性硅油17～23Kg、苯甲基醇12～18Kg和去离子水30～50Kg。

本发明的有益效果为：

1、在磁场的作用下，燃料燃烧产生的带电离子由无序运动变为有序运动，改变燃烧特性，使火焰的温度升高、直径增加、高度降低。燃烧产生的离子或者离子团均带有电荷，在磁场作用下，正离子向负极靠近，负离子向正极靠近，离子或者离子团会和氧原子相互碰撞，促进混合气的形成，火焰燃烧剧烈，燃烧效率高。同样，排放污染物的C、NO等正离子和离子团向负极靠近，减少与氧负离子相结合的数量，从而降低NO_X排放，提高压缩气体温度，改善燃烧，降低耗油量。

2、纳米添加剂中纳米铁粉活性高，能够迅速与氧气结合起火燃烧，提高柴油机点燃概率并且高的热导率促进燃油的蒸发和点燃，对预混燃烧有利。借助纳米燃油添加剂中活化分子的活性钻入积碳的空隙之间，破坏积碳结构，并把积碳分离开来进行包围，使积碳从壁面掉落下来。有利于移除燃烧室和进气阀的沉淀物，防止进气的卡顿，改善燃烧效率，减少污染物的排放。纳米燃料添加剂中含有醇类和醚类有机化合物，含有一定量的氧，在燃料燃烧中会提供氧原子，减少因为空气中氧原子少，而产生的CO、NO等有毒和污染的气体。

3、利用电子控制单元来控制高压直流电源的电流大小以此控制磁场的强度和方向，可以精准地控制磁场强度和方向，保证在不同燃烧阶段，改善各个阶段的工作状况(例如提高进气量、促进混合气的形成、增加压缩气体温度等)，促使燃料燃烧更加充分，从而降低油耗量，增强燃烧效率等发生。

4、电磁铁设置在水道，既提供横向于整个气缸行程的磁场，又可以提高电磁铁的工作强度。

附图说明

图1为一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统的结构示意图；

图2为图1中A-A部分放大图；

图3为图1中B-B部分放大图；

图4为图1中C-C部分放大图；

图中：1-气缸、2-排气门、3-第一电磁铁、4-第二电磁铁、5-第三电磁铁、6-绝热块、7-密封壳、8-水道、9-开关、10-高压直流电源、11-电子控制单元、12-固定器、13-铁芯、14-线圈、15-电磁铁外壳。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，包括气缸1、排气门2、第一电磁铁3、第二电磁铁4、第三电磁铁5、绝热块6、密封壳7、水道8、开关9、高压直流电源10、电子控制单元11、固定器12；如图2所示，所述排气门2设计成中空，通过固定器12安装第一电磁铁3，第一电磁铁3与排气门2之间固定绝热块6，第一电磁铁3长6mm；第二电磁铁4通过固定器12对称安装在活塞底部，如图3所示，第二电磁铁4与活塞之间固定绝热块6，第二电磁铁4长为40mm；水道8上下壁之间对称设有一对U形密封壳7，如图4所示，第三电磁铁5通过固定器12固定在密封壳7内，第三电磁铁5高度为80mm；第一电磁铁3、第二电磁铁4、第三电磁铁5均通过导线与两个开关9相连，两个开关9分别与高压直流电源10的正负极相连，高压直流电源10与电子控制单元11相连；第三电磁铁5导线采用石英材料包裹并通过密封壳7上方引出气缸1。

绝热块6为绝缘材料石棉，降低电磁铁与固定器12、排气门2、活塞的温度传递，从而防止降低电磁铁的性能；固定器12为电工纯铁，防止电磁铁通过固定器12使气缸1磁化；密封壳9高度90mm，内外径为56mm和60mm，选用陶瓷材料，绝缘耐高温且防止第三电磁铁5通过密封壳7使气缸1磁化；气缸1的气缸行程为102mm；高压直流电源13用于提供高压直流电流，电磁铁用以提供磁场，通过开关12来决定通入电磁铁电流的正负即磁场的方向；当发动机的转速与功率信号传输给电子控制单元14，电子控制单元14根据此时发动机传输的信号控制高压直流电源13的电流大小，并根据脉谱图查询此信号下的喷油量。

第一电磁铁3、第二电磁铁4为长方体状，第三电磁铁5为U形，第三电磁铁5开口朝向气缸壁；电磁铁包括铁芯13、线圈14和外壳15，线圈14缠绕在铁芯13上，通过外壳15封闭，铁芯13的材料是镍，保证耐高温和产生强的磁场，线圈14采用耐高温的铜线圈，线圈和铁芯一起作用构成磁场，外壳15采用纯铁材质，性能好。第一电磁铁3、第二电磁铁4、第三电磁铁5的线圈数分别为300圈、800圈和1200圈，第一电磁铁3外壳的总高度为10mm，铁芯高度为10mm，外壳厚度为3mm；第二电磁铁4外壳的总高度为40mm，铁芯高度为40mm，外壳厚度为4mm；第三电磁铁5外壳的总高度为80mm，铁芯高度为80mm，外壳厚度为5mm。

喷油器喷射含有纳米燃油添加剂的燃油，以促进燃烧和降低排放；纳米燃油添加剂包含纳米铁粉、纳米石墨粉、丙二醇甲醚、4-甲基苯磺酸、环氧改性硅油、苯甲基醇和去离子水。纳米燃油添加剂包括纳米铁粉20～40Kg、纳米石墨粉20～30Kg、丙二醇甲醚10～20Kg、4-甲基苯磺酸6～16Kg、环氧改性硅油17～23Kg、苯甲基醇12～18Kg和去离子水30～Kg0份。纳米燃油添加剂的制备方法：将20Kg纳米铁粉、25Kg纳米石墨粉、12Kg丙二醇甲醚、6Kg4-甲基苯磺酸、18Kg环氧改性硅油、15Kg苯甲基醇和34Kg去离子水按重量配比进行混合，在温度为35℃时，利用超声波进行3个小时的搅拌得到混合均匀的添加剂，等到温度冷却下来，得到需要的纳米燃油添加剂，最后按0.1％的比例混加进柴油中。其中加入纳米铁粉时候要隔绝空气，持续通入氧气，防止其氧化。

本发明一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统的工作过程具体为：

柴油机工作时，电子控制单元11接受发动机的转速和功率信号，电子控制单元11根据发动机转速和功率控制高压直流电源10输出电流的大小，高压直流电源10输入电流给电磁铁，电磁铁产生磁场并作用于气缸，从而影响燃烧；同时电子控制单元11根据转速和功率信号在脉谱图查询喷油量，保存在电子控制单元11里面的纳米燃油脉谱图是根据已有的燃油脉谱图测试标定的。

(1)进气时：由于排气不干净，残留的离子和离子团在磁场的作用下运动，此时电子控制单元11发布命令使得第二电磁铁4工作，第二电磁铁4产生单方向的磁场促进气体流动，来增加进气量，此时电流大小为3A，磁场强度为1.5T。

(2)压缩气体到滞燃期之前：电子控制单元11发布断开第二电磁铁4的电流，接通第三电磁铁5的电流的命令，打开两块第三电磁铁5的开关，使通入的电流相反，形成横向于气缸的磁场；缸内的离子和离子团有规则的运动，正离子向负极靠近，负离子向正极靠近，离子和离子团的运动会增加滚流和湍流动能和强度，提高压缩气体的温度，便于接下来燃料燃烧。所有转速和功率下，通过电子控制单元11控制高压直流电源10的大小为2A，产生磁场强度1.0T。

(3)滞燃期到缓燃期结束：在磁场的作用下会增强挤流和滚流运动，从而增加燃烧室内的湍流强度，提高压缩气体的温度；压缩过程末期，喷入气缸的燃料经过雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等形成可燃混合气。燃料中的纳米铁粉活性高，能够迅速与氧气结合起火燃烧，促进燃油的蒸发和燃烧，对预混燃烧有利。其次为了保证混合气在上止点附近迅速燃烧和完全燃烧，通入一定磁场强度加速混合气的形成。滞燃期到缓燃期结束，电子控制单元11改变通入的电流大小为1.2A，此时的磁场强度为0.6T。这时通入的电流不宜过大，防止急燃时压力升高快，造成内燃机工作粗暴，损坏零件。

(4)缓燃期末尾到后燃期结束：电子控制单元11根据发动机转速和功率信号控制高压直流电源10输出电流的大小。在高转速下，过量空气系数小，有些燃料不能及时混合并燃烧，造成后燃。加入磁场可以减少后燃，从而减少冷却水的热损失，提高内燃机的经济性。纳米燃油添加剂中的纳米铁粉和纳米石墨粉助燃，纳米燃油添加剂中活化分子破坏积碳结构，使积碳从壁面掉落下来。纳米燃料添加剂提供一定的氧原子，减少CO、NO等有毒和污染气体的产生。

(5)排气时：电子控制单元11发布断开第三电磁铁5的电流，接通第一电磁铁3的电流的命令，此时只有排气门上的第二电磁铁4作用，促进排气。因为排气门的电磁铁较小，通入较大的电流，减少缸内废气残留。此时电流大小为4A，磁场强度为2T。

最后通过颗粒捕捉器来捕捉废气中的颗粒物，以减少对空气污染。

上述第一电磁铁3、第二电磁铁4、第三电磁铁5通入一个方向的磁场会使离子附着在气缸壁面、活塞表面和排气门底面。每工作900个循环就打开相对的开关，以提供反向电流即反向磁场，以此减少壁面离子的沉积数量，减少摩擦损失，改善工作状况。

需要注明的是：发动机不工作时，第一电磁铁3、第二电磁铁4和第三电磁铁5和不通电，工作时通的是高压直流电。

以上对本发明所提供的一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，包括第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)、第三电磁铁(5)以及纳米燃油添加剂，第一电磁铁(3)固定在中空的排气门(2)中，第二电磁铁(4)对称安装在活塞底部，第三电磁铁(5)固定在密封壳(7)内部，密封壳(7)设置在水道(8)上下壁之间，第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)、第三电磁铁(5)均通过导线与两个开关(9)相连，开关(9)与高压直流电源(10)相连，高压直流电源(10)与电子控制单元(11)相连，所述纳米燃油添加剂加入柴油中；

所述纳米燃油添加剂包含纳米铁粉、纳米石墨粉、丙二醇甲醚、4-甲基苯磺酸、环氧改性硅油、苯甲基醇和去离子水。

2.根据权利要求1所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)、第三电磁铁(5)均通过固定器固定。

3.根据权利要求1所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述第三电磁铁(5)的导线通过密封壳(7)再引出气缸(1)。

4.根据权利要求1所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述第一电磁铁(3)与排气门(2)之间固定绝热块，第二电磁铁(4)与活塞之间固定绝热块(6)。

5.根据权利要求4所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)为长方体状。

6.根据权利要求4所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述第三电磁铁(5)为U形。

7.根据权利要求5或6所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)、第三电磁铁(5)包括铁芯(13)、线圈(14)，线圈(14)缠绕在铁芯(13)上。

8.根据权利要求1所述的基于电控电磁铁和纳米燃油相结合的燃烧系统，其特征在于，所述纳米燃油添加剂包含纳米铁粉20Kg、纳米石墨粉25Kg、丙二醇甲醚12Kg、4-甲基苯磺酸6Kg、环氧改性硅油18Kg、苯甲基醇15Kg和去离子水34Kg。

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