CN110195668B - 一种改善柴油机燃烧和排放的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善柴油机燃烧和排放的系统，包括发电机、柴油机、高压电源、平板电极、控制模块以及纳米燃油添加剂，平板电极分别布置在活塞顶部、气缸盖底部和气门头部。控制模块根据喷油量和曲轴位置信号，查询柴油机不同工况和工作阶段对电场强度和电场方向需求的MAP图，实时控制高压电源的通断和电流的大小和方向，从而改变电极板间电场的强度和方向，旨在与纳米添加剂、燃烧中间产物产生适当的“离子风”效应，同时结合纳米添加剂本身性质的协同作用，改善燃油的雾化质量，提高燃油与空气混合的湍流强度，促进燃油与空气的充分混合，改善缸内的空燃比分布，促使燃油充分燃烧，降低燃烧污染物的生成量。

Description

一种改善柴油机燃烧和排放的系统

技术领域

本发明属于内燃机燃烧和排放领域，具体涉及一种基于外加电场和纳米燃油添加剂协同作用的改善柴油机燃烧和排放的系统，通过外加电场和纳米燃油添加剂的协同作用，改善燃油雾化，在离子风影响下，促进燃油迅速燃烧，进而提高柴油机缸内燃油的燃烧效率及降低排放的系统。

背景技术

燃料的燃烧过程是一个十分复杂的过程，对于柴油机而言，组织迅速与完善的燃烧过程对提高柴油机能量转换效率、改善燃油经济性和降低燃烧污染物的排放至关重要。燃料燃烧的火焰是一种弱电离的等离子体，而电场能够改变燃烧火焰，近年来，通过外加电场来改善燃烧过程、控制燃烧火焰特性得到了专家、学者们相当多的关注。例如，电场助燃，它是将电场中的动量和能量有选择性地传递给火焰中的正负离子、电子和中性粒子，从而起到促进燃烧的作用。研究表明，外加电场会改变火焰形态和火焰温度，提高火焰稳定性、火焰传播速度、燃烧速度、燃烧效率，以及降低污染物排放。但目前的研究都集中于火焰燃烧在一定的位置并保持一定形状现象的一类驻定火焰，很少涉及诸如柴油机中火焰位置和火焰形状复杂多变的非驻定火焰，如将外加电场应用于缸内燃烧火焰的研究和应用还十分有限。此外，在燃油中加入适量的纳米燃油添加剂如燃烧促进剂，可以改善燃油的雾化质量，提高燃油燃烧的效率，从而实现柴油机的高效燃烧和节能减排。随着纳米燃油添加剂在改善蒸发和催化燃烧方面效果日益显著，被广泛应用于燃烧化学和尾气净化领域，但并未有人将外加电场和纳米燃油添加剂的协同作用应用到增强燃烧、控制燃烧火焰特性方面的研究。

中国专利“一种采用外加电场的微型燃烧器”公开了一种利用外加强电场形成的离子风，形成切圆燃烧，以解决微燃烧器扩散火焰气流组织问题的系统。该专利虽然利用了外加电场的离子风效应，但所述外加电场局限于规定的燃烧器，所述火焰为驻定燃烧火焰，并未将外加电场应用于实际的柴油机缸内燃烧非驻定火焰。

中国专利“基于环形电极的稀燃天然气发动机燃烧系统”公开了一种采用在气缸套上外加环形电极的方式，利用电场产生的热效应、电化学效应和离子风效应，提高火焰传播速率，进而提高发动机的效率并降低排放的系统。该专利虽然将外加电场用于缸内燃烧火焰，但所述发动机为天然气发动机，并未涉及传统的柴油机型，尤其是像柴油机一类的火焰扩散燃烧方式以及其雾化、喷雾特性的研究；所加电极方向与活塞运动方向垂直，对于火焰沿传播方向上的影响也有限，并未涉及平行于活塞运动方向电极的研究；所用燃料为天然气气体燃料，并未涉及到液体燃料外加电场后会带来何种影响；此外，对于缸内火焰不同的燃烧阶段，也未研究外加电场的变化如何适应缸内复杂燃烧情况的问题。

目前对于纳米燃油添加剂的研究，虽然有将稀土类金属及其化合物的纳米颗粒加到燃油添加剂中，但多集中于氧化铈(CeO₂)，其他镧系金属化合物的纳米粒子并未集中添加到燃油添加剂中。此外，纳米燃油微粒虽然因其小尺寸和表面效应，可加速燃油雾化蒸发，提高柴油机燃烧效率并降低有害排放，但并未涉及外加电场后对纳米微粒燃烧的研究，尤其是对于柴油机缸内的非驻定火焰的研究。

发明内容

本发明针对上述问题中的不足，提供一种基于外加电场和纳米燃油添加剂协同作用的改善柴油机燃烧和排放的系统，利用外加电场和纳米燃油添加剂的协同作用促进燃油雾化蒸发，增强火焰燃烧、控制燃烧火焰特性，提高内燃机缸内燃烧效率、改善污染物的排放。

本发明采用以下技术方案：

一种改善柴油机燃烧和排放的系统，包括高压电源、平板电极、控制模块以及纳米燃油添加剂，所述高压电源的正、负极分别与平板电极的正、负极板相连，平板电极设置在柴油机的内部，高压电源由控制模块控制通断以及电流的大小和方向，所述纳米燃油添加剂加入柴油中。

上述方案中，所述平板电极由若干铜片组成，并镶嵌在绝缘体中。

上述方案中，所述铜片均匀分布在活塞顶凹坑旁，形成平板电极的负极板，铜片并联后与高压电源的负极相连；铜片粘合在气缸盖的底面以及气门头部的底面，设置于气缸盖底面上的铜片间隔位于气门头部之间，形成平板电极的正极板，铜片通过导线并联后与高压电源的正极相连。

上述方案中，所述绝缘体材料为石英玻璃或陶瓷。

上述方案中，所述纳米燃油添加剂由混合质量比为7：1：2的柴油、纳米稀土氧化物粉末和表面活性剂组成；所述纳米稀土氧化物粉末为纳米级的La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁的混合物粉末，La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁的混合质量比为1：2：1；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基二甲基苄基氯化铵的一种。

上述方案中，所述高压电源由发电机供电。

上述方案中，所述控制模块包括相互连接的曲轴位置传感器和控制单元，曲轴位置传感器用于测量曲轴的位置，从而确定活塞所处的位置，由控制单元采集喷油量信息和确定柴油机所处的工作阶段，查询MAP图确定柴油机所处的不同工况和该工作阶段所需的电流大小和方向，控制高压电源输出相应的电流；所述柴油机的工作阶段包括喷油、滞燃期、急燃期、缓燃期及后燃期。

本发明的有益效果为：

(1)针对传统的以搅拌方式在燃油中添加纳米粒子难以形成长时间稳定的纳米流态燃料，加入分散剂在有机溶液中又难以奏效的问题，本发明加入适量的表面活性剂，对纳米粒子表面进行改性处理，增加了纳米粒子与介质的互溶性；而且改性后的纳米粒子在燃油中不易出现团聚现象，即使长期静止后纳米粒子沉降聚集，也容易对其重新分散。

(2)纳米粒子尺寸微小、比表面积较大，其表面的不规则性容易吸附燃油分子中大量的正负离子和电子，在外加电场的作用下，燃油分子和纳米粒子形成的纳米混合体表面吸附能力增强，混合体表面层排列方向趋于一致使得表面张力下降，从而减小了雾化阻力。另外由于正负离子的相互排斥使混合体表面内外存在压力差，抵消了部分表面张力的作用，减小了雾化细度。同时，缸内的高温环境使得混合体不断发生“微爆”，促进了燃油的二次雾化，进一步减小了雾化细度，从而提高燃油的蒸发速度，使得燃烧更为充分。

(3)外加电场能促进和加快缸内燃烧火焰锋面带电粒子的运动，所产生的“离子风”效应能提高电场方向上火焰从已燃区到未燃区的传播速率，在“离子风”效应的影响下使燃料与空气的湍流效果增强，促进了燃油与空气的充分混合，使燃烧速率更快，燃烧更为充分，燃烧效率得以提高。

(4)La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁中晶格氧具有可移动性，一定程度上改善了缸内局部缺氧的状况，能抑制一氧化碳(Carbon Monoxide，CO)、碳氢化合物(Hydrocarbon，HC)和颗粒物(Particulate Matter，PM)生成。外加电场后燃烧火焰附近空气的流速增大，促进油气的混合，从而加快了燃烧化学反应速率，提高了燃烧效率，使更多的CO被氧化为CO₂，降低了CO的排放。同时油气的混合均匀性的改善，也降低了HC和PM的生成。此外这些稀土金属元素价态的改变可将部分氮氧化物(Nitrogen Oxide，NOx)还原成N₂，而纳米混合体的“微爆”产生的“二次”雾化效应，也促使燃油充分燃烧，也可降低NOx的排放；再者，即使外加电场的存在提高了火焰温度，温度增加加剧了NOx的生成，这可以通过EGR后处理系统来降低其排放。

附图说明

图1为一种基于外加电场和纳米燃油添加剂协同作用的改善柴油机燃烧和排放的系统结构示意图；

图2为柴油机气缸示意图；

图3为平板电极局部示意图；

图4为活塞俯视图；

图5为气缸盖底面局部图；

图中：1-柴油机；2-高压电源；3-平板电极；4-控制模块；5-发电机；6-进气门；7-排气门；8-气缸盖；9-气门头部；10-气缸壁；11-活塞；12-连杆；13-曲轴；14-曲轴中心；15-铜片；16-绝缘体。

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，一种基于外加电场和纳米燃油添加剂协同作用的改善柴油机燃烧和排放的系统，包括柴油机1、高压电源2、平板电极3、控制模块4、发电机5和纳米燃油添加剂，高压电源2为高压直流电源，发电机5经外部电路与高压电源2相连，用于给高压电源2供电；高压电源2的正、负极分别与平板电极3正、负极板相连，用于给平板电极3提供高压直流电源；平板电极3用以提供电场，规定正向电场为气缸盖8底面至活塞11顶面的方向，控制模块4包括曲轴位置传感器和控制单元，曲轴位置传感器用于测量曲轴13的位置，判断曲轴13转角的大小从而确定活塞11所处的位置，控制单元与曲轴位置传感器相连，控制单元通过处理曲轴位置传感器采集到的位置信号，判断出活塞11所处的位置，确定柴油机1所处的不同工作阶段(喷油、滞燃期、急燃期、缓燃期、后燃期)，并结合由控制单元所采集得喷油量信息，查询ECU中柴油机1不同工况和工作阶段对电场强度和电场方向需求的MAP图，确定柴油机1所处的不同工况和该工作阶段所需的电流大小和方向，接通、断开高压电源2并改变电流大小和方向，控制单元经外部电路与高压电源2相连，当平板电极3两极板之间的间距发生改变时，根据需要，曲轴位置传感器向控制单元发出不同的信号，控制高压电源2的电流大小、方向、接通与断开，从而产生能最大程度改善喷雾和燃烧的与柴油机1工作阶段相匹配的电场强度和电场方向。

纳米燃油添加剂为质量比例是7：1：2的柴油、纳米稀土氧化物粉末和表面活性剂组成的混合物；纳米稀土氧化物粉末为质量比例是1：2：1的纳米级La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁的混合物，表面活性剂为阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)、十二烷基三甲基氯化铵(1231)、十六烷基三甲基氯化铵(1631)或十八烷基二甲基苄基氯化铵(1827)的一种。纳米燃油添加剂加入车用柴油机的燃油中，纳米燃油添加剂占燃油的百分比为0.1％，纳米燃油添加剂的配制方法为：事先准备好质量比分别为7：1：2的柴油、纳米稀土氧化物粉末和表面活性剂，将纳米级的La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁的混合物粉末按1：2：1的质量比加入温度为26℃的柴油中，在振荡器中振荡1h，振荡期间再加入阳离子表面活性剂1227、1231、1631或1827，静置后即可得到所需的纳米燃油添加剂。

平板电极3设置在柴油机1的内部，如图2所示，平板电极3分别布置于活塞11的顶部、气缸盖8底面和气门头部9，作为平板电极3的正、负极板，具体为：如图3所示，平板电极3选用若干铜片15，并镶嵌在绝缘体16中，绝缘体16的材料可为石英玻璃或陶瓷。如图4所示，铜片15底部的绝缘体16采用无机高温胶粘合在活塞11顶面，铜片15均匀分布在活塞顶凹坑旁，铜片15通过导线并联后，经活塞11、连杆12、曲轴13的内部后通过曲轴中心14与高压电源2的负极相连接；如图5所示，铜片15底部的绝缘体16采用无机高温胶粘合在气缸盖8的底面以及气门头部9的底面，且设置于气缸盖8底面上的铜片15间隔位于气门头部9之间，铜片15通过导线并联后穿过气缸盖8与高压电源2的正极相连接；导线外均包裹有绝缘体16。

本发明一种改善柴油机燃烧和排放的系统的工作过程具体为：

配制一定质量的纳米燃油添加剂添加到柴油中，根据柴油机所处的不同工况，由控制单元采集喷油量的MAP图信息，控制喷油量的大小，喷油的同时曲轴位置传感器接收到信号，传给控制单元控制高压电源2接通，提供给平板电极3正向的高电压。两极板之间的距离不断拉近，在活塞11到达上止点前，为使急燃期内气缸压力升高率不至于使柴油机工作粗暴，同样要控制火焰传播速率的显著上升，因此，这一时段内高压电源2提供给平板电极3恒定的高电压，使两极板之间的电场强度持续增加(此处定义上止点位置的场强大小能使气缸内的压力升高率刚好不至于引起工作粗暴)，活塞11到达上止点后开始下行，两极板之间的距离不断拉大，燃烧开始进入缓燃期，为保证混合气的完全燃烧，需加强空气流动，加速混合气的形成，这时高压电源2继续给平板电极3提供持续增加的高电压，使电场强度持续增大；活塞11到达下止点时，曲轴位置传感器给控制单元发出信号，控制高压电源2改变电流方向，吸附在下极板的纳米粒子随着排气排出缸外；当活塞11再次到达上止点时，控制单元控制高压电源2切断电源。

纳米粒子在外加电场的影响下，随着燃烧进入后燃期，会被逐渐吸附在下极板上。当活塞到达下止点时，突然改变电场的方向，纳米粒子受电场力的影响被吹起，随排气过程和废气一起排出气缸外。当到达安装在排气总管上的三效催化转化器上时，可以协同铂、钯、铑等贵金属的催化作用，同时提高贵金属催化剂的抗毒性能和高温稳定性。

以上对本发明所提供的一种基于外加电场和纳米燃油添加剂协同作用的改善柴油机燃烧和排放的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 (5)

1.一种改善柴油机燃烧和排放的系统，其特征在于，包括高压电源(2)、平板电极(3)、控制模块(4)以及纳米燃油添加剂，所述高压电源(2)的正、负极分别与平板电极(3)的正、负极板相连，平板电极(3)设置在柴油机(1)的内部，高压电源(2)由控制模块(4)控制通断以及电流的大小和方向，所述纳米燃油添加剂加入柴油中，纳米燃油添加剂占燃油的百分比为0.1％；

所述平板电极(3)由若干铜片(15)组成，并镶嵌在绝缘体(16)中；所述铜片(15)均匀分布在活塞顶凹坑旁，形成平板电极(3)的负极板，铜片(15)并联后与高压电源(2)的负极相连；铜片(15)粘合在气缸盖(8)的底面以及气门头部(9)的底面，设置于气缸盖(8)底面上的铜片(15)间隔位于气门头部(9)之间，形成平板电极(3)的正极板，铜片(15)通过导线并联后与高压电源(2)的正极相连；

所述纳米燃油添加剂由混合质量比为7：1：2的柴油、纳米稀土氧化物粉末和表面活性剂组成；所述纳米稀土氧化物粉末为纳米级的La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁的混合物粉末，La₂O₃、CeO₂和Pr₆O₁₁的混合质量比为1：2：1；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵或十八烷基二甲基苄基氯化铵的一种。

2.根据权利要求1所述的一种改善柴油机燃烧和排放的系统，其特征在于，所述绝缘体(15)材料为石英玻璃或陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种改善柴油机燃烧和排放的系统，其特征在于，所述高压电源(2)由发电机(5)供电。

4.根据权利要求1所述的一种改善柴油机燃烧和排放的系统，其特征在于，所述控制模块(4)包括相互连接的曲轴位置传感器和控制单元，曲轴位置传感器用于测量曲轴(13)的位置，从而确定活塞(11)所处的位置，由控制单元采集喷油量信息和确定柴油机(1)所处的工作阶段，查询MAP图确定柴油机(1)所处的不同工况和该工作阶段所需的电流大小和方向，控制高压电源(2)输出相应的电流。

5.根据权利要求4所述的一种改善柴油机燃烧和排放的系统，其特征在于，所述柴油机(1)的工作阶段包括喷油、滞燃期、急燃期、缓燃期及后燃期。

Images