CN1539925A - 纳米颗粒燃料油及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米颗粒燃料油，其基本不含有大于10nm的颗粒。这种纳米颗粒燃料油可以通过用气隙磁场强度为至少8000高斯、磁场梯度为至少1.5特斯拉/厘米的磁场处理常规燃料油而获得。本发明的纳米颗粒燃料油与常规燃料油相比，显著提高了燃料油的燃烧程度。在应用中可以显著节约燃油、减少尾气中CO等的排放量。

Description

纳米颗粒燃料油及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料油，特别是一种基本由纳米颗粒组成的燃料油，以及制备这种燃料油的方法。
背景技术
各种常规的燃料油中的分子都是以分子团的形式存在。每个分子团由数十以至万计的分子组成，形成直径达几十纳米以上至数百纳米的颗粒。这种大的分子团使燃料雾化劣化。在燃料油燃烧时，分子团很难在瞬间完全燃烧，尤其是在发动机气缸内爆发的瞬间受到条件的限制，燃料油更得不到完全的燃烧。因此，燃料油在内燃机上的热机效率不超过约38％，同时产生较大的热污染和化学污染。
长期以来人们一直在寻找各种提高燃料油的燃烧程度的方法。一类方法是在燃料油中加入各种不同的添加剂。另一类方法是利用电磁场处理燃料油。早期的磁化节油器是同时利用磁场和静电场对燃料油进行处理。例如DJ系列节油器，利用S极面磁场强度为1200高斯的两块永磁铁，S-S极相对形成2.8-3mm的间隙，将燃料油通过该间隙。在该技术方案中，同时该对燃料油施加了静电场。
中国专利ZL89213344公开了一种磁化节油器。其中利用N极面磁场强度为4300-4600高斯、内禀娇顽力为15000-18000奥斯特的两块永磁铁，N-N极相对形成0.5-1.1毫米的间隙。燃料油通过该间隙经受磁场处理。该技术方案中，无需额外施加静电场。
中国专利ZL92206719.8公开了一种双腔磁化节油器。该专利的技术方案采用三块圆柱形永磁铁。其中一块配制在磁滤腔内，据称该磁铁的作用是对燃料油进行磁化和用于吸附燃料油中的铁磁物质。另外两块磁铁N极相对并形成0.5-1.1mm的过油间隙。在其一个优选实施方案中，所用磁铁由NF30H材料制成，其内禀娇顽力为18000-20000奥斯特，N极面磁场强度为4600-5200高斯。
中国专利ZL94113646.9公开了一种改进的双腔磁化节油器。该节油器的结构与上述ZL92206719.8号中国专利中高开的节油器结构相似，所不同的是在该专利的技术方案中，在两块相对设置的磁铁各自的背面配有磁路片，另外在磁滤腔中的磁体背面和与该磁体相对的磁滤腔底面也配有磁路片。据称，磁路片的存在使得在节油器内形成闭合式磁路，从而提高了器械磁场强度。另外，该专利中建议使用的永磁体是NF30材料制成的圆柱体，其内禀娇顽力为18000-20000奥斯特，N极面磁场强度为4000-5200高斯。两块相对设置的永磁铁之间的过油间隙为0.5-2.0mm。
上述现有技术的方法虽然可以将油粒子细化、一定程度上提高燃料油的燃烧程度，但这些技术方案都不能保证将油粒子细化到纳米水平、从而彻底提高燃料油的燃烧程度。另外，这些现有技术方法处理后的小粒子燃料油的稳定性差，因此必需将节油器与发动机直接相连，将磁化处理后的燃料油直接供给发动机。
发明内容
本发明提供一种纳米颗粒的燃料油，其基本不含有大于10nm的颗粒。优选地，本发明的燃料油基本不含有大于5nm的颗粒。更优选，本发明的燃料油基本不含有大于3nm的颗粒。
本发明的燃料油可以是汽油、柴油、煤油、重油或其他燃料油或其任何形式的混合物。
本发明还提供一种制备本发明纳米颗粒燃料油的方法，该方法包括将含有大分子团颗粒的常规液体燃料油沿着与磁力线方向相交的方向通过气隙磁场强度为至少8000高斯、磁场梯度为至少1.5特斯拉/厘米的磁场的步骤。
在本发明的方法中，所述磁场可以是由两块N极面磁场强度大于5000高斯、内禀娇顽力大于18000奥斯特的永磁铁同极相对构成小于0.5mm的间隙而形成的。
另外，在本发明的方法中，所述磁场可以是交流电磁场。
发明的详细描述
本发明所称燃料油可以是任何可以作为燃料的油品材料，包括发动机用的燃料油和供给任何其他设备的燃料油，例如锅炉用燃料油。
燃料油可以是原油和来自原油的燃料油，以及来自生物原料的燃油，包括但不限于汽油、柴油、煤油、重油，生物柴油等。
本发明所称的纳米颗粒燃料油是指基本不含有大于10nm之颗粒的燃料油。
本发明所称的“基本不含有”大于10nm的颗粒是指大于10nm的颗粒重量小于燃料油总重量的10％，优选小于总重量的5％，更优选小于总重量的1％，最优选以现有的技术条件检测不到这样的颗粒。
在一个优选实施方案中，本发明的燃料油基本不含有大于5nm的颗粒。
在一个更优选的实施方案中，本发明的燃料油基本不含有大于3nm的颗粒。
上述关于术语“基本不含有”的定义同样适用于上述本发明的优选实施方案。
本发明中，“气隙磁场强度”指在由磁铁同极相对所形成的间隙，即油料所通过的间隙内的磁场强度(亦即磁感应强度)的最大值。
本发明中，“磁场梯度”指上述间隙内磁感应强度梯度(即空间不均匀程度)的最大值。
本发明的纳米颗粒燃料油可以保持上述纳米颗粒状态至少12小时，优选至少24小时，更优选至少48小时，更优选至少36小时，最优选至少1周。
本发明的纳米颗粒燃料油可以通过将常规燃料油沿与磁力线相交的方向通过气隙磁场为至少8 000高斯、磁场梯度为至少1.5特斯拉/厘米的磁场来获得。
除了对气隙磁场强度和磁场梯度的要求外，本发明对用于处理燃料油的磁场没有特别的规定。这种磁场可以是由永磁体或永磁体的组合产生的，也可以是由交流电的设置而产生的。
如上所述，本发明的制备纳米颗粒燃料油的方法中，用于处理燃料油的磁场气隙磁场强度为至少8 000高斯。优选该磁场的气隙磁场强度为至少10 000高斯，更优选至少12 000高斯，15 000高斯，18 000高斯，更优选至少20 000高斯。
如上所述，本发明的制备纳米颗粒燃料油的方法中，用于处理燃料油的磁场中磁场梯度为至少1.5特斯拉/厘米。优选该磁场的磁场梯度为至少1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5特斯拉/厘米。
在本发明的一个实施方案中，上述处理常规燃料油来获得本发明的纳米颗粒燃料油的磁场是由两块N极面磁场强度至少5000高斯、内禀娇顽力至少18000高斯的永磁铁两极相对构成小于0.5mm的间隙而形成的。
在该实施方案中，优选永磁铁的N极面磁场强度为至少6000高斯，更优选至少8000高斯，最优选至少10 000高斯。
在该实施方案中，优选永磁铁的内禀娇顽力为至少20 000奥斯特，更优选至少22 000奥斯特，最优选至少25000奥斯特。
在该实施方案中，优选两块永磁体之间的间隙在小于0.5mm至0.1mm之间，更优选在0.45mm到0.2mm之间，最优选为约0.3mm。
在该实施方案中，两块永磁铁可以是N-N极相对或S-S极相对，但优选是N-N极相对。
在该实施方案中，所述永磁体可以是由N30，N33，N35，N38，N40，N43，N45，N48以及可能的更高磁能积和矫顽力的材料、以及相应的后缀为N，M，H，SH，EH，UH的材料(例如N38SH)。
本发明的纳米颗粒燃料油与常规燃料油相比，具有优异的性能，可以广泛地应用在所有的油料燃烧装置上。
以内燃机为例，本发明的纳米颗粒燃料油可以用于不同功率的内燃机械，包括但不限于：摩托车、汽车、卡车、大马力柴油车、坦克、船艇、施工机械、发动机组、钻井机械等。当用于内燃机中时，与常规燃料油相比，本发明的纳米颗粒燃料油显示燃料油利用率提高20-30％、尾气污染物降低50-80％，另外还可能显示增强车辆动力、消除积碳、延长发动机寿命和降低发动机噪音等优点。
再例如，在燃油锅炉和工业窑炉中使用本发明的纳米颗粒燃料油时，显示达到同样的热效应比使用常规燃料油节油16.8％到20％。
由于本发明的纳米颗粒燃料油可以长时间保持纳米颗粒状态，这更使其应用范围更加广泛。
下面通过具体实施例和附图来更详细地说明本发明，但本发明的范围并不限于此。
附图简述
图1显示本发明纳米颗粒燃料油制备方法中所用装置的一个具体
实施方案。
图2显示本发明纳米颗粒燃料油制备方法中所用装置的另一个具体实施方案。
图3显示利用中子小角散射技术测定本发明燃料油中颗粒尺寸的结果。
图4显示两种流速的柴油通过本发明方法处理前后各时刻的T2弛豫时间。
图5显示两种流速的柴油通过本发明方法处理前后各时刻的T1弛豫时间。
图6显示两种流速的柴油通过本发明方法处理前后各时刻的粘度。
图7显示两种流速的柴油通过本发明方法处理前后各时刻的比重。
具体实施方式
实施例1
采用与89213334号中国专利中所公开的装置类似的装置处理常规燃料油，获得本发明的纳米颗粒燃料油。但本发明中使用的磁铁的参数和两块磁铁之间的间隙不同于上述专利中的装置。具体结构见图1。
该装置由壳体1，两块永磁铁2、3，堵头4，管接头5、6，密封圈9、10组成。壳体1沿纵向方向有一通腔，通腔两端分别螺纹连接管道接头5和6。壳体1的中心部配置一个与纵向通腔垂直相通的磁化腔，磁化腔内容纳两块圆柱形永磁体2和3。当两块永磁体N极(或S极)相对固装于磁化腔后，磁化腔的上端由圆形堵头4封闭。永磁体2和3由N35SH材料制成，其N极面磁场强度为约8 000高斯，内禀娇顽力为22 000奥斯特，两者之间的过油间隙为0.4mm。
实施例2
采用与94113646.9号专利中所公开的装置类似的装置处理常规燃料油，获得本发明的纳米颗粒燃料油。但本发明中使用的磁铁的参数和两块磁铁之间的间隙不同于上述专利中的装置。具体结构见图2。
如图2所示，标号1表示壳体，用铝合金压铸而成。壳体1具有一纵向圆形通道，通道两端内壁分别加工出内螺纹。壳体1上形成一磁滤腔和一磁化腔，磁滤腔和磁化腔均与壳体1的纵向通腔垂直设置并与其相通。通腔两端分别通过螺纹密封地连接于管道接头13和14，管道接头可由铝合金或黄酮制造，接头内流道的形状制成一端为向外的喇叭形，与本装置的本体相连，其余为直管形，与供油管、化油器或喷油泵等相通。
磁化腔为一圆形孔，其中装有两块磁极相对的永磁体3和4，永磁体3和4之间形成0.45mm的过油间隙。永磁体3和4时N极与N极(或S极与S极)相对。在两永磁体3和4相对磁极的另一端分别设有磁路片7和8，以便形成闭合磁路。
磁滤腔为一台阶孔，与壳体1纵向通腔和壳体1表面相通。磁滤腔内装有永磁铁2。永磁铁2一端设有磁路片6，另一端与设在磁滤腔底面上的磁路片5相对，从而形成一固定的过油间隙。该间隙为3mm。磁路片5装在磁滤腔底部的壳体凹部上，可用过盈配合及工业胶压粘而成。
所用的永磁体2、3和4均为N35SH材料制成的圆柱体，其直径为20mm，高度为12mm。永磁体的N极面磁场强度为6 000高斯，内禀娇顽力为20 000奥斯特。
磁路片5、6、7和8为园片状或圆柱状，直径为20mm，厚度为5mm。这些磁路片可以是由纯铁DT4材料或矽钢片等导磁材料制造。
实施例3
采用与实施例2中类似的装置处理常规燃料油，获得本发明的纳米颗粒燃料油。但本发明中使用的磁铁的参数和两块磁铁之间的间隙不同于上述专利中的装置，并且不含有磁路片。
永磁体的N极面磁场强度为8 000高斯，内禀娇顽力为24 000奥斯特。两块永磁铁之间的间隙为约0.3mm。
以下实施例用于说明本发明纳米颗粒燃料油的物理性质和效能。
实施例4
利用中子小角散射技术测定本发明燃料油中的颗粒尺寸
美国国家标准技术研究院(NIST)对本发明实施例2的装置处理过的燃油进行了中子小角散射(SANS)研究。经过对两种样品(一为普通燃油，一为经过实施例2的装置处理的燃油)的比较研究，发现前者含大于300纳米尺度的分子团粒，后者成份的尺度均不大于3纳米，而且至少在一周内不变。
试验方法
中子小角散射(SANS)是一种先进的实验技术，用来探测物质的微观结构。尤其对于流体及软物质更有用，因为诸如显微技术等实空间技术往往是无能为力的。散射技术侧量物质的密度分布或涨落，但用的是付里叶空间。然而对于大多数结构，可以获得样品微观结构的一些具体信息。通常它被用来测量复杂流体内颗粒的大小、形状及其分布，这些流体包括胶体、高分子溶液、表面活化剂组合、微乳液等。在世界主要的实验室里的仪器，它们能测量的微结构线度在1纳米到1微米之间。
供进行了三次试验，完成了数个样品的测量。实验是在NIST中子研究中心用NG7-SANS仪器完成的。所用中子波长为0.60纳米及0.81纳米。散射矢量(Q)值在0.008nm-1到1nm-1之间，对应于是空间尺度1nm到120nm。
所用燃料油为美国马里兰州盖城“皇冠”加油站出售的普通柴油。所用燃料油处理装置为本申请人提供的实施例1的装置。样品油在进行测量时是装在一个柱形容器内，中子行程为1毫米。中子束的直径为12.7毫米，因此被测的样品油的体积为0.2毫升。
测量结果
在三次实验过程中，首先在一个月的时间内两次对所得到的未经处理的燃油样品进行测量。两次测量结果类似，两次测量的Q程度稍有不同，显示样品中含有尺度大于300nm的分子团。其中一条曲线如图3中D1(圆圈)所示。从图中可见，这条曲线在小Q时增值上升，直到Q＝0.008nm-1为止。这种征象不一定属于Guinier型，所以从曲线的形状上得不到具体的分子团的大小数据，因为它们已经超越了本仪器所能测量的范围，其上限为Q＝0.008nm-1的倒数，即约120nm的  转半径，换算为球形直径为310nm。基本上可以断定这些团粒的大小为准微米的尺度(即0.5-2μm)。
至于这些团粒是什么成分组成，中子散射不能提供具体线索。但是可以肯定每一个这样的团粒作为一个整体活动。因为在燃油中大多数的分子结构小于10nm，所以这些团粒可以被认为是分子团粒，或在一起的分子。因为散射强度是与这些团粒的数量和它们与燃油中其它成分的“反差”的积成正比，所以现在还不能单独的算出其中任何一量。
然而，将同样燃油样品通过实施例1中所述装置，油样由重力通过该装置。所收集的样品以与上述相同的方法在一周内测量了两次。所用的Q程度为0.008nm-1＜Q＜1nm-1。测量结果的曲线与上述结果绘在同一图中(D4A四方形及D4B三角形)。D4A是与D1同样的柴油样品经实施例1所示装置处理后立即测量的数据；D4B是D4A样品放置一周后再测量的数据。两次结果类似，但都与没经处理的油的结果显著不同：它们没有在小Q时往上的趋势和迹象。图3中的标度为对数，D4A和D4B的平均值为1cm-1(每单位体积之散射截面)，而D1值在小Q处几倍至几十倍大于D4的强度。事实上，整体曲线看来是平的，显示在所测线度(0.008nm-1到0.4m-1)没有可测量到的粒子量。该试验重复了两次，每次使用实施例1的装置新处理过的燃油样品，获得了相似的结果。
结论
经过中子散射测量，发现普通燃油内含大于300纳米尺度的得分子团粒，而经过实施例1燃油处理装置后的燃油的成分均为纳米级，没有发现大于3nm的颗粒(分子团)，原来存在于原始样品的准微米尺度的团粒不复存在。
实施例5
与常规燃料油相比，本发明纳米颗粒燃料油的物理性质变化
按照常规方法，分别对两种流速流过实施例1所述装置前后的柴油进行了核磁共振T2和T1测试、粘度测试和比重测试。这两种流速分别为10升/小时和20升/小时。
实验测试结果如下：
1)两种流速的柴油过滤前后各时刻的T2弛豫时间(见表一、图4)
2)两种流速的柴油过滤前后各时刻的T1弛豫时间(见表一、图5)
3)两种流速的柴油过滤前后各时刻的粘度(见表二、图6)
4)两种流速的柴油过滤前后各时刻的比重(见表三、图7)
表一、柴油处理前后各时刻核磁共振T2和T1测试结果
表二、柴油处理前后各时刻的粘度测试结果
Figure A0312296700122
表三、柴油处理前后各时刻的比重测试结果
Figure A0312296700123
从以上结果可以看出，柴油通过实施例1所述设备后，柴油的物理性质发生了明显的改变，主要包括：
1.处理后柴油的T1、T2弛豫时间缩短，说明柴油分子受到了磁场的极化。从图1、2中可以看出，其恢复过程是一个周期性的恢复过程。
2.处理后柴油粘度明显降低，流速为10L/h和20L/h的最大降低幅度分别达22.6％和14.5％。粘度也存在周期恢复过程。
3.处理后柴油的比重降低，最大降低幅度达0.3％。经过24小时后，比重恢复不明显。
实施例6
为了验证本发明纳米燃料油的性能，我们在陆虎110V8车和DAF卡车上安装实施例2所述的装置，并对油耗和尾气排放进行评估。
试验车辆：
(1)第一辆陆虎110V8，已行驶20193km
(2)第二辆陆虎110V8，已行驶42814km
(3)一辆DAF卡车，已行驶37079km
试验项目：
○未装本发明装置以同样车速行驶100km后的油耗
○未装本发明装置时的CO排放和烟度
○加装本发明装置后以同样车速行驶100km后的油耗
○加装本发明装置后CO排放和烟度
试验步骤：
步骤1：
试验前，记录车辆里程，确认车况正常后，记录车速，车加满油，车辆在柏油路面上以120km/h速度行驶100km，行驶后车辆再加满油，测定油耗。
步骤2：
安装本发明的装置，加装在进油管油滤之后，然后车辆按通常情况行驶。
步骤3：
用完3箱油后，车辆再进行试验，采用与步骤1相同的方法。进行3次试验，以其平均值作为其油耗，车辆返回后立刻检测CO排放。
试验设备：
CO测试仪WT201，南非MESSER制造
试验结果
未加本发明装置行驶100KM：
第一辆陆虎  第二辆陆虎  DAF卡车
车速 120km/h  100km/h  80km/h
行驶里程 99km  100km  99km
油耗 23L  21L  29L
每公里油耗 0.2323L  0.21L  0.2929L
百公里油耗 23.23L  21L  29.29L
未加本发明装置时车辆的尾气排放：
第一辆陆虎 第二辆陆虎 DAF卡车
CO％ 6.96 4.23 排烟浓、黑烟
加装本发明装置后的油耗：
第一辆陆虎  第二辆陆虎  DAF卡车
车速 120km/h  100km/h  80km/h
行驶里程 100km  100km  100km
油耗 16L  12L  19.3L
每公里油耗 0.16L  0.12L  0.19L
百公里节油 7L  9L  9.99L
节油率 30.4％ 42.9％  34％
因此，加装本发明装置后，即使用本发明的纳米颗粒燃料油，节油率分别为第一辆陆虎30.4％、第二辆陆虎42.9％、DAF卡车34％。
加装本发明装置后车辆的尾气排放：
 第一辆陆虎  第二辆陆虎   DAF卡车
CO％  4.5  0.9   排烟少、淡
因此，加装本发明装置后，即使用本发明的纳米颗粒燃料油，CO排放下降率分别为第一辆陆虎35％，第二辆陆虎79％。DAF卡车不再排放黑烟。

Claims (12)

1.一种燃料油，其特征在于所述燃料油基本不含有大于10nm的颗粒。
2.根据权利要求1的燃料油，其特征在于所述燃料油基本不含有大于5nm的颗粒。
3.根据权利要求2的燃料油，其特征在于所述燃料油基本不含有大于3nm的颗粒。
4.根据权利要求1-3任一项的燃料油，其特征在于所述燃料油为汽油。
5.根据权利要求1-3任一项的燃料油，其特征在于所述燃料油为柴油。
6.根据权利要求1-3任一项的燃料油，其特征在于所述燃料油为煤油。
7.根据权利要求1-3任一项的燃料油，其特征在于所述燃料油为重油。
8.根据权利要求1-3任一项的燃料油，其特征在于所述燃料油为生物柴油。
9.一种制备权利要求1-8任一项的燃料油的方法，其特征在于包括将含有大分子团颗粒的常规液体燃料油沿着与磁力线方向相交的方向通过气隙磁场强度为至少8000高斯、磁场梯度至少为1.5特斯拉/厘米的磁场的步骤。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述磁场的气隙磁场强度为至少10000高斯，磁场梯度为至少1.8特斯拉/厘米。
11.根据权利要求9或10的方法，其特征在于所述磁场是由两块N极面或S极面磁场强度大于5000高斯、内禀娇顽力大于18000奥斯特的永磁铁同极相对构成小于0.5mm的间隙而形成的。
12.根据权利要求9或10的方法，其特征在于所述磁场是交流电磁场
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