专利名称：内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法
技术领域：
机械制造汽车工业领域。
背景技术：
国际石油价格上涨，必然引出一系列关于车与燃油之间的话题，而柴油车在中国难以进入大城市，便是其中最让人难以解决的事情之一；此问题的背景是全球石油资源日趋短缺，而汽车消费不断攀升，在找到终极替代能源之前，全世界汽车厂家、能源公司以及政府都在探索延缓石油危机爆发的中间路线柴油发动机以二氧化碳排放比汽油发动机减少30% 45%，其他有害气体排放方面，柴油发动机也具备明显的优势，特别是欧洲日益严酷的二氧化碳排放问题，柴油发动机比汽油发动机减少近45%的二氧化碳排放，这是非常可观的数据，并且节能25% 30%，成为各个厂家研发和推崇的目标；而且，由于柴油发动机具有低速高扭矩，在0 100Km/h的速度范围内加速性能优越，正适合交通拥堵的大城市使用。2010年底的数据显示，中国机动车保有量大概至少在5800万辆，并以每年大约 1500万辆的速度递增。车用燃油消耗保守估计在13050万吨，占全年中国石油消耗总量的 1/2，若中国机动车有20%使用柴油发动机，则少用燃油2350万吨，交通资金消耗就可以节省约706亿元人民币，减少对进口石油的依赖，为世界范围节能减排做出贡献。柴油机代替汽油机可以节约能源25 % 30%，中国一年可以节约几百亿甚至上千亿人民币资金，这样有目共睹的好事，为什么柴油发动机没有快速发展起来呢？是什么制约了柴油发动机应用呢？柴油机被认为是城市大气微粒的主要污染源之一，柴油机颗粒物组成复杂并且颗粒粒径甚小，大都属于亚微米级粒子和纳米级粒子，排放后能长时间悬浮于大气中，人们呼吸这种悬浮物到体内对人危害极大；柴油机排出的微粒浓度高于汽油机数十倍；细小的微粒悬浮在大气中，降低了大气的能见度，如被人体吸入可引起呼吸系统疾病，甚至致癌；使用柴油机比例的增加，可导致严重的环境污染；控制生成排放有害气体的燃烧过程，是达到净化排放的理想途径。柴油机尾气中，碳烟颗粒物的质量含量、可溶性有机组分在颗粒物中的质量分数和可溶性有机组分的化学组成。实验得出柴油机尾气中，碳烟颗粒物的含量32.6 143. 6mg/m3。可溶性有机组分在颗粒物中的质量分数为18. 5% 89. 4%。分析柴油发动机产生碳烟颗粒物的原因一、是缺氧条件下燃烧，这个问题由现代科技研发的TDI发动机， 喷油量控制十分精确，TDI采用的喷油器是靠电磁阀控制的，喷油正时和喷油量，都可以由电磁阀根据ECU发出的指令来精确控制，这就好比汽油发动机的电喷技术一般。不仅如此， TDI发动机还可以实现柴油发动机的闭环控制，这在传统的柴油发动机是没有的，氧传感器等传感部件将尾气情况反馈给ECU，从而可以根据尾气判断燃烧状况，进而进一步调整供油量，实现富氧条件燃烧；二、是虽然在富氧条件下，但是由于发动机缸壁、活塞始终处于循环冷却状态，发动机工作喷油时，油雾喷到活塞、汽缸表面时，活塞、汽缸表面温度低于柴油、 碳颗粒的起燃点，即低于碳颗粒的氧化反应阈值，碳颗粒起燃点550摄氏度。因此，油雾分解出的碳颗粒碰撞到活塞表面、缸体表面时温度达不到碳的氧化反应温度，碳颗粒不能被氧化。这种情况尤其在发动机冷机启动时更为明显。为解决碳颗粒排放问题，欧洲强制采取排气系统碳颗粒过滤，柴油车型都已配备碳颗粒回收装置，及游离碳二次点火催化燃烧，以减少碳颗粒排放；中国工程界对柴油发动机尾气净化采用机械过滤、催化反应和静电分离技术对尾气进行净化处理。主要特征是三元催化反应器做成层板式结构，陶瓷过滤体由内外两层杯状套卷成，电加热器是温度自动补偿以达到碳氧化温度，高压静电除尘器设置一、二级捕集器，捕集器为空穴贮藏式结构， 其中心电极上装有电极扰流器，过滤器、反应器。用此方法解决传统技术中尾气净化不彻底，及器具容易堵塞的问题。另有采取滤芯由涂覆有贵金属催化剂的合金金属薄片支架和金属纤维膜隔层卷绕焊接或拼装而成，金属薄片支架轧制成一定的几何形状，涂覆贵金属催化剂的金属薄片支架与金属纤维膜间隔层叠制成滤芯，使通过支架的尾气气流通过尾气槽时，压力、方向产生变化，气流被迫通过一侧高透气率的金属纤维膜，使炭烟微粒被金属纤维膜捕集后燃烧，解决发动机碳颗粒排放问题，这些技术只能将碳颗粒在发动机排气系统内燃烧，由此产生的热能没有参加做有用功，对环境产生热污染和无用功CO2排放。本发明之前的内燃发动机碳颗粒催化燃烧装置，无一例外都是安放在发动机排气口外，由于碳烟颗粒的热氧化温度高达550 600°C，而柴油车的排气温度为175 400°C。 为了降低碳烟燃烧温度，其中一个解决的办法就是使用，以催化剂为基的DPF。在DPF中使用的催化剂应该在实际工作条件下显示出良好的活性，稳定性和耐久性。尽管世界各先进国家的科学家经过三十多年的探索和研究，但尚未找到一种像汽油机用的三效催化剂那样十分有效的碳烟氧化催化剂。利用本发明内燃机燃烧室内催化燃烧催化剂离子注入方法，使碳颗粒完全在发动机燃烧室内燃烧，碳颗粒燃烧的能量全部用来做功，因此，该技术提高柴油的燃烧效率，燃油量相同时，提高柴油发动机的功率输出；输出同样功率时，可减少柴油的使用量，节约能源。柴油更充分的燃烧，还意味着有害气体排放降低，减少空气污染。由于发动机内的游离碳燃烧充分，减少发动机零部件积碳，减少机械磨损，减少润滑油污染，可延长润滑油使用寿命；减少发动机进、排气门积碳，可防止发动机漏气，保持发动机输出功率，不随使用时间的延长而降低，进而延长柴油发动机的使用寿命。催化燃烧提高柴油机的灵敏响应度，柴油的空气扩散速率比汽由慢得多，柴油的燃烧速度也比汽油慢得多，这是柴油机比汽油机安全，不易产生自然、烧毁车辆的内在因素；柴油机不能像汽油发动机那样通过进气负压来吸进混合气，而是需要通过高压油泵来将雾化的柴油喷入汽缸内，才能与空气充分混合。由于柴油的起燃点低，氧化反应阈值比汽油高很多，这使得柴油混合气点燃的速度要慢于汽油混合气，常规的柴油发动机响应慢，低温点火困难、柴油车总是慢半拍是柴油燃烧特性造成的。柴油机燃烧室内离子注入催化剂， 可降低柴油、及游离，碳燃烧的反应阈值，因此，催化燃烧可增加柴油机的反应速度，使柴油机响应时间接近汽油机。催化燃烧可使柴油车等红灯启动时，像汽油机一样，动作灵敏。催化燃烧可以降低柴油机爆震幅度，由于柴油与汽油的特性差异，导致柴油发动机的整体设计与汽油发动机完全不一样，传统的柴油发动机扭矩很大，可靠性也非常高，但功率小、而且，其震动噪音大，柴油发动机是靠压燃点火发动的，也就是在压缩行程的末端， 被压缩的空气产生高温高压以后，油泵将柴油以雾状喷入汽缸内自燃。这种“点火”方式如
4果发生在汽油发动机上，就相当于爆震。事实上，柴油发动机的爆震是不可避免的，它需要靠这种方式来实现混合物的点燃。柴油发动机之所以震动和噪音明显大于汽油发动机，主要就是基于这个原因。对于爆震本身任何内燃机都是不希望看到的。对于柴油发动机而言， 它的点火依靠爆震，但作为设计师则希望这个爆震控制在能够点火的临界点即可。多余的爆震自然会增加震动和噪音，乃至影响工作效率。爆震的冲击波可瞬间熄灭油气燃烧，产生未充分燃烧的碳氢化合物、游离碳，而这些燃料遇到发动机内过度金属氧化物催化剂时，可继续氧化燃烧膨胀做功，即提高燃料的利用率，又可减少做功的间歇时间，延长做工持续时间，使爆震幅度降低。
发明内容
内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，其方法1为将复合催化剂离子注入到内燃机活塞表面、汽缸及汽缸盖内表面、进气阀等发动机内部部件表面，内燃机做功时， 冲撞到内燃机活塞表面、汽缸内表面、及内燃机内部机件表面碳颗粒的氧化反应阈值被催化剂降低，促使碳颗粒催化燃烧，从而，减少内燃机内部积碳，燃料充分燃烧，提高燃烧效率，使热能充分做功，减少环境热污染，降低碳颗粒排放，减少空气污染；本发明之前内燃发动机的催化反应装置，均放在发动机气缸外，汽缸排气系统内，碳颗粒的催化燃烧产生的热能，不能对内燃机做功产生贡献，热能被排放到环境中，产生环境热污染；本发明采用复合离子注入方法，将一种固体注入元素制成阴极形状(一般采用所需注入元素最多的一种)， 将其他一种或多种注入元素制成细柱状，按注入层原子比和各参与元素的电离能比关系， 设计各元素的量比及排列组合；将制成细柱状金属或非金属，按密排六方排列方式排列镶嵌组合到上述元素制成的阴极中，催化剂选自元素Pd、Pt、La、Ce、Sm、Er、Y、Sc、Cr、Mo、W、 Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Zn、Ni、Sn、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mn、Tc、Re、Al、Si、K、Mg、Ag、Ba、 B、C，一种或多种元素的组合，其多种元素组合摩尔比为=Xi Xj = 1 (0. 0001-0. 9999), 其中(Xi, Xj e X1, X2……)(n)代表如上述不同元素，用此复合阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入；其离子注入总剂量为lX105-2X1018Ion/Com2;离子注入能量为 0. 1-300KV，能量分布选择连续泊松分布，也可以选择高、中、低阶梯分布，目的为促使被离子注入部件表面催化剂元素组合高浓度分布；为保证离子注入均勻性，被注入部件放在勻速旋转的靶台上，并保持良好的导电、导热性能；将复合催化剂元素注入到柴油发动机燃烧室内的汽缸壁、气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴及其它易积碳零部件表面，当上述零部件在发动机工作状态中，遇到碳颗粒碰撞或沉积时，复合离子注入催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，极大限度减少碳颗粒排放。如上所述的内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，其方法2为选定方法1 所述催化剂元素制成阳极的离子镀工艺，离子镀膜机，离子源阳极用催化剂元素制成，高压脉冲触发起弧，催化元素被电离，工件接电源阴极，当真空罩壳体与工件之间通以3000至 5000伏高压直流电以后，真空罩内充有稀薄的惰性气体氩气，在放电电场作用下氩气被电离，真空罩壳体与工件之间产生辉光放电，从而在阴极工件周围形成等离子体区域，带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和异物被溅射抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗；高压脉冲触发离子源起弧，引出催化剂元素离子进入辉光放电区，带正电荷的催化剂元素离子，在阴极吸引下，射向工件表面，当射向工件表面上的催化剂元素离子超过溅射流失离子的数量时，则逐渐形成一层牢固粘附于工件表面即气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴及其它易积碳零部件表面的催化剂元素镀层，镀层催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，并极大限度减少碳颗粒排放。如上方法1、2所述的内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，其中，内燃发动机汽缸壁、活塞、气缸盖、气门、喷油嘴与其它部件的材料及燃气轮机叶片材料为铝、氧化铝及铝合金、高温合金、氧化锆材料、陶瓷材料、各种钢材、铸钢、铸铁、钛及钛合金等。
图1.为催化剂元素离子注入，高、中、低能量加速电压离子注入，注入部件、试样后，注入离子深度、浓度分布图。图中λ 1为低能加速电压离子注入；λ 2为中能加速电压离子注入；λ 3为高能加速电压离子注入。图2.为钯离子注入试样与对照试样，经碳烟颗粒物采集后，放置马弗炉内，设定温度值定时加热；控温、控湿、十万分之一精度天平测量碳烟颗粒物氧化量百分比，实验数据曲线。
具体实施例方式内燃机燃烧室内催化燃烧催化剂离子注入方法，是利用离子注入时，加速电场、注入束流产生的能量，此能量由离子携带注入到被注入的发动机汽缸、汽缸盖、活塞、气门等工件表面。依据注入元素的电离能，离子注入元素及被注入工件材料中各元素的结合能大小、依据离子注入射程、离子注入能量为0. 1-300KV，能量分布选择连续泊松分布，也可以选择高、中、低阶梯分布，目的为促使被离子注入部件表面，催化剂元素组合高浓度分布，综合个条件设计注入电压的高低变化，控制注入离子束流的大小等，选择各种离子注入条件， 达到控制被注入试样表面所接收的能量，使注入层形成非晶态或短程有序组织。离子注入能量的范围为0. 1-300KV。离子注入剂量的范围为1Χ105-2Χ1018Ιοη/ cm2。离子注入束流的密度为1X 10—3-1 X 105mA/mm2。离子注入靶室的真空度 8X IO-2MPa-I X IO-8MPa0内燃机燃烧室内催化燃烧催化剂离子注入方法，温度控制，是参考注入金属元素与被注入工件表面形成非晶态或短程有序，长程无序结构，所需要的温度。温度测量，其测量点，应该避开离子束流的直接辐射。即，测量的温度应该是，被注入试样的基体温度。内燃机燃烧室内催化燃烧催化剂离子注入时间，是参考被注入汽缸、活塞、等部件表面注入催化元素的分散度0. 2-15. Onm，所需注入时间。为保证离子注入均勻性，被注入部件放在勻速旋转的靶台上，靶台转速2-5/min， 靶台保持良好的导电、导热性能；将复合催化剂元素注入到柴油发动机燃烧室内的汽缸壁、 活塞、气缸盖、气门、喷油嘴及其它易积碳零部件表面，当上述零部件在发动机工作状态中， 遇到碳颗粒碰撞或沉积时，复合离子注入催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化。因具有独特的短程有序、长程无序结构而表现出了优良的催化性能。Pd-Mn/λ -Al2O3非晶态合金催化剂，并对其结构进行定性检测。催化剂的XRD、SEM结构表征结果表明，负载所得催化剂活性中心Pd为非晶态结构。离子注入能量越高Pd晶化度越深.试样温度低于150°C条件下催化剂结构基本保持稳定。 催化剂离子镀膜实施方法是，离子源的阳极用催化剂元素制成，高压脉冲触发起弧，催化元素被电离，离子镀处理工件，即气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴等接电源阴极， 当真空罩壳体与工件之间通以3000至5000伏高压直流电以后，真空罩内充有稀薄的惰性气体氩气，罩内的真空度=SXKr1MPa-IXKr2MPa;在放电电场作用下氩气被电离，真空罩壳体与工件之间产生辉光放电，从而在阴极工件周围形成等离子体区域，带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和异物被溅射抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗；高压脉冲触发离子源起弧，引出催化剂元素离子进入辉光放电区，带正电荷的催化剂元素离子，在阴极吸引下，射向工件表面，当射向工件表面上的催化剂元素离子超过溅射流失离子的数量时，则逐渐形成一层牢固粘附于工件表面即气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴及其它易积碳零部件表面的催化剂元素镀层， 镀层催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，并极大限度减少碳颗粒排放。
权利要求
1.内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，其方法1为将复合催化剂离子注入到内燃机活塞表面、汽缸及汽缸盖内表面、进气阀等发动机内部部件表面，内燃机做功时，冲撞到内燃机活塞表面、汽缸内表面、及内燃机内部机件表面碳颗粒的氧化反应阈值被催化剂降低，促使碳颗粒催化燃烧，从而，减少内燃机内部积碳，燃料充分燃烧，提高燃烧效率， 使热能充分做功，减少环境热污染，降低碳颗粒排放，减少空气污染；本发明之前内燃发动机的催化反应装置，均放在发动机气缸外，汽缸排气系统内，碳颗粒的催化燃烧产生的热能，不能对内燃机做功产生贡献，热能被排放到环境中，产生环境热污染；本发明采用复合离子注入方法，将一种固体注入元素制成阴极形状(一般采用所需注入元素最多的一种)， 将其他一种或多种注入元素制成细柱状，按注入层原子比和各参与元素的电离能比关系， 设计各元素的量比及排列组合；将制成细柱状金属或非金属，按密排六方排列方式排列镶嵌组合到上述元素制成的阴极中，催化剂选自元素Pd、Pt、La、Ce、Sm、Er、Y、Sc、Cr、Mo、W、 Co、Rh、Ir、Fe、Ru、Os、Zn、Ni、Sn、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mn、Tc、Re、Al、Si、K、Mg、Ag、Ba、 B、C，一种或多种元素的组合，其多种元素组合摩尔比为=Xi Xj = 1 (0. 0001-0. 9999), 其中(Xi, Xj e X1, X2……)(n)代表如上述不同元素，用此复合阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入；其离子注入总剂量为lX105-2X1018Ion/Com2;离子注入能量为 0. 1-300KV，能量分布选择连续泊松分布，也可以选择高、中、低阶梯分布，目的为促使被离子注入部件表面催化剂元素组合高浓度分布；为保证离子注入均勻性，被注入部件放在勻速旋转的靶台上，并保持良好的导电、导热性能；将复合催化剂元素注入到柴油发动机燃烧室内的汽缸壁、气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴及其它易积碳零部件表面，当上述零部件在发动机工作状态中，遇到碳颗粒碰撞或沉积时，复合离子注入催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，极大限度减少碳颗粒排放。
2.如权力要求1所述的内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，其方法2为选定权力要求1所述催化剂元素制成阳极的离子镀工艺，离子镀膜机，离子源阳极用催化剂元素制成，高压脉冲触发起弧，催化元素被电离，工件接电源阴极，当真空罩壳体与工件之间通以3000至5000伏高压直流电以后，真空罩内充有稀薄的惰性气体氩气，在放电电场作用下氩气被电离，真空罩壳体与工件之间产生辉光放电，从而在阴极工件周围形成等离子体区域，带正电荷的氩离子受阴极负高压的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和异物被溉射抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的离子轰击清洗；高压脉冲触发离子源起弧，引出催化剂元素离子进入辉光放电区，带正电荷的催化剂元素离子，在阴极吸引下，射向工件表面，当射向工件表面上的催化剂元素离子超过溅射流失离子的数量时，则逐渐形成一层牢固粘附于工件表面即气缸盖内表面、活塞、气门、喷油嘴及其它易积碳零部件表面的催化剂元素镀层，镀层催化剂将降低碳元素的氧化反应阈值，并将催化剂表面吸附的氧原子提供碳颗粒的氧化，在富氧气氛中，促使碳元素充分氧化燃烧，从而杜绝发动机积碳，并极大限度减少碳颗粒排放。
3.如权利要求1、2所述的内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，其中，内燃发动机汽缸壁、活塞、气缸盖、气门、喷油嘴与其它部件的材料及燃气轮机叶片材料为铝、氧化铝及铝合金、高温合金、氧化锆材料、陶瓷材料、各种钢材、铸钢、铸铁、钛及钛合金等。
全文摘要
内燃机燃烧室内固化催化剂催化燃烧方法，将复合催化剂离子注入到或离子镀到内燃机活塞表面、汽缸及汽缸盖内表面、进气阀等发动机内部部件表面，内燃机做功时，冲撞到内燃机活塞表面、汽缸内表面、及内燃机内部机件表面碳颗粒的氧化反应阈值被催化剂降低，促使碳颗粒催化燃烧，从而，减少内燃机内部积碳，燃料充分燃烧，提高燃烧效率，使热能充分做功，减少环境热污染，降低碳颗粒排放，减少空气污染；本发明之前内燃发动机的催化反应装置，均放在发动机气缸外，汽缸排气系统内，碳颗粒的催化燃烧产生的热能，不能对内燃机做功产生贡献，热能被排放到环境中，产生环境热污染。
文档编号F02M27/02GK102305156SQ20111025059
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者丁云涛 申请人:丁云涛