专利名称：柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧技术。
当前城市中汽车的废气排放已成为威胁城市环境的一大祸害，已引起了国际上的重视，并采取了各种措施。对柴油机来说，除从改进内部燃烧过程来解决外，别无其他好方法。
柴油机由于功率大，效率高于汽油机，与汽油机相比，其油耗约减少30％；其碳化氢CH，一氧化碳CO排放量远低于汽油机，易符合排放标准。氧化氮NOx排放量较高，与汽油机相当；只是碳黑微粒的排放远高于汽油机。因此，只要解决柴油机的NOx及碳黑微粒排放问题，则柴油机无论在经济性上，还是在排放特性上都具有很强的竞争力。
然而，柴油机燃烧技术是一门高难技术，它已有上百年的研究历史，它的水平与起点已相当高。在这种情况下，必须采用新思路、新方法。
综观解决柴油机的NOx与碳黑微粒的各种研究可以发现，凡是使NOx减少的各种措施都使碳黑微粒增加，反之亦然。也即它们是相互矛盾的。要同时降低NOx与碳黑微粒的排放不是一件容易的事。目前做得较好的是增压一中冷方案，及日本的MK燃烧新概念，前者是可使碳黑微粒大幅度下降，但NOx排放量基本不变。日本的方案则正好相反，即可使NOx排放量大幅度下降，但碳黑微粒排放量基本不变。然而两者的实施方案都较复杂，价格较贵。目前只有一种方法能使两者同时下降。这就是油掺水燃烧。尽管对柴油机中油掺水燃烧已研究了几十年，但一直没有取得突破性进展。因此，对此技术，多数研究者持否定态度。本发明人认为，过去关于油掺水燃烧技术在柴油机中应用失效的原因，主要在于(1)乳化油易分层，无法付诸实用。有人为了解决这一问题，将精力放在乳化剂的研究上，尽管有所改进，但价格很贵，结果造成节油不节钱的状况，使用户无采用它的积极性。至今为止，乳化油的油、水分层问题仍未得到解决。再加上乳化油易使气缸腐蚀及易稀释润滑油等弊病。一句话，乳化油的实用化问题没有得到认真的解决，因此大家对它失去了信心。(2)尽管乳化油能同时降低NOx和碳黑微粒，同时还有一定程度的节油效果，但它在燃烧技术上存在着难以克服的问题，例如，实验表明，NOx和碳黑微粒下降量通常与掺水量成正比，这样，掺水量少了，其降污的效果不大；掺水量大了，其着火延迟时间增长，轻者引起敲缸或粗爆运行，重者则不能使燃料着火、燃烧。长期来研究者无法解决这一难题。因此个别国家(如法国)为了充分发挥油掺水燃烧对柴油机降污的作用，只掺了13％的水，尽管效果不能令人满意，但还是在降污方面起了一定作用。
由于上述两个原因，这项对环保与节油都有益的油掺水燃烧技术，一直无法在柴油机中得到应用。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种柴油机的清洁燃烧方法，可同时大幅度降低氧化氮及碳黑微粒排放，且具有节油又节钱，使用安全、可靠的优点。
本发明提出的一种柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧的方法，其特征在于，包括下列各步骤(1)在通常柴油系统的活塞泵的进油端并联一个乳化油系统，该乳化油系统包括由管道相连的滤油器、静态乳化器、乳化油泵及装有按比例配好的乳化油的乳化油箱；(2)在所说的活塞泵的汽缸盖、活塞顶部采用等离子或火焰喷涂法涂上一层镍基催化剂；(3)用柴油系统启动待汽缸壁热后，再转换成乳化系统供油。
本发明还可包括停车前几分钟再转换成柴油系统供油的步骤。
本发明所说的的乳化油可为在线配制的乳化油。
所说的的乳化油的配比为油∶水＝1∶0.15。
所说的的乳化油中还可加有表面活性剂。
本发明的原理及特点(1)用在线制备乳化油的方法替代了事先制备；启动与停车前几分钟均采用柴油。这样，就解决了实用化的问题。由于随用随制备，就不存在乳化油的储存问题，也就不存在油、水分层问题，从而保证了使用的安全、可靠。由于无须考虑乳化油的储存问题，因此可采用任何廉价的乳化剂，这就解决了节油不节钱的问题。另外，由于用柴油启动，就不存在启动难的问题；由于停车前切换成柴油燃烧，这样保证了乳化油始终不以液体状态与缸接解，这就避免了气缸被乳化油腐蚀，润滑油也不会被乳化油所稀释。因为以蒸汽状态存在的水是不会对气缸和润滑油有任何影响的。
(2)本发明另一个突破在于用高掺水率的催化燃烧代替了微爆效果。如前所述，要大幅度降低NOx与碳黑微粒的排放，必须加大掺水量，例如采用油∶水＝1∶1的高掺水率。如果在这样高的掺水率水下仍能维持柴油机的正常着火、燃烧，则①NOx将大幅度下降。这是因为掺水量的增大，使气缸内温度及氧浓度下降，这都将使NOx大幅度下降；②大量的水蒸汽的存在，使气缸缺氧区(这是碳黑微粒产生的重要原因，因为在快速运动的气缸内很难保证油—空气之间的理想混合)发生反应，从而有效抑制了碳黑核心的产生和生长，使碳黑微粒大幅下降，并使燃烧效率有所提高；③在保证油、水、空气混合物的快速着火、燃烧的条件下，则由于水快速发成了水蒸汽，它一方面部分弥补了由于气缸温度下降而使气缸压力的下降。另一方面，处于高温、高压状态下的水蒸汽与高温燃气一样也会推动活塞作功(这就是蒸汽机原理)，它部分地代替了油燃烧产物做功，这是油掺水节油的重要原因之一。
但是，如何使在掺水量较大的情况下，仍能保证发动机正常着火、燃烧，乃是其关键所在。本发明采用了油掺水催化燃烧以强化燃烧(而并非靠乳化油的微爆)，再辅以下述切实可行的技术措施，取得了成功。
第一，采用等离子喷涂(或火焰喷涂)方法将廉价的催化材料喷涂在活塞顶部及气缸端部，用燃料—水蒸汽重整催化反应来改善乳化油的着火、燃烧特性。
由于H2的热值高，扩散系数，火焰传播速度大，反应速率大，因此将对燃烧过程产生良好的影响。但H2从何来？用外界向气缸中注入氢，没有实用价值。如果能设法在燃料与空气的燃烧过程中自身产生H2气，这将具有普遍意义。燃料与水蒸汽的重整催化反应就能起到这种效果。即在燃烧室的局部地方涂上廉价的催化剂，有水蒸汽存在的条件下，在较低温度下就能在催化剂表面发生重整反应，连续不断地使一部分燃料与水蒸汽中的H2释放出来，这部分H2混入尚未燃烧或正在燃烧的燃料—空气混合物中，就能显著地改善燃料的着火、燃烧。由此可见，这时水是保证产生H2的必要条件，而并非像传统的乳化油燃烧那样，水是为了保证油珠的微爆。本发明根据对微爆问题的理论研究表明，柴油机中的微爆是很微弱的，因此靠微爆来改善柴油机的燃烧是不现实的，有微爆发生当然好，但这里改善燃料的着火、燃烧特性，主要靠H2的发生及其参于燃烧，而并非靠油珠的微爆。这就跳出了80年代前研究油掺水燃烧的老框框，是油掺水燃烧的新发展。
实验与理论分析表明，由于重整催化反应的存在，只要在催化剂表面上少量的H2气(约5％)，就可使着火温度下降100℃-250℃，这样，可望在掺水量增加的条件下，用降低着火温度的方法，保证气缸内混合气能正常着火、燃烧，不会造成敲缸或粗爆运行。而产生5％的H2是现实可行的。而且，由于碳在催化剂表上与水易发生反应，因此不易在催化剂表面形成积碳而使催化剂失效。
第二，乳化油用在线乳化装置制备。将水与油一起注入一容器中，并添加任意廉价的表面活性剂，通过齿轮泵及静态乳化器，即能制备成乳化油供喷咀使用。当柴油机停车时，在线乳化装置也停止工作，这时油、水可能很快分层，但不影响使用。实验证明这种乳化方法，简单、实用、可靠。
第三，油路采用双油路，即原有的柴油系统不变，另加一条在线乳化油路。启动时及到达目地之前几分钟，切换成柴油系统。这样可保证乳化油的液体不与气缸及润滑油接触，避免了乳化油对气缸的腐蚀及使润滑油的稀释。
附图简要说明
图1为本发明的一种实施例供油系统示意图。
本发明的一种实施例结合附图详细说明如下1.柴油机性能型号S195型式四冲程蒸发水冷卧式简接喷射燃烧室缸数1功率8.8千瓦2.供油系统及操作过程本实施例的供油系统如图1所示。虚线以内是原柴油机供油系统。虚线以外是新加的在线乳化系统。原柴油机供油系统包括柴油箱6、滤油器5、柱塞油泵11、喷油咀9，以及进柴油阀1、回油阀3；在线乳化系统包括滤油器5、静态乳化器10、乳化油泵8、乳化油箱7，以及进乳化油阀2和回油阀4。
采用等离子喷涂方法将廉价的催化材料(商用牌号为Z409)喷涂在活塞顶部及气缸端部。该喷涂方法可不使催化剂失活，并与气缸有牢固的结合力。
操作过程打开阀门1、3，关闭阀门2、4，启动柴油系统用柴油供入喷咀，同时启动油泵8，使在线乳化系统同时投运。水与油按重量比1∶1事先倒入油箱7，并添加任意廉价的表面活性剂，如家用洗涤灵。油、水混合物通过泵8，一部分进入静态乳化器，经乳化器后的乳化油，一部分供喷油咀用，喷入气缸。多余部分回至乳化油箱。由于泵8的流量较大，因此大部分乳化油回至乳化油箱7。这样，只要在线乳化系统投运，则乳化油箱7中一直维持着乳化状态。
柴油机经用柴油运行1-2分钟后，可打开阀门2、4，关闭阀门1、3，这时，乳化油供入喷咀，即乳化油在气缸中开始燃烧。
3.试验结果柴油机切换成油∶水＝1∶1的乳化油后，照样可以稳定运行，且功率保持不变，这是经反复试验证实了的。
当烧柴油时，功率为7.6KW时，其NOx＝600ppm；转换成乳化油时，在同样功率下，约为NOx＝80ppm，NOx下降了约85％左右；排放温度下降约70-80℃。
烧柴油时，当油门加速时，冒出浓浓的黑烟；当转换成乳化油燃烧时，在同样的功率下，同样使油门加速，黑烟基本消失，效果十分明显。
因此，试验表明，该技术路线能确保发动机在高掺水率下的运行与纯柴油运行时一样稳定。且达到了同时大幅度降低NOx与碳黑微粒排放的目标。
权利要求
1.一种柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧的方法，其特征在于，包括下列各步骤(1)在通常柴油系统的活塞泵的进油端并联一个乳化油系统，该乳化油系统包括由管道相连的滤油器、静态乳化器、乳化油泵及装有按比例配好的乳化油的乳化油箱；(2)在所说的活塞泵的汽缸盖、活塞顶部采用等离子或火焰喷涂法涂上一层镍基催化剂；(3)用柴油系统启动待汽缸壁热后，再转换成乳化系统供油。
2.如权利要求1所述的柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧的方法，其特征在于，还包括停车前几分钟再转换成柴油系统供油的步骤。
3.如权利要求1或2所述的柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧的方法，其特征在于，所说的的乳化油为在线配制的乳化油。
4.如权利要求1或2所述的柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧的方法，其特征在于，所说的的乳化油的配比为油∶水＝1∶0.15。
5.如权利要求1或2所述的柴油机中同时降低氧化氮及碳黑微粒排放的清洁燃烧的方法，其特征在于，所说的的乳化油中还加有任意廉价的表面活性剂。
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域,本发明包括:在通常柴油系统的活塞泵的进油端并联一个乳化油系统,该乳化油系统包括由管道相连的滤油器、静态乳化器、乳化油泵及装有按比例配好的乳化油的乳化油箱;在所说的活塞泵的汽缸盖、活塞顶部采用等离子或火焰喷涂法涂上一层镍基催化剂;用柴油系统启动待汽缸壁热后,再转换成乳化系统供油。本发明可同时大降低氧化氮及碳黑微粒排放,且具有节油又节钱,使用的安全、可靠的优点。
文档编号F02M25/025GK1275677SQ0010943
公开日2000年12月6日 申请日期2000年6月23日 优先权日2000年6月23日
发明者傅维镳, 周雁, 李长乐 申请人:清华大学