[发明专利]柴油机乳化节油燃烧方法

说明书

技术领域

本发明属于燃烧节能技术领域，尤其涉及柴油机油掺水节能燃烧技术，同时也涉及柴油机低碳烟排放和降低Nox排放的清洁燃烧技术。

背景技术

当前油价昂贵，许多人为不断上涨的油价而担忧，因此研究开发出既省油，又对环保有好处的汽车发动机已势在必行。

理论与实验研究均证实，油掺水燃烧既有节油效果，又有环保效果。尽管对柴油机中油掺水燃烧已研究了几十年，但一直未能在柴油机中推广、应用。究其原因，主要有两个难题，一是油、水易分层的问题难以解决；二是掺水量少了效果不明显，掺水量大了，不易启动，启动后不易稳定运行。再加上油掺水燃烧在柴油机中节油量不大，约5％～7％，这样的节油率只能支付购买乳化剂的费用，尚不能吸引用户。这是柴油机乳化燃烧至今不能推广应用的主要原因。中国发明专利申请00120786.5提出了一种在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，为油掺水燃烧在柴油机中的推广应用提供了一种可实际应用的技术方案。该技术的主要特点是：(1)采用“在线”乳化方法解决了油、水分层的难题。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，随用随制备。由于乳化器离喷咀距离很短，几十秒钟即可将油喷入气缸内，这样就不存在油、水分层问题，使用方便、可靠。由于不存在保存时间问题，因此可用任何廉价的乳化剂，解决了节油不节钱的问题。(2)采用催化的强化燃烧方法，即在活塞泵的气缸盖、活塞顶部采用等离子或火焰喷涂法涂上一层镍基催化剂，有效解决了在高掺水率情况下不易启动，启动后不易稳定燃烧的问题。(3)先用柴油系统启动待气缸壁热后再转换成乳化油系统供油。

上述专利技术改变了油掺水燃烧在柴油机中无法应用的现状，跳出了长期以来研究者对油掺水燃烧的老框框，起到了不仅能大幅度降低氧化氮及碳黑颗粒排放的效果，而且有一定的节能效果。但该技术由于采用了催化强化燃烧，需要等离子或火焰喷涂设备，致使投资增加，成本有所提高；因此在推广应用方面受到了一定的影响。

如何使柴油机中的乳化燃烧既能起到环保作用，又能大幅度降低油耗，经济、实用，特别对于农机柴油机而言，节油则是更主要的。

长期来，许多研究者在研究柴油机的乳化燃烧时，将其节油的原因都千篇一律地用乳化油珠的“微爆”或二次雾化来解释，这是不合理的。由于受这一理论的束缚，导致自柴油机的乳化燃烧研究以来一直未获实质性的进展。本发明人通过对柴油机内燃烧过程的多维计算与实验分析，柴油机中乳化油的微爆是有的，但它十分微弱，且决不是油珠的二次雾化。乳化燃烧引起节油大致可归为以下三方面的原因：(1)掺水的结果必然导致喷油量(乳化油)的动量和穿透深度的增加(因为高压下水的蒸发速率减小，这样，水带着油射得更远)，这就加强了油雾射流对缸内空气的卷吸作用，即加强了油雾与空气的混合，因此强化了燃烧，但并非是微爆缘故，它使油雾燃烧的放热速率提高了，放热区更集中了，并更靠近上止点，这样其做功能力更强。掺水燃烧之所以节油，其主要原因就在于此，因此掺水燃烧的结果，决不是使燃烧效率有多大的提高(当然有所提高)，而是使其能量尽可能在高压下(越靠近上止点越好)释放出来，这样其做功能力增强了，其油耗必然降低。但掺水量的增大会使着火延迟时间增长，其着火变得困难，因而常引起敲缸等粗暴运行的情况发生，这是不正常的。过去许多人为了解决油掺水引起的敲缸现象，使用调整喷油提前角的方法来消除敲缸现象，结果敲缸现象虽消除了，但活塞的作功能力也降低了。原因在于柴油机的喷油提前角是在出厂前早已调整好了的，它保证了在该喷油提前角的条件下可达到油耗最小。当将喷油定时向上止点移时，虽然着火容易了，敲缸现象被消除了，但由于喷油时间是一定的，即喷油持续时间是不变的，因此整个喷油过程往后移了，致使放热区的位置远离了上止点，即移向较低压力区进行放热，也就是说在活塞膨胀过程中还在继续向气缸中喷油，可见这时活塞对外作功的能力就大大减小了，因此表现为节油率不变。转速越高，则其影响越大。过去许多掺水燃烧实验的节油率仅有5％～7％左右，其原因就在于此。当然，若掺水率小，其燃烧强化的程度不高，这时尽管不会引起敲缸，喷油提前角也无须调整，但其节油率不会太高。(2)水由液体变成蒸汽时，其体积将大幅度增加，因此凡是油掺水燃烧不会因掺水后使缸内温度下降而导致缸内的压力下降，其压力与转角的关系，在掺水前后几乎变化不大。既然水蒸发后的蒸汽能使气缸压力维持不变，则高温高压的燃气、蒸汽都将推动活塞而作功，它代替了部分油燃烧产生的燃气所作的功，因此，凡是油掺水燃烧必然会使其油耗下降，这是其节能的第二个原因。(3)如前所述，水的蒸发及其蒸汽的升温都要消耗能量，还使排烟的排气质量有所增加，从而使排烟损失增加。然而，从另一方面看，凡是油掺水燃烧，都使气缸的平均温度下降，这样排烟损失就下降，对此两者的定量比较结果表明，其利大于弊。这是油掺水燃烧节油的第三个原因。