CN1775931A

CN1775931A - 燃油添加过氧化氢助燃剂复合燃烧方法

Info

Publication number: CN1775931A
Application number: CN 200510047932
Authority: CN
Inventors: 王晓鸣; 邹宗树; 战可运
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2006-05-24

Abstract

本项发明为一种燃油添加助燃剂提高燃油燃烧效率的方法。主要特征是向燃油燃烧室内喷入经过雾化后的过氧化氢水溶液。可以同时收到提高燃油利用率并降低有害气体如NO_X等的排放量的双重效果。具体应用在燃油发动机上，通过输送、控制和分解汽化装置汽化后和已经汽化的油气混合气一同喷入到发动机的燃烧室内，使得燃油燃烧效率有了明显的提高。

Description

燃油添加过氧化氢助燃剂复合燃烧方法

技术领域

本项发明属于燃油节能技术领域，具体说是一种燃油添加助燃剂提高燃油燃烧效率的方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，对于能源产生了巨大需求，特别是国内汽车保有量的迅速提高，汽车燃油的需求更是呈爆发性增长态势，从而使我国快速进入了世界能源消耗大国的行列。与此同时，能源消耗也带来了相关污染物排放量的急剧增加，造成各大中城市及其周边的大气环境严重恶化。因此，如何积极拓宽代用燃料，更经济更清洁使用石油资源，是关系到我国乃至于人类社会能否可持续和谐发展的严峻课题。

燃油添加助燃剂可以提高燃烧效率，节约燃油并降低污染物排放，这在国内外早已为人们所了解。其中燃油掺水技术正在得到广泛开发，并在内燃发动机上得到了试验应用。水本身不燃烧，内燃发动机使用含水燃料之所以节能，不是水代用了燃料，而是促进了燃烧，使原有的燃烧更完善。水在气缸高温高压燃烧中会产生大量的H、O和HO等原子、自由基，这些物质大大活化了整个燃烧过程。一是利用自身分解氧充分助燃，抑制了未燃碳的产生，促进其完全燃烧，从而节省了燃油：二是利用水在固体和液体中比热最大的特性迅速吸收动力零部件热量而减少澎胀性磨擦，降低了自耗功而节省燃料，增加功率。而且由于燃烧产物中水蒸气含量增加，其优良的吸热特性使燃烧产生的高温持续时间缩短，破坏了NOx生成的热力学条件，因而大幅度降低了NOx的排放。三是可减少局部高温缺氧脱氢裂解烃类结成炭颗粒，使燃烧室内各壁面和喷油头、火花电极等突出部位温度均化，从而保证工作系统始终于良好环境状态下，达到降耗目的。四是促使二次雾化。由于水比油沸点低而在燃烧初期首先得到汽化，汽化过程中因其压力和体积迅速变化而产生微爆效应，使未燃混合物在进入燃烧室之后得到了的二次雾化混合，这种两次雾化混合，使得燃油燃烧更加完全，不但提高了燃料的燃烧利用率而且减少了CO、HC等不完全燃烧产物的产生。

人们把含氧量大于20.93％的空气叫做富氧空气。富氧燃烧是利用富氧空气代替空气作为辅助燃料参与燃烧的节能技术。由于其节能效果显著，近年来在各种工业窑炉上得到了广泛应用。通常空气中氧的含量为20.93％，其余成分为氮(78.1％)及少量惰性气体等，真正参与燃烧的氧只占空气总量的1/5左右，而占空气总量4/5的氮气和其他惰性气体非但不能燃烧，在燃烧器内经大幅度升温后随着高温烟气排出还要带走大量的热能。采用富氧燃烧可明显缓解改善上述过程，提高燃烧效率进而起到节能降污的作用。其机理是：

1.可提高燃烧速度，降低燃料的燃点。如氢气在空气中的燃烧速度最大为280cm/s，在纯氧中为1175cm/s，是在空气中的4.2倍，天然气则高达10.7倍。用富氧助燃，可缩短燃烧时间、提高燃烧速度和燃烧强度、使燃烧更加完全，从而提高燃烧率，并从根本上抑制了CO、HC等不完全燃烧产物的生成。二是降低了燃料的燃点温度，如CO的燃点在空气中为609℃，在纯氧中仅388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃点，提高火焰强度、增加能量释放等。

2.可增加热量利用率，减少燃烧产物排放量。首先，由于富氧助燃气体中氧含量增高以及氮含量下降强化了燃烧过程，可以显著提高燃烧过程的热量利用率。经传热学计算，如用普通空气助燃，当燃烧室温度为1300℃时，可利用的热量为42％；而用26％的富氧空气助燃时，可利用热量为56％，热量利用率可增加14％，而且富氧浓度越大，燃烧温度越高，热量利用率增加的比例就越大，节能效果就越明显。其次，由于富氧空气中氮气含量及其供给总量的减少，故使燃烧产物的排放总量减少，因此而产生的排放热损失也相应减小，一般氧浓度每增加1％，燃烧产物排放量约下降2-4.5％。

如前所述，燃油掺水燃烧技术和富氧燃烧技术都具有能提高燃烧效率，节约燃油降低污染物排放双重效果。但是需要指出的是，二者也都存在其各自的不足之处：对于燃油掺水燃烧技术，由于水的加入而形成了部分有利因素，但从能量平衡来看，整个燃烧体系的功率没有明显提高，而且当水的加入比例达到某一数值后，燃烧体系的功率将随水的加入量的增加呈下降趋势。对于富氧燃烧技术而言，虽然有由于富氧空气的加入提高了整个燃烧体系的燃烧速度和燃烧强度以及燃烧温度进而提高了燃烧体系的功率和热效率，并且抑制了CO、HC等不完全燃烧产物的产生等有利因素，但由于燃烧室温度的升高及其持续时间的延长，强化了NOx生成的热力学条件，导致了燃烧产物中NOx的含量增加的弊端。

以上分析可见：燃油掺水燃烧技术和富氧燃烧技术即有可提高燃烧效率、节约燃料的共同优势，又有使燃烧体系的功率不足和NOx排放含量增加的劣势。

本项发明的目的是要研究一种可以使燃油掺水和富氧送气同时进行的复合燃料燃烧技术，按照燃油掺水的思路，在燃油中加入一种新的添加剂，使其能够同时实现上述二种方式共同作用于燃油燃烧过程的有关功能。按照上述目的，新发明的技术要一方面实现富氧，从而为内燃发动机带来功率的提升弥补因掺水燃烧引起的动力下降，另一方面也要有水的加入，使得能够降低因富氧燃烧而产生的高温及其持续时间，从而抑制NOx的生成。基于上述设想，按着燃油掺水富氧复合燃烧的思路作出了本项发明。

发明内容

为了实现燃料燃烧助燃并降低有害气体环境污染的发明目的，发明者进行了广泛的调查和研究，并选择内燃发动机为动力的车载移动式燃烧设备作为主要应用对象进行具体的探讨，这是因为能够满足车载移动式燃烧设备实现燃油掺水富氧复合燃烧技术的添加剂也一定能够满足其他设备实施燃油掺水富氧复合燃烧技术对于同类添加剂的需求，这是因为该类设备实施燃油掺水富氧复合燃烧技术具有一定的特殊性，主要表现在：其一受车载空间约束，要求新增的储存装置、输送供给系统等的体积不能过大；其二，考虑到移动式燃烧装置负载工况多变的特点，对燃烧装置的控制精度和响应时间要求的较高。基于上述考虑，可以对适于移动式燃烧装置实现燃油掺水富氧复合燃烧技术的燃烧反应工质(以下简称添加剂)提出基本要求：

1.须为溶于水的高含氧非金属化合物；在常温常压条件下具有稳定的化学性质；在适当的催化条件下可以分解释放出氧气；化合物的其他成分可以完全燃烧，化合物本身及其燃烧产物对生态环境无不良影响。

2.该化合物及其水溶液在常温常压下应具有良好的流动性，易于储存输送和使用；水溶液在一定浓度范围内应具有较高的沸点和较低的冰点，以适应大部分地区四季温度的变化。

3.化合物应易于制取，并适于以较低的成本大规模工业生产；且生产工艺过程符合环境要求。

根据以上基本要求，通过对甲醇、乙醇、甲醚、过氧化氢(H₂O₂)等多种化合物的物理化学性质进行对比分析发现，过氧化氢的水溶液(以下简称过氧化氢溶液)是符合以上基本要求的理想添加剂。这是因为：首先，过氧化氢是氧与水的统一体，其分子量中氧的分率为32/34，具有高氧的特性；其次，过氧化氢易于催化分解释放出氧气，与C、H₂发生完全燃烧反应后其燃烧产物除CO₂和H₂O以外无其他物质，是清洁的氧化助燃剂。

因此，本项发明与以往燃油燃烧过程中掺水属于同一种技术领域，即均为燃油添加助燃剂的燃油助燃方法，其特征是将过氧化氢溶液作为添加剂通过一定输送、控制和分解汽化装置经汽化后喷入到燃烧设备的燃烧室内，以此增加混合油气中的氧、氢等助燃易燃气体的含量，从而提高燃烧效率，减少有害气体的排放。

用过氧化氢代替水实施富氧复合燃烧技术，可适用于所有燃油掺水的场合，其中对于液态或气态燃料的燃烧效果将更加明显。若使用气态或液态燃料，可以采用燃料和助燃剂过氧化氢各自独立储存，按比例向燃烧室供给分解汽化后的过氧化氢的燃烧方式实现。

附图说明

附图1是本项发明所实现的方法应用到车载内燃发动机时所用具体装置的示意图。

如附图1所示，本项发明所实现的方法应用到车载内燃发动机时，所使用的具体装置主要由存储箱1、液体管道2、供液阀3、流量控制单元4、逆止阀5、催化分解汽化单元6、进气歧管7、内燃发动机控制信号输出装置9组成，图中其他为内燃发动机汽缸8、气体管道10、油雾混合气11、含水富氧油雾混合气12等；其中存储箱1、供液阀3、流量控制单元4、逆止阀5、催化分解汽化单元6、均通过液体管道2串联在一起，催化分解汽化单元6与进气歧管7则通过气体管道10连接，流量控制单元4的控制端接于内燃发动机控制信号输出装置9。工作时，过氧化氢水溶液由存储箱1经液体管道2流经供液阀3后，被输送至流量控制单元4，流量控制单元4根据内燃发动机控制信号输出装置9提供的控制信号，输出与内燃发动机转速相匹配流量的过氧化氢水溶液，经过逆止阀5进入催化分解汽化单元6内进行催化加热，使之分解汽化，得到氧气和水蒸气的混合体，经过气体管道10进入进气歧管7，与由内燃发动机供油系统所产生的油雾混合气11充分混合后形成含水富氧油雾混合气12被吸入内燃发动机汽缸8内进行燃烧。

在上述的车载内燃发动机用装置中，供液阀3为一种普通阀门，是为便于维修而设置的，工作时打开供液阀，则系统处于掺水富氧复合燃烧状态；维修或暂时无过氧化氢溶液时，可以关闭，则内燃发动机进入没有添加剂的平常工作状态。流量控制单元4为一个可以调节流量的受控阀门，控制信号取自于内燃发动机转速信号或者是内燃发动机真空度信号。当内燃发动机处于非工作状态时，内燃发动机控制信号输出装置9无控制信号输出，阀门处于关闭状态，过氧化氢溶液无法进入后级逆止阀5、及催化分解汽化单元6内，当内燃发动机处于工作状态时，内燃发动机控制信号输出装置9输出信号，阀门处于开启状态并根据输出的控制信号的大小，实时改变流过阀门的过氧化氢溶液流量，以适应内燃发动机在不同的工作转速时对过氧化氢溶液流量的需求。逆止阀5是为了防止过氧化氢水溶液在分解汽化后体积和压力增大产生逆流对前级产生干扰而设置的。催化分解汽化单元6是一个容积很小且具有快速加热能力的恒温反应容器，其中盛有MnO₂催化剂，当过氧化氢溶液从入口进入反应容器后，由于合适的温度和催化剂的共同作用，发生激烈分解反应，生成水蒸气和氧气从出口处排出。内燃发动机控制信号输出装置9的输入信号取自于内燃发动机转速仪表的电压信号或进气管道中的气压信号，它们均与内燃发动机的转速具有一定的对应关系，经适当处理后输出控制信号驱动流量控制单元4。

过氧化氢俗称双氧水，化学式H₂O₂，分子量34。纯净时为淡蓝色粘稠液体，呈弱酸性。密度1.465，熔点-0.41℃，沸点150.2℃，无臭。能与水、乙醇、乙醚等以任意比例混合。常温时纯过氧化氢及其溶液相当稳定，当加热到一定温度时就会发生激烈分解，生成水蒸气和氧气。利用过氧化氢溶液的这一性质，将盛在容器中的过氧化氢经过触媒加热，使之成为氧气和水蒸气的混合气，然后加入到已经被汽化的燃油气中即可实现前述的燃油掺水富氧复合燃烧的技术效果。

本发明技术具有如下突出特点：

1.本发明可以同时实现燃油燃烧过程中的富氧和掺水，既能提高燃烧效率，节约能源，又能减少有害气体排放，保护环境；

2.实施工艺简单，增加的装置结构简单，易于制造和安装，对于各种内燃发动机而言，较容易实施。

3.本项技术所使用的添加剂过氧化氢水溶液的化学性质十分稳定，无毒无味，不易分解挥发，可在常温常压条件下安全使用以及用常压容器运输和保存。

4.合适浓度的过氧化氢水溶液具有沸点高于100℃，冰点低于-18℃的液态温度区间，可以适合各种气温条件的要求；

5.过氧化氢的低成本大规模工业生产技术非常成熟，其销售价格远低于各种燃用成品油。而且其产能巨大，仅我国就有超过1000万吨/年的生产能力，产量居世界首位，可为进一步扩展其应用空间提供物质保障；

本项发明为内燃发动机节能能耗和减少空气污染提供了又一途径。这在目前燃油价格飚升、环境要求苛刻的时代，实施本项技术显得尤其重要。

具体实施方式

本项发明已经实验实施。在一辆排气量为2237(ml)的四冲程、化油器式直列四缸汽油内燃发动机手动变速四轮驱动越野车上，装备了如附图1所示的适于不同工况条件下过氧化氢水溶液的定量添加及充分汽化分解参与燃烧装置，其中流量控制单元4使用摩托车常用的真空度控制油开关并串接适当口径的量孔组成，真空度控制信号取自车辆真空管路并通过管路与开关的控制端连接。当内燃发动机处于非工作状态时，真空度控制开关处于关闭状态，无过氧化氢水溶液流过；当内燃发动机处于工作状态时，车辆真空管路输出负压信号，真空度控制油开关处于开启状态，由于量孔的存在限制了过氧化氢水溶液的流量并可根据进气歧管7中真空度的变化输出与其相适应流量的过氧化氢溶液，从而实现不同工况条件下过氧化氢水溶液的定量添加。催化分解汽化单元6采用自制不锈钢管式反应器，内部盛有MnO₂催化剂且装有恒温电加热装置，以保证入口流入反应器的过氧化氢溶液能够得到充分汽化分解后参与燃烧。考虑到便于比较，车辆未安装尾气净化设备。采用适于低成本，低能耗，大规模工业化生产且安全性能稳定的27％的工业用过氧化氢水溶液为添加剂。

为了降低道路及环境条件变化而可能产生的实验数据误差且保证实验尽可能接近车辆实际使用环境，选用城郊一级公路50公里往返两次，进行实验和对照各一组的油耗及动力性实验数据采集，污染物排放测试依托机动车辆检测场所进行工况检测。

经过实验共获得两组数据，即：加入过氧化氢添加剂所得的实验组数据和未添加过氧化氢所获得的对照组数据。

(1)油耗对比

表1中行驶里程，行驶时间，汽油/过氧化氢水溶液消耗是实验和对照两组实验测得的数据，单位油耗和平均速度是对实测数据进行计算整理得到的，由表1可见，实验组比对照组单位油耗下降了17.4％，具有明显的节油效果。

油耗数据对比分析表1

组别	行驶里程(KM)	行驶时间(MIN)	平均速度(KM/H)	汽油/双氧水消耗(L)	单位油耗(L/100KM)
组别	行驶里程(KM)	行驶时间(MIN)	平均速度(KM/H)	汽油/双氧水消耗(L)	单位油耗(L/100KM)	对照组	100.3	89	67.6	10.8/0	10.76
实验组	100.1	92	65.4	8.9/2.4	8.89	对照组	100.3	89	67.6	10.8/0	10.76

(2)动力性能对比

在油耗对比测试过程中，已经注意到了由于双氧水的加入而带来的整车动力性能显著提升。车辆行驶中发现，在相同的节气门开度条件下，车辆在全部变速范围内整体有一个挡位的动力性能提升。在长距离爬坡测试中，实验组可以用最高挡位爬过的长坡，对照组必须在坡路的后三分之一路程降低一个挡位才行。三，四挡位最低稳定车速也由对照组的15KM/H，25KM/H降低到实验组的12KM/H和20KM/H。

(3)污染物排放对比

由于使用了化油器供油方式，无尾气净化装置的车辆，方便了测试和调整，使得污染物排放对比测试更加容易和直观，可以利用机动车辆检测场所的检测设备进行初步定性测试。首先，通过调整化油器使混合气变浓，对尾气进行对照组测试，测试结果为，在怠速和高怠速二种工况下，CO，HC超出国家标准，NOx符合国家标准。然后开启双氧水供液阀，使内燃发动机工作于掺水富氧复合燃烧模式，进行实验组测试，在以上二种工况下，CO，HC，NOx均符合国家标准。其次，调整化油器使混合气变稀，重复上述测试，测试结果为，对照组NOx超出国家标准，CO，HC符合国家标准。实验组CO，HC，NOx均符合国家标准。

经实施检验可以说，利用过氧化氢水溶液实现内燃发动机掺水富氧复合燃烧的方法是一种可以改善内燃发动机综合性能的有效手段，采用该种方法可以明显改善内燃发动机的燃料消耗、动力性能以及污染物排放等主要性能指标。在无须改变现有内燃发动机结构的前提下增加少量装置即可以广泛应用于各种燃料和结构的内燃内燃发动机，也可应用于其他非热机类燃烧装置，具有良好实用价值和广阔的推广前景。

Claims

1.一种燃油添加助燃剂提高燃油燃烧效率的方法，其特征在于通过输送、控制和分解汽化装置将过氧化氢水溶液汽化分解后喷入到燃烧设备的燃烧室内。

2.根据权利要求1所说的提高燃油燃烧效率的方法，其特征在于方法中所说的输送、控制和分解汽化装置是由存储箱1、液体管道2、供液阀3、流量控制单元4、逆止阀5、催化分解汽化单元6、进气歧管7、内燃机控制信号输出装置9组成，其中存储箱1、供液阀3、流量控制单元4、逆止阀5、催化分解汽化单元6、均通过液体管道2串联在一起，催化分解汽化单元6与进气歧管7通过气体管道10连接，流量控制单元4的控制端接于内燃机控制信号输出装置9。

3.根据权利要求1所说的提高燃油燃烧效率的方法，其特征在于方法中所说的输送、控制和分解汽化装置中的供液阀3是一种普通阀门。

4.根据权利要求1所说的提高燃油燃烧效率的方法，其特征在于方法中所说的输送、控制和分解汽化装置中的流量控制单元4为一个受内燃机控制信号输出装置9控制的可调节流量的受控阀门。

5.根据权利要求1所说的提高燃油燃烧效率的方法，其特征在于方法中所说的输送、控制和分解汽化装置中的催化分解汽化单元6是一个容积很小且具有快速加热能力的恒温反应容器，其中盛有MnO₂催化剂。

6.根据权利要求1所说的提高燃油燃烧效率的方法，其特征在于方法中所说的输送、控制和分解汽化装置中的内燃机控制信号输出装置9的输入信号可取自于内燃机转速仪表的电压信号或进气管道中的气压信号。