利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置和方法，属于新能源开发及废气再利用领域。本发明专利技术的装置包括反应系统、后处理系统和控制系统，反应系统包括发动机、燃料箱A和燃料箱B，两燃料箱分别用于向发动机气缸中喷入混有硝酸铁的乙醇、高反应性燃料，发动机气缸反应后的气体经后处理系统，实现碳纳米管的捕集；本发明专利技术为了保证碳纳米管的纯度和产量，气缸内的温度保持在800～1000℃、发动机的转速设置为500～1200r/min，当量比控制在0.4

【技术实现步骤摘要】
利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置和方法


[0001]本专利技术属于新能源开发及废气再利用领域，具体涉及一种利用双燃料反应性控制压燃发动机缸内燃烧火焰合成碳纳米管的装置和方法。

技术介绍

[0002]汽车作为一种逐渐普及的交通工具，其尾气排放的有害物质越来越受到人们的重视。柴油机作为汽车发动机的一种，在使用过程中存在噪声大、碳烟颗粒多等缺点，尤其碳烟颗粒的降低一直是研究重点。在添加纳米燃油添加剂后，虽然可以使一部分碳颗粒细化成纳米颗粒，但是纳米颗粒能够轻易穿过普通口罩，对人体造成极大的伤害。利用碳纳米管制备技术能够充分利用汽车所排放的尾气中的纳米碳颗粒，是解决我国现阶段环境问题的一个有效途径。
[0003]碳纳米管有着许多优异的性能，如较高的导电和导热能力，以及力学性能极强。自十九世纪对碳的研究不断深入依赖，碳纤维、碳纳米管等碳类纳米颗粒被不断合成、运用。目前，碳纳米管的制备方法主要有石墨电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法、火焰法等。碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，在能源领域可以制备具有高灵敏度的气体探测器，也能是较为理想的储氢材料；在生物医药领域，碳纳米管能作为很好地抗癌药物、生物成剂等运输至细胞内的有效纳米载体的制备研发，也可制作一系列生物诊断、制剂检测的生物探测器；在纳米机电领域，凭借着高力学性能，能制作出一系列碳纳米管基分子齿轮、纳米高频谐振器以及纳米驱动器等机电器件。火焰法是利用催化剂，如Ni、Fe等，催化火焰燃烧过程中的碳纳米颗粒生长为碳纳米管，当温度为700℃左右时，纳米碳颗粒最适合向碳纳米管生长。发动机在RCCI燃烧中产生大量的CO可作为碳源，同时生成的其他污染物较少。传统火焰法制造碳纳米管不具备连续、批量生产的条件，火焰的使用具有安全隐患，其排放气体难以处理容易污染大气。如果作为单纯制备碳纳米管缺乏经济性，因此在工业生产上有较大的缺陷。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种利用双燃料反应性控制压燃发动机缸内燃烧火焰合成碳纳米管的装置和方法，不仅能提高发动机的经济性，改善发动机的燃烧特性，减少排放污染物的生成，还能通过高附加值碳纳米材料的生产，极大的降低发动机的综合运行成本。
[0005]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置，包括：
[0007]控制系统，包括ECU以及与ECU信号连接的冷却液温度传感器、压力传感器和曲轴位置传感器；
[0008]反应系统，包括发动机、燃料箱A和燃料箱B，发动机分别与燃料箱A和燃料箱B连通，所述燃料箱A中装有高反应性燃料，所述燃料箱B中装有乙醇和硝酸铁粉末的混合物；
[0009]后处理系统，包括纳米管捕集器、空压机和金属滤网，压力传感器和纳米管捕集器沿排气方向依次在发动机的排气管道中，压力传感器处设有电磁阀A，电磁阀A和纳米管捕集器之间设有排气支管，且排气支管入口处设有电磁阀B，排气支管末端设有金属滤网；纳米管捕集器后端还设有电磁阀C，电磁阀C与纳米管捕集器之间设有空压机；电磁阀C后端设有与发动机进气管道连通的管道，且管道上设有EGR阀。
[0010]上述技术方案中，所述发动机的进气管道中沿进气方向依次设有空气滤清器和压气机。
[0011]上述技术方案中，所述压气机后部的进气管道中安装有燃料喷嘴A，燃料喷嘴A通过管道与燃料箱B连接。
[0012]上述技术方案中，所述发动机的气缸上安装有燃料喷嘴B，燃料喷嘴B与燃料箱A通过管道连接。
[0013]上述技术方案中，所述高反应性燃料为柴油或生物柴油。
[0014]上述技术方案中，所述发动机的排气管道末端设有废气涡轮。
[0015]一种利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的方法，具体为：
[0016]乙醇先喷入到发动机的气缸内，与空气形成混合气，在压缩终了阶段喷入高反应性燃料，反应后，进入到发动机排气管道中的碳纳米管被纳米管捕集器捕集；
[0017]所述乙醇中加入5000ppm的硝酸铁粉末；所述乙醇与高反应性燃料的消耗量比值为0.4
‑
0.67；
[0018]反应过程中，发动机气缸内的温度保持在800～1000℃，发动机的转速为500～1200r/min。
[0019]进一步，当温度低于800℃，减小柴油喷油提前角或者减小EGR率或者增大乙醇与高反应性燃料的消耗量比值。
[0020]进一步，所述喷油提前角的范围是
‑
40～
‑
25
°
，所述EGR率的范围是10～20％。
[0021]进一步，当压力传感器采集的数值变大时，ECU控制电磁阀A和电磁阀C关闭、电磁阀B和空气机打开，利用空气机和纳米滤网收集碳纳米管。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]本专利技术利用双燃料RCCI发动机，进气道喷射易挥发、低反应性的燃料乙醇，缸内喷射高反应性燃料(如柴油、生物柴油)，通过控制两种不同反应性燃料的喷射时刻(喷油提前角)、喷射量(当量比)，实现低温预混合燃烧，并形成最有利于碳纳米管生长的前驱体物质的浓度场、温度场、反应持续时间等条件，促进碳纳米管在缸内持续生长。本专利技术还选取硝酸铁粉末作为催化剂的前驱体物质，溶解于乙醇中；在进气道喷射的乙醇与空气的混合物进入气缸内，在压缩终了阶段，喷入一定量的高反应性燃料，实现RCCI燃烧；燃烧过程中，硝酸铁在高温下分解成Fe2O3，作为碳纳米管生长的催化剂，缸内硫化物为促进剂。燃烧过程中产生的大量CO作为碳源，燃烧放出的热量作为热源，在催化剂Fe2O3的作用下，形成碳纳米管；成形的碳纳米管随废气排出发动机，并在管道中被纳米管捕集器捕获；剩余排气经SCR处理后排入空气中，从而实现清洁排放；被捕获的碳纳米管可经纳米管捕集器反冲后回收、提纯，实现商业利用。本专利技术通过燃烧优化控制，实现碳纳米管的批量制备，不仅能提高发动机的经济性，改善发动机的燃烧特性，减少排放污染物的生成，还能通过高附加值碳纳米材料的生产，极大的降低发动机的综合运行成本。
附图说明
[0024]图1为本专利技术所述利用双燃料反应性控制压燃发动机缸内燃烧火焰合成碳纳米管的装置结构示意图；
[0025]图中：1.发动机、2.曲轴位置传感器、3.ECU、4.硝酸铁粉末、5.纳米管捕集器、6.SCR、7.燃料喷嘴A、8.EGR阀、9.压力传感器、10.冷却液温度传感器、11.压气机、12.废气涡轮、13.空气滤清器、14.燃料箱A、15.电磁阀A、16.耐高温金属滤网、17.空压机、18.乙醇、19.高反应性燃料、20.燃料箱B、21.燃料喷嘴B、22.电磁阀B、23.电磁阀C。
具体实施方式
[0026]下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0027]碳纳米管的商业化生产的生长条件极为苛刻，需要在一定的温度范围内，有着稳定的碳源，并有催化剂与促本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置，其特征在于，包括：控制系统，包括ECU(3)以及与ECU(3)信号连接的冷却液温度传感器(10)、压力传感器(9)和曲轴位置传感器(2)；反应系统，包括发动机(1)、燃料箱A(14)和燃料箱B(20)，发动机(1)分别与燃料箱A(14)和燃料箱B(20)连通，所述燃料箱A(14)中装有高反应性燃料(19)，所述燃料箱B(20)中装有乙醇(18)和硝酸铁粉末(4)的混合物；后处理系统，包括纳米管捕集器(5)、空压机(17)和金属滤网(16)，压力传感器(9)和纳米管捕集器(5)沿排气方向依次在发动机(1)的排气管道中，压力传感器(9)处设有电磁阀A(15)，电磁阀A(15)和纳米管捕集器(5)之间设有排气支管，且排气支管入口处设有电磁阀B(22)，排气支管末端设有金属滤网(16)；纳米管捕集器(5)后端还设有电磁阀C(23)，电磁阀C(23)与纳米管捕集器(5)之间设有空压机(17)；电磁阀C(23)后端设有与发动机(1)进气管道连通的管道，且管道上设有EGR阀(8)。2.根据权利要求1所述的利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置，其特征在于，所述发动机(1)的进气管道中沿进气方向依次设有空气滤清器(13)和压气机(11)。3.根据权利要求2所述的利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置，其特征在于，所述压气机(11)后部的进气管道中安装有燃料喷嘴A(7)，燃料喷嘴A(7)通过管道与燃料箱B(20)连接。4.根据权利要求1所述的利用双燃料RCCI发动机合成碳纳米管的装置，其特征在于，所述发动机(1)的气缸上安装有燃料喷嘴B(21)，燃料喷嘴B(21)与燃料箱A(14...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛功平，徐志建，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：