磁化燃油对柴油机燃烧性能影响的实验研究

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Experimental Study of Influence of Fuel M agnetizationon Diesel Engine Combustion PerformanceW ang Donghui Xie Xiaopeng Liu Yimln Cai Hongbin Ma Chaoliang(1.Automobile Tribology and Fault Diagnosis Institute，South China University Of Technology，Guangzhou Guangdong510640，China；2.CSSC Guangzhou Marine Diesel Engine Co.，Ltd，Guangzhou Guangdong 510250，China)Abstract：Through building up a diesel engine test bench with the function of working condition control and powermeasurement，the energy conservation and emission reduction was studied from the perspective of fuel magnetization amongall the preprocessing techniques of the diesel engine combustion，and the influence of fuel magnetization on combustionperformance of diesel enne was tested.The test resuhs show that the influence of fuel magnetization on combustionperform ance is diferent under different scales of magnetic field and loads.After the process of fuel magnetization，in thelow load condition，the NO emision is reduced(with 5.85% at most)but the fuel consumption and smoke density areincreased；in the middle load condition，the fuel consumption is reduced obviously(with 4.17% at most)，but there is noobvious change of smoke density，content of CO2，O2 and NO；in the high load condition，there are no obvious influence offuel magnetization on fuel consumption，smoke density，content of CO2，02 and NO.According to this law，the fuelmagnetization can be applied based on the working conditions。

Keywords：fuel magnetization；energy conservation and emission reduction；diesel engine；combustion perform ance柴油机广泛应用于大型机车、飞机、装甲车等运输机械，在船舶上使用尤其广泛。据统计，采用先进柴油机相对传统柴油机可节油约30% ～40%，且尾气中CO，的排放量可减少约20%。因此，对柴油机节能减排的研究有非常重要的现实意义。

目前对柴油机节能减排的研究主要集中在柴油机基金项目：省部产学研结合项目 (2011B0904 00619)。

收稿 日期 ：2013-01-08作者简介：谢小鹏 (1961-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为摩擦学理论与应用 .E-mail：xiexp###scut.edu.ca。

燃烧前处理 、机内燃烧控制、柴油机尾气后处理 3个方面。前处理技术的基本思路是通过改变燃油的物理性质使燃油更充分燃烧。目前主要的前处理技术有优化燃油喷射过程、优化柴油机的进气过程、乳化柴油等方式 。Lou等 实验研究了乳化柴油对燃烧性能的影响，对比分析乳化与未乳化下状态下 2种不同的柴油 (Shanghai IV low sulfur diesel，China I diese1)对柴油机动力性能的影响，结果表明，乳化对柴油机动力性能影响较小，但是却非常明显地改变了尾气排放的成分和含量。柏静儒等 在韩国GE200小型家32 润滑与密封 第 38卷用燃油锅炉上建立了小型燃油磁化燃烧试验装置，通过对比试验来研究不同磁场大小对于排烟温度、燃烧效率、有害气体如NO 的含量的影响，实验结果表明，在油路中增加磁场磁化可以改善燃油的燃烧状况，减少有害气体的排放，从而达到节能减排的目的。杨成等人 进行了柴油机进气预混甲醇裂解气降低油耗的研究。他们采用 6300ZC柴油机进行实验，在不改变其参数的情况下开发-套柴油机进气部分预混甲醇裂解气方式以降低油耗的系统。研究结果显示，柴油机进气过程中，预混甲醇裂解气质量百分比达到2.5% -5%的时候，各种负荷下节油率可达5% -8% 。

目前磁化技术的应用范围已涵盖化工、农业、生物医疗等方面 ，但对柴油机燃油进行磁化深入的研究还比较少，本文作者拟从柴油机燃烧前处理技术中燃油磁化的角度进行节能减排研究。

1 燃油磁化原理对于燃油磁化的节能原理 ，现有的解释理论主要有雾化理论、分子聚集理论、量子理论等。

1.1 雾化理论燃油雾化理论 是从宏 观上来解释磁化机制，在燃油雾化过程中形成的索泰尔平均直径d与油液表面张力 or和黏度肛有如下的关系 ：d：k o. 2 0.6 o.26P式中：P是喷嘴喷射压差；k是喷嘴特性常数；W 是燃油通过喷嘴流量。

由式 (1)可以看出，磁化后的黏度即燃油分子内聚力降低，表面张力 减小，在同样的压差和油量下，油滴直径d越小，雾化效果越好。

燃油的燃烧时间t 为：d d - k In(1卢)NuD (2)式中：JB为给定比例常数；Nu。为燃油的分子总数。

磁化后的燃油油滴直径d减小，增加了燃油蒸发速度，喷嘴特性常数k也将会得到相应的提高，由公式 (2)可知，在其他条件保持不变的情况下，磁化后的燃油燃烧速度、燃烧效率都将有所提高，燃烧污染物的排出量降低。

1.2 分子聚集理论聚集是流体分子所具有的普遍现象，分子聚集理论是指流体分子不仅会以单分子状态存在，还会以单分子聚合而成的双聚体或者多聚体形式存在。童景山等 提出用聚集型Van Der Waals方程来计算流体聚集程度大小：T 0p - (3)式中：P为气体的压强；V为气体总体积；T为绝对温度；n为度量分子间引力的参数；b为1 too1分子本身包含的体积之和；R为气体常数；J.为摩尔数； 为给定比例常数。

流体聚集程度会因磁场的加入而发生新的变化，根据这-原理 ，柴油机燃油被磁化后 ，反磁性的柴油分子要克服外来磁场作用力，从而减弱流体分子间作用力，使分子聚集程度减小，燃油流体粒子得到细化，致使燃油粒子与氧气接触的面积变大，从而使燃烧更加充分，也就可以起到节约能源的作用。

1.3 量子理论量子理论 即是将柴油作为反磁性物质来解释。在外加磁场的作用下，柴油中原子或者分子中的电子不仅仅绕着自身原子核旋转并且自旋，此外还受到外加磁场对它们产生的力矩 的作用，导致其角动量方向改变而做拉莫尔 (Lalnoi-)运动。最终对分子中原子间的化学键产生影响，使得柴油分子结构发生改变。

柴油的主要成分是烷烃、芳香烃和环烷烃，烷烃的有机结构为长链，可能在磁场的作用下发生断裂；环烷烃发生了侧链断裂或者环的破裂，或者发生了去氢反应，均导致磁化后柴油的相对密度降低，从而使柴油馏分的沸点降低，柴油黏度下降，使得燃烧效果更好。

此外，还有自感应共振理论 、磁致伸缩和弹性理论 来解释磁化燃油后可减少燃油的消耗，从而达到节能减排的目标。

2 实验设备及实验方案2.1 实验台架为了验证磁化燃油的节能减排的效果，搭建了柴油机实验台架。实验台架实物图如图1所示。

图1 实验台架实物图Fig 1 The ame graph of test bench润滑与密封 第38卷通过上述对比实验 ，发现磁化柴油对燃油的燃烧性能有影响，固定磁场磁化燃油时，在 2 000 r/min、160 N·m的工况下降低了油耗，CO，和NO含量及烟度值均有所增加，相应的 O 含量降低，表明磁化可以节约能源。

3.2 变磁场磁化燃油时负荷特性图3(a)示出了运行 30 min时原机和 3种磁场磁化后燃油的消耗量∩以看出，在 2O N·In的低载 情 况 下 ，磁 场 强 度 越 大，耗 油 量 越 大 ；在100 N·m的中载情况下，磁场强度越大，节油效果越好，但 整体节油效果不 明显，最高节油率为4.17%；在180 N·m的高载情况下，节油效果也不明显。

图3(b)示出了运行 30 min时原机和 3种磁场磁化后尾气中的烟度值∩以看出，在低载情况下，不同磁场磁化后烟度值增加明显，在中载和高载情况下变化均不明显。低载时，在0.2 T磁场情况下尾气5∞ 4瑚1耀 3是曼 2基是 1020 100 180扭矩 TI(N·m)(a)运行 30 min油耗l80160140120删托 10008060烟度值增加得最多，增加率为1.18%。

图3 (C)示出了运行 30 min时原机和 3种磁场磁化后尾气中CO 的含量∩知，磁场强度对于CO含量的影响不显著，尾气中 CO 含量基本上没有变化。

图3(d)示出了运行 30 min时原机和3种磁场磁化后尾气中0：的含量∩知，磁场强度对0 含量的影响也很校在 180 N·m的高载情况下，O，含量最大增加率为 1.26%。

图3 (e)示出了运行 30 min时原机和 3种磁场磁化后尾气中NO的含量∩知，低负荷时，磁场越大，NO的含量越小，在0.3 T时 NO排放量最小，比原机运行状态下减少 5.85%；中负荷 时，磁化均可降低 NO的含量，其中在0.1 T时比原机运行降低得最多，最大减少率为 1.53%；在高载情况下，磁化均增加了 NO的含量 ，在 0.2 T时增加得最大，增加率为 1.65%。

20 100 180扭矩TI(N·m)(b)运行 30 min烟度值80乏 604o0U 20020 100 180扭矩 T/(N·m)(c)运行 30 min CO：含量扭矩 T/(N·m) 扭矩 T/(N·m)(d)运行30 rainO 含量 (e)运行30 min NO含量图3 原机和不同磁场磁化后燃油的消耗量及尾气中的烟度值和CO：、0：、NO含量柱状图Fig 3 The data histogram of fuel consumption，exhaust smoke，content of CO2，02，NO of original machine and diferent magnetic magnetization实验结果表明，磁化燃油在不同磁惩不同负荷下对柴油机燃烧性能的影响各异。低负荷下，磁化燃油反而会使油耗增大、烟度变大，但 NO排量减少，最多可减少5.85%；中负荷工况下节油则比较明显，最大节油率达到4.17%，烟度值和 CO 、O 、NO含量变化不明显；高负荷工况下，磁化燃油对油耗、烟度值和CO 、O：、NO含量等影响都不明显。

产生上述结果的原因可能是：燃油通过磁场时受到磁场的影响，等体积的燃油磁化后表面积增大，使8 6 4 2 O 8 6 2 2 2 2 2 1 1 笆q 骚联重几TTT mmm阱弧m眦m耻 撼 圜酬圄剧吣 枷0 0 0 0 0 0 0 0 帅 ∞ 蛐 ∞ 如I0I， 咖姐0z2013年第7期 王东辉等：磁化燃油对柴油机燃烧性能影响的实验研究 35燃油分子与氧气接触的面积更大，也就导致燃烧更加充分；另-种可能的原因是燃油通过磁场时受到磁场的影响，燃油分子的化学键发生断裂或重组，从而造成节油与耗油的不同结果。

4 结论(1)应用雾化理论、分子聚集理论、量子理论等解释了磁化可节省油耗的原因。搭建了具有工况控制和功率测量功能的柴油机实验台架，研究了燃油磁化对柴油机燃烧性能的影响。通过固定磁场磁化燃油实验证明磁化对燃油燃烧性能有-定的影响，并且在- 定条件下可以节油。

(2)在不同磁场下磁化燃油，研究了燃油磁化对柴油机燃烧性能的影响♂果表明，在低负荷下，油耗增大，烟度变大，但NO排放量减少 (最多减少5.85%)；中负荷工况下节油比较明显，最大节油率达到4.17%，但烟度值和CO：、0 、NO含量变化不明显；高负荷工况下，磁化燃油对油耗、烟度值和CO：、0 、NO含量等的影响均都不明显。后期工作可进行多工况结合、更长时间的对比实验，并通过大量的实验数据统计，进-步探究燃油磁化对柴油机燃烧性能的影响规律。