基于共振原理的節(jié)油器設計及應用

瞿磊興 羅 巍* 邵 俊 劉閆龍

1（中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055）2（北京璞墨科技有限公司 北京 100005）

3（南京師范大學 物理科學與技術(shù)學院 南京 210023）

1 引 言

隨著全球汽車數(shù)量的不斷攀升，燃油資源、環(huán)境污染和人類出行的剛性需求等各個方面的矛盾愈發(fā)凸顯。與此同時，太陽能、風能等替代資源的局限性和不確定性導致其目前還不能被規(guī)模應用。因此，如何提高汽車燃油效率是人類亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

汽車在高速行駛時，內(nèi)部產(chǎn)生電能。累積的電能形成電磁場，并在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦電流。渦電流形成的閉合電路在金屬內(nèi)部產(chǎn)生熱量，而正是這種熱量對汽車內(nèi)部的機械運動產(chǎn)生一定程度的阻礙作用，并因此消耗部分燃油，使汽車燃油的燃燒效率降低，增大汽車燃油油耗。

汽車發(fā)動機的機械運動很大程度依賴于燃油等含碳燃料釋放的能量。含碳燃料中的碳與氧氣結(jié)合，瞬間產(chǎn)生能量。而汽車燃油由于在氣缸內(nèi)的燃燒時間較短，導致燃料燃燒不充分，即燃燒比較低。因此，提高燃燒比是提高汽車發(fā)動機輸出和節(jié)省燃油的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外許多專家和學者針對節(jié)油需求做了大量研究。大多研究集中在內(nèi)燃機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和燃料物質(zhì)的替換上。姚春德等[1]研究了發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速與負荷下，柴油/甲醇二元燃料的燃燒特性。結(jié)果表明，缸內(nèi)壓力在中低負荷時，燃燒呈單峰快速放熱；在高負荷下，預混燃燒比例有所提高。彭璐[2]、Anvari 等[3]、劉振明等[4]、劉楠等[5]、張俊紅等[6]提出通過以三維建模的方式進行仿真模擬，對噴油嘴的噴孔直徑進行調(diào)整，研究空化現(xiàn)象、湍流脈動等因素對燃油噴射特性的影響，從而改善燃油的霧化效果，達到改善燃燒率的目的。Lan 等[7]基于廢熱回收技術(shù)對輕型車輛發(fā)動機進行改進，提出了一種新型的 TEG-ORC 系統(tǒng)，最高可達 4.43% 的節(jié)油率。Dolatabadi 等[8]提出了一種用作鋼氣缸套表面替代村料的鎳納米復合村料和類金剛石碳涂層，改善了活塞環(huán)的摩擦學性能，減少了邊界摩擦帶來的損失，提高了燃燒率，但忽略了其他不穩(wěn)定因素，并且未給出準確的節(jié)油結(jié)果。楊坤等[9]利用三維模擬軟件 converge 對單缸發(fā)動機進行建模，并用 GT-Power 軟件進行數(shù)據(jù)設定，采用噴油器分段噴射，并調(diào)整噴油角度，通過 3 次噴射可進一步改善缸內(nèi)油氣混合和燃燒過程。張耀飛等[10]、Hagen 等[11]通過調(diào)整噴油器中針閥的相應速度來減少燃油耗用，一方面，針閥迅速開啟有利于前期多噴油，另一方面，針閥快速關(guān)閉有利于快速斷油，改善噴射后期因溫度降低燃油過多造成的燃燒惡化，最終達到通過改善噴油器響應速度，優(yōu)化改善燃油霧化性能和共軌系統(tǒng)噴射特性的目的。王利民等[12]研究表明，當采用天然氣-汽油雙燃料燃燒模式時，低負荷固定轉(zhuǎn)矩工況下的發(fā)動機隨著天然氣流量的增加，最高燃燒壓力逐漸提高；中等負荷固定轉(zhuǎn)矩工況下的燃燒特性變化規(guī)律與低負荷工況基本相同；在高負荷節(jié)氣門全開工況下，盡管發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩有所下降，但爆震起點和強度得到有效抑制，燃燒相位也明顯改善。李海娟等[13]采用燃用氫氣替換燃用汽油作為燃料時，燃燒速率明顯提升，燃燒持續(xù)期顯著縮短，有效熱效率有所降低，且 NOx排放有所升高，CO 及總碳氫（THC）排放均明顯降低。該方法通過提高過量空氣系數(shù)有助于改善有效熱效率水平，但仍存在由部分潤滑油參與燃燒產(chǎn)生的未完全燃燒產(chǎn)物組分。楊晨等[14]研究不同比例聚甲氧基二甲醚（PODE）與柴油混合燃料的燃燒顆粒粒徑分布規(guī)律，結(jié)果表明，聚甲氧基二甲醚的十六烷值和含氧量較高，加速燃燒的同時也利于對擴散燃燒期形成的碳煙顆粒進行進一步氧化。陳東東等[15]采用不同的能量管理策略，在標準循環(huán)道路工況下，對 P1～P4 構(gòu)型的混動汽車進行了數(shù)值仿真計算，分析不同構(gòu)型汽車的節(jié)油率。結(jié)果顯示，與 P2 構(gòu)型相比，P1、P3、P4 構(gòu)型的混合動力汽車每 100 km 的油耗平均節(jié)省 0.94 L、1.96 L 和 1.62 L，平均節(jié)油率分別為 4.39%、10.09% 和 7.57%。

與此同時，部分學者通過安裝節(jié)油器等外置設備提高節(jié)油率。劉兵等[16]采用了一種電控增能節(jié)油器進行節(jié)油性能實驗，實驗結(jié)果顯示，使用該節(jié)油器的樣車在城間、市區(qū)、快速運輸 3 種模式下，均比原車具有 2.58%～3.91% 的節(jié)油效果。房熊等[17]在漁業(yè)船舶行業(yè)利用了一種新型量子節(jié)油器進行實驗，實驗結(jié)果表明，安裝節(jié)油器后，船舶最高可達 9.1% 的節(jié)油率。

綜上所述，目前，圍繞外置節(jié)油設備的研究均達到了一定的節(jié)油效果。然而，針對節(jié)油需求，目前，國內(nèi)外的大多研究都集中在內(nèi)燃機改進、燃料替換，以及基于發(fā)動機物理構(gòu)造改進或提升的節(jié)油器等方面。但是，燃料顆粒之間的吸引力，即燃料化學極性分子之間的聯(lián)結(jié)才是導致燃料燃燒效率下降的主要原因。因此，本文基于共振原理，設計并開發(fā)了一種節(jié)油器產(chǎn)品。該節(jié)油器通過合成基本粒子，降低燃油分子之間的黏性，提高燃料的燃燒效率，從而達到節(jié)油目的。與此同時，本文給出該節(jié)油器的有效性和可靠性測試結(jié)果。本產(chǎn)品的應用既能在減少污染、節(jié)約資源等方面有較好的社會效益，又能有效降低汽車、船舶、航空等產(chǎn)業(yè)的成本，具有客觀的經(jīng)濟效益。

2 原 理

2.1 渦電流——燃料損耗原因之一

在汽車燃料的消耗占比中，約 35% 的燃料由摩擦和機械消耗，約 35% 的燃料因排氣廢熱而損失，又有 15% 的燃料用于動力傳動摩擦力，即實際用于車輛移動的燃料不足 15%。相關(guān)研究表明，機械損耗的一個重要原因是汽車內(nèi)部形成的渦電流。

汽車是一個復雜的機電產(chǎn)品，包含很多電氣設備，如點火系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)等。在汽車發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機發(fā)電的根本原理是皮帶帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并產(chǎn)生電壓，經(jīng)整流后，輸出供給整車電器。而汽車內(nèi)，通電的、高速運動的導體內(nèi)部會構(gòu)成閉合回路，在磁場中做切割磁感線的運動時，會產(chǎn)生感應電動勢，進而產(chǎn)生感應電流。這些電流在導體內(nèi)自行閉合成旋渦狀，故稱渦電流，簡稱“渦流”。

渦電流的生成是一種電磁感應現(xiàn)象。法拉第電磁感應定律表明了電磁感應中電動勢和磁通量之間的關(guān)系，如公式（1）所示。其中， 為電動勢， 為磁通量的變化量， 為時間變化量。弗萊明定律則明確了導體在磁場下移動時所產(chǎn)生的電流方向，如圖1 所示。

圖1 弗萊明定律Fig.1 Fleming’s law

楞次定律表明，感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。因此，發(fā)電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時，會因渦電流的影響而受到很大的阻力。這個阻力反作用于發(fā)動機曲軸，對發(fā)動機的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻滯作用。綜上所述，渦流的產(chǎn)生增加了發(fā)電機的消耗功率，即增加了汽車的燃油消耗。

渦電流還有可能導致電氣設備的短路。隨著汽車行駛速率的增加，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦電流及累計的電位差將快速提升，異常放電的風險將增加，可能損壞車輛芯片及電路。由于現(xiàn)代汽車大多是由電子設備和軟件控制的，因此，由渦電流引起的這些問題不容忽視。

2.2 波形與振動

分子是組成物質(zhì)并保持物質(zhì)化學性質(zhì)的最小微粒，分子是由原子組成的，原子是由非常小的粒子組成的。一般情況下，分子保持旋轉(zhuǎn)和循環(huán)往復振動，這些振動按力的相互平衡表現(xiàn)為各種復雜形式，圖2 為單分子運動示意圖。氣體分子和液體分子之間的吸引力較小，它們的自由移動和振動是不規(guī)則的。與氣體分子相比，液體分子排列相對緊密。

圖2 單分子運動示意圖Fig.2 Schematic diagram of single molecule motion

在特定的頻率和波長下，分子將以更大的振幅做振動，稱為共振現(xiàn)象。在共振頻率和共振波長下，很小的周期振動便可產(chǎn)生很大的振動，因為系統(tǒng)儲存了動能。當振動的物體帶動它周圍的物質(zhì)一起振動，就產(chǎn)生了波，通過組合兩個或更多不同共振所產(chǎn)生的新波被稱為共振波或復合波，如圖3 所示。在原子運動模型中，如圖4 所示，有一個旋轉(zhuǎn)的原子核，并有幾個電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，它們以非恒定的速度高速旋轉(zhuǎn)。由于電子間的斥力和旋轉(zhuǎn)力，其內(nèi)部具有較強的電磁場特性，且振動模式非常復雜，這被稱為物質(zhì)的自然振動，其對應的頻率稱為自然頻率，即指一個系統(tǒng)在沒有外力或是阻尼的情形下，會傾向于振蕩的頻率。

圖3 復合波Fig.3 Composite wave

圖4 原子運動模型Fig.4 Atomic motion model

分子和原子均可稱為粒子。物質(zhì)的自然頻率基本上是從粒子的振動開始的，但是它的振蕩模式非同尋常，取決于粒子結(jié)構(gòu)。以鈾、钚等為例，其特定的原子結(jié)構(gòu)和振蕩模式將釋放出特定的輻射。如果采用合適的震蕩模式，如共振，則會產(chǎn)生有利的效果。例如：微波爐通過與水分子產(chǎn)生同頻共振來產(chǎn)生熱量，使水加熱；在醫(yī)學中，使氫原子在強磁場內(nèi)受到電磁波脈沖的激發(fā)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，將核磁共振信號通過計算機進行數(shù)據(jù)處理，并轉(zhuǎn)換成圖像，以輔助診斷。但是，現(xiàn)有關(guān)于共振的研究大多是從外部連續(xù)提供能量或是作用力使物質(zhì)發(fā)生振動，如果停止提供作用力，它將恢復到原來的狀態(tài)。

如何利用粒子共振的基本原理，在汽車節(jié)油方面產(chǎn)生有利效果，是一個值得研究的問題。

3 方 法

本文著眼于燃料的粒子層面，利用共振原理，設計并產(chǎn)生特定的波形，減小燃料分子之間的黏性，從而提高燃料燃燒效率，減小燃料損失，以達到節(jié)省燃料的目的。

最大限度地提高燃料粒子晶格結(jié)構(gòu)強烈振動時的振幅是利用共振原理的首要條件。不論是從物理方面，還是化學方面，為了最大限度地提升晶格結(jié)構(gòu)強烈振動時的振幅，合成基本粒子，原子和分子的矢量合成方向是必要的。

本研究將燃料粒子多方向向量結(jié)構(gòu)重置為單一向量結(jié)構(gòu)，以去除金屬表面累積的電荷，提高晶格結(jié)構(gòu)強烈振動的大小。首先，單矢量結(jié)構(gòu)在電振動中振幅較大，足以將電荷移到陽極上。其次，電振動振幅大，物理振動也很高，這足以使燃料脫去黏性。最后，一個平衡的單矢量結(jié)構(gòu)能持續(xù)很長時間，不管村料的種類如何，在干涉過程中，振幅的大小與輸入能量的大小成正比，增加輸入的波能將提高晶格的振幅。

與此同時，本研究通過分析影響粒子自旋的因素，設計特定的能量波進行自旋操控，通過電磁場來控制粒子的自旋狀態(tài)。經(jīng)過對原子振動方向的基本改造，成功地通過向底層原子內(nèi)的粒子賦予強大的能量來增強粒子的自旋矢量。新形成的定向粒子可以長期維持，不需要外部能源供應，通過這種特定頻率的復合振動波傳遞波能，引起燃油、金屬部件和整車的各類分子所攜帶的電子運動狀態(tài)由振動變?yōu)樾D(zhuǎn)，降低摩擦引力的效果，減少汽車燃料消耗，以達到節(jié)油的目的。

結(jié)合本研究方法，本文針對重型載重卡車構(gòu)建了波能節(jié)油系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括控制主機和波能發(fā)射器，構(gòu)成示意圖如圖5 所示：左側(cè)所示的波能發(fā)射器通過信號線同右側(cè)所示的控制主機相連接。該系統(tǒng)通過震動波干涉整車，尤其是燃油與動力系統(tǒng)中特定分子的電子，從而可以產(chǎn)生 3 個方面的效果：第一，降低了燃油分子之間的黏性；第二，改善了整車中關(guān)鍵部件之間的摩擦力；第三，減少了整車與外界的阻力，進而達到節(jié)省燃油，改善駕乘的效果。

圖5 波能節(jié)油系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.5 Schematic diagram of the composition of fuel saver based on wave energy

綜上所述，本研究一方面產(chǎn)生了基本粒子，使原子和整個分子的晶格結(jié)構(gòu)放大，降低燃油分子之間的黏性，提高了燃料的燃燒效率；另一方面，通過特定的復合振動波，使粒子由振動轉(zhuǎn)為自旋維持，進而改善汽車部件之間的摩擦力，減少克服摩擦阻力所需的能量，減少汽車燃油消耗。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 測試結(jié)果

基于共振原理，目前已成功設計并開發(fā)節(jié)油器產(chǎn)品，并對其進行有效性和可靠性測試。

測試共選用 4 種車輛品牌，分別為歐曼（型號 BJ4259SNFKB-CA）、沃爾沃（型號YV2XG20C）、斯堪尼亞（型號 YS2G6X23）、汕德卡（型號 ZZ4186V361HF1B），類型均為牽引大貨車。測試方法為：每次行程前，測試車輛在同一加油站補充相同燃油；測試車輛在已安裝節(jié)油器和未安裝節(jié)油器兩種狀態(tài)下進行長距離行駛對照實驗；根據(jù)每次行程的行駛狀況、平均速率、出發(fā)點和目的地等行駛記錄數(shù)據(jù)，計算測試車輛每 100 km 的平均油耗、每 100 km 的平均節(jié)油量及節(jié)油率等。

產(chǎn)品在部分測試整車上的安裝情況如圖6～7所示。

圖6 設備裝車試驗圖(車型一)Fig.6 Equipment loading test (type 1)

圖7 設備裝車試驗圖(車型二)Fig.7 Equipment loading test (type 2)

歐曼品牌測試車測試結(jié)果如圖8 所示，節(jié)油率如表1 所示。沃爾沃品牌測試車測試結(jié)果如圖9 所示，節(jié)油率如表2 所示。

表1 歐曼品牌測試車安裝節(jié)油器前后測試結(jié)果對比Table 1 Comparison of test results before and after installing fuel saver in Auman vehicle

表2 沃爾沃品牌測試車安裝節(jié)油器前后測試結(jié)果對比

圖8 歐曼品牌測試車未安裝及已安裝節(jié)油器油耗對比Fig.8 Comparison of fuel consumption of Auman vehicle without/with fuel saver

圖9 沃爾沃品牌測試車未安裝及已安裝節(jié)油器油耗對比Fig.9 Comparison of fuel consumption of Volvo vehicle without/with fuel saver

斯堪尼亞品牌測試車測試結(jié)果如圖10 所示，節(jié)油率如表3 所示。汕德卡品牌測試車測試結(jié)果如圖11 所示，節(jié)油率如表4 所示。

表3 斯堪尼亞品牌測試車安裝節(jié)油器前后測試結(jié)果對比Table 3 Comparison of test results before and after installing fuel saver in Scania vehicle

表4 汕德卡品牌測試車安裝節(jié)油器前后測試結(jié)果對比Table 4 Comparison of test results before and after installing fuel saver in Shandeka vehicle

圖10 斯堪尼亞品牌測試車未安裝及已安裝節(jié)油器油耗對比Fig.10 Comparison of fuel consumption of Scania vehicle without/with fuel saver

4.2 測試結(jié)果分析

由表5 中的數(shù)據(jù)對比可知，每 100 km 的平均節(jié)油量為 1.74～3.29 L；節(jié)油率為 6.15%～11.16%，節(jié)油率最高達到 11.16%。4 種品牌的節(jié)油率從高到低分別是沃爾沃組、歐曼組、汕德卡組、斯堪尼亞組。其中，沃爾沃組的車輛行駛距離為 3 000～3 500 km，歐曼組的車輛行駛距離為2 900～3 100 km，汕德卡組的車輛行駛距離為2 800～2 900 km，斯堪尼亞組的車輛行駛距離為1 500～2 500 km。由此得出，在一定的適應周期內(nèi)，車輛行駛距離與節(jié)油效率呈正相關(guān)，即理論上，隨著行駛距離的增加，節(jié)油率得到提升，最終達到一個最佳值，以目前實驗來看，保守估計節(jié)油率在 6%～12% 之間。

在提升內(nèi)燃機效率、整車節(jié)油技術(shù)領(lǐng)域，通常的研究模型所評估的先進節(jié)油技術(shù)包括發(fā)動機技術(shù)、變速器技術(shù)、電動化技術(shù)、整車技術(shù)等[18]。在已有的研究成果中，大部分可通過改進內(nèi)燃機獲得小于 5% 的節(jié)油率。而圍繞替換燃料的研究大多集中在燃燒顆粒的物理特性方面，鮮有節(jié)油效果的相關(guān)分析。而基于發(fā)動機物理構(gòu)造改進或提升的節(jié)油率在 2%～9% 之間。本文設計的基于共振原理的節(jié)油器最高可獲得 11.16% 的節(jié)油率。因此，在節(jié)油效率方面，本文提出的基于共振原理的節(jié)油器的節(jié)油效果更為顯著。與此同時，本文的實驗測試行駛距離為 1 500～3 500 km，該產(chǎn)品在多種品牌的汽車上都獲得了理想的節(jié)油效果，測試結(jié)果穩(wěn)定。

目前，在節(jié)油領(lǐng)域，圍繞基本粒子結(jié)構(gòu)和運動原理等微觀方面的研究較少，還沒有類似方法的節(jié)油產(chǎn)品發(fā)布。因此，尚不能與同類產(chǎn)品進行比較分析，產(chǎn)品具備獨創(chuàng)性。

與此同時，為了進一步驗證基于共振原理的節(jié)油器的有效性和可靠性，本文上述實驗均通過了國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、中國合格評定國家認可發(fā)員會（CNAS）等檢測認證（編號：WT-19-597-02-ZD03）。此外，依托該技術(shù)，已授權(quán)實用新型專利與外觀設計專利 4 項（ZL201930418882.7, ZL201930524467.X,ZL201921376133.3, ZL201930418878.0）。

本研究已取得一定的數(shù)據(jù)積累和成果驗證，后續(xù)將參照國內(nèi)外的相關(guān)研究工作，擬從以下 3個方面深化研究工作。

（1）拓展研究的條件和范圍，在更為寬泛的環(huán)境和工況下，獲取研究數(shù)據(jù)，完善研究內(nèi)容。

（2）結(jié)合傳統(tǒng)廠商的先進節(jié)油技術(shù)，增加內(nèi)燃機測試對象的類型和型號，覆蓋多種具備節(jié)油技術(shù)的發(fā)動機。

（3）在傳統(tǒng)純?nèi)加蛙囕v研究的基礎(chǔ)上，開展對采用混合動力技術(shù)車輛的節(jié)能研究，為節(jié)能與新能源技術(shù)發(fā)展提供研究數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

為提升燃油汽車的效率，國內(nèi)外的研究機構(gòu)和廠商做過發(fā)動機、整車等方面的研究和技術(shù)開發(fā)。其中，發(fā)動機技術(shù)主要包括增壓、汽油缸內(nèi)直噴、連續(xù)可變氣門正時、先進柴油機等；整車技術(shù)包括輕量化、減摩擦、減阻力等。本文提出了基于波能和共振原理的節(jié)能研究方法，在未改變車輛發(fā)動機和整車設計的條件下，使用外置設備產(chǎn)生能量波，實現(xiàn)車輛節(jié)油。經(jīng)檢索查證，目前，國內(nèi)外關(guān)于“節(jié)油”“節(jié)能”“能量波”“波能”“發(fā)動機效率”等關(guān)聯(lián)性的研究較少，這反映出本方法的先進性和獨創(chuàng)性。

針對燃料損耗及燃燒效率低這一問題，本文提出在燃料的基本粒子層面對其結(jié)構(gòu)進行改造，設計并產(chǎn)生特定波形，通過減小燃料分子之間的黏性，提高內(nèi)燃機燃燒率，以達到節(jié)油的目的?；谠撗芯糠椒?，本文設計了基于共振原理的節(jié)油器，并進行有效性和可靠性的試驗和測試。測試結(jié)果顯示，該產(chǎn)品節(jié)油效果顯著，最高節(jié)油率可達 11.16%，并具有較高的可靠性。據(jù)報道，節(jié)油率在 5% 以上的節(jié)油器已經(jīng)具有良好的市場號召力，因此，該技術(shù)的市場前景廣闊。同時，該技術(shù)不僅適用于汽車、火車、輪船、航空等運輸行業(yè)，也可通過對能量波應用的深入研究，將該技術(shù)應用于半導體、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域，具有一定的社會意義。