用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量的方法和系统，其 中制备油包水乳液并且将其进料至燃烧系统，所述方法包括如下步骤：a)将有机油相、乳 化剂和水相注入第一混合区域；b)混合所述组分从而实现高内相比乳液（HIPE) ;c)将步骤 b)的高内相比乳液（HIPE)和另外的有机油相注入第二混合区域；d)混合所述组分从而实 现均匀的油包水乳液，和e)将所述油包水乳液提供至燃烧系统。
【背景技术】
[0002] 现代内燃机仍然是大量全球空气污染的原因。虽然在近几十年里已经在生态友好 的设计领域中实现了巨大进步并且目前可购得具有高效率水平和低燃料消耗的发动机，但 情况仍然如此。然而，由于燃烧过程的复杂性，使得在能量转化的过程中仍然产生不希望的 "副产物"，例如细粉尘或升高的N0X水平，它们被认为对于高等生物和用于减少所述污染物 的装置来说是有毒的并且经受更广泛的研究。
[0003] 由于该主题的工业重要性和环境重要性，已经提出若干不同的策略，从而减少内 燃机的废气中的不希望的污染物。
[0004] 例如W02003050402描述了高效率内燃机，包括奥托循环发动机，其在升高的压力 下使用蒸汽稀释的燃料供给。将空气压缩，并且使用来自发动机的废热经由分压效果将水 蒸发进入压缩空气。然后在发动机中使用燃料燃烧所得的加压空气-蒸汽混合物，所述燃 料优选包含氢气从而维持火焰前缘蔓延。负载蒸汽的高压发动机废气被用于驱动膨胀器从 而提供另外的机械动力。废气也可以用于重整燃料从而提供氢气用于发动机燃烧。发动机 有利地使用分压效果从而将来自发动机的低级废热转化成有用的机械动力。据称发动机能 够实现高效率（例如>50% )和最小排放。
[0005] US 20120312166 A1公开了用于纯化来自重油燃烧的船用柴油废气的装置，其中 所述装置包括：a)喷雾塔，所述喷雾塔包括一个或多个进料管路用于气体和/或水的燃烧， b)文丘里洗涤器，所述文丘里洗涤器直接连接至所述喷雾塔并且包括另一个用于水的进料 管路，c)旋风分离器形式的除雾器，所述除雾器连接至所述文丘里洗涤器并且包括一个或 多个用于经净化气体和洗涤液体的出口管路，和d)碟式分离器，所述碟式分离器通过用于 所述洗涤液体的所述出口管路连接至所述除雾器。
[0006] 此外，DE 198 20 682 A1提供了一种用于清洗内燃机或用化石燃料操作的其它机 器的废气的方法。提出首先以非热常压气体排放预处理废气，然后通过加入合适的还原物 质允许进行氧化性有害物质的选择性催化还原，或者允许进行选择性催化分解。所述用于 除去氧化性有害物质的设备的特征在于至少一个具有气体排放区的模块和至少一个具有 催化转化器区的模块的串联线路，并且特别适合用于柴油发动机中。
[0007] 此外，DE 4443260 A1提供了一种用于减少热机的废气中的污染物的可能的解决 方案。所述单元由两个热机组成，第一个热机产生驱动能量并且产生具有危害环境的污染 物浓度的废气。来自第一个发动机的废气的污染物完全或部分地被第二个发动机吸收。来 自第一个发动机的碳形式（即煤烟、一氧化碳、未燃烧的烃、燃料残余物）的污染物和氮氧 化物的浓度至少降低到二十分之一次方，并且第二个发动机具有干净的废气。在化学上优 化第二个发动机，使得最终废气不以任何不希望的浓度包含危害环境的物质，除了二氧化 碳。
[0008] DE 4211784 A1提供了一种特殊的乳液，所述乳液能够减少废气中的污染物。在 该文献中公开了以直接胶体决定的方式将精炼厂中产生的液体燃料（例如汽油、煤油和柴 油）直接转换成它们在内燃机中消耗的状态从而产生和排出在生态学上几乎无害的气体。 使用包含矿化水、不饱和植物油和无铅汽油的特殊的乳液，所述乳液造成燃料的烃成分的 自催化、动力学和电渗析的改变。使用氧气并且以化学方式将氢气引入环状烃，因此在发动 机中活化氢气和氧气的第二催化燃烧。这改变了废气中的有害材料使得它们在环境上无 害，避免在催化转换器中形成铅酸、氰酸和硫氧化物。
[0009] 尽管所述方法可能是有效的，但技术设置通常复杂和昂贵并且大部分时间难以整 合至空间非常有限的工作环境，例如现代汽车布置。
[0010] 发明简述
[0011] 本发明的目的在于提供有效和廉价的替代性方式从而通过根据权利要求1的方 法和根据权利要求10的系统减少液体燃料内燃机的废气中的污染物成分并且克服现有技 术的缺点。本发明的优选的实施方案公开在另外的权利要求中。
[0012] 优选实施方案的详述
[0013] 该目的根据本发明通过提供用于减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分的量 的方法来实现，其特征在于，制备油包水乳液并且将其进料至燃烧系统，所述方法包括如下 步骤：
[0014] a)将有机油相、乳化剂和水相注入第一混合区域；
[0015] b)混合所述组分从而实现高内相比乳液（HIPE);
[0016] c)将步骤b)的高内相比乳液（HIPE)和另外的有机油相注入第二混合区域；
[0017] d)混合所述组分从而实现均匀的油包水乳液，和
[0018] e)将所述油包水乳液提供至燃烧系统。
[0019] 令人惊讶地发现，这样的方法能够显著减少液体燃料内燃机的废气中的污染成分 的量。该发现特别针对废气中的一氧化氮气体的含量和细粉尘颗粒的量。不受限于理论，猜 测液体燃料中的水成分在燃烧的过程中与这样的物种相互作用，造成更有效的燃烧过程并 且因此造成那些污染物的减少。此外还发现，由于在液体燃料中引入水成分，还可以优化发 动机的动力输出和效率。该发现的起因可能是水-油滴的更容易的蒸发以及内燃机中的优 化的压缩过程。水也可以有助于增压空气的冷却，造成更高的空气密度。因此，可以调节点 火角距，因为更冷的增压空气更不倾向于爆震。此外，发动机本身也经受内部冷却过程，减 少了热过载的危险。因此，燃烧过程中可以使用更高的液体燃料量，造成更高的动力输出。
[0020] 废气中的污染成分危害环境，大多为在燃烧过程中产生的毒性气体或颗粒。在本 发明的意义上，这些污染物特别是细粉尘和非二氧化碳气体，例如含氮气体。在此特别涉及 一氮气体。
[0021] 液体燃料内燃机为通过一种或多种碳源和（经压缩）空气或氧气的燃烧产生机械 动力的系统。在本发明内涉及通过供应液体形式的碳源提供动力的液体燃料内燃机。优选 地，燃料在工作条件下为液体，即必须考虑周围的温度和压力。因此，也有可能使用气态物 质并且通过使用高压使其液化。优选的液体碳源的实例为柴油、石化柴油、生物柴油、汽油、 高级汽油、轻燃料油、重燃料油、加热油、醇例如甲醇等、煤油、氢化（植物）油和脂肪等。
[0022] 在本发明的意义上，油包水乳液为两种或多种通常不混溶的液体的混合物。其为 两相体系，其中水构成分散相或内相，而油构成外相或连续相。
[0023] 在第一混合步骤中，实现结构化高内相比乳液（HIPE)，其由内部水相、周围有机油 相和乳化剂组成。这样的相在显微镜下呈现具有窄粒度分布的球形水滴。水滴被堆叠的粘 弹性乳化剂双层包围，所述双层分离有机油相和水相。可以以围绕水相的球形形式或者以 双连续相的形式组织多层，其结果是形成溶致逆立方相。以一定方式组织多层中的表面活 性剂，使得乳化剂的疏水尾端稳定有机油相，而分子的亲水部分与含水相接触。
[0024] 有机油相可以为如上所述的任何液体碳源。有机油相可以包括饱和烃，例如链烷 烃，包括正构烷烃、异构烷烃和环烷烃或芳烃。优选地，有机油相具有大于或等于20°C并 且小于或等于450°C的沸点。优选地，有机油相的沸点大于或等于50°C并且小于或等于 400°C，甚至更优选大于或等于KKTC并且小于或等于360°C。
[0025] 术语乳化剂定义能够稳定两种显示不同极性的不同溶剂的混合物的低分子量化 合物。原则上可以使用本领域技术人员已知的能够在给定温度和压力下的混合过程结束 时产生油（有机相）包水体系的所有乳化剂、表面活性剂或表面活性物质类型从而部分地 稳定所述乳液类型。可用的非离子型表面活性剂为例如各种失水山梨醇酯，例如聚乙二醇 失水山梨醇硬脂酸酯、脂肪酸聚乙二醇酯或环氧乙烷和环氧丙烷的缩聚物，正如市场上例 如以名称apiuronics?"销售的。根据本发明的组合物中可用的其它非离子型表面活性 剂为C10-C22-脂肪醇乙氧基化物。合适的非限制性示例为油醇聚