专利名称：用于空气/燃料混合的高剪切工艺的制作方法
技术领域：
本公开总体涉及内燃发动机。更具体地，本公开涉及内燃发动机的运行。
背景技术：
油料和油料馏出物的不稳定的市场影响着消费者的燃料成本。成本的增加可能表 现为煤油、汽油和柴油的价格增长。随着需求和价格的增长，消费者力求提高其内燃发动机 的效率。发动机效率与燃料消耗有关，它通常涉及将燃料中的总化学能与从燃料中以动能 形式获取的有用能量进行比较。发动机效率的最基本概念是由热力学循环限定的从燃料中 获取能量的热力学极限。最广泛且经济上最重要的概念是发动机的经验燃料经济性，例如 汽车应用中的每加仑里程。内燃发动机(例如汽车中使用的内燃发动机)是燃料和氧化剂发生混合并且在燃 烧室内燃烧的发动机。通常，这些发动机是四冲程发动机。四冲程循环包括进气行程、压缩 行程、燃烧行程和排气行程。燃烧反应产生热和被允许膨胀的加压气体。产物气体的膨胀 作用在发动机的机械部件上，以产生有用功。该产物气体比压缩的燃料/氧化剂混合物具 有更多的可用能量。一旦可用能量已被取出，则未转化为功的热被冷却系统作为废热去除。在排气行程期间，未燃烧的燃料从发动机排出。为了实现几乎完全的燃烧，需要使 发动机在燃料与氧化剂的化学计量比附近运行。虽然这降低了未燃烧燃料的量，但这也增 加了某些受到管制的污染物的排放。这些污染物可能与如下情况有关即，燃料和氧化剂 在被引入到燃烧室中之前的不良混合。另外，在化学计量比附近的运行增加了爆震的风险。 爆震是一种有害的状况，其中燃料在压缩行程完成之前在发动机内自燃。爆震可能导致严 重的发动机故障。为避免这些情况，使发动机以过量燃料运行。因此，工业中需要改进在燃料和氧化剂被喷射到内燃发动机之前将燃料和氧化剂 进行混合的方法。
发明内容
公开了一种用于产生加气燃料的高剪切系统和工艺。用于形成乳状液的方法包 括获得高剪切装置，该高剪切装置具有至少一个转子/定子组，该至少一个转子/定子组 被构造为用于产生至少5m/s的末端速度；将液体燃料和气体引入到所述高剪切装置内；以 及，形成液体燃料和气体的乳状液，其中，所述气体包括平均直径小于大约5 μ m的气泡。在本公开中描述的一实施例中，其工艺采用了高剪切机械装置来提供增强的时间 条件、温度条件和压力条件，从而改进了多相混合物的分散。在以下详细描述和附图中，这些及其他实施例、特征和优点将显而易见。
为更详细地描述本发明的优选实施例，现在将参考附图，在附图中图1是根据本公开的一实施例的高剪切燃料系统的示意图。图2是用于产生加气燃料的高剪切装置的剖面图。
具体实施方式
综述本公开提供了一种用于产生加气燃料的系统和方法，其包括使用高剪切装置来混 合液体燃料和氧化剂气体。该系统和方法采用了高剪切机械装置，以在反应物被引入到内 燃发动机中之前使这些反应物在反应器/混合器装置内的受控环境中快速接触并混合。该 高剪切装置使氧化剂气体完全分散到液体燃料中，以改进燃烧。在一些情形中，该系统被构 造为可运输系统。涉及液体、气体和固体的化学反应及混合取决于涉及时间、温度和压力的动力学 定律，从而限定了反应速度和混合彻底性。当希望将两种或更多种不同相(例如固相和液 相，液相和气相，固相、液相和气相)的原材料组合成乳状液时，控制该反应速度和混合彻 底性的限制因素之一是反应物的接触时间。不限于具体理论，在乳化化学领域中，已知散布 在液体内的亚微米微粒、微团或气泡主要通过布朗运动效应进行扩散运动。在燃烧之前将氧化剂和燃料混合会带来另外的爆炸风险。通过室温下的体积百分 比来测量空气中的爆炸极限。下文中称为“UEL”的上爆炸极限参数表示气体或蒸气的最大 浓度，若高于此浓度，则物质将不会燃烧或爆炸，因为高于此浓度就没有足够的氧化剂来点 燃燃料。下文中称为“LEL”的下爆炸极限参数表示气体或蒸气在空气中的最小浓度，若低 于此浓度，则物质将不会燃烧或爆炸，因为低于此阈值就没有足够的燃料来点燃。处于这些 极限之间的燃料和氧化剂混合物发生爆炸的风险增大。为了发生燃烧或爆炸，存在以下三 个以适当比例组合的因素燃料、氧化剂和点火源。在一些情形中，点火源可能包括火花、火 焰、高压或不受限地包括其他来源。对氧化剂/燃料混合物的调节、条件和容器构成了减轻 爆炸风险的可能手段。对于汽油来说，按体积百分比计，LEL大约为1.4%，而UEL大约为7.6%。与汽油 相比，柴油的爆炸风险降低了，这是因为柴油的高闪点，这防止了柴油容易地蒸发并产生可 燃气溶胶。按体积百分比计，柴油燃料的LEL大约为3.5%，而UEL大约为6.9%。对于降 低爆炸风险来说，使诸如汽油或柴油等的燃料混合物保持低于LEL或高于UEL是重要的。高剪切燃料系统如图1所示，高剪切燃料系统(HSFS) 100包括容器50、泵5、高剪切装置40和发动 机10。该HSFS 100与车辆30布置在一起。车辆30包括轿车、卡车、拖拉机、火车或不受限 地包括其他运输车辆。替代地，车辆30可以包括可移动的便携式或可运输型发动机，例如 发电机。车辆30由发动机10驱动并提供动力。发动机10包括内燃发动机。在一些实施 例中，发动机10包括柴油机或汽油机。替代地，发动机10可包括通过任何燃料和氧化剂的 燃烧而运行的任何发动机，例如不受限地包括煤油发动机或丙烷发动机。燃料储存在容器50内。容器50构造为用于储存、运输和消耗液体燃料。容器50 包括至少两个开口，即入口 51和出口 52。可从车辆30的外部接近该容器50，以经由入口51再填充。容器50至少经由出口 52与发动机10流体连通。在一些情形中，容器50包括 燃料箱或燃料单元。在一些情形中，容器50可被加压。替代地，容器50可构造为储存气态 燃料。出口 52联接到燃料管线20，该燃料管线20通向泵5。泵5被构造为用于将燃料 从容器50中移动到发动机10。在实施例中，泵5与容器50及发动机10流体连通。泵5被 构造为用于对燃料管线20加压，以形成加压的燃料管线12。泵5与加压的燃料管线12流 体连通。另外，泵5可构造为用于对HSFS 100加压并控制从HSFS 100中经过的燃料流动。 泵5可以是本领域技术人员已知的、被构造为用于将燃料移动到内燃发动机中的任何燃料 泵。替代地，泵5可包括任何合适的泵，例如来自Roper Pump Company (Commerce Georgia) 的 Roper Type 1 齿轮泵，或来自 Dayton Electric Co(Niles, IL)的 Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E。在一些情形中，泵5可耐受燃料的腐蚀。替代地，泵5的所 有接触 部分均由不锈钢构成。泵5将燃料管线20内的燃料压力增加到比大约一个大气压即IOlkPa(Iatm)高； 优选地，泵5将压力增加到203kPa (2atm)，替代地，可增加到大于大约304kPa (3atm)。泵5 建立了压力，且经由加压燃料管线12向高剪切装置40供应该压力。加压燃料管线12使泵5进行排放。加压燃料管线12还包括氧化剂供给22。该 氧化剂供给22被构造为将氧化剂喷射到加压燃料管线12内。氧化剂供给22可包括用于 将氧化剂喷射到加压燃料管线12内的压缩机或泵。氧化剂供给22包括空气。氧化剂供给 22可包括燃料添加剂，或替代地包括用于燃烧或用于排放控制的反应剂。另外，氧化剂供给 22可包括使燃料添加剂气化以将其引入到加压燃料管线12内的装置。例如，氧化剂供给 22可包括水、甲醇、乙醇、氧、氮氧化物或本领域技术人员已知的其他化合物，以提高燃烧效 率、改善排放和发动机10的其他非限制性的运行参数。加压燃料管线12还构造为将燃料 和氧化剂输送到HSD 40。加压燃料管线12与HSD 40流体连通。氧化剂供给22经由加压 燃料管线12与HSD 40流体连通。替代地，氧化剂供给22与HSD 40直接流体连通。HSD 40被构造为使氧化剂供给22与加压燃料管线12内的燃料充分混合。如下 文中详细论述的，高剪切装置40是如下一种机械装置例如，它利用定子_转子式混合头， 该定子_转子式混合头在定子和转子之间具有固定间隙。在HSD 40内，氧化剂气体和燃料 被混合从而形成乳状液，该乳状液包括氧化剂气体的微气泡和纳米级气泡。在实施例中，所 生成的扩散物包括亚微米尺寸的气泡。在实施例中，所生成的扩散物具有小于大约1.5μπι 的平均气泡尺寸。在实施例中，平均气泡尺寸小于从大约0. 1 μ m至大约1. 5 μ m。在实施例 中，平均气泡尺寸小于大约400nm ；更优选地，小于大约100nm。HSD 40用于在燃料喷射管线19内产生氧化剂气体气泡的乳状液。该乳状液还可 包括微泡沫。在一些情形中，乳状液可包括加气燃料或充有气态成分的液体燃料。不限于 具体方法，在乳化化学领域中，已知散布在液体内的亚微米微粒主要通过布朗运动效应进 行运动。在实施例中，高剪切混合产生了气体气泡，该气泡至少能够在大气压下保持散布状 态大约15分钟。在一些情形中，气泡能够在明显更长的时间内保持散布，这取决于气泡尺 寸。HSD 40通过燃料喷射管线19与发动机10流体连通。燃料喷射管线19被构造为将燃 料运输到发动机10以用于燃烧。燃料喷射管线19被构造为将燃料和氧化剂的乳状液输送到发动机10。燃料喷射管线19流体联接到HSD 40和发动机10。燃料喷射管线19被构造为使该乳状液维持在燃 料的爆炸极限之外，例如低于LEL或高于UEL。燃料喷射管线19还包括对火焰、火花、热、电 荷或其他潜在点火源的隔离。在一些情形中，燃料喷射管线19可包括与车辆内的燃料喷射 系统相关的任何部件，例如不限于燃料压力调节器、燃料轨和燃料喷射器。
在对HSFS 100的前述讨论中，HSFS 100的部件和运行由车载处理器或发动机控 制单元(E⑶)75监测和控制。E⑶75包括被构造为用于对布置在车辆内的装置进行监测、 感测、储存、改变和控制的任何处理器。此外，ECU 75可与传感器、电磁阀、泵、继电器、开 关或其他部件电连通，不限于调整或改变HSFS 100的运行以改变发动机运行参数的装置。 ECU 75被构造为能够控制HSD 40的运行，例如为了保证氧化剂在燃料内的安全乳化。在一示例性构造中，HSFS 100被构造为在柴油车辆内运行。HSFS100对高于UEL 水平的柴油进行加气。“加气”是向燃料中添加氧化剂气体的过程，例如以非常小的气泡来 添加，从而，燃料一旦喷射到发动机内就会燃烧得更彻底。在HSFS 100内，柴油燃料储存在容器50内。通过泵5将柴油从容器50中抽出。 当泵5将柴油引导到高剪切装置40中时，燃料管线20内的负压将燃料从容器50中抽出。 泵5对液体柴油燃料加压。 加压燃料管线12从泵5延伸出，氧化剂供给22被引入其中，则加压燃料管线12包 括氧化剂和燃料的混合物；燃料和氧化剂是三个必要的点燃要素中的两个。在此实施例中， 氧化剂包括空气。不受理论所限制，加压液体更难以气化。因此，柴油保持高于UEL或高于 上爆炸极限。氧化剂和加压燃料在HSD 40内受到混合。由于系统处在压力下，高于UEL，所 以避免了自燃或爆炸。此外，氧化剂气体分解为微气泡和纳米级气泡且散布在整个燃料中。 散布在燃料内的微气泡和纳米级气泡构成了乳状液。燃料喷射管线19将该乳状液引导到 发动机10内以用于燃烧。在发动机10中，该乳状液利用从大气中另外抽取的空气而燃烧。由于柴油包括带 空气的乳状液，所以柴油能够以高于化学计量比的量喷射到发动机内。不希望受到理论限 制，柴油可燃烧得更彻底，且降低某些受到管制的污染物排放(例如氮氧化物)。另外，柴油 乳状液可抵抗发动机内的爆震。“爆震”是燃料在发动机内、在四冲程循环中的正确点之前 点燃。因此，柴油乳状液使燃料更完全地燃烧，从而改进了排放、输出和效率。用于改进这 些参数的高剪切燃料系统100可通过并入高剪切装置40来形成。高剪切装置高剪切装置40 (例如高剪切混合器和高剪切研磨器)一般基于其对流体进行混合 的能力来分类。“混合”是降低流体内的不同基团或微粒的尺寸的过程。关于混合程度或混 合彻底性的一个指标是为了使流体分裂，混合装置所产生的每单位体积的能量密度。基于 所提供的能量密度进行分类。存在三类工业混合器，这些混合器具有足够的能量密度来产 生其微粒或气泡尺寸一致地在Ομπι至50μπι范围内的混合物或乳状液。均化阀系统通常被归类为高能装置。要处理的流体在非常高的压力下被泵送通过 窄间隙阀而进入较低压的环境中。阀两端的压力差和所引起的湍流和空穴起作用，从而使 流体内的任何微粒破碎。这些阀系统最通常用在牛奶均化中，且可以产生从大约0. Ιμπι至 大约1 μ m的平均微粒尺寸范围。这种分类系列的另一端是被归类为低能装置的高剪切混 合器系统。这些系统通常具有桨叶或流体转子，该桨叶或流体转子在被处理流体的蓄存器内高速旋转，所述流体在许多更常见的应用中是食品。通常，若被处理流体内的微粒、微团 或气泡的平均尺寸大于20微米是可以接受的，则使用这些系统。从提供给流体的混合能量密度方面来看，处于低能高剪切混合器和均化阀系统之 间的是胶体研磨器，它们被归类为中等能量装置。典型的胶体研磨器结构包括锥形或盘形 转子，所述转子 与互补的由液体冷却的定子、以受到精密控制的转子-定子间隙分隔开，该 间隙可以在从大约0.025mm至10. Omm之间的范围内。优选地，转子可由电动马达通过直接 驱动或带机构来驱动。在正确调节的情况下，许多胶体研磨器可以在被处理的流体内实现 大约0. 01 μ m至大约25 μ m的平均微粒尺寸或气泡尺寸。这些能力使得胶体研磨器适合于 多种应用，包括胶体和油/水基乳化液处理，例如制备化妆品、蛋黄酱、硅胶/银汞合金和 屋顶用柏油混合物。现在参考图2，提供了高剪切装置200的示意图。高剪切装置200包括至少一个转 子-定子组合。该转子-定子组合也可称为发生器220、230、240或级，但不限于此。高剪 切装置200包括至少两个发生器，最优选地，该高剪切装置包括至少三个发生器。第一发生器220包括转子222和定子227。第二发生器230包括转子223和定子 228 ；第三发生器包括转子224和定子229。对于每个发生器220、230、240来说，转子由输 入轴250可旋转地驱动。发生器220、230、240被构造为绕轴线260在旋转方向265上旋 转。定子227可固定地联接到高剪切装置壁225。例如，转子222、223、224可以是锥形或 盘形的，且可以与互补形状的定子227、228、229分开。在实施例中，转子和定子都包括具有 互补形状的末端的、多个沿周向间隔开的环。该环可包括孤立表面或围绕转子或定子的末 端。在实施例中，转子和定子都包括两个以上的沿周向间隔开的环，或包括三个以上的环， 或四个以上的环。例如，在实施例中，所述三个发生器中的每一个均包括具有三个互补环的 转子和定子，因此，被处理的材料在穿过HSD 200时经过了九个剪切间隙或级。替代地，发 生器220、230、240中的每一个均可包括四个环，因此，被处理的材料在穿过HSD 200时经过 了十二个剪切间隙或级。每个发生器220、230、240可由被构造为提供必要旋转的任何适当 的驱动系统驱动。这些发生器包括位于转子和定子之间的间隙。在一些实施例中，可调节所述定子 来获得每个发生器(转子组/定子组)的、位于转子和定子之间的期望剪切间隙。第一发生 器220包括第一间隙225 ；第二发生器230包括第二间隙235 ；且第三发生器240包括第三 间隙245。间隙225、235、245的宽度在大约0. 025mm (0. 01英寸)至10. Omm (0. 4英寸)之 间。替代地，该工艺包括利用高剪切装置200，其中，间隙225、235、245在大约0. 5mm(0. 02英 寸)至2. 5mm(0. 1英寸)之间。在某些情形中，该间隙维持在大约1. 5mm(0. 06英寸)。替 代地，发生器220、230、240的间隙225、235、245互不相同。在某些情形中，第一发生器220 的间隙225大致大于第二发生器230的间隙235，而第二发生器230的间隙235大致大于第 三发生器240的间隙245。另外，间隙225、235、245的宽度可包括粗、中、细和超细。转子222、223和224以 及定子227、228和229可以设计为带有齿。如在现有技术中已知的，每个发生器可包括两 组或多组转子_定子齿。转子222、223和224可包括围绕每个转子的圆周沿周向间隔开的 多个转子齿。定子227、228和229可包括围绕每个定子的圆周沿周向间隔开的多个定子 齿。在另外的实施例中，转子和定子可具有大约6. Ocm的转子外径和大约6. 4cm的定子外径。在实施例中，转子外径在大约11. 8cm至大约35cm之间。在实施例中，定子外径在大约 15. 4cm至大约40cm之间。替代地，转子和定子可具有其他直径，以改变末端速度和剪切压 力。在特定实施例中，三个级中的每一级均作为超细型发生器而运行，其包括大约0. 025mm 至大约3mm之间的间隙。 向高剪切装置200供给包括供给流205的反应混合物。供给流205包括可扩散相 和连续相的乳状液。“乳状液”指包含两种不易混合和溶解在一起的不同物质(或相)的液 化混合物。大多数乳状液具有连续相(或基质)，在该连续相内保持有其他相或物质的不连 续的小滴、气泡和/或微粒。乳状液可以是高粘性的，例如是泥浆或糊浆，或者可以是带有 悬浮在液体内的微小气泡的泡沫。如在此所使用的，术语“乳状液”包含包括气体气泡的 连续相；包括微粒(例如固体催化剂)的连续相；包括流体的小滴或微团的连续相，所述流 体在连续相内不可溶解；以及它们的组合。供给流205可包括微粒状固体催化剂成分。流体205被泵送通过发生器220、230、 240，从而形成产物扩散物210。在每个发生器中，转子222、223、224相对于固定的定子227、 228,229高速旋转。这些转子的旋转将流体(例如供给流205)在转子222的外表面与定子 227的内表面之间泵送，从而造成了局部高剪切条件。间隙225、235、245产生了对供给流 205进行处理的高剪切力。转子和定子之间的高剪切力起作用以对供给流205处理，从而形 成产物扩散物210。高剪切装置200的每个发生器220、230、240具有可互换的转子-定子 组合，以在供给流205包括气体时用于在产物扩散物210内产生期望的气泡尺寸的狭窄分 布，或在供给流205包括液体时在产物扩散物210内产生期望的微团尺寸的狭窄分布。液体内的气体微粒、微团或气泡的产物扩散物210构成了乳状液。在实施例中， 产物扩散物210可包括先前不可混合或不可溶解的气体、液体或固体进入连续相内的扩散 物。产物扩散物210具有小于大约1. 5 μ m的平均气体微粒、微团或气泡尺寸，优选地，该微 团的直径为亚微米级。在一些情形中，平均微团尺寸在从大约Ι.Ομπι至大约0. Ιμπι的范 围内。替代地，平均微团尺寸小于大约400nm(0. 4 μ m),最优选地小于大约IOOnm (0. 1 μ m)。末端速度是与将能量传递给反应物的一个或多个相关元件的末端有关的速度(m/ sec)。对于旋转元件来说，末端速度是每单位时间内、转子的末端所经过的圆周距离，它一 般由等式V(m/Sec) = π · ·η来定义，其中V是末端速度，D是以米为单位的转子直径， 且η是以转/秒为单位的转子旋转速度。因此，末端速度是转子直径和转速的函数。对于胶体研磨器来说，典型的末端速度超过23m/SeC(4500ft/min)，且可超过 40m/sec (7900ft/min)。对于本公开，术语“高剪切”指能够具有超过5m/sec (1000ft/min) 的末端速度且需要外部机械驱动式动力装置将能量传入待反应的产品流内的机械式转 子-定子装置，例如研磨器或混合器。在某些情形中，可实现超过22.9m/S(4500ft/min)的 末端速度，且该末端速度可超过225m/s (44，200ft/min)。高剪切装置将高的末端速度与非 常小的剪切间隙相组合，以对被处理材料产生大的摩擦/剪切。因此，在运行期间(取决于 剪切间隙和末端速度和其他因素)，能够在剪切混合器的末端处产生从大约IOOOMPa(大约 145, OOOpsi)至大约1050MPa(大约152，300psi)范围内的局部压力和升高的温度。在一些 实施例中，该局部压力至少为大约1034MPa(大约150，OOOpsi)。在运行期间，该局部压力还 取决于末端速度、流体粘性和转子_定子间隙。输入到流体内的能量的近似值(kW/1/min)可通过测量马达功率(kW)和流体输出量(1/min)来进行。在实施例中，高剪切装置的能量消耗高于1000W/m3。在实施例中，能 量消耗在从大约3000W/m3到大约7500W/m3的范围内。高剪切装置200将高的末端速度与 非常小的剪切间隙相组合，以对材料产生大的剪切。剪切量通常取决于流体的粘性。剪切 率是末端速度除以剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)。在高剪切装置200内产 生的剪切率可大于ΖΟ,ΟΟΟ Γ1。在一些实施例中，剪切率至少为40，ΟΟΟ Γ1。在一些实施例 中，剪切率至少为lOO.OOOs—1。在一些实施例中，剪切率至少为500，OOOs—1。在一些实施例 中，剪切率至少为l.OOO.OOOs—1。在一些实施例中，剪切率至少为Ι,ΘΟΟ,ΟΟ ^Λ在实施例 中，由HSD 40产生的剪切率在从20，000s—1至100,000s-1的范围内。例如，在一个应用中， 末端速度大约为40m/s (7900ft/min)；剪切间隙宽度为0. 0254mm(0. OOlinch)，从而产生了 1，600，OOOiT1的剪切率。在另一个应用中，转子末端速度大约为22.9m/S(4500ft/min)且 剪切间隙宽度为0.0254mm(0. OOlinch)，从而产生了 901,600s-1的剪切率。在转子具有较 大直径的实施例中，剪切率可超过大约9，000，000s—1。高剪切装置200产生了能够在大气压力下保持散布状态至少15分钟的气体乳状 液。对于本公开，在产物扩散物210内，扩散相中的其直径小于1.5μπι的气体微粒、微团或 气泡的乳状液可构成微泡沫。不限于特定的理论，已知在乳化化学领域中，散布在液体内的 亚微米微粒、微团或气泡主要通过布朗运动效应进行运动。根据生产率要求和出口扩散物210中的期望的微粒尺寸或气泡尺寸来选择高剪 切装置200。在一些情形中，高剪切装置200包括来自IKA Works，Inc. Wilmington, NC 白勺 Dispax Reactor , APV North America, Inc. Wilmington,MA ^ Model DR 2000/4 M 如包括带驱动、4M发生器、PTFE密封环、入口凸缘1 ”卫生夹、出口凸缘3/4 ”卫生夹、2HP电 源、7900rpm的输出速度、大约3001/h至大约7001/h(取决于发生器)的流量(水)、9. 4m/s 至大约41m/s (大约1850ft/min至大约8070ft/min)的末端速度。可获得具有不同入口 / 出口连接、马力、末端速度、输出rpm和流速的数个替代型号。例如，Super Dispax Reactor DRS2000。RFB单元可以是具有125，000升/小时的流量的DR 2000/50单元，或具有40，000 升/小时的流量的DRS 2000/50单元。不希望限于特定的理论，相信高剪切混合的水平或程度足以增加质量传送率且可 产生局部非理想条件，这使得基于Gibbs自由能预计不会发生的反应能够发生。相信在高 剪切装置内产生了局部非理想条件，从而导致温度和压力增加，其中最明显的增加相信是 局部压力的增加。高剪切装置内的压力和温度增加是瞬间的、局部的，一旦离开该高剪切装 置，则快速地恢复到整体或平均的系统状况。在一些情况中，高剪切混合装置引起足够强度 的空化，以使反应物中的一个或多个分离为自由基，这可能强化化学反应或允许反应以比 可能要求的条件更不严格的条件发生。通过产生局部湍流和液体微循环(声流)，空化也可 增加输送过程的速度。 虽然已示出和描述了本发明的优选实施例，但在不偏离本发明的精神和教示的情 况下，本领域技术人员可对其进行修改。在此描述的实施例仅是示例性的，而非限制性的。 在此公开的本发明的许多变化和修改是可能的，而且处于本发明的范围内。在此，数量范围 或限制是以表达的方式陈述的，这样的表达范围或限制不应理解为包括落入以表达的方式 陈述的范围或限制内的、类似幅度的迭代范围或限制(例如，从大约1至大约10包括2、3、 4等；大于0. 10包括0. 11,0. 12,0. 13等)。相对于权利要求的任何元素使用术语“可选择地”意图指需要所述元素或不需要所述元素。两种替代方案均意图于在权利要求的范围内。 例如“包括”、“包含”、“具有”等的含义更广的术语的使用应理解为提供了对含义更窄的术 语(例如“由…组成”、“基本由…组成”、“大致包括”等)的支持。 因此，保护范围不受以上阐明的描述所限，而是仅由所附权利要求限制，所述范围 包括权利要求的主题的所有等同物。权利要求作为本发明的实施例并入说明书中。因此， 权利要求是另外的描述，且是本发明的有利实施例的补充。在背景技术的描述中论述的引 用不非认为它是相对于本发明的现有技术，特别是其
公开日期可能在本申请的优先权日之 后的引用。在此例举的所有专利、专利申请和公布的公开内容在此通过引用的方式并入，在 一定程度上，它们为在此阐述的内容提供了示例性的、程序上的或其他细节的补充。
权利要求
1.一种用于产生加气燃料的方法，包括提供高剪切装置，所述高剪切装置具有至少一个转子/定子组，所述至少一个转子/定 子组被构造为用于产生至少5m/s的末端速度；将液体燃料和气体引入到所述高剪切装置内；以及形成液体燃料和气体的乳状液，其中，所述气体包括平均直径小于大约5 μ m的气泡， 以形成加气燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成乳状液的步骤还包括在所述高剪切装置内 形成具有小于大约1. 5 μ m平均直径的气体气泡。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高剪切装置被构造为具有大于大约23m/s的 末端速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高剪切装置被构造为在所述末端处产生至 少大约IOOOMPa的局部压力。
5.根据权利要求1所述的方法，包括使所述液体燃料和气体气泡受到大于大约 20,000s-1的剪切率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高剪切装置被构造为具有至少1000W/m3的能量消耗。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述乳状液包括大约高于所述液体燃料的上爆 炸极限(UEL)的液体燃料和气体混合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述乳状液包括加气燃料的微泡沫。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，将液体燃料和气体引入的步骤包括对所述液体 燃料加压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述液体燃料加压的步骤包括至少大约 203kPa(2atm)的压力。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述加气燃料喷射到燃烧室内；以及使所述加气燃料燃烧，以产生机械力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，喷射所述加气燃料的步骤还包括以化学计量 比加入氧化剂气体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，喷射所述加气燃料的步骤还包括将所述乳状 液以超化学计量比弓丨入到燃烧室内。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体包括从由以下项组成的组中选择的至 少一个空气、水蒸气、甲醇、氮氧化物、丙烷、硝基甲烷、草酸盐、有机硝酸盐、丙酮、二茂铁、 甲苯、或甲基环戊二烯三羰基锰。
15.一种用于产生加气燃料的系统，包括泵，所述泵位于高剪切装置的上游，所述泵与所述高剪切装置的入口处于流体连通；所述高剪切装置，所述高剪切装置产生含气体的燃料的乳状液，所述乳状液具有小于 大约1. 5 μ m的平均气泡直径；以及发动机，所述发动机被构造为使所述乳状液燃烧。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，高剪切混合器具有大于23m/s的末端速度。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述高剪切装置被构造为在所述末端处产生 至少大约IOOOMpa的局部压力。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述高剪切装置被构造为产生大于大约 20,000s-1的剪切率。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述乳状液包括大约高于液体燃料的上爆炸 极限(UEL)的液体燃料和气体混合物。
20.根据权利要求15所述的系统，其中，所述气体包括从由以下项组成的组中选择的 至少一个空气、水蒸气、甲醇、氮氧化物、丙烷、硝基甲烷、草酸盐、有机硝酸盐、丙酮、二茂 铁、甲苯、或甲基环戊二烯三羰基锰。
全文摘要
在工艺中使用了高剪切机械装置来产生用于在发动机内有效燃烧的加气燃料。例如，该方法包括在被引入到发动机中之前，先在高剪切装置内形成液体燃料和气体的乳状液。一种用于产生加气燃料的车辆系统，其包括高剪切装置。
文档编号B01F7/16GK102084102SQ200980125728
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年7月3日
发明者易卜拉西姆·巴盖尔扎德, 格雷戈里·博尔西格, 阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·安东尼 申请人:Hrd有限公司