专利名称：内燃机准液体燃料及其输送和喷射方法
技术领域：
本发明是关于内燃机准液体燃料及其输送和喷射方法，特别是关于利用微小或纳
米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可燃物质如木素、硝化木素、硝化纤维素、硝化 半纤维素、生物质的硝化产物、经脱除灰分杂质处理后的煤粉与汽油、柴油等燃料油为液 态载体静态或动态地混合形成悬液或乳化液用于内燃机的方法。
背景技术：
中国专利公开号CN1566289的专利申请提出了一种木素醇燃料制造工艺，涉及一 种用乙醇法造纸制浆所得蒸煮残液为主要原料，制作木素醇这种液体清洁燃料的工艺。但 由于常温下木素在乙醇中的溶解度有限，木素的比重大(大约在1. 35-1. 5之间)，使其在乙 醇(比重大约为0. 79)中沉底，且其能量密度也较汽油和柴油小，因此这种燃料也不能直接 或间接地作为内燃机，尤其是交通运输车辆的动力燃料来使用。另外，有希望用于燃料的乙 醇的生产要么消耗粮食或用于种植糖料植物而占用耕地，要么需要利用成本很高的纤维素 酶酶解植物纤维素，这些也使乙醇作为替代液体燃料的大规模利用难以实现，因此有必要 发现新的液体或准液体燃料系统替代或部分替代石化燃料用于驱动内燃机。
中国专利公开号CN1370217涉及用生物质预水解方法获得的一种催化纤维木质 素燃料，该纤维木质素燃料是由纤维素和成球的木质素组成，其比表面积约1. 5-2. 5m2/g， 并可被碾碎为小于250ym的颗粒。由于含有相当量低热值的纤维素(约17.3kJ/g)，其燃 烧热值只可达18-20kJ/g，低于标准煤的热值(约29kJ/g)，且是粉末状固体燃料，因此只能 作为普通燃料，不能作为内燃机的动力燃料来使用。其它利用固体粉末或颗粒作为内燃机 燃料的专利申请还有利用煤粉尘作为内燃发动机的燃料(专利申请公开号CN86104451)， 内燃煤机(CN2318407，柴草内燃机(CN1043368)，粉末燃料活塞式内燃机(CN2066896)，可 燃粉末内燃机(CN1916381)，利用火药作为固体燃料内燃机(CN2167197)。利用固体粉末或 颗粒作为目前利用液态燃料的内燃机需要完全重新设计改进现有内燃机的燃料输送供给 方式以及点火方式，另外因为固体燃料燃烧后一般均有固体灰分，因此要求设计有灰分排 出结构，这些均使固体粉末燃料难以在交通运输车辆上得以应用。
发明内容
本发明要解决以下三个问题，第一是寻找一种具有较高能量密度的混合液体或可 以流动的准液体以便只需最低限度地改变现有内燃机的结构即可用于目前的内燃机中；第 二是通过表面浸润的方法使该液体中的各组分能够均匀混合或在震荡状态下能够均匀混 合；第三是利用合适的发动机输油和喷射方法使该液体能够被输送入内燃机气缸内喷射燃烧。 本发明的第一目的是利用从生物质材料中获得的木素用之于各类汽油、柴油(轻 或重柴油)内燃发动机，作为准"液体"燃料部分替代汽油或柴油燃料；本发明的第二目的 是解决木素在汽油、柴油中溶解度低的问题；本发明的第三目的是提供一种合适的方法将该准液体燃料输送入传统的内燃机汽缸内进行喷射燃烧；本发明的第四目的是等同地利用高能量密度的硝化木素、硝化纤维素、生物质的硝化产物、糠醛、经脱除灰分杂质或/及经过表面处理后的微米或纳米煤粉代替前述木素与汽油、柴油等燃料油为液态载体静态或动态地混合形成悬液或乳化液作为内燃机的准液体燃料；本发明的第五目的是提供一种使固体粉末或颗粒在汽油和柴油中微米或纳米化的方法。 木素的优点之一是热值高，由于其比重大于目前所使用的汽油、柴油，其单位体积的燃烧热与汽油、柴油相当，可比目前作为替代能源的乙醇高1.5倍。根据资料，木素的燃烧热为26kJ/g，据资料，脱除灰分的盐酸或硫酸木素的燃烧热更高，如云杉盐酸木素的燃烧热是110kJ/g，硫酸木素的燃烧热是109. 6kJ/g，另外，由于与纤维素结构的一维方向性不同，木素结构的方向性不明显，容易形成球状颗粒，因此可以通过研磨，如使用胶体磨，縮小木素颗粒大小至微米或纳米级，形成高比表面积，使木素的实际燃点降低并容易在内燃机内点燃和进行燃烧，当与柴油混合时不致于引起柴油十六烷值的过分降低。再者，木素容易从生物质材料中直接提取，是造纸工业的废弃物和污染源，不象生物乙醇需要利用粮食作为原料，或者利用纤维素进行复杂的处理后作为原料进行发酵生产。正是因为木素具有这些特点和优点，木素比生物燃料乙醇(燃烧热大约30kJ/g)更具有优势作为石油的替代能源。 虽然具有优点，但常温使用状态下木素不溶于汽油、柴油(轻或重柴油)，要利用木素首先需要解决的是如何将木素与常规的液体燃料如汽油、柴油的有效混合并输送入发动机汽缸内喷射点火燃烧，显然，利用合适的乳化剂使汽油或柴油等燃料油与木素形成均匀混合的乳化液是优选的方案。本发明的技术方案是利用木素在少量水分存在的条件下可少量溶于二氧六环、吡啶、甲醇、乙醇的特点并可被浸润的特点，并可被乙醇或丙酮浸润分散的特点，将乙醇或丙酮或二甲醚(或其它醇或酮类，如甲醇、丁醇，醚类或酯类等)作为乳化促进剂，将木素浸润或与乙醇或丙酮混合后再与汽油或柴油混合搅拌形成悬液(乳化液或悬浊液，即所谓"准液体"燃料)，木素比重大，倾向于下沉，但在搅拌状态下尚能形成亚稳定的悬液。为了保持悬液状态便于定量输送入发动机汽缸，该悬液须在搅拌或摇动状态下通过高压油泵直接经过喷油器喷入汽缸内。或者为发动机配置两个油箱，其中一个油箱是传统的汽油或柴油油箱，另外一个油箱则是带有搅拌器的油箱，或者油箱处于摇动状态，盛装含有木素与汽油或柴油相混合的燃料，两个油箱分别配置高压油泵分别将各自的燃油按比列经各自的喷油器泵入汽缸；或者将喷油器改造成为双油路的喷射结构，在喷射后木素与汽油或柴油在汽缸内得到充分混合燃烧。 汽油发动机是先在化油器内形成油和空气的混合气再经点燃后燃烧，含有木素的汽油在喷雾后与空气混合时容易造成木素的下沉，因此，汽油发动机最好配置两个油箱，其中之一为传统的油箱按现有方式提供油气混合气进入汽缸，另外一个油箱盛装含木素的油箱，在点火的前一瞬间，通过高压泵将含木素的汽油泵入汽缸内。 为方便加油站计量销售，使用方法是将木素用乙醇或甲醇或二甲醚或丙酮或其它浸润物质浸润后通过管道计量泵入带搅拌器的油箱内；或包装成袋，使用时将木素倾倒入带搅拌器的油箱内。 木素或其它高能量密度的固体粉末或颗粒在燃料油如汽油或柴油中研磨，一方面可以继续縮小粉末颗粒尺寸直至微米、纳米尺度，增加颗粒表面积(以利于固体粉末的点
4火和燃烧，解决一般固体粉末燃点高，比石化燃料难燃的缺点)的同时可以避免其与空气中水分子，氧气分子等杂质分子接触和产生的吸附杂质的作用，促使其与添加入的表面活性物质(如醇类、酮类、酯类、醚类等)以及燃料油分子产生表面吸附作用，利于在静态或动态时形成悬液。 木素尤其是细小颗粒的木素遇空气中氧气或光照下容易被氧化而变深颜色，因此，添加适合的抗氧化剂有助于解决此问题。木素在酸性条件下易于发生縮合縮聚反应，因此，维持或在添加入燃料油中之前维持弱碱性或添加微量蒽醌有助于防止木素縮合的发生。 纤维素的燃烧值较低(约12kJ/g)，因此，纤维素本身不适合直接作为内燃机的燃料。但硝化纤维素具有易燃烧和高能量的特点并可以被乙醇、丙酮等浸润或部分溶解，因此可以替代木素与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。硝化木素也具有易燃和高能量密度的特点，因此同样可以替代木素与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。生物质经过硝化处理除了得到硝化纤维素和硝化木素外还可以得到硝化淀粉、硝化酯、硝化蛋白、硝化半纤维素、硝化松柏椁、硝化壳糖、硝化胶质等硝化物质以及非硝化物质如丙二酸二乙酯(甲叉废液)、甲醇、环氧乙烷，后者也同样可以作为木素的替代品与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料，同理，硝化甘油、硝化碳氢化合物(如硝基甲苯)、硝酸铵，以及来自于酸水解生物质得到的糠醛也可以作为木素的替代物。由于在硝化过程中的条件不同，其含氮也不同，溶解度也互有差异，含氮量过高者为爆炸品，因此，作为燃料使用的硝化物首选低硝化度者。考虑到硝化物属于易爆品，在与汽、柴油混合前不宜完全脱水，其中水分可以在硝化物与油品混合后再将吸水剂如氧化钙、氯化钙、硅胶等放入脱除多余水分；同样的方法可以用于脱除木素混合时及下述煤粉混合时多余的水分。当利用硝化物质作为替代燃料的一部分时，内燃机燃烧条件应该能降低氮氧化物的产生或保证氮氧化物尾气能有效的分解，避免尾气中氮氧化物对大气的污染。 利用煤粉替代木素与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料的方法如下首先优选灰分杂质少，氮、硫、磷、氟、氯、砷含量低的煤炭，并进行筛选研磨等处理。也即，为了提高煤粉质量使之适合在内燃机内燃烧，使用浮选精煤或水洗煤进行研磨加工、微米或纳米化，筛除煤炭中不能充分燃烧的成份及产生污染的硫、灰等杂质，通过水洗选、磁选等除去部分矿物质颗粒或溶解洗涤部分水溶性氮、硫、磷、氟、氯、砷化合物，再碱洗脱除氧化硅、氧化铝、腐殖酸等，酸洗脱除金属氧化物。所得煤粉再经过脱水后与汽油或柴油进行混合搅拌。另外，还可以用具有与煤炭同样或相似性质的焦炭，具有较好润滑性能的石墨、碳60等代替煤粉与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。 煤炭经粉碎，碱洗，酸洗，脱水后，所得煤粉颗粒表面易于保留吸附的水分子、氧分子或氧原子，因此，在此状态下颗粒不宜研磨至太小，如最小达到微米尺度即可。为了进一步除去水分和氧，所得煤粉在高温条件下通过加氢或一氧化碳还原或加热通氮气流脱除颗粒表面吸附的水分和分子或原子氧，最好在惰性气体保护下再直接倾倒入燃料油内进一步在隔绝空气的条件下再研磨至微米或纳米大小，以形成类似水煤浆的"油煤浆"的目的。
图1为本发明中对传统喷油器的改造剖视示意图以及附属的准液体燃料油输送系统示意图。 图2为图1中附属的准液体燃料油输送系统中出油阀相关结构剖视示意图。
具体实施方式
实施例l 本发明利用木素热值高，颗粒小，提取容易或来源于造纸等行业的副产品，具有成 本低的优点，将其添加入燃料油类形成悬液作为准液体燃料而直接作为内燃机的动力。作 为示范，木素可以从市场上采购，但最好进一步用酸洗脱除残余的灰分提高木素燃烧热，酸 洗后再经碱中和活化或同时再添加微量蒽醌起到防止木素縮聚的作用。脱水后的木素加入 0. 5-50重量％的无水乙醇或甲醇或丙酮，经过搅拌混合后，再加入汽油或市售含乙醇的汽 油或柴油中，使木素含量在5_95重量％之间，为了进一步减少木素的颗粒大小，上述混合 物在隔开空气状态下胶体磨中进行充分研磨约IO分钟。在搅拌或摇晃状态，被乙醇浸润的 木素或分散于乙醇中的木素与汽油或柴油形成动态稳定的悬液，或者进一步在胶体磨中进 行充分研磨减少木素的颗粒大小并促进悬浊液的稳定。 另外，可以现场制造木素并与汽油或柴油混合。作为示范，将稻壳洗净后用5%氢 氧化钠溶液加热蒸煮，过滤得到褐色溶液，用稀硫酸中和该褐色溶液，过滤得到白色的木素 及含有少量胶体和其它有机物的"胶态"状半固体，经过清水洗涤并初步过滤脱水至没有水 滴后，放入约5% _95%重量的汽油或柴油中并加入总重1%的乙醇，经充分搅拌摇荡即得 到含有木素、乙醇、少量水分、汽油或柴油的准液体燃料；或先将上诉木素胶态状半固体放 入乙醇或丙酮溶液中浸润，乙醇或丙酮含量在O. 1%以上，再将该溶液与约5% _95%重量 的汽油或柴油搅拌混合，经充分搅拌摇荡即得到含有木素、乙醇、少量水分、汽油或柴油的 准液体燃料。为了减少油中的水分，利用袋装石灰或其它吸水剂放入燃料油中吸收部分水 分，因为水分有助于木素与乙醇的溶解浸润，准液体燃料中需要适当保留微量水分。
实施例2 为模拟发动机喷油器工作，利用喷油枪进行喷油点火试验。当油壶强力摇动装有 含木素5-95重量％的燃料油时(模拟油箱摇动或搅拌乳化作用)，油气与木素可以共同喷 出，并可被点燃充分燃烧。因此，含木素的燃料油的利用方法是通过在发动机油箱内装置一 个搅拌机或控制摇动油箱保持木素与燃料油形成稳定的悬浊液，以便高压油泵同时将木素 和燃料油通过高压油泵经喷油器喷射入发动机汽缸内进行均匀燃烧。
实施例3 为方便发动机利用含木素的燃料油，发动机配置两个油箱，其中一个为现有传统 油箱提供常规的汽油或柴油，另外一个油箱则配置有搅拌装置或油箱摇荡装置盛装含木素 的汽油或柴油。每个油箱分别配置高压油泵，通过独立的喷油器将燃料喷入发动机汽缸。或 者将两个喷油器合二为一，如图1所示。经油泵1的作用，喷油器内的出油阀4开启，含木 素的燃油从油箱2中沿箭头方向抽送入喷油器内腔3，根据喷入汽缸内木素量的要求(在 5_95重量％范围内)，通过计量泵泵入相应体积的准液体燃料，(在实际应用中，准液体燃 料油箱2中可以不含汽油或柴油，即汽油或柴油的含量为0%，而是通过在喷油器内腔3内 的现场混合达到准液体燃料在内燃机汽缸内所要求的木素含量的要求)。在完成准液体燃 料的注入后，出油阀4自动关闭。在准液体燃料泵入喷油器内腔3前，内腔3内有在前次喷
6射停止后来自常规油箱内残留的不含木素的燃油，在泵入含木素的燃油的同时部分不含木 素的燃油向上回流。因为喷油器内腔3在喷射动作完成后，其内腔压力急剧变小，因此，准 液体燃料的喷油泵1无需是高压喷油泵即可实现燃料的泵送，低压力下工作减少了粉末或 颗粒对混合油油泵的磨损。在完成准液体燃料的注入后，或在准液体燃料注入停止前适当 时间，纯汽油(包括含乙醇的汽油)或纯柴油通过传统的喷油泵(未图示)加压驱动，从出 油口 5沿图示箭头进入内腔3，当喷油器内腔3的内压力达到要求的强度时，按照传统的喷 油器设计方案，针阀6被顶开开始向气缸内喷射喷油器内腔3内的高压混合燃料并进行均 匀燃烧。 纯汽油(包括含乙醇的汽油)或纯柴油入口 5也可以在准液体燃料出油口 4的上 方，以便纯燃油在进入喷油器内腔3时可以对准液体燃料出油口处的出油阀4发生清洗作 用。因为燃料中的粉末或颗粒成分比重大于燃油的比重，因此，粉末或颗粒受重力作用处在 喷油器内腔3的下部，每次喷油器喷射，上部的纯燃油对喷油器下部都进行了一次清洗，最 大限度地保持喷油嘴处针阀6表面和其偶合面上没有混合在燃油中的粉末或颗粒物质，减 少针阀6和其偶合面之间的机械磨损。 为了避免油箱2在摇荡时或利用搅拌器7搅拌时油料与空气的接触，在油箱2的 上方增加一主油箱8，准液体燃料从油箱口 9处进入，沿管道按箭头方向进入油箱2并保持 油箱2始终充满准液体燃料避免空气的进入，再从油箱2经喷油泵1进入喷油器内腔3。油 箱2内或装有搅拌器7或该油箱2以电动驱动使其处在摇动状态，以保证准液体燃料处于 最佳的均匀混合状态。 图2是准液体燃料出油阀4开或闭相关的自动控制机构细节示意图，当然，还可以 是其它类似的控制方案。当喷油器顶针6顶起使混合燃油喷出后，通过内燃机的控制机构 指令喷油泵1开始加压工作，准液体燃料通过阀门4-1上的开口 4-2或另设的其它通道进 入内腔10，当压力大到使出油阀弹簧11所限定的强度时，出油阀4左移导致准液体燃料流 入喷油器内腔3。阀4和4-1通过一连杆相连，当喷油泵1停止加压工作时，出油阀弹簧11 促使阀4处于向右移动的关闭状态。因为喷油泵1可以是低压泵，因此，可以利用传统的喷 油泵或"污泥泵"结构来泵送含微小颗粒的准液体燃料。
实施例4 类似或等同地，具有高能量密度的硝化纤维素或其它硝基碳氢化合物、硝酸铵火 药，在被乙醇、甲醇、乙醚、或丙酮等浸润或部分溶解后，可以替代木素与汽油或柴油混合配 制前述内燃机准液体燃料。硝化木素也具有易燃和高能量密度的特点，因此同样可以替代 木素与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。生物质经过硝化处理除了得到硝化 纤维素和硝化木素外还可以得到硝化淀粉、硝化酯、硝化蛋白、硝化五碳糖(硝化半纤维 素)、硝化松柏椁、硝化壳糖、硝化胶质等硝化物质以及非硝化物质如丙二酸二乙酯(甲叉 废液)、甲醇、环氧乙烷，以及生物质酸水解产物糠醛等，也同样可以作为木素的替代品与汽 油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。考虑到硝化物属于易爆品，在与汽、柴油混合前 不宜完全脱水，其中水分可以在硝化物与油品混合后再将吸水剂如氧化钙、氯化钙、硅胶等 放入脱除多余水分。
实施例5 类似或等同地，煤粉替代木素与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。首先优选灰分杂质少，氮、硫、磷、氟、氯、砷含量低的煤炭，并进行筛选研磨等处理。也即，为了提高煤粉质量使之适合在内燃机内燃烧，使用浮选精煤或水洗煤进行研磨加工、微米或纳米化，筛除煤炭中大颗粒及不能充分燃烧的成份及产生污染的硫、灰等杂质，通过水洗选、磁选等除去部分矿物质颗粒或溶解洗涤部分水溶性氮、硫、磷、氟、氯、砷化合物，再碱洗脱除氧化硅、氧化铝、腐殖酸等，酸洗脱除金属氧化物。所得煤粉再经过脱水后与汽油或柴油进行混合搅拌。另外，还可以用具有与煤炭同样或相似性质的焦炭，具有较好润滑性能的石墨、碳60等代替煤粉与汽油或柴油混合配制前述内燃机准液体燃料。 煤炭经粉碎，碱洗，酸洗，脱水后，所得煤粉颗粒表面易于保留吸附的水分子、氧分子或氧原子，因此，在此状态下颗粒不宜研磨至太小，如最小达到微米尺度即可直接倾倒入燃料油内进一步在隔绝空气的条件下再研磨至微米或纳米大小，以形成类似水煤浆的"油煤浆"的目的。为了进一步除去水分和氧，所得煤粉在高温条件下通过加氢或一氧化碳还原或加热通氮气流脱除颗粒表面吸附的水分和分子或原子氧，最好在惰性气体保护下再直接倾倒入燃料油内进一步在隔绝空气的条件下再研磨至微米或纳米大小，以形成类似水煤浆的"油煤浆"的目的。常规的工艺技术过程，如洗选过程、加氢技术、一氧化碳还原等即不再赘述。 上述实施例给出了利用本发明的示范举例，不是对本发明可以实际利用范围的限定。
权利要求
一种内燃机准液体燃料，其特征在于，微小或纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可燃物质与燃料油为液态载体静态或动态地混合形成悬液。
2. 如权利要求1所述的内燃机准液体燃料，其特征在于，所述的高能可燃物质是木素 或硝化木素或硝化纤维素或硝化半纤维素或生物质的硝化产物或硝化碳氢化合物或糠醛 或硝酸铵或经脱除灰分杂质处理后的煤粉。
3. 如权利要求1所述的内燃机准液体燃料，其特征在于，所述的高能可燃物质先经醇 或酮或醚浸润或与醇或酮或醚混合后再与燃料油搅拌混合。
4. 如权利要求3所述的内燃机准液体燃料，其特征在于，所述的醇为甲醇或乙醇；所述 的酮为丙酮；所述的醚为二甲醚。
5. 如权利要求1所述的内燃机准液体燃料，其特征在于，所述的燃料油为汽油或柴油。
6. —种内燃机准液体燃料的输送和喷射方法，其特征在于，内燃机配置两个油箱，其中 之一为现有传统油箱结构盛装不含微小或纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可 燃物质的燃料油，另外一个油箱盛装含微小或纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高 能可燃物质的燃料油。
7. 如权利要求6所述的内燃机准液体燃料的输送和喷射方法，其特征在于，含微小或 纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可燃物质的燃料油箱内安置有搅拌装置或该 油箱保持处于摇荡状态。
8. 如权利要求6所述的内燃机准液体燃料的输送和喷射方法，其特征在于，内燃机汽 缸配置两个喷油器，使含与不含微小或纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可燃 物质的燃料油分别经独立的喷油器喷出后在汽缸内均匀混合燃烧。
9. 如权利要求6所述的内燃机准液体燃料的输送和喷射方法，其特征在于，内燃机的 喷油器具有两个油料通道分别泵入含和不含微小或纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流 体高能可燃物质的燃料油，在同时经喷油器喷出后在汽缸内混合燃烧。
10. 如权利要求9所述的内燃机准液体燃料的输送和喷射方法，其特征在于，含微小或 纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可燃物质的燃料油在低压下先泵入喷油器， 再由高压喷油泵泵入纯燃料油。
全文摘要
本发明是关于内燃机准液体燃料及其输送和喷射方法，特别是关于利用微小或纳米颗粒状固体、或半固体或胶体或流体高能可燃物质(如木素、硝化木素、硝化纤维素、硝化半纤维素、生物质的硝化产物、经脱除灰分杂质处理后的煤粉)与汽油、柴油等燃料油为液态载体静态或动态地混合形成悬液或乳化液用于内燃机的方法。
文档编号C10L1/32GK101735871SQ20081018138
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者秦才东 申请人:秦才东