具有增强的机械能输出的合成燃料的制作方法

专利名称：具有增强的机械能输出的合成燃料的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料组合物(例如，内燃机中使用的燃料组合物)领域。这种发动机可用于各种车辆和其他应用，包括汽车、卡车、火车、飞机和发电机。这种发动机可包括四冲程发动机或二冲程发动机。2.相关技术对于任何给定的机械设计，一系列可能的动力学反应将会允许发动机通过化学和 /或物理过程从分子的化学转化中产生有用功。例如，鲁道夫·狄塞尔(Rudolf Diesel)最初的柴油机首次以花生油运行，而亨利 福特(Henry Ford)将他的Model T设计成以汽油或醇(例如，甲醇)运行的弹性燃料(flexfuel)汽车并且宣告醇是未来的燃料。汽油，一般美国人观念中的“燃料”，不是均质物质。相反，它是数百种不同分子和用来赋予特定性质如抗腐蚀性的添加剂的混合物。通常，主要通过蒸馏和分离由对于汽油以8个碳(辛烷)为中心和对于柴油以12个碳(十六烷)为中心的烷烃化合物的分布而从原油分离以生产石油基内燃机燃料。尼古拉·卡诺(Nicolas Carnot)是法国物理学家和军事工程师,在他1824年的“Reflections on the Motive Power of Fire”中首次成功给出了热力发动机的理论说明(现在被称为卡诺循环)，从而为热力学第二定律打下基础。由于这些概念如卡诺效率、卡诺定理、卡诺热机等，他经常被称作“热力学之父”。最大效率定义为燃烧温度与排气温度之间的温度差除以燃烧温度。政治、经济、以及化学因素可决定燃料的组分。考虑四乙基铅的引入和后来的抛弃、对含有10-15%的基于玉米的乙醇的汽油的“农业部补贴(51分/加仑)”、E-85(夏季具有85 %乙醇，冬季具有70 %乙醇)、或者加利福尼亚州对于MTBE的禁令、以及更多的限制添加剂和组合物的例子。在中国，可得到M-85汽油的替代品和从煤制成的M-15酒精汽油混合燃料。汽油和柴油(其均含有数百种组分)以及甲醇和乙醇(其主要是单一化学组分燃料)使用添加剂以实现期望的润滑性、抗腐蚀性、抗泡沫性等性质，从而使得它们在特定应用中适于作为燃料。向汽油中加入MTBE以提供氧，从而降低排放。乙醇已经取代了 MTBE，并且也用于提供氧。目前在美国，使用乙醇有每加仑51美分的税收抵免，这样石油公司可增加10%、或者现在15%用于最新车辆中，以降低燃料的花费。对于E-85，消费者每加仑可支付更少，但是这种价格的降低通常低于每加仑能量的减少，其表现为由这些燃料提供的每加仑英里数(MPG)减少。很期待燃料的可再生性质。认为由玉米、糖、藻类或其他蔬菜源制成的乙醇、以及由动物或蔬菜的脂肪制成的生物柴油是可再生的。甲醇可通过两步法由煤制成，或者简化的一步法由天然气(其主要是甲烷)制成。天然气可来自于可再生的来自填埋场中的污泥消化、木头、或其他有机物的沼气原料。世界最先使用木头、泥煤和煤形式的基于碳的燃料。随着时间的推移，世界开始使用石油衍生的烃以燃烧氢和碳。这些基于石油的烃(例如汽油和柴油)提供了约2至3比I的氢碳比。现在醇(特别是甲醇)在燃料中提供了甚至更高的氢含量。每个氢含有碳燃烧时2倍的能量而具有1/12的质量，并且产生水而不产生二氧化碳。鉴于其对环境的影响，这些是与氢作为燃料相关联的非常理想的条件。烃中氢和碳的比通常为2至3比1，乙醇提供了 3 I而甲醇提供了 4 I。燃料，特别是石油基燃料，一般既被认为是(a)可燃剂又被认为是(b)设计成促进多相化学反应或使之最终平衡的组合物。燃料通常被设计成在其特定组成混合物中可替代。对于加入发动机的工作“燃烧(combustion)”室的给定体积的燃料，认为所引起的化学转化是单一值的平均“燃烧(burn)”。对于汽油或奥托循环四冲程发动机，该作用理想地定义为绝热压缩、恒定体积下加热、绝热膨胀和恒定体积下排热。对于柴油发动机，该作用理想地定义为等熵压缩、可逆的恒压加热、等熵膨胀和可逆的恒定体积冷却。该作用总结为功的输出(Wfia)通过使工作流体对着活塞膨胀来完成，其产生可用的力矩。有大量文献教导了以下对于设计用于内燃机的燃料的限制和规定，这些规定通常由设计以下这些燃料的人使用 I. 一类在柴油中用作十六烷值增进剂的化合物，当加入到汽油中时，其对于汽油的性能无影响。2.丙酮，当加入到汽油中时，至每10加仑汽油约3液盎司的用量时，提高英里数；高于该用量时，丙酮用量的进一步增加会使英里数从3盎司/10加仑的峰值降低。用量为每10加仑汽油约6盎司时，英里数与无丙酮时大致相同；和3.甲醇中按体积计30%的硝基甲烷是可用作燃料的硝基甲烷的最小用量。优选实施方案概述除了燃烧，还有其他释放能量的分子化学转化，并且如果恰当使用的话值更高。在其各自的燃烧或爆炸极限中，燃烧波达到亚音速值(爆燃)和超音速值(爆炸)(Combustion,第四版,I. Glassman和 R. A. Yetter, 2008 Elsevier, Inc.，第 261-262 页)。在一个实施方案中，本发明涉及燃料、燃料添加剂、以及生产这些导致提高的机械能输出的物质的方法。据认为，该提高的机械能输出可由安全地混合和利用不同燃烧波的能力以制造热效率更高的内燃机而产生。内燃机通常具有约25%的效率。这意味着燃料中的能量仅有约25%变成有用的机械能。其余的为主要以热的形式浪费的能量。热效率最高的内燃机是柴油驱动的发电机，其热效率接近51. 5%。在动力冲程中，通过将爆炸波的直接动力“反冲”和爆燃波的对活塞头持续压力联合，发动机中爆燃燃烧和爆炸燃烧的结合可产生更有效的力矩和由此产生的效率。对于混合以形成具有稳定性和非爆炸性的可燃物质的组合物的给定范围的可燃燃料(例如，汽油、柴油、乙醇、甲醇、丁醇或其混合物)，可通过设计两个部分的动力稳定的方案来实现燃料单元的设计。甲醇具有汽油的约一半的热能密度，这样需要2加仑甲醇以提供与I加仑汽油相同的热能。丁醇的热能密度和汽油大约相等。需要I. 5倍体积的乙醇以提供与I加仑汽油相同的热能。在本发明中，所加入的物质偏离常规的卡诺热机原理。这些物质不增加燃料的热能密度，但在存在于内燃机中的条件下导致次级反应从而在从内侧冷却发动机时产生额外的机械能。换言之，这些燃料可被混合以提供与通过热量测定所测相同的燃烧能密度(例如，对于柴油的128，700BTU/加仑)，但是其中，因为一种或更多种组分产生爆炸波，其表观能量密度更高。在本发明中，卡诺循环的物理化学由本发明的物理化学补充。发动机为某些化学加工设备提供可利用的温度和压力使次级反应发生。该组合物为这样一种组合物，其中稳定可燃燃料的分子压力持续地将核心爆炸物质装在“笼”中，其偶极本质使笼组件保持原位直到可利用热克服相对弱的偶极引力的键合力。由基础可燃燃料的燃烧提供的热提供了驱动溶剂化反应(solvation reaction)所必需的能量,其破坏“笼”,接下来是爆炸性物质的爆炸(detonation)或爆炸(explosion)。爆炸促使大量燃烧产物进入活塞。笼使得爆炸物质免于燃烧并且持续爆炸。 如果爆炸物质简单燃烧，其将仅少量增加燃料的热密度，仅少量(如果有的话)增加卡诺效率。相反，次级反应中的爆炸的特征在于，爆炸及其相关联的超音速显著增加发动机的表观热效率。已知水是通用溶剂，具有最闻偶极矩密度，以及闻的偶极矩和相对小的分子量。甲醇具有较低的偶极矩密度，但是作为溶剂其有效性接近于水。溶解反应或溶液反应(糖或其他物质通过此溶解于水中)，为需要输入热量的吸热反应。爆炸物的爆炸也类似，因为其需要输入能量(或活化能)以实现爆炸。根据一个实施方案，可使用爆炸性燃料组分物质来使酒精汽油混合燃料、乙醇或甲醇的能量密度提高至汽油的能量密度。例如，“智能燃料(Smart Fuel) ”产品可为类似于E-85的M-85产品，由于其在夏季含有85%甲醇而在冬季含有70%甲醇，但是爆炸性燃料组分的用量少至千分之一，并且提供约等于汽油的表观能量密度的表观能量密度。根据另一实施例，“智能柴油(Smart Diesel) ”产品可与柴油燃料以一份比约100份柴油混合,使车辆的MGP增加多至两倍。根据一个实施方案，I加仑“智能燃料”可含有约0. I %的爆炸性燃料组分、约0. I %的稳定和增强用可燃混合物和约99. 8%的生物柴油，其可由恒定的原料如大豆制成。在一个方面，本发明涉及生产内燃机燃料的方法。该方法包括(I)选择待替代的石油基燃料；(2)确定其可燃性、性能和能量值；(3)选择具有已知爆燃值的极性、小分子烃(例如，具有少于或等于4个碳原子，例如，丙酮和/或醇)作为燃料稳定用组分；(4)将燃料稳定用组分的已知的爆燃值与待替代的石油基燃料的能量值进行比较；(5)计算燃料稳定用成分相对于待替代的石油基燃料不足的能量；和(6)通过与燃料稳定用组分混合来形成燃料混合物，爆炸性燃料组分的量将提供足以基本相当于所述待替代的石油基燃料的可燃性、性能和能量值的能量密度。对于给定的稳定用可燃燃料组分(例如，乙醇、甲醇、丙醇、丁醇、其异构体或其组合)，通过分析其他燃料组分的偶极密度可确定一类爆炸性燃料组分。偶极密度为特定组分在20°C测定的单位为德拜(Debye)的偶极矩除以该组分的分子量。之后燃料组合物被限制为这样的混合物其将存在于在所得的稳定的可燃燃料溶液中发现的分子化合物之间的动态平衡中。然后通过将所选择的爆炸性燃料组分(例如，硝基烷烃如硝酸2-乙基己酯)与稳定用可燃燃料组分混合从而形成分散式动态“笼”溶液来形成混合物，其中由于稳定的可燃燃料组分的偶极矩，结果爆炸性燃料组分分散在稳定用可燃燃料组分内。燃料单元可包括浓缩的混合物，其可通过加入另外的基础燃料物质来稀释。在另一实施方案中，本公开涉及混合燃料，其包括稳定用燃料组分和爆炸性燃料组分(在本文中可替换地称为核心极性组分或物质)与基础可燃燃料(例如柴油燃料、汽油、甲醇、乙醇或其他可燃的液体燃料)的混合。这种混合燃料显著改善了内燃机的性能。在另一实施方案中，本公开涉及类似的混合燃料，但是不是用在内燃机中，该混合燃料用作爆炸串列用于采矿或军事应用中，其中基础可燃燃料作为起爆药而核心极性物质作为次级炸药，其由基础可燃物质的起爆药触发。本发明的这些以及其他益处、优点和特征将通过以下描述和所附的权利要求变得更加明显，或者通过如下文中所述的本发明的实践而得知。附图
的简要说明为了进一步阐明本发明以上的和其他的优点和特征，对本发明更加详细的描述将会通过参考其具体实施方案来呈现，其描述在附图中。应当理解这些附图仅描述本发明的典型实施方案，因此不应当被理解为是对其范围的限制。本发明将会通过使用附图进行更加详细和具体的描述和说明，其中图I示出了现有技术对向内燃机的现有燃料(汽油或柴油)中加入丙酮的值的局 限性。曲线A、B、C示出了使用不同汽油对三种不同汽车的影响。D曲线代表柴油燃料。图2示意性地示出了盐晶体的一般表现，其示出了盐中原子或分子的结合。其示出了笼结构分子的一个可能形式，其中爆炸性燃料分子被一对或单个稳定用燃料组分分子的交替定位并分隔。图3示出了另一种可能的示意性结构，其中爆炸性燃料组分被稳定用燃料组分装在“笼”中或包围。笼可为如图所示的包括5和6或其他多边形侧面的巴基球(巴克明斯特 * 富勒烯(Buckminster fullerene))；图4示出了含有与基础可燃燃料混合的两种添加剂组分(稳定用添加剂和核心极性添加剂)的混合燃料的一种可能混合比；图5示出了包含柴油燃料作为基础可燃燃料的以I份每体积(ppv)的稳定用添加剂和Ippv的核心极性添加剂与约1，OOOppv柴油燃料混合的燃料混合物与包含I份的稳定用添加剂和1，000份每体积的柴油燃料而无核心极性添加剂的燃料混合物进行比较的功率计测试结果；图6示出了包含柴油燃料作为基础可燃燃料的以Ippv的稳定用添加剂和Ippv的核心极性添加剂与约1，OOOppv柴油燃料混合的燃料混合物与包含Ippv的稳定用添加剂和1，OOOppv的柴油燃料而无核心极性添加剂的燃料混合物进行比较的在10秒的间隔中的平均马力的结果；图6A示出了测定汽缸盖温度和排气温度的道路测试结果；图7示出了包含在示例性核心极性物质中的单独组分的示例性摩尔比；图8示出了合成燃料或爆炸串列的示例性体积比，所述合成燃料或爆炸串列含有基础可燃物质以及核心极性物质以及稳定和增强用可燃混合物的混合物，其中核心极性物质的存在量为约lppv，稳定和增强用可燃混合物的存在量为约lppv，并且基础可燃燃料的存在量为约ΙΟΟΟρρν ;以及图9示出了含有约ΙΟΟΟρρν的作为基础可燃燃料的柴油燃料以及Ippv的稳定和增强用可燃组分和Ippv的核心极性物质的合成燃料的功率计测试结果。优选实施方案详述I.引言
19世纪早期，水中盐和其他化合物的离解理论的基础(现在已经广泛接受)，被强制性作为证据来貌似合理的解释以下现象，即观察到盐和水的混合物具有比纯净条件下的盐或水更低的凝固点。由此推导出解离成阴离子和阳离子的存在并且确认了化学计量分析。极性，其中分子的一端带正电荷并且与带负电荷或较少正电荷的另一端分开，因此有效决定或者至少引起许多在化学中观察到的物理性质，如溶解性、熔点和沸点。正如离子解离理论被实验工作作为强制性理论来表明含盐的水具有较低的凝固点一样，现在还表明当在溶液中混合时，具有较大偶极矩的小分子可使较大的经硝化的分子的结构保持在一起，或者形成动态的“笼”。打个比方说，使结构保持在一起的“砂浆”是具有相对高的偶极矩密度(例如，大于约I. 5D，优选大于约2D)的小分子，而“砖块”是较大的经硝化的分子。此外，这种结合产生了之前未意料的并且未知的好处，其中，当用在发动机中，采用常规技术利用量热器进行测量时，该“笼”的能量密度大于笼的组分的能量的总和(即，因此产生了增益的相互作用)。此外，当与约1/10浓度的硝基甲烷和约2倍或更多量的丙酮(被认为是最佳的内燃机燃料)混合时，笼分子的表现尤其优秀，并且使得十六烷改进的硝基化合物有利地影 响甚至是汽油发动机的性能。当就可燃性项目进行测量时，汽油的许多潜在替代品或其他石油基燃料为具有相对低的能量密度值的相对简单的烃。例如，一般认为甲烷、乙醇、甲醇和生物柴油比汽油更稳定和不易燃，这是因为它们对于燃烧冲击提供了较少的爆震(bang)，并且因为它们一般密度较低，并且含有较少的碳和与它们相关联的氢原子。另一些潜在的替代品能量密度太大，例如没有进行过多尝试以产生硝化甘油发动机。除了破坏性工程和炸弹外，一般认为爆炸物是不可用的。—种用于设计适于内燃机使用的组合了爆燃和爆炸燃烧波的稳定并且可用的液体燃料的方法，该方法将使得能够部分或全部地用含有较高氢碳比的燃料代替石油基燃料。一般来说，这个比越大，排气越清洁。将汽油或柴油替代为“智能燃料”或“智能柴油”的能力大幅降低了车辆的排气并且减少了碳足迹(carbon footprint)。例如,对于通过使用“智能柴油”节省的每100加仑柴油，可挣得I碳信用额，缩短了使用柴油燃料的碳足迹。也就是说，这一方法需要以某种方式调整新燃料的各“燃烧单元”中所提供的实际有效能。换言之，需要向较低能量密度的替代品中加入某物，使其保持稳定直到燃烧，同时提供足够的额外能量以平衡基础燃料的较高的稳定性。该过程为自我限制的，使得过多的用量不会有危险。为了使反应发生，需要使散装燃料中的核心极性物质处于给定的浓度。但是，对于使所期望的爆炸反应发生，这是必要的，但不是充分的。无论存在多少爆炸性物质，限制该反应的是热的可利用性。一个最终的应用是在核电站的发电反应中使用核心极性爆炸性物质。如果将通常输送进冷却塔的废热输送进柴油发电机，那么热就可被用于驱动较高浓度的核心极性物质混合燃料的反应，驱动完成期望反应。因为内部燃烧力的增加，所以可能需要特别设计的发电机。当发动机关闭时，固体或不反应的分子将不会继续分散在混合物中(例如，它们可能沉淀出去)，但是连接太弱的分子可能在“非运行”时期溶解。需要的是一些添加剂，其在稳定用燃料组分的分子之间连续滑动，同时保持分散而不结合或集合在一起。这个必要的概念化产生对待加入到基础稳定用燃料组分中的爆炸性燃料组分、以及最终组合的混合物的物理性质和化学相互作用的评估方法。II.混合燃料组合的、动力学稳定的燃料单元含有提供爆燃性和爆炸性燃烧波的组分的混合物，其中不同组分主要通过小分子稳定用燃料组分的(一个或多个)偶极矩以特定的摩尔比保持在一起。在整个燃料单元的一般水平测试中，组合物中的爆炸性燃料组分(在本文中有时称为核心极性物质或核心极性组分)是均质的，但是作为总运动的液体应答，其可存在动态平衡，形成和改变成不同的分子组合。对于任何被选择作为基础稳定用燃料组分的简单烃，爆炸性燃料组分属于一类可燃或易爆物质，其通过参考稳定用燃料组分的偶极密度来定义。应当理解稳定用燃料组分和爆炸性燃料组分均可能含有两种或更多种亚组分(即，每种均还可能为混合物)。
观察到当核心物质硝基甲烷、硝酸2-乙基己酯和丙酮与约94%的甲醇(稳定用燃料组分)以及少量腐蚀控制和润滑性添加剂混合时，产生在简单2冲程发动机中运行以近似替代汽油的燃料。根据大量的文献，这是意料之外的结果，其发现1)需要至少30%的在甲醇中的硝基甲烷，并且需要7. 3% V/V的空气；2)硝酸2-乙基己酯不适于火花塞点火的内燃机的燃料，而仅作为十六烷值增进剂用于柴油发动机；和3)对于较完全的燃烧，丙酮以低于O. 2%的浓度用在汽油中以降低汽油滴的表面张力，并且在较高浓度时降低燃烧效率，其反映在每加仑较少的英里数上。该测试以硝基甲烷反应物最小浓度的约十分之一(即约3%硝基甲烷)和更低的反应物/空气混合物进行。此外，该测试在反应物与空气的比低于空气中2. 6% V/V的可燃下限时发生燃烧的时候进行。图I示出了现有技术对向内燃机的现有燃料(汽油或柴油)中加入丙酮的值的局限性。当向燃料中加入少量丙酮后，有限组的溶液发生了英里数百分比的增加。曲线A、B和C示出了对采用不同汽油的三种不同车的影响。D曲线代表柴油燃料。过多丙酮会稍微降低英里数，这是因为会过度增加燃料的辛烷值，并且因为丙酮含有氧(例如，其已经被部分氧化了)。过多的丙酮添加剂打乱了混合物比，因为丙酮(如同低级醇)为轻分子并且易于混合。本发明的出乎意料的结果，例如，允许使用被认为必需的用量的十分之一的硝基甲烷，使得当石油的价格为每桶$50或更多时，可替代的基于未加工石油的燃料成为汽油的经济适用的替代品。此外，燃料混合物为与汽油混合的乙醇提供了替代物，并且产生了相等的英里数而不是降低了与混合有汽油的乙醇相关联的每加仑英里数。为了减少排气，这种混合的汽油(例如，所谓的E-85，其含有85% V/V的乙醇)含有乙醇。值得注意的是，基于体积，向燃料中加入给定量的氧的甲醇的需求量，大体上等于乙醇的需求量，这是因为尽管甲醇分子量较低，但是相比于乙醇(35% W/W)，其被甲醇中较高的氧重量百分比(50% W/W)补偿。通过量热计测定的燃料制剂的能量密度大于甲醇的能量密度并且小于汽油的能量密度。甲醇的能量密度约为汽油能量密度的一半。但是，在内燃机(ICE)中包含核心物质的该制剂由量热计测定的性能类似于汽油。热量测量值和表观能量密度之间的差异可被称作虚拟能量密度(VED)。内燃机中的实际能量密度是热量测量比能和VED的总和。因为VED来自非热的功，所以当制剂包含被用作燃料的核心物质时，与燃烧相关联的热更少并且待去除的废热就更少，使得空气而非水冷却的发动机成为可能。本发明教导存在这样一种方法，对于给定的基础稳定用燃料组分(其将构成燃料混合物的主要组成)，可由该方法确定适当的平衡燃料添加剂(即，爆炸性燃料组分)，当这两种组分混合用于内燃机中时，其将产生需要的VED，所述基础稳定用燃料组分的能量密度、摩尔量和溶剂性质已知并且优选为一种简单烃(例如，具有8个或更少的碳、更优选4个或更少的碳，在一个实施方案中具有I或2个碳)。尽管在给定的ICE中燃爆作用和燃烧作用的值部分地取决于ICE所设计使用的混合燃料，但是可假定大多数发动机设计使用标准辛烷汽油或标准辛烷柴油。已知VED所必须达到的效果，并且还已知基础稳定用燃料组分的值，就可确定一组可能的燃料添加剂，其将提供混合的爆燃和爆炸作用。这可通过确定核心中给定化合物的具体摩尔比来实现，其需要基于作为爆炸物的化合物和一个或更多个形成笼的化合物的选择来保持。此外，优选笼物质的偶极能量密度(DED)在核心物质的溶剂部分的DED的2倍的范围内，并在大于或等于核心物质的爆炸性物质(例如，含有爆炸物 如硝基甲烷的氮气)的DED的25%的范围内。在第一实施例中，该方法始于甲醇中数百分比(例如，多至约5%)的硝酸2-乙基己酯，然后加入该百分比范围(多至约5%)的硝基甲烷。发现约3% V/V的硝基甲烷和约2% V/V的硝酸2-乙基己酯接近最适宜浓度。换言之，较低或较高的浓度导致发动机性能较低。当加入丙酮时，发动机的性能进一步提高，并且发现约I%V/V为最适宜浓度(B卩，浓度较低或较高时性能均发生降低)。顺便说一句，其为图I所示的常规理解的最适宜丙酮浓度的约3至5倍。实验结果表明接近于组分比中的摩尔的整数。均质燃料混合物的理论结构可通过将摩尔数约整为整数来得到。一个这种比在图7中示出。甲醇和水的DED大体在同一范围(例如，甲醇为I. 7D和32g/mol，水为I. 85D和18g/mol)。甲醇和水均为小的极性质子溶剂分子。可推断水为通用溶剂，在燃料混合物的一些实施方案中甲醇承担类似的溶剂角色。以下计算(其用于分析燃料混合物中的爆炸性燃料组分)可能未包含全部添加齐U，尤其是量小于百分之一的那些(通常为1%的1/10或更少)。还要重点注意的是，核心物质如硝化甘油通常不能以“纯”的形式运输，这是因为爆炸物经常因震动而爆炸。再次利用相同的推断，使用甲醇(优选最低为约28. 5% V/V)可稳定制剂防止震动爆炸，正如由诺贝尔加入的娃藻土或粘土来制造硝化甘油(即，达纳炸药(dynamite))的震动稳定形式。图2和图3示出了燃料混合物的一种理论结构。可将该结构比作英式足球，其具有多边形的球形结构的面(图3)，这些多边形具有如图2所示的基本为正方形的内部结构。爆炸物分子排布为被交替地一对和单个丙酮分子彼此分隔开(见图7)。丙酮和甲醇用以稳定硝基甲烷和硝酸2-乙基己酯分子。图3示出了笼形结构分子的一个可能排列。认为爆炸物分子是外部富勒烯样巴克球(其多边形面形成笼)结构的一部分，内部分子可为硝基甲烷分子的另一富勒烯样结构，其排列在4个分子亚组中，形成球的内部。图7示出了另一构造，其中硝酸2-乙基己酯和丙酮簇被硝基甲烷和甲醇簇包围。在下行动力冲程中，核心结构在受限空间中通过活化点燃爆炸。可充分压缩核心结构，同时膨胀的气体以约I. 8马赫(声速的I. 8倍)运行来给气缸冲力。该行为充分压缩其他的核心笼结构(CCS)，引起燃烧室中爆炸的链式反应。燃烧波的速度为亚音速，并且接近小于O. I马赫。爆炸波以约6至10马赫传播。如果假定产生相同量的燃烧产物，那么在通过汽油供燃的ICE中，爆炸导致的对活塞的冲力为燃烧的至少18倍。在CCS的爆炸中，VED大于产物的DED。在一个实施方案中，该DED大约为汽油DED的一半。但是，至少一半燃料可发生爆炸，所以燃料的总VED可能为汽油DED的至少约9. 5倍(O. 5X18+1/2)，并且燃料流速可为通常汽油ICE中燃料流速的十分之一。相比于汽油，因为燃料含有氧，所以可大幅减少空气和燃料的比。例如，其可为该比的约三分之一，这样相对于汽油总空气比为产物的十分之一和三分之一或1/30。设计成使用汽油以每小时约60英里行使的发动机，每加仑可实现约30英里，每分钟燃烧约4. 3盎司(O. 205磅)和3. 02磅空气，化学计量比为14 7 I。设计成使用分散在非爆炸试剂中的甲醇中的笼核心燃料以每小时约60英里运行的发动机，实现每加仑300英里，每分钟烧掉O. 42盎司(约O. 0205磅)和O. I磅空气，化学计量比为4. 9 : I。空气流量的减少使得可将汽缸数从4个、6个或8个减少到2个并且减少运行RPM。这样汽车发动机可被摩托车或割草机大小的发动机替代，后者匹配有较小发动机的燃料输送系统。燃料可用于二冲程发动机和四冲程发动机。
硝酸2-乙基己酯以爆炸速度的压缩形成了绝热压缩波，其在甲醇燃料和燃烧室二者的爆炸限制中延续爆炸作用。在一个实施方案中，推测各动力冲程中的燃烧量为通过标准内燃机供应给燃烧室的燃料(和添加剂)的量。明显的是，其他具有较大气缸、较强冶金、较低循环速度或其他期望变化的发动机(例如2-、4_或6-冲程的Stirling发动机、Wankel发动机、船用柴油机、发电站柴油机或其他用途的发动机)将具有其最适宜燃料+添加剂制剂。这些可通过对如上述实施方案所述相同的方法和需求、限制和分子品质的计算得到。在一个优选实施方案中，核心物质可与溶剂(例如，甲醇)混合以产生28. 5%或更多的冲程稳定的产物。例如，甲醇的浓度可为多至约95% V/V来构成混合在美国汽油中的乙醇的燃料替代物或替代物。例如，一种典型的混合有乙醇的汽油含有多至10% V/V的乙醇，而另一些试剂可含有更高份额的乙醇(例如，冬季配方的生物柴油通常可能含有约85%乙醇和约15%汽油，以提供足够的爆炸浓度从而在较冷环境条件下起始燃烧，另一制剂使用70%乙醇和30%汽油)。使用核心物质作为以10或85% V/V与汽油混合的乙醇的替代品是有利地，因为这些产品具有类似的成本，但是利用CCS强化的甲醇具有与汽油相等的VED，这样该燃料将会产生与汽油燃料类似的英里数。作为燃料，甲醇相比乙醇的一个额外的和实质的优点是甲醇可由甲烷气体容易地制备，而不用由食品如玉米(通常对于制备乙醇是必需的)制备，所述甲烷气体存在于来自垃圾、堆肥、及天然气的生物气中。联合国强调了这种差异的重要性，反对乙醇作为燃料，因为生产一加仑乙醇所需的玉米在不发达国家中能够养活一个孩子一年。这是燃料和食物相互关系的一个实例。本发明通过优选地使用基于甲烷的化学物质生产对食物供应几乎无影响的燃料。使用甲烷还产生较低水平的常见的污染排放。较低水平的排放不需要通过排气装置进行的任何更加严格或有效的清理，或者如向柴油排气中加入尿素。例如，甲烷具有较大氢碳比，其每单位能量产物产生必须被环境吸收的更少的二氧化碳排放和更少的残余物质。世界的能量供应史从基于碳的具有少量氢或不具有氢的燃料(例如，木头、泥煤和煤)转化为烃燃料(例如，汽油、柴油和天然气)。每个氢原子的重量为碳原子的1/12，但是与碳原子燃烧成二氧化碳相比，其燃烧成水时产生2倍的能量。煤具有极大的碳氢比，因此对于燃料是最不好的选择，这是因为产生二氧化碳，其为全球变暖问题的根本。根据混合物的具体组分，汽油和柴油具有2. O至2. 5比I的氢碳比。本发明以一种优选方式使用甲醇燃料组分，其支持4比I的氢碳比，并且在燃料燃烧中极好地适应于最小的全球变暖影响。用于描述通过汽油提供燃料的ICE最通常的参数是马力，而它是柴油发动机的力矩。本发明一些实施方案的一个固有性质是使得ICE朝着柴油的能量转换效率和力矩发展移动。柴油发动机的力矩和马力曲线恰好在5，OOOrpm处交叉。在化学计量条件下，空气和汽油的比为14. 7kg空气比Ikg汽油。较浓的混合物使用较少空气而较稀的混合物使用较多空气。在任何特定速度下，发动机排气量的大小为空气的体积，并且通常基本上不受燃料体积的影响，除非蒸发器中燃料的冷却程度决定可进入热机的空气的量。例如，通过压缩空气，使用增压器以增加空气量，这样可在发动机中燃烧更多的燃料。因为在压缩过程中空气被加热，丢失了超级增压器的一些效益。在本发明的一个实施方案中，调整设计为通过最少量的笼形核心燃料提供燃料的发动机的物理性质以处理空气流量，空气流量为每千克本实施方案的发明燃料约5kg至7kg空气。在任何给定的时间段，所需空气的体积由气缸排气量的体积(在运行温度下)乘以旋转次数来确定。特别设计成通过笼形核心物质(其具有28. 5% V/V的甲醇溶剂)来提供燃料的发动机比如果其通过汽油提供燃料时需要的燃料流显著减少，因为本发明燃料的VED超过了汽油的DED。本发明燃料所含的氧补充了来自空气的氧，这样相比于对于汽油的空气和燃料的比，本发明需要较低的空气和燃料的比。此外，与甲醇和核心物质组分相关联的蒸发器的高热的制冷效果使得可加入更多空气。因为一部分VED与笼形结构的核心相关联，所以废热更少，并且发动机的空气制冷而非水制冷成为可能。特别设计为通过本发明燃料以最大的核心物质浓度提供能量的发动机将具有大约10倍的能量密度、约150ml的排气量、二气缸和I加仑的油箱。这种发动机和汽车将具有类似于汽油发动机汽车的范围，但是改善的每英里的花费，每加仑400英里，每加仑燃料$25，力矩/马力谱更接近于柴油发动机而非汽油 ICE0对于能安全运输而无震荡爆炸危险的燃料混合物的爆炸性燃料组分，如在一个优选实施方案中的生产复合物(production package)可并入一部分基础稳定用燃料组分(例如，甲醇)以用于“含有”或稳定化运载附属于爆炸性燃料组分。在使用甲醇作为基础稳定用燃料组分的汽油替代品的实施例中，运输稳定形式的产物可包含足以成为终产物的以下部分，加上用于腐蚀抑制的任何复合添加剂(additive package)运输稳定的核心极性爆炸性燃料组分
权利要求
1.一种生产用于内燃机的燃料单元的方法，该方法包括 选择待替代的石油基燃料并确定其可燃性、性能和能量值； 选择具有四个或更少的碳原子和已知爆燃值的极性小分子烃作为稳定用燃料组分；及将所述稳定用燃料组分的所述已知爆燃值与所述待替代的石油基燃料的所述能量值进行比较； 计算所述稳定用燃料组分相对于所述待替代的石油基燃料的不足的能量，以及通过与一定量的爆炸性燃料组分混合来形成所述燃料単元，所述一定量的爆炸性燃料组分将提供足以基本相当于所述待替代的石油基燃料的可燃性、性能和能量值的能量密度。
2.如权利要求I所述的方法，其中将所述爆炸性燃料组分与一定量的所选择的所述稳定用燃料组分混合，使得以运输稳定的形式提供所述爆炸性燃料组分。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述待替代的石油基燃料是汽油，其中所述稳定用燃料组分是甲醇，并且所述爆炸性燃料组分包含硝基甲烷、硝酸2-こ基己酯和丙酮，所述硝基甲烷、硝酸2-こ基己酯和丙酮以如下体积比存在于所述爆炸性燃料组分中约2. 5至约3份硝基甲烷每份丙酮和约I. 5至约2份硝酸2-こ基己酯每份丙酮。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述稳定用燃料组分是甲醇并且占所述燃料単元的至少约28. 5体积％。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述运输稳定形式的所述爆炸性燃料组分包含基于摩尔的约20摩尔甲醇、约10摩尔硝基甲烷、约2摩尔硝酸2-こ基己酯和约3摩尔丙酮。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述待替代的石油基燃料是汽油，所述稳定用燃料组分是甲醇，所述运输稳定形式的所述爆炸性燃料组分大致包含组分体积％甲醇 35 - 50 硝基甲烧20-35 硝酸2-乙基己酷 10^25 丙酮5 -15
7.如权利要求6所述的方法，其中所述爆炸性燃料组分还包含用于缓蚀的复合添加齐 。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述燃料单元还包含清洁剂添加剤，所述清洁剂添加剂通过使废甘油磷酸化而制成，所述废甘油来自用于从动物或植物源的脂肪或油产生生物柴油的脂肪酸的酯化。
9.一种待与用于内燃机中基础可燃燃料混合的燃料添加剤，所述燃料添加剂包含 核心极性物质,包含 极性质子化合物； 至少两种极性非质子化合物；和硝基烷烃化合物；和 稳定和增强用可燃混合物，包含 非极性化合物；和 爆炸增强用化合物； 其中，可将至少一份所述核心极性物质和ー份所述稳定和增强用可燃混合物加入至少约10份基础可燃燃料中以形成合成燃料混合物。
10.如权利要求9所述的燃料添加剤，其中所述核心极性物质大致包含按体积计 甲醇42-48% ； 硝基甲烷24-30% ； 硝酸2-こ基己酯14-21%; 丙酮8-11%。
11.如权利要求10所述的燃料添加剤，其中所述稳定和增强用可燃混合物大致包含按体积计 体积％范围 硝酸2-こ基己酯<80 石油馏出物5-30 1，2，4-三曱基苯1-25 长链院基酰胺I - 25 轻质石油僧出物 间曱酚1-25 ニ曱苯酚1-25 对甲酚0.5 - 24 醋酸乙烯酯0.5-24 乙基苯酚0.3 - 20
12.一种用于内燃机中的合成燃料，所述燃料包含 核心极性物质,包含 极性质子化合物； 至少两种极性非质子化合物；和 硝基烷烃化合物 '及 稳定和增强用可燃混合物，包含 非极性化合物；和 爆炸增强用化合物；以及 基础可燃燃料； 其中，将所述核心极性物质和稳定和增强用可燃混合物各至少ー份加入至少约10份所述基础可燃燃料中。
13.如权利要求12所述的合成燃料，其中所述基础可燃燃料是石油基燃料。
14.如权利要求12所述的合成燃料，其中将所述核心极性物质和稳定用可燃混合物各ー份加入至少约1000份所述基础可燃燃料中。
15.如权利要求12所述的合成燃料，其中将所述核心极性物质和稳定用可燃混合物各ー份加入至少约2000份所述基础可燃燃料中。
16.如权利要求12所述的合成燃料，其中将所述核心极性物质和稳定用可燃混合物各ー份加入约500至约1000份所述基础可燃燃料中。
17.如权利要求12所述的合成燃料，其中将约ー份所述核心极性物质和约3份所述稳定用可燃混合物加入约500至约2000份所述基础可燃燃料中。
18.如权利要求12所述的合成燃料，其中所述基础可燃燃料是极性生物柴油，将所述核心极性物质、稳定增强用可燃混合物和所述生物柴油的一部分以约I : I : 8的比混合以形成中间混合物，然后将所述中间混合物与至少约100份所述生物柴油混合。
19.如权利要求12所述的合成燃料，其中将所述核心极性物质和稳定用可燃混合物各ー份加入至少约100份所述基础可燃燃料中。
20.如权利要求9所述的燃料添加剂或如权利要求12所述的合成燃料，其中所述两种极性非质子化合物包括丙酮和硝基甲烷。
21.如权利要求9所述的燃料添加剂或如权利要求12所述的合成燃料，其中所述极性质子化合物包括甲醇。
22.一种用于采矿或军事应用的爆炸串列，包含 初级炸药，其包含基础可燃燃料； 一种或更多种氧化物质； 次级炸药,其包含核心极性物质以及稳定和增强用混合物,所述核心极性物质包含 极性质子化合物； 至少两种极性非质子化合物；和 硝基烷烃化合物； 所述稳定和增强用混合物包含 非极性化合物；和 爆炸增强用化合物； 所述次级炸药包含加入到至少约100份所述初级炸药基础可燃燃料中的所述核心极性物质和稳定增强用可燃混合物各至少ー份。
23.如权利要求12所述的合成燃料，或如权利要求22所述的爆炸串列，其中所述核心极性物质大致包含按体积计 甲醇 42-48% ； 硝基甲烷24-30% ； 硝酸2-こ基己酷14-21% ； 丙酮8-11%。
24.如权利要求12所述的合成燃料，或如权利要求22所述的爆炸串列，其中所述核心极性物质大致包含按体积计体积％范围硝酸2-こ基己酯<80石油馏出物5-30.1,2,4-三曱基苯1-25长链烷基酰胺I - 25轻质石油馏出物间甲酚1-25ニ曱苯酚1-25对曱酚0.5 - 24醋酸乙烯酯0.5-24乙基苯酚0.3 - 20
25.如权利要求22所述的爆炸串列，其中将所述核心极性物质和稳定用可燃混合物各ー份加入约250至约2000份所述基础可燃燃料中。
26.如权利要求22所述的爆炸串列，其中将约ー份所述核心极性物质和约3份所述稳定用可燃混合物加入约250至约1000份所述基础可燃燃料中。
27.如权利要求22所述的爆炸串列，其中将约ー份所述核心极性物质和约3份所述稳定用可燃混合物加入约1000至约2000份所述基础可燃燃料中。
28.如权利要求22所述的爆炸串列，其中将约ー份所述核心极性物质和约3份所述稳定用可燃混合物加入至少约2000份所述基础可燃燃料中。
29.如权利要求22所述的爆炸串列，其中所述基础可燃燃料包括汽油、煤油、苯、石油馏出物、燃料油、喷气式发动机燃料或其组合。
30.如权利要求22所述的爆炸串列，其中所述两种极性非质子化合物包括丙酮和硝基甲烷。
31.如权利要求22所述的爆炸串列，其中所述极性质子化合物包括甲醇。
32.如权利要求9所述的燃料添加剂或如权利要求12所述的合成燃料或如权利要求22所述的爆炸串列，其中所述核心极性物质大致包含按体积计体积％ 曱醇46.44 混合硝酸酯硝基曱坑26 硝酸2-乙基己酯17 丙酮9.5 缓蚀剂0.3 清洁剂0.6 抗氧化剂0.16
33.一种在内燃机中使用如权利要求12所述的合成燃料的方法。
全文摘要
用于替代汽油或补充柴油或其他燃料的表观能量密度的混合燃料和用于生产混合燃料单元的方法。所述混合燃料单元包含产生过量热的基础可燃燃料组分，该热活化并维持爆炸性燃料组分的次级反应。包含与稳定用燃料组分混合的爆炸性燃料组分的燃料混合物是动力学稳定的，允许爆炸性燃料组分经基础可燃组分的燃烧仍继续存在。在内燃机中，燃料混合物首先产生爆燃燃烧然后是爆炸波，从而对发动机活塞产生最大的作用力矩。在废气冷却时提供次级效果，增加发动机的卡诺热效率。可用基础可燃燃料稀释燃料混合物以形成用于内燃机中的合成燃料。合成燃料还可作为包含初级燃料爆炸物和次级爆炸物的爆炸串列用于采矿、炸毁和军事应用，所述次级爆炸物含有核心极性物质。次级爆炸促进了初级燃料产物的燃烧。
文档编号C10L1/02GK102844414SQ201180013037
公开日2012年12月26日 申请日期2011年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者马修·M·朱克曼 申请人:马修·M·朱克曼