专利名称：超临界水燃料组合物及燃烧系统的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种燃料系统，特别是涉及一种使用一种超临界状态的水/燃料组合物的燃料系统。
最近颁布实施的清洁空气的立法已经针对于化石燃料的排放。这项立法促使发动机制造商和燃料提供者都在寻找可使其继续销售他们的产品的解决方法。炼油者必须着眼于改变配方和/或混合方式以减少排放量。而另一方面，发动机设计者必须重新考虑整个燃烧过程以及该过程从开始到结束是怎样进行的。
发动机制造商将提高活塞一活塞壁机械加工公差以减少发动机油的燃烧。另外，他们转向提高和再提高喷射压力。提高压力可以实现向燃烧区域较好的喷雾渗透及较小的雾滴尺寸。提高压力可以在仍保持相同的质量流速下，允许在喷射器尖端使用较小的开口。
使用最新研制的喷嘴在高达30000psi下操作，雾滴尺寸减小但雾滴直径仍在1-10微米范围内。从质量平衡来看，雾滴尺寸减小两倍，将伴随着雾滴的数目增加八倍。这点很重要，因为众多的小雾滴可以改善微观均一度并减少颗粒物质的生成。遗憾的是，在此极端压力下雾滴尺寸的减小少于在3800psi的标准压力下雾滴尺寸的两倍。
通过举例的方法，一个直径2微米的雾滴的体积为3×10-12cm3，而一摩尔柴油体积为300cm3。因此，这种尺寸的雾滴仍包含10-14摩尔的燃料分子，或6×10+9个分子。很显然，即使这些小的雾滴仍存在能否完全蒸发和燃烧的挑战。因此，必须找到增加压力以外的其它机制。
本领域技术人员都知道雾滴尺寸主要与液体的表面张力有关。因此，任何可使表面张力减小的过程都可能减小雾滴尺寸。在表面工程技术中可以找到一种减小雾滴尺寸的化学方法。可以使用减小表面张力的添加剂。但其有效性却因价格过高而受到限制。很显然需求助于其它化学方法。
本领域人员知道加热烃类燃料可以减少其表面张力，因此，将燃料预加热，无论从喷射到燃料的经济方面都是可取的。然而在实际应用中，加热可导致燃料过早地再形成高分子量化合物以及低分子量化合物，燃料的粘度以超过液滴表面张力减小的速度增加，而产生一种粘稠的滞留残渣。因此，简单的将烃类燃料预加热的应用受到限制。
存在可改变这种在加热状态下分子量增加的倾向的添加剂，例如水，可促进相反的的过程，在此过程中，烃类燃料通过部分转变成H2和CO气体可减少分子量并减少链长。因此，水和燃料混合在一起并加热，为减小雾滴尺寸提供了一种经济的解决方法。另外，过程中生成的H2可提高十六烷值，因为它有较宽的燃烧限。H2在极限量时具有有利的性质，因为其较宽的燃烧限可使其在较低的氧浓度下点燃，这样均匀分布在反应室中的H2分子可作为燃烧诱发剂。
向加热的燃料中加水是有益的，但水和烃却不易混合。水的极性特性和燃料的非极性特性倾向于二者相分离成为两种不相混合的纯液体。水与燃料没有显示有反键相互作用。它仅具有对其它水分子相当强的吸引，从而阻碍了与烃的键合。这种相分离的性质，可通过添加表面活性剂和辅助表面活性剂的方法得到改善，但如前所述它们相当昂贵。
发明概述根据本发明的一个方面，本发明是一种组合物，该组合物包含一种应用于发动机的5-70％水和烃的混合物，优选含5-50％水，更优选含20-40％水。其中，水/烃混合物接近或高于使该混合物成为均一的单相的临界点。减少水量有利于发动机，而提高水量有利于燃烧器和燃烧室，混合物的温度范围为350-500℃，优选的为350-400℃，压力范围为3000-6000psi，优选的为3000-4000psi。另一方面，本发明为一种燃料系统，该系统包含一种含有水/烃混合物的构造，所述混合物接近或高于使混合物成为均一的单相的临界点。提供该构造用于向燃料室传输燃料混合物。燃烧可以在一种内燃发动机、涡轮发动机或其它燃烧器中进行。在一个具体实施方案中，提供了一种用于向内燃发动机或火花点火发动机或柴油机中传送混合物燃料的喷射器。优选的喷射器是通过一种磁力传动电枢电控的，所述的电枢能够基于发动机曲轴角度而打开喷射口。
为使水/燃料混合物接近其临界点，将混合物保持在接近400℃，压力接近4000psi。这种高压可优选地通过一种双活塞计量泵提供，而喷射器通过使用一种从发动机尾气排放歧管传递热量的加热管使其保持在接近400℃的温度，也可以提供辅助的电加热器。
由于水/烃燃料混合物保持在均一的各向同性的单相，使其在导入燃烧室时可以更完全燃烧。由于排除了液滴而使燃烧更加完全。改进的燃烧减少了颗粒物质的形成。在空气中更为均一分散的燃料分子导致了较低的氮氧化物排放量，且氮氧化物由于缺少液滴对反应路径的表面催化作用而进一步减少。这种较快速的、更完全的燃烧循环同时也减少了一氧化碳、未燃烧的烃类和易挥发的有机物和多环芳烃的排放。
附图的简要说明
图1，为本发明中一种喷射器的截面图。
图2，为超临界水/燃料燃烧系统的图示。
优选实施方案的描述如前面所讨论的，向加热的燃料中添加水对燃烧有益处，但水和烃不能很好地混合。实现这两种不互溶的液体的混合，最可取的方法是采用高压和高温。在足够高的压力和温度的临界条件下，可以促进溶解并同时阻止焦油的形成。超临界定义为在该点蒸发热为零。一旦这种超临界混合物溶解，将具有优化的燃烧特性。
超临界相是一种稠密的气体，部分发生变化将一些反应物转化为H2和CO气体。这些气体连同烃类本身不经过液相直接以超临界态从喷射器中排出。这样液滴原子化的概念就从反应过程中消除了。当汽缸很大，超临界气体的喷射不会从喷射器贯穿到足够距离时，温度将比这种高密度的超临界液体的发射点降低几度。喷射物在进入汽缸后瞬间蒸发。介入的水分子和水簇为多相反应提供了催化表面。H2气很容易点火，而使点火延迟时间减少。相应的，超临界混合提高了燃料混合物的“有效十六烷值”。
柴油燃料的十六烷值是用于测量燃料的燃烧能力的一种参数。它与汽油的辛烷值恰恰相反。在火花点火燃烧中，过早的点火是不可取的。而燃料不易点火是可取的。辛烷比率越高可应用的压缩率越高，因而有更高的动力输出。
而另一方面，柴油发动机依靠燃料与引入的加热空气反应而自动点火。空气在压缩下被绝热加热到超过700℃，而燃料从接近顶端的死体积中心喷射进来。燃烧以燃料的十六烷比例控制的速度进行。十六烷值较高的燃料点燃较快，且随着改善特殊燃料的消耗而提供更多的动力。
超临界柴油燃料和水的混合间接地改变了十六烷值比率。水不仅可溶解燃料分子，而且可将一部分燃料通过水转化反应再形成CO和H2。通常的，烃和水的超临界混合物在某种程度经历热分解、氢解、气体转换、水气转换反应、甲烷化和加氢反应。
十六烷值的提高，减少了点火延迟并扩展了燃烧阶段。由于充分混合的水可能催化反应，并产生新的反应协调性，因此使压力体积的短时释放特性有可能相当不同。减少点火延迟，意味着燃料喷射可被延迟，而且可期望产生高的效率。
超临界燃烧不包括在液滴表面的反应。在这些条件下，表面张力的完全消去使液滴不可能在喷嘴附近形成，喷嘴附近的空气温度通常超过800℃。在无法形成液滴的情况下，燃烧过程的全部特性发生了改变。结果，由于没有在液滴表面聚焦的反应，从而消除了促使NO形成的局部热点。
液滴的除去同样也可以消除形成颗粒物质的成核位点，从而抑制油烟的形成。这种第二种益处进一步减少了润滑油的失败模式，因为油烟将不再作用到沿着汽缸壁的油膜中。可因此预期油烟生成的减少能带来保养费用的降低及重负荷柴油发动机的失效时间的缩短。
在超临界液体中相当高的单分子密度，提供所需的反应加强特性。由于高密度气体的扩散大于在液态时的数量级，这些特性直接与提高反应物的传送有关。在接近水油混合物的临界点的反应速度的改变及反应副产物的产率的改变因此可在较高速率下完成，甚至伴随着不同的反应协调性。
可观察到传送性质在接近T临界时变化3-4个数量级。在高于临界温度时，提高压力容易产生特定的反应副产物，产生液体的反应速度减小。反应速度不仅仅因为热物理性能的加强而提高。固有的不同反应协调性开始竞争，且改变了产物的浓度外观。通常提高气体体系的压力不会影响其化学性质。理想气体在压力增加下仍是理想气体。范德华气体仍保持弱的相互作用。但是临界液体具有更丰富的内容，它只能通过离域键的相互作用来解释说明。
实施例将水和柴油的混合物加到一个密封的高压箱中，并以2℃/分钟的速率加热。水在低于临界温度374℃，临界压力3250psi下的密度约为1克/cm3。柴油燃料是具有宽分子量范围的化合物，因而没有相当确定的临界温度。
第一次实验是建立在恒定压力为2000psi下的。将混合物加热到超过水的Tc的400℃。在2000psi和400℃下，压力太低而温度太高，无法使水保持在液体状态，因此水在液态的柴油燃料上面以一种稠密的气体状态存在，没有观察到完全混合。
在400℃下柴油燃料保持其液态的事实说明了其临界温度的一些特点。向没有含水的柴油燃料中增加更多的热量，将在其转化成一种稠密气体和较重残渣的组合物前断裂一些键。
在第二次试验中，压力保持在3000psi，而混合物以2℃/分钟的速度加热。令人惊奇的，在363℃时，两种液体混合完全，且形成一超临界液体。令人感兴趣的是，这种相的改变是在低于水和柴油作为单独液体的超临界条件之下发生的。
此第二次实验说明，对于反应化学来说压力的作用是首要的。水的溶剂化能力在特定的压力和温度范围下成数量级增加。
做第三次实验以检查这种压力参数在超临界化学性质上的特点。压力增加到4000psi，而温度同样以2℃/分钟的速度加热反应容器。在这次实验中，超临界的两种液体的混合温度增加到378℃。压力增加1000psi，而超临界混合温度从363℃增加到378℃。这种违反直觉的趋势表明，对于一种给定的水燃料混合物，存在一个优化的压力和温度点，而这种相稳定的关系是进一步研究的课题。
这些实验表明，用于柴油发动机操作的燃料喷射系统在4000psi和400℃范围内将提供明显的优势。优势之一在于较高的温度将提供较小的点火延迟，且可给燃烧过程增加热焓。超临界燃料混合物象气体一样扩散到汽缸中加热的空气中，提供了较好的混合及分子水平上的燃烧，并消除了液滴的蒸发所需的时间。使用尾气加热以提供所需的温度创造了一种热力再生，这在作为更快更完全燃烧的结果所伴随着的排放的改进的同时，又给发动机的循环效率增加了一些百分点。
对超临界混合的观察，以及对水在燃烧特性上的有益作用的其它测定表明了用于提高烃类燃料燃烧的特定策略。这些燃料包括，但不限制于汽油、柴油燃料、重馏分、船用C级燃料油、煤油、天然气、原油、沥青或其它含碳材料例如生物量。所有这些烃类都适合在或接近超临界条件下与水混合。由此，用于燃料重组的新的炼制过程可以通过明智地控制温度、压力和水含量进行。
在高速度内燃发动机中燃料喷射系统在高压下喷射液体是在快速脉冲下进行，该脉冲是伴随着相当短的时间间隔的。喷射阶段通常以毫秒的数量级进行，而且，燃料输送的数量是以不同方案计量的。事实上，所有这些系统压力脉冲都依赖于液相的不可压缩性。而且，压力脉冲通过液体以声速在液相中进行，速度通常大于1000米/秒。
这些小的体积变化通常通过一种物理方法实现，即凸轮杆传动泵的活塞在一限定的空间内增加压力。压力的增加依赖于滑动部件的非常紧密的配合公差，以防止液体通过滑动部件的泄漏。
进一步的，事实上在所有喷射系统中，外部密封部件都是由含碳的物质组成的，例如合成橡胶VITON、丁纳橡胶N、特氟龙、塑料等。这些材料都没有承受能达到超临界水/燃料喷射的温度的能力。因此，为实现不需要滑动密封或紧密公差的动机，必须采取一些特殊的方法。
超临界混合物具有与液体不同的压力传输性质。它的可压缩性成数量级地提高。结果，要实现液体的传送必须采用不同的策略。由于滑动密封必须对气体而不是液体进行密封，而使传输更为复杂。因此泄漏成为超临界液体相当严重的问题。
参考图1，一种喷射器10通过消除所有的密封而成功地规避了在高温下的密封问题。喷射器10包含一个与外界隔绝的密封附件12，在其中嵌入一个磁力驱动的针阀组件14。附件12的适合材料为17-4PH不锈钢，用磁铁帽16盖住，磁铁帽16拧在附件12的顶端，用铜垫片(未表示出)密封。磁力驱动的针阀组件14包括一个磁铁电枢18，电枢18为方型并带有与附件12内径相匹配的圆形边缘。组件14的下端包括一个舵阀20，正好将喷射器开口22封住。舵阀20从喷射器组件10的小的螺旋端伸出到喷射器的喷嘴处，喷嘴处用弹簧24托起。当喷射器10处于关闭状态时，弹簧24使舵阀20与开口22相接触。一个两层约130圈的螺型线圈24、磁铁线26缠绕在喷射器10的上部。磁铁线26用3M Nextel陶瓷纤维绝缘。被磁铁线26缠绕的上部大约5英寸长。磁铁帽16旋进该结构，在电枢18和帽组件16之间留下约0.030英寸的间隙28。
喷射器组件10是由脉冲驱动的，是通过宽调节频率50安培脉动对例如发动机的机轴进行定时的。脉冲的定时和宽度是交替变换的，以控制喷射的开始和喷射的时间的长短。为防止腐蚀，所有磁铁部件都用电镀工艺中常用的300-600微英寸的绝缘镍电镀进行保护。
图2是本发明使用图1中喷射器10的一个实施方案的图示。燃料供应30和水供应32与一个限压双缸计量泵34相连，计量泵将水和燃料传送到喷射器10的一个输入端35。泵34在约4000psi的高压下提供水和燃料。通过一个加热套36将喷射器10加热到大约400℃，该加热套可能是用电加热的，但更可取的是用与发动机的热尾气排放歧管相连的加热管(未表示出)进行加热。将喷射器10的喷嘴置于发动机40的燃烧室38内，向其中喷射均一的燃料/水混合物。电源42为线圈26提供电力，并且对发动机40的曲轴44进行定时以控制燃料的传送。温度控制器46用于维持喷射器10的适宜的温度，以使其内的液体保持在接近超临界条件下。
将超临界水的增溶作用和稠密气体的传质加强的性质结合在一起，从化学反应方面来看是令人满意的。通过提高反应温度可促进重组化学，但反应速率却经常受到物种到达和从多相催化表面的扩散的限制。稠密的超临界气体的扩散比一种典型的液体高3-4个数量级。相应的，处于这些超临界压力下的稠密的气体的密度几乎维持在液态密度的60％左右，因此产物的通过量可保持在很高。
超临界反应化学在分馏柱中具有特别的价值，因为物种的溶剂化能力是温度和压力的强函数，通常超临界液体显示出与非临界条件下相当不同的溶剂化能力。例如，在热水中高度溶解的盐类，在高于临界温度时便不溶并沉淀出来。相反的，象烃类这样不溶的物质，在高于某些临界温度和压力的条件下却可以很好地溶解。
本发明的技术可应用于移动或固定的设备上。例如，本发明的燃料喷射系统可以用在飞机、轮船、汽车或固定的动力设备上的气体涡轮或喷气式发动机的燃烧室。将尾气排放体系的热量用于给喷射器提供热量，可从尾气系统吸收有用的能量产生热量的再循环，该能量可给在压缩循环的峰值附近的燃烧循环增加额外的热焓。该技术也可以用于以特殊的方法处置重馏分燃料以使不同分子量的烃在超临界反应容器中按照压力和温度梯度被选择性抽提。该技术通过超临界水的超级溶解能力，对于分子量高于煤油和柴油的燃烧燃料也可以使用。在另一个实施方案中，在超临界的和重组的混合物中，也可以允许天然气的存在，这种混合物不需要第二种燃料的引导喷射即可在压缩发动机中自燃和自动点火。
在另一个实施方案中，燃料喷射系统使用了一种柔韧的薄膜，形成了一种真空膜盒似的结构，以对高压和高温的混合物进行密封。用一个凸轮通过柔韧的薄膜对阀的运动进行控制。
权利要求
1.一种组合物，包含一种5-70％的水和烃的混合物，其中水/烃混合物处于接近使混合物形成均一的单相的临界点的状态下。
2.权利要求1中的组合物，其中混合物的温度高于363℃，压力高于3000psi。
3.权利要求1中的组合物，其中混合物的温度在363-400℃范围，压力在3000-4000psi范围。
4.权利要求1中的组合物，其中所述烃为一种烃燃料。
5.一种燃料系统，包括含有水和烃类燃料混合物的构造，其中混合物处于接近使混合物形成均一的单相的临界点的状态下；和将混合物传送到燃烧室的装置。
6.权利要求5中的系统，其中含有混合物的构造包含一个包括阀在内的喷射器，用于向燃烧室中提供燃料。
7.权利要求6的系统，进一步包括一个用于向喷射器中传送水和烃燃料的高压计量泵。
8.权利要求6的系统，其中喷射器是由电动控制向燃烧室中传送燃料的。
9.权利要求8的系统，其中燃烧室是一种具有曲轴的发动机的燃烧室，且喷射器的电动控制是与曲轴角度相适应的。
10.权利要求9的系统，其中发动机为一柴油发动机。
11.权利要求9的系统，其中发动机为一火花点火式发动机。
12.权利要求9的系统，其中发动机为一气体涡轮发动机。
13.权利要求8的系统，其中喷射器的电动控制包含脉冲宽度调制。
14.权利要求11的系统，其中喷射器阀开向一火花点火发动机的吸入口或节流阀，燃料为汽油，萘，酒精，轻质燃料油或它们的混合物。
15.权利要求9的系统，其中喷射器的加热包括使用发动机的尾气的加热。
16.权利要求15的系统，进一步包括用于将热量从发动机尾气传送到喷射器的加热管。
17.权利要求6的系统，其中喷射器包括一种柔韧的薄膜，形成一个真空膜盒对水/烃混合物进行密封，且进一步包括一个机械凸轮，对喷射器阀进行控制。
18.一种用于燃烧炉或发电厂燃烧系统的燃料喷射系统，包含用于向燃烧系统喷射水和烃燃料混合物的装置，其中混合物处于接近使混合物形成均一的单相的临界点的状态下。
19.权利要求6的系统，进一步包括用于加热喷射器的电加热装置。
20.一种燃料系统，包括水源；烃燃料源；一个双流体压力限制高压计量泵，具有一个与水源和烃源相连的入口和一个出口；一个与用于接收高压水和烃燃料的泵的出口相连的喷射器柱，喷射器柱带有加热水和烃燃料混合物的加热装置，喷射器柱进一步带有控制水和烃燃料混合物的排放的控制阀，水和烃燃料混合物的温度和压力接近于使混合物成为一种均一的单相的临界点。
21.权利要求20中的燃料系统，进一步包括用于接收混合物的内燃发动机，该发动机具有曲轴且其中控制阀是根据曲轴的角度位置驱动的。
22.权利要求21的燃料系统，其中发动机为一火花点火式发动机。
23.权利要求21的燃料系统，其中发动机为一压缩点火式发动机。
24.权利要求20的燃料系统，其中混合物被引入到电厂的气体涡轮式发动机。
25.权利要求20的燃料系统，其中水/烃燃料混合物的温度高于363℃，压力在3000-4000psi范围内。
全文摘要
一方面,本发明是一种组合物，该组合物是包含5—50%水和一种烃的混合物的物质。其中水/烃混合物接近使该混合物成为一种均一的单相的临界点。适宜的温度为400℃，适宜的压力为4000psi。另一方面,本发明为一种燃料体系,该体系包括含有一种水/烃燃料混合物的构造,该混合物接近使该混合物成为一种均一的单相的临界点。提供所述构造传送用于燃烧的混合物。燃烧可能在一种内燃发动机、涡轮发动机或其它燃烧器中进行。
文档编号F02B47/02GK1284116SQ98813376
公开日2001年2月14日 申请日期1998年12月18日 优先权日1997年12月18日
发明者查尔斯·W·霍尔德曼, 布赖恩·S·埃亨, 基思·H·约翰逊 申请人:量子能量科技公司