[发明专利]次临界水－燃料组合物和燃烧系统

说明书

本发明的背景

本发明涉及烃燃料组合物，更具体地涉及水-烃燃料混合物和燃烧这种混合物的系统。

联邦清洁空气的法律制定已经瞄上了矿物燃料的排放。这项立法促使发动机制造商和燃料提供商去寻找能够继续销售他们的产品的解决方案。精炼商必须考虑替换配方和/或掺合物以降低排放。另一个方面，发动机设计者必须重新考虑整个燃烧过程以及整个过程从开始到结束如何实施。

燃烧发动机制造商增加使用更严格的活塞壁-加工规定公差以降低发动机油料燃烧。此外，燃烧发动机制造商使用越来越高的燃烧区域燃料喷射压力。这样高的压力产生进入燃烧区域较好的燃料喷射渗透以及更均匀的燃料微滴尺寸，并且较高的压力在保持相同的质量流量时允许在喷射器顶有更小的孔。

随着新近发展的燃料喷射器在高达30,000psi下操作，燃料微滴大小减小但微滴尺寸仍在60μm到100μm范围内。从质量平衡的观点来说，燃料微滴大小减小两倍必须伴随着微滴数量增加八倍。这一点很重要，因为许多小的微滴改善了微观同质性并降低了颗粒物质产生。然而，在这种极端压力下微滴尺寸从当前60μm到100μm的下降仅超过标准380psi系统约两倍。

通常，流体的微滴尺寸主要与流体的粘度或表面张力有关。因此，降低这些属性的任何方法都潜在地减小微滴尺寸。已被提议的减小微滴尺寸的化学方法是使用表面活性剂技术。降低粘度或降低表面张力的添加剂已被提议，但高成本和其他限制性限制了它们的有效性。

对烃燃料额外加热可降低燃料的表面张力。因此，从排放和燃料经济角度，预先加热燃料具有一些吸引力。然而，当燃料加热到超过燃料组成的临界温度的温度时，如约250摄氏度，不希望的化学反应如聚合，氧化，快速分解，和其他这样的反应就会发生，导致将燃料不希望地重新形成高分子量化合物以及低分子量化合物。由于这些化学反应，燃料的粘度通常会以超过表面张力降低的速度增加。结果，产生粘稠，焦油状的剩余物。因此，通常发现，这种简单预先加热烃燃料具有限制性的应用。

在加热的燃料中加入水有多种益处，但是水和烃不易混合。水的极性属性和燃料的非极性特性促使相分离成两个不混合的纯液体。水没有表现出与燃料的反结合相互作用。水仅仅具有压倒性强大的对其他水分子的吸引力，排除与烃单元的结合。这种相分离属性可通过加入表面活性剂和助表面活性剂来缓解。但这样通常会成本很高并且在使用中会引起物质相容性问题，以及其他问题。

本发明的简述

本发明提供了克服先有燃料组合物的限制的水-烃混合物。在本发明的一个实施方案中，这种混合物包括液态烃和从约5％到约70％的水。混合物在低于混合物的临界压力的压力下。混合物在至少高于约250摄氏度以及混合物压力下的水的沸点温度的温度下。

混合物提供了局部环境的水分子，用来限制烃聚合和其他不需要的副反应，保持烃不从混合物中沉淀。在低于水沸点的温度下，在使用的次临界压力下，与其他对比水-烃混合物的燃烧产物相比，这种混合物产生“更清洁的”燃烧混合物，具有减少的颗粒物质和一氧化二氮排放。因此本发明提供了特点在于低排放一氧化碳，未燃烧的烃和挥发性有机物和聚芳香烃的更快速，更完整的燃烧循环。

在本发明提供的实施方案中，在混合物中的烃包括微滴尺寸不大于约1μm的烃。在混合物中的水是气体状态的，在混合物中一种或多种烃组成也优选地是气体状态的。在本发明提供的一个实施方案中，混合物中的水和烃都是气态状态的。这种混合物在燃烧发动机的汽缸的加热空气中的扩张在分子水平上提供了比传统燃料更好的混合和燃烧，并且消除了微滴蒸发所需的时间。

在本发明提供的实施方案中，混合物在高于在混合物压力下水的沸点温度从约25摄氏度到约100摄氏度的温度下。混合物也可以在如低于约450摄氏度的温度下。优选地混合物包括从约5％到约50％之间的水，剩余物基本上由烃组成，更优选地包括从约25％到约60％的水。烃优选地是烃燃料，在优选实施例中提供的是No.2燃料。这里混合物优选地在低于约363摄氏度的温度下。混合物可以基本上由烃燃料和水组成。

在本发明的另一个方面中，提供了一种燃料系统。系统包括水源和液态烃燃料源。提供至少一个泵，泵有一个入口，连接用来接收来自水源和烃源的水和烃中至少一种。泵具有至少一个出口，用来将水物流和烃燃料物流中的至少一种输送到用来加压并运送水和烃燃料的容积。提供至少一个加热器，用来加热水和烃燃料。混合器用来接收水和烃燃料以将水和烃燃料混合在一起。