ЖИДКОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C10L1/32 

Настоящее изобретение относится к новому водосодержащему топливу для двигателя внутреннего сгорания. Точнее, настоящее изобретение относится к водосодержащему топливу, способному сгорать в камере/ах/ сгорания двигателей внутреннего сгорания, например тех, которые используются в моторах средств передвижения, и более точно, изобретение относится к водосодержащим топливам, которые могут быть сожжены в двигателе внутреннего сгорания, в котором камера/ы/ сгорания, включающие в себя катализатор производства водорода такой, который раскрыт, например, в патенте США N 5156114.

Как указывается в патенте США N 5156114, существует потребность в топливах, которые могут заменить дизельное топливо или бензин для использования в двигателях внутреннего сгорания, особенно в двигателях, применяемых в моторах средств передвижения. Двигатели внутреннего сгорания, например те, которые работают на бензиновом или дизельном топливе, вырабатывают неприемлемо большие количества загрязнений, вредных для здоровья людей и способных разрушить земную атмосферу. Неблагоприятное воздействие таких загрязнений на здоровье и атмосферу являются предметом широкого обсуждения в обществе. Нежелательные загрязнения появляются при сгорании углеродсодержащего топлива в воздухе для горения, который содержит азот. Сгорание обычных топлив с воздухом для горения в обычных двигателях и относительно неполное сгорания таких топлив являются основными причинами неудовлетворительных уровней загрязнений, выделяемых средствами передвижения с двигателями внутреннего сгорания.

Известно топливо для двигателей внутреннего сгорания типа масло/вода и вода/масло, представляющее собой двухфазовую жидкую эмульсию, содержащую 0,5-40% воды, углеродсодержащее топливо, выбранное из группы, включающeй бензин, дизельное топливо, до 30% спирта и 0,5-4,8% неионогенных ПАВ - японская публикация 54-10308, C 10 L 1/32 от 25.01.79. Однако данное топливо обладает рядом недостатков, которые устранены в новом составе топлива.

Раскрытие изобретения.

Раскрывается новое водное (водосодержащее) топливо, которое дополнительно приводит к сокращению загрязнений, производимых двигателями внутреннего сгорания, включая двигатели с воспламенением от искры и от сжатия, является к тому же стабильным, способным храниться и в основном невоспламеняемым вне двигателя внутреннего сгорания. Новое топливо содержит жидкую эмульсию с по меньшей мере двумя фазами, содержащими от более 40 до 80% по объему воды и углеродсодержащего топлива, предпочтительно от более 40 до 60% по объему углеродсодержащего топлива, более предпочтительно, когда углеродсодержащее топливо выбирается из группы, состоящей из бензиновых, "полученных прямой перегонкой" бензиновых, керосиновых видов топлива, дизельных топлив, газообразных углеродсодержащих топлив и их смесей, от 2 до менее 20% по объему спирта, предпочтительно - от 2 до 10%, и приблизительно от 0.3 до 1% по объему неионного эмульгатора, предпочтительно - от 0.5 до приблизительно 0.7%. Как известно, "полученный прямой перегонкой" бензин известен как "полученный прямой перегонкой" атмосферный лигроин, который является продуктом первичной перегонки нефти в производстве типовых бензиновых продуктов. Углеродсодержащее топливо может также содержать углерод, образующий синтетические (нефтехимические) продукты, также как и масла, произведенные из биомассы, дополнительно к углероду, образующему ископаемые виды топлива. Эмульсия содержит стандартную водно-масляную (в/м) эмульсию с водой, являющуюся однородной (непрерывной) фазой. Третья фаза может быть образована спиртовым компонентом. Могут быть также включены добавки, увеличивающие маслянистость топлива и/или улучшающие сопротивление к разделению фаз при нагревании. Предпочтительные увеличители маслянистости включают в себя кремнийсодержащие компоненты, которые также служат в качестве антипенообразующих веществ и/или веществ против ржавчины.

Приготовление нового топлива является очень критичным. Оно изготавливается посредством первичного смешивания вместе углеродного топлива и эмульгатора, введение в смесь спирта и воды посредством раздельного добавления спирта, например этанола, метанола и т.д., к воде и добавления водно-спиртовой смеси к предварительно приготовленной смеси топлива и эмульсии для получения смеси, содержащей углеродное топливо с более 40 до 80 об.% воды и приблизительно от 0.3 до 1% по объему эмульгатора. С другой стороны, вода и спирт могут быть добавлены по отдельности к предварительно изготовленной смеси углеродного топлива и эмульгаторов. Получившаяся смесь интенсивно перемешивается и при достаточном перемешивании получается стабильное способное храниться топливо. В тех случаях, когда топливо должно включать увеличивающее маслянистость вещество и/или добавку для затруднения разделения при повышенных температурах, такие вещества добавляются к смеси сжигаемого топлива, эмульгатора, спирта и воды перед стадией интенсивного перемешивания. Предпочтительные топливные составы образуются с бензиновым или дизельным топливом. Бензиновые и дизельные составы (версии) обозначаются "А-55" и "D-55" соответственно и как лигроин и вода. А-55 и D-55 номинально содержат соответственно приблизительно 51% по объему воды, приблизительно 48.5% бензина и приблизительно 0.5% эмульгатора; и приблизительно 47% по объему воды, приблизительно 52.5% дизельного топлива и приблизительно 0.5% эмульгатора. Другой предпочтительный состав топлива может быть изготовлен с бензином прямой перегонки. Лигроиновое и водное топлива номинально содержат воду и приблизительно 40% лигроина. Предпочтительно используется деионизированная вода, а наиболее предпочтительно - отфильтрованная активированным углем деионизованная вода. Углеродсодержащее топливо присутствует в количествах приблизительно от 40 до приблизительно 80%, предпочтительно - приблизительно от 40% до приблизительно 60% по объему.

Используемый термин "двигатель внутреннего сгорания" предназначен для любого двигателя, в котором углеродсодержащее топливо сгорает вместе с кислородом в одной или более камер сгорания двигателя. Известные в настоящее время двигатели включают в себя двигатели с перемещением поршня, роторно-поршневые двигатели и газотурбинные (реактивные) двигатели, включая двигатели с электрическим зажиганием и от сжатия, например дизельные двигатели.

Краткое описание чертежей.

В дальнейшем изобретение поясняется наилучшими вариантами его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает график соотношения между давлением цилиндра и объемом для традиционного дизельного топлива и для "D-55" согласно изобретению,
фиг. 2 изображает график сравнения давления цилиндра и угла кривошипа (коленчатого вала) для дизельного топлива и "D-55" согласно изобретению,
фиг. 3 изображает график, показывающий высвобождение накопленного тепла для дизельного топлива и "D-55" согласно изобретению в зависимости от угла кривошипа.

Подробное описание.

Новое водное топливо согласно настоящему изобретению имеет меньшую потенциальную энергию, чем значение BTU (британская тепловая единица - 1054.8 Дж) углеродсодержащих топлив, но является тем не менее способным развивать по меньшей мере такую же мощность. Например, водное топливо согласно изобретению, содержащее эмульгированную смесь воды и бензина имеет энергию, равную приблизительно одной третьей потенциальной энергии (BTU's) бензина, но при использовании для работы в двигателе внутреннего сгорания развивает приблизительно такую же мощность по сравнению с таким же количеством бензина. Это действительно удивительно и хотя до конца не понятно и не претендует быть теорией, но представляется, что это происходит из-за того, что новая топливная смесь, которая получается в результате высвобождения водорода и кислорода и сгорания водорода, когда новое водное топливо вводится в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания и сгорает с воздухом сгорания в присутствии катализатора получения водорода посредством, например способа и системы, описанных в патенте США 5,156,114. Термин "катализатор получения водорода" используется в его самом широком смысле. Катализатор вообще определяется как вещество, которое вызывает ускорение активности между двумя или более силами без воздействия на них самих. При использовании нового водного топлива для сгорания в двигателе внутреннего сгорания было определено, что без присутствия этого вещества в камере сгорания, сгорание водного топлива не имеет места таким способом, который необходим для получения желаемой степени или мощности для того, чтобы работал двигатель внутреннего сгорания. Пригодные катализаторы раскрыты в патенте США 5,156,114.

Снова без претензии на теорию представляется, что при воспламенении например посредством генерирования электрической искры или сжатием, в камере сгорания в присутствии областей, образованных катализатором получения водорода, имеет место диссоциация молекул воды, получающейся от сгорания компонента углеродсодержащего вещества водного топлива во время хода сжатия, который вместе со сгоранием высвобождаемого водорода обеспечивает энергию для работы двигателя.

В двигателях с воспламенением от искры для зажигания топлива в камере сгорания может использоваться нормальная искра системы свечи зажигания стандартного моторного средства передвижения, генерирующая приблизительно от 25000 до 28000 B, однако предпочтительнее генерировать искру более "горячую", например искру, генерируемую посредством приблизительно 35000 В. На рынке имеются электрические системы генерирования искры до 90000 В, и оказывается, что более высокие напряжения приводят к лучшей диссоциации молекул воды в камере сгорания.

Хотя пригодные для вышеописанных задач топлива раскрыты в патенте США 5,156,114, настоящее изобретение является результатом усилий дальнейшей оптимизации водного топлива для сгорания в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, снабженного катализатором получения водорода. Топливо согласно настоящему изобретению является стабильным, способным храниться и в основном не воспламеняющимся вне двигателя. Тесты, проведенные с помощью воздействия паяльной лампы на топливо продемонстрировали существенную невоспламеняемость нового топлива, что является результатом топлива самого по себе и изготовления топлива способом, который создает эмульсию, имеющую воду в качестве однородной (непрерывной) среды. Хотя краткая начальная вспышка может наблюдаться, когда зажигается спиртовой компонент, присутствующий в количествах приблизительно 5% или более, но затем топливо становится самозатухающим и неогнеопасным. Точка воспламенения в новом топливе выше, чем точка воспламенения углеводорода, т.е. углеродсодержащего топлива. Например, точка воспламенения бензина и дизельного топлива составляют приблизительно 43.33^oC и 48.89^oC соответственно, после того как спирт испарится, точки воспламенения бензинсодержащих и дизель-содержащих топлив составляет приблизительно 137.78^oC и приблизительно 148.89^oC соответственно.

В настоящее время предполагается, что причина того, что водное топливо согласно настоящему изобретению может давать удовлетворительные результаты при работе двигателя внутреннего сгорания в практике настоящего изобретения заключается в том, что водород и кислород предположительно высвобождаются в камере сгорания, как описано выше. Водород и кислород получаются при диссоциации молекул воды, а водород сгорает вместе с углеродсодержащим топливом из водной смеси. В результате достигается выходная мощность двигателя с меньшим количеством углеродсодержащего топлива и меньшим количеством сгораемого воздуха по сравнению с мощностью, достигаемой при использовании обычного сгорания того же углеродсодержащего топлива с большим количеством воздуха сгорания.

Дополнительно отмечается, что с водным топливом согласно настоящему изобретению водный компонент испаряется в виде водяного пара в камере сгорания. Водяной пар расширяется до больших пределов, чем воздух, и камера сгорания может быть соответственно заполнена меньшим количеством воздуха сгорания. Таким образом, преобразуясь в пар, водный компонент топлива расширяется в камере сгорания и замещает часть воздуха сгорания, используемого в сгорающих обычных топливах в камере сгорания двигателя. Расширение водяного пара вместе со сжиганием углеродсодержащего топлива и водорода, высвобожденного диссоциацией молекул воды, приводит к генерированию требуемой выходной мощности, необходимой для удовлетворительной работы двигателя.

Также отмечается, что, так как водород и кислород присутствуют в топливной смеси для сжигания в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, могут возникнуть обстоятельства, при которых слишком малое количество воды в водном топливе может быть неудовлетворительным. Например, в случае, когда углеродсодержащее топливо имеет свойственную ему низкую выходную энергию, т.е. низкую потенциальную энергию выхода в единицах BTU на единицу объема, то могут быть желательны большие количества воды, так как высвобождение водорода и кислорода посредством диссоциации молекул воды и сгорание водорода будут нужным образом увеличивать общую выходную энергию углеродсодержащего топлива и водной смеси. По этой причине устанавливается более низкий предел в 20% в качестве пригодного практического минимального количества воды в водной топливной смеси согласно изобретению так, чтобы приспособить большее разнообразие углеродсодержащих топлив в рамках изобретения. Верхний предел устанавливается в 80%, так как минимальное количество газообразного или жидкого углеродсодержащего топлива требуется для инициирования реакции. Посредством искры, генерируемой в камере сгорания, или посредством сжатия молекулы воды диссоциируют в камере сгорания. Было определено, что для реакции диссоциации воды предпочтительное количество энергии топлива составляет от 8356356.2 Дж/л до 16712712.3 Дж/л.

В предпочтительном воплощении согласно настоящему изобретению водосодержащее топливо содержит воду приблизительно от 40% до приблизительно 60% по объему от общего объема водного топлива и предпочтительно летучее жидкое углеродсодержащее топливо, например топливо, выбираемое из группы, состоящей из бензина, бензина прямой перегонки, дизельного топлива, топлива типа керосина, синтетические топлива на основе углерода, производные из биомассы масла и их смеси. Спирт добавляется для снижения точки замерзания топлива и увеличения сопротивления топлива разделению на свои компоненты. Необходимо также небольшое, но эффективное количество неионного эмульгатора. Обнаружено, что эмульгатор должен быть неионным, в противоположность ионному, так как последний является неудовлетворительным с жесткой водой, а также ведет к образованию осадков в двигателях. Неионные эмульгаторы группируются в три категории: алкилэтоксалаты, линейные спиртовые этоксилаты (такие как используются в стиральных порошках) и алкилгликозиды. Предпочтительным эмульгатором в настоящее время является "Igepal C0-630" (алкилфеноксиполиспирт, в особенности нонилфеноксиполи (этиленоксиэтанол)), поставляемый от Rhone-Paulenc, Inc. , Princeton, New Jersey. Увеличители маслянистости углеродсодержащего топлива хорошо известны, и в настоящее время наиболее предпочтительными увеличителями являются кремнийсодержащие компоненты, такие как полиорганосилоксаны, например "Rhodorsil Antifoam 416", поставляемый от Rhone-Paulenc, который также расширяет антипенообразующую способность. Доказано, что эффективное количество увеличителя маслянистости составляет приблизительно до 0.03% по объему, предпочтительно 0.001 до 0.03%, как описано выше. Также может быть желательно сразу включать добавку (присадку) для увеличения сопротивляемости разделения фаз при повышенных температурах. Для этой цели может быть использовано приблизительно до 0.1% по объему, предпочтительно от 0.001 до 0.1%, например дигидроксиэтил жирный глицинат, например "Miratain", поставляемый от Rhone-Paulenc.

Эмульгатор важен для того, чтобы способствовать стабильности и способности хранения топлива. Также было определено, что порядок добавления и смешивания топливных компонентов является критическим для достижения стабильности и способности к хранению. Например, важно добавить эмульгатор к углеродсодержащему топливному компоненту перед добавлением воды. Также важно раздельно добавлять спирт к воде перед смешиванием с топливом. К тому же, количество воды и углеродсодержащего топливного компонента регулируется таким образом, чтобы вода была однородной фазой эмульсии. Размер частицы и форма воды может быть отрегулирована с помощью модификации характеристик эмульгатора, который также делает возможным регулирование вязкости.

Удивительным преимуществом топливного состава является то, что двигатели внутреннего сгорания, использующие это топливо, способны к холодному запуску даже при температурах, достигающих -40^oС. Визуальная проверка стенок цилиндра, поршней, катализаторов и свечей зажигания не обнаружила отложения углерода, окисления или точечного изъязвления. Двигатели внутреннего сгорания работали с топливом при числе оборотов в минуту до 4000 без какого-нибудь снижения производительности. Другим преимуществом топлива является существенно увеличенный пробег автомобиля при расчете на галлон обычного углеродсодержащего топлива, например дизельного или бензинового, при сравнимых условиях применения. Топливо является неогнеопасным и средства передвижения, использующие топливо, обнаруживают эквивалентную способность езды по сравнению со средствами передвижения, применяющих обычные углеродсодержащие топлива. Выделения газов могут быть сокращены до одной десятой или менее по сравнению с выделениями газов, имеющих место при использовании традиционного топлива, а выделения CO₂ могут быть сокращены примерно наполовину. Наблюдалось выделение паров нового топлива примерно около половины от выделения паров при соответствующих традиционных топливах. Новое топливо не приводит к какому-нибудь отложению углерода в двигателе, а скорее способствует более продолжительному сроку службы компонентов двигателя. Очень важно, что топливо в основном неогнеопасно вне двигателя и поэтому представляет значительное усовершенствование безопасности по сравнению с обычными углеродсодержащими топливами, которые легко воспламеняются. Было также обнаружено, что топливо является не корродирующим резину и железосодержащие металлы, и поэтому может быть использовано с обычными трубопроводами и веществами в моторах средств передвижения. Такая комбинация характеристик делает топливо предпочтительным для использования во всех моторных средствах передвижения, включая грузовики, средства наземного передвижения и самолеты.

Другим преимуществом изобретения является то, что могут использоваться более дешевые и, с другой стороны, менее желательные углеродсодержащие топлива. Например, для традиционных бензинов требуются минимальные уровни октанового числа выше 80 и значение упругости паров по Рейду (УПР), равное 9. В противоположность этому согласно настоящему изобретению могут быть использованы топлива с октановым соотношением менее 75 и УПР, равным 6 или ниже, а также бензины прямой перегонки. Такие углеродсодержащие топлива не могут быть пригодны в обычных двигателях внутреннего сгорания.

Для того, чтобы расширить маслянистость топлива, желательно добавить увеличитель, предпочтительно горючий расширитель маслянистости и антипенообразующее вещество. Было определено, что кремнийсодержащий компонент не только увеличивает маслянистость топлива, но и сокращает пенообразование топлива, что расширяет способность к сгоранию топлива в камере сгорания. Полезно использовать вещества, которые являются и увеличителями (маслянистости) и антипенообразующими веществами для того, чтобы избежать необходимости включения отдельных веществ для выполнения этих функций.

Предполагается, что водное топливо согласно настоящему изобретению будет пригодно для всех двигателях внутреннего сгорания, включая обычные бензиновые двигатели или дизельные двигатели внутреннего сгорания для применения в автомобилях, грузовиках и т.п., используя обычные карбюраторы или системы инжектирования топлива, также как и роторно-поршневые двигатели и газотурбинные (реактивные) двигатели. Предполагается также, что настоящее изобретение будет применимо для любого двигателя, в котором летучее жидкое или газообразное углеродсодержащее топливо сгорает с кислородом (O₂) в одной или более камерах сгорания двигателя.

Несколько модификаций необходимo для того, чтобы сделать такие двигатели пригодными к топливу согласно настоящему изобретению. Например, как раскрыто в патенте США N 5,156,114, для использования водного топлива важно ввести катализатор получения водорода в камеру или камерах сгорания двигателя, как описано в вышеупомянутом патенте, чтобы задействовать такой катализатор при диссоциации молекул воды для производства водорода и кислорода. Дополнительно для оптимальной работы двигателя могут быть использованы любые подходящие средства для подачи и управления вводом, количеством и потоком воздуха сгорания и топлива в камеру(ы) сгорания. Отметим в этой связи, что соотношение воздух/топливо является значительным фактором в процессе сгорания в камере (ах). С практической точки зрения также желательно изготовить системы подачи и хранения топлива из коррозионноустойчивых материалов. Также предпочтительной является система высоковольтного электрозажигания, используемая затем обычным образом в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от свечи в моторах средств передвижения, работающих с типовыми углеродсодержащими топливами, например бензиновыми. Системы для обеспечения "горячего зажигания" коммерчески доступны, например от Chrysler Motor Company. В качестве дальнейшей модификации для оптимизации использования изобретения желательно применять систему, электронно-управляемую компьютером, для подачи топлива в топливные инжекторы или другие системы подачи топлива во время хода всасывания двигателя внутреннего сгорания.

Диссоциация молекул воды сама по себе хорошо известна. Например, термодинамика и физическая химия водно/паровой диссоциации описывается в тексте "Chemistry of Dissociated Water Vapor and Related Systems", M.Vinigopalan and R.A.Jones (1968), опубликованную John Wiley & Sons, Inc.,; Plysical Chemistry for Colleges, E. B.Mellard (1941), опубликованную McGraw-Hill Book Company, Inc. ; Advanced Inorganic Chemistry, F.Albert Cotton and Geoffrey Wilkinson (1980), стр. 215-228.

В качестве примера водное топливо и воздух сгорания могут быть введены в карбюратор или систему впрыскивания топлива при температурах окружающей среды, а воздушно/топливная смесь затем вводится в камеру или камеры сгорания, где вспышка от свечи зажигания воспламеняет воздушно/топливную смесь обычным способом, когда поршень камеры сгорания достигает стадии сгорания цикла сгорания. Предполагается, что присутствие катализатора получения водорода в камере сгорания действует в качестве катализатора для диссоциации молекул воды в водном топливе, когда свеча зажигания воспламеняет воздушно/топливную смесь. Водород и кислород, высвобождаемые диссоциацией, также воспламеняются во время сгорания для увеличения количества энергии, предоставляемой топливом.

В качестве примера способа изготовления топлива можно применять следующий способ смешивания:
1. Введение желаемого объема углеродсодержащего топлива, например дизельного масла или бензина, в емкость.

2. Объединение отмеренного количества эмульгатора в отдельной емкости с тем же дизельным топливом или бензином для получения соотношения топлива и эмульгатора, приблизительно равным 1 : 1.

3. Смешивание эмульгатора и топлива до получения насыщенного цвета. Смешивание снижает удельный вес смеси эмульгатора, и эта процедура предотвращает эмульгатор от осаждения на дно емкости после его добавления к оставшемуся дизельному или бензиновому топливу.

4. Добавление смеси эмульгатора и дизельного или бензинового топлива к оставшемуся углеродсодержащему топливу, которое должно быть введено в состав, и перемешивание.

5. В отдельной емкости добавление спирта и желаемого объема воды. Предпочтительно смешивать, к примеру перемешивать, водно-спиртовую смесь в течение, например, приблизительно от 15 до 30 с.

6. Объединение водно-спиртовой смеси и смеси топливо-эмульгатор и перемешивание до тех пор, пока она не примет однородный цвет.

7. Интенсивное перемешивание всей смеси гидрорассекающим или рассекающим насосом (гидроножницами), причем подходящим давлением является давление со значением от 14763.46 до 19684.62 г/см². Полученное вещество после гидрорассекающего или рассекающего насоса затем становится насыщенно окрашенным, например молочно-белым топливным составом.

Следующий пример иллюстрируют влияние эмульгатора на состав топлива. Тестовые порции были приготовлены следующим образом: все смеси состоят из 8 частей дизельного масла и 6 частей воды, но концентрация эмульгатора изменялась по объему от 0.2 до 0.7% с шагом 0.1%. Образцы каждой тестовой порции были взяты после каждой из трехкратного прохождением гидроножниц.

Было определено, что эмульгатор с концентрацией менее 0.5% имеет тенденцию к нестабильности, в то время как эмульгатор с концентрацией от 0.2 до 0.7% каждый были одинаково стабильны.

Тесты топливных смесей с переменным содержанием спирта установили, что стабильность состава является хорошей при по меньшей мере 2% спирта. При верхнем пределе топливные смеси с 20% спирта обнаруживают значительное отделение дизельного масла скорее, чем отделение воды.

Наблюдения за точкой замерзания указывают на существенное снижение точки замерзания при увеличении процентного содержания спирта, что и должно ожидаться, но также и то, что изменяющееся процентное содержание воды в смеси имеет малое воздействие на точку замерзания.

В специфических тестах топливо с 0% спирта полностью разделилось. Образцы с предпочтительным диапазоном содержания спирта от 2 до 10 % никогда не разделялись при оттаивании. При содержании по меньшей мере 2% спирта фазового разделения не было в течение длительного времени, например 6 месяцев.

Проводилось тестирование для измерения мощности, и было обнаружено, что быстрое снижение мощности имеет место после некоторого увеличения содержания в процентах воды. Мощность также постепенно снижалась при увеличении содержания спирта.

При обычном размышлении можно предсказать, что эти изменения в мощности должны быть вызваны из-за изменения теплоемкости (BTU/галлон или BTU/фунт). Однако это не было обнаружено. Анализ вклада в теплоемкость от каждого компонента топлива не разрешил эти аномалии.

Представлены типовые характеристики (см. таблицы в конце описания) составов номинального бензинового и дизельного топлив, раскрытых выше, по сравнению со стандартными бензиновыми и дизельными топливами, "А-55" относится к бензиново-топливной смеси, a "D-55" относится к дизельно-топливной смеси. После этих таблиц приводится дополнительная таблица, сравнивающая лигроиновую и лигроин-водную эмульсию.

Смешивание топлив А-55 и D-55.

Как указано выше, правильное смешивание топлив или А-55, или D-55 является важным для предельной производительности топлива. Неверное смешивание может вызвать разделение бензинового и водного компонентов, вызывая посредством этого неоднородные условия в двигателе, которые увеличивают выделения и снижают производительность. Разделение топлива может также снизить огнебезопасность топлива, которая обсуждается ниже.

Первой стадией правильного смешивания является определение последовательности, в которой компоненты должны быть объединены вместе. Размешивание или перемешивание на этой стадии могут быть относительно легкими, например ручное перемешивание будет достаточным при приготовлении малых порций или А-55, или D-55 топлив. Предварительно отмеренное количество эмульсии добавляется к заранее отмеренному количеству бензинового или дизельного топлива. Добавление эмульсии к воде сначала вызовет гелеобразование эмульсии, которое сильно мешает правильному процессу смешивания. После того, как эмульсия добавлена к бензиновому или дизельному топливу, они должны быть слабо перемешаны так, чтобы эмульсия вошла в контакт с большей площадью поверхности бензинового или дизельного топлива. Предварительно отмеренное количество воды затем успешно примешивается в смесь бензинового или дизельного топлива и эмульсии. После того, как вода добавлена к смеси бензинового или дизельного топлива и эмульсии, смесь станет непрозрачной и не белой по цвету при легком помешивании.

Когда добавляется спирт, например метанол, для предотвращения замерзания топлива, предварительно отмеренное количество метанола успешно перемешивается с водой перед тем, как вода будет добавлена к смеси бензинового или дизельного топлива и эмульсии. Когда добавляется увеличитель маслянистости и антипенообразующее вещество для предотвращения пенообразования в некоторых системах подачи топлива, вещество должно быть добавлено после того, как все другие компоненты смешаны вместе на этой первой стадии для правильного смешивания.

Ниже приводится пример способа смешивания для приготовления порции в 14.06 л топлива А-55:
1. Взять 8 л бензина.

2. Добавить 60 мл эмульгатора к бензину и слабо помешать.

3. Добавить 300 мл метанола к 6 л деионизированной и очищенной активированным углем воды.

4. Добавить смесь воды и метанола к смеси бензина и эмульгатора и перемешать до тех пор пока вся смесь не станет непрозрачной и не белой.

5. Добавить 5 капель антипенообразующего вещества/увеличителя маслянистости и слабо перемешать.

Компоненты, объединенные таким способом, являются подготовленными для второй стадии способа смешивания. Вторая стадия включает в себя циркуляцию топлива через насос так, чтобы компоненты правильно смешались. Чем больше насос, т.е., скажем, чем больше давление рассечения в насосе, тем становится лучше и сохраняется смешанное топливо. Например, если топливо только смешивается посредством относительно малым насосом, таким как топливный насос размером со стандартные автомобильные топливные насосы, то в течение трех недель может наблюдаться некоторое разделение. С другой стороны, насос с приблизительно 100-кратным увеличенным объемным расходом сохранит смешанное топливо без разделения в течение более трех месяцев. Эксперименты показывают, что топливо, смешанное малыми насосами, независимо от того, сколько раз циркулировало топливо, разделяется в течение нескольких недель. Топливо, смешанное посредством большого насоса, остается неразделенным в течение трех месяцев без детектируемого разделения.

Когда топливо правильно смешивается, оно обычно отображает четыре характеристики: (1) насыщенный цвет, обычно молочно-белый, (2) повторение считывания показаний гидрометра и удельного веса, которые отличаются от бензина прямой перегонки или дизельного топлива, как показано ниже, (3) топливо не будет иметь видимого разделения или в форме слоя бензина, или дизельного топлива на поверхности топливной смеси, или в форме пятен бензина, или дизельного топлива на поверхности топливной смеси, (4) топливо при правильном смешивании не будет загораться под паяльной лампой, как описано ниже, после начального воспламенения или выгорания спирта.

Правильное смешивание на гидросчетчика для каждого топлива при 15,56^oC
А-55 - 165 показания по шкале испытаний - Бензин прямой перегонки с октановым числом 87 - более 200 показания по шкале испытаний
D-55 - 130 показания по шкале испытаний - Перегонка N 2 дизельного топлива - 161 показания по шкале испытаний
Удельный вес для каждого топлива при 15,56^oC**
А-55 - 0,84 - Бензин прямой перегонки с октановым числом 87 - 0,72
D-55 - 0,89 - 0,91 - Перегонка N 2 дизельного топлива - 0,84
* Как измерено на гидрометре со шкалой Proof и Tralle
** Как измерено на Ohaus 1500D электронной шкале
Использование добавок или в А-55, или в D-55 для особых условий.

Показанные желаемые топлива применимы в холодную погоду до -53.88^oC, так же как и жаркую погоду - до 54.44^oC. Условия совпадают с ездовыми циклами и стационарным энергетическим циклом для средних и экстремальных условий, обнаруженных в мировых условиях эксплуатации. Как описано ранее, добавление спирта к воде предотвращает замерзание в большинстве температурных диапазонов. Например, добавление 300 мл метанола к воде в вышеописанных видах топлива предотвращает замерзание топлива вплоть до температуры ниже -17.78^oC. Топливо, которое смешано так, как описано выше, может противостоять температурам до 54.44^oC без разделения. И А-55 и D-55 топлива могут показывать признаки расслоения при более высоких температурах, однако топливо может быть смешано таким образом, чтобы оно включало в себя больше эмульгатора, который предотвратит разделение до 76.67^oC. При температурах выше 76.67^oC для предотвращения топлива от слишком быстрого разделения должны использоваться более мощный насос и система рециркуляции. Для получения лучших результатов могут включаться соответствующие добавки, которые описаны выше, для препятствия фазовому разделению или повышенным температурам.

При смешивании топлива необходимо избегать образования больших количеств пены. Пена в топливе может исказить результаты производительности и выделения. Для исключения таких проблем можно добавить малые количества антипенообразующего вещества.

Огнебезопасность А-55 или D-55 топлив.

И А-55, и D-55 топлива содержат фазу воды, которая делает эти топлива огнебезопасными. Для демонстрации того, что топлива содержат фазу воды, выполнялся следующий тест: приблизительно 200 мл деионизированной и очищенной активированным углем выпущенной воды помещается в одну емкость, и приблизительно 200 мл бензина прямой перегонки - во вторую. Шприцем в каждую емкость вводится одна капля топлива А-55. Когда капля А-55 ударяется о поверхность воды в первой емкости, то капля топлива А-55 мгновенно "рассеивается" по поверхности, оставляя слабый темный осадок наверху емкости. Капля топлива А-55, помещенная в емкость с бензином, реагирует по-другому. В этом случае капля топлива А-55 остается нераздробленной при ударе о поверхность бензина и опускается на дно емкости. Капля остается целой длительное время после введения в этот бензин. С помощью этого теста также может быть продемонстрирована непрерывная водная фаза топлива D-55. Те же самые результаты наблюдаются при использовании топлива D-55 и емкости с деионизированной и очищенной активированным углем водой и емкостью с дизельным топливом прямой перегонки.

Если топливо правильно смешано, то никакое топливо не может быть воспламенено паяльной лампой. Например, 60 мл А-55 и D-55 топлив были налиты на металлическую пластину в виде малых лужиц. Пламя паяльной лампы было затем проведено над топливами с наклоном пламени так, чтобы оно касалось верхних поверхностей топлив. Топлива не воспламенились. Только в случае, когда пламя воздействовало прямо на топливо в одном месте в течение приблизительно 20 с, на мгновение появилось слабое голубое пламя приблизительно 0.635 см высотой и погасло само по себе. Если углеродсодержащее топливо, бензин и эмульсия смешаны неверно, то смесь будет воспламеняться очень легко.

Выгоды низкого давления паров А-55 и D-55 топлив.

Другим фактором, делающим топливо трудным для воспламенения, является крайне низкое давление паров топлив. Более того, топлива с более низким давлением паров приводят к сокращению выделения паров, посредством этого значительно сокращая необходимость в системах улавливания паров в бензиновых насосах или системах улавливания паров в автомобилях и стационарных двигателях. Низкое давление паров по Рейду также сокращает вредные выделения в окружающую среду.

Октановое и цетановое соотношение.

В общем случае в современных двигателях автомобилей и грузовиков рекомендуется использовать высокооктановый бензин. Обычно наименьшее октановое число бензина, который используется на станциях обслуживания, составляет 87. Высокооктановый бензин бывает 92 или выше. Топливо А-55 работает эффективно даже с бензином на основе лигроина с крайне низким октановым числом, которое равно приблизительно 75, так как представляется, что октановое число не играет роли с этим топливом. Цетановое число в топливе D-55 также значительно ниже, чем в обычных дизельных топливах, без неблагоприятного воздействия на производительность. Поэтому новые топлива должны быть дешевле в производстве, чем традиционные бензиновое или дизельное не только из-за водного компонента, но и потому, что базовые бензиновое или дизельное топлива не требуют дополнительной и дорогой очистки.

Топливные фильтры.

Обычные топливные фильтры для двигателей внутреннего сгорания имеют бумажную внутреннюю систему для фильтрации. А-55 или D-55 могут использовать эти фильтры, однако после сравнительно короткого времени работы эти фильтры могут действовать в качестве системы обратного осмоса и могут вызвать разделение топлива перед использованием в инжекторах. Во избежание эффекта разделения с бумажными фильтрами предпочтительно, чтобы вместо бумажных фильтров топлива проходили или сквозь полнопоточный фильтр, который задерживает только относительно большие частицы, или сквозь металлический сетчатый фильтр. Топлива могут быть отфильтрованы до размера частиц ниже 10 мкм с помощью этих металлических сетчатых фильтров без изменения какой-либо характеристики топлива перед инжекторами. Пластиковые или металлические пластинчатые фильтры также были протестированы с очень хорошими результатами.

Сравнение мощности А-55 и D-55 топлив с бензиновым и дизельным соответственно.

При сравнительном тестировании топливо А-55 сравнивалось с высокооктановым бензином на одном и том же двигателе, используя динамометр двигателя. Топливо А-55 имело приблизительно такую же выходную мощность плюс-минус 4%, чем при работе того же двигателя на бензине, используя одинаковое количество воздуха сгорания, которое было для обоих топлив при повышенных требованиях мощности. Использовавшийся при этом тестировании двигатель был модифицирован в соответствии с описанием в патенте США N 5,156,114. Результаты мощности работающего на бензине модифицированного двигателя отличались незначительно от результатов у аналогичных двигателей, работающих на бензине и тестируемых таким же способом. Аналогичные результаты были получены с D-55. Наивысшая выходная мощность может быть достигнута также, используя топливо D-55, в три-пять раз быстрее, чем при использовании обычного дизельного топлива. Изменение процентного содержания воды в топливах А-55 и D-55 до пределов плюс-минус 10% не вызвало соответствующего роста или уменьшения мощности.

Временные требования.

Для оптимальных результатов при использовании А-55 угол (опережения) воспламенения должен быть передвинут до 50^o, который приблизительно в два раза больше, чем это требуется для обычного бензинового топлива. D-55 топливо также работает лучше, когда время инжекции придвигается к инжекторам и на коленчатом валу посредством до двух зубцов.

Соотношения воздух/топливо при использовании А-55 и D-55 топлив.

Для холостого хода А-55 или D-55 могут быть применены с минимальными соотношениями воздуха сгорания.

Когда А-55 или D-55 топлива используются в условиях нагрузки (мощности), то применяются в основном одинаковые количества воздуха сгорания, что и с традиционным бензиновым или дизельным топливом. Соотношение воздух/топливо в нормальных двигателях внутреннего сгорания с зажиганием от свечи составляет 14.7 : 1, в дизельном цикле 16.5 : 1. Если эти соотношения увеличиваются более чем на 10%, то возгорание в двигателе внутреннего сгорания пропадает. Используя топливо А-55, соотношения воздух/топливо при требованиях мощности, измеренные к углеродному компоненту топлива, приблизительно равны 29-38 воздуха к 1 углеродному компоненту в двигателе внутреннего сгорания с зажиганием от свечи. Используя топливо D-55, соотношения воздух/топливо при требованиях мощности, измеренные к углеродному компоненту топлива, приблизительно равны 32-40 воздуха к 1 углеродному компоненту в дизельном двигателе.

Выделения при использовании А-55 и D-55 топлив в модифицированных двигателях.

Было проведено много сравнений между топливом А-55 и бензином прямой перегонки с высоким октановым числом с беговым барабаном Clyton, модель C796, который управляет скоростью и мощностью. Было проведено сравнение 6-цилиндрового 1989 Ford Taurus с 3-литровым двигателем, преобразованным для работы на топливе А-55, и 1989 Ford Taurus с аналогичными показаниями одометра, который работает на традиционном бензине. Каталитические преобразователи на обоих автомобилях были удалены. Было обнаружено, что применяя топливо А-55, почти все регистрируемые выделения сократились в 6-8 раз при условиях нагрузки. Только показания O₂ были аналогичны для обоих автомобилей. Показания O₂ находились в пределах от 0 до 3% при наилучшей выходной мощности. В этом диапазоне другие зарегистрированные выделения были следующими: CO - 0.10% или ниже, NO_x - от 20 до 200 частей на миллион, углеводороды - от 50 до 200 частей на миллион. Все показания выделений были взяты по стандартному автомобильному анализатору выделений Sun. Когда двигатель находился при рабочей температуре, не было видимого пара, выделяемого из выхлопной трубы независимо от температуры внешней среды. Это значение можно сравнить с содержанием в 10 или более раз частей на миллион NO_x от аналогичных двигателей, работающих с традиционным бензином в качестве топлива.

Выделения даже еще резче снижаются в переделанных дизельных двигателях. Для последующих обсуждаемых целей тестирования на двигательном стенде использовался переделанный 2-тактный 4-цилиндровый дизельный двигатель #53 Detroit Diesel. Этот переделанный дизельный двигатель был подсоединен к беговому барабану Clyton, модель САМ 250E, который считывает скорость, мощность и момент вращения. Переделанный дизельный двигатель при холодном запуске обнаружил только видимый дым в течение от 2 до 5 с. Обычно аналогичный дизельный двигатель с типовым топливом может выделять дым в течение 5-10 мин во время периода прогрева между холодным запуском и рабочей температурой. Двигатель не производит обычной сажи в любом диапазоне, как это обнаруживается в дизельных двигателях, работающих на дизельном топливе прямой перегонки. При мощности приблизительно в 100 л.с. результаты выделения были следующими: O₂ - 10%, HC - 0 частей на миллион и CO - 0.01%. Вязкость в основном сохраняется и, как и при углеродсодержащем топливе, сгорание является чистым даже после долгого использования. Все показания выделения были взяты по стандартному автомобильному анализатору выделений Sun. Ни разу во время рабочего цикла дизельного топлива не наблюдалось какого-нибудь пара, выделяемого из выхлопной трубы независимо от температуры окружающей среды. Эти результаты можно сравнить с выделениями HC, по меньшей мере в два-три раза большими в аналогичных двигателях, использующих обычное дизельное топливо.

Дополнительные тесты также продемонстрировали, что сокращение NO_x достигает 80% при использовании топлива D-55, чем при традиционном дизельном топливе.

Эффективность топлив А-55 и D-55.

Эффективность, полученная при обоих топливах для большей части является значительно больше, чем с традиционным бензиновым или дизельным топливами. Естественно, могут получаться различия в эффективности в зависимости от того, как модифицирован двигатель и какое процентное содержание углеродного топлива к воде используется. Тесты эффективности традиционного бензина или дизельного топлива вместо углеродного компонента топлив А-55 и D-55 и с топливами, и с двигателями, модифицированными полностью или до некоторой степени, как описано в патенте США 5.156.114, показывают резкий рост эффективности при использовании этих топлив до 100% при работе того же или аналогичного двигателя на традиционных углеводородных топливах.

Холодный запуск с топливами А-55 и D-55.

И А-55, и D-55 топлива могут применяться в качестве особого топлива в двигателях внутреннего сгорания. Нет необходимости использовать вторичное топливо или стартовое топливо в комбинации или с А-55, или с D-55. Никакое топливо не обнаружило какой-либо трудности при холодном запуске, когда использовалось в модифицированных двигателях с некоторыми или всеми модификациями, описанными в патенте США 5,156,114.

Сравнение применения дизельных двигателей.

Для дальнейшей иллюстрации преимуществ нового водного топлива в дизельных двигателях нужно обратиться к сопровождающим чертежам, включая графики, изображенные на фиг.1 - 3. Эти графики представляют результаты тестов, выполненных с составами топлива D-55 при сравнении нового топлива с традиционным дизельным топливом.

На фиг. 1 изображено соотношение между давлением в цилиндре и объемом и для D-55, и для дизельного топлива. Как можно видеть, кривые давления в цилиндре, которое сравнивается с объемом нового топлива, очень близки к кривым для дизельного топлива. Поэтому D-55 является полной заменой дизельному топливу в дизельных двигателях.

Соотношение между давлением и углом поворота коленчатого вала изображено на фиг.2, которая демонстрирует, что хотя давление цилиндра, обнаруженное с топливом D-55, является немного увеличенным по сравнению с обычным дизельным топливом, это различие мало. Как показывает график, D-55 имеет более высокий сброс давления, но одно значение все еще лучше в спецификациях конструкции для существующих дизельных двигателей.

Наиболее значительные результаты приведены на фиг.3, которая сравнивает высвобождение накопленного тепла в виде процентного содержания к углу поворота коленчатого вала (кривошипа) в градусах и для D-55, и для традиционного дизельного топлива. Очевидно, что D-55 является наиболее быстрым для достижения и поддержания 100%-ного высвобождения тепла, чем традиционное дизельное топливо и, таким образом обнаруживает существенно улучшенное термическую эффективность. Это видно из крутого подъема высвобождения тепла для D-55, которое противопоставляется высвобождению тепла для традиционного дизельного топлива. D-55 достигает 100%-ного высвобождения тепла после того, как угол поворота кривошипа достигнет 10% по сравнению с традиционным дизельным топливом, которое достигает 100% при угле поворота кривошипа 80^o. Хотя топливо D-55 имеет более низкое начальное сгорание, оно имеет более высокое высвобождение тепла, чем дизельное. Более того, возможно иметь высвобождение тепла близко при угле кривошипа 0^o с помощью регулирования синхронизации так, чтобы топливо в цикле вводилось чуть раньше.

Из рассмотрения данных, изображенных на фиг. 1-3, включающих в себя улучшенное высвобождение тепла топливом D-55 по сравнению с традиционным дизельным топливом, очевидно, что новое топливо обеспечивает существенно увеличенный рост мощности. Используя угол кривошипа 0^o в качестве начала отсчета, неожиданные результаты от нового топлива, которое использует приблизительно 1/2 количества дизельного топлива, являются скорее поразительными. Более того, увеличение мощности получается без существенного увеличения в давлении, как изображено на фиг. 2, и, таким образом, без разрушения двигателя. Другими словами, мощность главным образом получается от такого же давления цилиндра, но с топливом, которое имеет значение BTU, равное приблизительно 1/2 от BTU углеродного компонента при сравнении с традиционным дизельным топливом.

Из вышесказанного очевидно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны без отрыва от изобретения со следующей формулой изобретения.

Описывается жидкое топливо для двигателя внутреннего сгорания, стабильное и способное храниться, представляющее собой по меньшей мере двухфазовую жидкую эмульсию с водой, являющуюся непрерывной фазой на основе углеродсодержащего топлива с добавлением 2-20 об.% спирта, 0,3-1 об.% неионного эмульгатора, отличающееся тем, что углеродсодержащее топливо выбирают из группы: бензин прямой перегонки, бензин, дизельное топливо, керосин, газовое углеродсодержащее топливо, синтетическое углеродсодержащее топливо, произведенное из биомассы масел и их смесей, и содержит воду в количестве 40 - 80 об.% Технический результат - создание стабильного, способного храниться и не воспламеняться вне двигателя, топлива. 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Жидкое топливо для двигателя внутреннего сгорания, стабильное и способное храниться, представляющее собой по меньшей мере двухфазовую жидкую эмульсию с водой, являющуюся непрерывной фазой на основе углеродсодержащего топлива с добавлением 2-20 об.% спирта, 0,3-1 об.% неионного эмульгатора, отличающееся тем, что углеродсодержащее топливо выбирают из группы: бензин прямой перегонки, бензин, дизельное топливо, керосин, газовое углеродсодержащее топливо, синтетическое углеродсодержащее топливо, произведенное из биомассы масел и их смесей, и содержит воду в количестве от более 40 до 80 об.%. 2. Жидкое топливо по п. 1, отличающееся тем, что содержит в основном прямогонный бензин с добавкой от более 40 до 60 об.% воды, 2-10 об.% спирта, от 0,3 до приблизительно 0,7 об.% эмульгатора и дополнительно от 0,001 об.% до приблизительно 0,1 об. % увеличителя маслянистости, от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 0,1 об.% добавки для улучшения сопротивляемости разделению фазы при температурах выше приблизительно 77^oC. 3. Топливо по п.2, отличающееся тем, что в качестве увеличителя маслянистости содержит полиорганосилоксановый компонент. 4. Топливо по п.1, отличающееся тем, что содержит в основном дизельное топливо с добавкой от более 40 до 60% воды, от 2 до менее 20% спирта, приблизительно от 0,3 до приблизительно 0,7% эмульгатора и дополнительно от приблизительно 0,001% до приблизительно 0,1% увеличителя маслянистости и приблизительно от 0,001% до приблизительно 0,3% добавки для улучшения сопротивляемости разделению фазы при температурах выше приблизительно 77^oC. 5. Топливо по п.4, отличающееся тем, что в качестве увеличителя маслянистости содержит полиорганосилоксановый компонент. 6. Топливо по п.4, отличающееся тем, что в качестве увеличителя маслянистости содержит алкилфенолэтоксилат. 7. Топливо по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит 0,03 об. % дигидроксиэтил жирного глицината в качестве добавки для сопротивления фазовому разделению при повышенных температурах. 8. Топливо по п.1, отличающееся тем, что содержит в основном бензин прямой перегонки, от более 40 до приблизительно 60% воды, приблизительно от 2 до 10% спирта, приблизительно от 0,3 до приблизительно 0,7% эмульгатора и дополнительно от приблизительно 0,001% до приблизительно 0,1% увеличителя маслянистости и от приблизительно 0,001% до приблизительно 0,03% добавки для улучшения сопротивляемости разделению фаз при температурах выше приблизительно 77^oC.