CN101438035B - 在富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于在诸如矿井的富含甲烷的环境中更安全运行柴油机的方法和系统。该方法包括提供具有进气口、燃烧室、和排气口的柴油机。富含甲烷的空气通过进气口引入发动机并与柴油混合，并燃烧该混合物。排气气体被引入包括氧化硅床体的转化器。该净化器产生在汽缸内燃烧温度下形成的高反应羟基。羟基形成汽缸内的超临界水，并消除了烟灰的形成，提高了发动机效率，且降低了顶部燃烧温度。所揭示的方法和系统显著地减少了污染物并降低了柴油机或附近的爆炸危险。无论是否在富含甲烷的环境下运行，该方法和系统还产生单相的排放物。

Description

在富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法和系统
发明背景 
1.发明领域
本发明涉及柴油机排气中发现的有机废物和污染物的催化消除。更具体地说，本发明涉及在诸如矿井之类的富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法和系统。 
2.相关技术 
众所周知内燃机排放对人类有害的污染物。大范围地暴露于污染物会引起人类的健康问题，并且是发展中和诸如美国的发达国家的空气污染的重要原因。柴油机尤其是污染的常见原因。黑烟、或烟灰是最可见的排放物，但是也存在其它不太可见的污染物。来自柴油机的排放物由三相组成：固体、液体和气体。固体和液体的组合称为微粒，或总微粒物质(“TPM”)，并由干碳(烟灰)、无机氧化物(主要是硫酸盐)、和液体组成。 
当柴油燃烧时，一部分硫氧化成硫酸盐，其一旦与排气中的水分反应，就会变成H2SO4。液体是未燃烧柴油和润滑油的组合，其称为可溶有机成分(SOF)或挥发性有机成分(VOF)，其形成离散烟雾和/或被吸收到干碳微粒内。气态碳氢化合物、一氧化碳、氧化氮、以及氧化硫是第三相的组成部分。来自已燃烧柴油的排放物根据柴油机燃油中润滑油的量而变化。其它发动机可产生干燥排气，其中SOF较低，余量主要是干碳。柴油机排放物明显比汽油发动机的更为复杂，因此，它们的催化处理更复杂且需要新技术。 
响应于汽油动力内燃机产生的污染，已经开发了转化器催化转化器以降低从燃烧的汽油排放进入环境的污染物的水平。转化器催化转化器通常设置成与燃气发动机的排气系统串接，且通常能够将大部分未燃烧的碳氢化合物催化转化成CO2和水。 
常规的转化器催化转化器包含钯和铂，其覆在由惰性且耐热材料制成的载体小珠或小球顶上以增加活化催化剂的表面面积并保持微粒不会通过排气管 逃逸。将催化金属覆在基体上也降低催化剂微粒的成本，因为大部分催化金属比基体贵得多。因为铅基添加剂可“毒害”或破坏催化剂的有效性，这种添加剂已经被禁止了。 
尽管现代转化器催化转化器可用于将未燃烧的碳氢化合物转化成二氧化碳(CO2)和水，但它们通常仅对汽油驱动车辆中的使用可行。现有的转化器催化转化器不太适于用于柴油机。燃油的类型和其在柴油机中燃烧的方式产生相当量的烟煤和其它未燃烧的碳氢化合物，它们量太大以致无法用现有的转化器催化转化器有效地转化成CO2和水。尽管已知柴油机污染严重，但由于经济原因柴油机很大程度上免于受到严格的空气质量指导方针的限制。一个原因是柴油机用于诸如牵引拖车和火车之类的长途运输。取消它们可能引起可怕的经济问题。 
但在采煤作业中，严格地控制柴油机的使用。由于矿井中存在的天然气和柴油机产生的污染物，诸如矿井之类的封闭区域对于运行柴油机产生特别敏感的环境。于是，美国劳动者矿井安全和健康管理部(MSHA)发布了联邦规章，控制地下矿井中柴油机的使用。30 C.F.R.的第7、36、70和75部分中的联邦规章规定了地下煤矿的安全标准。该规章规定了包括燃油空气混合比、工作温度、以及排气中污染物水平的各种条件。MSHA还要求用于进气口和排气口的诸如灭火器之类的特殊装备。 
MSHA发布了关于各种污染物排放的严格规定。例如，新近的MSHA标准要求，在MSHA规定的发动机运行的任何情况下，来自柴油机的稀释的排气气体包含不多于0.5％体积的二氧化碳；0.01％体积的一氧化碳；0.0025％体积的氧化氮(按当量的二氧化氮计算)；或0.0010％体积的醛(按当量的甲醛计算)。柴油机的正确测试还要求测量排气气体中甲烷的水平。不像常规运行条件，在富含甲烷的环境中运行柴油机增加了排气包含甲烷的机率。 
在地下矿井中防止爆炸和减少污染是运行柴油机时的又一挑战。矿井中的煤可产生高水平的甲烷。甲烷被截留在封闭的矿井中，因此对人类和机器产生危害。例如，已知矿井包含8％体积甲烷的空气，且在某些情况下，浓度可达到12％体积的甲烷。一旦由煤释放，甲烷通常由于通风较差而留在矿井中。 
因为甲烷是可燃的，在矿井内或附近运行柴油机会引起甲烷区域爆炸。此 外，柴油机使用周围空气作为进气来完成柴油机的燃烧。周围空气中的甲烷被吸入柴油机，并可能在那里爆炸。因为甲烷比柴油更具爆炸性，如果甲烷的浓度高，就会有危险。 
由于阀门不完全座合(seating)和由此引起的燃油渗漏，甲烷会产生尤为严重的爆炸危险。所有的柴油机具有三相排放物。在第一相中，不完全提前点火引起烟灰堵塞在阀座内，其阻止阀门的完全座合。这使得受压的空气燃油混合物能在每个冲程通过阀门，导致燃油和润滑油约20％的渗漏。此外由于燃油空气混合物的不完全混合形成的烟灰产生活塞上的冷点和壁裂缝。部分烟灰熔结到阀座上，变成元素碳，并由于摩擦变得白热。元素碳在排放物循环的第二和第三相中形成。当常规条件下运行的柴油机用在甲烷气体含量高的矿井中时，除了燃油空气混合物之外，甲烷气体形成通过未座合阀门逃逸的部分渗漏。在压缩顶部的几毫秒之后，甲烷可与熔结在阀座上的白热元素碳反应，在这么高的温度下，可能会产生强烈的爆炸。包括来自阀门的红热碳的火花可完全冲出排放物，潜在地产生柴油机外的起火或爆炸。为此通常使用火花消除器。 
因为柴油机的进气从周围空气吸入甲烷，对于运行柴油机来说矿井产生了尤其有问题的环境。未混合地，燃油空气比的增加使得诸如一氧化碳和二氧化氮的有毒气体的排放增加。进一步加上的问题是煤矿通常是封闭的且通风较差的事实。 
尽管存在矿井中或矿井附近合适地运行柴油机的技术，但这些技术通常昂贵且不合需要。例如，发动机必须以低于全功率的功率下运行和/或要改装成包括昂贵和复杂的设备。 
因此，需要一种有成本效益的系统，其可防止在富含甲烷的环境中运行的柴油机内或附近的爆炸，且可减少未燃烧燃油和排气中污染物的量。 
发明内容
本发明涉及用于在诸如矿井之类富含甲烷的环境中运行2冲程和4冲程柴油机的新方法和系统。本发明的方法和系统提供了甲烷、烟灰和其它否则会在富含甲烷的环境中运行的柴油机的排气中发现的未燃烧有机材料(例如，至少1％的甲烷、高达12％或更高的甲烷)的完全燃烧。本发明的方法和系统可用 于诸如人员运输机、洞顶锚栓、移动顶支撑件、脱气钻、装载机、自动倾卸卡车等之类的采煤机械。在本发明的另一方面，提供一种柴油机，它无论是否在富含甲烷的环境中运行都具有单相的排放物。 
该方法和系统在富含甲烷环境和高反应燃烧大气中使用柴油机，所述高反应燃烧大气包含羟基(hydroxyl radicals)、氧化离子，并产生超临界水，已发现所述超临界水在消除大部分(如果不是全部)碳颗粒、烟灰、碳氢化合物(包括矿井中的甲烷气体)、甲醛、乙醛、硫(高达99.999％)、CO、油物质、其它未燃烧有机物质、以及在含碳燃油的燃烧中否则会产生的其它污染物时有令人惊讶的效果。 
由于尚未完全理解的原因，看起来反应燃烧大气有处理或消除燃烧源(即，柴油机的汽缸内)处或附近不完全燃烧产物的作用。这是取代许多先前理解的关于燃烧的假设的新的科学发现。高反应大气，其最初包括由柴油排气与氧化硅、羟碳铈矿(hydroxylbastnasite)和/或氧化铝微粒相互作用产生的羟基，逆流行进到排气管道，以进入发动机汽缸，并在那里形成超临界水。已显示，高反应大气消除高达99.999％的碳氢化合物和硫，否则它们会排入排气流中，排气流实质上包括所有烟灰、甲醛和乙醛，它们是柴油排气的普通成分。假设羟基离子，当在汽缸内被过热和压缩时，产生气体等离子体形式的超临界水，其至少部分有助于增加柴油在第一燃烧阶段中的燃烧效率，由此消除否则会在第一状态中形成的大部分(如果不是全部)烟灰。烟灰的消除确保了阀门的完全座合和燃油空气“渗漏”的消除，这又引起单相排放物和完全燃烧。这使全负载下油耗下降约30％，总体平均下降约50％。 
阀门完全座合使得压缩显著增加、燃油空气混合物完全混合、以及冷点被消除。该新发明确保了完全燃烧、增加了发动机效率、降低了顶点燃烧温度、噪声、柴油机典型的爆震音、NOx的形成、硫酸的形成、并消除了发动机内部和外部有关甲烷的爆炸的危险。不是将污染物排入大气，主要产物是作为气体等离子体的超临界水、可呼吸的氧气和氮气、沉淀在排气管道上、氧化硅和/或氧化铝床体内、以及其它发动机部件上的单片的灰色半透明反射膜。该灰色反射膜被认为是作为气体等离子体的超临界水和柴油机产生的燃烧产物之间如上相互作用的产物。该灰色膜可能本身是可催化反应的，因为不止一次发 现，在启动之后、甚至在柴油机与氧化硅催化床体脱离之后没有初始地产生的烟灰，而是仅在测力机上在功率计全负载下运行发动机约一个半小时之后才会产生。 
测试显示，根据本发明的催化系统，当在富含甲烷的环境中运行柴油机时，消除了碳氢化合物和甲烷，并消除了80％或更多的甲烷和CO2，并消除了CO、NOx、乙醛、甲醛和硫，且没有形成硫酸。NOx和硫酸的减少被认为是消除了所谓的第二燃烧阶段的结构，在该所谓的第二燃烧阶段中，在排放物的第二和第三相的高温下(即，在阀座处摩擦产生的850℃)硫和水分相互作用形成硫酸且氮和氧相互作用形成NOx。 
在示例性实施例中，高反应燃烧大气由羟基产生，所述羟基最初由柴油机运行过程中产生的排气流和可催化反应的氧化硅、羟碳铈矿和/或氧化铝微粒的床体相互作用形成，所述排气流包括水分、二氧化氮、氧气、以及其它可能的气态或细微的颗粒材料。氧化硅床体容纳在密封箱体内，不需要维护。它仅用于通过管道对排气气体的进行分配，并将OH基的离子带到反应位置，即燃烧室。 
羟基、氧化离子、或其它反应物质，通过未完全理解的机理，被认为向各方向迅速行进，包括一些到达汽缸内的燃烧处、在汽缸处与碳反应、并使燃油在第一场合中更干净地燃烧，由此基本上消除所有否则会产生的污染物。此外，羟基与包含在汽缸内进气输入气流中的甲烷相互作用以防止爆炸和损坏。由羟基引起的汽缸内更有效的燃烧大大地降低了使用的燃油量并还使得柴油机温度低得多地运行。听到发动机爆震音大大减轻，这表示消除了汽缸内否则会在压缩冲程中但在达到完全压缩之前由红热元素碳所引起的过早燃烧。甚至在将高达12％甲烷气体故意送入进气口时也没有听到爆震音，确实令人惊讶的且预想不到的结果说明羟基、超临界水、和/或一些其它高反应物质产生了作用以提高效率并降低柴油机的运行温度。 
随着压力增加以使温度达到500℃之前的点，喷射燃油，且根据本新发明的燃烧大气产生完全燃烧，且形成作为气体等离子体的超临界水。在MSHA处的测试中证明了，五分钟烟灰过滤器显示出仅3mg的重量增加(由MSHA的科学家发现)，没有单个烟灰微粒且还是半透明的。其它气态的或细微颗粒 物质在完全燃烧过程中在活塞顶部被完全消除。 
试验测试显示，在排气歧管处、在测力计上以低速测得的排放物是18.19％的O2、78.97％的N2、1.88％的CO2，且全负载时是7.59％的O2、83.18％的N2、8.24％的CO2，余量包括异构体和作为气体等离子体的超临界水。测得的排放物超过并优于任何未来所梦想的氢发动机。有关羟基的机理和运动方面的原因还不知道。但可测得它们的有益效果，成果是可见的。作为气体等离子体的超临界水中的羟基的反应易于辨别，因为它消除了所有的硫。 
示例性系统包括带有进气口和排气口的柴油机，包括用于产生高反应燃烧大气的氧化硅和/或氧化铝微粒的反应腔，并可选地包括富含甲烷的空气环境。富含甲烷的空气通过进气口引入发动机。排气气体从排气口送入包括氧化硅、羟碳铈矿和/或氧化铝微粒的反应腔，其产生有助于形成上述降解大气的羟基。反应腔在柴油机产生的排气流的催化降解或处理的过程中被加热和/或保持在约30℃至约600℃温度范围内，较佳地在约50℃至约500℃范围内，更佳地在75℃至约450℃范围内，且最佳地在约100℃至约400℃范围内。 
迄今不知道脱水状态的氧化硅表面上发现的羟基在脱水的地方被吸引至热和碳。它们在燃烧室内热和碳的大气中产生与水化合和脱水的反应循环。人们认为，存在于排气流中的水分在氧化硅和氧化铝微粒上产生了表面现象，允许形成羟基、氧化离子或其它反应物质，这使得在燃烧室内形成作为气体等离子体的超临界水。尽管没有针对用于在富含甲烷的环境中运行柴油机的方法和系统，2002年8月13日提交的美国申请第10/218,377号揭示了更近发现有助于保护位于矿井或其它富含甲烷环境中的柴油机和/或人的方法和系统。为了揭示示例性方法和系统的目的，前述申请的内容援引于此以供参考。 
本发明的方法有效地并廉价地消除了或至少基本减少了在矿井和其它富含甲烷环境中或附近运行的柴油机产生的未燃烧或部分燃烧的燃烧产物的量。这样做，本发明保护在富含甲烷的环境中工作的人们使他们免受柴油机内产生的有害污染物的影响。此外，本发明的方法可改进某些机械的排放物，以使其符合诸如矿井之类富含甲烷的环境中运行机械的政府规章。此外，本发明的系统和方法降低了柴油机内和附近的爆炸危险。发明人进行的测试表明了本发明的方法降低了高甲烷浓度由于甲烷的更具爆炸性的性质会引起发动机爆炸的可 能性。 
根据本发明而消除烟灰的另一重要结果是它降低了由于摩擦产生而在阀座处的燃烧顶部的温度(其通常超过850℃)。温度下降是消除烟灰的结果，否则烟灰会引起摩擦、不完全压缩和燃油空气渗漏。因此，即使燃油空气混合物中存在大量甲烷，其将完全与燃油和空气混合而没有冷点。还认为，作为汽缸内气体等离子体的超临界水(即，约30％)致使温度降低至少约30％。沉积了单片的灰色极薄半透明膜，我们相信，通过在进气歧管处作为气体等离子体的超临界水且存在有羟基，已经测试的覆层是氮化硅且抵抗50％的高频(HF)。 
本发明的这些和其它特征会从以下说明书和所附权利要求书中更充分地显示出来。 
附图说明
为了进一步使本发明的以上其它优点和特征变得清楚，将参照附图中所示的其具体实施例对本发明进行更具体的说明。应当理解，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应认为是对其范围的限制。本发明将通过使用附图来描述和说明另外的特征和细节，其中： 
图1是本发明示例性清洁系统的剖视图，该清洁系统包括柴油机和包含氧化硅床体的反应腔的组合； 
图2是示意性示出柴油机和氧化硅床体之间的排气和羟基流动的盒状图；以及 
图3是示出了在根据本发明柴油机的燃烧效率改进中包含的各种步骤的流程图。 
具体实施方式
本发明涉及用于尤其在富含甲烷环境中大大改进2冲程和4冲程柴油机工作效率的方法。在示例性实施例中，排气流被引入氧化硅、氧化铝或氧化硅和氧化铝混合物的床体。通过尚未完全理解的机理，人们发现，该不对其添加任何特殊催化剂的氧化硅和/或氧化铝微粒的床体能产生高反应大气，该大气能够消除否则就会存在于排气中的甲烷、其它碳氢化合物、含烟灰炭黑和一氧化 碳。烟灰的消除防止了不完全阀门座合和燃油渗漏。当在富含甲烷的环境中运行时，该新的科学过程能够降低所不希望的外部和内部发动机爆炸的危险。 
在说明书和所附权利要求书中使用的术语“消除(动词)”或“消除(名词)”是指将较大的有机分子大概通过碳-碳键的催化断裂而破裂成较小的有机分子。这些术语还指在气化和氧化过程中任何其它分子键的分裂。该术语还包括有机气体或微粒完全氧化成二氧化碳、水、和/或其它氧化产物的氧化。它还包括其中CO、CO2、碳和碳氢化合物(包括环境甲烷气体)转化成其它污染较轻的物质的反应。 
术语“清洁(动词)”和“清洁(名词)”与术语“消除(动词)”和“消除(名词)”同义，但还包括将污染更重物质转化成污染较轻的产物的过程。因此“清洁(动词)”和“清洁(名词)”应当指未燃烧碳氢化合物(包括甲烷气体)、微粒碳、烟灰、油物质等的消除，以及任何可测得的减少，以及诸如CO、CO2、NOX和SO2之类的气体转化成污染较轻的物质的转化。同时CO2不是与CO、NOX和SO2和含碳燃油的不完全燃烧产物相同形式的“污染物”，它被认为是一种引起全球变暖的温室气体。因此，排气流中CO2浓度的任何降低，无论是否产生氧，都构成“清洁”。 
术语“高反应环境”和“反应燃烧环境”应当指反应腔、以及与反应腔相连通的周围区域、导管、和发动机汽缸内的条件，其包括足够高浓度的高反应羟基、作为气体等离子体的超临界水和/或其它反应分子片断、自由基、或能够降解和清洁的由含碳燃油燃烧产生的废气流的物质。 
术语“活化(动词)”和“活化的”应当指氧化硅和/或氧化铝微粒能够产生能够降解和清洁由含碳燃油燃烧产生的废气流的“降解大气”。据显示氧化硅的“活化(名词)”在内燃机内柴油燃烧产生的废气气体存在时约600℃以下、低至30℃的各种温度下发生。在一例子中最高温度达1125℃。 
说明书和所附权利要求书中使用的术语“不完全燃烧产物”，应当指在采用包括柴油在内的含碳燃油的燃烧或其它迅速或不完全氧化过程中形成的未完全氧化的反应产物。不完全燃烧产物可由例如气体、固体颗粒、液体、或它们的混合物组成。不完全燃烧产物通常包括烟灰炭黑、未燃烧的碳氢化合物(无论是颗粒或蒸气形式)、甲烷气体、一氧化碳、氢气等。术语“烟灰炭黑”是 术语“不完全燃烧产物”的子集，且包括未燃烧的且残余的含碳颗粒和碳氢化合物颗粒。 
术语“含碳燃油”应当理解为指可烧尽或燃烧以通常是热、光或其组合形式产生或释放能量的任何有机物质。术语“化石燃料”是“含碳燃油”的子集，且包括煤、油、天然气、煤的衍生物、天然气和油等。 
术语“工作温度”应指由氧化硅和/或氧化铝产生羟基和/或其它自由基、分子碎片或能够清洁含碳燃油燃烧产生的排气流的反应物质的温度。目前认为工作温度的范围从低至30℃至或许高达约1125℃，尽管也不排除较高的温度，只要发现它们可以产生必需的反应燃烧大气。 
术语“转化器”应广泛地解释成包括任何能够将氧化硅和/或氧化铝保持在其中并提供形成羟基和/或其它反应片断或物质的反应燃烧大气形成的适当条件的装置。 
术语“相互作用(动词)”和“相互作用(名词)”在通过水分和氧化硅或氧化铝相互作用形成羟基的上下文中，应包括任何化学反应，包括水蒸气和氧化硅或氧化铝之间的表面反应，通过该反应在工作温度内产生羟基。 
术语“相互作用(动词)”、“相互作用(动名词)”和“相互作用(名词)”在通过羟基清洁废气气体的上下文中，应包括诸如烟灰、碳氢化合物、CO、以及油物质之类的污染成分至少部分破裂或消除以产生包含污染较轻的废气流的任何化学反应。它也应指涉及将二氧化碳消除或转化成其它含碳化合物或物质的化学反应，以及将氧化氮或其它污染物转化成污染较轻的物质的化学反应。 
现参见图1，其示出了尤其当在富含甲烷环境中运行时，适于用于消除或减少柴油机通常产生和排出的污染物的清洁系统10的实施例。柴油机12可以是2冲程或4冲程发动机。清洁系统10用于清洁或以其它方式消除或减少柴油机通常产生的不完全燃烧产物。该过程可以是补救性的和/或预防性的。如果是补救性的，该过程在某些方面类似于常规转化器催化转化器提供的那些，但是不需要昂贵的诸如钯、铂等的金属催化剂。如果是预防性的，该过程更像用作消除或减少污染物形成的燃烧效率促进器。 
典型的柴油机12包括进气口14、燃烧室16、和排气通道18。进气口14 可包括火焰消除器，用于防止外部爆炸通过进气口进入燃烧室。燃烧室16可以是2冲程、或者4冲程系统。在2冲程系统中，燃烧室在单个冲程中既清扫排气又充注新鲜的空气燃油混合物。因此在2冲程系统，每个下冲程都发生燃烧。在4冲程系统中，每隔活塞的一个上冲程就排出排气、燃烧室充注燃油空气混合物、压缩燃油空气混合物、以及燃油/空气混合物。 
涡轮增压器20构造成压缩引入燃烧室16的空气。压缩燃油空气混合物22增加柴油机12的效率，因为它给予发动机12更多马力而不显著增加发动机的重量。涡轮增压器20还显著地有利于2冲程发动机，因为它可执行引入新鲜空气的功能，而不需要活塞将空气吸入腔体。涡轮增压器20通常构造成与排气通道18相通，使得排气气体(包括未燃烧的渗漏)的流动可提供用于驱动涡轮增压器的力。 
排放物24从燃烧室16排入排气通道18。在图1中，排气通道18显示为提供将排放物24引入转化器26的连续管道。但是，可采用将排放物24引入转化器26的任何适当装置。当不采用本发明的转化器26时，大部分排放物24典型地包括惰性的氮气体、二氧化碳、水分以及一些氧气。但是，非理想的燃油空气比、不完全混合、加速过程中固有的无效率、或者其它原因，可导致柴油不完全燃烧。于是，柴油机12就产生大量不完全燃烧产物、非常显著的烟灰炭黑、未燃烧颗粒和气体碳氢化合物、以及一氧化碳。这种不完全燃烧产物通常是可见的，尤其是在柴油驱动车辆的加速阶段。 
不完全燃烧产物在富含甲烷环境中尤为麻烦，因为甲烷是可燃的且可扰乱或改变燃油空气混合物中所要求的燃油空气比。随着热排气气体中不完全燃烧产物浓度的升高，爆炸的危险升高，特别是因为热气体一旦从柴油机中排出即与富含甲烷的环境混合。由烟灰形成产生的白热沉积物、不正确的阀门座合、以及渗漏都可能引起空气燃油混合物中的甲烷爆炸。 
排放物24通过一个或多个扩散管28被引入转化器26。扩散管28包括管28在其周围分布的多个孔和通道，其使排放物24能在整个转化器26中形成所要求的分配模式。排放物24更具体地说遍布转化器6中作为扩散气体32的催化反应微粒30而扩散。催化反应微粒30主要由氧化硅、氧化铝、或其混合物组成。术语“主要由...组成”应当理解为催化反应微粒主要由氧化硅、氧 化铝、或其混合物组成，但它们也包括诸如通常在氧化硅和/或氧化铝中会发现的金属和灰之类的少量杂质。转化器26利用氧化硅和/或氧化铝微粒的床体作为反应燃烧大气的“引发剂”，其在燃烧点是活化的。人们认为，包含消除污染物的有益反应在燃烧点发生，且转化器26变成仅是用于来自发动机的清洁排放物的一管道。 
图2是示意性示出柴油机50和催化反应氧化硅微粒床体52之间的排气气体和羟基运动的盒状图。更具体地说，由柴油机产生的排气气体54排出排气歧管，并通过排气管道通入氧化硅床体52。排气气体54和氧化硅床体52之间的相互作用产生包括高反应羟基56的高反应大气。羟基56非常活跃并向各个方向运动，包括通过排气管道和歧管向后朝向柴油机，它们在那里进入汽缸。人们认为，羟基56在汽缸内形成作为气体等离子体的超临界水，其大大地增加了发动机的效率，消除了烟灰和燃油渗漏，并降低了顶部燃烧温度。结果是，与常规柴油机相比，产生单相的排放物且大大降低了排气温度。 
图3是示出了包括在根据本发明柴油机清洁系统中所涉及各步骤和反应的序列100的流程图。在第一步102中，排气气体与氧化硅和/或氧化铝相互作用形成羟基。在第二步104中，一部分羟基朝向柴油机的排气歧管行进。在第三步106中，羟基进入汽缸。在第四步108，羟基在高温高压下形成超临界水。在第五步110中，超临界水与燃油空气混合物相互作用以极大地提高燃烧效率，消除烟灰和燃油渗漏，并降低到燃烧温度。 
人们认为，当在存在柴油机产生的排气气体的情况被适当地活化时，氧化硅和/或氧化铝产生高反应的羟基，并可能产生其它反应物质或分子片断，它们能够消除和清洁由含碳燃油燃烧产生的废气流中所存在的各种污染物。令人惊讶地是，人们已经观察，使用了20年的柴油机排气阀口和阀腔内烟灰和油物质被补救过来了，还防止了新的烟灰或油沉积物。该观察结果表明，可能反应大气以某种方式防止燃烧过程中烟灰和油物质的形成，其效果是预防性的而不是补救性的。有些证据表明超临界水可能在减少或消除燃烧室内污染物的形成中起到一定的作用。 
本发明的反应还降低了排气温度。然而，通常规格是消声器处的温度约500℃，从氧化硅催化床体排放的排气温度低至30℃(即，足够冷以致在一例子 中可用涂蜡杯子收集水分)。一般而言，排出转化器、或者催化腔的排气气体基本上低于500℃，通常低于200℃，常常低于100℃，且有时低至30℃。 
然而，人们认为氧化硅和/或氧化铝是形成包括丰富羟基反应大气的原因，使得不再需要诸如钯和铂之类的昂贵催化剂，只要氧化硅和/或氧化铝是“活化的”并能够产生反应大气，包含这种材料的情况也落入本发明的范围之内。但是，所有的反应，包括排放物的所有清洁，似乎在燃烧位置的上游或附近发生。 
一般而言，目前认为“工作温度”(即，催化微粒能够产生高反应羟基、超临界水和/或其它反应物质的反应大气的温度)可低至约30℃并高至约1125℃，较佳地在约50℃至约500℃范围内，更佳地在约75℃至约450℃范围内，且最佳地在约100℃至约400℃范围内。 
根据本发明的方法，柴油机在富含甲烷的环境或富含甲烷的空气中运转。富含甲烷的空气通常具有以富含甲烷空气的体积计的至少约1％的甲烷含量，更可能至少约5％，甚至更可能至少约8％，且最可能至少约12％。众所周知高甲烷浓度出现在诸如煤矿之类的某些场所。存在于煤粒中的甲烷气体沥滤入矿井轴中并与空气混合以产生富含甲烷的环境。富含甲烷的环境可从矿井延伸到诸如靠近矿井入口的周围区域。因而，矿井附近的地方可能会具有较高水平的甲烷。还可在除了矿井之外的其它场所发现富含甲烷的环境。例如，油和气勘探和开采地点可能会产生富含甲烷环境的操作条件。 
本发明的方法可用于采矿或其它需要柴油机并在富含甲烷环境中运转的设备。本发明的方法可用于诸如人员运输机、洞顶锚栓、移动顶支撑件、脱气钻、装载机、自动倾卸卡车等之类的柴油驱动采煤机械。 
转化器26可设计成各种形状和大小，以适合所要使用的柴油驱动机械的特定大小和形状。申请人的美国专利第6,235,247号(其全文援引于此以供参考)教授修改转化器的形状和大小以使其用于柴油驱动卡车。诸如人员运输机之类的一些采矿装备，稍短一些，且可受益于较宽和较短的转化器。本技术领域的的技术人员会认识到可进行修改以产生其它大小和形状以适应可能在富含甲烷环境中使用的各种类型的机械。 
本发明的系统和方法降低了柴油机内和附近爆炸的危险。本发明的方法降 低了排气附近爆炸的危险，因为不完全燃烧产物和甲烷在它们排入周围环境之前已被氧化。这主要是减少或消除不完全阀门座合和燃油空气渗漏的结果，这又降低了顶部燃烧温度。 
由于未完全理解的原因，本发明的方法还降低了高甲烷浓度由于甲烷的更具爆炸性的性质而引起发动机爆炸的可能性。一种理论是反应腔内形成的羟基能够向上游行进到发动机汽缸，在那里它们迅速氧化碳氢化合物、烟灰和其它杂质，因此减少可干扰阀门的座合的颗粒的形成。通过降低烟灰对阀门正确座合的干扰，增加了燃烧压力并由此提高了效率。此外，改进的阀门座合和柴油发动机的效率降低了由于预点火产生的发动机爆炸的危险。 
本发明的方法有效地并廉价地消除了或至少相当大程度地减少了在矿井和其它富含甲烷环境中或附近运行的柴油机产生的未燃烧或部分燃烧的燃烧产物的量。这样做，本发明保护了人们免受柴油机内产生的有害污染物的影响。此外，本发明的方法可改善某些机械的排放物以符合在诸如矿井之类富含甲烷的运行机械的政府规章。 
实例1
与图1所示的一个类似且其包括氧化硅作为催化反应介质的转化器适于用于柴油机。用于该试验的柴油机是2冲程公共汽车发动机。转化器连接到发动机排气且富含甲烷的空气通过发动机进气口引入发动机。富含甲烷空气浓度在1％体积至15％体积范围。该试验通过将甲烷浓度设置到1％并运行柴油机40秒进行的。随着每个增加步骤40秒的测试运行，甲烷浓度逐渐增加到15％体积。 
通过通到转化器下侧的管道在约200℃至约370℃范围的温度下将排气气体引入转化器。此外，构造成并设置成对未处理排气气体以及已处理排气气体进行采样的一系列管道与各种分析设备接口连接，以测试排气气体中废产物的水平。 
为了建立所进行的催化氧化量的基准，随着甲烷浓度从1％增加到15％以不同的间隔采集未处理气体和已处理气体的样品。在排气流中发现不完全燃烧产物的显著减少。 
该试验的结果显示出烟灰炭黑、一氧化碳和氧化氮水平的显著下降。这说明氧化硅微粒被催化反应，因为仅仅使排气气流通过惰性床体不会被预计引起这里所发现的任何不完全燃烧产物的进一步氧化。不完全燃烧产物氧化的速率和程度的显著增加强有力地显示了转化器相对于废气气体的催化能力。 
此外，转化器看来有效地保护柴油机免于内部爆炸。通常超过15％体积的进气口甲烷浓度可引起发动机提前点火或爆炸。本发明在这种条件下运行而不爆炸或爆震表明了本发明在防止内部爆炸的有效性。 
总之，本发明提供了可有效地并廉价地消除或至少相当大程度地减少在富含甲烷环境中的柴油机产生的未燃烧或部分燃烧的燃烧产物的量。本发明的方法出乎意料地降低了在富含甲烷环境中柴油机内燃烧的含碳燃油的内部和外部爆炸倾向。此外，本发明的方法将在富含甲烷环境中运行的柴油机的污染排放物水平控制到在矿井中或其它高富含甲烷环境中运行柴油机的可接受标准之内。 
实例2
对装有Caterpillar 3406A 380马力的柴油机的1981 Freightliner卡车在超过890,000英里上进行测试。在测试中用坏了三套OEM活塞环，从曲轴箱喷出5加仑油进入汽缸。尽管功率降到250马力，发动机仍然保持运行。没有渗漏且没有阀门的咔嗒作响。当拆开发动机时，第三环完全损坏且另外两个漏油。分析了曲轴箱油且显示没有污染。对运动部件没有任何损坏。排气中没有发现烟灰或油，表示包括氧化硅床体的催化转化器活跃地产生羟基，其清洁了5加仑的曲轴箱油，好像它是真的燃油。 
在100％负载下的排气温度比在相同负载因素下没有转化器的常规工作温度下降了31％。每次达到100％负载均重复这样的结果。在全负载下燃油效率增加30％。 
此后，拆除排气系统以进行检查。见证了该事件的来自Caterpillar的一名技工难以相信890,000英里之后，涡轮机还是初始和原来状态，因为它们看起来是那么干净。技工移除了涡轮增压器来检查涡轮的叶片。它们完全没有任何的烟灰残留。这进一步证明了羟基消除了来自氧化硅床体上游的烟灰。稍后发 现它们确实达到了燃烧点。据进行拆除的技工报告，所有的部件都是原始装备，没有任何迹象显示发动机曾被检修或者重建过。 
实例3
先前援引于此以供参考的2002年8月13日提交的美国申请第10/218,377号所示或描述的任何装置，通过将其放到诸如矿井、尤其是煤矿的富含甲烷的环境中进行改造，以产生与不具有根据本发明的催化系统的装置相比在富含甲烷的环境中更安全地运行的装置。 
本发明可以其它具体形式来实现而不偏离其精神或本质特征。所述实施例在各方面都被认为仅为示例性而非限制性的。因此本发明的范围是由所附权利要求书而非前述说明书来指出的。在权利要求书意义和范围内的所有变化都包含在其范围内。 

Claims (22)

1.一种用于运行柴油机的方法，该柴油机具有单相排放物且基本上完全地燃烧，所述方法包括：
(a)运行柴油机来产生排气流；
(b)通过借助于排气通道将所述排气流输入包含主要由氧化硅、羟碳铈矿或氧化铝微粒中至少一种组成的微粒床体的催化腔而形成羟基；
(c)将所述羟基通过所述排气通道通回到所述柴油机；
(d)在所述柴油机汽缸内由羟基形成作为气体等离子体的超临界水；以及
(e)使所述汽缸内形成的超临界水与汽缸内的燃油和空气相互作用，以提高所述柴油机的燃烧效率并基本上消除烟灰排放。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述超临界水与汽缸内的燃油和空气相互作用过程中，有了完全的阀门座合，增加了发动机压缩，并消除了燃油渗漏、咔嗒噪音、一氧化碳、甲醛、乙醛、甲烷、高达99.999％的硫、高达99％的碳氢化合物、高达80％的CO2、NOx、或来自排气的火花中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，排出所述催化腔内的排气气体的温度低于200℃。
4.一种系统，包括实施如权利要求1所述方法的装置。
5.一种用于在富含甲烷气体的环境中安全运行柴油机以降低甲烷引发的爆炸的方法，包括：
提供具有进气口和排气口的柴油机；
将包含大于约1％体积甲烷的富含甲烷的空气通过所述进气口引入所述柴油机，并将所述富含甲烷气体的空气与柴油混合以产生空气燃油混合物；
由所述柴油机燃烧所述空气燃油混合物以形成排气气体；
通过使所述排气气体与主要由氧化硅、羟碳铈矿或氧化铝中的至少一种组成的微粒相互作用而在燃烧点产生包括羟基和超临界水的反应大气；以及
使得或允许所述反应大气的至少一部分移到燃烧发生的地方或附近，以基本上消除发动机阀座上的烟灰沉积物，由此使发动机阀门能完全座合并防止所述柴油机运行过程中由于空气燃油混合物中富含甲烷的空气或富含甲烷空气中甲烷的爆炸对所述柴油机的损坏中的至少一种。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括用如下的方式运行柴油机，即所述阀座上的烟灰沉积物的基本上消除基本上防止所述柴油机燃烧过程中的空气燃油渗漏。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括用如下的方式运行柴油机，即所述阀座上的烟灰沉积物的基本上消除和空气燃油渗漏基本上防止，产生了所述柴油机的单相燃烧。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述柴油机是2冲程柴油机。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述柴油机是4冲程柴油机。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述富含甲烷气体包含至少5％体积的甲烷。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述富含甲烷气体的空气包含至少8％体积的甲烷。
12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述富含甲烷气体的空气包含至少12％体积的甲烷。
13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述富含甲烷气体的空气由煤层产生。
14.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应大气通过使所述排气气体通过保持在30℃至600℃范围内的工作温度下的所述氧化硅或氧化铝微粒床体而产生。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述床体保持在50℃至500℃范围内的工作温度下。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述床体保持在75℃至450℃范围内的工作温度下。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述床体保持在100℃至400℃范围内的工作温度下。
18.一种用于在富含甲烷环境中安全运行柴油机的系统，包括用于实施如权利要求5所述方法的装置。
19.一种用于在富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法，包括：
提供具有进气口和排气口的柴油机，所述柴油机构造成驱动一个采矿设备；
将包含大于约1％体积甲烷的来自矿井的富含甲烷的空气通过所述进气口引入所述柴油机，并将空气混合物与柴油混合以产生空气燃油混合物；
由所述柴油机燃烧所述空气燃油混合物以形成排气产物；
提供主要由氧化硅或氧化铝微粒组成的微粒床体；以及
将由所述柴油机产生的所述排气产物引入所述床体，以使所述微粒接触或靠近所述排气产物，以在燃烧点产生用于催化消除至少一部分甲烷的包括羟基和超临界水的反应大气。
20.一种用于在富含甲烷的环境中安全运行柴油机的系统，包括用于实施如权利要求19所述方法的装置。
21.一种用于在富含甲烷的环境中安全运行柴油机的方法，包括：
在包含至少1％体积甲烷的富含甲烷的环境中运行柴油机；
由所述柴油机产生排气气体；
用于产生包括羟基和超临界水的高反应大气的步骤，所述步骤包括使用主要由氧化硅、羟碳铈矿或氧化铝微粒中至少一种组成的微粒；以及
用于防止所述柴油机的运行过程中由于富含甲烷的空气或富含甲烷的空气的爆炸对所述柴油机的损坏中的至少一种的步骤。
22.一种用于在富含甲烷环境中安全运行柴油机的系统，包括用于实施如权利要求21所述方法的装置。
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