CN1053809A

CN1053809A - 高能液体组合燃料

Info

Publication number: CN1053809A
Application number: CN 90100548
Authority: CN
Inventors: 张慧书; 罗鸣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-08-14

Abstract

高能液体组合燃料，采用含碳少，含氢多，且可生物再生的资源甲醇、乙醇、丙酮等为基态液；从系统的氧、温平衡出发，添加高功能密度的硝酸铵，硝化纤维等高能剂以及降温剂，从而获得优化组份的本型新燃料。本发明可实用于现有的汽车，燃气轮机和柴油机，以及“高能发动机”，可代油50～80％，或不用油。同时经济效益优于汽油，功率可增大1～3倍。

Description

与本发明有关的技术现状：

近代交通工具是近代文明的基础之一，而使用化学燃料的内燃发动机，又是交通工具的心脏。但是人类迄今为止，在交通工具发动机中，又主要是使用化石燃料，如汽油，柴油等，这些化石燃料也存在着比较显著的缺点。

（1）储量有限，不能再生：

天燃气，石油和煤都是远古时代的生物沉积，是历史上遗留下来的能量储备，因此储量是有限的，而且不可能再生。例如全球煤的地质储量只有14-20万亿吨，石油只有3-4千亿吨（其中海底约1千亿吨），天燃气只有64×10¹²M³。而世界能源消耗却以每年5～6%速度增长，100年后的世界总能量，将超过目前水平的50～60倍，因此不少人预测，在21世纪，整个人类必须在能源结构上，出现质的重大突破，方才有可能从质和量两方面，充分地满足人类进步和发展的需要。

（2）环境污染严重：

化石燃料的主要成份是碳，是一种碳基燃料。例如每一公斤汽油中，含有0.855公斤碳。每一公斤柴油中含有0.87公斤碳。而每一公斤碳燃烧后，又将生成二氧化碳3.667公斤，或二氧化碳气体1.867米³。目前，地球大气中二氧化碳的含量比过去高23%，每年排放进入大气的二氧化碳达到50亿吨。这主要是全世界4亿辆汽车等设施，燃烧化石燃料的结果。这就使得大气层的“温室效应”更趋严重。在1988年多伦多国际大气会议上，会议声明也敦促各国尽快实施“保护大气层的行动计划”力争2050年，在全世界范围内，使化石燃料的使用减少20%，最终减少到50%。为了实现这个目标，就必须从系统的全局出发，另辟蹊径，从单因素最优匹配来选择组合燃料。这样，才能有经济的实用的，清洁而能再生的新型组合燃料问世。

（3）升功率不高：使用常规化石燃料的内燃机，其升功率甚低，限制升功率提高的主要因素是：被动给氧，热应力和机械应力，这三个因素中，前两个因素都和燃料的自然匹配构成有关。而自1860年兰诺发明第一台2.2千瓦煤气内燃机以来，内燃机燃料至今仍然基本上是自然生成的构成匹配在使用，这就从根本上约束了发动机给氧状况的有效改善。时然而言，也到了改变这种非优匹配的时候了。

内燃机的增压技术，作为一种主动供氧的手段，从1880年德国人开始研究以来，已经在相当一部分内燃机上，得到了推广应用。但作为外部条件的改善，其功率的提高，也颇为有限，至今不过获得功率提高20～40%其效果并不能令人满意。

对于热应力的问题，至今是采用增加非工作吸入（二冲程，四冲程机吸入冷空气），采用优质的特殊的耐热材料，如耐热合金，耐热陶瓷等结构材料来解决，但其效果也仍然不能令人满意。除增加成本，减少使用寿命以外，在燃汽轮机领域中充许燃气温度也只有1010℃，这个数值，显然不够，应当设法予以改变。

本发明的目的，就是为了解决以上的再生能源，清洁能源和匹配能源的问题，而提出的一种高功能液体组合燃料。它将使内燃机和内燃机燃料，在新的原理机制上，获得质的进步。进而建立一个崭新的比较完善的热力工程系统，从根本上改变化学发动机的落后状况。

本发明的内容是：

（一）燃料组合匹配的原理：

1、系统封闭原理：在考虑组合匹配方案时，首先要把整个燃烧反应过程，从时间和空间上都从外部环境中，暂时割裂分离出来，作为一个独立的，完整的，封闭系统来考查。在这系统内，应当是具备完成燃烧反应所必须的，充分的条件或潜在条件与外部分离出来。事物的任何发展和变化，内因总是主要的，决定性的。而外因则是次要的非决定性的，这就抓住了燃烧过程的主要矛盾，防止有关技术措施，出现舍本求未，甚至本未倒置的失误。

2、燃份优化原理：燃烧过程是一个氧化过程，可燃组份就是可被氧化组份。燃料中氧化组份的构成，是否优化，至关重要。一般说来，除周期表中的零族气体元素外，其余元素的绝大部分，都可以被氧化。但能够作为燃份考虑的，可用于内燃机实用的却并不多。因为对内燃机燃料的燃份构成元素，必须同时具备以下条件，方有价值：

（1）点火性能好：应能保证在内燃机和各种可能点火方式中，被及时而有效的点燃。

（2）发热量高：不能是吸热反应，同时尽可能有较高的反应释热。

（3）气体产物多：内燃机作功的工质，只能是气体，否则能量无载体传递，或载体太少，则释能虽多，作功却少。

（4）产物无毒，无害，尽量不污染或少污染环境，倘若产物有毒，有害或污染较大，均不应选用。

（5）固体残渣尽可能少。

（6）原料丰富，价廉。

迄今为止，基本符合以上要求的，并已经较长期使用的，主要是C，H两种燃份。这两种燃份的性质是存在着差异的，其对比如下

（1）点火性：碳基和氢基燃料的点火性能，出入不大。例如：（在标准大气压下，并无火焰移近时的自燃温度）

碳基燃料自燃点		氢基燃料自燃点
				煤干泥煤炭黑汽油煤油重油木炭	400℃280℃240℃～400℃230℃～260℃＞200℃240℃350℃	氢氨甲烷乙烷甲醇乙醇甘油	510℃651℃645℃530℃430℃400℃343℃

可见，碳基燃料的自燃点，比氢基燃料略低。但对于使用电火花，电热塞等电点火结构的内燃机来说，氢基燃料的燃点也是足以保证正常点火的。实践中使用的火花塞，点火高电压达到1～1.5万伏，晶体管点火的高电压更达到2～3万伏，电极附近的瞬间高温甚至可达到20000℃。因此，这两种燃份的点火实用性能，并无使用上的重大差别。

（2）发热量：仍然以碳，氢两种燃份作比较。

碳燃份：化学反应式为C+O₂＝CO₂+407000.KJ或C+ 1/2 O₂＝+124000.KJ，其单位质量的发热量为33900.KJ/kg或10340KJ/kg

氢燃份：反应式为H₂+ 1/2 O₂＝H₂O（液）+286700.KJ或H₂+ 1/2 O₂＝H₂O（汽）+241700KJ，其单位质量的发热量为143500KJ/kg（高热值），或120900.KJ/kg（低热值）。

由以上对比可知，无论就其克分子发热量，或单位质量发热量而言，氢燃份都比碳燃份优越，所以，组合高能燃料，应当选择氢基燃份为主。

（3）气体产物：内燃机的工作原理和机械结构，决定了它的工作介质，只能是气体。功能传递转换，通过气态工质才能够实现。所以，燃烧后气体生成物的多少，是决定压强高低，功能转换效率的基本因素之一。碳、氢两种燃份的气体产物对比是：

碳燃份：产物是CO₂时，每1公斤碳可生成达3.677kg（1.867m³）的气态物。

产物是CO时，每1公斤碳只生成为2.333kg（1.867m³）的气态工质。

氢燃份：产物是H₂O（汽），每1公斤氢，可生成9kg（11.2m³）的气态工质。

即在相等质量的条件下，氢燃份的气态工质，重量是碳燃份的2.45倍，体积是碳燃份的≈6倍。显然，在组合燃料中，应当选择氢基燃份为主。

（4）环境污染：燃份燃烧后，其燃烧产物直接决定其对环境的污染程度。具体情况是：碳燃份燃烧后的产物是CO₂，CO。前者破坏大气层的合理结构，产生日趋严重的“温室效应”。后者本身就是对人类有毒的气体，所以碳基燃料使用得越多，人类赖以生存的环境，就被破坏得越严重。反之，氢基燃份的产物，就只是水，而水又是生命存在的物质基础，氢基燃料使用得越多，地球的淡水资源就越丰富，不但无害，反而有益，多多益善，对比之下，从对环境的有害或有利出发，还是以氢基燃份为宜。

（5）固体残渣：碳基燃料在负氧平衡条件下燃烧，将会产生单质碳（碳黑）微粒，造成设备和环境污染。氢基燃份在负氧平衡下燃烧，则在从机内排出后，仍然是气体，不会出现固体残渣。这一点特别是对活塞式内燃机，更有重要的意义。

（6）原料来源和再生：碳基燃料，不管是石油煤炭或天然气，都是古代生物炭化而形成，其来源终尽将会枯竭，也难以再生。但是氢基燃料中，若干种均可取材于现存生物物质中，应用化学的，物理的，生物的技术方法，获得实用型的燃料，故其来源将不致枯竭，同时可不断地再生，这就使人类的能源建立在最为丰富的物质基础上，并掌握其数量多少，质量高低的主动操纵权。

综上所述，燃份优化的结论就是：由碳基燃料向氢基燃料过渡，最终剔除碳基燃份。

3、自氧平衡原理：首先，为了使燃份在燃烧过程中，能够充分、完全的氧化燃烧，才能达到完全地释放出热能的目的，所以必须满足有足够氧气供应的条件。其次，为了提高功能转变的效率，就必须提高燃烧速度（释能和能量转移的速度），而燃烧速度获得提高的基本条件，就是在该燃烧反应系统内，满足自氧平衡的匹配组合，这应该是燃料配比选择的基本标准之一。在近代发动机的工程实践中，人们已经采用各种机械增压方式，来解决燃烧系统的自氧平衡问题，但可惜其效果至今甚微，未能从根本上达到目的，必须另辟蹊径。

4、低温内能平衡原理：发动机升功率的提高，在很大程度上，受到热应力的限制。实践中，汽油机的燃烧最高温度达到1800～2200K，柴油机达到2200～2800K，但是从发动机的工作原理来看，高温工况，并非唯一的必需条件：按照活塞式发动机有效功率的计算公式：

We＝ (Pe·Vn·i·n)/(30·τ) ×10^-3，KW……（1）

式中We-发动机的标定有效功率（KW）

Pe-气缸内的平均有效压强（Pa）

Vh-单个气缸的工作容积（L）

i-发动机的气缸数

n-发动机曲轴转速（r/min）

τ-工作冲程数。

由第（1）式可知，为达到提高发动机有效功率的目的，可以从提高压强，加大气缸容积，增加气缸数，提高转速，以及减少工作冲程数这五个因素入手，而与汽缸内的工作温度，并无直接的联系。

至于发动机的升功率则按下式计算：

W_L＝ (Pe·n)/(30·τ) ×10^-3，KW/L……（2）

式中W_L-发动机的有效升功率（KW/L）

可见欲提高升功率，也仅和有效平均压强Pe、工作转速n，工作冲程数τ，才有关。同样与气缸内的工作温度没有直接联系。

扣除冲程数这个机械结构因子，那末，决定升功率大小的，就只剩下Pe和n两个因素。显而易见，在保持和提高Pe和n的条件下，尽可能地降低气缸的最高工作温度，从理论上看是完全可行的，而这就使燃料组合匹配方案，可以按照高压低温的目标，来进行设计，尽可能地在热力系统内部，以放热-吸热的分子热力学平衡工况，来达到从根本上改善发动机热应力状况的目的。

现在使用的汽油机最高工作压强只有2940～4900KPa，柴油机的最高工作压强只有5880～8830KPa，而工程实践中，已有大批压强达到2646×10⁵Pa～2880×10⁵Pa的热力系统经过实际使用，所以在不提高或降低工作温度的条件下，大幅度地提高工作压强。这也是组合匹配选择燃料的基本原则之一。

5、经济而再生的原理：作为商品的燃料、欲在社会领域中，获得承认和推广，就必须具有良好的经济性和能够再生循环的特性，方才具有广泛而久远的生存力，在设计组合匹配方时，这一点是应该首先考虑到的因素之一。

（二）高能液体燃料的组合方案：

1、组合匹配的原则：人类今后使用的化学燃料，应该不是自然匹配，而是按需要目的而人工设计，制造的优化匹配。“能动地认识和改造世界”。是人类的基本特征和基本实践，发动机燃料也应属于被认识，被改造的事物之一。跳出燃料构成的自然匹配的束缚，是本发明的基本指导思想。

综前所述，燃料匹配的设计原则就是：

四项原理：系统封闭性，燃份优化性，氧平衡性，热平衡性。

六项要求：点火易，功量高，气体多，污染少，残渣少，原料丰。

高能燃料如专利申请号“89100099.2”“高能内燃发动机”中所说，可以是固体（块状、粒状、粉状），液体（浆状、乳状、澄清状）或气体。在本发明中，则必须是液体，这也是在本匹配系列中的基本要求之一。

2、基态燃料液的组合：为了保证组合燃料的液体物理态，首先必须仔细优选基态液。根据使用的综合要求，可以选用以下几种基态液体：

“甲-1”甲醇、CH₄O，分子量 32.043

“甲-2”乙醇、C₂H₆O，分子量 46.05

“甲-3”丙酮、C₃H₆O，分子量 58.05

“甲-4”硝基甲烷、CH₃NO₂，分子量 61.035

“甲-5”苯、C₆H₆，分子量 78.05

“甲-6”汽油

“甲-7”柴油

在以上7种基态液中，可以单一用，也可以两种或两种以上组合使用。而且其中“甲-1～-5”均可以由生物资源的循环再生中获取。

3、高能剂的组合：为了使组合燃料的燃烧，获得较高的，预期的功量密度，在总能量不增或少增的条件下，得到较大的工作压强，添加高能物是必要的。根据需要，可以选用下列几种高能添加物：

“乙-1”硝酸铵，NH₄NO₃，分子量 80.04

“乙-2”硝化纤维，〔C₆H₇O₂（ONO₂）₃〕_n分子量182.14

“乙-3”硝化甘油，C₃H₅（ONO₂）₃，分子量 227.09

“乙-4”三硝基甲苯，（T.N.T），C₇H₆O₄N₂

分子量 182.14

4、氧化剂的组合：在前述基态燃料液中，如果醇含氧量为50%，乙醇含氧为34.78%，丙酮含氧为29%，硝基甲烷为52%。在前述高能物质中，硝酸铵含氧为60%，硝化纤维含氧为59.2%，硝化甘油含氧为67.7%，三硝基甲苯含氧为35.1%，它们最少含氧占29%，最多达到67.7%，如果用于现在使用的汽油发动机或柴油机发动机，因已设置有进气装置，所差氧气的32.3～71%由进气冲程中输入的空气氧份来解决。对于需要零氧平衡以上的组合燃料或补氧组合燃料时则可掺加氧化剂来解决。可以选用以下几种氧化剂：

“丙-1”四硝基甲烷，CO₈N₄，分子量 196.04 含氧为65.3%，余氧可达57.1%～48.9%。

“丙-2”三硝基甲烷，CHO₆N₃，分子量为 151.04含氧为63.5%，余氧可达47.6%～37%。

“丙-3”过氧化氢，H₂O₂，分子量 34.01，余氧为47.%。

“丙-4”硝酸钙，Ca（NO₃）₂·4H₂O，分子量236.15余氧为40.6%

同时在前述高功能添加剂中，如硝酸铵（可提供余氧10%），硝化纤维（可提供最大余氧40.3%），硝化甘油（可提供最大余氧24.7%）都可以作为氧化剂来使用。

5、热平衡剂的组合：从系统热平衡和资源价廉的角度出发，确定用水（H₂O）作为燃烧系统的热平衡剂，因为水的汽化热颇大，为汽油的6.17倍，乙醇的2.8倍，CO₂气体的2095倍。计算表明10克水的汽化热足以使1公斤的CO₂和H₂O汽各占一半的混合气体，降温达14.69℃，其平衡效果很显著。高能液体燃料的试用情况证明，在不加水时，发动机温度比添加水比较要高得多。同时用水还有防爆剂的作用，按照爆炸的热点理论，燃料的热容量越大，爆炸临界温度就越高，爆炸的分枝链式反应就越不易形成。试用情况证明，在高能液体燃料以胶体乳液状态使用时，即使有颗粒微爆产生，也不会出现整体爆轰现象，这给燃料的生产，运输、保管、使用都大大增加了其安全性。

6、物理改性剂的组合：为了满足发动机的种类、用途、及其他要求，在高能液体燃料中，常需添加物理改性剂，以达到助溶、乳化、中和、增燃、

出等目的。如肥皂、太古油、乳化剂ABSCa，乳化剂BP，乳化剂EL，丙酮（甲-3），苯（甲-5）等，按具体使用环境加入。以“丁剂”代号之。

7、组合配比：

（1）组合通式：甲剂∶乙剂∶丙剂∶丁剂∶水＝（40～90）∶（2～14）∶（0～53）∶（0～10）∶（0～8）

（2）节油通用组合之例：

“S2-101^＃，〔（甲-1）+（甲-6）〕∶（乙-1）∶0∶丁剂∶水＝〔51+20〕∶4∶0∶24∶1

用途：汽油机和汽车。代替汽油约80%。

“S2-102^＃，（甲-6）∶（乙-1）∶0∶丁剂∶水＝84∶7∶0∶7∶2

用途：用于汽油机和汽车。同等负载条件下节油50%左右。

“S2-103^＃，（甲-7）∶（乙-1）∶0∶丁剂∶水＝84∶7∶0∶7∶2

用途：用于柴油发动机，同等负载条件下节油50%左右。

“S2-104^＃，〔（甲-1）+（甲-7）〕∶（乙-1）∶0∶丁剂∶水＝（30+40）∶4∶0∶26∶2

用途：用于柴油机。代替柴油60%。

（3）无油专用组合之例：

“S2-201^＃，（甲-1）∶（乙-1）∶0∶丁剂∶2＝83∶7∶0∶8∶2

用途：用于专用的甲醇发动机。耗燃料率可降低50%。

“S2-202^＃，（甲-2）∶（乙-2）∶0∶丁剂∶水＝81∶7∶0∶10∶2

用途：用于专制的乙醇发动机。耗燃料率可降低50%。

（4）全氧平衡组合之例：

“S2-301^＃，（甲-2）∶（乙-1）∶（丙-3）∶丁剂∶水＝（15.6）∶（27.1）∶（57.3）∶（另加3）∶（另加3）

“S2-302^＃，（甲-1）∶（乙-1）∶（丙-3）∶丁剂∶水＝（17.6）∶（44.14）∶（38.26）∶（另加5）∶（另加2）

用途：用于专用燃气轮机和缺氧发动机。

本发明的积极效果：

1、系统地开始了化学燃料，由自然组合向人工优化组合的转变，在燃料技术发展史上，具有崭新的意义。按照这个思路，人类将可获得一系列的优良化学燃料。

2、实现了能源的生物资源再生性封闭循环：在本发明中，绝大多数的组份，如甲醇（木精），乙醇（酒精），丙酮，硝基甲烷，硝化纤维，硝化甘油，T.N.T，硝酸铵，硝酸钙等，都可以全部或部份地从生物资源的利用和加工中获得，这就使人类使用的化学能源，有了一个现实的，无尽的来源，为21世纪的新能源开辟了通道。

3、使高功能燃料能够获得并应用：由于本发明的高功能物质的加入，就可获得很大功量密度的燃料，并在已有发动机领域不加改动或稍加改动而应用，实践证明，可使发动机功率增加甚至1～3倍。还可以据此设制新型的高功能发动机。

4、减少环境污染：在本发明的各项组份中，大多数都是含碳少，而含氢多，这样就使燃烧产物中，CO₂生成数量大大减少，减轻地球的温室效应。

实现本发明的方式，是比较简单的，只需把各种组份，加以物理性的混合即可得到成品，在混合过程中不发生化学反应。在现在使用的汽车发动机中，若使用节油通用组合配方，可不必改变发动机，也是很方便的，实际试用结果也证明确有效。

发明人：张慧

1990年1月4日

Claims

“高能液体组合燃料”的专利权利要求是：

1、采用基态液，高能剂，氧平衡剂，改性剂，热平衡剂组合而成。

(1)基态液是甲醇(甲-1)，乙醇(甲-2)，丙酮(甲-3)，硝基甲烷(甲-4)，苯(甲-5)，汽油(甲-6)，柴油(甲-7)，

(2)高能剂是硝酸铵(乙-1)，硝化纤维(乙-2)，硝化甘油(乙-3)，三硝基甲苯(乙-4)。

(3)氧化剂是四硝基甲烷(丙-1)，三硝基甲烷(丙-2)，过氧化氢(丙-3)，硝酸钙(丙-4)。

(4)改性剂是肥皂，太古油，乳化剂ABSCa，乳化剂BP，乳化剂EL，丙酮(甲-3)，苯(甲-5)，统称“丁剂”。

(5)热平衡剂是水。

(6)组合通式为：甲剂∶乙剂∶丙剂∶丁剂∶水=(40～90)∶(2～14)∶(0～53)∶(0～10)∶(0～8)
2、根据权利要求1，节油组合之例是（甲-1）∶（甲-6）∶（乙-3）∶0∶丁剂∶水＝（54+20）∶2∶0∶24∶0。或（甲-6）∶（乙-3）∶0∶丁剂∶水＝84∶7∶0∶9∶0。或（甲-7）∶（乙-3）∶0∶丁剂∶水＝84∶7∶0∶9∶0。和（甲-1）∶（甲-7）∶（乙-3）∶0∶丁剂∶水＝（48+10）∶4∶0∶36∶2。
3、根据权利要求1，专用组合之例是（甲-1）∶（乙-1）∶0∶丁剂∶水＝83∶7∶0∶8∶2，和（甲-2）∶（乙-1）∶0∶丁剂∶水＝81∶7∶0∶10∶2。
4、根据权利要求1，无油通用组合之例是（甲-1）∶（乙-3）∶（甲-5）∶丁剂∶水＝（55）∶（2）∶（40）∶3∶0和（甲-2）∶（乙-3）∶（甲-5）∶丁∶水＝（55）∶（2）∶（40）∶3∶0。