CN105934501A - 改良的含碳浆液燃料 - Google Patents

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Abstract

一种应用于压缩点火或柴油型发动机的燃料，所述燃料包括悬浮在水性溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。还公开了所述燃料在柴油发动机中的应用。

Description

改良的含碳浆液燃料
技术领域
本发明涉及一种用于压缩点火或柴油型发动机的燃烧室的、含有悬浮在水溶剂中的碳微粒的燃料，以及该燃料在压缩点火或柴油型发动机中的应用。
背景技术
目前，用于柴油发动机中易燃燃料的直喷技术采用相对低粘度的燃料的单一流体压力雾化技术。这包括通过小孔(0.2-1mm)以高压(50-200MPa)将燃料泵入发动机中。这产生高的速度(通常为200-400m/s)，引起高速射流的分散和雾化。分散和雾化的发生受多个因素影响，包括离开喷射器喷嘴孔的液体流中的湍流，以及高速液体和燃烧室中充满的相对密集的压缩空气之间的相互作用。对于重质燃料油，在其进入发动机喷油泵之前，通过加热(高达165℃)将燃料速度控制在5-20mPa.s，降低移动流体所需要的能量。
一种替代技术是使用水煤浆燃料来替代柴油发动机中的重质燃料油，尤其是用于超过5MW规模的固定式发电以及用于大型航运。水煤浆燃料的流体性质与柴油和燃料油有很大的不同，尤其是水煤浆有更高浓度的剪切变稀(shear-thinning)的非牛顿粘度，并且煤颗粒和污染物矿物颗粒对低硬度钢是磨蚀性的，阻止了燃料对燃料系统的润滑。
这些燃料的生产、运输、储存和使用引起很多技术问题，这阻碍了燃料循环的商业化，尽管煤炭在成本和能源安全方面有显著的优势。
所要解决的运输和储存的技术问题包括水煤浆燃料沉淀并形成剪切增稠污泥(shear-thickening sludge)的趋势，这很难从储罐底部再活化，而是需要使用适当的设备搅拌和循环燃料，并同时使用添加剂。另外，水煤浆燃料喷射进入柴油发动机引起更严重的技术问题，这大部分是由于发动机中难以将燃料雾化。
尽管存在这些问题，但是水煤浆燃料已经在许多演示计划中在改造过的柴油发动机中成功演示：只要使用了加固的燃料系统部件，及燃料有足够低的粘度。在大量的实验和小规模的示范工作后，以前的研究者提出了用于被适当改进的柴油发动机的燃油规范：剪切速率为100/s时粘度低于500mPa.s，优选在剪切速率为约100/s至约1000/s时低于300mPa.s；灰分含量低于2wt％；粒度分布的最大尺寸为30μm。
煤炭负载被改变以达到粘度要求，并取决于加入到浆液中的分散剂的类型和数量将煤炭(烟煤)负载限制至最多45-50wt％，其中使用更有效的更多的分散剂使得煤炭负载达到约50wt％的同时在剪切速率为100/s时保持粘度规范低于500mPa.s。更高的粘度被认为是不合适的，因为之前的燃料喷射系统难以达到用于良好的雾化所需的有效粘度。对于低阶煤而言，最大的煤炭负载量非常低，即使在经受水热处理和其他处理后。
差的雾化已被证明能够会增加点火延迟，这增加预混燃烧的比例，及燃烧开始时在气缸中的速率和压力上升，导致不希望的热释放速率和用于避免机械故障的发动机降容(engine derating)。这部分是由于增加了的煤炭凝聚(在液滴干燥期间)导致相对较大的残炭的慢速/延迟的燃烧(不论开始时燃料的粒径分布)。后者也引起慢速燃烧，以及气缸壁被未燃烧的碳污染。由于雾化对可行的发动机运转是重要的，因此粘度已经被用作为一个关键的燃料性质，并在现有技术中设置煤炭负载的上限。
可用作直喷燃料的水煤浆通常会在一个范围的剪切速率内阻止剪切变稀，并散布在恒定粘度的范围。柴油发动机的水煤混合物的粘度通常被报道并指定在剪切速率为100/s或者有时候1000/s，尽管在非常高剪切的雾化过程中的有效粘度可能会较低。对于涉及压力雾化中的剪切速率，如200000/s左右，取决于混合物的流变特性，有效粘度可以比在100/s下测量的低2-5倍。
注意到的是，在雾化过程中表面张力也很重要。由于粘度已经被证实为是需要控制的更有效的参数，因此导致没有关于表面张力的现有规范。
同时也注意到的是，煤的水基浆料被用于锅炉和气化炉的商业用途，这些应用中的雾化远不如柴油发动机中繁重。这是由于用于燃烧/汽化过程的时间更长(在锅炉和气化炉为约1000ms，在发动机中为10至50ms)，这允许水煤浆的粘度比柴油发动机中常规使用的规范高2到3倍。
虽然上述现有技术的燃料规范已经在被适当改动过传统压力雾化设备的发动机上取得良好的表现，但是它存在对于燃料循环的成本和效率的制约。尤其是，粘度规范严格限制了最大的煤炭负载量，增加了昂贵的分散剂(例如聚苯乙烯磺酸，polystyrene sulphonate)的需求。水比例的增加降低了热效率同时增加了点火延迟。这降低了操作速度，及因此发动机相对于干燥的燃料混合物的具体输出。另外，降低了的煤炭负载增加了运输和储存成本，降低了发动机燃油泵的容量。更低的煤炭负载的进一步缺点是浆液稳定性的显著下降，其引起在罐中的沉淀并需要使用稳定剂(例如羧甲基纤维素(CMC)或黄原胶)和额外的设备(例如专业罐搅拌器和循环泵)。
本发明的一个目的是至少逐步改善部分上面提到的现有技术的缺点，给现有技术中已经令人满意的经济方面带来净效益。
本发明所提到的任何现有技术在任何司法管辖区内都不是确认或暗示这个现有技术是公知常识的一部分或者这个现有技术可以合理预期地被本领域技术人员理解，视为相关，和/或与其他现有技术组合。
发明内容
发明人发现高粘度的浆液燃料在柴油发动机的条件下可以高度雾化以给予短的点火延迟和有效的燃烧。这个发现与现有技术给出的直觉上的教导相反。本发明意在提供一种改良的燃料，当与合适的雾化器组合是可以在燃料循环上给出全面的改良-从燃料生产和运输，到在发动机中的使用。此外，改良的燃料增加了柴油发动机未来先进的物化基础的效益。因此根据本发明，一种新燃料使用最小粘度进行限定，这个最小粘度明显大于前面披露或被认为是理想的用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的粘度上限。
应当理解的是除非特别说明，本发明规范中列出的粘度均是在(控制的)25℃下测定的。
本发明的一方面提供了一种用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的燃料，该燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s优选达到1000/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。
本发明的另一方面提供了一种制备用于直喷、压缩点火或柴油型发动机的燃烧室中的燃料的方法，该方法包括：将碳微粒与溶剂混合以形成碳微粒悬浮在溶剂中的燃料混合物，如果需要，调节所述燃料混合物的密度，以使得在25℃下剪切速率达到750/s优选达到1000/s时，所述燃料混合物的粘度大于或等于约1000mPa.s。
应当理解的是本发明中的燃料适合于使用在压缩点火或柴油型发动机的直喷燃烧室中。特定的发动机可能因此通过传统的压缩点火或柴油发动机，或者改良(improved)、改进(modified)或者其它衍生自传统压缩点火或柴油发动机的发动机使用含有悬浮在水溶剂中的碳微粒来运行。其中一个例子是直喷式燃煤发动机(a direct injection carbon engine，DICE)-一种被改进成能够允许微粉精制碳燃料(micronised refined carbon fuel，MRC)的水基浆料燃烧的发动机。
在25℃下剪切速率达到750/s优选达到1000/s时，本发明中的燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。例如，在25℃下剪切速率约为500/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。在另一种实施方式中，在25℃下剪切速率约为300/s或更低时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。
本发明中的粘度优选是一般的剪切变稀粘度。一般的剪切变稀粘度指的是在粘度相对于剪切速率曲线中的斜率为负。应当理解的是，本发明的燃料仍然能够展示曲线变正(剪切增稠)的区域，在这些区域中可能需要调节以消除这样的扭结(conditioning may be required to massage out such kinks)。因此应当理解的是“一般的”剪切变稀意味着在高剪切速率下，粘度V相对于剪切速率曲线右侧的粘度要比左侧的更低，即使曲线在两者之间有一个拐点。
在一些实施方式中，在25℃下剪切速率达到750/s时，本发明中的燃料的剪切变稀粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。例如，在25℃下剪切速率约为500/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s，然后有一个不变的粘度的区域直到750/s或以上时才会降至1000mPa.s以下。在其它的实施方式中，在25℃下剪切速率约为300/s或更低时，燃料的粘度显著大于、或大于或等于约1000mPa.s，而不会降低至低于1000mPa.s直到使用了高于750/s的剪切速率。
在其它的实施方式中，在25℃下剪切速率达到1000/s时，本发明中的燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。优选地，在25℃下剪切速率达到2000/s时，所述粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。更优选地，在25℃下剪切速率达到5000/s时，所述粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。最优选地，在25℃下剪切速率达到10000/s时，所述粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。
本发明的另一方是提供一种用于直喷、压缩点火或柴油型发动机的燃烧室中的燃料，该燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到5000/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。
在一些实施方式中，在25℃下剪切速率为约0.1/s或更低时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约4000mPa.s。更优选地，在25℃下剪切速率为约0.1/s或更低时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约6000mPa.s。进一步更优选地，在25℃下剪切速率为约0.1/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约10000mPa.s。
或者，或除了上述外，优选在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约2000mPa.s。更优选在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约3000mPa.s。进一步更优选在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约4000mPa.s。
或者，或除了上述外，优选在25℃下剪切速率为约10/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约800mPa.s。更优选在25℃下剪切速率为约10/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约900mPa.s。进一步更优选在25℃下剪切速率为约10/s时，所述燃料的粘度大于、或大于或等于约1000mPa.s。
在一种实施方式中，所述燃料为有屈服应力的宾汉塑性体(Binghamplastic)。例如，所述燃料被配制以增加混合物宾汉塑性和假塑性(pseudo—plastic)特性，这是有利的因为它能够使糊状的燃料和半干浆被使用。
现有技术并没有认可含有悬浮在水溶剂中的碳微粒的更高粘度的燃料的好处。现有技术通常教导降低燃料的粘度是有利的以避免雾化不足(deficit)，雾化不足是发动机无法完全燃烧燃料的问题，导致相对较大的效率损失。本发明在发动机中使用了上述燃料，其中所述燃料有足够高的粘度以至于形成了燃料糊，例如带有或是传统压力雾化或是其它雾化方式的柴油发动机。所述燃料仅需要在极高剪切速率(＜200000/s)有低粘度，因为一般的剪切变稀特性本身趋向于将所有切变集中于靠近流体边界。
在一种实施方式中，所述燃料中的碳微粒的质量分数(mass fraction)大于或等于约45wt％，优选大于或等于约53wt％。优选地，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于、或大于或等于约55wt％。更优选地，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于、或大于或等于约60wt％。最优选地，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于、或大于或等于约65wt％。这是有利的，因为燃料中更高的固体含量增加燃料的比能量(specific energy)和稳定性，以及发动机的热效率。燃料中的碳微粒的最大质量分数可达约85wt％。
在一种实施方式中，碳微粒的平均粒径在质量基准上低于约30μm，优选在质量基准上等于或小于约20μm。在一些实施方式中，平均粒径在质量基准上介于约10μm和约20μm之间。
所述碳微粒的上限尺寸优选比质量平均尺寸大约3到约10倍。上限尺寸/最大尺寸被理解成占据5％的群体中的最大尺寸，因此可能以递减的概率包括大得多的尺寸。上限尺寸范围也被称为d95，95％的质量分布于低于该直径。因此所述d95是从比质量平均尺寸大约3到10倍开始。更优选地，所述碳微粒的d95比质量平均尺寸大约4到5倍。应当理解的是，采用大尺寸的分布比例允许在特定的粘度极限下提升固体的负载。在特定的固体负载下，燃料粘度和粒径分布呈现强负相关性。类似地，粘度和稳定性之间有合理的相关性。
优选地，当所述碳微粒的质量平均粒径等于或小于20μm时，所述碳微粒呈现出广泛的尺寸范围，例如从大于0μm至约100μm。更优选地，所述碳微粒呈现出从大于1μm至约80μm的尺寸范围。广泛尺寸范围的配置(provision)是有利的因为它提高了碳微粒在燃料组成中的填充效率，这允许产生带有高度碳微粒负载的燃料(例如碳微粒的质量负载达到85wt％)。这是因为较小的微粒能够融入较大微粒之间的间隙中。
或者所述燃料组成可以使用不同尺寸范围的碳微粒群体形成。例如，所述燃料可以含有双峰尺寸分布的碳微粒。在这种情况下所述燃料含有一个关于第一质量平均值的第一尺寸分布的第一碳微粒群体，和一个关于第二质量平均值的第二尺寸分布的第二碳微粒群体，其中，第一质量平均值小于第二质量平均值。在这种情况下，第一群体中的至少部分微粒是能够使得它们能够融入第二群体的微粒形成的间隙中的尺寸。
在另一个例子中，所述燃料可以含有具有三峰尺寸分布的微粒，在这种情况下，所述燃料如上所述，但是另外地还含有一个关于第三质量平均值的第三尺寸分布的第三碳微粒群体。所述第三质量平均值要小于第一质量平均值以使得这些微粒是能够融入第一和第二群体的微粒形成的间隙中的尺寸。
如前所述，所述颗粒的d95比质量平均尺寸大约3至约10倍，优选比质量平均尺寸大约4至约5倍。优选地，在这种情况下，最大尺寸约为200μm-注意到质量平均与最大尺寸的比例可以通过分类和再研磨(classification andre-milling，例如闭路研磨)而降低以确保煤炭可以在发动机燃烧时间内燃尽。随着最大尺寸的增加，粒径分布自然地变得足够广泛以达到高固体负载，尺寸分布中较小的微粒能够融入尺寸分布中较大的微粒之间所形成的间隙中。
在一种实施方式中，所述碳微粒是疏水的。这是优选的因为它改善了所述微粒在溶剂中的分布。
在一种实施方式中，所述碳微粒可以选自由煤炭、木炭、木材、多种烃、有机物无论是自然中的生物学的或者有机化合物组成的群组。优选地，所述碳质材料为煤炭。可以使用任何类型的煤炭，例如可以使用无烟煤、烟煤、褐煤。这是格外有利的因为煤炭作为碳质来源是现成的。
所述碳质来源优选低灰分含量，优选少于2wt％，更优选少于1wt％，最优选少于0.5wt％。
在碳质来源为煤炭的情况下，优选煤炭已经经过某些形式的预处理。预处理可以包括除去大部分的矿物灰污染，低阶煤的情况包括某些形式的表面性能的致密化和改造使得煤炭呈现更疏水以使得实现更高煤炭负载的燃料。例如，烟煤的去矿化可以通过选择性的烧结(agglomeration)、浮选和旋分(cyclones)实现。
在一种实施方式中，所述燃料还进一步包括分散剂。所述分散剂对于获得水溶剂中的碳微粒的悬浮是重要的。优选地，所述分散剂选自包括阴离子分散剂用于提供表面负电荷和位阻、非离子分散剂用于提供位阻、或者两性分散剂提供正电荷和负电荷所组成的群组中。更优选地，所述阴离子分散剂选自包括聚苯乙烯磺酸(polystyrene sulphonate)、聚异戊二烯磺酸盐(polyisoprene sulphonate)、羧甲基纤维素(carboxyl methyl cellulose)、腐殖酸(humic acid)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)或丙烯酸共聚物(copolymers ofacrylic acid)的钠盐；木质素磺酸盐(lingo suphonate)、萘磺酸(naphthalenesulphonate)、或萘磺酸甲醛缩合物(naphthalene sulphonate formaldehydesondensate)的钠盐或铵盐的群组中。更优选地，所述非离子分散剂选自包括纤维素醚(cellulose ether)例如羟乙基纤维素(hydroxyethyl cellulose)或羟丙基纤维素(hydroxypropyk cellulose)；多糖(polysacchrides)例如糊精(dextrin)；聚氧乙烯山梨醇单油酸酯(polyoxyethylene sorbitan monooleate)，或者松香(rosin)或者基于皂苷分散剂(saponin based dispersant)组成的群组中。更优选地，所述两性分散剂为聚羧酸(polycarboxylate)。
所述燃料还可以包括稳定剂例如天然树胶包括瓜尔(guar)胶、rhansam胶、黄原胶(xanthan)和吉兰糖胶(gellan gums)、磷酸盐或硫酸亚铁。
所述燃料还可以包括杀菌剂例如甲醛以降低微生物活性。
本发明中的燃料与现有的碳微粒燃料相比有更强的稳定性。在这方面，悬浮在水溶剂中的碳微粒有更少的从浆液中沉降下来的趋势，尤其在储存过程中。需要储存的应用时所述燃料因此可以配置更少甚至基本上不含稳定剂(例如羧甲基纤维素(CMC)或黄原胶)。同时不希望被任何的理论限制，本发明中的燃料的更高的碳微粒负载(相对于现有技术的燃料)被认为是协助了所述燃料的稳定性。
本发明的另一方面提供了上述燃料在燃烧室中的应用，例如发动机中的燃烧室，例如直喷、压缩点火或柴油型发动机。更优选所述燃料用于改进的柴油发动机，例如带有鼓风喷射器的柴油发动机。
使用鼓风雾化喷射器是有利的因为它直接利用动能强度来雾化高固含量的燃料，该燃料是高粘性的并具有广泛的尺寸分布，含有高比例的细物料和更大的最大尺寸。来自燃料中鼓风流体所避免的摩擦能量损失的动能的直接应用允许更多的雾化能量的有效地利用(例如克服表面张力的作用)。更低的燃料速率和更大的燃料通路尽可能减少了处理燃料的摩擦损失和准许一个相比于其它可能的更大的燃料微粒的最大尺寸。
在一种实施方式(第一形式)中，所述鼓风喷射器包括：终止于第一出口中，沿着中心轴喷出燃料射流的中心管；以及邻近中心管从而与所述中心管一起限定导管装置的结构，所述导管装置与第一出口周围用于鼓风气体的一个或多个第二出口连通，所述导管装置被配置为对鼓风气体进行加速，从而使其从所述第二出口以超音速鼓风流射出，其中，邻近所述第二出口，所述结构的一个底切(undercut)内表面或多个内表面轴向会聚，从而将射出的超音速鼓风流引导到第一出口下游的燃料射流中，由此使燃料雾化。
在一个实施方式中，所述结构围绕所述中心管，从而所述一个或多个第二出口包括在所述第一出口周围的环形出口，并且邻近所述第二出口的所述结构的所述一个或多个内表面包括邻近所述第二出口的连续边缘表面部分。优选地中心管的相对的表面包括所述中心管的锥形或金字塔形端面与所述连续边缘表面部分相对，从而进一步促进将所述射出超音速鼓风流引导到所述第一出口下游的所述微粒浆体燃料射流中。
在另一个实施方式中，中心管相对的表面包括中心管的一个或多个倾斜端面与一个或多个内表面相对，从而进一步促进将射出超音速鼓风流引导到第一出口下游的所述微粒浆体燃料射流中。
有利地，一个或多个内表面和端面使得在运行过程中鼓风流相对于中心轴的会聚角为5°-90°，优选为30°-85°，更优选为40°-80°。
邻近第二出口的所述一个或多个内表面沿着鼓风气体的流向至少部分是曲线的和凹面的。
或者，或额外地，邻近第二出口的所述一个或多个内表面沿着鼓风气体的流向大体上是直的。
导管装置可以被配置为通过限制结构对鼓风气体进行加速，该限制结构优选沿着鼓风气体的流向平滑地会聚-扩散。
在一个实施方式中，第一出口大体上是圆形的，并且超音速鼓风流具有环形的横截面。
或者，第一出口的横截面可以是椭圆形的或细长形的，从而微粒浆体燃料射流是扇形射流。
第一出口可以是细长槽，一个或多个第二出口包括位于第一出口的相对侧，并且基本上平行于第一出口的一对槽。
在另一个实施方式中(第二形式)中，所述鼓风喷射器包括：终止于第一出口中，沿着中心轴喷出燃料射流的中心管；以及围绕所述中心管从而与所述中心管一起限定导管的结构，所述导管与所述第一出口周围用于鼓风气体的第二出口连通，所述导管被配置为对所述鼓风气体进行加速，从而使其从所述第二出口以超音速鼓风流射出；其中所述第二出口被配置为带有所述结构的一个底切(undercut)内表面或多个内表面与中心管的表面相对使所述射出的鼓风流轴向会聚到所述燃料射流上，从而将所述射流限制在所述第一出口下游的所述鼓风流的虚拟孔口中，由此促进所述燃料的下游雾化，并降低所述燃料对所述第一出口的磨损。
射出的鼓风流可以与第一出口的燃料排放的所述微粒浆体燃料射流横向隔开，由此轴向会聚的鼓风流在虚拟孔口的正上游高度紊乱，从而进一步促进浆体燃料的雾化。
优选地，虚拟孔口对微粒浆体燃料射流的限制包括对射流进行下游扩散，从而促进所述微粒浆体燃料的雾化。
有利地，所述底切内表面或与所述中心管表面相对的所述结构的表面包括临近第二出口的所述结构的内部连续边缘表面部分。
在第二方面的一个实施方式中，第二出口包括在第一出口周围的环形出口。
与所述中心管的表面相对的包括中心管的锥形或金字塔形端面可以与连续边缘表面部分相对，从而进一步促进射出的超音速鼓风流轴向地会聚到微粒浆体燃料射流上。
在本发明的第二方面中，导管可以配置为通过限制结构对鼓风气体进行加速，该限制结构优选沿着鼓风气体的流向平滑地会聚-扩散。
应当理解的是前面描述的第一形式的鼓风喷射器的特征也可以应用于所述第二形式的鼓风喷射器中。
在另一个实施方式(第三形式)中，鼓风喷射器包括喷嘴，该喷嘴包括：同轴管，所述同轴管包括中心管，中心管用于从喷射器通过喷嘴输送燃料，使燃料在喷嘴出口处从中心管射出；以及围绕所述中心管设置的环形套筒，该环形套筒与中心管具有共同轴线，并将用于鼓风流体的环形通道限定为用于以低于超音速的速度输送流体的装置，并使鼓风流体流经所述环形通道，以及会聚部分，接着会聚部分的是喉形结构，然后是扩散部分，扩散部分位于环形通道的出口附近，并在喷射结束时使所述鼓风流体以降低的压力以超音速射出，降低的压力基本上是发动机中的最高燃烧室压力。会聚部分和扩散部分的轮廓提供了均匀的气体速度变化。
本发明的另一方面提供了所述燃料在燃烧装置中的应用，优选为直喷、压缩点火或柴油型发动机，这包括：限定燃烧室的结构，以及鼓风喷射器，依据前面所描述的任一种实施方式，放置并配置用来将燃料喷射到燃烧室中，并利用伴随的气体鼓风流对燃料进行雾化。
本发明的另一方面提供了一种直喷、压缩点火或柴油型发动机，包括：根据前面任一种实施方式所描述的燃料；限定燃烧室的结构；配置用来将燃料射流喷射到燃烧室中并利用伴随的气体鼓风流雾化燃料的鼓风喷射器。在一些实施方式中，所述鼓风燃料喷射器进一步被配置为使所述鼓风流碰撞并雾化所述燃烧室中的燃料，从而以所述燃料促进所述装置的运行。在一些实施方式中，所述鼓风喷射器依据前面任意一种所描述的实施方式。
另一方面，本发明提供了一种用于操作配置有燃料喷射器的柴油发动机的方法，如前所述，所述燃料喷射器配置为利用伴随的鼓风气体将燃料喷射到所述发动机的燃烧室中，所述伴随的鼓风气体使所述燃料雾化，所述方法包括通过会聚所述鼓风以碰撞所述燃烧室中的燃料来喷射燃料，从而将所述燃烧室中的燃料雾化以进行压缩点火，所述鼓风气体通过限制结构提供，并且所述限制结构上游的气体压力至少为所述燃烧室中的绝对压力的两倍，从而所述鼓风气体是超音速的。限制结构上游的气体压力至少为30MPa。
通过以下的描述(通过实施例的形式给出和参考附图)，本发明前面段落描述的其它方面和其它方面的实施方式将会变得明显。
附图说明
图1为示出现有技术的水煤浆燃料的比能量(specific energy)以及本发明的一种实施方式的范围的图。
图2为示出现有技术的水煤浆燃料的粘度特性以及本发明的一种实施方式的范围的图。
图3是雾化喷射器的一种实施方式的轴向截面示意图。
图4是图3所示雾化喷射器的端视图。
图5是对图3中径向区域A进行的一个优化的几何图解图。
图6是与图5相对应的流程图，其显示了燃料和鼓风气体流，以及当鼓风喷射器运行时它们的下游相互作用。
图7和图8与图3和图4相似，是鼓风喷射器的另外一种实施方式。
图9和图10与图3和图4相似，是鼓风喷射器的另外一种实施方式。
图11和图12显示了对鼓风喷射器的改进，该改进被设计为在燃料射流与超音速鼓风流相互作用之前增加燃料射流的不稳定性。
图13和图14显示了对鼓风喷射器的改进结构，该改进结构用于提供预雾化以增加雾化并与主超音速鼓风流的结合。
图15和图16显示了鼓风喷射器的提升阀形式的实施方式。
图17和图18是示意布局图，其分别显示了使鼓风气体消耗最小化同时确保整个喷射过程均匀雾化的电子控制的鼓风气体和燃料喷射。
图19是根据本发明的烟煤基燃料和褐煤基燃料的粘度特性的图。
图20是根据本发明的烟煤基燃料和褐煤基燃料的粘度特性的另一幅图。
图21提供了来自鼓风雾化器实验的图形化结果，其显示了燃料压力、鼓风气体压力和燃烧室压力的波形。
具体实施方式
本发明涉及一种含有悬浮在水溶剂中的碳微粒的燃料以及该燃料在发动机中的应用，如柴油或改进的柴油发动机，例如直喷式燃煤发动机(directinjection carbon engine，DICE)。本发明中的燃料的实施方式可以是被归类为微粉精制碳燃料(micronised refined carbon fuel，MRC)的类型。
该燃料是高粘度燃料，例如可以为粘性液体、糊状或半干的浆。
术语“粘度”意指表观的“动力粘度(dynamic viscosity)”，其也被称为“剪切粘度”而不是“运动粘度(kinematic viscosity)”。适用于确定燃料的粘度的装置对本领域技术人员来说是显而易见的。但是，用于确定粘度的一个适用的装置是通过使用带有圆筒和杯的旋转粘度计，其剪切速率范围为从0.1每秒至3000每秒。对于更高剪切应力的测量(大于3000每秒)可以使用挤压粘度计。
本发明的燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中该燃料有一个粘度，优选为一个一般的剪切变稀粘度，其在25℃下在剪切速率达到750/s(优选达到1000/s时)，粘附粘度大于或等于约1000mPa.s。本发明中的燃料比现有技术中的燃料成分在一个剪切速率范围内具有显著较高的粘度(例如参见以下描述的图2)。
本发明的每个燃料都包括细磨碳微粒的水性胶体悬浮液。该悬浮液可具有糊状一致性(paste consistency)。另外，该碳微粒优选是疏水的，因为它可改善溶剂中微粒的分散。
本发明的燃料的粘度优选为一般的剪切变稀粘度，其中在高剪切速率下，在粘度相对于剪切速率的曲线右侧的粘度要比左侧的更低，即使曲线在两者之间有一个拐点。粘度曲线的形状是配制正确的燃料的一个考虑因素。本申请的发明人发现，在曲线的形状为一般不是剪切变稀时(例如对于一个可能稍微过多固体的没有混匀的燃料，但是除此之外为正确的配方)，当试图快速泵出这样的燃料可能会引起堵塞。这在很多情况下并不能通过简单的更用力推进而解决-结块实际上变成了多孔石墨，而新的燃料只是单纯的脱水并增加至堵塞物。
如前所述，本发明中燃料的粘度大部分是由来自碳微粒的高固含量提供。但是，也可以使用添加剂(如下描述的)来增强这个性质。燃料中更高的固体含量增加了燃料的比能量(specific energy)和稳定性，以及发动机的热效率。在一种实施方式中，燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约45wt％，优选大于或等于约53wt％。燃料中的碳微粒的最大质量分数可达约85wt％。该质量分数可取决于燃料中所使用的碳微粒的类型。
图1为示出现有技术的水煤浆燃料以及根据本发明的实施方式的一系列燃料的比能量的图。图1显示出本发明能够将烟煤的比能量提高大约40％，以及将水热加工的褐煤的比能量提高提高30％，其中根据本发明的实施方式将这些类型的煤配制为燃料。
虽然不希望被任何的理论限制，但是发明人认为根据发明的燃料可以被配制以增加混合物/悬浮物的宾汉塑性和假塑性(pseudo—plastic)特性，使得糊状的燃料和半干的浆在压缩点火或柴油型发动机中能有利地被使用。
悬浮碳微粒的粒径分布也会影响燃料的粘度。应当理解的是，采用大的尺寸分布比例允许在特定的粘度极限下提升固体的负载。在给定的固体负载下，燃料粘度和粒径分布呈现强负相关性。类似地，粘度和稳定性之间有合理的相关性。在一种实施方式中，碳微粒的平均粒径小于约20μm，优选在质量基准上介于约10μm和约20μm之间。碳微粒的尺寸上限(d95)优选比质量平均尺寸大约3至约10倍。可以如前所述的使用多种的粒径分布(宽的尺寸范围、双峰、三峰或类似的)。
图2为根据本发明的燃料以及一种现有技术的燃料组分的粘度相对于剪切速率的图。如上所述，本领域技术人员可以理解，燃料的粘度可以通过多种的不同方式而被测量。在这种特定的情况下，粘度测量使用了Malverninstrument(马尔文仪器公司)“Kinexus Pro”旋转粘度计完成。该测量在一系列呈对数分布的从0.1至3500/s的剪切速率下，使用杯：PC25C0026AL和转轴:C25SC0036SS来完成。对于更高剪切应力的测量(大于3000每秒)，可使用挤压粘度计。粘度测量在室温下实施(仪器将温度控制在25℃，如前所述)。
对于图2，根据本发明的燃料是被热处理的含有53％固体的VictorianBrown coal(维多利亚褐煤)。根据标准的煤分类，褐煤是一种低阶煤。褐煤一般有高水分含量，因此一般需要在用于本发明的燃料组分之前进行预处理。预处理可以包括褐煤的致密化和水分的除去。褐煤也可以经过热处理来调节煤的表面特性，例如使煤的表面变得疏水。由于褐煤含有的低的灰分含量以及相对于其他类型的煤而言相对廉价，因此它们特别有用。
从图2中可以看出，在一个剪切速率范围内，本发明的燃料表现出比现有技术的燃料组分显著高的粘度。
根据本发明的燃料的粘度主要通过使固含量最大化而被进行控制。粘度也可以通过使用分散剂、优化燃料中固体的粒径分布和采用受控制的剪切混合而被控制，这也称为调节(conditioning)。
燃料可以只含有高粘度的浆液，或者可以包括一种或多种添加剂，包括以下至少一种：分散剂、稳定剂、杀菌剂或者它们的组合。
如上所述，合适的分散剂包括阴离子分离剂，例如聚苯乙烯磺酸(polystyrene sulphonate)、聚异戊二烯磺酸盐(polyisoprene sulphonate)、羧甲基纤维素(carboxyl methyl cellulose)、腐殖酸(humic acid)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)和丙烯酸共聚物(copolymers of acrylic acid)和其它丙烯酸单体(acrylic monomers)等的钠盐；木质素磺酸盐(lingo suphonate)、萘磺酸(naphthalene sulphonate)、或萘磺酸甲醛缩合物(naphthalene sulphonateformaldehyde sondensate)等的钠盐或铵盐。也可以使用非离子分散剂，例如纤维素醚(cellulose ether)、例如羟乙基纤维素(hydroxyethyl cellulose)或羟丙基纤维素(hydroxypropyk cellulose)；多糖(polysacchrides)，例如糊精(dextrin)；聚氧乙烯山梨醇单油酸酯(polyoxyethylene sorbitan monooleate)，或者松香(rosin)或者基于皂苷分散剂(saponin based dispersant)。也可以使用两性分散剂，例如聚羧酸(polycarboxylate)。合适的稳定剂包括天然树胶，包括瓜尔(guar)胶、rhansam胶、黄原(xanthan)胶和吉兰糖(gellan)胶、磷酸盐或硫酸亚铁。此外，合适的杀虫剂包括甲醛(formaldehyde)。
如上所述，燃料理想地为适用于压缩点火或柴油发动机中。该柴油发动机可以含有鼓风喷射器以雾化燃料。合适的鼓风喷射器可以是在PCT/AU2013/000337中在WO2013/142921A1公开的鼓风喷射器，特此将其全部内容并入本文作为参考。
图3和图4显示了这种鼓风喷射器10的一个实施方式，鼓风喷射器10包括限定中心通道14的中心管12，中心通道14终止于喷嘴15的第一或燃料出口16，以用于沿着中心轴11喷出微粒水煤浆燃料射流100(图6)。
形式为套筒20的结构环绕中心管12，从而与中心管一起限定用于鼓风气体的环形导管22，环形导管22与喷嘴15周围的环形出口25连通。导管22具有限制结构或喉形结构26(例如，图中所示的会聚-扩散部分)，从而引导鼓风气体，使其从环形出口25以超音速鼓风流110的形式射出(图6)。
优选地，用于鼓风气体的环形导管22具有一个最小横截面流道面积，它比中心通道14限定的燃料流道面积要小，或者相反的通过中心通道14的最小燃料横截面面积相对较大(与上游燃料通道相比甚至是未被减少的)，同时用于鼓风气体的环形导管22有一个相对小的最小横截面流道面积。“相对”指的是与在传统的用于处理相似燃料质量流速的喷射器上的普通喷嘴所具有的最小面积相比。中心通道14的优选尺寸为约2mm内径(ID)，环形导管22的优选宽度为200um或更低。
优选地，中心通道14不比燃料供应管道线的内部直径小。更优选地，中心通道14比燃料供应管道线的内部直径大。这是有利的，因为它降低了鼓风喷射器中燃料堵塞的风险。
在邻近鼓风气体出口25的位置处，套筒20的内部连续边缘表面部分30形成底切，该底切轴向地会聚从而将射出的超音速鼓风流110引导到喷嘴15下游的微粒浆体燃料射流100中，从而获得最佳的燃料雾化。中心管12末端上的燃料出口16周围的喷嘴15上的锥形或金字塔形表面40(表面40与底切表面部分30相对)进一步增强了对鼓风气体流110的引导。相对的表面30，40优选地朝着轴11相对地向内会聚。优选地，内部连续边缘表面部分30用作鼓风气体阀座。
用于将鼓风气体引入环形导管22中的装置可以是压缩机或蒸汽锅炉。通常提供泵以将液体燃料输送到中心管12中。该泵可以使液体燃料以大约10m/s至大约100m/s的速度流过中心管。鼓风气体出口处的鼓风流体气体的速度范围可以是大约330m/s至大约600m/s。
雾化气体可以是压缩空气，压缩的发动机排放气体，压缩的燃料气体(例如，天然气)，或者使用从发动机冷却系统和发动机排放气体获得的热量的锅炉所产生的蒸汽，或者与氧气燃烧(oxy-firing)以捕获CO2相关的氧气-排放气体混合物。
应该注意的是，对气体进行压缩以实现所要求的鼓风雾化所需的功大致上与所获得的压力比成正比，因此，相对于早期的发动机鼓风雾化器中所用的压缩(约为5-6MPa)而言，提供附加压缩(举例来说，对于柴油发动机应用而言，30MPa)所需的功相对较小。这更多地通过在实现雾化的过程中更有效地使用超音速鼓风气体得到补偿，其允许使用更少量的鼓风气体。一般而言，对将实现整体的超音速流而言，限制结构26上游的气体的压力应该至少是燃烧室中的压力的两倍(即2:1)，其中鼓风流110喷射到该燃烧室中。当实际压力比为2:1时，1.85至2.15范围内的波动被认为是可以接受的。
会聚-扩散部分26被构造为使得鼓风气体在离开喷射器并拦截燃料射流之前被加速到超音速。气流在其横截面中并不是在到处都是超音速的，而是径向变化的和局部变化的，并以其局部速度波动。扩散部分及喉部的面积比可以为大约1.3至大约3，例如，大约1.8。为实现高度雾化，需要为鼓风气体提供比水煤浆射流的动量通量更高的动量通量。动量通量被定义为鼓风气体的密度和其速度平方的乘积。由于柴油发动机中的压力在喷射时至少为5MPa，并且鼓风气体的压力高于15MPa，因此气体密度比锅炉应用的气体密度高得多，这实质上降低了所需的鼓风气体的量，包括早期柴油发动机所用的亚音速鼓风雾化器所需的鼓风气体的量。
只要可以得到足够的绝对压力比来在预期最高的燃烧室压力的情况下实现鼓风气体扩散部分中的设计工况，就可以使用针对可压缩流的标准物理和热力学方程来设计雾化器，并可以避免考虑对于特定的燃料在微粒燃料喷射期间的在发动机汽缸中的压力变化。
图5是对图3中径向区域A进行的优化的几何图解图，而图6是与图5相对应的流程图，其显示了燃料流和鼓风气体流，以及当雾化器喷射器运行时它们的下游相互作用。
鼓风气体的外部会聚流用作不断更新的“虚拟孔口”或“气体孔口”120，其具有快速振荡的形状，这有助于混合和雾化。外部会聚的意思是超音速流中存在径向-向内的分量，这增加了鼓风气体(或“辅流”)的穿透或对燃料射流(“主流”)的穿透，從而允許使用更少的辅流质量流率来实现类似的效果。这克服了直喷鼓风雾化器通常会遭遇的能量效率差的问题，甚至会胜过单一流体雾化器的能量效率。在这种情况下，“会聚”指的是对流的总体方向汇合在对称轴上以及位于该处的浆体液体射流。
鼓风流的会聚角(即图6中的角α，鼓风流的中间核心和轴11之间的角度)优选为5°-90°，更优选为30°-85°，最优选为40°-80°。合适的角度被认为是大约75°。一般而言，应该根据燃料的性质和喷雾的目的来优化表面部分30和表面40的角度、鼓风流的会聚角，以及质量流率。但是，在基于倾斜度的雾化效率和喷雾渗透之间要作出权衡。不同的发动机燃烧室的几何形状会要求不同的喷雾渗透，因此最佳接近角也会不同。此外，也希望避免燃料过度回流过喷嘴15的表面。
超音速流区域和轴之间的三角形区域包含涡流，其倾向于将一些燃料上抛到超音速流中。该涡流效应与收缩效应一起形成“虚拟喷嘴”。燃料的粘弹性性质在流动面积发生跳变的前后引起上述涡流(例如，用于对于普通喷嘴)。
鼓风流的整体性质具有极高的湍流能量，因为当鼓风流会聚到对称轴上时会变为跨音速。在特性变化为跨音速流之前输送的超音速流的动态压力使对浆体燃料的冲击压力以及音速湍流能量最大化。这在外部发生，并且当辅流与主流相遇时，将辅流从超音速流转换为跨音速流。
这与如美国专利5,044,552中公开的雾化器相反，后者在相互作用的下游保持超音速流，其主要是通过剪切剥离/加速来引起雾化。后者的缺点是消耗更多的辅流(在美国专利5,044,552中提到，辅质量流至少为主质量流的1.5倍至3倍)。本发明的雾化器能够用小于1:1的质量流比例实现燃料的完全分散，由此使产生辅流所需的能量最小化。在如美国专利5,044,552公开的设计中，该要求会将发动机的整体效率降低到无法接受的程度。由于以上原因，并且为了避免伴随的鼓风气体系统的额外复杂性，这种内部混合设计在1920年代就被柴油发动机工业放弃。
所示的雾化器仅在与主流轴向会聚/碰撞之前保持“超音速”流，因为气体、液体小滴和颗粒的混合物意味着相对于其在纯材料中的测量值而言，其局部“声速”被极端地减缓。这会将湍流能量限制到喷雾，通过将三种材料混合在一起会使熵产生率最大化。在这些条件下，相对于更低的声速，流很快变为跨音速/亚音速。它的能量很快以明显的非等熵方式浪费在混合和加热上。
在更下游处，当(未膨胀的，密度依然比周围气体高的)辅流以新的、较慢的音速受限的速度完成其膨胀时，混合物经历有限的膨胀，形成具有酒杯形轮廓的喷雾模式(spray pattern)，引起喷雾中的颗粒/液滴的进一步分离。
从该行为来判断，看起来喷雾中的局部音速为大约70m/s-100m/s，这是因为喷雾的主体的穿透速度从来不会快于约50m/s，及如果能够实现更快的膨胀，那么喷雾的侧边的最大膨胀角会宽得多。
总之，图3至图6的雾化器喷射器是超音速的，这仅仅是为了在将动态压力用作会聚气刀/气孔/外部混合雾化器之前使该动态压力最大化。通过这种方式，其更有效地利用浆体燃料或者辅流中的能量，允许保存质量和生产能量。在等熵原理有效的区域仅包括沿着辅流的区域直到辅流通过混合而失去纯度为止。在下游处，该流体仅仅相对于喷雾股流中的被减缓声速是“超音速的”，并且由于混合过程，该流不是等熵的。
在不存在主流的情况下，流体超音速地向下流至在喷嘴外部的会聚区域，然后变为具有跨音速流的特征，展现出极大的压力和速度波动，并在流体的周围产生涡街。与美国专利5,044,552公开的喷嘴不同，该喷嘴产生轴向对齐的高速流的效率较低，且因此对喷雾股流进行加速的效率较低。与典型一维火箭喷嘴设计不同(其目的是使与轴平行的速度最大化)，这种取舍使雾化器运行得更好，并且本领域技术人员通常都会避免会聚的超音速流，因为已知这会在下游导致超音速速度损失。
根据等熵流关系来限定限制结构26和在流体与燃料射流交汇之前的流横截面的面积比。针对最坏情况(在所要求的喷射过程中燃烧室压力最高)对这些方程式求解，从而在该设计条件下流体是超音速的，并且鼓风气体的流量与燃料的流量成固定比例，其中燃料的流量由发动机燃料喷射率的要求规定。
在此最坏的设计条件下，在燃料射流上或燃料射流附近会产生正激波，引起熵和热量的突增，并且当正激波与燃料流体表面交互时借助正激波的不稳定性提供进一步的雾化能量。燃料的分解机制是由于鼓风气体的动态压力撞击到燃料射流表面，以及系统的不稳定性引起强烈振荡从而进一步提供使流体分解的能量。
在燃烧室压力低于喷嘴设计压力的情况下，会聚-扩散几何结构提供更高的马赫数条件，并进一步增加可以用于雾化的能量。
与以大气压力运行的锅炉应用相比，高燃烧室压力使鼓风气体被扩大的(超音速，预激波)密度超过大气压力下空气的密度大约两个量级。因此，锅炉雾化器不能获得该动能密度优势。
燃料射流的横截面积被选择为使得燃料流体速度在期望的峰值流量时相对较低，从而实质上降低该孔口的磨损。
该结构以降低的鼓风气体质量流率并且在不需要通过喷嘴孔口的高的浆液速度的情况下提供了增强的雾化。
应该注意的是，上述等熵喷嘴流设计方程式通常是从火箭喷嘴设计的角度出发而被表示的，其中最终压力是大气压力，并且在飞行过程中可以预期该压力会降低为真空压力。在考虑本发明时必须小心，因为最终压力将从发动机的压缩压力开始，并且会提升到完全燃烧压力，因此需要成比例上更大的鼓风气体供应压力来维持足够的雾化性能。此外，在火箭设计中，“燃烧室”位于会聚-扩散喷嘴的上游，而在本发明中是位于下游。
对设计方程式求解，以考虑在鼓风流与形成燃料射流边界的表面交互时，鼓风流的横截面为被充分地扩大。应该注意的是，在环形导管的情况下，充分扩大的流体横截面表面是与喷嘴同轴对齐的环形部分，其顶点向回突出到燃料孔口中。燃料射流的表面是圆柱形的。充分扩大的超音速流体横截面表面因此首先与燃料射流表面在一条线上交互，及当质量流交互时，在下游进行混合。
还应注意，作为火箭喷嘴的标准设计过程，理想地，超音速鼓风气体的流动面积在与燃料流首次交互处，随着流体从喉形结构(最小面积)到被充分扩大的面积时线性地增加。这种情况要求超音速导管的壁仅对于开槽射流结构而言是扁平的。在环形实施方式中，导管轮廓将被抛物线形截面取代。
尽管本发明的最简单形式是在整个喷射过程中都以超音速模式运行，从而使雾化的整体效率最大化，对于许多燃料和发动机的组合而言，有效鼓风压力可以被设置为使得超音速流条件和亚音速流条件之间的自动过渡对燃烧率或热释放率提供固有的控制，从而避免超过汽缸压力的最大期望值。例如，如果燃料喷射开始时，汽缸压力为14MPa，而汽缸压力的最大期望值是15MPa，则喷嘴处的鼓风气体压力应该设为大约30MPa。这会在喷射开始时提供超音速流条件，从而实现精细雾化、短点火延迟及快速压力提升。一旦汽缸压力超过15MPa，鼓风气体的雾化压力比就会降低到针对超音速条件的标称2:1比例之下，并变为跨音速或亚音速，导致比较粗糙的雾化、更低的热释放率、降低汽缸压力，或者降低汽缸压力提升率。相反，如果在喷射过程中汽缸压力降到15MPa以下，超音速流条件会自动重新开始，从而提供逐步增加的雾化精细度，相应地降低点火延迟，并增加燃烧率以恢复汽缸压力。因此，本发明的这种自我调整功能有利于在燃烧过程期间将最大允许的汽缸压力维持更长时间，降低由点火延迟(由于燃料未充分雾化和混合而引致的)引起的汽缸压力峰值机械过载的风险。这种正面反馈还会降低未充分雾化的燃料所导致的迟燃风险。这些效果会提供增加发动机输出和效率。
在前面提到的1977-1994年间进行的USDOE计划就研究了鼓风雾化，并且Nelson和Zimperman(1986)对根据DOE/MC/21100-2078进行的工作进行了报告。这项工作是基于西南研究所(SWRI)于1982年利用鼓风雾化所获得的良好结果的。该工作是基于SWRI宣称在发动机中进行压力雾化是不可行的。但是，SWRI仅使用了75bar的鼓风压力，当使用该压力向以后的测试所用的发动机(峰值压缩压力为大约55bar)中喷射燃料时，发动机的压力比仅为1.3:1，不足以满足超音速条件。能源和环境研究公司(EERC)对SWRI的工作进行了进一步研究。尽管EPRC做出了大量努力，包括使用了1600psi(107bar)的空气供应(在空气喷嘴喉形结构的上游产生了稍小于2:1的压力比)，但是，他们也放弃了鼓风雾化并把注意力集中在压力雾化上。在所有的情况下，都无人确认实现超音速流的好处。总的来说，之前燃煤发动机工作中的90％以上的努力都致力于实现有效雾化，但是放弃了鼓风雾化，以及并未认识到超音速条件的要求。
能够使用一系列的改进实施方式，通过实现理想雾化程度、雾化燃料射流形状和速度来优化雾化器的喷射性能，对于给定的水煤浆燃料流最小化鼓风气体消耗、改善雾化量、最小化每个喷射过程开始和结束时的低雾化质量、最小化部件(特别是与水煤浆燃料接触的部件)的损耗，从而改善整体喷射器寿命和可靠性。示例性实施方式包括：
图7和图8显示了设置在浆液管12的出口16中的扇形射流孔口15，扇形射流孔口15将液体浆液射流成形为扁平扇形。这提供了更薄的液体膜，从而促进雾化过程。
开槽雾化器喷射器210(图9和图10)包括用于浆体流体以及鼓风气体出口的大体上扁平的槽216，225，以增加超音速波和气体之间的交互，从而增强雾化。中心管212现在具有细长的横截面，浆液槽216两侧的一对鼓风气体出口225也具有细长的横截面。
使用多个孔口以进一步改善鼓风气体与燃料射流的交互，从而控制射流形状，并增加喷嘴容量。例如，使用多个同轴孔口或堆叠式开槽孔口。
使用气动活塞或液压活塞来提供截止阀力(替换弹簧)，从而改善运动阀座的旋转，这提供了更均匀的阀座磨损以及更长的阀寿命。
煤浆喷嘴的各种实施方式还可以被用于通过提供部分预雾化或通过在煤浆流体中产生其它不稳定性来促进雾化。例子包括细小中心气体射流80(如图11所示)，湍流装置82(图12)，内部混合预雾化器(如图13所示)，以及外部混合预雾化器(如图14所示)。在图13所示的内部混合预雾化器中，为了避免喷嘴磨损，在主浆液出口喷嘴16之前，低水平的初始鼓风气体通过环形导管84被引入以进行预雾化步骤。
在另一种实施方式中，浆液管的出口以及鼓风气体孔口由提升阀形的喷嘴形成。该装置构造为将液体浆液射流和超音速鼓风气体成形为围绕图15所示阀的轴设置的径向扇形。提升阀座可以有利地被构造为具有凹槽或凸起的肋部，从而限定孔口间隔并提供对射流漩涡的控制。超音速鼓风雾化器的该结构提供了360°的雾化扇。该结构还提供了薄的液体浆液膜以促进雾化过程。在燃料喷射被置于更加靠近汽缸中心线的中心的发动机中，该结构尤其有利。
图16显示了上面描述的提升阀式结构，但是同轴提升阀以串联阀的形式运行，从而控制鼓风气体和/或水煤浆燃料的释放。该结构还具有将雾化器和截止阀/针阀的功能组合在一起以用于鼓风气体和/或浆体燃料的进一步优势。
可以对浆体流体的喷射率和持续时间，以及鼓风气体喷射率和持续时间进行电子控制计时，从而相对于浆体流体流量提供最佳的鼓风气体质量流，并使鼓风气体的消耗最小化。该结构还可以优化喷射初期的燃料流量，从而避免使增压空气冷却。该实施方式在图17中示出。
为了进一步降低喷射器磨损，图18显示了一种外开式燃料截止阀。通过该实施方式，与内开式阀相比，可以实质上降低由弹簧或液压或压缩气体活塞提供的阀座力，从而降低在阀座上浆液节流。这实质上降低了阀座磨损，使喷射器部件的寿命与超音速雾化喷嘴的寿命相匹配。
实施例
本发明的燃料的特定实施方式在下面的实施例中举例说明：
实施例1-燃料组分
一种优选的用于悬浮在本发明的燃料中的微粒的碳质材料是煤炭。可以使用任何类型的煤炭，例如可以使用无烟煤、烟煤或褐煤。实施例中使用了两种类型的煤炭来说明本发明中的燃料的性质。所使用的是烟煤和VictorianBrown coal(维多利亚褐煤)。实验燃料样品中所使用的每种煤的说明性标称成分列于下面的表1中：
表1
烟煤 褐煤
工业分析(db)
灰分含量％ 1.9 2.5
挥发物％ 35.2 45.9
固定碳％ 62.8 51.6
总热值MJ/kg 34.1 27.4
元素分析(db)
碳％ 81.2 70.3
氢％ 5.5 4.26
氮％ 1.7 0.57
硫(总)％ 0.52 0.25
氧％ 9.1 22.12
应当理解的是，这些煤中的每一种都在被混合和悬浮在水溶液以制定本发明的燃料组分之前被预处理过。该预处理包括除去大部分的矿物灰分污染物，以及对于Victorian Brown coal(维多利亚褐煤)而言一些形式致密化和表面特性的改造以使得煤炭更疏水以实现有更高煤炭负载的燃料。烟煤的去矿化通过选择性的烧结(agglomeration)、浮选和旋分(cyclones)来实现。煤炭微粒然后经过粉碎过程(研磨grinding、碾磨milling或类似的)以获得需要的粒径分布，如下面表2中所列出的。
实施例2-粒径分布
实验燃料样品中所使用的烟煤和Victorian Brown coal(维多利亚褐煤)的标称粒径分布列于下面的表2中：
表2
样品 d10(μm) d50(μm) d95(μm)
烟煤 2.9 10.1 43.2
褐煤 1.3 8.6 55.1
所述微粒被混合到水中以提供燃料中带有介于40wt％和85wt％之间碳微粒质量的水溶性悬浮液。典型例子是烟煤58wt％以及褐煤48wt％。
实施例3-粘度测量
实验中燃料的粘度使用Malvern instrument(马尔文仪器公司)“KinexusPro”旋转粘度计进行测量。所述测量在一系列呈对数分布的从0.1/s至3500/s的剪切速率下，使用杯：PC25C0026AL和转轴:C25SC0036SS实施。对于更高剪切应力的测量(大于3000每秒)，需要使用挤压粘度计。粘度测量在室温下实施(温度控制在25℃)。
图19和图20显示了两种不同测试的运行结果。被测试的流体具有如表1和表2所列出的一般组成以及粒径分布。
应当理解的是，曲线的形状的差异来自燃料是带有高复合粘度特性的高度的非-牛顿流体，其粘度特性受表面活性物质的影响。发明人注意到，粘度相对于剪切的图的特定形状可以通过多种方式(例如通过控制煤炭微粒的分布，使用多种添加剂及类似)形成。因此，每个曲线表现出了本发明中被测试流体能够提供在低剪切速率下具有非常高粘度的燃料，并带有强烈的剪切变稀特性。
粘度曲线也显示出燃料的粘度“一般的”是剪切变稀，即在高剪切速率下，粘度相对于剪切速率的曲线右侧的粘度要比左侧的更低，即使曲线在两者之间有一个拐点(例如图20中的曲线)。
实施例4-燃料稳定性
本发明中的燃料的沉降稳定性通过使用一系列重力沉降测试而进行测试。本发明的三个烟煤基燃料样品(表1中列出的组成)被置于标准的1000mL刻度的标准沉降柱中。对每个沉降柱进行监控以凭经验确定每个柱子中的沉降量。
在14天或30天后，在柱1、2或3中没有明显的沉降。柱3被留下进一步进行6周的沉降。在6周后其没有明显的沉降。
该测试表明与现有技术的燃料(通常有低得多的固体含量)相比，被测试的燃料中的悬浮在水性溶剂中的碳微粒有更低的沉淀在浆液中的趋势，尤其是在储存过程中。
实施例5-燃烧测试
含有在表1-3中列出的组分的燃料被用于有下列规格的燃烧测试室：体积：固定于3500mL，最大额定压力：20MPa。燃料注射量：0.8mL，最大燃料压力：105MPa。燃料孔400um。
标准单流体直接注入是通过单一垂直射流至80mm宽的光轴中。压缩点火气体条件通过富氧-乙炔的预先点火来实现，其本身通过电热塞点火。气体混合物被选择为针对一个特定的压力/温度目标，并被计算为在燃尽时还有21％的氧气剩余。随后，燃料喷射和燃烧随着热气体缓慢经过所需的压力和温度目标(为乙炔全部燃尽之后或在一秒之后)而被控制发生。
燃料被送入燃烧测试室以确认所述燃料能够在压缩点火条件下燃烧，以及评估在燃料进入室中与明显的燃烧压力增加之间的点火延迟。
图21提供了来自鼓风雾化器实验的图形化结果，其显示了所述燃料压力、鼓风气体压力和燃烧室压力的波形。需要注意的是，垂直轴仅标出了蓝室(blue chamber)压力。鼓风气体压力的形状和燃烧发光因此仅根据那个标度进行指示。在运行中，实际的燃料压力脉冲(未显示)是矩形波，在燃料递送过程中迅速达到并保持在22MPa，然后随着燃料活塞见底而迅速跌落至室压力。
这个图显示出鼓风雾化器的高压力气体运行不会阻碍合适燃料适当的点火和燃烧。鼓风雾化器所能达到的燃料速率和数量比一般的400μm的单嘴喷射器所能处理的高大约7倍，因为液压7:1增压器被替换成1:1的活塞，以增加与鼓风气体相关的燃料质量流。
应当理解的是，气缸压力数据由于噪音过大而不能提取出一个具体的热释放速率曲线。
应当理解的是，在说明书中公开或限定的本发明将延伸至所有在本发明中提到的或从文本或附图中显而易见的单个特征中的两个或多个的可选的组合。所有这些不同的组合组成了本发明的多种可选的方面。

Claims (28)

1.一种应用于直喷、压缩点火或柴油型发动机中的燃料，该燃料含有悬浮在水溶剂中的碳微粒，其中在25℃下剪切速率达到750/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。
2.根据权利要求1所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率达到1000/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。
3.根据权利要求1所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率达到2000/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。
4.根据权利要求1所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率达到5000/s时，所述燃料的粘度大于或等于约1000mPa.s。
5.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约0.1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约4000mPa.s。
6.根据权利要求5所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约0.1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约6000mPa.s。
7.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约2000mPa.s。
8.根据权利要求7所述的燃料，其中，在25℃下剪切速率为约1/s时，所述燃料的粘度大于或等于约3000mPa.s。
9.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料的粘度大体为剪切变稀的。
10.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料为宾汉塑性体。
11.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约53wt％。
12.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约55wt％。
13.根据权利要求6所述的燃料，其中，所述燃料中的碳微粒的质量分数大于或等于约60wt％。
14.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述碳微粒的质量平均粒径小于20μm，优选介于约10μm和约20μm之间。
15.根据权利要求13或14所述的燃料，其中，所述碳微粒的d95比质量平均尺寸大约3到10倍。
16.根据权利要求15所述的燃料，其中，d95比质量平均尺寸大约4到5倍。
17.根据前面任意一项权利要求中所述的燃料，其中，所述燃料还包括分散剂。
18.根据权利要求17所述的燃料，其中，所述分散剂选自包括在以下群组的物质：聚苯乙烯磺酸、聚异戊二烯磺酸盐、羧甲基纤维素、腐殖酸、聚丙烯酸酯或丙烯酸共聚物的钠盐；木质素磺酸盐、萘磺酸、或萘磺酸甲醛缩合物的钠盐或铵盐；包括羟乙基纤维素或羟丙基纤维素的纤维素醚；包括糊精的多糖；聚氧乙烯山梨醇单油酸酯；松香或基于皂苷的分散剂；或聚羧酸盐。
19.一种根据前面任意一项权利要求中的燃料在压缩点火或柴油发动机的燃烧室中的应用。
20.根据权利要求19所述的应用，其中，所述柴油发动机包括空气鼓风喷射器。
21.一种用于预备直喷、压缩点火或柴油型发动机的燃料燃烧室的方法，该方法包括：
将碳微粒与溶剂混合以形成碳微粒悬浮在溶剂中的燃料混合物；以及
如果需要，调节所述燃料混合物的密度，以使得在25℃下剪切速率达到750/s及优选达到1000/s时，所述燃料混合物的粘度大于或等于约1000mPa.s。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述燃料混合物含有权利要求1-20中任意一项中的燃料。
23.一种直喷、压缩点火或柴油型发动机，包括：
根据权利要求1-18中任意一项的燃料；
限定燃烧室的结构；以及
配置用来将燃料射流喷射到燃烧室中并利用伴随的气体鼓风流雾化燃料的鼓风喷射器。
24.根据权利要求23所述的发动机，其中，所述鼓风燃料喷射器进一步被配置为使所述鼓风流撞击并雾化所述燃烧室中的燃料，从而利用所述燃料促进所述装置的运行。
25.根据权利要求23或24所述的发动机，其中，所述鼓风喷射器包括：
终止于第一出口的、沿着中心轴喷出燃料射流的中心管；以及，
邻近中心管从而与所述中心管一起限定导管装置的结构，所述导管装置与第一出口周围用于鼓风气体的一个或多个第二出口连通，所述导管装置被配置为对鼓风气体进行加速，从而使其从所述第二出口以超音速鼓风流射出；
其中，邻近所述第二出口的、所述结构与中心管的壁相对的底切的一个或多个内表面轴向会聚，从而将射出的超音速鼓风流引导到第一出口下游的微粒浆体燃料射流中，由此使燃料雾化。
26.根据权利要求23或24所述的发动机，其中，所述鼓风喷射器包括：
终止于第一出口的、沿着中心轴喷出微粒浆体燃料射流的中心管；以及
围绕所述中心管从而与所述中心管一起限定导管的结构，所述导管与所述第一出口周围用于鼓风气体的第二出口连通，所述导管被配置为对所述鼓风气体进行加速，从而使其从所述第二出口以超音速鼓风流射出；
其中所述第二出口被配置为带有所述结构的一个或多个底切内表面，该一个或多个底切内表面与中心管的表面相对，使得所述射出的鼓风流轴向会聚到所述微粒浆体燃料射流上，从而将所述射流限制在所述第一出口下游的所述鼓风流的虚拟孔口中，由此促进所述微粒浆体燃料的下游雾化，并降低所述微粒浆体燃料对所述第一出口的磨损。
27.一种用于操作配置有燃料喷射器的直喷、压缩点火或柴油发动机的方法，所述燃料喷射器用于喷射权利要求1-18中任意一项的燃料到发动机的燃烧室中并利用伴随的气体鼓风流雾化所述燃料，所述方法包括：
通过会聚所述鼓风以撞击所述燃烧室中的燃料来喷射燃料，从而将所述燃烧室中的燃料雾化以进行压缩点火。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述鼓风气体通过限制结构提供，并且所述限制结构上游的气体压力至少为所述燃烧室中的绝对压力的两倍，其中所述鼓风气体是超音速的。
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