CN1147830A - 内燃机含水燃料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种至少由两相组成的内燃机含水燃料。它含有20％～80％体积的水，含碳燃料，2％到低于20％体积的醇和0.3％～1％体积的非离子型乳化剂，另外，还可含有大约0.1％体积的燃料润滑性能增强剂和大约0.03％体积的防止高温分相的添加剂。这种燃料外表面为水相，在内燃机外部基本上不会燃烧。本发明公开了这种燃料的生产方法，包括含碳燃料和乳化剂的混合以及随后与水和其它组分的混合。

Description

内燃机含水燃料及其制备方法
本发明领域
本发明涉及一种新型内燃机含水燃料及其制备方法。特别地，本发明涉及的该种含水燃料是在机动车内燃机的燃烧室里燃烧的；尤其是，本发明涉及的含水燃料是在燃烧室中含有产氢催化剂的内燃机中燃烧的，这种催化剂在Gunnerman的美国专利5,156,114(申请日期：1990年10月20日)中有所描述。因此，该专利的全文引用作为本发明的参考。
本发明技术背景
正如美国专利5,156,114中所述，目前急需新型燃料来替代内燃机，尤其是机动车内燃机所使用的汽油和柴油。一些使用汽油和柴油的内燃机所产生的大量不可接受的污染物质，不但对人体有害，而且还可能破坏地球环境。这些污染物对人体和环境所产生的不利影响，已成为社会广泛关注的话题，这些不良污染物是含碳燃料与含氮的燃烧空气所造成的。普通的燃料与空气在常规发动机中的燃烧和这些燃料的相对不完全燃烧是机动车排放污染物超标的基本原因。
本发明概述
本发明涉及的这种新型含水燃料及其生产方法，除了减少内燃机包括火花塞式发动机和压燃式发动机产生的污染物之外，且这种燃料性能稳定，易于贮藏，在内燃机外部基本上不会燃烧，本发明的新燃料油含有一种至少由两相组成的乳液，该乳液含有20％到80％体积的水和含碳燃料，优选的是40％～60％体积的含碳燃料，进一步优选的含碳燃料选自汽油、“直馏汽油”、煤油、柴油、气态含碳燃料及其混合物；大约2％到低于20％体积的醇，优选的是2％到大约10％体积的醇；以及大约0.3％～1％体积的非离子型乳化剂，优选地约为0.5％～0.7％体积。如本领域所熟知，本发明所描述的“直馏汽油”，又称“常压直馏石脑油”，是生产普通汽油产品过程中的第一个石油分馏产品。含碳燃料中除了可能含有碳的矿物燃料，还可能含有人工合成的含碳产品及生物降解油。乳液包括由水作连续外相的标准的“水包油”乳液。第三相可以是由醇组分形成的。如果其中含有一种燃料润滑性能增强剂和/或防止加热下分相的添加剂，也许更加有利。优选的润滑性能增强剂包括含硅化物，同时也可作为消泡剂和/或防锈剂。
本发明的新型燃料的制备方法非常关键。具体步骤如下：首先，将含碳燃料和乳化剂一起混合，通过在水中加入醇类，例如乙醇、甲醇等制得醇和水的混合物，然后在已经制得的燃料和乳化剂混合物中加入水和醇的混合物，从而获得含碳燃料的混合物，其中含有20％～80％体积的水和大约0.3％～1％体积的乳化剂。或者是，水和醇可以分别加入前面已经制备的含碳燃料和乳化剂的混合物中。所获得的混合物经过剧烈而充分的搅拌，得到一种稳定的、易于贮藏的燃料。如果希望，该燃料含有燃料润滑性能增强剂和/或防止高温分相的添加剂，这些试剂可在剧烈搅拌之前加到含碳燃料，乳化剂，醇和水的混合物之中。优选的燃料配方由汽油或柴油制得。汽油和柴油的类型在此处分别称为“A-55”和“D-55”以及石脑油和水。名义上，A-55和D-55分别含有：大约51％体积的水，大约48.5％体积的汽油及大约0.5％体积的乳化剂和大约47％体积的水，大约52.5％体积的柴油及0.5％体积的乳化剂。另一个优选的组成是直馏汽油。石脑油和水组成的燃料，名义上含水和有大约40％的石脑油。优选的水为去离子水，进一步优选的是经活性炭滤过的去离子水。含碳燃料在含水燃料油中的含量大约为20％～80％，优选的约为40％～60％的体积。
本发明中“内燃机”这一术语，意指和包含了所有在发动机的一个或多个燃烧室中燃烧含碳燃料和氧气的发动机。目前，已知的这类发动机包括活塞往复式发动机、旋转式发动机和涡轮(喷气)发动机包括电火花式和压缩式发动机(例如柴油机)。
附图的简要说明
附图1中图解表示普通柴油燃料和D-55的汽缸压力与体积之间的关系，
附图2中图解表示普通柴油燃料和D-55的汽缸压力与曲柄角度之间的关系，
附图3中图解表示普通柴油燃料和D-55累积放热量与曲柄角度之间的关系。
本发明详述
本发明的新型含水燃料尽管具有低于含碳燃料BTU值的潜能，然而至少能够开发出同样多的能量。例如，本发明中含有水和汽油乳化混合物的含水燃料，其潜能(BTU)仅为汽油的三分之一，但将其用于内燃机时，它可产生与同量汽油相当的能量。这的确令人感到惊奇，尽管还没有被完全理解，也不希望受到理论的缚束，但我们认为，这是由于，当这种新型含水燃料进入内燃机的燃烧室，在产氢催化剂存在的情况下，与燃烧空气一起燃烧时，释放出的氢气和氧气及氢气的燃烧所产生的这种新型燃料的混合物造成的，这种方法及系统在本人的美国专利5,156,144中有所描述。“产氢催化剂”这一术语，在本发明中使用的是它的广义。催化剂通常被定义为使两种或更多组分具有反应活性或加快其反应速度，而本身不受影响的物质。本发明的新型含水燃料在内燃机中燃烧时，现在确定，如果燃烧室中没有这种物质存在，含水燃料的燃烧就不能产生使内燃机达到预想所需的能量或达到所需要的程度。有效的催化剂公开于美国专利5,156,114。
此外，在不希望受到理论束缚的情况下，我们认为，在燃烧室内通过产生电火花或压缩的方式来点火，并且在由产氢催化剂组成的电极存在的情况下，就会发生水分子的解离，原因是在压燃过程中含水燃料中含碳组份的燃烧与释放出的氢气的燃烧，一起为发动机的工作提供能量。
在火花式发动机中，标准机动车普通的火花塞系统可产生约25,000～28,000伏的高压，它可以用来点燃燃烧室内的燃料，然而使用产生更强大的电火花，如35,000伏的火花就更有利了。市场上的电火花发生装置有的可产生高达90.000伏的高压，而较高的电压似乎可使燃烧室内的水分子更好的解离。
虽然具有上述用途的实用燃料已在美国专利5,156,144中所描述。但本发明是对含水燃料在配有产氢催化剂的内燃机燃烧室内燃烧进行进一步优化的结果。本发明的含水燃料性能稳定，易于贮藏，在内燃机外部基本上不会燃烧。对燃料油进行的喷灯实验表明：这种新型燃料基本上是不可燃的，这是由于燃料本身及其形成了以水作为外部连续相的水包油的乳化体系。虽然当醇的含量达到或超过5％时，在引燃时，最初会有短暂的火焰，但这种燃烧很快会自动熄灭并又成为不可燃的。本发明的燃料的闪点较其中的烃类，例如新型燃料中含碳燃料的闪点高得多。例如，汽油和柴油的闪点分别为110°F和120°F，而含有汽油和柴油的新型燃料中，醇类燃尽后，它们的闪点分别约为280°F和300°F。
目前认为本发明的含水燃料可以产生令人满意的内燃机燃烧效果，其原因是在本发明的实施过程中，如上所述的氢气和氧气可在燃烧室中释放。水分子的解离产生了氢气和氧气，而氢气与含水燃料混合物中的含碳燃料一起燃烧。其结果是，用较少的含碳燃料和较少的可燃空气就可以达到用同样的常规含碳燃料与多得多的可燃空气一起燃烧所产生的相当的发动机输出功率。
还需要说明的是本发明中，水汽化成蒸汽的形式与含水燃料一起存在于燃烧室中，水蒸汽较空气的扩展膨胀程度大，这样燃烧室中就能适当地容纳较少的燃烧空气。这样，燃料中的水份就转化成蒸汽的形式，在燃烧室中膨胀，替代了内燃机燃烧室中一部分用于普通燃料燃烧的空气。水分子解离产生的氢气及含碳燃料的燃烧与水蒸汽的膨胀一起产生了发动机正常工作所需要的输出功率。
进一步需要说明的是，由于H2和O2存在于本发明内燃机燃烧室中燃烧的燃料混合物中，含水燃料中的水份过少就会出现令人不满意的情况。例如，含碳燃料所固有的输出能量较低(即，每单位体积的BTU潜能较低)，这样就需要有大量的水，因为水分子解离产生的H2和O2及H2的燃烧可有效地提高含碳燃料与水的混合物的总输出能量。由于这个原因，本发明的含水燃料混合物中含水量的下限为20％，这是比较实际、有效的最小含水量，这样在本发明范围内才能使用多种含碳燃料。确定含水量的上限为80％，因为引发上述反应所需的气态或液态含碳燃料的量有一个最小值。通过燃烧室中产生的火花或压缩的引发，水分子才能在燃烧室中解离。现已确定，水的解离反应需要燃料提供的能量的适宜值为30,000～60,000BTU能/加仑。
在优选的实施方案中，本发明的含水燃料含有水占含水燃料总体积的40％～60％以及优选的为易挥发的液态含碳燃料，例如从汽油、直馏汽油、柴油、煤油、载碳合成的燃料、生物降解油或它们的混合物中选出的燃料。醇的加入是用来降低燃料的冰点，并且防止燃料分解成各种组成成分。少量的但有效的非离子乳化剂也是很必要的，现已发现乳化剂应该是非离子型的。而不是离子型的，因为后者与硬水在一起不能令人满意，并且常导致发动机内部生成沉淀。非离子型乳化剂分成三类：烷基乙草酸酯(alkylethoxalates)，直链醇乙氧基化物(linear alcohol ethoxylates)(可用作衣物清洗剂)和烷基糖甙。目前优选的乳化剂是位于新泽西洲普林斯顿的Rhone-Paulenc公司生产的“Igepal C0-630”(烷基苯氧基聚醇，特别是壬基苯氧聚乙烯氧乙醇)(ethylenoxyethanol)。对于含碳燃料的润滑性能增强剂，是已知的，目前优选的润滑剂为聚硅氧烷之类的含硅化合物，例如Rhone-Paulenc公司的“Rhodorsil Antifoam 416”，它同时还表现出消泡的能力。如前所述，体积含量为0.03％，优越的为0.001％～0.03％的燃料润滑性能增强剂证明具有较好的效果。有时，燃料中也要含有防止高温分相的添加剂。在这种情况下，可以使用体积含量为0.1％，优选的为0.001％～0.1％的二羟基乙基甘氨酸牛脂(dihydroxyethyl tallowglycinate)之类的添加剂。例如Rhone Paulenc公司的“Miratain”。
乳化剂具有重要的辅助作用，它使燃料油的性能稳定，并且易于贮藏。另外，还发现：添加和混合燃料各组分的次序对其稳定性和可贮藏性也很关键。例如，在加入之前，在含碳燃料中加入乳化剂非常重要。在与燃料混合之前在水中加入醇也很重要。另外，通过调整水和含碳燃料组分的含量，可以使水相成为乳液的连续外相。通过改变乳化剂的性质，不但可以调整水滴的大小和形状，还可以改变其粘度。
这种燃料组合物惊人优点是：使用这种燃料的内燃机温度低达-40°F下，也能顺利地进行冷起动。对汽缸壁、活塞、催化剂和火花塞进行的肉眼观察表明：这些部件都没有明显的结碳，氧化或蚀痕等现象。使用这种燃料的内燃机在高达4，000RPM的情况下，其性能也没有下降。该燃料的另一个优点是：在可比的使用条件下，汽车消耗每加仑这种燃料，比其它普通含碳燃料(例如汽油或柴油)所行的平均里程要多得多。本发明的这种燃料不易燃烧，并且使用本发明的这种燃料的汽车，与使用普通燃料的汽车，表现出了等同的驾驶性能。使用本发明的燃料的汽车尾气能够减少到使用普通燃料的十分之一，甚至更少，而且，排放出的CO2能够减少二分之左右。还观察到：使用本发明的新型燃料油，汽车排放出的蒸汽大约是相应普通燃料的二分之一。本发明的新型燃料在发动机内没有任何结碳现象，更确切的说，能够延长发动机零部件的使用寿命。非常重要的是，本发明的燃料在内燃机外部基本上不易燃烧，因此，同那些随时可能燃烧的普通燃料相比，其安全性有了很大提高。现已确定，本发明的燃料对橡胶和含铁金属无腐蚀性，因此可以同普通导管和普通材料一样用于机动车中。所有的这些特性使得本发明的燃料有利于使用在所有的机动车，其中包括卡车，运土设备和飞机等。
本发明的另一个优越性表现在：可以使用那些不令人满意的、廉价的含碳燃料。例如，普通汽油的最低辛烷值一般要求在80以上，RVP值要求为9或更高。根据本发明，辛烷值小于75，RVP小于等于6的燃料以及直馏汽油一样可以使用。这种含碳燃料在普通的内燃机中是不能使用的。
为了提高本发明燃料的润滑性，需要加入一种增强剂，优选的是燃烧润滑剂和消泡剂。现已确定：含硅化合物不仅可以提高燃料的润滑性能，而且可以减少燃料泡沫的形成。而且它还提高了燃料在燃烧室中的燃烧性能。如果使用的添加剂既有润滑作用又有消泡作用，那将会非常有利，因为那样就不需要用许多单独的物质来起到上述同样的作用。
我们认为本发明的含水燃料可以用于所有的内燃机，包括汽车、卡车之类的机动车所使用的、装有普通化油器或注油器的汽油机或柴油机以及旋转发动机和涡轮(喷气)发动机。本发明还适用于易挥发的含碳液态或气态燃料同O2的燃料是在发动机一个或多个燃烧室中进行燃烧的任何发动机。
稍加调整后这类发动机，就可以使用本发明的燃料。例如，在美国专利5,156,114中描述的使用含水燃料的关键是在发动机的燃烧室或多个燃烧室中安装一种产氢催化剂，如前述专利中所提及的，其作用是在水分子解离的过程中作为催化剂以产生氢气和氧气。另外，可以使用任何对进入(多个)燃烧室的燃烧空气和燃料的输入、数量和流量进行适当的方法，以使发动机达到最佳工作状态。在这方面还注意到，空气与燃料的比例是影响(多个)燃烧室的燃烧性能的重要因素。从实际的角度来讲，还是希望燃料的供给和贮存是由防锈材料制成的。另外希望使用的是高压电子打火装置，而不是使用普通含碳燃料(如汽油)的机动车内燃机中所广泛使用的电火花引燃装置。目前产生“高压火花”的装置在市场上有售，例如克莱斯勒汽车公司生产的装置。为了进一步优化本发明的应用，需要进一步改进的是安装一个电子计算机辅助控制系统或其它的燃料输送系统，在内燃机吸油过程中，由它向注油器供油。
水分子解离的本质已经非常清楚了。水或水蒸汽解离的热力学和物理化学，在M.Vinugopalan和R.A.Jones(1968)所著的由John Wiley & Sons公司出版的《解离的水蒸汽及其相关体系化学》一书中，和McGraw-Hill Book Company公司出版的。E.B.Mellard(1941)所著的《大学物理化学》第340～344页，以及F.Albert Cotton和Geoffrey Wilkinson(1980)所著的《高等无机化学》第215～228页中都有描述，书中所述在本发明中作为参考。
例如，在环境温度下，含水燃料和燃烧空气引入化油器或燃料注入系统，然后空气/燃料混合物被引入(多个)燃烧室。在这里被火花塞以常规方式打火引燃，这时燃烧室的活塞就达到了燃烧循环的燃烧阶段。当火花塞点燃空气/燃料混合物时，燃烧室中产氢催化剂起到了分解含水燃料中水分子的作用。解离所释放的H2和O2，在燃烧过程中也被点燃，提高了燃料所释放出的能量值。
作为燃料制的一个实施方案的说明，可以使用下列混合方法：
1.在容器中加入所希望体积的含碳燃料(如汽油或柴油)。
2.在另外一个容器中，对计量的乳化剂和柴油或汽油燃料进行混合使其比例大约为1∶1。
3.搅拌上述乳化剂和燃料混合物直到颜色不变为止。搅拌作用降低了乳化剂混合物的比重，此乳化剂混合物加入到余下的汽油或柴油中后，上述过程可以阻止乳化剂沉淀到容器底部。
4.在制剂中所需的余下含碳燃料中加入乳化剂与汽油或柴油的混合物并搅拌。
5.在另外一个单独的容器中，加入醇和所需体积的水。最好对上述醇/水混合物进行混合，例如搅动，时间可为15～30秒左右。
6.把醇-水混合物与燃料-乳化剂混合物放入同一容器中搅拌，直到其颜色均匀为止。
7.在液压剪切泵(hydroshear)或剪切泵(shear Pump)中，剧烈搅拌整个混合物，比较合适的强度为210～280磅每平方英寸。从液压剪切泵或剪切泵中出来的混合物，就成为颜色一定(例如乳白色)的燃料制剂。
下面的实施例说明了乳化剂对燃料配方的影响。实验批次制备如下：所有混合物都含有8份柴油和6份水，但乳化剂浓度在体积比0.2％～0.7％之间以0.1％的幅度变化。每个批次的样品都是经过液压剪切泵三次处理而得到的。
现已确定：乳化剂浓度低于0.5％时，趋于不稳定，而乳化剂浓度为0.5％和0.7％时，稳定性相同。
改变燃料混合物中醇的含量的实验表明：醇含量至少为2％时，混合燃料才具有较好的稳定性。随着醇含量的增加，当达到20％时，混合燃料就表现出明显的柴油分离而不是水的分离。
实验观测表明：随着醇百分含量的增加，凝固点明显下降，这应是所期望的，而且还观测到：混合物中水的百分含量的变化对凝固点影响不大。
在醇含量为零的特定实验中，燃料则完全分相。优选的醇含量为2％～10％的样品在熔点之上，决不会分相。醇含量至少为2％的混合物在持续的时间内例如6个月内，不会发生相分离。
也进行的马力实验：如果水的百分含量有了一定的增加，输出的马力将急速降低。另外，随着醇含量的增加，输出的马力也将逐渐下降。
普通的想法会认为：造成输出马力的变化的原因是燃料热焓(BTU/加仑或BTU/磅)的变化。然而事实并非如此。燃料各组分对热焓贡献的分析并没有解决这个反常现象。
下面是前面叙述的名义上为汽油和柴油燃料配方的典型性质。与标准汽油和柴油燃料相比，“A-55”代表汽油燃料混合物，用“D-55”代表柴油燃料混合物。在这些表格之后的另外一个表格，列出了与石脑油和石脑油-水乳液之间的比较结果。
           A-55燃料油*            汽油
           Reid蒸汽压5.48     Reid蒸汽压(磅/寸2)**挥发性等级A：9挥发性等级E：15
   不同汽化百分比的精馏温度(°F)10％实验(6/92)-146实验(2/93)-133   不同汽化百分比的精馏温度(°F)10％挥发性等级A(最高)-158挥发性等级E(最高)-122
              90％实验(6/92)-210实验(6/93)-212            90％挥发性等级A(最高)-374挥发性等级E(最高)-230
              终点实验(6/92)-260实验(6/93)-220            终点挥发性等级A(最高)-437挥发性等级E(最高)-437
         重力，API@(60°F)实验(6/92)-33.2实验(2/93)-33.8 比重@(60°F)***0.713～0.739
           BTU/lb(总)实验(6/92)-10,499实验(2/93)-9,772 BTU/1b(HHV)***20,260
           BTU/lb(净)实验(6/92)-9,450实验(2/93)-8,677 BTU/1b(HHV)***18,900
*实验6/92和实验2/93之间的差别，大部分原因是由于实验2/93中使用的是未经氧化的、低级劣等汽油以及“典型的测量方法和混合步骤”表中所述的添加剂的加入，详见冬天防冻措施中“性质比较”部分。
**  比较信息来自Annual Book of ASTM Standards(1991)。
*** 比较信息来自McGraw-Hill公司(New York.1978)出版的Marks’StandardHandbook for Mechanical Engineers一书的第八版的第7-14～7-16页。
        D-55燃料油(2号柴油作为基本燃料)            柴油单独的2号柴油作比较
      重力，API(60°F)     重力，API(60°F)*
           25.5           26～34
         闪点(°F)          闪点(°F)*
           166          125(最低)
BTU/lb(总)        BTU/1b(HHV)**使用30重力,API在60°F时作为平均
          12,341          18,250
BTU/ld(净)        BTU/1d(LHV)**使用30重力,API在60°F时作为平均
          11,246          18,250
*比较信息来自Disel Publications公司(Stamford 1980)出版的Karl W.Stinson著的Diesel Engineering Handbook，第六版，第33页
**比较信息来源同上，第38页。
           石脑油和(40％石脑油)             石脑油
    Reid蒸汽压(磅/寸2)：10.80     Reid蒸汽压(磅/寸2)：13/97
    铅含量(gm/gal)：＜0.001     铅含量(gm/gal)＜0.001
    硫、X-射线(ppm)：0.02     硫、X-射线(ppm)：0.028
    重力API@(60°F)：40.1     重力，API@(60°F)：82.0
    未洗过的木馏油(mg/100ml)：122     未洗的木馏油(mg/100ml)：0.6
    洗过的木馏油(mg/100ml)：293     洗过的木馏油(mg/100ml)：0.03
    氧化稳定性(分钟)：+240     氧化稳定性(分钟)+：240
    芳烃(体积百分数)：4.2     芳烃(体积百分数)：2.7
    烯烃(体积百分数)：0.0     烯烃(体积百分数)：0.0
    饱和烃(体积百分数)：95.8     饱和烃(体积百分数)：97.3
    Btu/lb(总)：8.080  精馏：回收百分数(％)，初沸点(88°F)
A-55和D-55燃料油的混合
如前面所提到的，正确的混合A-55或D-55燃料对其最终性能是很重要的。混合得不适当则会导致汽油组分和水组分的分相，从而导致内燃机的运行环境不稳定，引起尾气排放量增多和性能的降低。燃料的分相还能减小其火灾安全性，这在下面作进一步讨论。
正确混合的第一步骤是确保所有组分混合在一起的次序。在这个阶段，搅拌或混合的力度可以相对轻一些。例如，在制备少量的A-55或D-55燃料油时，手动搅拌就足够了。在预定量的汽油或柴油中加入预定量的乳液。如果首先在水中加入乳液，乳液会形成胶凝，这样就会严重地违反正确的混合步骤。乳液加到汽油或柴油中之后，轻微搅拌，以便能与汽油和柴油的最大表面积发生作用。在此之后，通常一边搅拌一边在汽油或柴油与乳液的混合物中加入预定量的水。因为水加入到了汽油或柴油乳液混合物中，当其轻轻搅拌下，混合物会变成灰白色且不透明。
在汽油或柴油和乳液的混合物中，加入醇，如甲醇，可防止燃料凝固，在水加入到汽油或柴油和乳液混合物前，将预定量的甲醇与水混合。当加入润滑性能增强剂及防止在燃料输送过程中形成泡沫的消泡剂时，正确的混合方式是：添加剂应该在其它所有组分已经充分混合之后，再加入其中。
下面是制备批量体积为14.06升A-55燃料的具体实例。
1.首先准备8升汽油，
2.在8升汽油中加入60ml乳化剂，并轻轻搅动，
3.在6升活性炭滤过的去离子水中加入300ml甲醇，
4.在汽油和浮化剂的混合物中加入水与甲醇的混合物，并搅拌，直到整个混合物变得不透明，颜色为灰白为止，然后
5.加入5滴消泡剂/润性能增强剂，并轻轻搅动。
各个组分按照这种方式混合之后，就可以进行混合过程的第二个步骤。此步骤包括燃料用泵进行循环，目的是使各个组分充分混合，泵越大，也就是说泵的剪切力越大，燃料混合得就越充分。例如，如果燃料的混合只是通过一个相对较小的泵(例如用于机动车的普通燃料泵)，那么三个周内就会发生一些分相现象。另一方面，如果泵的大小为体积流量的100倍，经过一次混合过的燃料就可以保持三个月以上不分相。实验表明：经小泵混合的燃料油，不管循环混合多少次，也会在数周内产生分相现象。用较大泵混合的燃料，可以稳定存在三个月以上而检测不出分相现象。
经过正确混合的燃料表现出如下四个特性：①颜色恒定，一般呈乳白色；(2)具有可重复性的密度计读数和比重，其大小与直馏汽油或柴油的不同，见下表；(3)本发明的燃料无可见的分相现象，在燃料混合物表面，既没有汽油层或柴油层，也没有汽油滴或柴油滴；4)正如下面所介绍的，经过正确混合的燃料，在火炬存在的条件下，只是最初有一个火焰或燃尽其中的醇，但不会燃烧起来。
        60°F时，各种燃料的密度计试验读数*
    A-55：165   辛烷值为87的直馏汽油：大于200
    D-55：130     2号直馏柴油：161
                60°F时，各种燃料的比重**
    A-55：0.84   辛烷值为87的直馏汽油：0.72
    D-55：0.89-0.91     2号直馏柴油：0.84
             *  读数来自Proof and Tralle型密度计**  读数来自Ohaus1500D电子天平
特定条件下A-55或D-55燃料中添加剂的使用
所述的本发明燃料温度高达130°F及低于-65°F的情况下都可以使用。这刚好与驾驶周期相符合，同时也符合在地球上所发现的极端条件下产生稳定能量的要求。正如前文所述，水中醇的加入可以在大部分的温度范围内，防止燃料的冷冻。例如，在上述燃料的水中加入300ml甲醇，可防止了燃料油在温度低于0°F下的冷冻现象。按照上述方法混合的燃料，可以在130°F的高温下而不发生分相。在更高的温度下，A-55和D-55燃料就会显示出分相的迹象；然而在燃料油中多加一些的乳化剂，即使在170°F条件下，也不会分相。当温度高于170°F时，就要使用更大功率的泵及循环系统，以防止燃料分相太快。如前所述，为了获得最佳效果需要加入一种合适的添加剂、以防止分相或抗高温。
在混合燃料油的过程中，应该避免产生大量的泡沫。泡沫的形成会降低性能和尾气排放效果。加入少量的消泡剂就可以避免上述问题。A-55和D-55燃料的防火安全性
A-55和D-55两种燃料的都是水相的，这就使它们具有防火安全性。为了验证本发明的燃料具有水相性质，进行了如下实验：将大约200ml的活性炭滤过的去离子水置于一个容器中，而将大约200ml的直馏汽油置于另一个容器中。用注射器在每个容器中滴入一滴A-55燃料。当A-55燃料滴于第一个容器中水表面上时，这滴燃料就迅速地从表面上消失了，在容器上部留下了一条轻微的云迹。在盛有汽油的容器中滴入一滴A-55燃料油，则会有不同的反应。在此情况下，落至汽油表面上的这滴油，还保持着完整形态，随后就沉至容器底部。在进入汽油之后很长的一段时间里，它还能保持完整。D-55燃料的外水相也进行了此项试验。利用D-55燃料和分别盛有活性炭滤过的去离子水和直馏柴油的两个容器，也获得了相同的结果。
经过正确混合的燃料，哪一种也不能用喷灯点燃。例如，在小熔潭的金属切片上，分别注入60mlA-55和D-55燃料，然后用喷灯火焰在其上面划过，并让其末端接触燃料的表面。燃料油并未被点燃。偶尔只有在火焰直接停留在燃料油的某一位置上大约20秒种以上的时候，才会出现一个片刻的，惰性的蓝色火焰，大约有1/4英寸高，随后就熄灭了。如果含碳燃料、汽油和乳液没有正确混合，混合物就会很容易被点燃。A-55和D-55燃料低蒸汽压的优点
本发明的燃料油不易点燃的另一个因素是因为其蒸汽压非常低。此外，燃料具有较低的蒸汽压，能降低蒸汽的排放量，这样，就不是非常需要汽油泵上或者是机动车和固定式发动机上的蒸汽回收装置。较低的Reid蒸汽压也减少了排放到环境中的有害废气。辛烷值和十六烷值
目前，汽车和卡车上的发动机一般需要使高辛烷值的汽油。通常，在加油站可以获得的汽油的最低辛烷值是87有记录的最高辛烷值为92或更高。因为辛烷值在A-55燃料油中的作用不大，即使辛烷值极低的(为75)石脑油基汽油配制而成的A-55燃料油也能有效地运行。D-55燃料的十六烷值也显著低于普通柴油，而对性能却没有不良影响。因而新型燃料的制造费用比普通汽油或柴油的要低，这不仅是因为它含有水分，而且还因为其基本组成：汽油或柴油不需要昂贵的深度精制。燃料过滤器
内燃机使用的普通燃料过滤器中有一个纸芯过滤系统。本发明的A-55和D-55燃料均可使用这种过滤器；但是经过较短的运行时间，这种过滤器就会起到一种反渗透作用而导致进行注油器前的分相现象。为了避免使用纸过滤器而产生的分相现象，优选的，可以替代纸过滤器的是能够俘获较大颗粒的自由流动式过滤器或金属丝网过滤器。使用金属丝网过滤器，可以在燃料油进入注油器前滤去10微米以上的固体颗粒，而不改变燃料的任何特性。对塑料或金属板式过滤器也进行了实验，也取得非常好的效果。A-55和D-55燃料分别与汽油和柴油的功率比较
在对比实验中，在同一个发动机上，用发动机功率计，对A-55燃料油和高辛烷值的汽油进行了比较。在同一个发动机上，A-55燃料油的输出功率大约与汽油的相同，正负误差4％，燃烧空气的量是以两种燃料输出功率较高所需要的空气量为基准。本实验中使用的发动机基本上调整到与美国专利5,156,114中所叙述的一致。在调整后的发动机上和类似的发动机上使用同一类型的汽油，它们的输出功率没有明显有不同。D-55燃料油也获得了相似的实验结果，在达到高功率输出时，使用D-55燃料油与使用普通柴油相比，要快3～5倍，在A-55和D-55燃料油中在正负10％范围内改变水的组分含量，输出功率(马力)并不会发生相应的增加或减少。定时选择
在使用A-55燃料油时，为了获得最佳效果，点火角度应该增加到50°，这大约是普通汽油的2倍。当注油器的定时时间增长，并且曲轴上增加至少两个轮齿时，D-55燃料油的工作状态也极佳。A-55和D-55燃料的空气和燃料比
在空转的情况下，A-55和D-55燃料油可以用最低的燃烧空气比。
在有功率输出的条件下，A-55和D-55燃料油所使用的燃烧气体的量基本上与普通汽油或柴油的相同。在电火花点火的普通内燃机中，使用空气和燃料比为14.7∶1，使用柴油时为16.5∶1。如果两个空气燃料比增加10％以上，内燃机的燃烧就会有损失。在电火花打火的内燃机中，在有输出功率的条件下，根据燃料油中组分碳测定的、使用A-55燃料时的空气对燃料的比大约为29～38份空气比1份碳。在柴油机中，有功率输出的情况下，根据燃料油中组分碳测定的，使用D-55燃料油时空气对燃料的比大约是32～40份空气比1份碳。经过调整的使用A-55或D-55燃料油的发动机的尾气排放
A-55燃料油和高辛烷值的直馏汽油之间排放尾气的多次比较实验，是用Clayton C796型的底盘式功率计进行的，它即可测定速度，又可以测定功率。一个1989年生产的、发动机体积为3升的、六缸Ford Taurus汽车，用来使用A-55燃料油，和一个1989年生产的，具有相似里程表读数Ford Taurus汽车，用来使用普通汽油，在二者之间进行比较。两个汽车上的催化裂化器都去掉了。实验发现：在有功率输出的条件下，使用A-55燃料油，几乎所用的尾气读数都减少了6到10倍。两辆汽车中只是O2的读数相似。在输出功率达到最佳状态时，O2的读数在0～3％之间。在此范围内，其它尾气排放物的记录数据如下：CO为0.1％或更低，NOx为百万分之20到200，烃类为百万分之50到200。所有尾气排放物的读数都来自Sun的标准汽车尾气分析仪。当发动机处于工作温度下，不管外界温度如何，尾气管都没有排出可见的蒸汽。对比可知，普通汽油作燃料的类似发动机排出的NOx有10倍甚至更多ppm。
改造后的柴油机，排放的尾气减少得更加厉害。为了讨论下面的实验起见，改装后的二冲程，4缸 #53 Detroit Diesel柴油机，在发动机座上进行实验，该柴油机与一个CAM250E Clayton发动机功率计相连，可以显示速度、功率和转矩的大小。改装后的柴油机，在冷起动过程中，产生可见烟雾的时间仅为2到5秒。通常，同样的使用普通柴油的发动机，在从常温升到工作温度的预热阶段，则有5到10分钟的时间，能产生可见烟雾。与其它使用普通直馏柴油机驱动的柴油机不同，该柴油机在任何功率范围内都不产生那些常见于其它柴油机的黑烟。输出功率为100马力时，尾气排放结果如下：O2-10％，HC-百万分之零，CO-0.01％。其粘度基本保持不变，即使延长发动机的使用时间，含有汽油的新型燃料油的燃烧也很彻底。所有尾气的读数都来自Sun牌标准汽车尾气分析仪。在柴油发动机的运行周期内，在任何时候，不管外界温度如何，都没有可见蒸汽从尾气管排出。比较这些结果可知，对于类似的使用普通柴油机，HC排放量要增加2～3倍。
其它的实验表明：同使用普通柴油相比，使用A-55燃料油，NOx的减少高达80％。A-55或D-55燃料的效率
本发明的两种燃料的效率通常会比普通柴油的效率高得多。众所周知，效率变化的原因，一方面来自发动机是如何调整的，另一方面来自含碳燃料相对于水的百分含量的大小。根据美国专利5,156,114所述进行彻底改造或部分的发动机上，进行的普通柴油或汽油与A-55或D-55燃料中含碳组分之间的效率实验表明：与在相同的类似的发动机上使用普通含碳燃料要比，使用这些新型燃料，效率的增加高达100％A-55或D-55燃料冷起动
A-55或D-55燃料油都可以作为内燃机的专用燃料。在A-55或D-55燃料油的燃烧过程中，没有必要使用辅助燃料或起燃料。二者用于根据美国专利5,156,114所述，彻底或部分改造后的发动机中，在冷起动时，都没有表现出任何困难。柴油机使用情况比较
为了进一步论证柴油机使用新型含水燃料的优越性，请参考随后附的附图，包括图1～图3。这些附图报告了，为比较新型燃料油与普通柴油燃料，对D-55燃料油组成的实验进行结果。
图1中描述了D-55燃料油和普通柴油燃料的气缸压力和体积之间的关系。从图中可以看出，新型燃料油的气缸压力与体积的关系曲线，与普通柴油的非常接近。因此，D-55燃料油完全可以代替柴油机所使用的柴油。
图2描述了压力与曲柄角度之间的关系，它表明，尽管D-55燃料油产生的压力与普通柴油相比，有所增加的，但差别很小。如图所示：D-55燃料没有一个较高的压力释放，但它还是处于现有的柴油机的设计条件范围内。
图3中描述的结果最重要，它比较了D-55燃料油和普通柴油二者的累积放热量(％)与曲柄角度之向的关系。非常明显，同普通柴油相比，D-55燃料没能够更快达到并维持100％的放热量，这就表明其热效率提高了。从D-55燃料油的放热量比普通柴油显著增加这个事实，也可以看出这一点。普通柴油在曲柄角度为80°左右时，达到100％的放热量，对比可知，D-55燃料油只需上述角度的10％，就能达到100％的放热量。尽管D-55燃料油的初始燃烧较慢，然而其放热速度却比柴油快。此外，通过调整定时装置可能在接近0°的曲柄角度时放热，这样，燃料就能稍早一些进入循环过程。
考察图1-3中所示数据，包括，D-55燃料油比普通柴油改善了的释放热，就可以明显发现，新型燃料油的输出功率实质上提高了。用0°曲柄角作为一个参考点，含有大约1/2柴油的新型燃料油的这个意想不到的结果，的确很惊奇。此外，输出功率的增加，并没有伴随压力的升高(见图2)，这样就没有对发动机成破坏。换句话说，就是新型燃料在基本相同的汽缸压力下，产生了功率，但与普通柴油相比，它的BTU值只是其烃类组成的1/2。
从上文可以明显看出，可以进行各种变化和调整，而不会偏离本发明。

Claims (35)

1.可在内燃机内燃烧而在发动机外基本不燃的、稳定的可贮存燃料，包括一种至少由两相组成的乳液，其中含有20％～80％体积的水，选自汽油，直馏汽油、煤油、柴油、气态含碳燃料、合成的含碳燃料、生物降解油及其混合物的含碳燃料，大约2％～少于20％体积的醇和大约0.3％～1％体积的非离子型乳化剂，所得的乳液含有水作为连续外相的标准的水包油体系，稳定至少三个月。
2.根据权利要求1的燃料，其主要成份为汽油，约40％～60％的水，约20％～10％的醇，约0.3％～0.7％的乳化剂，还含有约0.001～0.1％的燃料润滑性能增强剂以及约0.001％～0.1％的防止高温(温度大于170°F)分相的添加剂。
3.根据权利要求2的燃料，其中所述的润滑性能增强剂包含聚硅氧烷化合物。
4.根据如权利要求1的燃料，其主要成份为柴油，约40％～60％的水，约2％～少于20％的醇，约0.3％～0.7％的乳化剂，进一步包含约0.001％～0.1％的燃料润滑性能增强剂以及约0.001％～0.3％防止高温(温度大于170°F)分相的添加剂。
5.根据权利要求4的燃料，其中润滑性能增强剂包含聚硅氧烷化合物。
6.根据权利要求1的燃料，其中乳化剂含有烷基酚乙氧基化合物。
7.根据权利要求1的燃料，进一步包含高达0.1％体积的润滑性能增强剂。
8.根据权利要求1的燃料，进一步包含高达0.03％体积的防止高温分相的添加剂。
9.根据权利要求1的燃料，其中水包括去离子水。
10.根据权利要求1的燃料，其中水包括经活性炭滤过的去离子水。
11.根据权利要求1的燃料，其主要成份为直馏汽油，约40％～60％体积的水，约2％～10％的醇，约0.3％～0.7％的乳化剂，进一步包含约0.001％～0.1％的燃料润滑性能增强剂以及约0.001％～0.03％防止高温(温度大于170°F)分相的添加剂。
12.根据权利要求11的燃料，其中润滑性能增强剂包含聚硅氧烷化合物。
13.制备可在内燃机内燃烧而在发动机外基本不燃的、稳定的可贮存燃料，所述燃料包括至少由两相组成的乳液，其中含有20％～80％体积的水，选自汽油、直馏汽油、煤油、柴油、气态含碳燃料、合成含碳燃料、生物降解油及其混合物的含碳燃料，大约2％到少于20％体积的醇和大约0.3％到1％体积的非离子型乳化剂，所述乳液含有以水为连续外相的标准水包油体系，该方法包括：
a)提供含碳燃料和乳化剂的混合物，
b)步骤a)(所述的混合物)和2％～少于20％的醇的混合物与加入20％～80％体积的水合并，
c)将步骤a)和b)所述的混合物合并，充分的搅拌下，彻底混合而得到稳定至少三个月的混合物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将水和醇的混合物加入步骤a)的混合物中。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包含在步骤c彻底混合之前，在混合物中加入润滑性能增强剂。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述的润滑性能增强剂包含聚硅氧烷化合物。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包含在步骤c彻底混合之前，在混合物中加入防止高温(温度大于170°F)分相的添加剂。
18.根据权利要求17所述的方法，其中乳化剂，润滑剂和添加剂结合为其混合物。
19.根据权利要求13所述的方法，其中步骤b)中的水为去离子水。
20.根据如权利要求13所述的方法，其中步骤b)中的水为活性炭滤过的去离子水。
21.根据权利要求13所述的方法，其中步骤a)包括将含碳燃料与约0.3％～1％体积的至少一种含有烷基酚乙氧基化物的非离子型乳化剂混合。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述的乳化剂含有烷基酚乙氧基化物。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述的润滑性能增强剂含有约0.001％～0.1％体积的聚硅氧烷。
24.权利要求17所述的方法，其中所述的添加剂含有高达0.3％体积的二羟乙基牛脂甘氨酸酯。
25.根据权利要求14所述的方法，其中所述的含碳燃料为汽油。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述的碳燃料为柴油。
27.根据权利要求14所述的方法，其中所述的含碳燃料为直馏汽油。
28.根据权利要求13所制备的燃料。
29.根据权利要求21所制备的燃料。
30.根据权利要求22所制备的燃料。
31.根据权利要求23所制备的燃料。
32.根据权利要求24所制备的燃料。
33.根据权利要求25所制备的燃料。
34.根据权利要求26所制备的燃料。
35.根据权利要求27所制备的燃料。
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