CN1255185A - 用于燃料输入的分子反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于生产高度易燃燃料的设备,该设备包括一个保持在负压状态下的反应器室腔(12),一个用于在压力下将雾化燃料喷入反应器室腔(12)形成雾化液滴的喷嘴(22),一个将空气引入反应器室腔(12)在反应器区域(20)与雾化燃料混合的喷嘴(34),用于提供高压电势差的装置,该装置包括至少一个装在反应区(20)的用于向雾化燃料提供电荷和向内燃机歧管提供空气的电极(38)。

Description

用于燃料输入的分子反应器

技术领域

本发明涉及用于燃料输入的分子反应器，更详细地说，本发明涉及对注入内燃机中的燃料和空气进行加工的方法和设备。

技术背景

将待批的PCT申请——由本申请人于1998年4月16日申请的“燃料及其制备方法”作为本发明的参考。在该申请中描述了加工方法和燃料。为此，论述了生产易燃燃料的方法，其中包含将气态烃类燃料暴露于电场或等离子体中，以生产比一般烃类燃料燃烧效果更好的燃料。

现有技术，包括1966年8月16日公开的Knight的美国专利3,266,783和1982年9月7日公开的Suzuki等的美国专利4,347,825，提出了将空气和燃料的混合物带上电荷。在Knight的专利中，带静电的雾滴据说被碎裂成亚微米级的大小。带电粒子相互排斥，并在气相中均匀分散。为了控制汽化器中空气和燃料混合物的运动和方向，还应该有电磁场。Suzuki等提出雾滴的带电以防止在燃料喷嘴的下流管壁上形成燃料的积聚。

上述两个例子都要使用电流，当出现可能的打火时，会危害到加工过程，这是特别要避免的。

发明的公开

本发明的目的是为机动车的发动机提供一种高度易燃的燃料，它要比传统的汽油和空气的混合物效率更高，并且尾气的污染更小。

本发明的一个进一步的目的是提供一种对燃料、气体和含氧气流进行再加工以使内燃机中燃料的燃烧更完全，并降低排放的反应器。

本发明的设备包括一个保持在负压状态下的反应器室腔；用于将燃料在负压状态下喷入反应器室腔的装置；用于将空气在负压状态下引入反应器室腔中，以与燃料在反应区中混合的装置；在反应器室腔中的反应区中的一对电极；以及用于在两个电极间产生高电压、低电流的电荷，以使燃料雾滴带电的装置。

在一种更特定的具体实施方式中，还提供了将产生的气体通入第二反应器室腔的装置，该第二反应器室腔包括第二反应区，用于将蒸气导入到带有从第一室腔来的气体的该反应区中的装置，用于向第二反应器室腔提供热量和负压的装置，一对电极，以及用于将第二反应器室腔产生的燃料导入内燃机歧管的装置。

在一种更特定的具体实施方式中，该装置包括向第一反应区提供热量的装置。

本发明的更特定的具体实施方式的方法包括下列步骤：在负压下将液体燃料喷雾到反应器室腔中；将空气导入到反应器室腔；将负电荷施加到反应器室腔中，从而产生一种中间燃料；将此中间燃料导入到第二反应器室腔中，再将蒸气也导入到装有中间燃料的第二反应器室腔中；从第二反应器室腔中去除不需要的电子并产生最终燃料；和将最终燃料导入到内燃机歧管中。

在本发明的技术中，将气态烃类燃料暴露于电场或等离子体中，尤其是暴露于电离势差、或紫外线辐射、微波辐射或激光中。

该暴露可以在气态载体流的存在下进行。例如，一种含氧载体流，如氧气和/或空气、氧气和/或空气和蒸气的混合物、或气态水蒸气。其它气态载体流包括氮气和惰性气体，例如氩和氦。

为了不受可燃烧燃料生产的机理的任何特定理论的制约，在一种理论中，假定电离势差或辐射将气态烃类燃料激活成为高能状态；特别是对于燃料的烃类分子或离子，可以认为其处于电子激活状态，在此状态下，烃类燃料的燃烧性能比非激活状态更易反应、更加敏感。

另外一种理论认为本发明方法将雾化燃料分成极其微小的气溶胶颗粒，其颗粒大小比用普通的汽化器或燃料注入装置系统所形成的颗粒更细小得多。当形成这种条件时，雾滴的颗粒在强力的带电荷条件下开始形成。这是一个亚稳条件，通过内在的库仑斥力的作用，导致带高电雾滴立刻发生分裂，并且形成更细小的颗粒，其中每一个颗粒都带有原雾滴初始电荷的一部分。然后，这些二次形成的雾滴很快地像以前一样分裂和分散，如此反复，直到燃料-空气混合物进入到燃烧室并点火。这些燃料颗粒间的静电斥力防止雾滴聚成更大的颗粒。从而使进入到燃烧室中雾滴的尺寸比普通汽化器或燃料注入装置系统所形成的雾滴的尺寸更小。由于在燃烧室中燃料的燃烧发生在燃料颗粒的表面，因此其燃烧速率由燃料颗粒的表面积决定。在由普通的汽化器或燃料注入装置系统所形成的正常尺寸的雾滴被当作废气排出之前，其在发动机高速运转时的燃烧不完全。因此如果雾滴的尺寸大，燃烧的完全性就受到了威胁。另一方面，在本发明中观察到，极其微小颗粒的分散体为燃烧提供了急剧增加的表面积，使得燃烧更加完全，从而降低了一氧化碳和不完全燃烧的烃类气体的排放。

气溶胶雾滴上电荷的存在使得燃料分散体更容易燃烧，特别是当雾滴带有负电荷时，更加明显，因为负电荷雾滴具有增加对氧化作用的亲和力。

也有可能但不确定的是，这种激活状态或烃类分子的带电雾滴或离子可能会受到气态载体流的限制，特别是当载体流为含氧流体时，例如将含氧流体和带电雾滴形成一种加合物。

在上面提到的一般方法中的一个具体方法中，将一种气态的含氧流体引入到保持在真空状态下的气态的烃类燃料气氛中。

适宜的气态的含氧流体是氧气和/或空气，或氧气和/或空气和蒸气的混合物或气态水蒸气。

适宜的烃类燃料是所理解的各种级别的汽油发动机燃料汽油；烃类燃料也可以是柴油、天然气或丙烷。

通过蒸发液态烃类燃料形成气态烃类燃料的气氛是较方便的。例如，汽油可以在真空或较小压力的室腔内形成气态。利用真空装置容易使液态烃类燃料形成气态。适宜的真空状态是负压为3到28，优选10到28英寸汞柱。当在较小压力下进行蒸发时，适宜的压力约为15到16磅/平方英寸，相对于此压力，并且在达到但不超过燃料的闪点的温度下形成气态。试验温度可以增加到烃类燃料的闪点温度，但不超过闪点温度，不然所述燃料会发生爆炸，造成对实验人员的伤害。

蒸发作用适宜在高温下进行，合适的温度为250°F到450°F(121℃到232°C)，更合适的温度是350°F到410°F(177℃到210℃)。压力可以从真空、部分真空到稍微有些正压，可以是0-16磅/平方英寸。

适宜的是将气态含氧流体连续地引入到室腔的热气氛中，并将所形成的易燃燃料连续地从该室腔中抽出，并输送到内燃机的汽缸中，优选在易燃燃料形成的5分钟内进行输送，更优选在其形成的几毫秒内输送到内燃机的汽缸中。

穿过含有含氧流体的烃类燃料气氛所形成的电离势差适合的是200-8000伏，更普遍为600-5000伏。所述电离势差是由一对空间上有一定间距的电极产生的，该电极周围为上面提到的气氛。所述电极之间的间距为使由所施用的电势差而在两电极间产生电流最小，通常电流的大小为0.2到0.8微安之间。在本发明所描述的试验装置中，测定的平均电流为0.5微安。应该注意到，电极的面积及其形状也将影响电流。在电极间或与装置的任何部件不能发生电弧作用。

在用于进行本发明所使用的反应器中，将一个电极安装在反应器内，而另一个电极可以是反应器的器壁。

在一个特别的具体实施方式中，将烃类燃料从喷嘴喷入室腔，并将含氧流体单独引入到该室腔，而电势差特别地在喷嘴和所述室腔的一个室壁间建立以产生带负电荷的燃料雾滴。在该具体实施方式中，喷嘴起一个电极的作用。

在优选的具体实施方式中，将空气用作气态含氧流体，所使用的空气和气态烃类燃料体积比为10到30∶1，优选12到17∶1。

易燃燃料可以直接供给到内燃机的汽缸当中，而无需使用汽化器、阻风门或喷入系统。也可以通过将所述燃料在冷凝条件下，如冷却，形成易燃燃料的冷凝物。

气态的易燃燃料不要求其具有长期的稳定性，因为该燃料是按需要正常形成的，并且通常在其产生后几毫秒内，就被连续地燃烧掉。大约10分钟后该气态燃料就变成液态。

附图的简要介绍

上面已经对本发明的特征做了介绍，下面将参考相应的附图对一个优选的具体实施方式进行说明，其中：

附图1是本发明装置的一个具体实施方式的沿横向的垂直断面附图；

附图2是本发明装置的垂直剖视附图；

附图3是沿着附图1线3-3的水平剖视附图；

附图4a是表示本发明的一个详细的线路附图；

附图4b是附图4a所表示的详附图的一个进一步的具体实施方式的线路附图；

附图5是表示本发明的一个更详细的线路附图；

附图6也是表示本发明的一个更详细的线路附图；

附图7是表示本发明的一个更详细的线路附图；

附图8是本发明的一个详细的局部上视附图；

附图9表示的是用于本发明反应器的一个进一步具体实施方式的反应器装置示意附图；

附图10表示的也是用于本发明反应器的一个进一步具体实施方式的反应器装置示意附图；

附图11表示的也是用于本发明反应器的一个进一步具体实施方式的反应器装置示意附图。

实施本发明的方式

下面参照附图，特别是附图1到3，显示具有在两端带有端盖14和16的一个箱盒12的反应器10，和一个汽缸中心反应器室腔18。在该汽缸中心反应器室腔18内是反应区20。从箱盒12的一端，沿横向进入中心反应器室腔18的是带有一个微米过滤器24的燃料喷嘴22，和连接到喷嘴连接器26上的燃料管28，该燃料管28与储罐30和高压泵32相连。

箱盒12横向的另一端是空气入口34。空气通过空气过滤器36过滤，以燃料喷嘴22的相反方向注入到反应区20。一对铜的电极38和40用Viton绝缘材料42与反应器10的箱盒12相绝缘。电极38和40带有同样的电荷，在此例中皆为负电荷。

Viton绝缘材料42和电极38、40通过导线与电源42相连，如附图4所示。此外电源也可以由可变电源提供，可以给电极提供1000到10000伏的直流电压。

冷凝器和热交换器46在反应器室腔18的底部，同时出口48可以将反应器底部的液态冷凝燃料直接排到再循环燃料储罐50中。箱盒12包含一个硬化的硝酸处理过的铬质壳，该壳外包一层陶瓷棉的绝缘层。加热元件52可以放在该箱盒中，或者也可以是环绕该箱盒12的一个夹层，并用紧固件54固定。在此例中反应器室腔18中的温度保持在250°F。正极导线座56和负极导线座58通过自动调温器60连接到加热件52上。

从附图1和2可以看出，导管62、64连接着第一反应器室腔18和第二反应器室腔66，将在下面描述。

反应区20通过真空出口65由内燃机(未画出)产生的真空作用而保持在负压状态。

附图4a表示的是电源及与附图2中导线39、41的相连。附图4a中的电源可以产生高达-900伏的直流电源。在一个实施例中，附图4b中的电压四倍器已被附图4a中的线路所代替，四倍器可以将输出电压增加到-1980伏直流电压。

在运转时，当点火开关68打开时，燃料储罐30中的燃料在泵32的作用下，通过喷嘴22直接进入到反应区20。同时，空气通过空气入口34以与喷雾或雾化的燃料相反的方向进入反应区20。通过电极38和40装置将反应区20中的负电子除去，以产生新的燃料混合物。该燃料与空气之比可以在14∶1至30∶1之间，但更优选14.7∶1。

通过导管62、64将混合物排入到第二反应器室腔66。

并不是所有的燃料都将在所述室腔中发生反应，燃料由冷凝器46冷凝为液体，并由排出口48排到再循环燃料储罐50内。

燃料储罐50有一个液面控制装置，该液面控制装置包括一个液体扇形稳定器70，以便红外线液面指示器72和74能精确地确定该储罐中燃料液面的高度。红外线指示器72指示的是储罐50中的高液位，红外线指示器74指示的是储罐中的低液位。

高液位指示器72与门式特罗耳液位调节器76相连，如附图5所示。在这种情况下，高液位指示器72，在线路附图中，与端点S1通过导线78a相连。低液位指示器74通过导线78b也连接到门式特罗耳液位调节器76上的端点S2上。

从所述线路附图上可以看出，为了使线路接通，端点S2和指示器74必须检测储罐中的液体。当液体的液位到达指示器72的液面时，液体开始排出。储罐中50带有一个排出阀和一个由燃料冷却装置11环绕着的输送管。通过在门式特罗耳液位调节器系统15中的线路决定的开关，当阀打开时，燃料在抽空泵16的作用下抽至储罐31中。

附图7所示的是门式特罗耳液位调节器76上端点S1、S2的详细线路附图。从附图7可以看出，液位传感器S1和S2可以是Honeywell制造的，也可以是如附图所示的常规设计。

附图6所示的是用在门式控制器组件上的继电驱动器的详附图，两者都在特罗耳液位调节器系统15中。

第二反应器室腔66包括一个汽缸室80。第一反应器12排出的物料经过导管48和涡旋体87进入到第二反应器室腔66。负电极84和86固定在第二反应器室腔66内用以除去第二反应器室腔66中气态燃料上的负电子。反应器室腔81保持在高温和负压状态下。在一个实施例中，观测到的温度为135°F。

蒸气发生器88将蒸气注入到第二反应器室腔66内，以便加强具有燃料和空气组合物的第二反应。与蒸气发生器88相连的是高压泵89和控制装置90。高压泵89将蒸馏水从蒸馏水容器92中泵出。单向阀94装在容器92上。高压电磁阀96可以通过电注入系统使蒸馏水进入到蒸气发生器88内。当环境温度低于凝固点时，容器92内备用的甲醇可以防止凝固。

吸入歧管和再循环燃料储罐50的支撑装有连接支座98。在附图8和附图1中还画出了连接支座98的开口99。

从第二反应器室腔66排出的燃料通过内燃机的歧管被抽到发动机的燃烧室中。激励器系统(未画出)决定着节流板的开启与关闭和产生燃料的反应器室腔的操作。

附图9到11所示的是第一反应器的各种具体实施方式，这在1998年4月16日提交的待批PCT申请中已经叙述。

参考附图9，反应器部件100包括一个反应器102、燃料供给器104和连接到发动机108上的燃料管106。

反应器102包括一个室腔110，与喷嘴114相连的燃料输送管112，喷嘴114安装在室腔110上的出入口118的电绝缘套管116上。室腔102有一个空气入口120和一个燃料出口122。

加热元件124缠绕在室腔110上，电压电源126连接在室腔110的一个壁128和管112之间，以使管112和壁128形成有一定间距的电极，其中间形成了连续的电离直流电势差。

真空表130测量室腔110内的真空度，热电偶表132测量由热元件124产生的反应器102内的温度。

进料管134为室腔110提供空气或氧气，流量由流量阀136控制。

燃料罐(未画出)的燃料供给104和燃料输送管112相连。

输出燃料管线106与第二反应器相连，如附图1到3所示。

反应器102还包括一个与输出的再循环燃料储罐在附图1和2中为50相连的出口管线160。

再参考附图10，表示的包括反应器202的部件200。

反应器202有一个室腔210和输送管212端点的喷嘴214，输送管212位于室腔210的壁264的一端。电极266固定在穿过壁228的电绝缘套管268中。部件200的其它零件与附图9中部件100的零件相对应，只不过其数字标号比部件100零件的标号相应地增加100。在这种情况下，连续的电离直流电势差由电极266和壁228间的电压源226确定。

再看一下参考附图11，表示的是包括有反应器302的部件300。

反应器302有一个室腔310和输送管312末端的喷嘴314，输送管312位于室腔310的壁364的一端。将较长的金属棒366延伸到室腔310的内部，并固定在室腔310的壁328的电绝缘套管368中。棒366的入口端370与喷嘴314在空间上相对分离，因而，当燃料由喷嘴314喷入到室腔310内时，燃料在棒366周围流动。

电压源326连接在棒366和室腔壁328之间。在这种情况下，连续的电离直流电势差由电极366和壁328间的电压源326确定。部件300的其它零件与附图9中部件100的零件相对应，只不过其数字标号比部件100零件的标号相应地增加200。

在操作带有反应器102、202、302的反应部件100时，用泵将燃料从燃料储罐泵送到燃料输送管112、212或312，并将燃料从喷雾的喷嘴114、214或314喷入到室腔110、210、310内。

电压电源126、226或326产生的直流高压电势差通常为3000伏，加热元件124、224、324在室腔110、210或310内产生的高温通常为400°F(204°C)。

管线134将空气输送到室腔110、210、310内。

高压电势差和高温在室腔110、210或310内产生的细小分散的带电燃料雾滴，电机108带动真空泵158，通过燃料出口122、222、322和第二反应器(未画出)，将带电燃料雾滴和空气，通过管线134从室腔110、210或310内抽出。

Claims (7)

1.一种生产高度易燃燃料的设备，该设备包括一个保持在负压状态下的反应器室腔；在压力作用下将雾化的燃料喷入反应器室腔形成雾滴的装置；将含氧气体导入到反应器室腔，并在反应区内和雾化燃料混合的装置；提供高压电势差的装置，包括至少一个固定在反应区内的电极，以便为雾滴提供电荷；以及将生成的燃料雾滴和含氧气体输送到内燃机歧管中的装置。

2.如权利要求1所述一种生产高度易燃燃料的设备，其特征在于所述反应器室腔是保持在负压和热状态下的第一反应器室腔；将生成气体输送到保持负压和热状态下的第二反应器室腔中的装置，而第二反应器室腔包含一个第二反应区；将蒸气输送到带有从第一反应器室腔中来的气体的第二反应区中的装置，在第二反应区中至少有一个电极；以及将第二反应器室腔中生成的燃料气体输送到内燃机歧管中的装置。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述直流电势差在900到10000伏之间。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述直流电势差在200到8000伏之间。

5.如权利要求1、2、3或4所述的设备，其特征在于反应器的温度保持在250°F到450°F之间的高温。

6.如权利要求1所述的设备，其中电极带有负电荷，第一个电极也是燃料喷嘴，第二个电极是组成反应器室腔的一个壁，在该两个电极之间形成了一个电场。

7.一种生产高度易燃燃料的设备，该设备包括将液体燃料喷入到保持在负压和热状态下的室腔中的装置；将空气注入到所述室腔中的装置；在室腔中应用电能生成中间燃料产品的装置；将中间燃料产品输送到第二反应器室腔中的装置；将蒸气输送到带有中间燃料产品的第二反应器室腔中的装置；将电能输送到第二反应器室腔中以生成最终的高度易燃燃料的装置；以及立刻将所述的最终的高度易燃燃料输送到内燃机歧管中的装置。

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