PL179945B1

PL179945B1 - Aqueous fuel for internal combustion engines and method of obtaining same

Info

Publication number: PL179945B1
Application number: PL95316690A
Authority: PL
Inventors: Rudolf W Gunnerman
Original assignee: Rudolf W Gunnerman
Priority date: 1994-04-04
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 2000-11-30
Also published as: NO964163D0; KR970702351A; RO119312B1; MD1883B2; IL113176A; SK126296A3; FI963957A0; EP0754214A4; AU687189B2; EP0754214A1; CZ291696A3; MY115345A; ATE231907T1; BG100888A; NO317238B1; HU217788B; MD1883C2; JPH09511540A; BG63466B1; ZA952753B

Abstract

1. Paliwo do silnika wewnetrznego spalania, zasadniczo niepalne poza silnikiem, trwale, nadajace sie do przechowywania, znamienne tym, ze stanowi ciekla emulsje o co najmniej dwu fazach, zawierajaca 20-80% objetosciowych wody, paliwo weglowe wybrane z grupy obe- jmujacej benzyne, benzyne z pierwszej destylacji, paliwo naftowe, paliwo do silników wysokopreznych, gazowe zawierajace wegiel paliwo, syntetyczne paliwa weglowe, oleje pochodzace z biomasy i ich mieszaniny, od okolo 2 do ponizej 20% objetosciowych alkoholu i okolo 0,3-1% objetosciowych niejonowego emulgatora, przy czym powstala emulsja jest standardowa emulsja typu o/w z woda jako ciagla faza zewnetrzna. 14. Sposób wytwarzania paliwa do silnika wewnetrznego spalania, zasadniczo niepalnego poza silnikiem, trwalego, nadajacego sie do przechowywania, stanowiacego ciekla emulsje o co najmniej dwu fazach zawierajaca 20 do 80% objetosciowych wody, paliwo weglowe wybrane z grupy obejmujacej benzyne, benzyne z pierwszej destylacji, paliwo naftowe, paliwo do silników wysokopreznych, gazowe za- wierajace wegiel paliwo, syntetyczne paliwa weglowe, oleje pochodzace z biomasy i ich mieszaniny, od okolo 2 do ponizej 20% objeto- sciowych alkoholu i okolo 0,3-1% objetosciowych niejonowego emulgatora, przy czym powstala emulsja jest trwala przez co naj- mniej trzy miesiace i jest standardowa emulsja typu o/w z woda jako ciagla faza zewnetrzna znamienny tym, ze (a) wytwarza sie mieszanine paliwa weglowego i , (b) laczy sie 20-80% objetosciowych wody z mieszanina z etapu (a) i od 2 do ponizej 20% alkoholu, oraz (c) laczy sie mieszaniny z etapów (a) i (b) i dokladnie miesza sie powstala mieszanine w stopniu wystar- czajacym dla wytworzenia trwalej, nadajacej sie do przechowywania mieszaniny. Dodatek do paliwa wodnego do silnika wewnetrznego spalania, znamienny tym, ze zawiera objetosciowo okolo 0,3-0,1 % emulgatora, od okolo 0,001 do 0,1% srodka polepszajacego smarnosc i okolo 0,001-0,3% dodatku polepszajacego odpornosc na rozdzielanie sie faz w temperaturze powyzej okolo 77°C. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest paliwo do silnika wewnętrznego spalania, sposób wytwarzania paliwa i dodatek do paliwa. Paliwo to stanowi wodne paliwo nadające się do spalania w komorze (-rach) spalania silnika wewnętrznego spalania stosowanego w pojazdach silnikowych, a zwłaszcza wodne paliwo, które można spalać w silniku wewnętrznego spalania, w którym komora(-y) spalania zawiera(-ją) wytwarzający wodór katalizator, taki jak ujawniony w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114.

Jak wskazuje opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114, istnieje zapotrzebowanie na paliwa mogące zastąpić paliwo do silników wysokoprężnych i benzynę w silnikach wewnętrznego spalania, szczególnie silnikach stosowanych w pojazdach silnikowych. Silniki wewnętrznego spalania, takie jak silniki pracujące na benzynie i paliwie do silników wysokoprężnych, wytwarzają niedopuszczalnie wielkie ilości zanieczyszczeń, niebezpiecznych dla ludzkiego zdrowia i mogących zaszkodzić ziemskiej atmosferze. Szkodliwy wpływ takich substancji zanieczyszczających na stan zdrowia i atmosferę jest przedmiotem wielkiej publicznej dyskusji. Niepożądane substancje zanieczyszczające powstająze spalania paliwa węglowego z powietrzem zawierającym azot. Spalanie znanych paliw z powietrzem w znanych silnikach i względnie niepełne spalanie takich paliw to podstawowe powody wydzielania szkodliwych ilości substancji zanieczyszczających przez pojazdy z silnikami wewnętrznego spalania.

Odkryto nowe wodne paliwo i sposób jego wytwarzania, które to paliwo, umożliwiając zmniejszenie ilości zanieczyszczeń wytwarzanych przez silniki wewnętrznego spalania, w tym silniki z zapłonem elektrycznym i silniki wysokoprężne, jest także trwałe, nadaje się do przechowywania i jest zasadniczo niepalne poza silnikiem wewnętrznego spalania. Nowe paliwo stanowi ciekłą emulsję o co najmniej dwu fazach, zawierającą20-80% objętościowych wody i paliwo węglowe, korzystnie 40-60% paliwa węglowego, ajeszcze korzystniej paliwo węglowe wybrane z grupy obejmującej benzynę, „benzynę z pierwszej destylacji”, paliwa naftowe, paliwa do silników wysokoprężnych, gazowe zawierające węgiel paliwa i ich mieszaniny, oraz od około 2 do poniżej 20% objętościowych alkoholu, korzystnie od 2 do około 10%, i około 0,3-1% objętościowych niejonowego emulgatora, korzystnie około 0,5-0,7%. Jak wiadomo fachowcom, „benzyna pierwszej destylacji”, znana też jako „ciężka benzyna z destylacji atmosferycznej”, jest produktem pierwszego frakcj onowania ropy naftowej przy wytwarzaniu znanych produktów benzynowych. Paliwo węglowe może oprócz węglowych paliw kopalnych zawierać węglowe produkty syntetyczne, a także oleje z biomasy. Emulsja jest standardową emulsją typu olej w wodzie („o/w”) z wodą jako zewnętrzną ciągłą fazą. Trzecią fazę może tworzyć składnik alkoholowy. Korzystnie można także dołączyć środek polepszający smamość paliwa i/lub dodatek polepszający odporność na rozdzielanie się faz przy ogrzewaniu. Korzystne środki polepszające smarność obejmują związki zawierające silikon, służące też jako środki przeciw pienieniu i/lub przeciw rdzewieniu.

Sposób wytwarzania nowego paliwa jest bardzo istotny. Wytwarza się je mieszając najpierw ze sobą paliwo węglowe i emulgator, z wytworzeniem mieszaniny alkoholu i wody, przez oddzielne dodanie alkoholu, np. etanolu, metanolu, itp., do wody i dodanie mieszaniny woda-alkohol

179 945 do wcześniej wytworzonej mieszaniny paliwo-emulgator, z wytworzeniem mieszaniny paliwa węglowego z 20-80% objętościowych wody i około 0,3-1% objętościowych emulgatora. Alternatywnie, wodę i alkohol można dodać oddzielnie do wcześniej utworzonej mieszaniny paliwa węglowego i emulgatora. Powstałą mieszaninę energicznie miesza się, przy czym mieszanie trzeba prowadzić tak, by było wystarczające dla powstania trwałego, nadającego się do przechowywania paliwa. Gdy paliwo ma zawierać środek polepszający smamość paliwa i/lub dodatek utrudniający rozdzielanie się faz w podwyższonej temperaturze, środki takie dodaje się do mieszaniny paliwa, emulgatora, alkoholu i wody przed etapem intensywnego mieszania. Korzystne kompozycje paliwowe sporządza się z benzyny lub paliwa do silników wysokoprężnych. Wersję z benzyną i paliwem do silników wysokoprężnych nazywa się tutaj symbolami odpowiednio „A-55” i „D-55”, oraz ciężką benzynę z wodą. A-55 i D-55 zawierają, odpowiednio, nominalnie około 51% objętościowych wody, około 48,5% benzyny i około 0,5% emulgatora; oraz około 47% objętościowych wody, około 52,5% oleju napędowego i około 0,5% emulgatora. Inną korzystną kompozycję paliwową można wytworzyć z benzyny z pierwszej destylacji. Ciężka benzyna z wodą zawiera, nominalnie, wodę i około 40% ciężkiej benzyny. Korzystnie stosuje się dejonizowaną wodę, a najkorzystniej dejonizowaną wodę przesączoną przez węgiel drzewny. Paliwo węglowe występuje w ilości od około 20% do około 80%, a korzystnie od około 40% do około 60% objętościowych.

Stosowane tu określenie „silnik wewnętrznego spalania” ma odnosić się do dowolnego silnika, w którym paliwo węglowe spala się z tlenem w jednej lub wielu komorach spalania silnika. Obecnie znane silniki tego rodzaju obejmują silniki tłokowe, silniki obrotowe i silniki turbinowe (odrzutowe), z zapłonem elektrycznym i kompresyjne, np. silniki wysokoprężne.

Figura 1 jest wykresem pokazującym zależność pomiędzy ciśnieniem w cylindrach i objętością dla tradycyjnego paliwa do silników wysokoprężnych i dla „D-55”;

Figura 2 jest wykresem ukazującym porównanie ciśnienia w cylindrach i kąta wyprzedzenia zapłonu dla paliwa do silników wysokoprężnych i „D-55”; a

Figura 3 jest wykresem pokazującym łączne uwalnianie ciepła z paliwa do silników wysokoprężnych i „D-55” w zależności od kąta wyprzedzenia zapłonu.

Nowe wodne paliwo według niniejszego wynalazku ma mniejszą energię potencjalną niż wartość opałowa (J) paliwa węglowego, a tym niemniej jest w stanie rozwinąć co najmniej taką samą moc. Np. wodne paliwo według wynalazku zawierające zemulgowaną mieszaninę wody i benzyny ma około 1/3 energii potencjalnej (J) benzyny, ale przy stosowaniu w silniku wewnętrznego spalania wytworzy w przybliżeniu tak wielką moc, jak taka sama ilość benzyny. Jest to w istocie zaskakujące i, chociaż jest to całkowicie niezrozumiałe i nie związane z żadną teorią, przypuszcza się, że dzieje się tak dzięki nowej mieszaninie paliwowej, w której zachodzi uwalnianie wodoru i tlenu i spalanie wodoru, gdy nowe wodne paliwo wprowadza się do komory spalania silnika wewnętrznego spalania i spala z powietrzem w obecności wytwarzającego wodór katalizatora, np. w sposób i w układzie opisanym w moim opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114. Termin „wytwarzający wodór katalizator” stosuje się tu wjego najszerszym sensie. Katalizator ogólnie definiuje się jako substancję, która powoduje lub zwiększa oddziaływanie pomiędzy dwiema lub wieloma siłami, nie ulęgając przy tym zmianom. Stosując nowe wodne paliwo do spalania w silniku wewnętrznego spalania ustalono, że w nieobecności tej substancji w komorze spalania, spalanie wodnego paliwa nie zachodzi w sposób umożliwiający wytworzenia żądanej temperatury lub mocy koniecznej dla działania silnika wewnętrznego spalania. Przydatne katalizatory ujawniono w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114.

Ponadto, nie zamierzając wiązać się z żadną teorią, sądzi się, że w chwili zapłonu, takiego jak przeskok iskry elektrycznej lub sprężenie w komorze spalania w obecności prętów utworzonych z wytwarzającego wodór katalizatora, wydaje się zachodzić dysocjacja cząsteczek wody, w wyniku spalania się węglowego składnika wodnego paliwa w czasie suwu sprężania, co wraz ze spalaniem uwolnionego wodoru dostarcza mocy do funkcjonowania silnika.

179 945

W silnikach z zapłonem elektrycznym można do zapalania paliwa w komorze spalania stosować normalną iskrę standardowego systemu zapłonowego pojazdu samochodowego wytwarzającego napięcie około 25000 do 28000 V, jednak korzystniej jest wytwarzać iskrę o wyższej temperaturze, np. iskrę generowanąnapięciem około 35000 V. Dostępne są systemy elektrycznego zapłonu o napięciu do 90000 V, i wydaje się, że przy wyższym napięciu lepiej zachodzi dysocjacja cząsteczek wody w komorze spalania.

Chociaż przydatne paliwo do opisanego wyżej celu ujawniono w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 5156114, niniejszy wynalazek jest wynikiem wysiłków dalszej optymalizacji wodnego paliwa do spalania w komorze spalania silnika wewnętrznego spalania wyposażonego w wytwarzające wodór katalizatory. Paliwo według niniejszego wynalazku jest trwałe, można je przechowywać, i zasadniczo jest niepalne poza silnikiem. Testy przykładania lampy lutowniczej do paliwa wykazały zasadniczą niepalność nowego paliwa, co wynika z właściwości samego paliwa i sposobu jego wytwarzania dającego emulsję zawierającą wodę jako zewnętrzną fazę ciągłą. Chociaż może się pojawić krótki początkowy błysk, gdy składnik alkoholowy obecny w ilości około 5% lub większej ulega zapłonowi, samo paliwo staje się następnie samogasnące i niepalne. Punkt zapłonu staje się znacznie wyższy od punktu zapłonu węglowodoru, to jest paliwa węglowego, z nowego paliwa. Np. punkty zapłonu benzyny i oleju napędowego wynoszą odpowiednio około 43°C i 49°C, a po zapłonie alkoholu, punkty zapłonu paliwa zawierającego benzynę i olej napędowy wynoszą odpowiednio około 138°C i około 149°C.

Obecnie sądzi się, że powód, dla którego wodne paliwo według niniejszego wynalazku może dawać zadowalające wyniki w silniku wewnętrznego spalania, jest taki, że w czasie pracy urządzenia według wynalazku wodór i tlen sąprawdopodobnie wydzielane w komorze spalania, jak powiedziano wyżej. Wodór i tlen pochodzą z dysocjacj i cząsteczek wody, a wodór spala się wraz z węglowym paliwem z wodnej mieszaniny. Wskutek tego osiąga się porównywalną moc wyjściową silnika przy mniejszej ilości paliwa węglowego i mniejszej ilości spalanego powietrza, niż to jest możliwe w przypadku znanego spalania tego samego paliwa węglowego z większymi ilościami powietrza.

Należy następnie zauważyć, że przy stosowaniu wodnego paliwa według niniejszego wynalazku, składnik wodny wyparowuje jako para wodna do komory spalania. Para wodna rozpręża się w stopniu większym niż powietrze i komora spalania może zostać odpowiednio wypełniona przy mniejszej ilości powietrza do spalania. Tak więc dzięki przekształcaniu w parę wodną składnik wodny paliwa ekspanduje w komorze spalania i zastępuje część powietrza do spalania używanego w czasie spalania znanego paliwa w komorze spalania silnika. Ekspansja pary wodnej wraz ze spalaniem paliwa węglowego i wodoru uwalnianego przez dysocjację cząsteczek wody pozwala na osiąganie mocy wyjściowej wystarczającej dla zadowalającej pracy silnika.

Należy także zauważyć, że ponieważ wodór i tlen są obecne w mieszaninie paliwowej spalanej w komorze spalania silnika wewnętrznego spalania według wynalazku, mogą wystąpić okoliczności, w których za mała ilość wody w wodnym paliwie będzie niezadowalająca. Np. gdy paliwo węglowe samo daje zbyt małą moc wyjściową, to jest ma niską energię potencjalną na jednostkę objętości, pożądane będzie stosowanie większych ilości wody, ponieważ uwalnianie wodoru i tlenu przez dysocjację cząsteczek wody i spalanie wodoru będzie przydatne do podwyższenia łącznej mocy wyjściowej mieszaniny paliwa węglowego i wody. Z tego powodu ustala się 20% jak pożyteczną, praktyczną minimalną dolną granicę ilości wody w wodnej mieszaninie paliwowej według niniejszego wynalazku, aby większą liczbę różnorodnych paliw węglowych objąć zakresem wynalazku. Gómągranicę 80% wody ustala się, ponieważ minimalna ilość gazowego lub ciekłego paliwa węglowego jest konieczna do inicjalizacji reakcji. Iskra generowana w komorze spalania lub ciśnienie powodują dysocjację cząsteczek wody w komorze spalania. Określono, że dla reakcji dysocjacji wody korzystna jest energia od 6962,4945 do 13924,989 MJ na m³ paliwa.

W korzystnej postaci, wodne paliwo według niniejszego wynalazku zawiera wodę w ilości od około 40% do około 60% objętościowych całkowitej objętości wodnego paliwa, i korzystnie

179 945 lotne ciekłe paliwo węglowe, takie jak paliwo wybrane z grupy obejmującej benzynę, benzynę z pierwszej destylacji, paliwo do silników wysokoprężnych, paliwo typu nafty, zawierające węgiel syntetyczne paliwa, oleje pochodzące z biomasy oraz ich mieszaniny. Alkohol dodaje się w celu obniżenia temperatury krzepnięcia paliwa i polepszenia odporności paliwa na rozdzielanie się na składniki. Konieczna jest także niewielka, lecz skuteczna ilość niejonowego emulgatora. Odkryto, że emulgator powinien być niejonowy, w przeciwieństwie do jonowego, ponieważ ten ostatni działa niezadowalająco przy twardej wodzie i powoduje powstawanie osadu w silniku. Niejonowe emulgatory grupuje się w trzech kategoriach: etoksylany alkilu, etoksylowane liniowe alkohole (takie jak stosowane w detergentach pralniczych) i alkiloglukozydy. Korzystnym emulgatorem jest „Igepal C0-630” (alkilofenoksypolialkohol, konkretnie, nonylofenoksypoli(etylenoksyetanol)) dostępny z Rhone-Poulenc, Inc., Princeton, New Jersey. Środki polepszające smamość paliwa węglowego sądobrze znane, a korzystne środki polepszające to związki zawierające silikon, takie jak poliorganosiloksany, np. „Rhodorsil Antifoam 416” dostępny z Rhone-Poulenc, który wykazuje także zdolność zapobiegania pienieniu. Ilość do około 0,03% objętościowych, korzystnie 0,001 do 0,03%, opisanego środka polepszającego smamość paliwa, okazała się skuteczna. Niekiedy może być pożądane wprowadzenie dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w podwyższonej temperaturze. W tym celu można stosować do około 0,1% objętościowych, korzystnie 0,001 do 0,1%, takiego dodatku jak glicynian dihydroksyetylołojowy, np., „Miratain” dostępny z Rhone-Poulenc.

Emulgator jest ważny, ponieważ ułatwia wytworzenie paliwa trwałego i nadającego się do przechowywania. Ustalono także, że kolejność dodawania i mieszania składników paliwa jest istotna dla uzyskania trwałości i przechowywalności. Np. ważne jest dodawanie emulgatora do paliwa węglowego przed dodaniem wody. Ważne jest także odrębne dodawanie alkoholu do wody przed wymieszaniem paliwa. Ponadto ilość wody i paliwa węglowego reguluje się tak, aby woda stanowiła zewnętrzną ciągłą fazę emulsji. Rozmiary i kształt cząstek wody można zmieniać przez modyfikację charakterystyki emulgatora, co pozwala także na poprawianie lepkości.

Zaskakującąkorzystnącechąkompozycjipaliwowej jest to, że silnik wewnętrznego spalania zużywający to paliwo jest zdolny do zimnego startu nawet w temperaturze tak niskiej jak -40°C. Wizualna ocena ścianek cylindra, tłoków, katalizatorów i świecy zapłonowej wskazuje na brak znaczącego odkładania węgla, utleniania lub wżerów. Silnik wewnętrznego spalania pracował na tym paliwie do 4000 obrotów na minutę bez widocznego spadku wydajności. Inną korzystną cechą paliwa jest znaczne zwiększenie liczby kilometrów na litr paliwa w porównaniu z wynikiem dla znanego paliwa węglowego, takiego jak olej napędowy lub benzyna, w porównywalnych warunkach pracy. Paliwo to jest niepalne i pojazdy wykorzystujące to paliwo wykazują podobne możliwości jezdne jak pojazdy napędzane tradycyjnymi paliwami węglowymi. Emisję można zredukować do 1/10 emisji będącej skutkiem użycia tradycyjnego paliwa, lub w jeszcze większym stopniu, a emisję CO₂ można zmniejszyć do połowy. Zaobserwowano, że emisja pary dla nowego paliwa jest o połowę niższa od emisji pary dla tradycyjnego paliwa. Nowe paliwo nie powoduj e gromadzenia się węgla w silniku, a przedłuża żywotność elementów silnika. Bardzo ważne jest, że paliwo jest zasadniczo niepalne poza silnikiem, co stanowi ważny krok w zapewnieniu bezpieczeństwa w porównaniu ze znanymi paliwami węglowymi zapalającymi się z łatwością. Ustalono także, że paliwo nie powoduje korozji gumy i metali żelaznych, a więc może być stosowane ze znanym orurowaniem i materiałami w pojazdach silnikowych. Taka kombinacja cech powoduje, że paliwo korzystnie można stosować we wszystkich pojazdach silnikowych, w tym ciężarówkach, pojazdach lądowych i samolotach.

Dalszą korzyścią wynikającą z wynalazku jest możliwość stosowania tanich, mniej pożądanych paliw węglowych. Np. w tradycyjnych benzynach zazwyczaj sąminimalne poziomy liczby oktanowej bliskie 90 i wartości ciśnienia par Reida („RVP”) 62,05x10³ Pa lub wyższe. W przeciwieństwie do tego według wynalazku można stosować paliwa o liczbach oktanowych mniejszych niż 75 i RVP tak niskim jak 6 lub mniej, a także benzyny z pierwszej destylacji. Takie węglowe paliwa nie byłyby przydatne w znanych silnikach wewnętrznego spalania.

179 945

W celu polepszenia smamości paliwa pożądane jest dodanie środka polepszającego, korzystnie środka polepszającego spalanie i smarującego oraz środka przeciw pienieniu. Stwierdzono, że zawierający silikon związek nie tylko polepsza smamość paliwa, lecz także ogranicza pienienie się paliwa, oraz wydaje się polepszać jego palność w komorze spalania.

Przydatne jest stosowanie środków będących zarazem środkami polepszającymi i przeciw pienieniu aby uniknąć dodawania w tym celu oddzielnych substancji.

Wodne paliwo według niniejszego wynalazku uważa się za przydatne do wszystkich silników wewnętrznego spalania, w tym znanych, napędzanych benzyną lub olejem napędowym silników wewnętrznego spalania do stosowania w samochodach, ciężarówkach itp., przy stosowaniu znanych gaźników lub systemów wtryskiwania paliwa, a także silnikach obrotowych i silnikach turbinowych (odrzutowych). Wynalazek wydaje się być także przydatny w przypad ku dowolnych silników, w których spala się lotne ciekłe lub gazowe paliwo węglowe z tlenem (O₂) w jednej lub wielu komorach spalania silnika.

Koniecznych jest kilka modyfikacji w celu przygotowania takich silników do pracy z paliwem według niniejszego wynalazku. Np. zgodnie z opisem patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr5156114, stosowanie wodnego paliwa wymaga zainstalowania wytwarzaj ącego wodór katalizatora w komorze lub komorach spalania silnika, takiego j ak opisany we wspomnianym opisie patentowym, działającego jako katalizator dysocjacji cząsteczek wody z wytworzeniem wodoru i tlenu. Ponadto można stosować dowolne odpowiednie urządzenie do dostarczania i kontrolowania procesu wprowadzania, ilości i przepływu powietrza i paliwa do komory spalania w celu osiągnięcia pożądanego optymalnego działania silnika. Należy tu zauważyć, że stosunek powietrze-paliwo jest znaczącym czynnikiem w procesie spalania w komorze (komorach). Pożądane jest także, z praktycznego punktu widzenia, aby układy dostarczania i przechowywania paliwa były wykonane z materiałów nierdzewnych. Korzystny jest także układ zapłonowy o wyższym napięciu iskry niż układ zwykle stosowany w silnikach wewnętrznego spalania z zapłonem elektrycznym pojazdów silnikowych na znane paliwa węglowe, np. benzynę. Układy wytwarzające „cieplejszą iskrę” są dostępne w handlu, np. z Chrysler Motor Company. Jako kolejnąmodyfikację optymalizującą sposób według wynalazku, pożądane jest wykorzystanie komputerowego systemu kontroli dostarczania paliwa do wtryskiwaczy paliwa lub innych układów dostarczania paliwa w czasie suwu ssania silnika wewnętrznego spalania.

Dysocjacja cząsteczek wody jako taka jest dobrze znana.

Np. termodynamikę i fuzykochemię dysocjacji wody/pary wodnej opisano w publikacjach Chemistry of Dissociated Water Yapor andRelatedSystems, M. Yinugopalan i R. A Jones (1968), John Wiley & Sons, Inc.; Physical Chemistry for Colleges, E.B. Mellard (1941), str. 340-344, opublikowanej przez McGraw-Hill Book Company, Inc., OxozAdvancedInorganic Chemistry, F. Albert Cotton i Geoffrey Wilkinson (1980), str. 215-228, przytoczonych tu jako źródła literaturowe.

Przykładowo wodne paliwo i powietrze do spalania można wprowadzać do gaźnika lub układu wtryskiwania paliwa w temperaturze otoczenia, a następnie można wprowadzać mieszaninę powietrze/paliwo do komory lub komór spalania, gdzie iskra ze świecy zapala mieszaninę powietrze/paliwo w znany sposób, gdy tłok komory spalania osiąga etap spalania cyklu spalania. Obecność wytwarzającego wodór katalizatora w komorze spalania powoduje działanie katalizujące dysocjację cząsteczek wody w wodnym paliwie, gdy świeca zapala mieszaninę powietrze/paliwo. Wodór i tlen uwalniany przez dysocjację ulega też zapłonowi w czasie spalania zwiększając ilość energii dostarczanej przez paliwo.

J ako iłustracj ę postaci sposobu wytwarzania paliwa można zastosować następuj ący sposób mieszania:

1. Wprowadzić żądaną objętość paliwa węglowego, np. oleju napędowego lub benzyny, do pojemnika.

2. Połączyć odmierzoną ilość emulgatora do oddzielnego pojemnika z pewną ilością paliwa do silników wysokoprężnych lub benzyny przy stosunku paliwo/emulgator około 1:1.

179 945

3. Zmieszać emulgator i paliwo do uzyskania jednorodnego koloru. Mieszanie obniża gęstość mieszaniny emulgatora, a procedura ta zapobiega przesiąkaniu emulgatora na dno pojemnika po dodaniu do pozostałego oleju lub benzyny.

4. Dodać mieszaninę emulgatora i oleju napędowego lub benzyny do pozostałego paliwa węglowego w celu połączenia i zmieszania.

5. W oddzielnym pojemniku połączyć alkohol i żądaną objętość wody. Korzystnie jest mieszać, np. mieszać mieszadłem mieszaninę alkohol-woda, np. przez około 15 do 30 sekund.

6. Połączyć mieszaninę alkohol-woda i mieszaninę emulgatora i paliwa i mieszać aż do uzyskania jednorodnego koloru.

7. Wymieszać całą mieszaninę, np. w hydraulicznym urządzeniu ścinającym lub pompie ścinającej, przy dogodnym ciśnieniu od 1447,95x10³ Pa do 1930,6x10³ Pa. Mieszanina otrzymana z tego urządzenia hydraulicznego lub tej pompy jest jednorodnie zabarwioną, np. mlecznobiałą, kompozycją paliwową.

Następujący przykład ilustruje wpływ emulgatora na kompozycję paliwową. Sporządzono testowe porcje w następujący sposób: wszystkie mieszaniny składały się z 8 części oleju napędowego i 6 części wody, a stężenie emulgatora wahało się pomiędzy 0,2 i 0,7% objętościowych w odstępach co 0,1%. Próbki każdej porcji pobrano po trzech przejściach przez hydrauliczne urządzenie ścinające.

Stwierdzono, że produkt o stężeniu emulgatora poniżej 0,5% był nietrwały, a produkty o stężeniu emulgatora 0,5% i 0,7% były równie trwałe.

W testach mieszaniny paliwowej o zmiennej zawartości alkoholu ustalono, że trwałość kompozycji jest dobra w obecności co najmniej 2% alkoholu. Na przeciwnym krańcu, mieszaniny paliwowe o 20% alkoholu wykazywały znaczące oddzielanie oleju napędowego, a nie wody.

Obserwacje temperatury krzepnięcia wykazały gwałtowne jej obniżenie ze wzrostem zawartości procentowej alkoholu, czego można się było spodziewać, a także, że wahania zawartości procentowej wody w mieszaninie mają mały wpływ na temperaturę krzepnięcia.

W konkretnych testach, paliwo o 0% alkoholu rozdzielało się całkowicie. Próbki w korzystnym zakresie od 2 do 10% alkoholu nigdy nie rozdzielały się po rozmrożeniu. Przy co najmniej 2% alkoholu rozdzielanie się faz nie zachodzi w dłuższych okresach, np. 6 miesięcy.

Przeprowadzono też testy mocy i odkryto, że występuje gwałtowny spadek mocy po pewnym wzroście procentowej zawartości wody. Moc spada także stopniowo ze wzrostem ilości alkoholu.

Zgodnie ze znaną wiedzą można by przewidywać, że te zmiany mocy są spowodowane zmianą wartości opałowej (J/m³ lub J/kg) paliwa. Jednakże tak nie jest. Analiza wkładu do wartości opałowej każdego składnika paliwa nie wyjaśnia tych anomalii.

Poniżej podano typową charakterystykę opisanych powyżej nominalnych kompozycji benzyny i paliwa do silników wysokoprężnych, w porównaniu ze standardowymi benzynąi paliwem do silników wysokoprężnych. „A-55” odnosi się do mieszaniny benzyna-paliwo, a „D-55” odnosi się do mieszaniny olej napędowy-paliwo. Za tymi tabelami znajduje się dodatkowa tabela porównująca ciężką benzynę i emulsję ciężką benzyna-woda.

179 945

Α-55	BENZYNA
Ciśnienie par Reida (Pa)	Ciśnienie par Reida (Pa)”
37,78 χ 10³	klasa lotności A - 62,05 χ 10³ klasa lotności E - 103,42 χ 10³
Temperatury destylacji (°C) przy procentowym odparowaniu	Temperatury destylacji (°C) przy procentowym odparowaniu
10%	10%
Test (6/92) - 63 Test (2/93) -56	klasa lotności A (max) - 70 klasa lotności E (max) -50
90% Test (6/92) - 99 Test (2/93) - 100	90% klasa lotności A (max) - 190 klasa lotności E (max) - 110
Punkt końcowy Test (6/92) - 127 Test (2/93) - 104	Punkt końcowy klasa lotności A (max) - 225 klasa lotności E (max) - 225
Gravity, API przy 15,5°C Test (6/92) - 33,2 Test (2/93) - 33,8	Gęstość przy 15,5°C* 0,713-0,739
J/kg (całkowite) Test (6/92) - 24420,557 Test (2/93) - 22729,563	J/kg (HHV)’“ 47124,535
J/kg (netto) Test (6/92) - 21980,595 Test (2/93) - 20182,605	J/kg (HHV)”‘ 43961,19
* Różnice pomiędzy testem 6/92 i testem 2/93 mogą być spowodowane w większej części stosowaniem nieutlenionej, niskojakościowej benzyny w teście 2/93 przy dodawaniu dodatków opisanych w tabeli „Typical Measurements and Mixing Procedurę” w rozdziale “Characteristics Comparison” zgłoszenia, co chroni paliwo przed mrozem w warunkach zimowych. Porównawcza informacja z Annual Book of ASTM Standards (1991). Porównawcza informacja z Markd Standard Handbookfor Mechanical Engineers, wyd. VIII, McGraw-Hill Inc. (New York 1978), str. 7-14 do 7-16.
D-55 (olej napędowy nr 2 jako podstawowe paliwo)	DIESEL (tylko olej napędowy nr 2 do porównania)
Gęstość, API dla 15,5°C 25,5	Gęstość, API dla 15,5°C’ 26-34
Punkt zapłonu (°C) 74	Punkt zapłonu (°C)’ 125 (min)
J/kg (całkowite) 28705,029	J/kg (HHV) (gęstość 30, API dla 15,5°C średnio) 45170,704
J/kg (netto) 26158,071	J/kg (LHV)” (gęstość 30, API dla 15,5°C średnio) 42449,297
Porównawcza informacja z Karl W. Stinsona Diesel Engineering Handbook, wyd. XII Edition, _<tDiesel Publications, Inc. (Stamford 1980), str. 33. Porównawcza informacja ibid., str. 38.

179 945

Ciśnienie par Reida, Pa 74,466 x 10	Ciśnienie par Reida, Pa 96,32 χ 10³
3 Zawartość ołowiu, g/m <0,22	Zawartość ołowiu, g/m³ <0,22
Siarka, prom. X, ppm - 0,02	Siarka, prom. X, ppm - 0,028
Gęstość, API dla 15,5°C - 40,1	Gęstość, API dla 15,5°C - 82,0
Żywica bez przemywania mg/100 ml- 122
Żywica z przemywaniem, mg/100 ml-293	Żywica z przemywaniem, mg/100 ml - 0,03
Odporność na tlen, minuty +240	Odporność na tlen, minuty + 240
Związki aromatyczne, % obj. - 4,2	Związki aromatyczne, % obj. - 2,7
Olefmy, % obj. - 0,0	Olefmy, % obj. - 0,0
Nasycone, % obj. - 95,8	Nasycone, % obj. - 97,3
J/kg (całkowite) - 18793,99	Destylacja, % odzysku, °C, temperatura wrzenia - 31

Mieszanie paliw A-55 i D-55

Jak wspomniano powyżej, właściwe mieszanie paliw A-55 lub D-55 jest ważne z punktu widzenia końcowej wartości paliwa. Niewłaściwe mieszanie może spowodować rozdzielanie się benzyny i składnika wodnego, co daje z kolei niestabilne warunki pracy silnika, podwyższające emisję i zmniejszające wydajność. W wyniku rozdzielania się paliwa może także pogorszyć się bezpieczeństwo przeciwpożarowe paliwa, co omówiono poniżej.

Pierwszym etapem właściwego mieszania jest zapewnienie porządku łączenia składników. Intensywność mieszania w tym etapie może być względnie niewielka, np. dostateczne będzie mieszanie ręczne przy sporządzaniu małych porcji paliwa A-55 lub D-55. Odmierzoną ilość emulsji dodaje się do odmierzonej ilości benzyny lub paliwa do silników wysokoprężnych. Dodawanie emulsji do wody najpierw spowoduje żelowanie emulsji, co znacznie utrudnia właściwy proces mieszania. Po dodaniu emulsji do benzyny lub oleju napędowego, należy całość łagodnie mieszać, aby emulsja zetknęła się z jak największąpowierzchnią benzyny lub oleju napędowego. Odmierzonąilość wody miesza się następnie z benzyną lub olejem napędowym i mieszaniną emulsji. W czasie dodawania wody do mieszaniny benzyny lub oleju napędowego mieszanina staje się mętna i ma barwę szarawą przy słabym mieszaniu.

Przy dodawaniu alkoholu, np., metanolu, w celu zabezpieczenia paliwa przed zamarzaniem, korzystnie odmierzoną ilość metanolu miesza się z wodą przed dodaniem wody do mieszaniny benzyny lub oleju napędowego i emulsji. Przy dodawaniu smarującego środka polepszającego i środka przeciw pienieniu zapobiegającego spienianiu w niektórych układach podawania paliwa, dla uzyskania dobrego wymieszania środek powinno się dodawać po zmieszaniu wszystkich innych składników w pierwszym etapie.

Poniżej podano przykład procedury mieszania przy wytwarzaniu 14,06 litra paliwa A-55:

1. Rozpocząć od 8 litrów benzyny,

2. Dodać 60 ml emulgatora do benzyny i mieszać łagodnie,

3. Dodać 300 ml etanolu do 6 litrów zdejonizowanej i przesączonej przez węgiel wody,

4. Dodać mieszaninę wody i metanolu do mieszaniny benzyny i emulgatora i mieszać do nieprzezroczystości i osiągnięcia szarawego koloru mieszaniny, a następnie

5. Dodać 5 kropli środkaprzeciwpienieniu/polepszającego smamość i mieszać łagodnie.

Składniki, połączone w ten sposób, są wówczas gotowe do drugiego etapu procesu mieszania. Drugi etap obejmuje cyrkulowanie paliwa przez pompę, aby składniki zmieszały się prawidłowo. Im większa pompa, to jest im większe ciśnienie ścinające w pompie, tym lepiej paliwo miesza się i pozostaje zmieszane. Np. gdy paliwo jest tylko zmieszane we względnie małej pompie, takiej

179 945 jak pompa paliwowa rozmiarów standardowych pomp paliwowych stosowanych w samochodach, w ciągu 3 miesięcy dojdzie do rozdzielenia. Z drugiej strony, pompa o pojemności 100 razy większej będzie utrzymywała paliwo w stanie wymieszanym bez rozdzielania przez ponad 3 miesiące. Eksperymenty wykazały, że paliwo zmieszane w małych pompach, niezależnie od liczby cyrkulacji, rozdzieli się w ciągu tygodni. Paliwo zmieszane w większej pompie pozostaje w stanie wymieszanym bez wykrywalnego rozdzielania przez ponad 3 miesiące.

Po odpowiednim zmieszaniu paliwo wykazuje zwykle cztery cechy: (1) jednorodne zabarwienie, zwykle mlecznobiałe; (2) powtarzalne odczyty gęstościomierza i wartości gęstości, inne niż dla zwykłej benzyny lub oleju napędowego, jak pokazano poniżej; (3) brak widocznego rozdzielania, zarówno w postaci warstwy benzyny lub oleju napędowego na powierzchni mieszaniny paliwowej, jak i plam benzyny lub oleju napędowego na powierzchni mieszaniny paliwowej; i (4) po odpowiednim zmieszaniu paliwo nie będzie się zapalało od lampy lutowniczej, jak opisano poniżej, poza początkowym rozbłyskiem przy wypalaniu się alkoholu.

Odczyty na gęstościomierzu dla każdego paliwa w temperaturze 15,5°C*
A-55 - odczyt 165	zwykła 87-oktanowa benzyna - odczyt ponad 200
D-55 - odczyt 130	zwykły olej napędowy nr 2 - odczyt 161
·« Gęstość każdego paliwa w temperaturze 15,5°C
A-55- 0,84	zwykła 87-oktanowa benzyna - 0,72
D-55 - 0,89 - 0,91	zwykły olej napędowy nr 2 - 0,84
Pomiar na skalowanym gęstościomierzu Prof i Tralle Pomiar na elektronicznym przyrządzie Ohaus 1500D

Stosowanie w A-55 lub D-55 w konkretnych warunkach

Opisane paliwa okazały się przydatne w niskiej temperaturze zewnętrznej do -54°C, jak też w wysokiej do 54°C. Jest to zgodne z warunkami prowadzenia i stacjonarnym wytwarzaniem mocy w przeciętnych i ekstremalnych warunkach ustalonych w ogólnym środowisku. Jak opisano wyżej, dodanie alkoholu do wody zabezpieczy przed krzepnięciem w większości zakresów temperatury. Np. dodanie 300 ml metanolu do wody w paliwach opisanych powyżej zapobiega krzepnięciu paliwa w temperaturze znacznie poniżej -17,8°C. Opisane, zmieszane paliwo może znieść temperaturę od 54°C bez rozdzielania. Oba paliwa, A-55 i D-55 mogą wykazywać objawy rozdzielania się w wyższej temperaturze; jednak do paliwa można dodać więcej emulgatora, zapobiegając rozdzielaniu do 77°C. W temperaturze powyżej 77°C trzeba zastosować pompę o większej mocy i układ recyrkulacji dla zabezpieczenia paliwa przed zbyt szybkim rozdzielaniem się. Najlepsze wyniki uzyskuje się po dodaniu odpowiedniego dodatku, opisanego powyżej, utrudniającego rozdzielanie się faz w podwyższonej temperaturze.

Przy mieszaniu paliwa należy unikać tworzenia dużych ilości piany. Piana w paliwie może pogorszyć wyniki odnośnie wydajności i emisji. Dodanie małej ilości środka przeciw pienieniu może pozwolić uniknąć trudności.

Bezpieczeństwo przeciwpożarowe paliw A-55 i D-55

Paliwa A-55 i D-55 są oparte na fazie wodnej, co czyni je niepalnymi. W celu wykazania, że paliwo jest oparte na fazie wodnej, przeprowadzono następujący test: około 200 ml dejonizowanej i przesączonej przez węgiel drzewny wody wodociągowej umieszczono w pojemniku, a 200 ml zwykłej benzyny w drugim. Za pomocą strzykawki jedną kroplę paliwa A-55 umieszczono w każdym pojemniku. Przy uderzeniu kropli A-55 o powierzchnię wody w pierwszym pojemniku paliwo A-55 natychmiast rozprasza się na powierzchni, pozostawiając zamgloną pozostałość na wierzchu pojemnika. Kropla A-55 umieszczona w pojemniku z benzyną zachowuje się inaczej. W tym przypadku, kropla paliwa A-55 pozostaje w całości po uderzeniu powierzchni benzyny i spada na dno poj emnika. Kropla pozostaj e skupiona długo po wprowadzeniu do benzyny. W takim teście można też wykazać zewnętrzną wodną fazę paliwa D-55. Takie same

179 945 wyniki otrzymano stosując paliwo D-55 i pojemnik zdejonizowanej i przesączonej przez węgiel drzewny wody i pojemnik zwykłego paliwa do silników wysokoprężnych.

Po właściwym zmieszaniu żadnego z paliw nie można zapalić lampa lutowniczą. Dla przykładu 60 ml A-55 i D-55 wylano na płytę metalowąw małych porcjach. Płomień lampy lutowniczej przemieszczano nad paliwem, przy czym koniec płomienia dotykał powierzchni paliwa. Paliwa nie zapalały się. Niekiedy, tylko po pozostawieniu płomienia bezpośrednio na paliwie w miejscu przez około 20 sekund, pojawiał się nagle niewielki błękitny płomień o wysokości około 0,635 χ 10’² m i następnie sam znikał. Gdy paliwo węglowe, benzynę i emulsję zmiesza się niewłaściwie, mieszanina zapali się bardzo łatwo.

Korzyści z niskiego ciśnienia par paliw A-55 i D-55

Innym czynnikiem utrudniającym zapalanie się paliwa jest niezwykle niskie ciśnienie par paliwa. Ponadto paliwa o niskim ciśnieniu par dająmniejsząemisję par, co znacząco ogranicza zapotrzebowanie na układy odzyskiwania par przy pompach benzynowych w samochodach i silnikach stacjonarnych. Niskie ciśnienie par Reida zmniej sza także szkodliwąemisję do środowiska.

Liczby oktanowe i cetanowe

Obecnie dla silników stosowanych w samochodach i ciężarówkach zalecane są benzyny wysokooktanowe. Zwykle benzyną o najniższej liczbie oktanowej na stacjach benzynowych jest benzyna 87 - oktanowa. Wysokooktanowa benzyna ma liczbę 92 lub wyższą. Paliwo A-55 działa skutecznie nawet w przypadku niskooktanowej, opartej na nafcie benzyny mającej liczbę około 75, ponieważ liczba oktanowa wydaje się nie grać roli w przypadku tego paliwa. Liczba cetanowa paliwa D-55 jest też znacznie niższa niż w tradycyjnych paliwach do silników wysokoprężnych bez pogarszania wydajności. Ze względu na to nowe paliwa powinny być tańsze od tradycyjnej benzyny lub oleju napędowego, nie tylko ze względu na składnik wodny, ale też dlatego, że bazowa benzyna lub olej napędowy nie wymaga znaczniejszego i kosztownego oczyszczania.

Filtry paliwa

Pospolite filtry paliwa stosowane w silnikach wewnętrznego spalania mają papierowy wkład filtracyjny. A-55 lub D-55 można stosować z tymi filtrami Jednak, po dość krótkim czasie pracy, filtry te mogą zadziałać jak układy odwrotnej osmozy i spowodować rozdzielanie się paliwa przed wtryskiem.

Aby uniknąć rozdzielania się na filtrach papierowych, korzystne jest, aby paliwa zamiast przez filtr papierowy przepływały przez filtr o swobodnym przepływie, zatrzymującym tylko względnie duże cząstki, lub przez sito metalowe. Paliwa można przesączać do rozmiarów 10 pm na sitach metalowych bez zmieniania charakterystyki przed wtryskiem. Przetestowano też filtry z tworzywa sztucznego i płyty z bardzo dobrymi wynikami.

Porównanie mocy dla paliw A-55 i D-55 odpowiednio z benzyną i olejem napędowym

W testach porównawczych paliwo A-55 porównywano z wysokooktanowąbenzyną w tym samym silniku stosując dynamometr silnikowy. Paliwo A-55 daje w przybliżeniu tę samą moc wyjściowąz dokładnością4% na tym samym silniku w porównaniu z benzyną, z zastosowaniem tej samej ilości powietrza do spalania dla obu paliw przy wyższym wymaganiu na moc. Silnik używany w czasie testu został zmodyfikowany zasadniczo zgodnie z opisem patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114. Osiągane moce zmodyfikowanego silnika pracującego na benzynie nie były znacząco różne od wyników dla podobnych silników pracujących na benzynie testowanych w taki sam sposób. Podobne wyniki otrzymano dla D-55. Maksymalną moc można też osiągnąć stosując paliwo D-55 3 do 5 razy szybciej niż stosując zwykłe paliwo do silników wysokoprężnych. Zmiana ilości wody w paliwach A-55 i D-55, w granicach plus lub minus 10%, nie wpływa na wzrost lub spadek mocy.

Wymagania czasowe

Najlepsze wyniki osiąga się przy użyciu paliwa A-55, gdy zwiększy się kąt wyprzedzenia zapłonu do 50°, co jest w przybliżeniu dwa razy większą wartością niż dla tradycyjnego paliwa

179 945 benzynowego. Paliwo D-55 także pracuje najlepiej, gdy wtryskiwanie jest przyspieszone na dyszach wtryskowych i wale korbowym o najwyżej dwa ząbki.

Stosunek powietrze-paliwo przy stosowaniu paliw A-55 lub D-55

Na biegu jałowym A-55 lub D-55 można stosować przy minimalnej ilości powietrza do spalania. Gdy paliwa A-55 lub D-55 stosuje się w warunkach obciążenia, zasadniczo stosuje się takie same ilości powietrza do spalania, jak w przypadku tradycyjnej benzyny lub paliwa do silników wysokoprężnych. Stosunek powietrze-paliwo w zwykłym silniku wewnętrznego spalania z zapłonem iskrowym wynosi 14,7:1. Stosunek dla paliwa wysokoprężnego wynosi 16,5:1. Jeśli stosunek ten zwiększy się o ponad 10%, spalanie wewnętrzne ulega przerwaniu. Przy stosowaniu paliwa A-55, stosunek powietrze-paliwo w warunkach obciążenia zmierzony na składnik węglowy paliwa wynosi około 29-38 części powietrza na 1 część składnika węglowego w silniku wewnętrznego spalania z zapłonem iskrowym. Przy stosowaniu paliwa D-55, stosunek powietrze-paliwo w warunkach obciążenia zmierzony na składnik węglowy paliwa wynosi około 32-40 części powietrza na 1 część składnika węglowego w silniku wysokoprężnym.

Emisja przy stosowaniu paiiwa A-55 lub D-55 w zmodyfikowanych silnikach

Liczne porównania emisji dla paliwa A-55 i zwykłej wysokooktanowej benzyny przeprowadzono za pomocą podwoziowego dynamometru Claytona, model C796, badającego zarazem prędkość i moc. Porównano 6-cylindrowy Ford Taurus z 1989 roku z silnikiem o pojemności 3 litrów, przystosowany do działania na paliwie A-55, i Ford Taurus z 1989 roku z podobnymi odczytami hodometrycznymi pracujący na tradycyjnej benzynie. Usunięto katalityczny konwerter z obu pojazdów. Odkryto, że przy stosowaniu paliwa A-55 prawie wszystkie odczyty emisji zmniejszają się 6 do 10 razy w warunkach obciążenia. Tylko odczyty dla O₂ są podobne dla obu pojazdów. Odczyty O₂ mieszczą się w zakresie pomiędzy 0 i 3% dla najwyższej mocy. W tym zakresie inne wartości emisji są następujące: zawartość CO wynosi 0,10% lub mniej, zawartość NO_X wynosi od 20 do 200 części na milion, a zawartość węglowodorów wynosi od 50 do 200 części na milion. Wszystkich odczytów emisji dokonano na standardowym samochodowym analizatorze emisji Sun. Gdy silnik ma temperaturę roboczą, nie jest widoczna para wodna przy rurze wydechowej niezależnie od temperatury zewnętrznej. Można to porównać z dziesięciokrotnie wyższąlub jeszcze wyższąemisjąNO_x z podobnych silników działających na tradycyjnej benzynie jako paliwie.

Emisja spada jeszcze gwałtowniej dla przerobionych silników wysokoprężnych. Dla celów niżej omówionego testu użyto przerobionego dwusuwowego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego #53 Detroit Diesel. Przerobiony silnik wysokoprężny połączono z dynamometrem silnikowym Claytona, Model CAM 250E, odczytującym prędkość, moc i moment. Przerobiony silnik wysokoprężny w czasie zimnego rozruchu wytwarzał widoczny dym przez 2 do 5 sekund. Zwykle podobny silnik wysokoprężny z normalnym paliwem do silników wysokoprężnych daje widoczny dym przez 5 do 10 minut w czasie rozgrzewania od stanu zimnego do temperatury roboczej. Silnik nie wytworzył w żadnym zakresie mocy zwykłej sadzy, takiej jak zwykle znajdowana w silnikach wysokoprężnych na zwykłym paliwie do silników wysokoprężnych. Przy mocy około 100 hp emisja była następująca: O₂ -10%, węglowodory - 0 części na milion i CO - 0,01 %. Lepkość zasadniczo została utrzymana i, jak w przypadku paliwa z benzyną, spalanie jest czyste po dłuższym czasie pracy. Wszystkich odczytów emisji dokonano na standardowym samochodowym analizatorze emisji Sun. W żadnym cyklu pracy nie była widoczna para wodna przy rurze wydechowej niezależnie od temperatury zewnętrznej. Wyniki te można porównać z emisją węglowodorów co najmniej dwa do trzech razy wyższą na podobnych silnikach działających na tradycyjnym oleju napędowym.

Dodatkowe testy wykazały, że emisja NO_X zmniejsza się przy stosowaniu paliwa D-55 nawet o 80% niż przy stosowaniu tradycyjnego paliwa do silników wysokoprężnych.

Wydajność paliw A-55 i D-55

Wydajność obu paliw jest w większości znacznie wyższa niż w przypadku tradycyjnej benzyny lub oleju napędowego. Oczywiście możliwe są wahania wydajności w zależności od tego, jak zmodyfikowano silnik i jaki jest stosunek ilości paliwa węglowego do wody. Testy wydajno

179 945 ści tradycyjnej benzyny lub oleju napędowego w porównaniu ze składnikiem węglowym paliw A-55 i D-55 na silnikach zmodyfikowanych całkowicie lub do pewnego stopnia, jak ujawnia opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114, pokazało gwałtowny wzrost wydajności przy ich stosowaniu, nawet o 100% dla tego samego lub podobnego silnika na tradycyjnych węglowych paliwach.

Zimny rozruch na paliwach A-55 i D-55

Paliwa A-55 i D-55 można stosować jako wyłączne paliwo w silniku wewnętrznego spalania. Nie ma potrzeby stosowania dodatkowego lub rozruchowego paliwa w połączeniu z A-55 lub D-55. Żadne z paliw nie sprawia trudności przy zimnym rozruchu w przypadku ich stosowania do silników częściowo lub w pełni zmodyfikowanych zgodnie z opisem patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5156114.

Porównanie pracy silnika wysokoprężnego

W celu dalszego zilustrowania korzyści płynących z nowego wodnego paliwa w silniku wysokoprężnym, należy odwołać się do załączonych rysunków, przedstawiających wykresy na fig. 1-3. Wykresy ilustrują wyniki testów z kompozycją paliwową D-55, porównujących nowe paliwo z tradycyjnym paliwem do silników wysokprężnych.

Figura 1 przedstawia zależność pomiędzy ciśnieniem w cylindrze i objętością dla D-55 i paliwa do silników wysokoprężnych. Widać, że ciśnienie w cylindrze w porównaniu z objętością nowego paliwa jest bardzo bliskie zależności dla paliwa do silników wysokoprężnych. Tak więc D-55 jest pełnym substytutem dla paliwa do silników wysokoprężnych.

Zależność pomiędzy ciśnieniem i kątem wyprzedzenia zapłonu pokazuje fig. 2, z której widać, że chociaż ciśnienie w cylindrze wywierane przez D-55 jest nieco większe w porównaniu z regularnym olejem napędowym, to jednak różnica nie jest wielka. Jak pokazuje wykres, D-55 daje wyższy spadek ciśnienia, jednak wciąż w zakresie projektowym dla silników wysokoprężnych.

Najbardziej znaczące wyniki pokazuje fig. 3, porównująca skumulowane uwalnianie ciepła, w procentach, w zależności od kąta wyprzedzenia zapłonu, w stopniach, dla D-55 i tradycyjnego paliwa do silników wysokoprężnych. Oczywiste jest, że D-55 znacznie szybciej osiąga i utrzymuje 100% uwalnianie ciepła w porównaniu z tradycyjnym paliwem do silników wysokoprężnych, a więc wykazuje zasadniczo polepszoną sprawność cieplną. Jest to oczywiste z gwałtownego wzrostu uwalniania ciepła dla D-55 w przeciwieństwie do uwalniania ciepła w przypadku tradycyjnego paliwa do silników wysokoprężnych. D-55 osiąga 100% uwalniania ciepła już przy 10° kącie wyprzedzenia zapłonu w porównaniu z tradycyjnym paliwem osiągających 100% w pobliżu 80° kąta wyprzedzenia zapłonu. Chociaż paliwo D-55 początkowo wolniej się spala, wyzwala ono ciepło szybciej niż olej napędowy. Ponadto, możliwe jest uzyskanie uwalniania ciepła przy prawie 0° kącie wyprzedzenia zapłonu przez regulację czasu wyprzedzenia, aby wprowadzać paliwo nieco wcześniej w cyklu.

Z danych przedstawionych na fig. 1-3, w tym lepszego uwalniania ciepła z D-55 w porównaniu z tradycyjnym paliwem do silników wysokoprężnych, wynika, że nowe paliwo pozwala na zasadniczy wzrost mocy. Stosując zerowy kąt wyprzedzenia zapłonu jako punkt odniesienia, zaskakująco uzyskuje się niespodziewane wyniki dla około 1/2 ilości oleju napędowego. Ponadto wzrost mocy uzyskano bez znaczącego wzrostu ciśnienia, jak wynika z fig. 2, a więc bez uszkadzania silnika. Innymi słowy, moc uzyskuje się z zasadniczo takiego samego ciśnienia w cylindrze, ale z paliwem o wartości opałowej wynoszącej tylko około 1/2 składnika węglowodorowego w porównaniu z tradycyjnym paliwem do silników wysokoprężnych.

Z powyższego opisuj asno wynika, że można dokonać różnych zmian i modyfikacj i bez odchodzenia od istoty wynalazku określonego w poniższych zastrzeżeniach.

179 945

Objętość cylindrów/objętość maksymalna

Ciśnienie w cylindrze

179 945

to tn cu σι m

to in en cu

Ul

Kąt wyprzedzenia zapłonu (°)

Ciśnienie MPa

179 945

100

Kąt wyprzedzenia zapłonu (°)

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Paliwo do silnika wewnętrznego spalania, zasadniczo niepalne poza silnikiem, trwałe, nadające się do przechowywania, znamienne tym, że stanowi ciekłą emulsję o co najmniej dwu fazach, zawierającą 20-80% objętościowych wody, paliwo węglowe wybrane z grupy obejmującej benzynę, benzynę z pierwszej destylacji, paliwo naftowe, paliwo do silników wysokoprężnych, gazowe zawierające węgiel paliwo, syntetyczne paliwa węglowe, oleje pochodzące z biomasy i ich mieszaniny, od około 2 do poniżej 20% objętościowych alkoholu i około 0,3-1% objętościowych niejonowego emulgatora, przy czym powstała emulsja jest standardowąemulsją typu o/w z wodą jako ciągłą fazą zewnętrzną.
2. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że składa się zasadniczo z benzyny, około 40-60% wody, od około 2 do 10% alkoholu, około 0,3-0,7% emulgatora i ponadto około 0,001-0,1% środka polepszającego smamość oraz około 0,001-0,1% dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w temperaturze powyżej około 77°C.
3. Paliwo według zastrz. 2, znamienne tym, że jako środek polepszający smamość zawiera związek połiorganosiloksanowy.
4. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że składa się zasadniczo z oleju napędowego, około 40-60% wody, od około 2 do poniżej 20% alkoholu, około 0,3-0,7% emulgatora i ponadto około 0,001-0,1% środka polepszającego smamość oraz około 0,001 -0,3% dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w temperaturze powyżej około 77°C.
5. Paliwo według zastrz. 4, znamienne tym, że jako środek polepszający smamość zawiera związek połiorganosiloksanowy.
6. Paliwo według zastrz; 1, znamienne tym, że jako emulgator zawiera etoksylan alkilofenolu.
7. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera ponadto do 0,1% objętościowych środka polepszającego smamość.
8. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera ponadto do 0,03% objętościowych dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w podwyższonej temperaturze.
9. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera ponadto do 0,3% objętościowych dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w podwyższonej temperaturze, takiego jak glicynian dehydroksyetylołojowy.
10. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że jako wodę zawiera wodę zdejonizowaną.
11. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że jako wodę zawiera wodę zdejonizowaną i przesączoną przez węgiel drzewny.
12. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że składa się zasadniczo z benzyny z pierwszej destylacji, około 40-60% wody, od około 2 do 10% alkoholu, około 0,3-0,7% emulgatora i ponadto około 0,001-0,1% środka polepszającego smamość oraz około 0,001 - 0,03% dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w temperaturze powyżej około 77°C.
13. Paliwo według zastrz. 12, znamienne tym, że jako środek polepszający smamość zawiera związek połiorganosiloksanowy.
14. Sposób wytwarzania paliwa do silnika wewnętrznego spalania, zasadniczo niepalnego poza silnikiem, trwałego, nadającego się do przechowywania, stanowiącego ciekłą emulsję o co najmniej dwu fazach zawierającą20 do 80% objętościowych wody, paliwo węglowe wybrane z grupy obejmującej benzynę, benzynę z pierwszej destylacji, paliwo naftowe, paliwo do silników wysokoprężnych, gazowe zawierające węgiel paliwo, syntetyczne paliwa węglowe, oleje pochodzące z biomasy i ich mieszaniny, od około 2 do poniżej 20% objętościowych alkoholu i około 0,3-1% objętościowych niejonowego emulgatora, przy czym powstała emulsja jest trwała

179 945 przez co najmniej trzy miesiące i jest standardową emulsją typu o/w z wodąjako ciągłą fazą zewnętrzną, znamienny tym, że (a) wytwarza się mieszaninę paliwa węglowego i emulgatora, (b) łączy się 20-80% objętościowych wody z mieszaninąz etapu (a) i od 2 do poniżej 20% alkoholu, oraz (c) łączy się mieszaniny z etapów (a) i (b) i dokładnie miesza się powstałą mieszaninę w stopniu wystarczającym dla wytworzenia trwałej, nadającej się do przechowywania mieszaniny.
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że mieszaninę wody i alkoholu dodaje się do mieszaniny z etapu (a).
16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że wprowadza się ponadto dodatek polepszający smamość przed dokładnym wymieszaniem w etapie (c).
17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że jako środek polepszający smamość stosuje się związek poliorganosiloksanowy.
18. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że do mieszaniny przed dokładnym wymieszaniem w etapie (c) wprowadza się ponadto dodatek polepszający odporność na rozdzielanie się faz w temperaturze powyżej około 77°C.
19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że środek polepszający smamość i dodatek wprowadza się w postaci ich mieszaniny.
20. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako wodę w etapie (b) stosuje się wodę zdejonizowaną.
21. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako wodę w etapie (b) stosuje się wodę zdejonizowaną i przesączoną przez węgiel drzewny.
22. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że etap (a) obejmuje mieszanie paliwa węglowego i około 0,3-1% co najmniej jednego niejonowego emulgatora będącego etoksylanem alkilofenolu.
23. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że jako emulgator stosuje się alkilofenoksypolialkohol.
24. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że jako środek polepszający smamość stosuje się od około 0,001% do 0,1% poliorganosiloksanu.
25. Sposób według zastrz. 19, znamienny tym, że jako ten dodatek stosuje się do 0,3% glicynianu dihydroksyetylołojowego.
26. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako paliwo węglowe stosuje się benzynę.
27. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako paliwo węglowe stosuje się paliwo do silników wysokoprężnych.
28. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że jako paliwo węglowe stosuje się benzynę z pierwszej destylacji.
29. Sposób wytwarzania paliwa wodnego, znamienny tym, że (a) miesza się paliwo węglowe wybrane z grupy obejmującej benzynę, ciężką benzynę, paliwa naftowe, paliwo do silników wysokoprężnych, gazowe zawierające węgiel paliwa i ich mieszaniny oraz emulgator, (b) wytwarza się mieszaninę alkoholu i wody, (c) dodaje się mieszaninę woda-alkohol do mieszaniny paliwo-emulgator z wytworzeniem mieszaniny paliwa węglowego z 20-80% objętościowych wody i od około 2 do poniżej 20% objętościowych alkoholu.
30. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że ponadto dodatkowo miesza się mieszaninę wytworzoną w etapie (c).
31. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że jako paliwo węglowe stosuje się benzynę.
32. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że jako paliwo węglowe stosuje się paliwo do silników wysokoprężnych.
33. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że jako paliwo węglowe stosuje się ciężką benzynę.
34. Dodatek do paliwa wodnego do silnika wewnętrznego spalania, znamienny tym, że zawiera objętościowo około 0,3-0,1% emulgatora, od około 0,001 do 0,1% środka polepszającego

179 945 smamość i około 0,001-0,3% dodatku polepszającego odporność na rozdzielanie się faz w temperaturze powyżej około 77°C.
35. Dodatek według zastrz. 34, znamienny tym, że zawiera ponadto od około 2 do poniżej 20% alkoholu.
36. Dodatek według zastrz. 34, znamienny tym, że zawiera ponadto około 0,3-1% niejonowego emulgatora.
37. Dodatek według zastrz. 34, znamienny tym, że jako środek polepszający smamość zawiera poliorganosiloksan, jako emulgator zawiera etoksylan alkilofenolu lub alkilofenoksypolialkohol, a jako materiał polepszający odporność na rozdzielanie się faz zawiera glicynian dehydroksyety lołoj owy.

* * *