专利名称：用于使燃料更完全燃烧的纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的制作方法
技术领域：
本发明涉及促进燃料燃烧的纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒，以及提高燃料燃烧的方法。
背景技术：
发动机制造商通过发动机设计继续寻找改良的燃料节约措施。改良燃料的方法包括调配新燃料和机器润滑油。通常，燃烧式发动机例如汽车发动机要求高辛烷值汽油，进行高效运作。以往，铅被加入汽油来增加辛烷值。然而，出于健康和环境考虑，汽油已经不再加入铅。铅同样也对催化转换器有害，降低了其寿命。可以在汽油中加入含氧化合物，例如甲基叔丁基醚(MTBE)和乙醇，来增加辛烷值。比铅的有害性小的同时，一些人提出MTBE可导致地下水污染。同样，也需要减低一些高辛烷值组分，例如苯、芳烃和烯烃。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒，该纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒促进燃烧，降低有害物质排放，增加燃料的催化氧化。
本发明的一方面涉及一种燃料组合物，该燃料组合物包含液体燃料和至少一种纳米金属颗粒或纳米金属氧化物颗粒，或两者的结合。本发明另一方面涉及一种燃料添加剂组合物，该燃料添加剂组合物包含载体/有机溶剂和至少一种纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒。本发明的其他方面包括制备燃料组合物的方法、提高燃烧的方法、以及促进燃料催化氧化的方法。
为了实现上述目的，本发明包括权利要求的详细描述特征。以下描述和附图将详细描述本发明的实施方式。这些详细描述是例证性，只是本发明原理的各种方法中的几种。本发明的其他目的、优点和特征将在结合以下附图和实施例作详细描述。
图1为各种发动机的各种燃料的碳氢化合物排放的柱状图； 图2为各种发动机的各种燃料的辛烷值的柱状图。
具体实施例方式 纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒与燃料结合，促进燃料燃烧。
燃料添加剂中可以有纳米金属颗粒，该燃料添加剂与燃料结合(悬浮或者分散)形成燃料组合物或存在于燃料组合物中。
当要在燃烧过程中被氧化的液体燃料中存在纳米金属颗粒时，动力源会增加。纳米金属颗粒促进催化氧化或碳氢燃料的燃烧。从而，提高发动机动力。液体燃料中存在纳米金属或纳米金属氧化物颗粒或两者结合，提供了催化表面，当燃烧过程引起瞬时大气压降低时，该催化表面可以为燃烧过程提供氧。由于燃烧过程更彻底，提供了更环境友好的内燃机燃料。
纳米金属或纳米金属氧化物或两者结合也可以涉及到其他反应，以促进燃烧。例如，纳米金属氧化物颗粒可以吸收可能污染燃料的少量水，尤其是含有含氧化合物的燃料，例如含有醇类。这提供了另一个优点吸收存在的乙醇，降低乙醇的研究法辛烷值(RON)和马打法辛烷值(MON)之间的差值或敏感性。敏感性的降低提高了发动机欠载时燃料的性能，并可以增加燃料的辛烷值。纳米金属粒子或纳米金属氧化物粒子可以起在内燃机内部的金属零件外形成覆盖层的作用，因此增加润滑性的同时，也防止了内燃机零件的积碳。这减少了发动机的维护。
纳米金属颗粒或纳米金属氧化物颗粒或两者结合，可以被添加到碳氢燃料中，以增加燃烧过程中的功率输出。
在固体催化表面(由纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒提供)的非均相反应中燃烧过程(碳氢燃料的氧化)快于在没有金属颗粒和金属氧化物颗粒的均相反应中的同样氧化过程。因此，本发明提供了纳米固体催化剂，该催化剂明显增加了完全燃烧所需的表面面积。
纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒具有适合催化燃料燃烧反应的尺寸，也具有1)通过燃料过滤器的能力；2)至少基本可以将自身燃烧掉、或升华、或以其他方式消耗，从而减少和/或消除颗粒排放。在一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的尺寸如下按重量计，90％的颗粒的尺寸范围约为1nm至990nm。关于这一点，尺寸涉及到颗粒的平均横截面，例如直径。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的尺寸如下按重量计，90％的颗粒的尺寸范围约为1nm至75nm。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的尺寸如下按重量计，90％的颗粒的尺寸范围约为1.5nm至40nm。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的尺寸如下按重量计，90％的颗粒的尺寸范围约为2nm至20nm。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的尺寸如下按重量计，90％的颗粒的尺寸范围约为1nm至10nm。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的尺寸如下按重量计，100％的颗粒的尺寸小于约20nm。
纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的表面积适合催化燃料的燃烧反应，并提高燃烧率，如同使用了大量的催化剂。通常，通过小化颗粒比通过高多孔颗粒更能使表面积的增加。在一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的表面积大约为50m2/g至1,000m2/g。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的表面积约为100m2/g至750m2/g。在另一个实施例中，纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的表面积约为150m2/g至600m2/g。
纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的形态适合催化燃料的燃烧反应，提高燃烧率，如同使用了大量的催化剂，同时也可以通过燃料过滤器。纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒的形态包括球形，类球形，椭圆形，爆米花形，板形，立方体，锥体，圆柱形及类似形状。纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒可以为晶体、半晶或无定形物。
纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒包含可催化燃料燃烧反应的任何材料。通常，金属颗粒和/或金属氧化物颗粒包括一种或多种以下物质(涉及元素周期表的族)IIa族金属，IIa族金属氧化物，IIIa族金属，IIIa族金属氧化物，IVa族金属，IVa族金属氧化物，VIII族金属，VIII族金属氧化物，Ib族金属，Ib族金属氧化物，IIb族金属，IIb族金属氧化物，IIIb族金属，IIIb族金属氧化物。具体金属颗粒和/或金属氧化物颗粒包括一种或多种一下材料镁，钙，锶，钡，铈，钛，锆，铁，钌，锇，钴，铑，铱，镍，钯，铂，铜，银，金，锌，铝，混合金属颗粒，合金金属颗粒，钙氧化物，锶氧化物，钡氧化物，铈氧化物，钛氧化物，锆氧化物，铁氧化物，钌氧化物，锇氧化物，钴氧化物，铑氧化物，铱氧化物，镍氧化物，钯氧化物，铂氧化物，铜氧化物，银氧化物，金氧化物，锌氧化物，铝氧化物，混合金属氧化物颗粒，混合金属-金属氧化物颗粒。
在一个实施例中，纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒不含有对健康有害的和环境不友好(根据现有或以后的标准)金属和金属氧化物。例如，在一个实施例中，纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒不含有铅和/或氧化铅。
在一个实施例中，纳米金属颗粒含有混合金属颗粒和/或混合金属氧化物颗粒，该混合金属氧化物颗粒含有至少两种金属/金属氧化物，或者含有至少三种金属/金属氧化物，或者含有至少四种金属/金属氧化物。混合金属颗粒和混合金属氧化物颗粒包括一种或多种以下颗粒铝-镁，铝-铁，铝-锌，锌-镁，锌-镁-铁，钙-镁，钙-镁-锌，钙-镁-铁，镍-镁，铝-镍，镍-镁-铝，铝-铈，铝氧化物-镁氧化物，铝氧化物-铁氧化物，铝氧化物-锌氧化物，锌氧化物-镁氧化物，锌氧化物-镁氧化物-铁氧化物，钙氧化物-镁氧化物，钙氧化物-镁氧化物-锌氧化物，钙氧化物-镁氧化物-铁氧化物，镍氧化物-镁氧化物，铝氧化物-镍氧化物，镍氧化物-镁氧化物-铝氧化物，铝氧化物-铈氧化物，等等。
很多纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒可以从商业上得到，例如通过Sigma-AldrichInc公司。作为选择，金属氧化物可以通过现有技术方法将金属盐转化为金属或金属氧化物来制备。所述转化发生在惰性气氛或空气中加热，例如在惰性气氛或空气中煅烧，或在溶液中加热。
在一个实施例中，金属盐溶解在液体中，并在传化为金属或金属氧化物后进行超声波辐射。金属盐包括金属羧酸盐，金属卤化物，金属乙酰丙酮化物。换句话说，可以用金属羧酸盐、金属卤化物、金属乙酰丙酮化物制得金属氧化物。金属羧酸盐包括金属醋酸盐，乙基己酸金属盐，金属葡糖酸盐，金属草酸盐，金属丙酸盐，金属泛酸盐，金属环己烷丁酸盐，二(乳酸铵)二羟基金属化合物，金属柠檬酸盐，金属甲基丙烯酸盐。金属羧酸盐的具体包括乳酸铝，乙酸钙，乙基己酸钙，葡萄糖酸钙，草酸钙，丙酸钙，泛酸钙，环己烷丁酸钙，醋酸铈，草酸铈，醋酸铯，甲酸铯，醋酸亚铁，柠檬酸铁，草酸铁，醋酸镁，碳酸甲镁，葡萄糖酸镁，醋酸镍，乙基己酸镍，辛酸镍，醋酸锡，草酸锡，二(乳酸铵)二羟基钛，醋酸锌，甲基丙烯酸锌，硬酯酸锌，环己烷丁酸锌，醋酸锆，柠檬酸锆。
两种或更多种金属盐可以用于形成混合金属氧化物。混合金属氧化物包含至少两种不同金属氧化物。作为选择，混合金属氧化物包含至少三种不同氧化物。作为选择，混合金属氧化物包含至少四种金属氧化物。
任何合适的液体都可以用于将金属盐例如金属羧酸盐转化为金属氧化物。这些液体包括水和有机溶剂，有机溶剂包括酒精，醚，酯，酮，链烷，芳烃，等等。当利用无水酒精例如无水乙醇作为液体时，酒精和水的混合物将在转化过程中释出。
金属颗粒和金属氧化物颗粒的制备方法在美国专利5,039,509、5,106,608、5,654,456、和6,179,897中有描述，将金属和石墨结合，加热形成过渡金属碳化物，进一步加热使金属碳化物分解并以蒸汽形式释放出金属，随后使之氧化形成纯金属氧化物粉末；PCT国际申请WO/2007/000014也公开了金属颗粒和金属氧化物颗粒的制备方法；这些方法在此作为参考。
纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒(或燃料或燃料添加剂)可以包括或具有覆盖在上面的一种或多种表面活性剂。表面活性剂可促进燃料中的一种或多种颗粒悬浮，防止结块，并促进颗粒和液体燃料之间的兼容性，等等。任何适合的表面活性剂均可采用，例如离子型表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、和非离子表面活性剂。表面活性剂是现有技术存在的，很多表面活性剂描述在McCutcheon的″Volume IEmulsifiers and Detergents″，1995，北美版(North American Edition)，McCutcheon′s DivisionMCP Publishing Corp.，Glen Rock，N.J.出版，具体是pp.1-232，它描述了许多阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、以及两性表面活性剂，在此作为参考。
阴离子(通常基于硫酸盐阴离子、磺酸盐阴离子或羧酸盐阴离子)表面活性剂包括十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基硫酸铵、和其他烷基硫酸盐、十二烷基醚硫酸钠(sodiumlauryl ether sulfate)，烷基苯磺酸盐、脂肪酸的金属盐、或脂肪酸盐(见酸式盐)。
阳离子(通常基于季铵盐阳离子)表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)[又称溴化十六碳烷基三甲铵(hexadecyl trimethyl ammonium bromide)]，其他烷基三甲基铵盐，氯化十六烷基吡啶(CPC)，聚乙氧基脂肪胺[polyethoxylated tallow amine，(POEA)]，氯化苯甲烃铵(BAC)，苄索氯铵[benzethonium chloride(BZT)]。
两性离子表面活性剂或两性表面活性剂包括十二烷基甜菜碱，十二烷基二甲基氧化胺，椰油酰胺丙基甜菜碱，椰油基两性基甘氨酸盐(coco ampho glycinate)。
非离子表面活性剂包括烷基聚氧乙烯；烷基多苷，例如辛基多苷和十二烷基麦芽糖苷；脂肪醇，例如十六烷醇和油醇；椰子油一乙醇酰胺(cocamide MEA)，椰子油二乙醇酰胺(cocamide DEA)和椰子油三乙醇酰胺(cocamide TEA)。
在一个实施例中，燃料含有重量百分比约0.001％至1％的一种或多种表面活性剂。在另一个实施例中，燃料含有重量百分比约0.01％至0.1％的一种或多种表面活性剂。
纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒可以至少部分地悬浮在燃料中。较小尺寸的纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒比较大尺寸颗粒(大于一微米)能保持的悬浮时间较长，即使纳米颗粒的密度和/或比重是液体燃料的密度和/或比重的数倍。较长的悬浮时间意味着随着时间过去，进入发动机的含有纳米颗粒的液体燃料含有更均匀和/或一致的纳米颗粒分布。
悬浮液含有纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒和可与燃料兼容的载体液。例如，当纳米颗粒在酒精溶剂中时，或者当甲苯或二甲苯作为载体液时，产生的悬浮液可直接添加至汽油泵。类似地，对于柴油燃料，可以采用具有十六烷值增进剂的另一种载体液。一种或多种表面活性剂和能与燃料兼容的载体液的使用增进了纳米颗粒的悬浮。
纳米金属颗粒和金属氧化物颗粒可以为干粉末状。粉末的制备可以通过喷雾干燥纳米金属颗粒和纳米金属颗粒的悬浮液。惰性气体例如氮气可以被用于喷雾干燥颗粒。覆盖粉末随后可以以粉末形式被加入燃料或发动机或者制成燃料兼容的浆糊。粉末可以直接加入发动机的进风口，而不是将粉末加入燃料。
一种或多种适当的表面活性剂的使用也可以促进悬浮液的分布均匀性和/或持续时间。表面活性剂包括两性表面活性剂、离子型表面活性剂和非离子表面活性剂。然而，在一个实施例中，表面活性剂不包含硫原子。在另一个实施例中，表面活性剂不包含卤化物原子。如果使用表面活性剂，那么该表面活性剂可以在纳米颗粒与燃料结合之前、期间或之后被加入液体燃料中。作为选择，纳米颗粒可以在加入燃料前与表面活性剂接触或覆盖。粉末的制备可以通过喷雾干燥含有一种或多种适当表面活性剂的纳米金属颗粒或纳米金属氧化物颗粒。作为选择，可以采用烘炉干燥或真空干燥，以形成覆盖有表面活性剂的颗粒。为了安全地喷雾干燥，可以采用惰性气体例如氮气，以喷雾干燥带有表面活性剂的颗粒。随后，覆盖有表面活性剂的粉末可以被加入燃料中。
分散均匀性和/或悬浮持续时间的确定或促进也可以通过混合、搅和、混和、超声波降解、或其它方式摇动含有纳米颗粒的液体燃料来实现。
液体燃料含有适量的至少部分悬浮的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，以催化燃料的燃烧反应。在一个实施例中，液体燃料含有液体燃料和约0.01ppm-500ppm的悬浮金属颗粒和/或金属氧化物颗粒。在另一个实施例中，液体燃料含有液体燃料和约0.05ppm-250ppm的悬浮金属颗粒和/或金属氧化物颗粒。在另一个实施例中，液体燃料含有液体燃料和约0.1ppm-100ppm的悬浮金属颗粒和/或金属氧化物颗粒。在另一个实施例中，液体燃料含有液体燃料和约1ppm-75ppm的悬浮金属颗粒和/或金属氧化物颗粒。
燃料添加剂提供了存储和运输被加入液体燃料前的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的有效方式。在一个实施例中，燃料添加剂是覆盖有一种或多种表面活性剂的干燥粉末。在另一个实施例中，没有采用表面活性剂。在另一个实施例中，燃料添加剂是糊状物，含有重量百分含量约10％-95％的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，以及重量百分含量约5％-90％的燃料兼容有机溶剂，以及重量百分含量约5％-10％的一种或多种适当的表面活性剂。在另一个实施例中，燃料添加剂由载体液、纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒、和一种或多种适当的表面活性剂组成。
燃料或燃料添加剂可以含有二环芳烃化合物。二环芳烃化合物包括萘、取代萘、联苯衍生物、以及这些的混合物。在一个实施例中，燃料含有约0.01ppm-1000ppm的悬浮金属颗粒和/或金属氧化物颗粒，同时燃料添加剂含有重量百分含量约1％-10％的一种或多种二环芳烃化合物。在另一个实施例中，燃料含有约500ppm的悬浮金属颗粒和/或金属氧化物颗粒，同时燃料添加剂含有重量百分含量约0.5％-5％的一种或多种二环芳烃化合物。
燃料添加剂中的纳米金属颗粒/纳米金属氧化物颗粒和二环芳烃化合物，可以被散布在载体液中，形成燃料添加剂。载体液的闪点至少为100EF，自燃温度至少为400EF，或者载体液为C1-C3醇。载体液的例子包括一种或多种甲苯、二甲苯、煤油、C1-C3一元脂肪醇、二元脂肪醇、或多元脂肪醇。脂肪醇的例子包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙烯二醇、等等。在一个实施例中，燃料添加剂包含重量百分含量至少90％的载体液和不超过10％的纳米金属颗粒/纳米金属氧化物颗粒。
一些燃料和燃料添加剂含有相对较大量或少量的酮，例如丙酮，或者醚，例如甲基叔丁基醚(MTBE)。较大量或较少量的酮或醚对于燃料和燃料添加剂并不是必需的。在一个实施例中，燃料和/或燃料添加剂不存在较大量(按体积百分比算，多于5％)的酮或醚，因为酮和醚可能降低纳米金属和/或纳米金属氧化物颗粒的溶解性，以及不希望地降低燃料的闪点。
燃料组合物由纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒和液体燃料结合而成。液体燃料的例子包括碳氢燃料例如汽油，新配方汽油(reformulated gasoline)，柴油，喷气燃料(jetfuel)，船用燃料，生物燃料例如生物柴油燃料，生物醇例如生物乙醇，等等。汽油含有组成液体燃料的一种或多种以下成分直馏产品(straight-run products)，重整油，裂解汽油，高辛烷值原料油(high octant stock)，异构油(isomerate)，聚合油(polymerization stock)，烷基化油(alkylate stock)，加氢处理原料油(hydrotreated feedstocks)，脱硫原料油(desulfurization feedstocks)，酒精，等等。
在一个实施例中，在液体燃料中添加入覆盖有或没有一种或多种表面活性剂的燃料添加剂或纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，其添加量足以使排放系统与没有加入纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的情况相比减少至少10％的碳氧化合物和/或一氧化碳排放量。在另一个实施例中，在液体燃料中添加入覆盖有或没有一种或多种表面活性剂的燃料添加剂或纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，其添加量足以使排放系统与没有加入纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的情况相比减少至少25％的碳氢化合物和/或一氧化碳和/或氮氧化物排放量。
在一个实施例中，在液体燃料中添加入覆盖有或没有一种或多种表面活性剂的燃料添加剂或纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，其添加量足以使发动机消耗液体燃料量与没有加入纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的情况相比减少至少5％。在另一个实施例中，在液体燃料中添加入覆盖有或没有一种或多种表面活性剂的燃料添加剂或纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，其添加量足以使发动机消耗液体燃料量与没有加入纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的情况相比减少至少10％。
燃料例如汽油的质量可以通过辛烷来确定。辛烷是相对于异辛烷(2，2，4-三甲基戊烷，辛烷的异构体)和正庚烷(n-heptane)的混合物测量。例如，87号汽油与体积浓度87％的异辛烷和13％的正庚烷的混合物具有同样的辛烷值。世界上最常用的辛烷等级类型是研究法辛烷值(RON)。RON是通过使燃料通过受控制条件和各种压缩比的测试发动机，并将其结果与异辛烷和正庚烷混合物作比较。RON可以利用美国材料试验协会D 2699(ASTM D 2699)的程序进行测量，在此作为参考。另一种辛烷等级类型是马达法辛烷值(MON)，在一些情况下当在负载下能更好地测量燃料。MON测试采用与RON测试类似的测试发动机，但是燃料混合物预先加热，且发动机速度更高，不定的点燃时间以进一步压迫燃料抗爆震性能。十六烷值(CN)是测量柴油燃料在压缩下的燃烧质量，是燃料质量的一种量度标准。CN实际上是柴油燃料的点燃延迟的量度标准；燃料燃烧开始和注射开始之间的时间间隔。
在一个实施例中，与不含纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒而其它成分相同的燃料组合物相比，含有液体燃料和纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的燃料组合物具有较高的研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、和/或十六烷值(CN)。在另一个实施例中，与不含纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒而其它成分相同的燃料组合物相比，含有液体燃料和纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的燃料组合物具有高出5％以下的研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、和/或十六烷值(CN)。在另一个实施例中，与不含纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒而其它成分相同的燃料组合物相比，含有液体燃料和纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的燃料组合物具有高出10％以下的研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、和/或十六烷值(CN)。
燃料可以有效地用于喷射点燃式发动机和非喷射点燃式发动机上。燃料可以有效地用于二冲程发动机，四冲程发动机，交通工具发动机例如汽车发动机、摩托车发动机、喷气发动机、船用发动机、卡车/公车发动机、等等。燃料可以有效地用于任何类型的内燃机，包括奥托循环发动机(Otto-cycle engine)，柴油发动机，转子发动机，和燃气涡轮发动机。燃料可以有效地用于间歇式内燃机或连续式内燃机。
燃料中，液体燃料和纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒可以作为混合物提供至燃烧室，或者液体燃料和纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒可以分别提供至燃烧室。
燃料制作为降低排放中碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、分子氧的比例。燃料的使用也可以导致燃烧排放中碳氧化物的比例的适当增加。因此当作为内燃机燃料时，燃料形成有效运作，其排放符合或优于美国环境保护署标准(E.P.A.标准)。燃料也可以制作为具有更有效的燃烧性能，从而降低内燃机燃烧室的碳残余的沉淀。
以下为本发明的举例。除非特别声明，以下例子以及说明书和权利要求书中，所有份数和百分比均以重量计，所有温度均为摄氏温度，压力约为大气压。
表1反映的是在使用的燃料不含以及含有纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒情况下，三种发动机在空转以及2000转数/分下的碳氢化合物排放(单位ppm)。基础燃料为无铅汽油，并含有锌烷等级87。纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒存在的水平约为50ppm，并且为氧化锌颗粒，其尺寸在1nm～20nm。发动机1为2002Ford F-150皮卡(pick-up)V-8；发动机2为2000Dodge Ram皮卡(pick-up)V-8；以及发动机3为1999Audi A8 V-8。利用带有尾管的五气分析仪(five gas analyzer)对碳氢化合物排放进行测量(Emission Systems Inc.公司制造的Model 5002 Exhaust Gas Analyzer)。
表1 图1为表1所反映的碳氢化合物排放的柱状图。在图1中，第一组柱表示在空转、且无纳米金属和/或金属氧化物颗粒状态下，三个发动机的碳氢化合物排放。第二组柱表示在空转、且含有纳米金属和/或金属氧化物颗粒状态下，三个发动机的碳氢化合物排放。最后两组柱表示在2000转/分(公路上典型的转速)、含有或不含有纳米金属和/或金属氧化物颗粒状态下，同样的三个发动机的碳氢化合物排放。对于空转和巡航发动机转速来说，碳氢化合物排放的降低是显著的。
表2反映了两个不同的发动机在空转和2000转/分情况下，采用含有和/或不含有纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物的燃料，氮氧化物(NOx)排放(单位ppm)。对于空转和巡航转速，氮氧化物的排放显著降低。基础燃料为通常的无铅汽油，且辛烷等级87。纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒存在的水平约为50ppm，且为氧化锌颗粒，尺寸为1nm～20nm。发动机1为2002Ford F-150皮卡(pick-up)V-8，发动机3为1999Audi A8V-8。利用带有尾管的五气分析仪(five gas analyzer)对氮氧化物排放进行测量(EmissionSystems Inc.公司制造的Model 5002Exhaust Gas Analyzer)。
表2 表3反映了两个不同的发动机在空转和2000转/分情况下，采用含有和/或不含有纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物的燃料，碳氧化物排放(单位ppm)。对于空转和巡航转速，氮氧化物的排放显著降低。基础燃料为通常的无铅汽油，且辛烷等级87。纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒存在的水平约为50ppm，且为氧化锌颗粒，尺寸为1nm～20nm。发动机1为2002Ford F-150皮卡(pick-up)V-8，发动机2为2000Dodge Ram皮卡(pick-up)V-8。利用带有尾管的五气分析仪(five gas analyzer)对碳氧化物排放进行测量(EmissionSystems Inc.公司制造的Model 5002Exhaust Gas Analyzer)。
表3 表4反映了五种不同燃料的辛烷等级；其中一种燃料不含有纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物添加剂，其他四种燃料含有不同含量的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物添加剂。对于空转和巡航转速，氮氧化物的排放显著降低。基础燃料为通常的无铅汽油，且辛烷等级87。五种不同燃料均含有墨菲美国常规无铅汽油(Murphy′s USA regular unleadedfuel)，并且辛烷等级为87，含有或不含有添加剂。添加剂为不同含量的1nm～20nm的氧化锌颗粒。利用红外线(IR)扫描仪对辛烷值进行测量(Zeltex Inc.公司制造的ModelZX-101XL便携式辛烷和燃料分析仪)。
表4 图2为表4反映的燃料的辛烷值柱状图。在图2的柱状图中，第一柱为不含有纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的燃料的辛烷值，第二柱至第五柱为含有不同含量的纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒的燃料的辛烷值。所有含有不同含量的纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒的燃料的辛烷值高于不含纳米金属颗粒和/或金属氧化物颗粒的燃料。
表5为含有催化剂的柴油燃料的氮化物排放从125ppm降至58ppm降低近53％。两种不同的柴油材料组分含有带或不带添加剂的菲利浦美国柴油燃料(Phillips′s USA dieselfuel)。添加剂为1nm～20nm的氧化锌颗粒。利用带尾管的五气分析仪(five gas analyzer)对氮氧化物排放进行测量(Emission Systems Inc.公司制造的Model 5002 Exhaust GasAnalyzer)。
表5
表5的数据是根据1)空转和2)2,000转/分的发动机转速下读取。如表5所示，两种燃料为1)不含催化剂的柴油；2)含有催化剂的柴油。这两种燃料先测试纯柴油后测试含催化剂的柴油。
关于给定特征的任何数值范围，一个范围得到的数字或参数可以与相同特征的从另一个范围得到的数字或参数结合，从而产生一个数值范围。
虽然以上结合了一些具体实施例对本发明作了描述，但是本领域技术人员知道可以有各种各样的变体。因此，这些变体也将落入本发明的权利要求的范围中。
权利要求
1.一种燃料组合物，包括
液体燃料；
0.01ppm～500ppm的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，其中按重量计至少90％的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的尺寸为1nm～990nm。
2.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的表面积为50m2/g～1,000m2/g。
3.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于按重量计，至少90％的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的尺寸为1nm～75nm。
4.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒选自IIa族金属、IIa族金属氧化物、IIIa族金属、IIIa族金属氧化物、IVa族金属、IVa族金属氧化物、VIII族金属、VIII族金属氧化物、Ib族金属、Ib族金属氧化物、IIb族金属、IIb族金属氧化物、IIIb族金属、和IIIb族金属氧化物。
5.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒选自镁、钙、锶、钡、铈、钛、锆、铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯、铂、铜、银、金、锌、铝、及其混合金属颗粒、合金金属颗粒；钙氧化物、锶氧化物、钡氧化物、铈氧化物、钛氧化物、锆氧化物、铁氧化物、钌氧化物、锇氧化物、钴氧化物、铑氧化物、铱氧化物、镍氧化物、钯氧化物、铂氧化物、铜氧化物、银氧化物、金氧化物、锌氧化物、铝氧化物、及其混合金属氧化物颗粒、及其混合金属-金属氧化物颗粒。
6.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于包含0.01ppm～500ppm的球形的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒。
7.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于按重量计，还包含0.001％～0.5％的表面活性剂。
8.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于所述燃料组合物的研究法辛烷值、马达法辛烷值、和/或十六烷值高于第二燃料组合物，该第二燃料组合物包含所述液体燃料，但不包含所述纳米金属颗粒和纳米金属氧化物颗粒。
9.根据权利要求1所述的燃料组合物，其特征在于所述液体燃料选自汽油、新配方汽油、含氧汽油、柴油、喷气燃料，船用燃料，生物柴油燃料，生物酒精，酒精，和煤油。
10.一种增进燃烧的方法，包括向内燃机供给燃料组合物，该燃料组合物包含液体燃料和0.01ppm～500ppm的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒，其中按重量计，至少90％的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的尺寸为1nm～990nm。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的表面积为50m2/g～1,000m2/g。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的表面积为100m2/g～750m2/g。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于其中按重量计，至少90％的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的尺寸为2nm～250nm。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述内燃机为奥托循环发动机、柴油发动机、转子发动机、或燃气涡轮发动机
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于增进燃烧包括至少以下一项与不含所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的第二燃料组合物相比，提高了输出功率；
催化燃烧；
增加燃烧发生处的表面积。
16.一种增进燃料组合物的催化氧化的方法，包括
提供含有0.01ppm～500ppm纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒和液体燃料的燃料组合物，其中按重量计，至少90％的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的尺寸为1nm～990nm。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括至少以下一项混合、搅拌、掺杂、摇动、和超声波降解所述燃料组合物。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒与所述液体燃料的结合，是通过将由所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒和载体组成的燃料添加剂和所述液体燃料结合而成。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒选自IIa族金属、IIa族金属氧化物、IIIa族金属、IIIa族金属氧化物、IVa族金属、IVa族金属氧化物、VIII族金属、VIII族金属氧化物、Ib族金属、Ib族金属氧化物、IIb族金属、IIb族金属氧化物、IIIb族金属、和IIIb族金属氧化物。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括使所述燃料组合物含有表面活性剂。
21.一种制备燃料组合物的方法，包括使0.01ppm～500ppm的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒在液体燃料中悬浮，其中按重量计，至少90％的所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的尺寸为1nm～990nm。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于所述纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒被预先覆盖有表面活性剂。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于所述被预先覆盖的纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒的制备是通过将纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒与溶剂中的表面活性剂混合，随后干燥。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述混合包括搅拌、掺杂、摇动、超声波降解、或搅动。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述干燥包括烤箱烘干、真空干燥、或喷霉干燥。
全文摘要
一种燃料组合物含有液体燃料和纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒。纳米金属颗粒和/或纳米金属氧化物颗粒可以用于增进燃烧或促进燃料的催化氧化。
文档编号C09C3/04GK101333467SQ200810137609
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年6月28日
发明者理查德·威廉·托克, 梁德周, 詹姆士·肯尼思·桑德斯 申请人:詹姆士·肯尼思·桑德斯