燃烧系统及改进燃烧装置性能的方法与流程

本发明涉及一种燃烧系统，其包括燃烧装置和待添加到该燃烧装置中的燃料组合物。本发明还涉及借助于该燃料组合物改进该燃烧装置性能的方法。
背景技术：
：尽管近年来节油混合动力车辆和电动车辆的使用逐渐增加，但据报导内燃柴油发动机车辆也有类似趋势。当内燃柴油发动机通过燃料爆燃运行时，将不可避免地产生有毒污染物，包括氮氧化物(nox)和颗粒物(pm)以及未燃烧或未完全燃烧的碳氢化合物(hc)，并保留在由于燃料不完全燃烧而产生的燃烧废气中。为了减少柴油发动机运行过程中这些有毒污染物的产生，专利文献1公开了在气缸壁的内表面、气缸盖的内表面和活塞的上表面上形成催化剂(例如镍)膜，以使催化剂膜与气缸内的燃烧室中的燃料接触。通过与催化剂膜反应，可以将燃烧废气中的nox转化为无害的氮气和氧气，将hc转化为水和二氧化碳，并减少pm的量。但是，申请人发现，如专利文献1中所公开的那样，当通常使用的石油(例如轻油)用作柴油发动机的燃料时，废气中的有毒污染物的量相对较高并且燃料效率不令人满意。专利文献2公开了一种去除燃烧废气中的氮氧化物的方法，该方法包括使燃烧废气与包含活性氢的水反应。活性氢是使用镁和酸产生的。该方法已经表示可以从燃烧废气中除去70wt％的氮氧化物，这表明含有活性氢的水对于分解nox是有效的。在专利文献2中，在燃烧室中产生的燃烧废气被引入反应容器中以与包含活性氢的水反应。引文列表专利文献专利文献1：日本发明专利申请公开号：2004-225570专利文献2：日本发明专利申请公开号：2013-091056技术实现要素：因此，本发明的第一目的是提供一种可以减轻现有技术的至少一个缺点的燃烧系统。根据本发明，该燃烧系统包括燃烧装置和待添加到该燃烧装置中的燃料组合物。所述燃烧装置包括：界定燃烧室的气缸单元，以及涂覆在所述气缸单元上并面向所述燃烧室的涂层。所述涂层包含催化剂，所述催化剂选自金属、所述金属的合金、包含所述金属的氧化物的复合物、所述金属的盐及前述的组合，其中所述金属选自铂、镍、钴、铜、钼、钛及前述的组合。所述燃料组合物，其待添加到所述燃烧装置的燃烧室中，包括水、燃油和乳化剂。基于100wt％的所述水和所述燃油的组合，所述水的存在量为10wt％至90wt％，以及所述燃油的存在量为90wt％至10wt％。相对于100wt％的所述水和所述燃油的组合，所述乳化剂的存在量为0.5wt％至10wt％。本发明的第二目的是提供一种改善燃烧装置性能的方法，包括：提供上述燃烧装置，以及将上述燃料组合物添加到该燃烧装置中。本发明的第三目的是提供前述燃料组合物用于改进上述燃烧装置性能的用途。本发明的第四目的是提供一种使用上述燃料组合物作为用于上述燃烧装置的燃料的方法，该方法包括将该燃料组合物施加到该燃烧装置中。参考附图，在下面的实施例的详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：附图说明[图1]图1是示出根据本发明的柴油发动机的实施例的截面图。具体实施方式应当理解，如果在本文中引用了任何现有技术出版物，则该引用并不意味着承认该出版物构成了中国台湾或任何其他地区的本领域公知常识的一部分。为了本说明书的目的，将清楚地理解单词“包括(comprising)”是指“包括但不限于”，并且单词“包含(comprise(s))”具有相应的含义。除非另有界定，否则本文中使用的所有技术术语和科学术语具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。本领域的技术人员将认识到可以在本发明的实践中使用的许多与本文描述的方法和材料相似或等同的方法和材料。实际上，本发明决不限于所描述的方法和材料。本发明提供了一种燃烧系统，其包括燃烧装置和待添加到燃烧装置中的燃料组合物，即，使用该燃料组合物作为用于该燃烧装置的燃料。该燃料组合物包括水、燃油和乳化剂。在某些实施例中，该燃料组合物基本上由水、燃油和乳化剂组成。在一个示例性实施例中，该燃料组合物由水、燃油和乳化剂组成。本发明的燃料组合物可用于有效地改进燃烧装置的性能。因此，本发明还提供一种改进燃烧装置性能的方法，包括：提供燃烧装置，以及将燃料组合物添加到该燃烧装置中。根据本发明，燃烧装置性能的改进可以通过例如以下的一项或多项来确定：废气中污染物排放的减少，以及燃料效率的改进。污染物的示例可以包括但不限于氮氧化物(nox)、未燃烧或未完全燃烧的碳氢化合物(hc)、颗粒物(pm)及前述的组合。如本文所使用的，术语“燃料效率”是指燃料中所包含的化学势能被转换成热能(例如，热)、动能、电功率和/或由燃料经历化学转变的功(例如，内燃机中的燃料燃烧以产生动能和/或功，外燃机中的燃料燃烧以提供功和/或电，或柴油锅炉中的燃料燃烧产生热蒸汽来保持温暖)的效率。例如，燃料效率可以通过本领域技术人员可识别的技术来测量，例如通过测量燃料的化学转变所做的功或产生的热(例如，测量内燃机可以提供的行驶距离(例如，英里或公里)，外燃机可以提供的功或热的量(例如，j或卡路里)，或在燃烧给定体积(加仑或升)的燃料时柴油锅炉可以产生的用于保暖的热蒸汽量)。在某些实施例中，燃料组合物通过将燃油加入水和乳化剂的混合物中来制备。由于乳化燃料(即水-乳化燃料)是非腐蚀性水溶液，本发明的燃料组合物不会腐蚀燃烧装置的燃烧室。根据本发明，燃油可以是常规的石油产品，其可以用作燃烧装置的燃料。适用于本发明的燃油的示例可以包括但不限于重油、轻油、煤油、柴油燃料及前述的组合。根据本发明，乳化剂可以是能够使燃油与水混溶的任何物质。适用于本发明的乳化剂的示例可包括以下的一种或多种物质：(1)两亲(amphiphilic)化合物，诸如具有强碱官能团(高碱性)的有机碱，例如具有c3至c20烷基的烷基苯磺酸镁；和(2)包含亲脂性化合物(例如脱水山梨糖醇酯(也称为司盘(spans))和亲水性化合物(例如聚山梨酯(也称为吐温(tweens)))的组合物，例如span80和tween80的混合物(重量比为1：1))或span80和tween60的混合物(重量比为1：1)。在某些实施例中，基于100wt％的水和燃油的组合，燃料组合物包含10wt％至90wt％的水。在其他实施例中，基于100wt％的水和燃油的组合，水的存在量为10wt％至50wt％。在某些实施例中，相对于100wt％的水和燃油的组合，燃料组合物包含0.5wt％至10wt％的乳化剂。在其他实施例中，相对于100wt％的水和燃油的组合，乳化剂的存在量为0.5wt％至2wt％。根据本发明，燃料组合物可进一步包含氢气，其在改进燃料效率方面是有效的。在某些实施例中，氢气的浓度为5ppm至10ppm。在某些实施例中，可以使用例如高频、电磁波或超声波对燃料组合物进行振荡处理，以分散燃油和水的分子聚集体，从而改进燃料效率。该燃烧装置包括界定燃烧室的气缸单元，以及涂覆在该气缸单元上并面对该燃烧室(即，涂覆在该气缸单元的内表面上)的涂层。适用于本发明的燃烧装置的示例可以包括但不限于内燃机(例如，使用于车辆的柴油发动机，柴油发电机等)；用于做功和发电的外燃机、锅炉、熔炉和涡轮；以及于产生热蒸汽来保暖的柴油锅炉(燃烧器)。在示例性实施例中，使用柴油发动机作为燃烧装置的示例。参考图1，柴油发动机的实施例包括：界定燃烧室3的气缸单元1，以及涂覆在气缸单元1上并面对燃烧室3(即，涂覆在气缸单元1的内表面上)的涂层2。涂层2包含催化剂，例如金属、所述金属的合金、包含所述金属的氧化物的复合物、所述金属的盐或前述的组合。所述金属的示例包括铂、镍、钴、铜、钼、钛及前述的组合。如本文所使用的，术语“所述金属的合金”是指包含铂、镍、钴、铜、钼和/或钛的合金。包含适用于本发明的金属的合金的示例包括但不限于镍-钴合金，镍-铜合金，镍-钛合金及前述的组合。如本文所使用的，术语“包含所述金属的氧化物的复合物”是指包含氧化铂、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化钼和/或氧化钛的复合物。适用于本发明的包含所述金属的氧化物的复合物的示例包括但不限于包含氧化镍和氧化钴的复合物。如本文所使用的，术语“所述金属的盐”是指铂盐、镍盐、钴盐、铜盐、钼盐和/或钛盐，这些金属盐可以用作催化剂。根据本发明，所述金属的盐可以是所述金属的氧化物、所述金属的硫化物或前述的组合。所述金属的氧化物的一非限制性示例是一氧化镍。所述金属的硫化物的一非限制性示例是硫化镍。在某些实施例中，涂层2还包含硫酸根离子。可以通过任何合适的方法将硫酸根离子涂覆在气缸单元1上，例如喷涂、溅射涂覆和燃烧燃油中的含硫成分以产生沉积在气缸单元1上的金属硫酸盐。在该实施例中，气缸单元1包括气缸11、气缸盖12和活塞13。气缸盖12密封气缸11的顶端。活塞13可往复运动地安装在气缸11中，与气缸盖12间隔开并密封气缸11的底端。气缸11、气缸盖12和活塞13共同界定燃烧室3。气缸11、气缸盖12和活塞13各自具有面向燃烧室3的相应内表面110、120、130，这些内表面是气缸单元1的内表面的一部分。在该实施例中，涂层2被涂覆在气缸盖12的内表面120上。应当注意，涂层2的位置不限于本实施例中公开的位置，并且可以变化以满足实际要求。例如，涂层2可以被涂覆在气缸11的内表面110、气缸盖12的内表面120和活塞13的内表面130中的至少一个上。气缸盖12包括：进气门121，其可打开以将外部空气流引入到燃烧室3中；燃料喷嘴122，其用于将燃料组合物供应到燃烧室3；以及排气门123，其可打开使废气离开燃烧室3。内燃机可以以四冲程循环运行：(1)进气：排气门123关闭而进气门121打开。同时，活塞13从气缸盖12向下滑动(即，从上止点到下止点)，以便通过进气门121将外部空气流引入燃烧室3。(2)压缩：在此阶段，进气门121和排气门123均关闭。活塞13从下止点到上止点向上滑动，以压缩燃烧室3中的空气。(3)燃烧/爆炸：将燃料组合物从燃料喷嘴122喷射到燃烧室3中，然后被高压缩产生的热点燃。在这一阶段，燃烧室3中的压力不小于100atm，并且温度不小于2000℃。由此产生的燃烧气体强制地使活塞13返回到下止点(即远离气缸盖22)，从而产生动能。(4)排气(排放)：在排气门123打开的同时，活塞13从下止点返回到上止点。燃烧气体通过排气门123排出到燃烧室3的外部。在不希望受到任何理论约束的情况下，据信，在燃烧阶段期间，本发明的燃料组合物可通过氧化还原反应产生氢气和氧气，该氧化还原反应由涂覆在气缸单元1上的涂层2的催化剂所催化。同时，由于燃料组合物不完全燃烧而产生的有毒nox和hc被转化为无害的氮气、氧气、水和二氧化碳。另外，pm可在高温下(即通过合成气反应)与热蒸汽(由来自燃料组合物的水燃烧所产生)反应以形成二氧化碳和氢气。这样，可以大大减少燃烧气体中这些污染物(nox、hc和pm)的含量。燃料组合物中的燃油也可能几乎被完全燃烧以释放出强大的爆发力和大量的热，从而在相同发动机转速而不降低轴扭矩的情况下极大地降低燃料消耗，从而改进燃油效率。将通过以下实施例和比较例进一步描述本发明。然而，应理解，以下实施例和比较例仅用于说明目的，并且不应解释为在实践中限制本发明。实施例<实施例>将用作燃料的燃料组合物添加到如图1所示的柴油发动机中，该燃料组合物通过以30：70：1的重量比来混合水、轻油和乳化剂(即，具有高碱性的两亲化合物)而制备，其中涂层2的催化剂是镍。使用具有四速发动机变速器的机动车辆，以2000rpm的发动机转速和60％的发动机负荷率，对填充有燃料组合物的柴油发动机进行运转测试。确定了燃烧气体中nox和hc的残留量、轴扭矩(kgf·m)和平均燃料消耗量(升/小时)。平均燃料消耗量越低，燃料效率越高。<比较例>除将轻油用作柴油发动机的燃料外，比较例以与实施例类似的方式实施。结果实施例和比较例的所得结果示于表1。[表1]实施例比较例nox的残留量(ppm)74135hc的残留量(ppm)09轴扭矩(kgf·m)2322平均燃料消耗量(升/小时)0.855.8从表1可以看出，与比较例相比，使用该燃料组合物作为柴油发动机的燃料的实施例产生较少的污染物(例如nox和hc)，并且具有较低的燃料消耗量(即，更高的燃料效率)，同时具有相似的轴扭矩和相同的发动机转速。这表明由水、燃油和乳化剂组成的本发明的燃料组合物能够改进在其气缸单元上涂覆有催化剂(例如ni)的燃烧装置的性能。在以上描述中，出于解释的目的，已经阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些的情况下实践一个或多个其他实施例。还应当理解的是，在整个说明书中，“一个实施例”、“一实施例”、包含序数表示的实施例等意味着在本发明的实践中可以包括特定的特征、结构或特性。应当进一步理解，在说明书中，有时将各种特征组合在单个实施例、附图或其描述中，以简化本发明并帮助理解各种发明方面，并且一个或多个特征或在适当的情况下，在实施本发明时，可以将一个实施例的特定细节与一个或多个特征或另一实施例的特定细节一起实践。尽管已经结合示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是旨在覆盖包括在最广泛的解释的精神和范围内的各种布置，以涵盖所有此类修改和等效安排。附图标记列表1气缸单元2涂层3燃烧室11气缸12气缸盖13活塞110、120、130内表面当前第1页12