專利名稱：用于使燃料更完全燃燒的納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及促進燃料燃燒的納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒，以及提高燃料燃燒的方法。

背景技術(shù)：
發(fā)動機制造商通過發(fā)動機設(shè)計繼續(xù)尋找改良的燃料節(jié)約措施。改良燃料的方法包括調(diào)配新燃料和機器潤滑油。通常，燃燒式發(fā)動機例如汽車發(fā)動機要求高辛烷值汽油，進行高效運作。以往，鉛被加入汽油來增加辛烷值。然而，出于健康和環(huán)境考慮，汽油已經(jīng)不再加入鉛。鉛同樣也對催化轉(zhuǎn)換器有害，降低了其壽命?？梢栽谄椭屑尤牒趸衔?，例如甲基叔丁基醚(MTBE)和乙醇，來增加辛烷值。比鉛的有害性小的同時，一些人提出MTBE可導(dǎo)致地下水污染。同樣，也需要減低一些高辛烷值組分，例如苯、芳烴和烯烴。


發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，本發(fā)明提供了納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒，該納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒促進燃燒，降低有害物質(zhì)排放，增加燃料的催化氧化。
本發(fā)明的一方面涉及一種燃料組合物，該燃料組合物包含液體燃料和至少一種納米金屬顆?；蚣{米金屬氧化物顆粒，或兩者的結(jié)合。本發(fā)明另一方面涉及一種燃料添加劑組合物，該燃料添加劑組合物包含載體/有機溶劑和至少一種納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒。本發(fā)明的其他方面包括制備燃料組合物的方法、提高燃燒的方法、以及促進燃料催化氧化的方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括權(quán)利要求的詳細描述特征。以下描述和附圖將詳細描述本發(fā)明的實施方式。這些詳細描述是例證性，只是本發(fā)明原理的各種方法中的幾種。本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點和特征將在結(jié)合以下附圖和實施例作詳細描述。



圖1為各種發(fā)動機的各種燃料的碳氫化合物排放的柱狀圖； 圖2為各種發(fā)動機的各種燃料的辛烷值的柱狀圖。

具體實施例方式 納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒與燃料結(jié)合，促進燃料燃燒。
燃料添加劑中可以有納米金屬顆粒，該燃料添加劑與燃料結(jié)合(懸浮或者分散)形成燃料組合物或存在于燃料組合物中。
當(dāng)要在燃燒過程中被氧化的液體燃料中存在納米金屬顆粒時，動力源會增加。納米金屬顆粒促進催化氧化或碳氫燃料的燃燒。從而，提高發(fā)動機動力。液體燃料中存在納米金屬或納米金屬氧化物顆?；騼烧呓Y(jié)合，提供了催化表面，當(dāng)燃燒過程引起瞬時大氣壓降低時，該催化表面可以為燃燒過程提供氧。由于燃燒過程更徹底，提供了更環(huán)境友好的內(nèi)燃機燃料。
納米金屬或納米金屬氧化物或兩者結(jié)合也可以涉及到其他反應(yīng)，以促進燃燒。例如，納米金屬氧化物顆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，例如含有醇類。這提供了另一個優(yōu)點吸收存在的乙醇，降低乙醇的研究法辛烷值(RON)和馬打法辛烷值(MON)之間的差值或敏感性。敏感性的降低提高了發(fā)動機欠載時燃料的性能，并可以增加燃料的辛烷值。納米金屬粒子或納米金屬氧化物粒子可以起在內(nèi)燃機內(nèi)部的金屬零件外形成覆蓋層的作用，因此增加潤滑性的同時，也防止了內(nèi)燃機零件的積碳。這減少了發(fā)動機的維護。
納米金屬顆?；蚣{米金屬氧化物顆?；騼烧呓Y(jié)合，可以被添加到碳氫燃料中，以增加燃燒過程中的功率輸出。
在固體催化表面(由納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒提供)的非均相反應(yīng)中燃燒過程(碳氫燃料的氧化)快于在沒有金屬顆粒和金屬氧化物顆粒的均相反應(yīng)中的同樣氧化過程。因此，本發(fā)明提供了納米固體催化劑，該催化劑明顯增加了完全燃燒所需的表面面積。
納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒具有適合催化燃料燃燒反應(yīng)的尺寸，也具有1)通過燃料過濾器的能力；2)至少基本可以將自身燃燒掉、或升華、或以其他方式消耗，從而減少和/或消除顆粒排放。在一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的尺寸如下按重量計，90％的顆粒的尺寸范圍約為1nm至990nm。關(guān)于這一點，尺寸涉及到顆粒的平均橫截面，例如直徑。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的尺寸如下按重量計，90％的顆粒的尺寸范圍約為1nm至75nm。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的尺寸如下按重量計，90％的顆粒的尺寸范圍約為1.5nm至40nm。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的尺寸如下按重量計，90％的顆粒的尺寸范圍約為2nm至20nm。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的尺寸如下按重量計，90％的顆粒的尺寸范圍約為1nm至10nm。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的尺寸如下按重量計，100％的顆粒的尺寸小于約20nm。
納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的表面積適合催化燃料的燃燒反應(yīng)，并提高燃燒率，如同使用了大量的催化劑。通常，通過小化顆粒比通過高多孔顆粒更能使表面積的增加。在一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的表面積大約為50m2/g至1,000m2/g。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的表面積約為100m2/g至750m2/g。在另一個實施例中，納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的表面積約為150m2/g至600m2/g。
納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的形態(tài)適合催化燃料的燃燒反應(yīng)，提高燃燒率，如同使用了大量的催化劑，同時也可以通過燃料過濾器。納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒的形態(tài)包括球形，類球形，橢圓形，爆米花形，板形，立方體，錐體，圓柱形及類似形狀。納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒可以為晶體、半晶或無定形物。
納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒包含可催化燃料燃燒反應(yīng)的任何材料。通常，金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒包括一種或多種以下物質(zhì)(涉及元素周期表的族)IIa族金屬，IIa族金屬氧化物，IIIa族金屬，IIIa族金屬氧化物，IVa族金屬，IVa族金屬氧化物，VIII族金屬，VIII族金屬氧化物，Ib族金屬，Ib族金屬氧化物，IIb族金屬，IIb族金屬氧化物，IIIb族金屬，IIIb族金屬氧化物。具體金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒包括一種或多種一下材料鎂，鈣，鍶，鋇，鈰，鈦，鋯，鐵，釕，鋨，鈷，銠，銥，鎳，鈀，鉑，銅，銀，金，鋅，鋁，混合金屬顆粒，合金金屬顆粒，鈣氧化物，鍶氧化物，鋇氧化物，鈰氧化物，鈦氧化物，鋯氧化物，鐵氧化物，釕氧化物，鋨氧化物，鈷氧化物，銠氧化物，銥氧化物，鎳氧化物，鈀氧化物，鉑氧化物，銅氧化物，銀氧化物，金氧化物，鋅氧化物，鋁氧化物，混合金屬氧化物顆粒，混合金屬-金屬氧化物顆粒。
在一個實施例中，納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒不含有對健康有害的和環(huán)境不友好(根據(jù)現(xiàn)有或以后的標(biāo)準(zhǔn))金屬和金屬氧化物。例如，在一個實施例中，納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒不含有鉛和/或氧化鉛。
在一個實施例中，納米金屬顆粒含有混合金屬顆粒和/或混合金屬氧化物顆粒，該混合金屬氧化物顆粒含有至少兩種金屬/金屬氧化物，或者含有至少三種金屬/金屬氧化物，或者含有至少四種金屬/金屬氧化物?；旌辖饘兕w粒和混合金屬氧化物顆粒包括一種或多種以下顆粒鋁-鎂，鋁-鐵，鋁-鋅，鋅-鎂，鋅-鎂-鐵，鈣-鎂，鈣-鎂-鋅，鈣-鎂-鐵，鎳-鎂，鋁-鎳，鎳-鎂-鋁，鋁-鈰，鋁氧化物-鎂氧化物，鋁氧化物-鐵氧化物，鋁氧化物-鋅氧化物，鋅氧化物-鎂氧化物，鋅氧化物-鎂氧化物-鐵氧化物，鈣氧化物-鎂氧化物，鈣氧化物-鎂氧化物-鋅氧化物，鈣氧化物-鎂氧化物-鐵氧化物，鎳氧化物-鎂氧化物，鋁氧化物-鎳氧化物，鎳氧化物-鎂氧化物-鋁氧化物，鋁氧化物-鈰氧化物，等等。
很多納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆?？梢詮纳虡I(yè)上得到，例如通過Sigma-AldrichInc公司。作為選擇，金屬氧化物可以通過現(xiàn)有技術(shù)方法將金屬鹽轉(zhuǎn)化為金屬或金屬氧化物來制備。所述轉(zhuǎn)化發(fā)生在惰性氣氛或空氣中加熱，例如在惰性氣氛或空氣中煅燒，或在溶液中加熱。
在一個實施例中，金屬鹽溶解在液體中，并在傳化為金屬或金屬氧化物后進行超聲波輻射。金屬鹽包括金屬羧酸鹽，金屬鹵化物，金屬乙酰丙酮化物。換句話說，可以用金屬羧酸鹽、金屬鹵化物、金屬乙酰丙酮化物制得金屬氧化物。金屬羧酸鹽包括金屬醋酸鹽，乙基己酸金屬鹽，金屬葡糖酸鹽，金屬草酸鹽，金屬丙酸鹽，金屬泛酸鹽，金屬環(huán)己烷丁酸鹽，二(乳酸銨)二羥基金屬化合物，金屬檸檬酸鹽，金屬甲基丙烯酸鹽。金屬羧酸鹽的具體包括乳酸鋁，乙酸鈣，乙基己酸鈣，葡萄糖酸鈣，草酸鈣，丙酸鈣，泛酸鈣，環(huán)己烷丁酸鈣，醋酸鈰，草酸鈰，醋酸銫，甲酸銫，醋酸亞鐵，檸檬酸鐵，草酸鐵，醋酸鎂，碳酸甲鎂，葡萄糖酸鎂，醋酸鎳，乙基己酸鎳，辛酸鎳，醋酸錫，草酸錫，二(乳酸銨)二羥基鈦，醋酸鋅，甲基丙烯酸鋅，硬酯酸鋅，環(huán)己烷丁酸鋅，醋酸鋯，檸檬酸鋯。
兩種或更多種金屬鹽可以用于形成混合金屬氧化物?；旌辖饘傺趸锇辽賰煞N不同金屬氧化物。作為選擇，混合金屬氧化物包含至少三種不同氧化物。作為選擇，混合金屬氧化物包含至少四種金屬氧化物。
任何合適的液體都可以用于將金屬鹽例如金屬羧酸鹽轉(zhuǎn)化為金屬氧化物。這些液體包括水和有機溶劑，有機溶劑包括酒精，醚，酯，酮，鏈烷，芳烴，等等。當(dāng)利用無水酒精例如無水乙醇作為液體時，酒精和水的混合物將在轉(zhuǎn)化過程中釋出。
金屬顆粒和金屬氧化物顆粒的制備方法在美國專利5,039,509、5,106,608、5,654,456、和6,179,897中有描述，將金屬和石墨結(jié)合，加熱形成過渡金屬碳化物，進一步加熱使金屬碳化物分解并以蒸汽形式釋放出金屬，隨后使之氧化形成純金屬氧化物粉末；PCT國際申請WO/2007/000014也公開了金屬顆粒和金屬氧化物顆粒的制備方法；這些方法在此作為參考。
納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒(或燃料或燃料添加劑)可以包括或具有覆蓋在上面的一種或多種表面活性劑。表面活性劑可促進燃料中的一種或多種顆粒懸浮，防止結(jié)塊，并促進顆粒和液體燃料之間的兼容性，等等。任何適合的表面活性劑均可采用，例如離子型表面活性劑、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性表面活性劑、和非離子表面活性劑。表面活性劑是現(xiàn)有技術(shù)存在的，很多表面活性劑描述在McCutcheon的″Volume IEmulsifiers and Detergents″，1995，北美版(North American Edition)，McCutcheon′s DivisionMCP Publishing Corp.，Glen Rock，N.J.出版，具體是pp.1-232，它描述了許多陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑、以及兩性表面活性劑，在此作為參考。
陰離子(通?；诹蛩猁}陰離子、磺酸鹽陰離子或羧酸鹽陰離子)表面活性劑包括十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基硫酸銨、和其他烷基硫酸鹽、十二烷基醚硫酸鈉(sodiumlauryl ether sulfate)，烷基苯磺酸鹽、脂肪酸的金屬鹽、或脂肪酸鹽(見酸式鹽)。
陽離子(通常基于季銨鹽陽離子)表面活性劑包括十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)[又稱溴化十六碳烷基三甲銨(hexadecyl trimethyl ammonium bromide)]，其他烷基三甲基銨鹽，氯化十六烷基吡啶(CPC)，聚乙氧基脂肪胺[polyethoxylated tallow amine，(POEA)]，氯化苯甲烴銨(BAC)，芐索氯銨[benzethonium chloride(BZT)]。
兩性離子表面活性劑或兩性表面活性劑包括十二烷基甜菜堿，十二烷基二甲基氧化胺，椰油酰胺丙基甜菜堿，椰油基兩性基甘氨酸鹽(coco ampho glycinate)。
非離子表面活性劑包括烷基聚氧乙烯；烷基多苷，例如辛基多苷和十二烷基麥芽糖苷；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)。
在一個實施例中，燃料含有重量百分比約0.001％至1％的一種或多種表面活性劑。在另一個實施例中，燃料含有重量百分比約0.01％至0.1％的一種或多種表面活性劑。
納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆?？梢灾辽俨糠值貞腋≡谌剂现小］^小尺寸的納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒比較大尺寸顆粒(大于一微米)能保持的懸浮時間較長，即使納米顆粒的密度和/或比重是液體燃料的密度和/或比重的數(shù)倍。較長的懸浮時間意味著隨著時間過去，進入發(fā)動機的含有納米顆粒的液體燃料含有更均勻和/或一致的納米顆粒分布。
懸浮液含有納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒和可與燃料兼容的載體液。例如，當(dāng)納米顆粒在酒精溶劑中時，或者當(dāng)甲苯或二甲苯作為載體液時，產(chǎn)生的懸浮液可直接添加至汽油泵。類似地，對于柴油燃料，可以采用具有十六烷值增進劑的另一種載體液。一種或多種表面活性劑和能與燃料兼容的載體液的使用增進了納米顆粒的懸浮。
納米金屬顆粒和金屬氧化物顆?？梢詾楦煞勰?。粉末的制備可以通過噴霧干燥納米金屬顆粒和納米金屬顆粒的懸浮液。惰性氣體例如氮氣可以被用于噴霧干燥顆粒。覆蓋粉末隨后可以以粉末形式被加入燃料或發(fā)動機或者制成燃料兼容的漿糊。粉末可以直接加入發(fā)動機的進風(fēng)口，而不是將粉末加入燃料。
一種或多種適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┑氖褂靡部梢源龠M懸浮液的分布均勻性和/或持續(xù)時間。表面活性劑包括兩性表面活性劑、離子型表面活性劑和非離子表面活性劑。然而，在一個實施例中，表面活性劑不包含硫原子。在另一個實施例中，表面活性劑不包含鹵化物原子。如果使用表面活性劑，那么該表面活性劑可以在納米顆粒與燃料結(jié)合之前、期間或之后被加入液體燃料中。作為選擇，納米顆?？梢栽诩尤肴剂锨芭c表面活性劑接觸或覆蓋。粉末的制備可以通過噴霧干燥含有一種或多種適當(dāng)表面活性劑的納米金屬顆?；蚣{米金屬氧化物顆粒。作為選擇，可以采用烘爐干燥或真空干燥，以形成覆蓋有表面活性劑的顆粒。為了安全地噴霧干燥，可以采用惰性氣體例如氮氣，以噴霧干燥帶有表面活性劑的顆粒。隨后，覆蓋有表面活性劑的粉末可以被加入燃料中。
分散均勻性和/或懸浮持續(xù)時間的確定或促進也可以通過混合、攪和、混和、超聲波降解、或其它方式搖動含有納米顆粒的液體燃料來實現(xiàn)。
液體燃料含有適量的至少部分懸浮的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，以催化燃料的燃燒反應(yīng)。在一個實施例中，液體燃料含有液體燃料和約0.01ppm-500ppm的懸浮金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒。在另一個實施例中，液體燃料含有液體燃料和約0.05ppm-250ppm的懸浮金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒。在另一個實施例中，液體燃料含有液體燃料和約0.1ppm-100ppm的懸浮金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒。在另一個實施例中，液體燃料含有液體燃料和約1ppm-75ppm的懸浮金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒。
燃料添加劑提供了存儲和運輸被加入液體燃料前的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的有效方式。在一個實施例中，燃料添加劑是覆蓋有一種或多種表面活性劑的干燥粉末。在另一個實施例中，沒有采用表面活性劑。在另一個實施例中，燃料添加劑是糊狀物，含有重量百分含量約10％-95％的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，以及重量百分含量約5％-90％的燃料兼容有機溶劑，以及重量百分含量約5％-10％的一種或多種適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣?。在另一個實施例中，燃料添加劑由載體液、納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒、和一種或多種適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┙M成。
燃料或燃料添加劑可以含有二環(huán)芳烴化合物。二環(huán)芳烴化合物包括萘、取代萘、聯(lián)苯衍生物、以及這些的混合物。在一個實施例中，燃料含有約0.01ppm-1000ppm的懸浮金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒，同時燃料添加劑含有重量百分含量約1％-10％的一種或多種二環(huán)芳烴化合物。在另一個實施例中，燃料含有約500ppm的懸浮金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒，同時燃料添加劑含有重量百分含量約0.5％-5％的一種或多種二環(huán)芳烴化合物。
燃料添加劑中的納米金屬顆粒/納米金屬氧化物顆粒和二環(huán)芳烴化合物，可以被散布在載體液中，形成燃料添加劑。載體液的閃點至少為100EF，自燃溫度至少為400EF，或者載體液為C1-C3醇。載體液的例子包括一種或多種甲苯、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、異丙醇、乙烯二醇、等等。在一個實施例中，燃料添加劑包含重量百分含量至少90％的載體液和不超過10％的納米金屬顆粒/納米金屬氧化物顆粒。
一些燃料和燃料添加劑含有相對較大量或少量的酮，例如丙酮，或者醚，例如甲基叔丁基醚(MTBE)。較大量或較少量的酮或醚對于燃料和燃料添加劑并不是必需的。在一個實施例中，燃料和/或燃料添加劑不存在較大量(按體積百分比算，多于5％)的酮或醚，因為酮和醚可能降低納米金屬和/或納米金屬氧化物顆粒的溶解性，以及不希望地降低燃料的閃點。
燃料組合物由納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒和液體燃料結(jié)合而成。液體燃料的例子包括碳氫燃料例如汽油，新配方汽油(reformulated gasoline)，柴油，噴氣燃料(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。汽油含有組成液體燃料的一種或多種以下成分直餾產(chǎn)品(straight-run products)，重整油，裂解汽油，高辛烷值原料油(high octant stock)，異構(gòu)油(isomerate)，聚合油(polymerization stock)，烷基化油(alkylate stock)，加氫處理原料油(hydrotreated feedstocks)，脫硫原料油(desulfurization feedstocks)，酒精，等等。
在一個實施例中，在液體燃料中添加入覆蓋有或沒有一種或多種表面活性劑的燃料添加劑或納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，其添加量足以使排放系統(tǒng)與沒有加入納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的情況相比減少至少10％的碳氧化合物和/或一氧化碳排放量。在另一個實施例中，在液體燃料中添加入覆蓋有或沒有一種或多種表面活性劑的燃料添加劑或納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，其添加量足以使排放系統(tǒng)與沒有加入納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的情況相比減少至少25％的碳氫化合物和/或一氧化碳和/或氮氧化物排放量。
在一個實施例中，在液體燃料中添加入覆蓋有或沒有一種或多種表面活性劑的燃料添加劑或納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，其添加量足以使發(fā)動機消耗液體燃料量與沒有加入納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的情況相比減少至少5％。在另一個實施例中，在液體燃料中添加入覆蓋有或沒有一種或多種表面活性劑的燃料添加劑或納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，其添加量足以使發(fā)動機消耗液體燃料量與沒有加入納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的情況相比減少至少10％。
燃料例如汽油的質(zhì)量可以通過辛烷來確定。辛烷是相對于異辛烷(2，2，4-三甲基戊烷，辛烷的異構(gòu)體)和正庚烷(n-heptane)的混合物測量。例如，87號汽油與體積濃度87％的異辛烷和13％的正庚烷的混合物具有同樣的辛烷值。世界上最常用的辛烷等級類型是研究法辛烷值(RON)。RON是通過使燃料通過受控制條件和各種壓縮比的測試發(fā)動機，并將其結(jié)果與異辛烷和正庚烷混合物作比較。RON可以利用美國材料試驗協(xié)會D 2699(ASTM D 2699)的程序進行測量，在此作為參考。另一種辛烷等級類型是馬達法辛烷值(MON)，在一些情況下當(dāng)在負(fù)載下能更好地測量燃料。MON測試采用與RON測試類似的測試發(fā)動機，但是燃料混合物預(yù)先加熱，且發(fā)動機速度更高，不定的點燃時間以進一步壓迫燃料抗爆震性能。十六烷值(CN)是測量柴油燃料在壓縮下的燃燒質(zhì)量，是燃料質(zhì)量的一種量度標(biāo)準(zhǔn)。CN實際上是柴油燃料的點燃延遲的量度標(biāo)準(zhǔn)；燃料燃燒開始和注射開始之間的時間間隔。
在一個實施例中，與不含納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒而其它成分相同的燃料組合物相比，含有液體燃料和納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的燃料組合物具有較高的研究法辛烷值(RON)、馬達法辛烷值(MON)、和/或十六烷值(CN)。在另一個實施例中，與不含納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒而其它成分相同的燃料組合物相比，含有液體燃料和納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的燃料組合物具有高出5％以下的研究法辛烷值(RON)、馬達法辛烷值(MON)、和/或十六烷值(CN)。在另一個實施例中，與不含納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒而其它成分相同的燃料組合物相比，含有液體燃料和納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的燃料組合物具有高出10％以下的研究法辛烷值(RON)、馬達法辛烷值(MON)、和/或十六烷值(CN)。
燃料可以有效地用于噴射點燃式發(fā)動機和非噴射點燃式發(fā)動機上。燃料可以有效地用于二沖程發(fā)動機，四沖程發(fā)動機，交通工具發(fā)動機例如汽車發(fā)動機、摩托車發(fā)動機、噴氣發(fā)動機、船用發(fā)動機、卡車/公車發(fā)動機、等等。燃料可以有效地用于任何類型的內(nèi)燃機，包括奧托循環(huán)發(fā)動機(Otto-cycle engine)，柴油發(fā)動機，轉(zhuǎn)子發(fā)動機，和燃氣渦輪發(fā)動機。燃料可以有效地用于間歇式內(nèi)燃機或連續(xù)式內(nèi)燃機。
燃料中，液體燃料和納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆?？梢宰鳛榛旌衔锾峁┲寥紵遥蛘咭后w燃料和納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆?？梢苑謩e提供至燃燒室。
燃料制作為降低排放中碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、分子氧的比例。燃料的使用也可以導(dǎo)致燃燒排放中碳氧化物的比例的適當(dāng)增加。因此當(dāng)作為內(nèi)燃機燃料時，燃料形成有效運作，其排放符合或優(yōu)于美國環(huán)境保護署標(biāo)準(zhǔn)(E.P.A.標(biāo)準(zhǔn))。燃料也可以制作為具有更有效的燃燒性能，從而降低內(nèi)燃機燃燒室的碳殘余的沉淀。
以下為本發(fā)明的舉例。除非特別聲明，以下例子以及說明書和權(quán)利要求書中，所有份數(shù)和百分比均以重量計，所有溫度均為攝氏溫度，壓力約為大氣壓。
表1反映的是在使用的燃料不含以及含有納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒情況下，三種發(fā)動機在空轉(zhuǎn)以及2000轉(zhuǎn)數(shù)/分下的碳氫化合物排放(單位ppm)?；A(chǔ)燃料為無鉛汽油，并含有鋅烷等級87。納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒存在的水平約為50ppm，并且為氧化鋅顆粒，其尺寸在1nm～20nm。發(fā)動機1為2002Ford F-150皮卡(pick-up)V-8；發(fā)動機2為2000Dodge Ram皮卡(pick-up)V-8；以及發(fā)動機3為1999Audi A8 V-8。利用帶有尾管的五氣分析儀(five gas analyzer)對碳氫化合物排放進行測量(Emission Systems Inc.公司制造的Model 5002 Exhaust Gas Analyzer)。
表1 圖1為表1所反映的碳氫化合物排放的柱狀圖。在圖1中，第一組柱表示在空轉(zhuǎn)、且無納米金屬和/或金屬氧化物顆粒狀態(tài)下，三個發(fā)動機的碳氫化合物排放。第二組柱表示在空轉(zhuǎn)、且含有納米金屬和/或金屬氧化物顆粒狀態(tài)下，三個發(fā)動機的碳氫化合物排放。最后兩組柱表示在2000轉(zhuǎn)/分(公路上典型的轉(zhuǎn)速)、含有或不含有納米金屬和/或金屬氧化物顆粒狀態(tài)下，同樣的三個發(fā)動機的碳氫化合物排放。對于空轉(zhuǎn)和巡航發(fā)動機轉(zhuǎn)速來說，碳氫化合物排放的降低是顯著的。
表2反映了兩個不同的發(fā)動機在空轉(zhuǎn)和2000轉(zhuǎn)/分情況下，采用含有和/或不含有納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物的燃料，氮氧化物(NOx)排放(單位ppm)。對于空轉(zhuǎn)和巡航轉(zhuǎn)速，氮氧化物的排放顯著降低。基礎(chǔ)燃料為通常的無鉛汽油，且辛烷等級87。納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒存在的水平約為50ppm，且為氧化鋅顆粒，尺寸為1nm～20nm。發(fā)動機1為2002Ford F-150皮卡(pick-up)V-8，發(fā)動機3為1999Audi A8V-8。利用帶有尾管的五氣分析儀(five gas analyzer)對氮氧化物排放進行測量(EmissionSystems Inc.公司制造的Model 5002Exhaust Gas Analyzer)。
表2 表3反映了兩個不同的發(fā)動機在空轉(zhuǎn)和2000轉(zhuǎn)/分情況下，采用含有和/或不含有納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物的燃料，碳氧化物排放(單位ppm)。對于空轉(zhuǎn)和巡航轉(zhuǎn)速，氮氧化物的排放顯著降低?；A(chǔ)燃料為通常的無鉛汽油，且辛烷等級87。納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒存在的水平約為50ppm，且為氧化鋅顆粒，尺寸為1nm～20nm。發(fā)動機1為2002Ford F-150皮卡(pick-up)V-8，發(fā)動機2為2000Dodge Ram皮卡(pick-up)V-8。利用帶有尾管的五氣分析儀(five gas analyzer)對碳氧化物排放進行測量(EmissionSystems Inc.公司制造的Model 5002Exhaust Gas Analyzer)。
表3 表4反映了五種不同燃料的辛烷等級；其中一種燃料不含有納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物添加劑，其他四種燃料含有不同含量的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物添加劑。對于空轉(zhuǎn)和巡航轉(zhuǎn)速，氮氧化物的排放顯著降低。基礎(chǔ)燃料為通常的無鉛汽油，且辛烷等級87。五種不同燃料均含有墨菲美國常規(guī)無鉛汽油(Murphy′s USA regular unleadedfuel)，并且辛烷等級為87，含有或不含有添加劑。添加劑為不同含量的1nm～20nm的氧化鋅顆粒。利用紅外線(IR)掃描儀對辛烷值進行測量(Zeltex Inc.公司制造的ModelZX-101XL便攜式辛烷和燃料分析儀)。
表4 圖2為表4反映的燃料的辛烷值柱狀圖。在圖2的柱狀圖中，第一柱為不含有納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的燃料的辛烷值，第二柱至第五柱為含有不同含量的納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒的燃料的辛烷值。所有含有不同含量的納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒的燃料的辛烷值高于不含納米金屬顆粒和/或金屬氧化物顆粒的燃料。
表5為含有催化劑的柴油燃料的氮化物排放從125ppm降至58ppm降低近53％。兩種不同的柴油材料組分含有帶或不帶添加劑的菲利浦美國柴油燃料(Phillips′s USA dieselfuel)。添加劑為1nm～20nm的氧化鋅顆粒。利用帶尾管的五氣分析儀(five gas analyzer)對氮氧化物排放進行測量(Emission Systems Inc.公司制造的Model 5002 Exhaust GasAnalyzer)。
表5
表5的數(shù)據(jù)是根據(jù)1)空轉(zhuǎn)和2)2,000轉(zhuǎn)/分的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下讀取。如表5所示，兩種燃料為1)不含催化劑的柴油；2)含有催化劑的柴油。這兩種燃料先測試純柴油后測試含催化劑的柴油。
關(guān)于給定特征的任何數(shù)值范圍，一個范圍得到的數(shù)字或參數(shù)可以與相同特征的從另一個范圍得到的數(shù)字或參數(shù)結(jié)合，從而產(chǎn)生一個數(shù)值范圍。
雖然以上結(jié)合了一些具體實施例對本發(fā)明作了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員知道可以有各種各樣的變體。因此，這些變體也將落入本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種燃料組合物，包括
液體燃料；
0.01ppm～500ppm的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，其中按重量計至少90％的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的尺寸為1nm～990nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的表面積為50m2/g～1,000m2/g。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于按重量計，至少90％的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的尺寸為1nm～75nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒選自IIa族金屬、IIa族金屬氧化物、IIIa族金屬、IIIa族金屬氧化物、IVa族金屬、IVa族金屬氧化物、VIII族金屬、VIII族金屬氧化物、Ib族金屬、Ib族金屬氧化物、IIb族金屬、IIb族金屬氧化物、IIIb族金屬、和IIIb族金屬氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒選自鎂、鈣、鍶、鋇、鈰、鈦、鋯、鐵、釕、鋨、鈷、銠、銥、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鋁、及其混合金屬顆粒、合金金屬顆粒；鈣氧化物、鍶氧化物、鋇氧化物、鈰氧化物、鈦氧化物、鋯氧化物、鐵氧化物、釕氧化物、鋨氧化物、鈷氧化物、銠氧化物、銥氧化物、鎳氧化物、鈀氧化物、鉑氧化物、銅氧化物、銀氧化物、金氧化物、鋅氧化物、鋁氧化物、及其混合金屬氧化物顆粒、及其混合金屬-金屬氧化物顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于包含0.01ppm～500ppm的球形的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于按重量計，還包含0.001％～0.5％的表面活性劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于所述燃料組合物的研究法辛烷值、馬達法辛烷值、和/或十六烷值高于第二燃料組合物，該第二燃料組合物包含所述液體燃料，但不包含所述納米金屬顆粒和納米金屬氧化物顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其特征在于所述液體燃料選自汽油、新配方汽油、含氧汽油、柴油、噴氣燃料，船用燃料，生物柴油燃料，生物酒精，酒精，和煤油。
10.一種增進燃燒的方法，包括向內(nèi)燃機供給燃料組合物，該燃料組合物包含液體燃料和0.01ppm～500ppm的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒，其中按重量計，至少90％的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的尺寸為1nm～990nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的表面積為50m2/g～1,000m2/g。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的表面積為100m2/g～750m2/g。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于其中按重量計，至少90％的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的尺寸為2nm～250nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述內(nèi)燃機為奧托循環(huán)發(fā)動機、柴油發(fā)動機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機、或燃氣渦輪發(fā)動機
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于增進燃燒包括至少以下一項與不含所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的第二燃料組合物相比，提高了輸出功率；
催化燃燒；
增加燃燒發(fā)生處的表面積。
16.一種增進燃料組合物的催化氧化的方法，包括
提供含有0.01ppm～500ppm納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒和液體燃料的燃料組合物，其中按重量計，至少90％的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的尺寸為1nm～990nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于還包括至少以下一項混合、攪拌、摻雜、搖動、和超聲波降解所述燃料組合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒與所述液體燃料的結(jié)合，是通過將由所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒和載體組成的燃料添加劑和所述液體燃料結(jié)合而成。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒選自IIa族金屬、IIa族金屬氧化物、IIIa族金屬、IIIa族金屬氧化物、IVa族金屬、IVa族金屬氧化物、VIII族金屬、VIII族金屬氧化物、Ib族金屬、Ib族金屬氧化物、IIb族金屬、IIb族金屬氧化物、IIIb族金屬、和IIIb族金屬氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于還包括使所述燃料組合物含有表面活性劑。
21.一種制備燃料組合物的方法，包括使0.01ppm～500ppm的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒在液體燃料中懸浮，其中按重量計，至少90％的所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的尺寸為1nm～990nm。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒被預(yù)先覆蓋有表面活性劑。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述被預(yù)先覆蓋的納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒的制備是通過將納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒與溶劑中的表面活性劑混合，隨后干燥。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述混合包括攪拌、摻雜、搖動、超聲波降解、或攪動。
25.根據(jù)權(quán)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、或噴霉干燥。
全文摘要
一種燃料組合物含有液體燃料和納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆粒。納米金屬顆粒和/或納米金屬氧化物顆?？梢杂糜谠鲞M燃燒或促進燃料的催化氧化。
文檔編號C09C3/04GK101333467SQ200810137609
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者理查德·威廉·托克, 梁德周, 詹姆士·肯尼思·桑德斯 申請人:詹姆士·肯尼思·桑德斯