CN101338228A

CN101338228A - 甲醇随车制氢醇醚和柴油复合燃料及其发动机

Info

Publication number: CN101338228A
Application number: CNA2008101469957A
Authority: CN
Inventors: 刘均涛; 周玉祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-01-07

Abstract

本发明属于内燃机替代燃料类，涉及一种甲醇(或乙醇)和低碳醇柴油复合燃料及其专用发动机，该燃料由燃料甲醇(或乙醇)和高(中)比例(50％－70％)低碳醇柴油组成，该专用发动机采用双燃料系统，即一个油箱储存燃料甲醇(或乙醇)，另一个油箱储存高(中)比例低碳醇柴油。前者裂解可制富氢，脱水可制混合醚、富氢。可以缩短燃料点火延迟期和持续燃烧时间，提高燃烧速度和热效率，降低燃油消耗(当50％富氢替代50％MH50甲醇柴油时，其质量替代比≤1.2∶1)，实现欧IV排放。由于醇醚燃料混合富氢能够大幅度提高燃烧效率，同时不回火，不爆轰(震)，最终可获甲醇柴油质量替代比为1.2∶1的综合效果。本发明可用于大功率重型柴油机、火车、船舶、矿山机械、柴油发电机组。优点是：本发明以煤化燃料甲醇为主，可以减轻对石油的过分依赖及降低柴油在内燃机中燃烧时的有害物质排放，社会效益和经济效益显著。

Description

甲醇随车制氢醇醚和柴油复合燃料及其发动机

技术领域

本发明涉及一种以甲醇为主的复合燃料及其专用发动机，属于替代能源领域。

背景技术

柴油是一种不可再生的内燃机燃料，随着国际原油价格的不断上涨，国内外柴油价格也步步攀升，寻找高比例替代柴油燃料，降低柴油消耗和有害气体排放，并进一步降低替代燃料成本是研发者普遍面临的挑战。

甲醇是理想的车用替代燃料，它的价格低廉(约为柴油的1/3~1/2)，资源丰富。甲醇可用天然气、煤或植物秸秆等来生产。据调查，大约1.6吨不适宜燃用的劣质煤(含硫量超标)可产1吨甲醇，生产成本约2000元/吨。我国是世界产煤、储煤大国，甲醇是目前可以大规模生产的煤化工产品之一，以甲醇作为柴油的高比例替代燃料较为现实，并且还能见到较好的经济和社会效益。

柴油发动机属于压燃点火，其燃料要求十六烷值下限为45。而甲醇十六烷值为3，热自燃温度为470℃，不适宜用于柴油机压燃点火。且甲醇与柴油的性质差别极大，极难互溶，不能简单地用现有供油系统直接掺烧甲醇。另外甲醇的气化潜热是柴油的4.4倍，其理论气化温度(无外加热源)为-122℃，在常温下试验时，化油器的底表面出现霜冻，甲醇在进气管内几乎不气化，难于形成可燃混合气，甲醇的闪点为11℃~12℃，在这个温度下几乎难于压燃点火，尤其是在寒冬季节，启动更困难。由高(中)比例甲醇组合的甲醇柴油，闪点过低，远不能满足柴油安全性能要求，尤其是青藏公路，更不能满足闪点≥65℃的技术要求。

另一方面，甲醇脱水反应可以生成二甲醚，裂解反应可以生成氢。反应式如下：

甲醇脱水反应：2CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂O

甲醇裂解反应：CH₃OH→2H₂+CO

二甲醚作为内燃机燃料，其十六烷值比柴油略高，且远高于甲醇，加上含硫量低，故适于替代柴油用于内燃机清洁燃料。最早由美国阿莫科石油公司等进行汽车走行试验的结果，尾气中的NOx+HC仅为燃用柴油时的1/2，黑烟则为1/3以下，完全符合美国环保要求，故公认为是替代柴油的清洁燃料。

乙醇和二乙醚与甲醇和二甲醚的情况类似。

氢燃料是化学燃料中能量最大、火焰传播速度与燃烧速度最大、可燃极限最宽、点火能量最低的燃料，其排放是无毒、无味、无刺激的超低排放。而且还易于与碳氢气体预混合并进一步提高燃料燃烧效率。

同一台内燃机发动机，燃用裂解燃料(氢+CO)与燃用纯汽柴油相比，其热效率(同等功率下，热效率近似于节油率)提高约30％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闪点≥60℃，可以用作压燃点火和排放清洁的MH50-70甲醇柴油复合燃料。

本发明的目的还在于提供一种不改变发动机结构、仅在排气管路上串接一个甲醇裂解器或外置富氢燃料、二甲醚等混合燃料发生器，使原发动机动力性、经济性、清洁性发生质的巨变和提高的发动机。

本发明的技术解决方案是：

一种高(中)比例低碳醇柴油燃料，其特征是由50％(W)至70％(W)的低碳醇(甲醇、乙醇或两者的混合物)和20％(W)至45％(W)的柴油及5％(W)至10％(W)的添加剂组成。添加剂中包含市购表面活性剂、助表面活性剂、点火剂、闪点升高剂、清净助燃剂、抗氧化剂、高碳脂肪醇、金属缓蚀抑制剂和润滑剂。上述所有组分之和为100％。

专用发动机由发动机本体、两个油箱(甲醇(或乙醇)燃料箱和低碳醇柴油燃料箱)、排气管(尾气净化器)、消声器和耐蚀甲醇燃料泵等组成；排气管与消声器之间串装有甲醇热裂解(或催化裂解)制富氢燃料(2H₂+CO)和二甲醚等混合燃料的裂解器或发生器，所产富氢燃料直接接至发动机配气系统。发动机本体与尾气净化器之间设有氧传感器，提供燃料反馈信号，氧传感器和传感器组的信号接至电控单元，由电控单元控制甲醇喷嘴、调节器、进气预热装置、点火线圈以及耐蚀甲醇燃料泵的工作状态。

燃料甲醇(或乙醇)经双功能催化剂分别制取富氢燃料、二甲醚(或二乙醚)。富氢燃料经进气道与空气混合入气缸与低碳醇柴油同步燃烧。而二甲醚(或二乙醚)与甲醇(或乙醇)、低碳醇柴油等混合燃料在常温常压下为液体，经低压油泵至燃油混合器到高压油路出口经喷油嘴直接喷入气缸，由于二甲醚(或二乙醚)十六烷值和闪点高，可以压燃点火。一种燃料甲醇(或乙醇)，三种混合燃料，多种组合方式，既催化助燃，又预防回火和爆轰(震)。

当上述富氢代醇/油的质量为50％时，其室温气体CO₂的排放比纯柴油下降(减少)50％；维持上述代燃质量，同时增加混合醚掺烧量，其尾气排放中，NO_X、HC和CO比纯柴油下降(减少)40％-50％，即可实现柴油机达欧IV排放标准。

采用双燃料系统的目的是缩短高(中)比例低碳醇的点火延迟期和持续燃烧时问，提高燃烧速度和热效率，降低燃油油耗，实现欧IV排放。

另外，低碳醇经催化剂脱水制二甲醚和二乙醚，解决压燃点火。也可以不加催化剂，实施热裂解制富氢，既可用MH50～70甲醇柴油组合燃料，也可用混合醚和未裂解的低碳醇组合成醇醚燃料。不论何种组合，其排放都是低排放。

本专利技术的特点和优点：

1、根据对高(中)比例甲醇柴油的相溶性、吸水性、水含量≥0.2％和低温分层及甲醇对金属材料的抗蚀性，对非金属材料的溶胀性和对发动机零部件的抗磨性、对金属材料的润滑性进行的研究，配比了已获专利的添加剂。添加剂组成包含市购表面活性剂、助表面活性剂、点火剂、闪点升高剂、清净剂、抗氧化剂、高碳脂肪醇、金属缓蚀抑制剂和润滑剂。将70％(W)的甲醇和25％(W)的柴油及5％(W)的添加剂经数控微乳化剪切机均匀混合，可以取得闪点≥60℃、甲醇柴油质量替代比≤1.4∶1的效果。

2、将甲醇或低碳醇通过催化脱水工艺预先转化为具有低辛烷值和高十六烷值(＞55)的二甲醚、二乙醚和水。由于催化反应平衡限制，甲醇或低碳醇脱水反应后还有部分未转化的低碳醇，二甲醚和二乙醚溶于其中，形成醇醚柴油燃料，反应生成的水可以在下一步骤中少部分催化裂解为氢和氧。由于形成的醇醚柴油燃料中含有一定比例的高十六烷值二甲醚、二乙醚和柴油，可以在柴油发动机中顺利压燃点火。

3、不改变柴油发动机结构，仅在排气管上接一个甲醇裂解器，利用发动机的排气余热将甲醇在裂解器里裂解产生氢气，然后将氢气引入燃烧室燃烧。甲醇热裂解制富氢装置由排气管(尾气净化器)、消声器和裂解器(含抑制爆震、回火和NOx生成的CO₂惰性保护气体)组成，裂解器中放置合适的催化剂，不但可以使甲醇裂解产生富氢，还可以使醇醚柴油燃料中含有的水部分催化裂解为氢和氧，所产富氢直接接至发动机配气系统。由于醇醚柴油燃料混合富氢能够大幅提高燃烧效率，同时不回火，不爆轰(震)，最终可获甲醇柴油质量替代比为1.2∶1的综合效果。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征及其他相关特征作进一步详细说明，以便同行业技术人员的理解。

实施例1：一种高比例低碳醇柴油燃料，由70％(W)的甲醇、20％(W)的柴油、10％的添加剂经数控微乳化剪切机混合均匀即可。

实施例2：一种中比例低碳醇柴油燃料，由50％(W)的甲醇、45％(W)的柴油、5％的添加剂经数控微乳化剪切机混合均匀即可。

实施例3：一种高比例低碳醇柴油燃料，由35％(W)的乙醇、35％(W)的甲醇、25％(W)的柴油、5％的添加剂经数控微乳化剪切机混合均匀即可。

实施例4：一种燃料甲醇加水和低碳醇柴油燃料专用发动机，包括发动机本体、两个油箱(工业含水甲醇燃料箱和低碳醇柴油燃料箱)、排气管(尾气净化器)、消声器和耐蚀甲醇燃料泵等组成；排气管与消声器之间串装有甲醇催化裂解制富氢和甲醇脱水制二甲醚的裂解器和反应器(裂解器中装有双功能催化剂)，所产富氢直接接至发动机配气系统；高十六烷值混合醚经输油泵和喷油嘴入汽缸。

实施例5：一种燃料甲醇和低碳醇柴油燃料专用发动机，加装甲醇热裂解制富氢装置(含CO₂惰性保护气体，无须催化剂)，利用发动机的排气余热和电热转化率≥98％的瞬间升温器将甲醇在热裂解反应器里裂解，产生氢气，然后将氢气引入燃烧室燃烧。其余同实施例4。

Claims

1、一种高(中)比例低碳醇柴油，其特征是由50％(W)至70％(W)的低碳醇(甲醇、乙醇或两者的混合物)和20％(W)至45％(W)的柴油组成。

2、根据权利要求1所述的低碳醇柴油，其特征在于，该燃料的配比中含有5％(W)至10％(W)的添加剂，添加剂中包含表面活性剂、助表面活性剂、点火剂、闪点升高剂、清净助燃剂、抗氧化剂、高碳脂肪醇、金属缓蚀抑制剂和润滑剂。

3、一种专用发动机，其特征在于，采用双燃料系统，即一个油箱储存燃料甲醇(或乙醇)，另一个油箱储存高(中)比例低碳醇柴油。燃料甲醇(或乙醇)在发动机中经双功能催化剂分别制取富氢燃料、二甲醚(或二乙醚)和水。富氢燃料经进气道与空气混合入气缸与低碳醇柴油同步燃烧，二甲醚(或二乙醚)与燃料甲醇(或乙醇)、低碳醇柴油混合压燃点火。

4、根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，加装甲醇热裂解制富氢装置(含抑制爆震和NOx排放的CO₂惰性保护气体，无须催化剂)，利用发动机的排气余热将甲醇在热裂解反应器里裂解，产生氢气，然后将氢气引入燃烧室燃烧。