CN102925225A

CN102925225A - 基于石脑油改性剂的改善生物柴油发动机工作性能的方法

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Publication number: CN102925225A
Application number: CN2012104970811A
Authority: CN
Inventors: 张德福
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-02-13

Abstract

一种基于石脑油改性剂的改善生物柴油发动机工作性能的方法。该方法由石脑油和生物柴油混合组成，石脑油的混合比例5%到30%。在压燃式发动机压缩行程后期的合适时刻，将混合燃料喷入燃烧室内，实现混合燃料与空气的快速混合，并自行压缩着火燃烧，完成生物燃料发动机的对外做功。本项发明的特点是掺混5%到30%石脑油的生物柴油混合燃料可适用于任何形式的燃烧室，如开式燃烧室，分隔室式燃烧室等，应用范围广。此外，这一方法只需在使用前将两种燃料混合，不需对原生物柴油发动机进行改装。石脑油作为生物柴油改性剂，可有效降低生物柴油的粘度，改善生物柴油的低温流动性，对提高生物柴油发动机低温启动性，燃料经济性以及废气排放特性效果明显。

Description

基于石脑油改性剂的改善生物柴油发动机工作性能的方法

技术领域

本发明属于内燃机燃料技术领域。针对生物柴油发动机受到燃油低温特性和雾化质量差的问题，提出一种采用混兑石脑油的方式改善生物柴油物理化学性能，进而改善发动机工作性能的方法。

背景技术

与常规的石化燃料相比，使用生物燃料不仅能有效减少温室气体排放，同时其可再生性更是具有巨大的潜在发展优势。其中，生物柴油的十六烷值和热值等燃烧性能指标与石化柴油非常接近，属于理想的石化柴油替代品。因此，围绕生物柴油在发动机上的应用研究是当前内燃机燃料研究的热点。诺丁汉大学Hoon Kiat Ng等人研究认为，纯生物柴油可在不改动或者少量改动原机结构的基础上即可使用。但是，100%纯生物柴油由于运动粘度高，燃料喷雾质量较差，生物柴油燃烧速度降低，造成热效率降低。国内同济大学李理光教授等在油泵试验台上利用高速摄影对比研究了常压下生物柴油和柴油的喷雾图像。研究发现，与柴油相比，生物柴油的喷雾贯穿距离比柴油大，喷雾锥角大约只有柴油的一半。依据内燃机混合气形成机理可知，生物柴油的这一特性对油气缸内混合质量不利，极易产生缸内混合气浓度不均匀分布，近而影响燃烧质量。而产生这一现象的原因还是由于生物柴油常温条件下粘度比柴油的高引起的。此外，生物燃料倾点和浊点温度高，寒冷天气还会引起燃料输送困难，出现油路堵塞，直接使用将影响发动机低温起动性能。

可见，现阶段生物柴油在内燃机上的使用还有不尽人意之处，特别是直接混合法生产的生物柴油存在粘度高，挥发性差，燃烧速度慢、燃烧不完全，低温流动性差等缺点。为克服生物柴油的缺陷，现阶段采用最多的方法是使用燃料改性技术，即在生物柴油为主的基础上，添加适当比例的改性剂。美国能源部通过按不同比例混合生物柴油与石化柴油，研究了三类生物柴油混合液，即低比例混合生物燃料（生物柴油占2%或5%的混合体积），B20生物柴油（20%生物柴油和80%的石油基柴油）以及B100生物柴油。在综合考虑生产成本、排放、冷启动，性能、材料兼容性以及可溶性等方面，认为B20是最佳的方案，现阶段在美国使用最广泛。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室姚春德教授等人研究了超低硫柴油、生物柴油及后者与甲醇的混合燃料对发动机性能的影响。结果表明,和超低硫柴油相比,生物柴油及其和甲醇的混合燃料的热效率增加,NOx和微粒质量、数量浓度的排放降低,但HC、CO和NO₂排放升高；同时,随着甲醇混合比例的增加，HC、CO和NO₂的排放成比例增加,微粒的质量浓度及数量浓度进一步降低,热效率及NOx几乎保持不变。综上所述，为改善生物柴油发动机的性能，生物柴油改性技术所采用的改性燃料多为石化柴油或者甲醇等物质，还没有检索到使用石脑油作为生物柴油改性剂的方法。

发明内容

本发明基于燃料改性理论，针对目前生物燃料添加剂已开展的研究中，为了解决现阶段改性剂中甲醇，由于其具有一定的毒性，对使用者身体健康会造成潜在伤害；使用生物燃料加水技术即生物燃料乳化，容易造成机器内部水份过多，对发动机内部机件产生过大的腐蚀和锈蚀的问题，提出一种基于石脑油改性剂的改善生物柴油发动机工作性能的方法。

该方法利用石脑油作为生物柴油改性剂的技术路线，石脑油具有产量丰富易于获得，毒性低，性能接近汽油燃料的特点，不但可防止改性剂对机器和周围环境的影响，同时可解决纯生物柴油常温粘度偏高，雾化质量差，特别是在低负荷工况下，生物柴油发动机工作性能不够理想的问题，从而为改善生物柴油发动机工作性能提供一种新方法。

本发明提供的基于石脑油改性剂的改善生物柴油发动机工作性能的方法，是由以下步骤组成的：

1筛选生物柴油改性剂，选择石脑油作为稀释剂的最佳方案。

前期对多种试剂与生物柴油的混合进行理化性能分析和筛选。筛选依据为易于获得、毒性低、挥发性好，低温流动性好，与生物柴油的互溶性好。在备选改性剂中包括环己烷，二叔丁基甲酯，正丁醇，乙醇，叔丁醇，乙二醇，二甲醚和石脑油。改性剂的混合比例分别为5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，50%。测试混合液中改性剂与生物柴油的互溶性，将上述配比的混合燃料分别密封于量筒中，在它们的浊点以上，每间隔5℃作为一个试验点，直到30度。结果表明，二叔丁基甲酯，石脑油与生物柴油在上述混合比例下，可以放置较长时间，且无分层现象出现，二叔丁基甲酯，石脑油与生物柴油的互溶性好，正丁醇、乙二醇次之。考察低温流动性的评定指标通常为凝点、浊点和冷滤点。通过低温流动性试验器考察上述备选改性剂，综合考虑全部掺混比例范围，正丁醇、乙二醇和石脑油的低温流动性好。且石脑油具有比正丁醇、乙二醇更好的挥发性。故筛选结果认为石脑油具有满足筛选原则的最优方案。且混合比例在5%至30%之间结果最好。故，本发明方法由石脑油和生物柴油混合组成，石脑油的混合比例在5%到30%之间。

2根据燃烧室形式、发动机负荷和转速变化选择生物柴油与改性剂石脑油的混合比例，石脑油容积占总混合燃料容积比例为5%到30%之间；开式燃烧室对燃料喷射和雾化质量要求高，因此要使用较高的混合比，以降低混合燃料的粘度，提高喷射和雾化质量。分隔式燃烧室对燃料喷射和雾化质量要求低，因此可使用更低的混合比。混合比5%到30%适用上述两种燃烧室形式。

3根据燃烧室形式、发动机负荷和转速变化选择混合燃料的喷油定时，混合燃料的最佳供油提前角范围：上止点前30℃A到5℃A之间。开式燃烧室依靠燃料喷射实现与空气混合，混合速度慢，因此为保证油气混合质量，需要提前喷油即增加供油提前角。分隔式燃烧室依靠缸内高速气流实现油气混合，混合速度快，因此供油提前角可以小些。供油提前角范围：上止点前30℃A至5℃A适用于上述两种燃烧室形式。

上述几个步骤是一个整体，筛选依据为易于获得、毒性低、挥发性好，低温流动性好，与生物柴油的互溶性好。本发明确定以石脑油作为生物柴油的改性剂，这是本项发明的核心；根据燃烧室形式选择生物柴油与改性剂石脑油的混合比例，石脑油在混合燃料中的比例范围控制在5%至30%之间；混合燃料的最佳供油提前角范围控制在上止点前30℃A到5℃A之间。以上确定的参数范围可保证生物柴油发动机在全工况范围内（生物柴油发动机从怠速到额定转速的全部转速范围，负荷从空载到100%全负荷的所有负荷范围）获得高效、清洁燃烧效果。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供的改善生物柴油发动机工作性能的方法，是由生物柴油改性剂的选择，改性剂与生物柴油的混合比例，混合燃料的喷油定时以及发动机压缩比的确定等技术手段组成，这些技术措施的目的是为了利用石脑油的特性，改善生物柴油的低温粘度特性，提高生物柴油雾化质量及燃油蒸发混合的数量，并根据发动机转速和负荷的变化，提供最佳混合比和最佳喷油定时，实现生物柴油发动机可靠点火和高效清洁燃烧。

本发明方法由石脑油和生物柴油混合组成，石脑油的混合比例在5%到30%之间。其优势在于混合燃料中的改性剂价格低廉，易于获得，且与生物柴油不存在混合不兼容的问题，对原生物柴油燃料供给装置不用做任何改动即可实现。石脑油与生物柴油的混合燃料可适用于任何形式的发动机，针对不同的发动机燃烧室形式，只需调整燃料喷射定时和两种燃料的混合比即可。

具体实施方式

本发明提出一种全新的生物柴油改性剂，及其在发动机上的使用方法。在要求备选的改性剂具有价格低廉，易于获得，无毒性且与生物柴油具有良好的互溶性，不需对现有发动机部件或设备进行改动的原则下，对环丙烷，二叔丁基甲酯，正丁醇及石脑油等多种液态可燃物质进行物理和化学性能筛选，确定石脑油是满足上述要求的作为改善生物柴油发动机工作性能的最优方案。

选择石脑油方案的思路：基于石脑油的物理和化学性质考虑，石脑油是一种轻质油品，由原油蒸馏或石油二次加工切取相应馏分而得，在常温、常压下为无色透明或微黄色液体，密度在650-750kg/m³，沸点范围在重质直馏石脑油沸程为100-200℃。引燃温度350℃。由于石脑油市场价格远低于车用无铅汽油（吨价差达600-1200元），使用石脑油和石化助剂调配车用无铅汽油已成为民营石化企业增加成品油利润的重要方式。同时石脑油与生物柴油具有良好的互溶性，对确保供油管路畅通非常有利。在确定石脑油的方案基础上，通过发动机台架试验方法，测试混有石脑油的生物柴油混合燃料的发动机的启动性能，负荷特性及排放特性，获得了影响生物燃料发动机工作性能的关键参数：

石脑油和生物柴油的最佳掺混比范围：石脑油容积占总容积比为5%到30%之间。

在最佳掺混比范围内，石脑油和生物柴油混合燃料的最佳供油提前角范围：上止点前30℃A到5℃A之间。

内燃机工作过程包括吸气过程，压缩过程，着火燃烧做功过程和排气过程，共4个过程。通常一台内燃机做功单元的重要部件为燃烧室，燃烧室由圆柱型缸套内侧、活塞顶部和缸盖底面所围成的空间组成，缸套上方为气缸盖，活塞在缸套内作往复运动。活塞在缸套内由上向下运动，将环境空气吸入为吸气行程；活塞由下向上运动将吸入的空气压缩为压缩行程；压缩行程终点喷入燃料实现着火燃烧，所产生的高温高压气体推动活塞向下运动对外做功，称为着火燃烧做功行程；燃烧后产生的废气由活塞由下向上运动推出气缸，称为排气行程。

燃料实现压缩着火的条件，燃料在气缸内实现压缩着火燃烧必须同时具备几个条件：着火前燃料雾化质量好，与空气的混合气浓度合适；压缩终点的缸内温度超过混合气的自燃点。燃料雾化质量受到燃油粘度等因素的影响，粘度越高雾化质量越差。缸内压缩终点的温度取决于发动机的压缩比（如本发明涉及的发动机的压缩比为18），压缩比越大，压缩终点的温度越高。

实施例1

本发明提供的改善生物柴油发动机工作性能的方法，是由以下步骤组成的。

1、筛选生物柴油改性剂，选择石脑油作为稀释剂的最佳方案；

2、根据燃烧室形式、发动机负荷选择生物柴油与改性剂石脑油的混合比例。石脑油容积占总混合燃料容积比例为13%到30%之间；选择开式燃烧室时，空载启动至40%负荷，石脑油容积占总混合燃料容积比例为30%，40%负荷至70%负荷时，石脑油容积占总混合燃料容积比例为22%,70%负荷至100%负荷，石脑油容积占总混合燃料容积比例为13%

3、根据燃烧室形式和转速变化选择混合燃料的喷油定时，混合燃料的最佳供油提前角范围：上止点前30℃A到10℃A之间。选择开式燃烧室时，50%额定转速以下，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前10℃A，50%额定转速至70%额定转速时，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前20℃A,70%额定转速至100%额定转速，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前30℃A

实施例2

2、根据燃烧室形式、发动机负荷选择生物柴油与改性剂石脑油的混合比例。石脑油容积占总混合燃料容积比例为10%到25%之间；选择半开式燃烧室时，自空载启动至40%负荷，石脑油容积占总混合燃料容积比例为25%，40%负荷至70%负荷时，石脑油容积占总混合燃料容积比例为15%,70%负荷至100%负荷，石脑油容积占总混合燃料容积比例为10%

3、根据燃烧室形式、发动机负荷和转速变化选择混合燃料的喷油定时，混合燃料的最佳供油提前角范围：上止点前25℃A到10℃A之间。选择半开式燃烧室时，50%额定转速以下，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前10℃A，50%额定转速至70%额定转速时，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前17℃A,70%额定转速至100%额定转速，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前25℃A

实施例3

2、根据燃烧室形式、发动机负荷和转速变化选择生物柴油与改性剂石脑油的混合比例，石脑油容积占总混合燃料容积比例为5%到25%之间；选择分隔式燃烧室时，自空载启动至40%负荷，石脑油容积占总混合燃料容积比例为25%，40%负荷至70%负荷时，石脑油容积占总混合燃料容积比例为10%,70%负荷至100%负荷，石脑油容积占总混合燃料容积比例为5%

3、根据燃烧室形式、发动机负荷和转速变化选择混合燃料的喷油定时，混合燃料的最佳供油提前角范围：上止点前30℃A到10℃A之间。选择分隔式燃烧室时，50%额定转速以下，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前10℃A，50%额定转速至70%额定转速时，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前20℃A,70%额定转速至100%额定转速，混合燃料的最佳供油提前角为上止点前30℃A.

石脑油的主要用途：

石脑油是管式炉裂解制取乙烯，丙烯，催化重整制取苯，甲苯，二甲苯的重要原料。作为裂解原料，要求石脑油组成中烷烃和环烷烃的含量不低于70%（体积）；作为催化重整原料用于生产高辛烷值汽油组分时，进料为宽馏分，沸点范围一般为80-180℃，用于生产芳烃时，进料为窄馏分，沸点范围为60-165℃。

石脑油(化工轻油)在炼油和石油化工行业中都是一种主要的原料。石脑油是一种干点小于200-250℃的炼厂一次或二次加工所得的石油馏分，一般来源于炼厂常减压蒸馏的直馏石脑油和炼厂催化裂化、加氢裂化、焦化装置二次加工石脑油，有的凝析油也是一种石脑油馏分。这里应着重指出，因为国产原油普遍偏重，其直馏石脑油馏分含量很低，所以利用好二次加工石脑油作为石化原料是一个很重要的课题，国际上也非常重视原油的深度加工，不少炼厂将所得二次石脑油用作油品调合组分，取代出好的原料供石化业用。因此，炼油、石化产业资源整体集成首先是石脑油(包括二次加工石脑油)的集成。

石脑油的用途是多方面的，在石油炼制方面是制造清洁汽油的主要原料，在石油化工方面是制造乙烯、芳烃/聚酯、合成氨/化肥和制氢的原料。在数量关系方面，石脑油使用于油品的数量最大，乙烯料其次，芳烃更小。国际上油品、乙烯料、芳烃料三者大致数量比例为：6.82：1：0.36。这样，对于炼油和石油化工行业来讲，石脑油原料的分配和合理利用存在一个内部竞争的问题。

石脑油又名轻汽油，是一种无色透明液体，系石油馏分之一。本产品馏分轻，烷烃、环烷烃含量高，安定性能好，重金属含量低，硫含量低，毒性较小。

溶剂石脑油按沸点范围分成120~160℃、120~180℃、140~200℃三种。用于由煤焦油沥青、硬脂酸沥青、石油沥青等制造的涂料用溶剂。其中高沸点组分作纤维素酯、合成树脂的稀释剂，其他作染料中间体制造用溶剂。溶剂石脑油中加入石油系溶剂时，能增加溶解能力。主要用途：可分离出多种有机原料，如汽油、苯、煤油、沥青等。

高能液化气可做原料轻质油2000元/吨,密度0.60-0.68;是一种浅黄或无色透明的可燃性液体,沸点36.1度<56度,含量需要85%以上;比重需0.63以下：（轻质油+二茂铁[甲苯溶解]+氢氧化钠+香精或硫醇+二甲醚必须最后加入[搅拌3―5分钟静止15―20分钟]高能合成液化气）。

轻烃碳五[密度0.60-0.63]2000元/吨重油[200#180#]2400元/吨

石脑油[密度0.63-0.73]3200元/吨白矿油[工业级韩国5#10#15#26#32#46#60#90#]5000元/吨

轻质油[密度0.60-0.68]2000元/吨基础油[150#250#500#]4300元/吨

甲醇（粗醇）[密度0.984]1700元/吨液压油[32#46#]8800元/吨

甲醇（金醇）[密度0.999]2000元/吨液压油[高级抗磨]9800元/吨

二甲醚3000元/吨二甲基硅油[100#350#500#]14500元/吨

甲苯5100元/吨液体石蜡[300#]4200元/吨

氢氧化讷2300元/吨石蜡油[KP200#KP300#KP500#KP6025#KP6030#]5100元/吨

二茂铁[CHF]18000元/吨烧火油1900元/吨

香精2000元/吨柴油[0＃密度0.838凝点+0闪点40气味一般]3800元/吨

乙硫醇1900元/吨柴油[-10#]3600元/吨

丁烷2300元/吨汽油[97#]3400元/吨

天然液化气[6个圧]3000元/吨汽油[93#]3200元/吨

硫醇1800元/吨汽油[90#]3000元/吨

二甲苯3800元/吨桐油[国标二级]5900元/吨

石油醚3000元/吨丙酮3800元/吨

燃料油[100#.180#.250#]2100元/吨环己酮3200元/吨

工燃料油4000元/吨丁酮3200元/吨

溶剂油[6#190#密度0.8204]3800元/吨沥青[10#70#90#]2400元/吨

溶剂油[120＃.260＃密度0.76]3000元/吨大豆酸化油[密度0.92-0.93]3100元/吨

油漆工业溶剂油[200#]4000元/吨菜籽酸化油[密度0.91-0.93]3100元/吨

溶剂油[进口D30#D40#D65#]4000元/吨棉籽酸化油[密度0.92-0.935]2700元/吨

溶剂油[进口D100#]4600元/吨玉米酸化油[密度0.92-0.93]2900元/吨

白电油[南韩6#120#160#]3500元/吨蓖麻油3100元/吨

白油料[3#5#]2900元/吨松节油[优级]600元/吨

衣车油[3#5#]4200元/吨凝析油3500元/吨

航空煤油[240#密度0.79]3400元/吨环氧树脂2000元/吨

无味煤油[D80#]4200元/吨

普通煤油[密度0.8]1800元/吨

煤焦油[密度1.11]1700元/吨

脱臭煤油2300/元吨

脱腊煤油[80#240#280#]4100元/吨

石脑油(石油苯)用途主要用作重整原料、化工原料、汽油调合组分等。

溶剂石脑油按沸点范围分成120~160℃、120~180℃、140~200℃三种。用于由煤焦油沥青、硬脂酸沥青、石油沥青等制造的涂料用溶剂。其中高沸点组分作纤维素酯、合成树脂的稀释剂，其他作染料中间体制造用溶剂。溶剂石脑油中加入石油系溶剂时，能增加溶解能力。

大量吸入石脑油蒸气可引起眼及上呼吸道刺激症状，如浓度过高，几分钟即可引起呼吸困难、紫绀等缺氧症状。

一般不可能大量吸入，可以放心让家人去。

主要用途：可分离出多种有机原料，如汽油、苯、煤油、沥青等。

健康危害：石脑油蒸气可引起眼及上呼吸道刺激症状，如浓度过高，几分钟即可引起呼吸困难、紫绀等缺氧症状。

环境危害：对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。

燃爆危险：本品易燃，具刺激性。

危险特性：其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。

Claims

1.一种基于石脑油改性剂的改善生物柴油发动机工作性能的方法，其特征在于它是由以下步骤组成的：

筛选生物柴油改性剂，选择石脑油作为稀释剂的最佳方案；

根据燃烧室形式选择生物柴油与改性剂石脑油的混合比例，石脑油容积占总混合燃料容积比例为5%到30%之间；

根据燃烧室形式选择混合燃料的喷油定时，混合燃料的最佳供油提前角范围：上止点前30℃A到5℃A之间。