CN104531236B - 一种内燃机用宽馏分燃料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内燃机用的宽馏分燃料，由以下成分组成：汽油、柴油和PODEn。本发明提供了一种汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料，即将汽油、柴油等体积比混合后再与PODEn以合适的比例混合，保持混合燃料与柴油相似的着火性。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机技术、汽车发动机、石油化工领域。直接涉及内燃机用液体燃料及其在内燃机中的燃烧方式。
背景技术
内燃机问世150多年来，由于较高的热效率、较好的动力学和可靠性，被广泛应用于汽车、农业机械、工程机械等各个领域，在可预见的未来，内燃机将是各种交通机械的主要原动机。内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。
能源危机和环境污染对内燃机技术的发展提出了严峻的挑战，寻求新型高效清洁燃烧方式称为柴油机满足未来排放的关键途径。与汽油机相比，柴油机有较高的热效率有利于节能和降低CO2的排放。但对于传统柴油机，由于柴油本身挥发性差，着火性好，一经喷入气缸便迅速燃烧，因此，燃料和空气无法进行充分的混合，导致局部过浓区域形成碳烟。
为了提高汽油和柴油的总热效率，融合汽油和柴油的优点，并简化炼油过程、储运加油过程、以及内燃机设计制造过程的成本，最终降低石油基燃料全生命周期的使用成本，笔者提出了宽馏分燃料(WDF：WideDistillationFuel)的概念，即馏程范围从汽油初馏点至柴油终馏点的内燃机燃料。长期来看，未来无需将石油分馏成为汽油、煤油和柴油，而直接生产馏程范围覆盖原汽油、煤油和柴油的宽馏分燃料，汽油机柴油机也可以统一成一种内燃机。笔者曾对这种直接蒸馏制取的宽馏分燃料进行研究，结果表明：燃用这种燃料时可采用喷雾扩散自燃着火的燃烧方式；在降低碳烟排放方面比柴油更有潜力；热效率远高于汽油机，甚至略高于柴油。
直接将汽油和柴油燃料混合是配制宽馏分燃料最便捷的方式。申请人已研究了汽柴油比例、汽油辛烷值和柴油十六烷值等因素对汽油/柴油宽馏分燃料燃烧与排放特性影响，结果表明：汽油比例提高能够延长滞燃期，缩短燃烧持续期，大幅度降低碳烟排放，结合废气再循环(EGR)，能够实现氮氧化物(NOx)和碳烟排放的同时降低；但是，汽油比例的提高也带来了大负荷压升率增加和喷油时刻可变范围变窄等问题；50％汽油比例的宽馏分燃料(WGD50)是综合性能较佳的汽油/柴油宽馏分燃料[于超，王建昕，王志，等.汽/柴油混合燃料对柴油机燃烧与排放特性影响的试验研究[J].内燃机工程，2013,34(5):1-6]。汽油辛烷值对宽馏分燃料的燃烧排放特性影响较小(LiuHY,WangZ,WangJX,etal.Effectsofgasolineresearchoctanenumberonpremixedlow-temperaturecombustionofwidedistillationfuelbygaso-line/dieselblend[J].Fuel,2014,134:381-8)，但提高柴油的十六烷值能够在中小负荷时缩短滞燃期、提高燃烧稳定性和降低HC和CO排放(刘浩业，王志，王建昕.柴油十六烷值对汽/柴混合宽馏分燃料低温燃烧的影响研究[C].昆明：中国内燃机学会2014年学术年会，2014)。
出于降低柴油机排放的考虑，国内外的一些研究者也对汽柴油混合燃料进行了研究。伯明翰大学的徐宏明等人将汽柴油混合燃料命名为“dieseline”并发现dieseline降低均质预混合气压燃(HCCI)燃烧对内部EGR和进气加热的依赖(XuHM,WyszynskiM.Dieseline/multi-fuelCom-bustionforHCCIEngines[C].Heidelberg:IEA-28thTLM,2006)；随后又将dieseline应用于预混充量压燃燃烧中，结果表明，dieseline可以显著地降低颗粒物的浓度和粒径，且对热效率的影响较小(ZhangF,RezaeiSZ,XuHM,etal.CombustionandEmissionCharacteristicsofaPPCIEnginefuelledwithDieseline[C]//SAE2012-01-1138,2012)。剑桥大学的Weall等人进行了汽柴油混合燃料部分预混压燃模式的研究，发现汽柴油混合燃料相比于柴油能够明显扩展低排放的负荷范围(WeallA,CollingsN.InvestigationintoPartiallyPremixedCombustioninaLight-DutyMulti-CylinderDieselEngineFuelledwithaMixtureofGasolineandDiesel[C]//SAE2007-01-4058,2007)。上海交通大学的韩东等人研究了汽柴油混合燃料的预混低温燃烧，发现使用汽柴油混合燃料，在使用EGR降低NOx排放的同时能够维持较低的碳烟排放，且碳烟排放对轨压的变化不敏感(HanD,IckesAM,BohacSV,etal.Premixedlow-temperaturecombustionofblendsofdieselandgasolineinahighspeedcompressionignitionengine[J].ProcCombustInst,2011,33:3039-46)(HanD,IckesAM,AssanisDN,etal.AttainmentandLoadExtensionofHigh-EfficiencyPremixedLow-TemperatureCombustionwithDieselineinaCompressionIgnitionEngine[J].EnergyFuels,2010,24:3517-25)。天津大学的杨彬彬等人研究了高汽油掺混比下汽柴油宽馏分燃料的燃烧排放特性，发现高汽油比例的宽馏分燃料由于失火限制了EGR的使用(YangBB,YaoMF,ZhengZQ,etal.Experimentalstudyontheeffectsoffuelcomponentandin-jectionpressureoncombustionandemissionsofwidedistillationfuel[J].JEngTherm,2013,6:1174-8)。
尽管WGD50是综合性能较佳的汽油/柴油宽馏分燃料，但其着火性仍然显著低于柴油，这会造成冷启动困难和小负荷循环波动大，碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放高，以及中高负荷压升率过大等一系列问题，因此需要保证汽油/柴油宽馏分燃料着火性；着火性的提高会缩短滞燃期，降低着火前的预混程度，对碳烟排放不利，因此有必要增加燃料含氧量来维持甚至进一步降低宽馏分燃料的碳烟排放。而仅改变汽柴油比例已经无法满足以上要求，需要新的添加成分，这种成分应该具有高十六烷值和高含氧量的特征。采用添加剂(EHN)的方式能够提高宽馏分燃料的十六烷值，但不能提高燃料的含氧量，这会增加燃料的碳烟排放。为了能够添加到宽馏分燃料中且大量地在柴油机中应用，这种成分还需要有合适的馏程范围、在汽柴油中良好的溶解性以及较低的生产成本。
总之，使用汽油和柴油混配而成的两组分宽馏分燃料，由于汽油挥发性好，能够促进燃料与空气的混合，因此在柴油机中实现了较好的降低碳烟排放的效果，且热效率也和纯柴油接近。但由于汽油的着火性差，滞燃期延长，这会造成小负荷的燃烧不稳定和大负荷的压升率过高。因此，需要提高燃料的总体的着火性保证其正常燃烧。那就需要使用十六烷值改进剂或添加高十六烷值燃料。但着火性的提高带来的滞燃期的缩短又会对燃料和空气的混合不利，造成碳烟排放的升高。因此，需要提高燃料的含氧量来改善碳烟排放升高的缺陷。
十六烷值改进剂一般添加量极低，即便改进剂本身含氧量高也无法提高燃料总体的含氧量，因此，需要添加一种含氧量和十六烷值都较高的添加成分。目前来源较为广泛的含氧替代燃料大致分为三类：醇类燃料，酯类燃料和醚类燃料。醇类燃料十六烷值较低，不满足十六烷值高的要求；酯类燃料一般指生物柴油，即高级脂肪酸甲酯，其十六烷值较高，但含氧量一般只有10％左右；醚类燃料含氧量高且十六烷值较高，满足上述要求，但为了能够添加到汽柴油中，需要有适中的凝固点和沸点以及良好的溶解性，二甲醚是气体，不适合做柴油机燃料。
因此，最终选择了醚类燃料的多聚物聚甲氧基二甲醚(PODEn)。PODEn指的是分子式为CH3O(CH2O)nCH3的一类燃料的混合物。
BP公司[EchhardS,HansH,SergejB.MethodforProducingPolyoxymethyleneDimethylEthersfromMethanolandFormaldehyde:US,7671240[P].2010-03-02.]20世纪末就开展了合成PODEn项目的研究工作。BP公司以甲醇或二甲醚合成高浓度甲醛溶液，甲醛再与甲醇或二甲醚进行缩醛反应合成PODEn。最具代表性的方案是由甲醇为原料氧化制得甲醛，再与甲醇聚合生成PODEn。第一步甲醇气相催化氧化制取甲醛，使用含有铜、锌、硫、硒、碲中的一种元素为活性组分的催化剂，将甲醇在高温下气相脱氢得到的甲醛、甲醇、氢气和一氧化碳混合气进一步冷却，液相与氢气、一氧化碳混合气的气相分离，收集出甲醛。第二步PODEn的合成，甲醇和甲醛在酸性催化剂作用下，在催化精馏塔中反应得到甲缩醛和更高聚合度的PODE。产物PODEn通过阴离子交换树脂除去酸性组分，即得到可直接混入柴油的产品，也可以继续分馏，得到更加优质的柴油添加组分。用于甲醇、甲醛缩合制甲缩醛和PODEn的酸性催化剂为膨润土、蒙脱土、阳离子交换树脂或是磺化氟烯烃树脂衍生物，磺化四氟乙烯与苯乙烯·二乙烯基苯共聚物、丙烯酸·二乙烯基苯共聚物或甲基丙烯酸·二乙烯基苯共聚物组成的阳离子交换树脂效果较佳。
目前有少量文献中有将PODEn与柴油两种组分混合后应用于柴油机中进行燃烧，未见到汽油/柴油/PODEn宽馏分燃料的相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种内燃机用宽馏分燃料。
本发明提供的一种内燃机用宽馏分燃料，由以下成分组成：汽油、柴油和PODEn。
具体的，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35-45份、柴油35-45份和PODEn10-30份。
优选地，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35-40份、柴油35-40份和PODEn20-30份。
进一步优选，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35-37.5份、柴油35-37.5份和PODEn25-30份。
进一步优选，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35份、柴油各35份和PODEn30份。
上述宽馏分燃料中：
所述PODEn具体为分子式为CH3O(CH2O)3CH3(PODE3)和CH3O(CH2O)4CH3(PODE4)的两种醚类燃料的混合物，其中CH3O(CH2O)3CH3的比例应占到60％以上。
本发明提供还提供了上述燃料的制备方法，该方法包括以下步骤：按照配比称取各成分，混合均匀，即得。
本发明提供的混配后得到的宽馏分燃料的十六烷值应当介于40-60，优选45-55。
本发明还提供了上述燃料可以替代燃料直接在柴油机中进行直喷压燃。
本发明提供的内燃机用宽馏分燃料具有以下优点：
1、PODEn有极高的十六烷值和近50％的含氧量。在PODEn中，PODE2由于过低的闪点不满足安全性要求，比例不宜过高。如果n大于5，那熔点就过高，在常温下为固态。只有PODE3、PODE4和他们的混合物在物性上与汽柴油接近，能够与汽柴油混合，是宽馏分燃料较为理想的添加成分。且PODEn是一种煤基燃料，因此原料来源十分广泛。
将PODEn加入汽、柴油两组分的宽馏分燃料中，配制成汽油/柴油/PODEn三种燃料混合的宽馏分燃料，并合理控制三者的比例使混合燃料的着火性与柴油接近。这种燃料着火性适中，能够在柴油机中稳定燃烧；汽油的高挥发性能够促进着火前的油气混合过程，加上PODEn中较高的含氧量使柴油机的碳烟排放明显降低；热效率可以达到甚至超过柴油的水平，由于使用了汽油作为其主要组成成分之一，因而能够大幅度提高汽油燃料的热效率。
本发明提供了一种汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料，即将汽油、柴油等体积比混合后再与PODEn以合适的比例混合，保持混合燃料与柴油相似的着火性。
PODEn有较高的十六烷值，因此发明人也曾经尝试过添加较低比例的(小于10％)PODEn在汽柴油两组分宽馏分燃料中，但结果表明，添加比例过低不足以使三组分宽馏分燃料的十六烷值达到柴油的水平，原汽柴油两组分宽馏分燃料着火性差的问题虽然得到改善，但效果不显著。因此，20％以上的添加比例是优选比例。如果PODEn的添加比例过高，由于其热值只有汽油和柴油热值(汽油和柴油热值一般为40-43MJ/kg)的40％左右，这会造成发动机动力性的下降，因此，PODEn的添加比例应该控制在40％以下。
2、汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料可以直接应用于柴油机中，与使用纯柴油相比，能够大幅度降低碳烟排放并保持甚至超过原柴油的热效率，由于使用了汽油作为其主要组成成分之一，因而能够大幅度提高汽油燃料的热效率。
3、目前有少量文献中有将PODEn与柴油两种组分混合后应用于柴油机中进行燃烧，而本发明则是将PODEn添加到汽柴油两组分宽馏分燃料。对于PODEn/柴油混合燃料，由于柴油本身已有足够高的十六烷值(>50)，PODEn的添加会造成这种混合燃料的着火性太高，燃料滞燃期极短，且不含汽油会导致燃料的挥发性较差，这些都会造成油气混合的不充分，抵消含氧对碳烟排放的改善作用，对碳烟的降低效果有限；而汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料，由于汽油本身十六烷值低，添加PODEn恰好可以提高其十六烷值，使最终混合燃料的十六烷值较为适中，这样再配合汽油良好的挥发性和PODEn较高的含氧量才能够更有效地降低碳烟排放。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明使用的柴油为北京市的市售0#柴油。
所用的汽油为93#汽油。
本发明所用PODE3与PODE4的质量比为10：1。
表1PODEn特性
| 名称 | 凝固点(℃) | 沸点(℃) | 十六烷值 | 含氧量(wt％) | 热值(MJ/kg) |
| PODE3 | –41 | 156 | 78 | 47.1 | 19.2 |
| PODE4 | –7 | 202 | 90 | 48.2 | 18.4 |
实施例1：内燃机用宽馏分燃料
汽油45L，柴油45L，PODEn10L。
实施例2：内燃机用宽馏分燃料
汽油40L，柴油40L，PODEn20L。
实施例3：内燃机用宽馏分燃料
汽油37.5L，柴油37.5L，PODEn25L。
实施例4：内燃机用宽馏分燃料
汽油35L，柴油35L，PODEn30L。
实验例1：考察宽馏分燃料的性能指标
采用实施例1、实施例2、实施例3、实施例4与柴油以及汽油/柴油宽馏分燃料在一台气缸直径为83毫米的柴油机上进行了试验。
1、试验方法：试验采用的进气压力固定为1.2bar，EGR阀关闭，排气背压阀全开。发动机转速固定在1600转/分钟，采用单次喷射的策略，喷油时刻固定在8℃ABTDC，通过调节喷油量使过量空气系数分别达到3.0和1.5两个工况，对应的负荷为5.5barIMEP和11.0barIMEP，发动机参数见表2。
表2：发动机参数
| 缸径 | 83.1mm |
| 行程 | 92mm |
| 单缸排量 | 0.5L |
| 压缩比 | 16.7 |
| 喷射系统 | 高压共轨 |
试验过程中冷却水和机油温度都维持在80±2℃，进气温度20±2℃。
2、试验结果：
2.1工况1情况结果：见表3
表3：工况1结果
| 柴油 | WGD50 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 烟度(1/m) | 0.033 | - | 0.041 | 0.036 | 0.033 | 0.029 |
| 指示热效率(％) | 46.2 | - | 44.5 | 45.8 | 46.0 | 46.0 |
| 滞燃期(deg) | 19.6 | - | 25.2 | 23.3 | 22.4 | 21.0 |
| 最大压升率(MPa/deg) | 7.12 | - | 3.62 | 4.24 | 5.26 | 5.87 |
| 循环变动(％) | 1.1 | - | 4.2 | 2.4 | 1.8 | 1.5 |
表3表示的是工况1(中小负荷)的主要性能指标：在该工况下，汽柴油两组分宽馏分燃料(WGD50)发生了失火，因此没有数据，这也表明汽柴油两组分宽馏分燃料由于着火性太低，无法在柴油机中直接应用。小负荷时，几种燃料的烟度均较低，实施例1的滞燃期过长，循环变动达到4.2％(一般正常燃烧的上限为3.0％)，实施例1的燃烧稳定性较差；实施例2、实施例3和实施例4能够较为稳定的燃烧。
2.2工况2情况结果：见表4
表4：工况2结果
| 柴油 | WGD50 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 烟度(1/m) | 0.300 | 0.050 | 0.054 | 0.057 | 0.059 | 0.059 |
| 指示热效率(％) | 41.3 | 41.3 | 42.1 | 43.1 | 43.1 | 43.0 |
| 滞燃期(deg) | 14.5 | 18.7 | 16.8 | 16.2 | 15.7 | 15.1 |
| 最大压升率(MPa/deg) | 0.81 | 1.20 | 1.19 | 1.15 | 1.12 | 1.08 |
| 循环变动(％) | 0.97 | 0.95 | 0.77 | 0.67 | 0.68 | 0.76 |
表4中工况2(大负荷)的主要性能指标：可以看出，在大负荷时，使用汽油/柴油宽馏分燃料和汽油/柴油/PODEn三组分均可实现远低于柴油的碳烟排放，但相比于汽油/柴油宽馏分燃料，汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料更加接近柴油的滞燃期，这样可以获得对燃烧更好的控制，且降低最大压升率。另外，汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料能够明显提高发动机的指示热效率。
实验例2：与柴油与PODEn两组分混合燃料比较
为了对比使用柴油/PODEn两组分混合燃料和汽油/柴油/PODEn三组分宽馏分燃料的排放情况，使用纯柴油，含有20％PODEn的柴油/PODEn两组分混合燃料(P20)，以及实施例2进行了碳烟排放的对比使用。试验使用的工况为发动机进气压力为1bar，使用20％，25％和30％的三种EGR不同的工况进行试验。
Soot排放结果如表5-7所示。
表5：20％EGR的结果
| 柴油 | P20 | 实施例2 | |
| 烟度(1/m) | 0.02 | 0.02 | 0.02 |
| 滞燃期(deg) | 21.6 | 21.1 | 25.2 |
表6：25％EGR的结果
| 柴油 | P20 | 实施例2 | |
| 烟度(1/m) | 0.08 | 0.10 | 0.02 |
| 滞燃期(deg) | 21.8 | 19.3 | 27.1 |
表7：30％EGR的结果
| 柴油 | P20 | 实施例2 | |
| 烟度(1/m) | 0.15 | 0.17 | 0.01 |
| 滞燃期(deg) | 23.8 | 21.2 | 32.2 |
表5-7结果显示：使用柴油/PODEn两组分混合燃料，由于滞燃期比柴油短，且不含有挥发性好的汽油，这都将导致油气混合效果变差，因此，最终P20的排气烟度甚至略高于柴油，而实施例2的排气烟度则明显低于柴油。
同样，对本发明的其他实施例如实施例1、3、4与柴油/PODEn两组分混合燃料相比较，实施例3、4的结果与实施例2相同，实施例1的效果较差。
结果表明：本发明提供的宽馏分燃料排气烟度明显低于柴油/PODEn两组分混合燃料。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种内燃机用的宽馏分燃料，由以下成分组成：汽油、柴油和PODEn，所述的PODEn为PODE3和/或PODE4。
2.根据权利要求1所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35-45份、柴油35-45份和PODEn10-30份。
3.根据权利要求2所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35-40份、柴油35-40份和PODEn20-30份。
4.根据权利要求3所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35-37.5份、柴油35-37.5份和PODEn25-30份。
5.根据权利要求4所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述宽馏分燃料由以下体积份的成分组成：汽油35份、柴油35份和PODEn30份。
6.根据权利要求1-5任一项所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述PODEn为CH3O(CH2O)3CH3和CH3O(CH2O)4CH3的两种醚类燃料的混合物。
7.根据权利要求6所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述PODEn中CH3O(CH2O)3CH3的比例应占到60％以上。
8.根据权利要求7所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述燃料的十六烷值为40-60。
9.根据权利要求8所述的宽馏分燃料，其特征在于，所述燃料的十六烷值为45-55。
10.权利要求1-9任一项所述的宽馏分燃料在代替燃料的应用。
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