CN1045790C - 火花点火发动机燃料和操作火花点火发动机的方法 - Google Patents

火花点火发动机燃料和操作火花点火发动机的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种使用含有二甲醚和丙烷的改进的组合物作为燃料的火花点火内燃机的操作方法。与用丙烷作燃料的发动机在相同的条件下操作产生的污染物的量比较，结合到本发明的发动机产生较少量的某些大气污染物例如一氧化碳和未燃烧的烃。还公开了一种改进的燃料组合物，与例如丙烷比较，其显示较低的蒸汽压，因此是比较容易液化和运输的。

Description

火花点火发动机燃料和操作火花点火发动机的方法
                   本发明背景
Ⅰ．本发明领域
本发明一般涉及二甲醚和低分子量烷烃和烯烃的混合物作为火花点火内燃机的改进燃料的应用。更具体地说，本发明涉及一种方法和改进的燃料，该方法和改进的燃料产生的某些大气污染物比由例如丙烷燃料产生的某些大气污染物要少。
Ⅱ．现有技术介绍
二甲醚也叫甲氧基甲烷或者甲醚，其化学式为CH3-O-CH3。与压缩的天然气比较，其具有比较低的蒸汽压，二甲醚是很容易运输的。另外，与例如液化天然气这样的物质比较，二甲醚可以以比较少的量很经济的进行生产，而液化天然气需要有与大的深冷工厂有关的经济规模，以产生竟争力。然而，纯的二甲醚用于现代的火花点火内燃机时所显示的辛烷值太低。
已经发现二甲醚可以用作燃用汽油的发动机的起动流体。授予Kaister的U.S.P.4,177,040报导了一种含有烷基醚、喷气燃料和石油馏分油的气溶胶喷雾形式的起动流体。在特定的发动机中使用这样的起动流体，通常当发动机冷的时候开始使用，发动机一旦安全操作就停止使用。
已经提出二甲醚和醇的各种掺混物用作火花点火发动机燃料。例如，授予Weinberger的U.S.P.4,743,272公开了一种汽油燃料的代用品，其包括主要量的特定的含有甲醇或者乙醇的无水醇混合物和少量的特定的酮或者醚混合物。虽然二甲醚-醇燃料在某些方面是满意的，但是，一般来说，醇组分对人体是有毒的。
把气态燃料例如乙烷、丙烷、丁烷和其混合物不时的压缩到辅助设备，特别是在临时性的矿物燃料不足的时候，作为火花点火发动机燃料。目前，当排气污染物必须减少到最少时，气态燃料是选作火花点火发动机的燃料。例如在排放的废气往往积聚的仓库中操作燃用丙烷的铲车。但是，到目前，公众还没有始终如一的采用气态燃料例如丙烷作为常规操作的主要的汽车燃料。
气态燃料常常用作加热燃料。转让给Idemitsu Petrochemical的日本专利JP6086195公开了含有5-30％(重)的二甲醚和含量为选自丙烷、丙烯、丁烷和丁烯的两种或者多种烃的燃料气组合物。该日本专利指出，该燃料气组合物适用于工业装置和大型厨房。
授予Levine的U.S.P.4,892,561公开了含有至少50％(重)的二甲醚的用于内燃机的燃料。例如，Levine的专利指出，大约等重量的丙烷和甲醚的混合物适用于作为火花点火发动机的燃料。如下面要进行的更详细的解释，Levine的专利担保的等重混合物的研究法辛烷值约为73，马达法辛烷值约为55，因此不能用作现代火花点火发动机的燃料。
仍然存在的一种要求是，火花点火内燃机的改进的燃料具有的辛烷值要适用于普通的汽车。合乎要求的是，该改进的燃料可以在现有的汽车发动机中操作而不用对主要的发动机进行改造。更合乎要求的是，该改进的燃料与丙烷和常规的矿物燃料比较，可以从广泛的可以得到的原料制造，并且产生比较少量的大气污染物。
                        本发明概述
本发明是一种操作使用含有二甲醚(化学式为CH3-O-CH3)和丙烷的改进燃料作为燃料的火花点火内燃机的方法。与在相同的条件下，与用丙烷作燃料操作的发动机产生的污染物的量比较，结合本发明的发动机产生较少量的某些大气污染物，例如一氧化碳和未燃烧的烃类。该改进的组合物具有适用于现有的汽车发动机的辛烷值。另外，该改进的组合物与例如丙烷比较，通常有较低的蒸汽压，因此，比较容易液化和运输。
一方面，本发明是一种操作火花点火内燃机的方法。该方法包括汽化由约10-30％(重)二甲醚和约90-70％(重)丙烷组成的液相混合物产生气态燃料。把空气和该气态燃料通到发动机的汽缸中并火花点火。
另一方面，本发明是一种适用于火花点火内燃机的燃料组合物，其包括约10-30％(重)二甲醚和约90-70％(重)丙烷。
                   附图的简单说明
图1是代表实验室测定的二甲醚(DME)和异辛烷(2,2,4-三甲基戊烷)的各种掺混物的研究法辛烷值和马达法辛烷值的示图。图1的数据表明，二甲醚的掺混辛烷值是：研究法辛烷值35.5和马达法辛烷值12.8。
               本发明的优选方面的详细描述
在一个优选方面中，本发明是一种向火花点火内燃机注燃料的方法，其包括汽化含有丙烷和二甲醚的液相混合物产生气态燃料。优选的是，该混合物开始是液相，以便与一般的气相储存体系比较，有关的液相储存体系可以是较紧凑和可移动的。另外，为了使液相储存体系的重量和成本减少到最少，该混合物的蒸汽压应该在不牺牲安全的冷起动和较冷的气侯条件发动机运行的情况下尽可能的低。纯的戊烷对于火花点火发动机超过蒸汽压的需要，在实际的运行条件下，火花点火发动机需要大约2个绝对压力的蒸汽压。优选的是，该混合物含有大量的二甲醚，更优选的是至少约10％(重)，最优选至少约15％(重)的二甲醚，该混合物的余量物质主要由丙烷组成。
另一方面，太高比例的二甲醚使得该混合物不适合火花点火发动机的运行。普通汽油一般的研究法辛烷值约为92-95，马达法辛烷值约为83-86。按照规定，普通汽油目前必须提供研究法辛烷值加马达法辛烷值被2除(R+M/2)最小为87。因此，优选的是，该混合物含有不超过约30％(重)，更优选不超过约25％(重)，最优选不超过约20％(重)的二甲醚和主要由丙烷组成的该混合物的平衡物。
另外，该混合物可以含有少量的例如乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷和戊烯。该混合物也可以含有微量的醇、酮、芳烃、水和二甲醚以外的醚。
优选的是，以液相从燃料罐排出含有丙烷和二甲醚的混合物，并且在燃料罐的下游混合物的流动方向汽化该混合物，以产生气体燃料。把空气和该气体燃料通到火花点火内燃机的汽缸，空气和该气体燃料混合，产生可燃的混合物。优选的是在进入汽缸之前空气和该气体燃料在汽化器中混合。这样的汽化器现在用于丙烷作动力的车辆。气体燃料注射系统可以用作汽化器的替换物。在汽缸中引入火花点燃该掺混燃料，引起燃烧反应，燃烧反应释放能量驱动发动机。
燃烧产生一种含有氮气、二氧化碳和水以及少量不合乎要求的物质包括例如一氧化氮、一氧化碳和未燃烧的燃料的排气物流。优选的是，与在同样的条件下由等同的发动机产生的排气物流比较，该排气物流包括少量的烃，该烃是未燃烧的燃料的表示，和少量的一氧化碳和更多的二氧化碳。该排气物流从汽缸排放到大气中。
特别优选的是，本发明是在设计用汽油作燃料运行而转换为用二甲醚-丙烷混合物作燃料运行的汽车或卡车或公共汽车发动机中实施。向二甲醚-丙烷燃料的转换一般的是直接的转换，通常不需要改变任何内燃机部件。一般地该转换仅包括在部件上的内部螺钉，并且通过安装一个能够耐二甲醚-丙烷混合物的蒸汽压的储存容器、一个降低该混合物的压力和汽化该混合物的调节器和一个可以用来调节空气和该混合物的汽化器来完成。如果橡胶或者塑料配件是在接触二甲醚-丙烷混合物的位置，它们应该用可以更好的耐二甲醚使用的配件代替。
在另一个优选的方面中，本发明是适用于火花点火内燃机的燃料组合物，该组合物优选含有约10-30％(重)，更优选15-约25％(重)，最优选约20％(重)的二甲醚(按总重量计)。丙烷主要构成了该混合物的平衡物。该混合物另外可以含有少量的组分例如乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、戊烷和戊烯。该混合物也可以含有微量的分子量大于二甲醚的醚、醇、酮、芳烃、和水。
为了更好的说明本发明，下面给出了实施例，但是这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1．二甲醚-异辛烷掺混物的辛烷值
制备含有二甲醚和异辛烷的2种掺混物，使用一般的可接受的评定方法测定每种掺混物的研究法辛烷值(RON)和马达法辛烷值(MON)。这2种掺混物分别含有5.53％(重)和10.46％(重)的二甲醚和该掺混物的平衡量的异辛烷。辛烷值测定的结果示于图1。
通过定义，异辛烷的研究法辛烷值和马达法辛烷值是100。假定掺混的辛烷值关系适当的用线性混合的方程式描述并且使用图1的数据，可以计算二甲醚的掺混辛烷值为研究法辛烷值35.5和马达法辛烷值12.8。
实施例2．等量的二甲醚-丙烷掺混物的辛烷值
制备含有等量的二甲醚和丙烷的掺混物，使用一般的可接受的评定方法测定该掺混物的研究法辛烷值(RON)和马达法辛烷值(MON)。该掺混物的研究法辛烷值为73和马达法辛烷值为55。研究法辛烷值加马达法辛烷值除以2的值(R+M/2)是64。由所报导的辛烷值可明显地看出等量的掺混物不能生成火花点火发动机可接受的燃料。
实施例3．几种二甲醚-丙烷掺混物的辛烷值
制备几种二甲醚和丙烷的掺混物。通过分析测定每种掺混物的研究法辛烷值和马达法辛烷值。也测定每种掺混物的蒸汽压。结果列于下面的表B，这些值包括纯丙烷的值作为参考。
                              表A．几种掺混物的辛烷值
二甲醚(重量％)     10     15     20     25     30
丙烷(重量％)     100     90     85     80     75     70
RON     111.5   103.9    100.1    96.3    92.5     88.7
MON     100     91.3     86.9    82.6    78.2     73.8
R+M/2     106     97.6     93.5    89.5    85.4     81.25
蒸汽压30°F(psig)     262     253     248    244    239     234
实施例4．3.8升发动机用丙烷作为燃料的运行
有3.8升发动机的1988Buick Century汽车初始制造是用汽油作燃料，将其安装一个加压的燃料罐，一个减压和汽化阀和一个适用于用丙烷作燃料的汽化系统。以液相把丙烷保存在燃料罐中直到需要，然后汽化产生气体丙烷。作为对照试验，在按照美国环保局试验方法EPA78的条件下驱动该汽车大约10英里的距离，在用丙烷作燃料的试验过程中观察到的排出物的类型和量及燃料的经济性能列于下面的表B。
在表B中的数据表明，像所预期的那样，与众所周知的常规汽车燃料例如汽油比较，丙烷是一种合乎需要的有效的并且比较清净燃烧的汽车燃料。
实施例5．3.8升发动机用19％(重)二甲醚-丙烷混合物作为燃料的操作
把上面的实施例4所述的汽车进行EPA78试验，驱动大约10英里的距离，只是在该例子中该汽车用含有18.7％(重)的二甲醚和81.3％(重)的丙烷的气体混合物作燃料。把19％(重)的混合物以液相保存在加压的燃料罐中，并且作为液体加到燃料体系中。该燃料在进入汽化器之前在发动机中汽化，产生气体混合物。用19％(重)的二甲醚-丙烷混合物的该试验的结果列于下面的表B。
                     表B．排放物试验结果
     排放物的量(超出时间加权的克/英里)
排放物的类型 用丙烷作燃料  用19％二甲醚-丙烷混合物作燃料
总的烃     0.532      0.461
一氧化碳     5.664      3.406
二氧化碳     354.628      367.582
氧化氮     0.783      0.886
燃料的经济性能(英里/加仑)     15.74      14.92
由表B的数据可以看出，二甲醚-丙烷燃料混合物在超过试验方法的周期时间产生比较少量的加权的总烃/英里。在汽车排放的物流中存在的烃类，就像它们本身一样，一般被看作不好的大气污染物。另外，二甲醚-丙烷燃料混合物产生较少量的毒性一氧化碳。由二甲醚-丙烷燃料混合物产生较大量的二氧化碳是与更完全燃烧一致的。
另一方面，与丙烷燃料比较，二甲醚-丙烷燃料混合物产生稍大量的氮化物，并且在一定程度上显示较低的燃料经济性能。在氮化物排放物和燃料经济性能方面的该微小的变化类似于在汽油中加入含氧化合物例如醇或醚的结果。总之，在表A中的数据表明二甲醚-丙烷燃料混合物是一种可行的替代燃料组合物，其可以提供合乎需要的汽车动力，同时产生比较少的大气污染物。
为了更好的说明本发明的某些侧面，本文前面给出了实施例和构想。本发明的范围仅由所附的权利要求的范围确定。

Claims (11)

1．一种使火花点火内燃机燃烧更完全的操作方法，该方法包括：
汽化一种液相混合物，产生按照总重计由10-30％(重)二甲醚和90-70％(重)的丙烷组成的气体燃料；
把空气和该气体燃料通到火花点火内燃机的汽缸中；和
用火花点燃气体燃料；以及
从汽缸排出排气物流。
2．根据权利要求1的方法，其中二甲醚为15-25％(重)。
3．根据权利要求1的方法，其中排气物流与另外在相同条件下用丙烷操作的发动机产生的参考排气物流相比，具有较少量的一氧化碳。
4．根据权利要求2或3的方法，其中排气物流与参考排气物流相比，含有较少量的烃。
5．一种向火花点火内燃机供燃料使其燃烧更完全的方法，该方法包括：
汽化一种液相混合物，产生按照总重计主要由10-30％(重)的二甲醚和90-70％(重)的丙烷组成的气体燃料；
把空气和该气体燃料掺混产生可燃的混合物；
在火花点火内燃机的汽缸中用火花点燃该可燃的混合物；和
从汽缸排出排气物流。
6．根据权利要求5的方法，其中排气物流与另外在相同条件下用丙烷操作的发动机产生的参考排气物流中的一氧化碳的量比较，含有较少量的一氧化碳。
7．根据权利要求5的方法，排气物流与另外在相同的条件下用丙烷操作的发动机产生的参考排气物流中的总烃量比较，含有较少量的总烃。
8．根据权利要求5的方法，其中二甲醚的量为15-25％(重)。
9．一种与以另外相同条件下用丙烷操作的发动机相比使火花点火内燃机燃烧更完全的燃料组合物，其包括，按组合物的总重量计：
10-30％(重)的二甲醚；和
90-70％(重)的丙烷。
10．根据权利要求9的燃料组合物，其中二甲醚的量为15-25％(重)。
11．根据权利要求10的燃料组合物，其中在火花点火内燃机运行期间，所述燃料组合物使排气物流，与其它相同条件下用丙烷操作的发动机产生的参考排气物流相比，具有较少量的一氧化碳和总烃。
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