CN106520221A - 一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，它由以下质量百分比的组分组成：甲醇94～96％、复合改性剂4～6％；所述的复合改性剂，按复合改性剂质量百分比计，由以下组分组成：润滑剂7‑18％、助溶剂5‑11％、抗氧防腐蚀剂0.3‑0.8％，余量为复合雾化改性剂；所述的复合雾化改性剂由戊烷、乙基叔丁基醚(ETBE)、甲缩醛和丙酮混配组成。本发明所述的改性燃料甲醇改善了甲醇的雾化性、扩散燃烧性、润滑性并抑制其金属腐蚀性，应用于甲醇/柴油共置燃烧系统后解决燃料甲醇对发动机机体产生的腐蚀问题，进一步提高缸内混合气燃烧效率，促进燃料完全燃烧，提高发动机加速性和燃料经济性、大量降低有害气体排放。

Description

一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇
技术领域
本发明涉及一种压燃机燃料，具体涉及一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇。
背景技术
我国石油资源匮乏自给率严重不足，对外依存度逐年增加。自2009年以来，连续多年的石油进口量已经超过一半以上，随着经济发展，石油的对外依存度还将会进一步增大，预计2020年有可能突破70％，成为世界上最大的石油净进口国，国家的石油能源安全存在很大的压力。重载柴油机是国家物流、客运、工农业机械以及国防等主流动力，每年消耗的柴油量超过全年消耗总量80％以上。此外，有研究表明，由于柴油机的燃烧特性决定，其排放的氮氧化物(NOx)以及颗粒物(PM)是机动车向大气中雾霾的重要成因之一。因此，寻求清洁替代柴油的燃料减小石油对外依存度、保障国家能源安全；减少有害气体排放，治理雾霾，实现“环境就是民生，青山就是美丽，蓝天也是幸福”的人民期望具有重要的战略意义。
甲醇生产资源丰富，生产技术成熟，输运方便，是很有前景的柴油替代燃料。甲醇是可再生、可持续发展的清净燃料之一，不仅可用煤、天然气、煤层气、焦炉气等作原料，特别是还可利用高硫劣质煤生产甲醇，即可提高资源综合利用又可减少环境污染。甲醇只含一个碳原子，含50％的氧和34.8％的氢(质量分数)，不含硫等，其化学组成决定了在内燃机等热力装置中燃烧后，生成的排放物要比含多碳原子及含硫等的汽油及柴油明显低。
相比柴油，甲醇汽化潜热大、十六烷值低、着火极限(空气中容积比)为6.7～36％(柴油1.58～8.2％)；甲醇对金属有腐蚀，对橡胶和塑料有溶胀作用；柴油机燃油供给系统不能满足燃料甲醇的需要。因此，甲醇在压燃式柴油机上应用是一个重大的技术难题。国内外研究多种方法，如甲醇和柴油乳化法、添加着火添加剂法、甲醇点燃法等等。以上方法或由于改动内燃机的结构、或是不能稳定着火及实现较好的工作过程、或是燃料替代成本高等诸多原因，一直没有得到实际应用。近年来，采用甲醇熏蒸法在进气道形成混合气，然后在气缸内和柴油混烧的方法得到大家关注。该方法可以避免甲醇和柴油混合后的分层以及着火添加剂致使燃料价格失去市场竞争性等缺陷，虽然该方法采用各自独立的燃料供应系统，但甲醇和柴油在实时变化的工况条件下的控制、发动机冷起动运行及尾气排放污染物等方面问题，由于其技术性、局限性和应用性，已不再作为主要研究方向。
各种燃用甲醇燃料方式是基于在发动机结构方面的加、改装技术和设备，并未结合甲醇燃料性质调整技术方面做研究。共置系统燃烧法是在发动机组另外加装一套供醇系统，实现燃料甲醇和柴油供给系统共置。例如，中国专利文献CN1470752A公开的柴油机进气喷醇装置及其控制方法，其主要原理是：在气缸进气道上加装喷醇器，在进气冲程时间段通过喷醇器雾化甲醇并喷入进气道，与空气混合后入缸，再与柴油雾化气体混燃；该文献中的供醇系统构成包括：甲醇箱、甲醇过滤器、甲醇泵、耐腐甲醇管线、控制线束、ECU电控单元及软件，压力、温度、转速、油门行程传感器，甲醇限压阀、喷醇器、控制面板。这种方法理论上可掺烧70％的甲醇，有效规避上述各研究方法的不足，但是常规燃料甲醇经喷醇器喷入进气道时往往由于雾化不好，与空气不能充分混合，导致甲醇不能充分燃烧，最终带来甲醇、甲醛等非常规排放升高的弊端。因此，有必要根据这类发动机的需要对甲醇物性作相应的调整。
发明内容
鉴于上述需要，本发明的目的在于，在双燃料供油系统法及内燃机替代燃料燃烧学的基础理论上，在加装独立供醇系统和控制系统的条件下，根据其燃烧方式的特点和要求，调整甲醇燃料性质，改善现有的双燃料燃烧系统中甲醇燃料的雾化性与混合燃烧充分性，进而有效提升甲醇掺烧比例，节省柴油消耗，减少有害气体排放，达到国Ⅳ排放标准。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，它由以下质量百分比的组分组成：甲醇94～96％、复合改性剂4～6％；
所述的复合改性剂，按复合改性剂质量百分比计，由以下组分组成：润滑剂7-18％、助溶剂5-11％、抗氧防腐蚀剂0.3-0.8％，余量为复合雾化改性剂；
所述的复合雾化改性剂由戊烷、乙基叔丁基醚(ETBE)、甲缩醛和丙酮混配组成。
本发明优选的方案中，所述的复合雾化改性剂中的戊烷、ETBE、甲缩醛和丙酮重量比为20～50:8～15:12～21:8～15。
本发明优选的方案中，所述的润滑剂选自四聚蓖麻油酸酯、油酸乙二醇酯或苯三唑脂肪酸胺盐中的任意一种；最优选四聚蓖麻油酸酯。
本发明优选的方案中，所述的助溶剂选自乙酸叔丁酯、辛醇或异丁醇中的任意一种；最优选乙酸叔丁酯。
本发明优选的方案中，所述的抗氧剂选自N-苯基-α萘胺、辛基二苯胺、N,N’-二亚水杨丙二胺、2,6-二叔丁基对甲酚、2,6-二叔丁基混合酚中的一种或两种以上的混合物；最优选N-苯基-α萘胺、辛基二苯胺和N,N’-二亚水杨丙二胺的混合物。
本发明一种优选的实施方式中，所述的用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，由以下质量百分比的组分组成：甲醇94～96％、复合改性剂4～6％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷20～50％、ETBE8～15％、甲缩醛12～21％、丙酮8～15％、四聚蓖麻油酸酯7～18％、乙酸叔丁酯5～11％、N-苯基-α萘胺0.1～0.2％、辛基二苯胺0.1～0.3％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.1～0.3％。
本发明的一种更优选的实施方式中，所述的用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，由以下质量百分比的组分组成：甲醇96％、复合改性剂4％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷20％、ETBE 15％、甲缩醛21％、四聚蓖麻油酸酯18％、丙酮15％、乙酸叔丁酯10.2％、N-苯基-α萘胺0.2％、辛基二苯胺0.3％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.3％。
本发明的另一种更优选的实施方式中，所述的用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，由以下质量百分比的组分组成：甲醇95％、复合改性剂5％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷36％、ETBE12％、甲缩醛17％、四聚蓖麻油酸酯14％、丙酮12％、乙酸叔丁酯8.5％、N-苯基-α萘胺0.1％、辛基二苯胺0.2％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.2％。
本发明的再一种更优选的实施方式中，所述的用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，由以下质量百分比的组分组成：甲醇94％、复合改性剂6％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷50％、ETBE 9％、甲缩醛14％、四聚蓖麻油酸酯10％、丙酮9％、乙酸叔丁酯7.7％、N-苯基-α萘胺0.1％、辛基二苯胺0.1％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.1％。
本发明所述的甲醇符合GB/T 23510-2009《车用燃料甲醇》国家标准。
本发明所述的改性燃料甲醇可以通过将所述的组分按照所述的比例简单混合而制得。
本发明所述的改性燃料甲醇可以用于车用压燃机甲醇/柴油共置燃烧系统。所述的车用压燃机甲醇/柴油共置燃烧系统尤其指通过加装独立供醇系统和控制系统，将甲醇喷入气缸进气道与空气混合后再进入缸内与柴油雾化气体混燃的车用燃烧系统。
与现有技术相比，本发明所述的车用改性燃料甲醇的优点主要体现在以下几方面：
1.本发明改善甲醇的雾化性、扩散燃烧性，进一步提高缸内混合气燃烧效率。
本发明的改性燃料甲醇中，所述的复合改性剂能够以较小的添加量显著改善甲醇燃料的物性，特别是戊烷、ETBE、甲缩醛和丙酮四种物质混配后可以显著改善甲醇燃料的雾化性；此外，乙酸叔丁酯、辛醇或异丁醇等组分可以对各种改性组分起到良好的助溶作用，其中尤以乙酸叔丁酯的助溶效果为最佳；最终多种改性成分共同作用，使改性后的燃料甲醇能很容易地通过喷醇器进入气缸进气道被雾化，并且顺利地与空气形成均质气体，以此满足上述共置燃烧系统的需要，避免共置系统中不做任何处理而喷入进气管的甲醇，在一些特殊工况下部分呈液态沿管壁进入气缸进气道以及缸体内，稀释缸内润滑油；避免未完全燃烧的甲醇以及生成的甲醛造成有害尾气排放，污染环境。
2.对发动机机体腐蚀性低。
本发明的改性燃料甲醇中，四聚蓖麻油酸酯、油酸乙二醇酯或苯三唑脂肪酸胺盐等润滑剂组分可以改善甲醇的润滑性，其中尤以四聚蓖麻油酸酯的润滑效果为最佳；同时N-苯基-α萘胺、辛基二苯胺、N,N’-二亚水杨丙二胺等抗氧防腐蚀剂组分可有效抑制甲醇的金属腐蚀性；因此解决了燃料甲醇对发动机机体的腐蚀性问题。
3.本发明改性甲醇的提出，为甲醇/柴油共置系统智能化掺比燃烧提供了保障，可进一步提高发动机加速性和燃料经济性、全面改善废气排放质量。本发明的改性燃料甲醇在所述的车用压燃机甲醇/柴油共置燃烧系统中应用时，可节省柴油40％～45％。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作进一步详细描述。
实施例1、
一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，按质量百分比计，它由以下组分组成：甲醇96％、复合改性剂4％；
复合改性剂按其质量百分比计，由以下组分组成：戊烷20％、ETBE 15％、甲缩醛21％、四聚蓖麻油酸酯18％、丙酮15％、乙酸叔丁酯10.2％、N-苯基-α萘胺0.2％、辛基二苯胺0.3％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.3％。
将所述的组分按照所述的比例简单混合而制得适合夏季使用的车用改性燃料甲醇I。
对改性燃料甲醇I和未改性燃料甲醇进行常规性能检测，结果见表1:
表1.改性前后燃料甲醇的常规性能检测结果对比
从表1中可以看出，改性燃料甲醇I主要在铜片腐蚀级别和蒸气压两方面相对未改性的燃料甲醇发生了明显变化，其中铜片腐蚀级别从1b变为1a，说明改性降低了燃料甲醇的腐蚀性；而蒸气压从32.01kPa升高到67.5kPa，说明改性显著提高了燃料甲醇的雾化性。
采用相同的甲醇/柴油共置燃烧系统发动机，在柴油分别掺烧改性前的常规燃料甲醇(改性前)和掺烧改性燃料甲醇I(改性后I)时进行油耗及排放检测；其中，检测使用的发动机为改装的潍柴WP10发动机，增加了如CN1470752A所述的单独的供醇系统；结果见表2、表3:
表2.甲醇/柴油共置燃烧系统发动机在燃料甲醇改性前后的全负荷时比燃油消耗特性对比
在全负荷特性时的油耗与原纯柴油相比，发动机燃用改性后的燃料甲醇I时在从转速800r/min到1800r/min范围，其折合油耗普遍低于燃用未改性燃料甲醇的共置燃烧系统。表明柴油甲醇共置燃烧系统发动机燃用改性甲醇具有良好的经济性。
表3.甲醇/柴油共置燃烧系统发动机在燃料甲醇改性前后的排放特性检测对比
对比结果可以看出，甲醇/柴油共置燃烧系统发动机掺烧本发明的改性燃料甲醇可以显著降低有害气体的排放。
实施例2、
一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，按质量百分比计，它由以下组分组成：甲醇95％、复合改性剂5％；
复合改性剂按其质量百分比计，由以下组分组成：戊烷36％、ETBE 12％、甲缩醛17％、四聚蓖麻油酸酯14％、丙酮12％、乙酸叔丁酯8.5％、N-苯基-α萘胺0.1％、辛基二苯胺0.2％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.2％。
将所述的组分按照所述的比例简单混合而制得适合春、秋季使用的车用改性燃料甲醇II。
对改性燃料甲醇II和未改性燃料甲醇进行常规性能检测，结果见表4:
表4.改性前后燃料甲醇的常规性能检测结果对比
从表5中可以看出，改性燃料甲醇II主要在铜片腐蚀级别和蒸气压两方面相对未改性的燃料甲醇发生了明显变化，其中铜片腐蚀级别从1b变为1a，说明改性降低了燃料甲醇的腐蚀性；而蒸气压从32.01kPa升高到71.8kPa，说明改性显著提高了燃料甲醇的雾化性。
采用相同的甲醇/柴油共置燃烧系统发动机，在柴油分别掺烧改性前的常规燃料甲醇(改性前)和掺烧改性燃料甲醇II(改性后II)时进行油耗及排放检测；其中，检测使用的发动机为改装的潍柴WP10发动机，增加了如CN1470752A所述的单独的供醇系统；结果见表5、表6:
表5.甲醇/柴油共置燃烧系统发动机在燃料甲醇改性前后的全负荷时比燃油消耗特性对比
在全负荷特性时的油耗与原纯柴油相比，发动机燃用改性燃料甲醇II时在从转速800r/min到1800r/min范围，其折合油耗普遍低于燃用未改性燃料甲醇的共置燃烧系统。表明柴油甲醇共置燃烧系统发动机燃用改性甲醇具有良好的经济性。
表6.甲醇/柴油共置燃烧系统发动机在燃料甲醇改性前后的排放特性检测对比
对比结果可以看出，甲醇/柴油共置燃烧系统发动机掺烧本发明的改性燃料甲醇可以显著降低有害气体的排放。
实施例3、
一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，按质量百分比计，它由以下组分组成：甲醇94％、复合改性剂6％；
复合改性剂按其质量百分比计，由以下组分组成：戊烷50％、ETBE 9％、甲缩醛14％、四聚蓖麻油酸酯10％、丙酮9％、乙酸叔丁酯7.7％、N-苯基-α萘胺0.1％、辛基二苯胺0.1％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.1％。
将所述的组分按照所述的比例简单混合而制得适合冬季使用的车用改性燃料甲醇III。
对改性燃料甲醇III和未改性燃料甲醇进行常规性能检测，结果见表7:
表7.改性前后燃料甲醇常规性能检测结果对比
从表7中可以看出，改性燃料甲醇III主要在铜片腐蚀级别和蒸气压两方面相对未改性的燃料甲醇发生了明显变化，其中铜片腐蚀级别从1b变为1a，说明改性降低了燃料甲醇的腐蚀性；而蒸气压从32.01kPa升高到75.60kPa，说明改性显著提高了燃料甲醇的雾化性。
采用相同的甲醇/柴油共置燃烧系统发动机，在柴油分别掺烧改性前的常规燃料甲醇(改性前)和掺烧改性燃料甲醇III(改性后III)时进行油耗及排放检测；其中，检测使用的发动机为改装的潍柴WP10发动机，增加了如CN1470752A所述的单独的供醇系统；结果见表8、表9:
表8.甲醇/柴油共置燃烧系统发动机在燃料甲醇改性前后的全负荷时比燃油消耗特性对比
在全负荷特性时的油耗与原纯柴油相比，发动机燃用改性燃料甲醇III时在从转速800r/min到1800r/min范围，其折合油耗普遍低于燃用未改性燃料甲醇的共置燃烧系统。表明柴油甲醇共置燃烧系统发动机燃用改性甲醇具有良好的经济性。
表9.甲醇/柴油共置燃烧系统发动机在燃料甲醇改性前后的排放特性检测对比
对比结果可以看出，甲醇/柴油共置燃烧系统发动机掺烧本发明的改性燃料甲醇可以显著降低有害气体的排放。

Claims (9)

1.一种用于甲醇/柴油共置燃烧系统的车用改性燃料甲醇，其特征在于，它由以下质量百分比的组分组成：甲醇94～96％、复合改性剂4～6％；
所述的复合改性剂，按复合改性剂质量百分比计，由以下组分组成：润滑剂7-18％、助溶剂5-11％、抗氧防腐蚀剂0.3-0.8％，余量为复合雾化改性剂；
所述的复合雾化改性剂由戊烷、乙基叔丁基醚(ETBE)、甲缩醛和丙酮混配组成。
2.权利要求1所述的改性燃料甲醇，其特征在于：所述的复合雾化改性剂中的戊烷、ETBE、甲缩醛和丙酮重量比为20～50:8～15:12～21:8～15。
3.权利要求1或2所述的任意一种改性燃料甲醇，其特征在于：所述的润滑剂选自四聚蓖麻油酸酯、油酸乙二醇酯或苯三唑脂肪酸胺盐中的任意一种；最优选四聚蓖麻油酸酯。
4.权利要求1或2所述的任意一种改性燃料甲醇，其特征在于：所述的助溶剂选自乙酸叔丁酯、辛醇、或异丁醇中的任意一种；最优选乙酸叔丁酯。
5.权利要求1或2所述的任意一种改性燃料甲醇，其特征在于：所述的抗氧防腐蚀剂选自N-苯基-α萘胺、辛基二苯胺、N,N’-二亚水杨丙二胺、2,6-二叔丁基对甲酚或2,6-二叔丁基混合酚中的一种或两种以上的混合物；最优选N-苯基-α萘胺、辛基二苯胺和N,N’-二亚水杨丙二胺的混合物。
6.权利要求1所述的改性燃料甲醇，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：甲醇94～96％、复合改性剂4～6％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷20～50％、ETBE8～15％、甲缩醛12～21％、丙酮8～15％、四聚蓖麻油酸酯7～18％、乙酸叔丁酯5～11％、N-苯基-α萘胺0.1～0.2％、辛基二苯胺0.1～0.3％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.1～0.3％。
7.权利要求1所述的改性燃料甲醇，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：甲醇96％、复合改性剂4％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷20％、ETBE 15％、甲缩醛21％、四聚蓖麻油酸酯18％、丙酮15％、乙酸叔丁酯10.2％、N-苯基-α萘胺0.2％、辛基二苯胺0.3％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.3％。
8.权利要求1所述的改性燃料甲醇，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：甲醇95％、复合改性剂5％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷36％、ETBE12％、甲缩醛17％、四聚蓖麻油酸酯14％、丙酮12％、乙酸叔丁酯8.5％、N-苯基-α萘胺0.1％、辛基二苯胺0.2％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.2％。
9.权利要求1所述的改性燃料甲醇，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：甲醇94％、复合改性剂6％；所述的复合改性剂按质量百分比计，进一步由以下组分组成：戊烷50％、ETBE 9％、甲缩醛14％、四聚蓖麻油酸酯10％、丙酮9％、乙酸叔丁酯7.7％、N-苯基-α萘胺0.1％、辛基二苯胺0.1％、N,N’-二亚水杨丙二胺0.1％。
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