CN110791330A

CN110791330A - 一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料

Info

Publication number: CN110791330A
Application number: CN201910967522.1A
Authority: CN
Inventors: 金超; 王烨昊; 刘海峰; 刘章浩; 陈新宇; 孙天韵; 耿振龙; 刘昕; 张曦媛
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2020-02-14

Abstract

本发明公开了一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料,通过掺混的技术手段，将各组分按照一定体积配比在30‑50℃的温度范围下调和得到混合燃料。先将甲醇加入玉米油中形成不完全互溶的混合液，之后再搅拌下将正丁醇加入混合液中混合均匀，即得混合燃料。所得混合燃料稳定且均相，同时体系整体粘度满足传统柴油燃料要求。甲醇的加入可以提高燃烧效率，降低氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的排放。正丁醇的添加可以对玉米油与甲醇基础体系的十六烷值起到一定程度的改善作用，并且提高燃料体系整体密度，使燃油喷射过程中的压力波传递更快，从而提高能量发动机输入能力和动力性能。

Description

一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料

技术领域

本发明涉及内燃机可再生替代能源领域，具体涉及一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇新型混合燃料。

背景技术

玉米油是从玉米种子中提炼出来的植物油中最高产的一种。玉米油具有与其它植物油一样的氧化稳定性和挥发性相对较低的优点。然而，玉米油的高粘度与密度成为其作为燃料应用的突出缺陷。因此，长期使用玉米油会导致发动机耐久性问题，如喷油嘴的结焦和燃料雾化不良以及较高NOx排放的活塞环的粘附。由于其高粘度的限制，玉米油作为柴油替代燃料的使用进展缓慢。

目前将植物油作为燃料的主要方法是通过转酯化处理制备生物柴油。这类研究主要是在不同的反应条件下，采用不同比例的油醇混合物进行转酯化反应。继而将获得的生物柴油与柴油或者其他醇类添加剂混合制备替代燃料。国内多采用酸催化法进行制备，虽然制备条件温和，但是同样存在各种的问题。例如：对于原材料要求比较严苛，反应过程复杂等。张跃飞等采用等体积浸渍法制备了负载型固体碱催化剂K₂CO₃/γ-Al₂O₃,并将其用于催化玉米油与甲醇酯交换反应制备生物柴油。{张跃飞,常瑶,张珂珂等.K2CO3/γ-Al2O3催化玉米油酯交换制备生物柴油[J].化工新型材料,2013,41(11):50-52.}.其研究证实了玉米油与甲醇混合的可行性，但其中利用了催化剂，使得其成本会显著增加。同时刘博也探究了正丁醇对于添加到柴油-生物柴油发动机的影响：随着正丁醇比例的增加,有效热效率在中高负荷下明显提高,颗粒物质量和数量浓度、碳元素浓度(EC)明显减少,颗粒物中有机碳(OC)含量增加。同时,颗粒物平均几何直径呈减小趋势,颗粒相的多环芳香烃(PAHs)总数减少。{刘博.正丁醇添加于柴油-生物柴油对柴油机性能及颗粒物排放的影响研究[J].河南科技,2018(20):129-132.}该实验证明了正丁醇对于内燃机燃烧排放物改善的有利影响，但是对于燃料本身的改善本实验并没有涉及。

甲醇具有较高的含氧量，较低的粘度和密度，且甲醇生产投资和生产成本低。因此将甲醇与玉米油建立混合燃料体系是相对经济并且能显著改善玉米油高粘度与密度的缺陷。但是甲醇与玉米油在一般的环境温度下并不能够稳定互溶，同时由于甲醇的十六烷值相对较低，将玉米油与甲醇混合会降低十六烷值。而过低的十六烷值容易导致柴油机运转不稳定，如发动机爆燃、起动困难、油耗高，等问题。目前未见到玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料，该燃料可以不通过转酯化反应直接改善玉米油高粘度且与甲醇不易互溶，该燃料粘度、密度以及十六烷值与传统柴油燃料更为接近，是柴油机新型替代燃料。

本发明提供的一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料，由以下体积分数的成分组成：

甲醇 40％～60％玉米油 15％～25％正丁醇 25％～35％；

所述玉米油为市售转基因国家一级玉米油；

所述甲醇质量百分比浓度大于等于99.5％，所述正丁醇质量百分比浓度大于等于99.0％。

本发明提供的适用于柴油机的新型混合燃料具有以下优点：

1、将正丁醇加入玉米油、甲醇两组分燃料中，配制成玉米油/甲醇/正丁醇三种燃料混合的新型混合燃料。正丁醇作为助溶剂能有效解决玉米油/甲醇不完全互溶问题。正丁醇燃料较高的含氧量使柴油机的碳烟、一氧化碳、碳氢化合物排放明显降低，且正丁醇作为可再生能源，原料来源十分广泛，一定程度上降低对石油资源的依赖。

2、甲醇与玉米油混合燃料作为可再生能源，其使用能一定程度上解决对石油基燃料资源的过度依赖。二者的高挥发性能够促进着火前的油气混合过程，低粘度能够降低玉米油作为燃料过高的粘度，且甲醇自身也含氧，有利于降低排放。

附图说明

图1为在40℃下不同比例的玉米油/甲醇/正丁醇的互溶情况。

具体实施方式

以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

甲醇 40％～60％玉米油 15％～25％正丁醇 25％～35％；

所述玉米油为市售国家一级玉米油，国标19111-2003，优选的玉米油为市售转基因一级玉米油(GB/T 19111-2017)，转基因玉米油更为经济。

优选的各组分体积分数含量为：甲醇40％，玉米油25％，正丁醇35％；在此配比下，体系整体粘度满足传统柴油燃料要求，但整体密度相对较高，使燃油喷射过程中的压力波传递更快，从而提高能量发动机输入能力和动力性能。

优选的各组分体积分数含量为：甲醇60％，玉米油15％，正丁醇25％；在此配比下，整个燃料体系的十六烷值更高，运动粘度为2.43mm²/s。

优选的各组分体积分数含量为：甲醇50％，玉米油20％，正丁醇30％；在此配比下，整个燃料体系的各项数据更平均，价格更为合理，运动粘度为3.36mm²/s。

本发明上述燃料的制备方法包括以下步骤：按照体积配比量取各成分，先将甲醇加入玉米油中形成不完全互溶的混合液，之后在搅拌下将正丁醇加入混合液中混合均匀，即得调和混合燃料。混合温度在30℃-50℃之间为宜。

通过测试本发明提供的含甲醇的新型混合燃料的运动粘度为2.43-4.31mm²/s。而常规柴油机适用的柴油运动粘度为2.0-4.5mm²/s，因此本发明提供的含甲醇的新型混合燃料可以在柴油机中应用。

本发明提供的新型混合燃料，玉米油/甲醇/正丁醇具有良好的互溶性，所得混合燃料长期存放无分层。

在40℃下，当甲醇掺混比例在10％-90％之间，无法实现玉米油与甲醇互溶。但从图1可以看出，通过滴定正丁醇能实现甲醇与玉米油体系的互溶。

显然，玉米油/甲醇/正丁醇的各自比例需满足互溶的原则。

本混合燃料推荐在30-50℃温度范围下使用。

实施例1

甲醇20L，玉米油12.5L，正丁醇17.5L。

所述玉米油为市售国家转基因一级玉米油。所述甲醇质量百分比浓度99.5％。所述正丁醇质量百分比浓度99.0％。

配置方法：先将甲醇加入玉米油中形成不完全互溶的混合液，之后在搅拌下将正丁醇加入混合液中混合均匀，即得调和混合燃料。混合温度为40℃。

经测试：运动粘度为4.31mm²/s，满足柴油机使用要求。

实施例2

甲醇30L，玉米油7.5L，正丁醇12.5L。

所述玉米油为市售国家转基因一级玉米油。所述甲醇质量百分比浓度99.9％。所述正丁醇质量百分比浓度99.5％。

配置方法同实施例1

经测试：运动粘度为2.43mm²/s，满足柴油机使用要求。

实施例3

甲醇25L，玉米油10L，正丁醇15L。

所述玉米油为市售国家一级玉米油。所述甲醇质量百分比浓度99.5％。所述正丁醇质量百分比浓度等于99.0％。

配置方法同实施例1

经测试：运动粘度为3.24mm²/s，满足柴油机使用要求。

将实施例1-3中三种不同比例的混合燃料进行运动粘度测定，结果表明本发明提供的新型混合燃料在甲醇的低、中、高比例下，调和剂正丁醇的添加量呈现出递减的趋势，所获得的混合燃料的粘度随甲醇比例的提高呈现出单调递减的趋势且得到显著改善。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料，其特征在于由以下体积分数的成分组成：

甲醇 40％～60％玉米油 15％～25％正丁醇 25％～35％；

所述玉米油为市售一级玉米油，所述甲醇质量百分比浓度大于等于99.5％；所述正丁醇质量百分比浓度大于等于99.5％。

2.根据权利要求1所述的适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料，其特征在于各组分体积分数含量为：甲醇40％、玉米油25％，正丁醇35％。

3.根据权利要求1所述的适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料，其特征在于各组分体积分数含量为：甲醇60％、玉米油15％，正丁醇25％。

4.根据权利要求1所述的适用于柴油机的玉米油/甲醇/正丁醇混合燃料，其特征在于各组分体积分数含量为：甲醇50％、玉米油20％，正丁醇30％。