CN112812861B - 提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法，其包括向航空燃料中添加组分(1)、(2)、(3)或其组合，其中组分(1)选自甲基环戊烷、甲基环己烷和乙基环己烷中的一种或多种；组分(2)选自丙基环戊烷和丙基环己烷中的一种或多种；组分(3)选自C7‑C10链烷烃中的一种或多种。本发明还公开一种航空燃料添加剂。本发明显著改善了航空活塞发动机点火性能，不仅平衡了雾化与挥发性、十六烷值、点火延迟、点火能量、热值、点熄边界，同时扩大了工况运行范围。

Description

提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法

技术领域

本发明属于航空燃料领域，具体涉及一种提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法。本发明还涉及航空燃料添加剂和航空燃料油组合物及其应用。

背景技术

随着绿色航空与能源的多元化需求，新型替代燃料应用技术成为碳减排和能源安全的关键因素。航空替代燃料的利用技术主要两类，一类是基于现有航空发动机技术，利用新燃料替代传统的航空煤油；另一类是针对新型航空发动机的能源需要。随着低空领域的开放，航空活塞发动机特别是重油航空活塞发动机得到了高速发展，因其满足新的适航安全标准并可降低使用成本。将新型航空替代燃料与新型航空动力技术的有效结合成为未来绿色航空动力的关键技术。燃烧室点火、燃烧稳定性、燃烧效率与燃料性能密切相关，因此新型航空替代燃料应用需要满足在全飞行包线工况的使用性能，当发动机在飞行中熄火后需要进行高空再点火，此时发动机压力与温度低，稳定工作范围窄，需要燃油具有优良的雾化性、挥发性、燃烧性保证点火成功。然而，在提高点火性能的同时，不能降低航空燃料流动性、燃烧性、兼容性、润滑性。同时活塞发动机点火性能包括提高低温挥发性，降低可燃边界下限，缩短点火延迟时间，合理的十六烷值范围。因此若要实现燃料点火成功，如何合理的平衡燃料的诸多性能成为调和使用航空替代燃料的关键技术。

发明内容

本发明的目的提供一种提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法。本发明还涉及航空燃料添加剂及包含该添加剂的航空燃料油组合物，用于航空活塞发动机，使得喷气燃料在满足点火性能要求的同时不降低流动性、燃烧性、兼容性、润滑性等性能。

在第一个方面，本发明提供了一种航空燃料添加剂，其包括如下组分：(1)选自甲基环戊烷、甲基环己烷和乙基环己烷中的一种或多种；(2)选自丙基环戊烷和丙基环己烷中的一种或多种；(3)选自C7-C10链烷烃中的一种或多种。

根据本发明的一些实施方式，所述航空燃料添加剂由组分(1)、(2)和(3)组成。

本申请的发明人通过深入研究发现，甲基环戊烷、甲基环己烷和/或乙基环己烷可作为挥发性改善剂用于低温冷启动，满足液体燃料挥发与雾化性能；丙基环戊烷和丙基环己烷作为可燃边界改善剂可用于扩大低温点火边界；C7-C10链烷烃可作为点火延迟改善剂用于缩短点火延迟时间。上述组合不仅扩大了低温点火边界，还缩短了点火延迟时间，同时将十六烷值控制在40至50之间。

根据本发明的一些优选实施方式，组分(1)与组分(2)的质量比为1:8至14:1。

根据本发明的一些优选实施方式，组分(2)与组分(3)的质量比为8:1至1:8。

根据本发明的一些优选实施方式，组分(3)选自C7-C10正构链烷烃中的一种或多种，优选地，选自正庚烷和/或正壬烷。根据一些实施例，组分(3)为正庚烷。根据一些实施例，组分(3)为正壬烷。根据一些实施例，组分(3)为正庚烷和正壬烷。

根据本发明的一些实施方式，所述添加剂中还包括雾化性能改善剂。优选地，所述雾化性能改善剂选自选自C7-C10芳香烃中的一种或多种。根据一些实施例，所述雾化改善剂选自乙基苯和丙基苯中的一种或几种。

在第二个方面，本发明提供了一种航空燃料油组合物，其包括航空燃料和第一方面所述的航空燃料添加剂。

根据本发明的实施方式，通过向航空燃料中添加本发明第一方面所述的航空燃料添加剂即可得到所述航空燃料油组合物。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述组合物的总重量，航空燃料添加剂的添加量为1.5％-15％。根据一些实施例，航空燃料添加剂的添加量为1.5％、2％、3％、5％、8％或10％等。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述组合物的总重量，组分(1)的添加量为0.5％-7％。根据一些实施例，组分(1)的添加量为1.5％、2％、3％或5％等。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述组合物的总重量，组分(2)的添加量为0.5％-10％。根据一些实施例，组分(2)的添加量为0.5％、0.8％、1％、1.5％、2％、3％、5％、8％或10％等。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述组合物的总重量，组分(3)的添加量为0.5％-4％。根据一些实施例，组分(3)的添加量为0.5％、1％、2％、3％、4％等。

根据本发明的一些实施方式，基于所述组合物的总重量，所述雾化性能改善剂的添加量为0％-6％。乙基苯的添加量可以是1％-3％，丙基苯的添加量可以是1％-3％。

根据本发明的一些实施方式，所述航空燃料为航空替代燃料。优选地，所述航空替代燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气工艺燃料、水热油脂加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

根据本发明的一些实施方式，费托(FT)工艺喷气燃料原料来源具有多元性，例如煤或天然气或生物质。根据本发明的一些优选实施方式，费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃。根据一些实施例，费托航空燃料主要组分为链烷烃≥99.5％，其碳数分布成正态。

根据本发明的一些实施方式，加氢工艺喷气燃料原料来源可以是微藻(例如微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)或废弃油脂。水热油脂加氢工艺喷气燃料的原料可以为微藻(微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)。油脂类航油主要组分为链烷烃，含少量环烷烃。餐饮废油、棕榈油、大豆油、菜籽油其碳数分布集中于C15-C18，椰子油碳数分布集中于C11～C14；微藻类，其中微拟球藻碳数分布集中于C12～C16，珊藻碳数分布集中于C15-C18，小球藻碳数分布集中于C14-C18。

根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为油脂，且包括95％-97％链烷烃和1％-3％环烷烃。根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为微藻，且包括68％-82％链烷烃、3％-12％环烷烃和7％-18％芳香烃。

纤维素水热-缩合-加氢燃料的原料可以为秸秆类。纤维素航空燃料组分含有链烷烃和环烷烃。根据一些实施例，纤维素水热-缩合-加氢燃料包括52％-60％链烷烃、26％-33％环烷烃以及4.5％-6.5％萘系。

在第三方面，本发明提供了一种用于改进航空燃料的方法或者提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法，包括向航空燃料中添加本发明第一方面所述的航空燃料添加剂。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述航空燃料和所述添加剂的总重量，航空燃料添加剂的添加量为1.5％-15％。根据一些实施例，航空燃料添加剂的添加量为1.5％、2％、3％、5％、8％或10％等。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述航空燃料和所述添加剂的总重量，基于所述航空燃料和所述添加剂的总重量，组分(1)的添加量为0.5％-7％。根据一些实施例，组分(1)的添加量为1.5％、2％、3％或5％等。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述航空燃料和所述添加剂的总重量，组分(2)的添加量为0.5％-10％。根据一些实施例，组分(2)的添加量为0.5％、0.8％、1％、1.5％、2％、3％、5％、8％或10％等。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述航空燃料和所述添加剂的总重量，组分(3)的添加量为0.5％-4％。根据一些实施例，组分(3)的添加量为0.5％、1％、2％、3％、4％等。

根据本发明的一些实施方式，所述航空燃料为航空替代燃料。优选地，所述航空替代燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气工艺燃料、水热油脂加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

根据本发明的一些实施方式，费托(FT)工艺喷气燃料原料来源具有多元性，例如煤或天然气或生物质。根据本发明的一些优选实施方式，费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃。根据一些实施例，费托航空燃料主要组分为链烷烃≥99.5％，其碳数分布成正态。

根据本发明的一些实施方式，加氢工艺喷气燃料原料来源可以是微藻(例如微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)或废弃油脂。水热油脂加氢工艺喷气燃料的原料可以为微藻(微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)。油脂类航油主要组分为链烷烃，含少量环烷烃。餐饮废油、棕榈油、大豆油、菜籽油其碳数分布集中于C15-C18，椰子油碳数分布集中于C11～C14；微藻类，其中微拟球藻碳数分布集中于C12～C16，珊藻碳数分布集中于C15-C18，小球藻碳数分布集中于C14-C18。

根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为油脂，且包括95-97％链烷烃和1-3％环烷烃。根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为微藻，且包括68-82％链烷烃、3-12％环烷烃和7-18％芳香烃。

纤维素水热-缩合-加氢航油工艺原料可以为秸秆类。纤维素航空燃料组分含有链烷烃和环烷烃。根据一些实施例，纤维素水热-缩合-加氢燃料包括52-60％链烷烃、26-33％环烷烃以及4.5-6.5％萘系。

在第四方面，本发明提供了一种提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法或者改进航空燃料的制备方法，包括向航空燃料中添加组分(1)、组分(2)、组分(3)或其组合，例如组分(1)和组分(2)的组合，组分(1)和组分(3)的组合，组分(2)和组分(3)的组合，或者组分(1)、组分(2)和组分(3)的组合，

其中组分(1)选自甲基环戊烷、甲基环己烷和乙基环己烷中的一种或多种；

组分(2)选自丙基环戊烷和丙基环己烷中的一种或多种；

组分(3)选自C7-C10链烷烃中的一种或多种，优选地，所述C7-C10链烷烃为正构链烷烃。

优选地，所述组分(3)选自正庚烷和/或正壬烷。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述改进航空燃料的总重量，组分(1)的添加量为0.5％-7％，甲基环戊烷的添加量可以为0.5％-2％，甲基环己烷的添加量可以为0.5-2％和乙基环己烷的添加量可以为1-3％。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述改进航空燃料的总重量，组分(2)的添加量为0.5％-10％，丙基环戊烷的添加量可以为0.5％-5％，丙基环己烷的添加量可以为0.5％-10％。

根据本发明的一些优选实施方式，基于所述改进航空燃料的总重量，组分(3)的添加量为0.5％-4％。正庚烷的添加量可以是0.5％-2％，正壬烷的添加量可以是0.5％-2％。

根据本方明的一些实施方式，所述方法还包括向航空燃料中添加雾化性能改善剂。优选地，所述雾化性能改善剂选自选自C7-C10芳香烃中的一种或多种。根据一些实施例，所述雾化改善剂选自乙基苯和丙基苯中的一种或几种。根据本发明的一些实施方式，基于所述改进航空燃料的总重量，所述雾化性能改善剂的添加量为0％-6％。乙基苯的添加量可以是1％-3％，丙基苯的添加量可以是1％-3％。

根据本发明的一些实施方式，所述航空燃料为航空替代燃料。优选地，所述航空替代燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气燃料、水热油脂加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

根据本发明的实施方式，费托(FT)工艺喷气燃料原料来源具有多元性，例如煤或天然气或生物质。根据本发明的一些优选实施方式，费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃。根据一些实施例，费托航空燃料主要组分为链烷烃≥99.5％，其碳数分布成正态。

根据本发明的实施方式，加氢工艺喷气燃料原料来源可以是微藻(例如微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)或废弃油脂。水热油脂加氢工艺喷气燃料的原料可以为微藻(微拟球藻，小球藻，金藻，珊藻等)。油脂类航油主要组分为链烷烃，含少量环烷烃。餐饮废油、棕榈油、大豆油、菜籽油其碳数分布集中于C15-C18，椰子油碳数分布集中于C11～C14；微藻类，其中微拟球藻碳数分布集中于C12～C16，珊藻碳数分布集中于C15-C18，小球藻碳数分布集中于C14-C18。

根据本发明的一些优选实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为油脂，且包括95-97％链烷烃和1-3％环烷烃。根据本发明的一些实施方式，加氢工艺喷气工艺燃料来源为微藻，且包括68-82％链烷烃、3-12％环烷烃和7-18％芳香烃。根据一些实施例，所述加氢工艺喷气工艺燃料来源为微藻，且包括71-82％链烷烃、3-12％环烷烃和7-12％芳香烃。

纤维素水热-缩合-加氢航油工艺原料可以为秸秆类。纤维素航空燃料组分含有链烷烃和环烷烃。根据一些实施例，纤维素水热-缩合-加氢燃料包括52-60％链烷烃、26-33％环烷烃以及4.5-6.5％萘系。

在第四方面，本发明还提供了上述航空燃料油组合物在航空发动机中的应用。具体而言，所述航空发动机为活塞发动机。

本发明提供的航空添加剂和航空燃料油组合物显著改善了活塞发动机点火性能，不仅平衡了雾化与挥发性、十六烷值、点火延迟、点火能量、热值、点熄边界，同时扩大了工况运行范围。经试验发现，本发明能够实现扩大低温点火边界，缩短点火延迟时间，并将十六烷值控制在40至50之间。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施方式和实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围，下列实施例中未提及的具体实验方法，通常按照本领域常规实验方法进行。

本申请中，除非明确说明，否则％表示重量百分比或质量百分比。

针对航空活塞发动机的应用

费托航空燃料主要组分为链烷烃≥99.5％，其碳数分布成正态。使用时，可掺混挥发性改善剂甲基环戊烷，或甲基环己烷，或乙基环己烷添加一种和几种，添加范围0.5％-7％，低温挥发性能提高40-80％；可燃边界改善剂丙基环戊烷，丙基环己烷中的一种或几种，添加范围0.5％-10％，低温点火边界扩大，可燃边界下限降低了30-100％；点火改善添加剂正庚烷、正壬烷的一种或几种，添加范围0.5％-4％，点火延迟时间缩短了20％-45％。

油脂类航油主要组分为链烷烃，含少量环烷烃，微藻类含芳香烃。餐饮废油、棕榈油、大豆油、菜籽油其碳数分布集中于C15-C18，椰子油C11～C14，微藻类，其中微拟球藻C12～C16，珊藻C15-C18，小球藻C14-C18。使用时，可掺混挥发性改善剂甲基环戊烷，或甲基环己烷，或乙基环己烷添加一种和几种，添加范围3％-7％，低温挥发性能提高60-90％；可燃边界改善剂丙基环戊烷，丙基环己烷中的一种或几种，添加范围0.5％-10％，低温点火边界扩大，可燃边界下限降低了50-100％；点火改善添加剂正庚烷、正壬烷的一种或几种，添加范围0.5％-4％，点火延迟时间缩短了20％-60％。

纤维素航空燃料组分含有链烷烃和环烷烃。使用时，可掺混挥发性改善剂甲基环戊烷，或甲基环己烷，或乙基环己烷添加一种和几种，添加范围0.5％-5％，低温挥发性能提高30％-60％；可燃边界改善剂丙基环戊烷，丙基环己烷中的一种或几种，添加范围0.5％-4％，低温点火边界扩大，可燃边界下限降低了30-60％；点火改善添加剂正庚烷、正壬烷的一种或几种，添加范围0.5％-2％，点火延迟时间缩短了20％-60％。

微藻水热加氢航空燃料组分含有链烷烃，环烷烃和芳香烃。使用时，可掺混挥发性改善剂甲基环戊烷，或甲基环己烷，或乙基环己烷添加一种和几种，添加范围0.5％-2％，低温挥发性能提高30-60％；可燃边界改善剂丙基环戊烷，丙基环己烷中的一种或几种，添加范围0.5％-2％，低温点火边界扩大，可燃边界下限降低了30％-60％；点火改善添加剂正庚烷、正壬烷的一种或几种，添加范围0.5％-2％，点火延迟时间缩短了20％-60％。

实施例1

向费托航空燃料中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷0.5％，甲基环己烷1％，乙基环己烷1％；可燃边界改善剂丙基环戊烷1％和丙基环己烷3％；点火延迟改善剂正庚烷2％；雾化性能改善添加剂乙基苯2％和丙基苯3％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高30-50％，可燃边界下限降低50-100％，雾化颗粒尺寸与液膜长度降3％-5％，点火延迟时间缩短35％-55％。

实施例2

向天然气费托航空燃料中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷1％，甲基环己烷1.5％，乙基环己烷1％；可燃边界改善剂丙基环戊烷1.5％，丙基环己烷3％；点火延迟改善剂正庚烷1％，正壬烷2％；雾化性能改善添加剂乙基苯2％，丙基苯3％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高30-50％；可燃边界下限降低50-100％；雾化颗粒尺寸与液膜长度降3％-5％。点火延迟时间缩短30％-45％。

实施例3

向生物质费托航空燃料中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷0.5％，甲基环己烷1％，乙基环己烷2％；可燃边界改善剂丙基环戊烷1％，丙基环己烷5％；点火延迟改善剂正庚烷2％，正壬烷1％；雾化性能改善添加剂乙基苯3％，丙基苯2％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高60-100％，可燃边界下限降低50-100％，雾化颗粒尺寸与液膜长度降5％-15％，点火延迟时间缩短30％-55％。

实施例4

向餐饮废油加氢航油(95-97％链烷烃和1-3％环烷烃)中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷0.5％，甲基环己烷1％，乙基环己烷2％；可燃边界改善剂丙基环戊烷2％，丙基环己烷5％；点火延迟改善剂正庚烷2％；雾化性能改善添加剂乙基苯3％，丙基苯2％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高80-100％，可燃边界下限降低50-100％，雾化颗粒尺寸与液膜长度降5％-15％，点火延迟时间缩短30％-45％。

实施例5

向微拟球藻加氢航油(71-82％链烷烃、3-12％环烷烃和7-12％芳香烃)中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷1％，甲基环己烷2％，乙基环己烷2％；可燃边界改善剂丙基环戊烷1％，丙基环己烷5％；点火延迟改善剂正庚烷1％，正壬烷1％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高50-100％，可燃边界下限降低50-100％；点火延迟时间缩短30％-55％。

实施例6

向珊藻加氢航油(71-82％链烷烃、3-12％环烷烃和7-12％芳香烃)中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷1％，甲基环己烷2％，乙基环己烷2％；可燃边界改善剂丙基环戊烷2％，丙基环己烷5％；点火延迟改善剂正庚烷2％，正壬烷1％；雾化性能改善添加剂乙基苯3％，丙基苯2％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高80-100％，可燃边界下限降低50-100％，雾化颗粒尺寸与液膜长度降5％-15％，点火延迟时间缩短30％-55％。

实施例7

向纤维素航空燃料(52-60％链烷烃、26-33％环烷烃以及4.5-6.5％萘系)中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷1％，甲基环己烷1％，乙基环己烷3％；可燃边界改善剂丙基环戊烷1％，丙基环己烷6％；点火延迟改善剂正庚烷2％，正壬烷1％；雾化性能改善添加剂乙基苯3％，丙基苯2％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高50-100％，可燃边界下限降低50-100％，雾化颗粒尺寸与液膜长度降5％-10％，点火延迟时间缩短30％-55％。

实施例8

向微藻水热加氢航空燃料(68-82％链烷烃、3-12％环烷烃和7-18％芳香烃)中掺混挥发性改善剂甲基环戊烷1％，甲基环己烷2％，乙基环己烷2％，可燃边界改善剂丙基环戊烷1％，丙基环己烷5％；点火延迟改善剂正庚烷1％，正壬烷2％。由此得到的改进航空燃料用于活塞发动机，低温挥发性能提高50-100％，可燃边界下限降低50-100％，点火延迟时间缩短30％-55％。

Claims (9)

1.一种提高重油活塞发动机点火性能的航空替代燃料调和方法，包括向航空燃料中添加组分(1)、组分(2)和组分(3)，

其中组分(1)选自甲基环戊烷、甲基环己烷和乙基环己烷中的一种或多种；

组分(2)选自丙基环戊烷和丙基环己烷中的一种或多种；

组分(3)选自正庚烷和/或正壬烷，

其中，基于所述航空燃料的总重量，组分(1)的添加量为0.5％-7％；组分(2)的添加量为0.5％-10％，组分(3)的添加量为0.5％-4％。

2.一种航空燃料添加剂，包括如下组分或者由如下组分组成：

(1)选自甲基环戊烷、甲基环己烷和乙基环己烷中的一种或多种；

(2)选自丙基环戊烷和丙基环己烷中的一种或多种；

(3)正庚烷和/或正壬烷；以及任选地，

(4)雾化性能改善剂，

其中，组分(1)与组分(2)的质量比为1:8至14:1，组分(2)与组分(3)的质量比为8:1至1:8。

3.一种航空燃料油组合物，其包括航空燃料和权利要求2所述的航空燃料添加剂，其中，基于所述组合物的总重量，组分(1)的添加量为0.5％-7％；组分(2)的添加量为0.5％-10％，组分(3)的添加量为0.5％-4％。

4.根据权利要求3所述的航空燃料油组合物，其特征在于，基于所述组合物的总重量，航空燃料添加剂的添加量为1.5％-15％。

5.根据权利要求3或4所述的航空燃料油组合物，其特征在于，所述航空燃料选自费托工艺喷气燃料、加氢工艺喷气燃料或纤维素水热-缩合-加氢燃料。

6.根据权利要求5所述的航空燃料油组合物，其特征在于，所述加氢工艺喷气燃料选自水热油脂加氢工艺喷气燃料。

7.根据权利要求6所述的航空燃料油组合物，其特征在于，

费托工艺喷气燃料包括99％以上链烷烃；

加氢工艺喷气燃料来源为油脂，且包括95％-97％链烷烃和1％-3％环烷烃；

加氢工艺喷气燃料来源为微藻油脂或水热油，且包括60％-85％链烷烃、3％-15％环烷烃和芳香烃5％-20％；

纤维素水热-缩合-加氢燃料包括50％-65％链烷烃、10％-35％环烷烃和3％-6.5％萘系。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的航空燃料油组合物在航空发动机中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述航空发动机为活塞式发动机。