CN115287106B - 一种用于压燃发动机的汽油类燃料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压燃发动机的汽油类燃料，各组成以体积百分数计分别为，抽余油75％‑80％、正庚烷5％‑10％、异己烷13％‑17％，重整汽油0％‑5％，上述组分均易获取，生产过程简单，适合大规模生产。本发明燃料组分中，碳数为C5‑C8的组分质量分数大于92％，且异构烷烃的质量分数大于57％；烯烃和芳烃二者总质量分数小于10％，环烷烃质量分数小于10％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分质量分数超过80％。本发明具有适宜的辛烷值、适宜的挥发性、低烯烃、低芳烃、低烃类不饱和度、高H/C比、高热值的特征；可直接在现有车用柴油机上实现压燃，并可同时实现低NOX、低PM和低CO2的排放。
Description
技术领域
本发明属于压燃发动机燃料技术领域，具体涉及一种用于压燃发动机的汽油类燃料。
背景技术
相比于点燃式发动机，压燃式发动机具有高压缩比、稀燃、低泵气损失等特点，具有高热效率、低油耗的节能优势。然而，目前压燃式发动机多使用柴油作燃料，其碳链长、自燃性好，但挥发性差，因此扩散燃烧比例高，不易同时实现低氮氧化物(NOx)与颗粒物(Particulate Matter,PM)排放。此外，柴油由于组分碳链长、存在一定比例多环芳烃等原因，其热值低、氢碳比(H/C)低，因此不利于降低二氧化碳(CO2)排放。而采用汽油类燃料实现压燃，可以在保证高热效率的同时，打破NOx与PM之间的折中关系，实现NOx和PM的同步降低，其比柴油更高的碳氢比与热值也确保其在相同有效效率的情况下具有更低的CO2排放。
然而，市售汽油辛烷值过高，难以在不调整控制策略的条件下直接在压燃发动机中使用。目前在压燃发动机中使用的低辛烷值汽油类燃料主要有汽柴油掺混燃料、石脑油以及其掺混燃料。然而，汽柴油掺混燃料中仍然还有较高比例的低挥发性、长碳链的柴油组分，因而仍然存在较大比例的扩散燃烧，且长碳链组分更容易产生局部混合气过浓从而生成碳烟。此外，市售汽油由于需要提升辛烷值，因此还有高比例的芳烃、烯烃组分，这部分不饱和烃相对于饱和烃具有较高的碳烟生成倾向。因此汽柴油掺混燃料降低排放的效果并非最优。石脑油与汽油掺混燃料不含有长碳链的柴油组分，但仍然存在烯烃、芳烃含量较高的问题。石脑油燃料正烷烃含量高，而正烷烃结构单一，无法实现碳数与辛烷值的解耦。重石脑油组分碳数大多在C7-C9，其对应的正烷烃辛烷值过低，因此需要加入芳烃等高辛烷值组分，从而增加碳烟生成的倾向。而且重石脑油环烷烃含量也较高(超过15％)，虽然环烷烃不含有碳碳双键与苯环等容易生成碳烟的基团，但其仍然具有不饱和度，导致氢碳比(H/C)降低，热值降低。而轻石脑油组分碳数集中在C5-C6，其对应的正烷烃辛烷值在压燃发动机适宜范围，因此具有低烯烃、芳烃的特征。然而，由于其平均碳数过低，挥发性过好，90％蒸发温度在70℃左右，终馏点温度80℃左右，在压燃发动机(相对于点燃式发动机)较高轨压的喷射系统中，容易产生气泡，影响燃油喷射甚至发动机的正常工作性能，因此对燃油冷却系统的要求较为苛刻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于压燃发动机的汽油类燃料，涉及的生产方法操作简单，无需改造时间，本技术方案用于压燃发动机的汽油类燃料直接在现有车用柴油机上实现压燃，可保证车辆启动顺畅，有效保护发动机，并严格控制硫、铅等有害元素含量，降低对于发动机的腐蚀，最大程度保护发动机正常运行，并可同时实现低NOx、低PM和低CO2的排放。
为实现上述目的要，本申请是通过以下技术方案实现的：
一种用于压燃发动机的汽油类燃料，按体积百分比由75％-80％的抽余油、13％-17％的异己烷、5％-10％的正庚烷及0-5％的重整汽油组成；
所述抽余油为石油化工重整装置获得，馏程集中在60℃-120℃，研究法辛烷值55-65，按体积百分比计，碳六和碳七烷烃总含量大于60％，苯含量小于0.5％，烯烃含量小于3％，具有较低的密度、辛烷值和蒸气压，含少量芳烃、烯烃、组分清洁度较高。
进一步的，所述异己烷中，2-甲基戊烷与3-甲基戊烷的体积百分比之和大于99％。
进一步的，所述正庚烷的研究法辛烷值为0，其主要成分为碳七烷烃，体积百分比含量大于98％，剩余烷烃组分体积百分比含量小于2％。
进一步的，所述重整汽油的馏程集中在35℃-195℃，研究法辛烷值97-105，重整汽油作为高辛烷值组分，其主要成分为芳烃，具有较高能量密度。
进一步的，用于压燃发动机汽油类燃料中，按体积百分比计，C5-C8组分含量大于92％，且异构烷烃的体积百分比含量大于57％，烯烃和芳烃二者总体积百分比含量小于10％，环烷烃体积百分比含量小于10％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分体积百分比含量超过80％。
进一步的，用于压燃发动机汽油类燃料的研究法辛烷值为60-75，可以直接使用柴油燃烧策略(即小比例预喷+高比例上止点附近主喷)同时能够提供比较充足的预混时间。
进一步的，用于压燃发动机汽油类燃料的初馏点在40-65℃，10％蒸发温度在55-75℃，50％蒸发温度在65-85℃，90％蒸发温度在90-105℃；挥发性既能满足在压燃发动机中实现预混燃烧的要求，又不大幅增加燃油冷却需求的压力。
进一步的，用于压燃发动机汽油类燃料的H/C摩尔比大于2.22，小于2.26，燃烧热值大于44.5MJ/kg，体现燃料高H/C比、高热值的特征，有助于实现低CO2排放。
本技术方案使用的组分均易于获取，本技术方案提供的压燃发动机的汽油类燃料在上述组分的综合作用下具备优异稳定性的同时还可降低NOX、PM和CO2等有害气体排放。
本发明与现有技术的用于压燃发动机的汽油类燃料相比的有益效果是：
(1)与汽柴油掺混燃料相比，本发明碳链更短，不饱和度低，有利于降低碳烟排放；H/C比高，热值高，单位能量CO2排放降低；无重组分，挥发性较好，实现了更高比例的预混燃烧，同时降低了氮氧化物与碳烟排放；
(2)与汽油和石脑油的掺混燃料相比，本发明烯烃、芳烃含量降低，有利于降低碳烟排放；针对目前市售汽油需要添加乙醇或甲基叔丁基醚等含氧组分的情况，本发明还具有热值高的特点；
(3)与轻石脑油相比，本发明的挥发性在满足实现压燃发动机预混燃烧条件的基础上略有降低，减少燃料在高压喷射系统中形成气泡从而影响发动机性能，降低对燃油冷却系统的要求；
(4)与重石脑油相比，本发明芳烃含量降低，有利于降低碳烟排放；环烷烃含量也降低，从而不饱和度降低，H/C比升高，热值升高，单位能量CO2排放降低。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为A25工况下，在相同燃烧控制策略及相近NOx排放的条件下柴油高轨压、实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)高轨压、柴油低轨压以及实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)低轨压的碳烟排放及CO2排放情况。
图2为A75工况下，在相同燃烧控制策略及相近NOx排放的条件下柴油高轨压、实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)高轨压、柴油低轨压以及实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)低轨压的碳烟排放及CO2排放情况。
图3为C25工况下，在相同燃烧控制策略及相近NOx排放的条件下柴油高轨压、实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)高轨压、柴油低轨压以及实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)低轨压的碳烟排放及CO2排放情况。
图4为C75工况下，在相同燃烧控制策略及相近NOx排放的条件下柴油高轨压、实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)高轨压、柴油低轨压以及实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)低轨压的碳烟排放及CO2排放情况。
图5为A75工况下，实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)与柴油NOx-soot排放对比图。
图6为A75工况下，实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)与柴油NOx-soot排放对比图。
图7为C25工况下，实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)与柴油NOx-soot排放对比图。
图8为C75工况下，实施例5获得的燃料配方(本发明燃料)与柴油NOx-soot排放对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
在本技术方案的以下实施例中，所使用的材料及设备，若没有特别说明，属于常规产品，均能够通过商业获得。
实施例1
一种用于压燃发动机的汽油类燃料，按体积百分比由78％的抽余油、13％的异己烷、7％的正庚烷及2％的重整汽油组成。
其中，抽余油为石油化工重整装置获得，馏程集中在60℃-120℃，研究法辛烷值为63，按体积百分比计，碳六和碳七烷烃总含量66％，苯含量0.3％，烯烃含量2％。
异己烷中，2-甲基戊烷与3-甲基戊烷的体积百分比之和为99.2％。
正庚烷的研究法辛烷值为0，其主要成分为碳七烷烃，体积百分比含量99％，剩余烷烃组分体积百分比含量1％。
重整汽油的馏程集中在35℃-195℃，研究法辛烷值98。
用于压燃发动机汽油类燃料中，按体积百分比计，C5-C8组分含量93％，且异构烷烃的体积百分比含量60％，烯烃和芳烃二者总体积百分比含量8％，环烷烃体积百分比含量8％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分体积百分比含量87％。
实施例2
一种用于压燃发动机的汽油类燃料，按体积百分比由75％的抽余油、15％的异己烷、5％的正庚烷及5％的重整汽油组成。
其中，抽余油为石油化工重整装置获得，馏程集中在60℃-120℃，研究法辛烷值为65.9，按体积百分比计，碳六和碳七烷烃总含量70％，苯含量0.3％，烯烃含量2％。
异己烷中，2-甲基戊烷与3-甲基戊烷的体积百分比之和为99.5％。
正庚烷的研究法辛烷值为0，其主要成分为碳七烷烃，体积百分比含量98.7％，剩余烷烃组分体积百分比含量1.3％。
重整汽油的馏程集中在35℃-195℃，研究法辛烷值100。
用于压燃发动机汽油类燃料中，按体积百分比计，C5-C8组分含量95％，且异构烷烃的体积百分比含量63％，烯烃和芳烃二者总体积百分比含量7％，环烷烃体积百分比含量8.5％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分体积百分比含量88％。
实施例3
一种用于压燃发动机的汽油类燃料，按体积百分比由73％的抽余油、17％的异己烷、7％的正庚烷及3％的重整汽油组成。
其中，抽余油为石油化工重整装置获得，馏程集中在60℃-120℃，研究法辛烷值为63.9，按体积百分比计，碳六和碳七烷烃总含量72％，苯含量0.35％，烯烃含量1.8％。
异己烷中，2-甲基戊烷与3-甲基戊烷的体积百分比之和为99.3％。
正庚烷的研究法辛烷值为0，其主要成分为碳七烷烃，体积百分比含量98.5％，剩余烷烃组分体积百分比含量1.5％。
重整汽油的馏程集中在35℃-195℃，研究法辛烷值103。
用于压燃发动机汽油类燃料中，按体积百分比计，C5-C8组分含量96％，且异构烷烃的体积百分比含量70.2％，烯烃和芳烃二者总体积百分比含量7％，环烷烃体积百分比含量9.5％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分体积百分比含量83％。
实施例4
一种用于压燃发动机的汽油类燃料，按体积百分比由80％的抽余油、15％的异己烷、5％的正庚烷组成。
其中，抽余油为石油化工重整装置获得，馏程集中在60℃-120℃，研究法辛烷值为64.4，按体积百分比计，碳六和碳七烷烃总含量71％，苯含量0.25％，烯烃含量2.2％。
异己烷中，2-甲基戊烷与3-甲基戊烷的体积百分比之和为99.5％。
正庚烷的研究法辛烷值为0，其主要成分为碳七烷烃，体积百分比含量98.5％，剩余烷烃组分体积百分比含量1.5％。
用于压燃发动机汽油类燃料中，按体积百分比计，C5-C8组分含量93.4％，且异构烷烃的体积百分比含量68.5％，烯烃和芳烃二者总体积百分比含量6％，环烷烃体积百分比含量7％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分体积百分比含量83.5％。
上述实施例1至4由申请人分析检测中心进行指标分析，分析项目如表1所示：
表1实施例1-4部分理化特性
施例5和实施例6是采用由本发明的制备方法获得的燃料在多缸压燃发动机上的试验结果。
实施例5用于压燃发动机的汽油类燃料配方的发动机试验结果
在一台重型柴油机上，选取1120r/min，575N·m(A25工况)、1120r/min，1725N·m(A75工况)、1640r/min，517N·m(C25工况)、1640r/min，1550N·m(C75工况)四个工况，在不同的轨压和废气再循环率(Exhaust Gas Recirculation,EGR)下进行试验。试验结果如图1-8所示。结果表明，在相同燃烧控制策略及相近NOx排放的条件下，实施例5燃料配方相比于常规使用的柴油具有更低的碳烟排放及CO2排放。高轨压策略下当NOx原机排放接近3g/kW·h时，实施例5燃料配方各工况碳烟排放相对于柴油分别下降61％、44％、65％、62％，NOx小于2g/kW·h时碳烟分布下降77％、70％、69％、38％；低轨压策略下当NOx原机排放接近3g/kW·h时，实施例5燃料各工况碳烟排放相对于柴油分别下降58％、76％、61％、72％，NOx小于2g/kW·h时分别下降65％、62％、63％、54％。四个工况各燃烧控制策略平均CO2排放相对于柴油可分别下降3.9％、6.6％、2.8％、4.8％。体现实施例5燃料在降低有害物排放以及CO2排放方面的优势。
实施例6：用于压燃发动机的汽油类燃料配方的发动机试验结果
在一台重型压燃发动机进行冷热态标准FTP循环试验，均采用柴油燃烧控制策略，其中实施例6获得的燃料使用的轨压比柴油低40MPa，这有利于降低高压共轨系统的成本。冷热态标准FTP循环试验结果，柴油冷热态循环加权原机NOx排放2.62g/kW〃h，实施例6获得的燃料加权原机NOx排放2.63g/kW〃h，两种燃料接近；加权PM排放柴油0.206g/kW〃h，实施例6获得的燃料0.153g/kW〃h，降低26％；加权CO2排放柴油705.13g/kW〃h，实施例6获得的燃料675.68g/kW〃h，下降4.2％。证明实施例6获得的燃料在瞬态循环下依然能够发挥其低有害物和低碳排放的优势。
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的改进和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于压燃发动机的汽油类燃料，按体积百分比由75％-80％的抽余油、13％-17％的异己烷、5％-10％的正庚烷及0-5％的重整汽油组成；其特征在于，
所述抽余油为石油化工重整装置获得，馏程集中在60℃-120℃，研究法辛烷值55-65，按体积百分比计，碳六和碳七烷烃总含量大于60％，苯含量小于0.5％，烯烃含量小于3％；
所述异己烷中，2-甲基戊烷与3-甲基戊烷的体积百分比之和大于99％；
所述正庚烷的研究法辛烷值为0，其主要成分为碳七烷烃，体积百分比含量大于98％，剩余烷烃组分体积百分比含量小于2％；
所述重整汽油的馏程集中在35℃-195℃，研究法辛烷值97-105；
用于压燃发动机汽油类燃料中，按体积百分比计，C5-C8组分含量大于92％，且异构烷烃的体积百分比含量大于57％，烯烃和芳烃二者总体积百分比含量小于10％，环烷烃体积百分比含量小于10％，满足化学式CnH2n+2的烷烃组分体积百分比含量超过80％。
2.根据权利要求1所述的用于压燃发动机的汽油类燃料，其特征在于，用于压燃发动机汽油类燃料的研究法辛烷值为60-75。
3.根据权利要求1所述的用于压燃发动机的汽油类燃料，其特征在于，用于压燃发动机汽油类燃料的初馏点在40-65℃，10％蒸发温度在55-75℃，50％蒸发温度在65-85℃，90％蒸发温度在90-105℃。
4.根据权利要求1所述的用于压燃发动机的汽油类燃料，其特征在于，用于压燃发动机汽油类燃料的H/C摩尔比大于2.22，小于2.26，燃烧热值大于44.5MJ/kg。
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