CN1908127A - 植物醇燃料及专用发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物醇燃料发动机，包括植物质油、乙醇、甲醇调配燃料和发动机，在发动机进气歧管或燃烧室上装直喷调节器，在发动机气缸盖近侧设置高压储油器，在发动机电子控制系统中设置灵活油种比例传感器，本发明根据植物油、生物柴油、乙醇、甲醇的燃料特性优势互补，发动机结构合理，动力性、经济性、清洁性好，并实现任意比例的植物醇燃料与矿物汽油、柴油的混合燃烧。

Description

植物醇燃料及专用发动机

技术领域：

本发明涉及一种清洁替代燃料及专用发动机。

背景技术：

未来发动机，尤其是汽车发动机的发展将在很大程度上取决于油耗最低、排放最少、噪声最小的清洁燃料发动机，而清洁燃料发动机的最大挑战：一是清洁燃料的品质和灵活性即任意比例的清洁替代燃料与矿物汽、柴油混合兼容；二是提高动力性、经济性、清洁性的结构、装置和调控系统。

由于我国石油资源短缺，每年需要进口大量的石油维持国内的消费需求，因此，科学开发和利用现有资源，以适宜的产品替代汽、柴油十分重要。

眼下，世界石油只能用100年，煤的储量也不多了，但是全球每年产生的生物质能的储量为1800亿吨，可以说是取之不尽、用之不竭的资源。据统计，我国伴随资源而兴建起来的矿业城镇有400多座；其中20％处于成长期；68％处于成熟期，12％处于衰落期，全国有400座矿山已经或将要闭坑，50多座矿城资源正处于衰减状态。经济发展遭遇资源的“瓶颈”，面临矿竭城衰挑战。美国有人担心中国随着经济的快速发展、能源匮乏，会向外扩张，一些国会议员发出警告说，中国可能逐渐吞噬世界能源资源。另外，土壤污染正在毒害中国。数据显示“长三角”“珠三角”正在成为危险的“金土地”。目前，受镉、砷、铬、铅等重金属污染耕地面积近2000万公顷，占耕地总面积的1/5；其中，工业“三废”污染耕地1000万公顷，污水灌溉的农田已达330多万公顷。1977年至2002年的6年间，我国耕地减少6164万亩，到2003年底，国家耕地面积已从原有的19.5亿亩锐减至18.51亿亩。耕地的大量减少，意味着对解决“三农”问题和国家粮食安全构成威胁。我国低质地资源丰富，据国家统计资料，我国荒草地7.39亿亩，盐碱地1.53亿亩，用材林8.48亿亩，薪炭林0.67亿亩。可供发展“能源资源农业”的低质地潜在资源约18亿亩，相当于现有耕地面积。因此，鼓励农民在低质地、矿区和“脏地”上种植“能源资源植物”，通过发展“能源资源农业”生产清洁替代燃料，从而加快全国118座，1.54亿人口的“化石资源”枯竭型“煤城”“油城”“有色金属城”向新型可再生能源的“生物资源”型城市转型，打造为中国的“和平崛起”和构建“和谐社会”提供示范，向全世界开放的“清洁替代燃料”产业，是解决“三农”、能源、环境问题的关键选择，也是对中国威胁论的有力回击。

国际石油市场的高价位，催发了中国使用乙醇、甲醇替代燃料的进程，国家发改委明确指出：推广乙醇汽油是我国的一项战略性举措。然而，目前工业上生产1吨乙醇，需要3吨以上的粮食，如按3.5吨生产1吨乙醇计，在玉米价格952元/吨时，乙醇的生产成本为3897元/吨。也就是说，每生产1吨乙醇不但耗费大量的粮食，而且还亏损1000多元。我国经已实现产业化运营的“粮、糖”双高产、高抗逆性和可全国种植的甜高粱，集中了优种繁育、大面积种植、甜秆制酒、糟渣饲料开发、废渣造纸等关键技术为一体；粮食(籽粒)产量达400公斤/亩·年；甜秆产量达4吨/亩·年；每公顷能产燃料乙醇6吨，比甘蔗高30％，比玉米高3倍；利用甜秆生产燃料乙醇比过去利用粮食成本降低1000元/吨，甜高粱耐旱、耐盐碱，在低质地种植甜高粱，堪称循环经济之典范。动用我国30％的低质地，约5亿亩，就可实现年产值约1万亿元，可以催生1000个生物质企业，带动500万农户，促进5000万农业劳动力转移，农民增收400亿元，使4000万农户的生活用能效提高2-3倍。大力推广种植“粮、糖双高产甜高粱”，降低乙醇的生产成本，已是当务之急。

甲醇生产成本低廉。在“煤城”，不论用何种方式生产甲醇，成本都可控制在1000元/吨以内，按照目前市场售价2100元～2200元/吨，即使按等热值计算，价格相当于汽柴油的80％～90％，完全具备低于汽油市场价格的竞争力。如果把甲醇生产的规模搞大，甲醇售价可以稳定在1500～1600元，大量代替汽油成本上不会有任何问题(相当汽油价的50％～60％)。2004年，国家发改委对“关于加快发展我国石油替代产品应对能源危机”的建议进行答复：我国煤炭资源丰富，对资源进行综合利用，提高煤炭产业附加值，促进煤炭清洁利用，发展合成燃料对保障我国能源的可持续发展具有十分重要的战略意义。目前国家还没有将燃料甲醇列入能源发展规划，但由于燃料甲醇的经济性，各地建设甲醇项目的积极性很高。有些地方加油站在利益驱动下，出现了私自向汽车中掺入一定比例甲醇的现象。地方政府要根据本省、本地区的实际，有计划、分步骤地开展燃料甲醇的试点工作。加强管理，规范油品市场，未经政府部门许可，严禁私自向汽油中掺入一定比例甲醇，避免安全事故的发生。围绕乙醇燃料成本和甲醇燃料的争议，严重影响到我国新型替代能源的发展。

植物油是指利用野生或人工种植的含油植物的果汁、叶、茎，经过压榨、提炼、萃取和精炼等处理得到的油料。根据油品的组分不同，有些可以作食用油，有些只能作工业原料用，有些可以直接作液体燃料。生物柴油则是以植物油为原料，经一系列加工处理过程而生产出的一种液体燃料，是优质的石油、柴油替代用品。植物油可以直接作为发动燃料，鲁道夫.德泽尔1895年发明发动机时，就没有计划用石油作燃料，1900年巴黎博览会上第一次展示的发动机是用花生油作燃料的。但是，植物油存在黏度高、十六烷值低、挥发性差等缺点，作为发动机燃料时有积炭过多和冷启动困难的问题。黏度是燃料的主要使用品质指标。在已知温度的情况下，黏度可决定燃料的流动性和向喷油嘴供油是否容易。燃料黏度大，会造成燃料雾化不良，混合气形成不好，燃烧不完全。在生物柴油研究初期，研究人员也曾采用直接混合法和微孔液法等物理法，来降低植物油的黏度和流动性，但是，积炭及润滑油污染等问题一直难以解决。植物油的黏度一般比柴油高10-20倍以上，其中蓖麻油的黏度是柴油的100倍。降低植物油的黏度是用其替代汽油、柴油的关键问题。

研究表明，不可食用的植物油，在高温和低温时都更加稳定，而这正是植物油用作燃料、润滑和专用油的关键因素。另外，这种化学修饰也改进了植物油的润滑性。蓖麻是一年生草本植物，耐贫瘠、耐脏土、抗旱、适应性强，可作保水固沙、改良土壤之用。蓖麻油不宜食用，是不可食用的植物油，主要是用于航天、航空、海轮和汽车的高级润滑油及替代石油的化工原料。利用蓖麻油生成的化学衍生物有175种之多，从石油中得到的系列产品大多可从蓖麻油深加工中获得，美国将蓖麻列为八大战略物资之一；法国把蓖麻油生产尼龙11树脂列为国家一级机密，被视为保国家能源安全，潜力巨大的可再生“石油”资源。目前我国蓖麻的种植面积350万亩，年产不足20万吨，年需求30万吨，供求缺口一半以上。我国培育的“晋蓖麻2号”亩产250公斤，高产典型可上到400公斤。蓖麻籽含油48-58％，假如利用我国现有“脏地”的一半，即工业“三废”污染的耕地1000万公顷(1.5亿亩)种植蓖麻，可生产3750万吨蓖麻籽或1875万吨蓖麻油，相当于替代和建设1/3个年产5000万吨植物石油的大庆油田。

蓖麻油含有大量的蓖麻酸(80％以上)，因此具许多独特的性质：

1、易溶解于乙醇，很难溶解于石油醚。蓖麻油不溶于烃类溶剂，但可无限制地与无水乙醇混溶，蓖麻油与95％乙醇的溶解比例为1∶5，这一特性的存在较易将蓖麻油与其它油脂区别，定性鉴别。

2、黏度比一般油脂高很多，25时为680CPS，黏度指数84，摩擦系数很低(为0.1)。同时蓖麻油不溶于汽油，凝固点低，燃点高。蓖麻油的流动性好，精制蓖麻油在-22时仍可以流动，-50急冷后无混浊，是航空和高速机械理想的润滑油及动力皮带的保护油。

3、蓖麻油在空气中几乎不发生氧化酸败，储藏稳定性好，是典型的不干性液体油。

乙醇、甲醇燃料的黏度很低，润滑性很差，用于压燃式发动机喷射压力远远高于汽油机，容易造成油泵柱塞和喷油器针阀等精密器件磨损、卡死及泄漏，这是影响乙醇、甲醇等醇醚燃料的品质、限制其实用化的最大障碍。乙醇、甲醇能溶于矿物汽油，但很难溶于矿物柴油，加入足够的植物油可形成稳定的液体燃料。蓖麻油不溶于烃类，但可无限制地与无水乙醇混溶。植物油或生物柴油与乙醇、甲醇调配后的清洁替代燃料则可与任意比例的矿物汽油、柴油混合形成稳定的液体燃料。植物油或生物柴油直接用于发动机，黏度大，会造成燃料雾化不良，混合气形成不好，燃烧不完全。若使用植物油或生物柴油与乙醇、甲醇调配的清洁替代燃料，其黏度和润滑性比乙醇、甲醇燃料有很大提高，同时又降低了植物油的黏度增加流动性，植物油与乙醇、甲醇的优势互补，并且较易与其它燃油区别和鉴别，便于规范油品市场。我国的矿物汽、柴油已在全国各地形成方便、快捷、服务周到的销售网络，而且已形成买方市场。通过现有的加油站销售使用任意比例混配的“植物醇燃料”，才能使消费者不感到陌生。所以，利用植物质油与乙醇、甲醇调配后可以与任意比例的矿物汽油、柴油混合的这一特性，逐步替代矿物汽油、柴油，是大规模推广清洁替代燃料的关键。

目前，适宜于我国发展“植物醇燃料”的能源资源植物主要有：甜高粱、蓖麻、黄连木、光皮树、麻疯树、工程油藻等等。通过植物油、生物柴油与乙醇、甲醇的调配可制造成“蓖麻醇”、“麻疯醇”、“油藻醇”、“花生油醇”、“菜油醇”、“亚麻油醇”、“棉籽油醇”、“豆油醇”、“黄连木醇”、“光皮树醇”、“油果醇”、“绿玉树醇”、“芝麻油醇”、“向日葵油醇”等等植物醇燃料。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种合理调配，不需复杂供油系统就能使用，黏度和润滑性适中的植物醇燃料。

本发明的目的还在于提供一种结构合理、能使用植物醇燃料，动力性、经济性、清洁性改善的发动机。

本发明的技术解决方案是：

一种植物醇燃料发动机，其特征是：燃料主要由下列重量成份组成：

植物质油                               0.1～50％；

乙醇和/或甲醇                          50～99.9％；

植物质油是植物油或生物柴油。

所述的植物醇燃料还含有0～30％重量份的燃料添加剂，燃料添加剂是二甲醚、汽油、柴油、煤油或有机硝酸脂化合物。

各组份之和为100％。

制造时：利用现有石油、燃气生产销售系统油库、加油加气站、油槽油罐车及管道或炼油企业、化工厂基础设施或清洁燃料生产销售企业基础设施和专用车辆、设备等作为调配设备。由计算机计量，通过管道调和、搅拌或强制循环或直接把各组份加入混合设备之中，加入的同时完成调配。用管道或罐车或槽车分送供给网络加注站点销售。

所述的发动机，包括发动机体，在发动机进气歧管或燃烧室上装直喷调节器，在发动机气缸盖近侧设置高压储油器，在发动机电子控制系统中设置油种比例传感器。在发动机排气管上装醇、醛催化转换器。

本发明的额外装置I——直喷调节器，实际上是一个压力调节直接喷射系统，与传统汽油或柴油发动机喷射系统不同的是依靠一个外加压力调节器加压，调节器外加的额外阀门的开闭能够增加油道中的压力，更精确地将燃料直接喷入缸体内的燃烧室中，使燃烧更加彻底，从而改进和提高了发动机的动力性、经济性、清洁性，并降低了油耗、排放和噪声。植物油、乙醇、甲醇自燃特性差，在传统发动机上难以压燃起火。把植物醇燃料直接喷入气缸体中，形成不均匀的燃烧混合气，通过外源(火花塞、电热塞等)点火，可以以火焰传播的方式进行燃烧。

控制植物醇燃料喷油量和压力是发动机清洁燃烧的关键。根据化学燃烧理论，1千克汽油在空气中完全燃烧大约需要14.7千克左右的空气，空气多了和少了都不好，而发动机工作状况是随燃料、空气、压力等不断变化的，中高含量的乙醇、甲醇导致燃料中氧的含量高，若仍按矿物汽、柴油发动机空气进气量，燃料气就过稀，发动机的动力性下降，所以必须按照燃烧中的氧含量计算出燃烧时所需的空气量进行精确调整。而改装和调整汽油发动机的化油器，以及矿物柴油发动机的非直接喷射方式都很难满足这一要求。

额外装置I——直喷调节器一般安装在进气歧管或燃烧室上。

本发明额外装置II——高压储油器，与传统发动机不同的是，附加的额外储油器内部储存有高压燃料，当发动机工作时，高压泵会迫使高压储油器里的燃料直接进入喷油嘴，快速开闭的喷油嘴再将燃料喷入气缸内，此外，高压泵不断地用高压燃料填充高压储油器，源源不断提供高压燃料，使得发动机处于任何转速都能保持燃料的高压，以最高效率运转，始终保持清洁燃烧状态，从而克服加速缓慢的缺点。而传统汽油、柴油发动机一般是依靠发动机本身来供油增压，因此当慢速运行等状态时燃烧状况就很差。考虑乙醇、甲醇对材料的相容性，防止油路系统漏油和金属部件腐蚀，高压储油器选用耐醇材料。

额外装置II——高压储油器一般与发动机缸盖并排横置，安装在气缸盖的旁边。

本发明额外装置III——油种比例传感器，与额外装置I直喷调节器；额外装置II——高压储油器结合，通过其与传统汽油或柴油发动机不同的电子控制系统，测定燃料类型以及混合燃料中各种成分的比例，自动调节发动机的喷射系统，调控任意比例的植物油、乙醇、甲醇以及与矿物汽、柴油混合燃烧。

额外装置III——油种比例传感器，安装在发动机电子控制系统。

本实用新型额外装置IV——醇、醛催化转换器，是一种能使醇、醛、CO、HC、NOx五种有害成分同时得到净化的排气清洁装置。乙醇、甲醇混合燃料使未燃烧的乙醇、甲醇含量大大增加，尾气净化的对象主要是醇、醛，这就要求尾气净化催化剂应具有良好的深度氧化性能。本实用新型选用贵金属和非贵金属负载催化剂系列，比传统的催化转换器增加了净化醇、醛的功能。

额外装置IV——醇、醛催化转换器。一般安装在发动机排气管上。

额外装置I、额外装置II、额外装置III三套组合配置M0～M100任意比例的植物油、乙醇、甲醇以及与矿物汽油、柴油等混合燃烧调控系统，与传统汽、柴油发动机电子控制系统的不同点是系统中具有混合燃料探测传感器，其能与额外装置I直喷调节器；额外装置II——高压储油器结合，依据传感器测定的燃料类型及混合燃料中各种成分比例调控。当测控开关接通时，计算机精确修正喷油量和喷油时刻，自动调控发动机的喷射系统，使任意比例的植物油、乙醇、甲醇以及与矿物汽油、柴油等混合燃料发动机保持最佳运行状态。

本发明的优点：

本发明使用黏度较低，润滑性较差的乙醇、甲醇与黏度高、润滑性好的植物油、生物柴油调配使用，优势互补。并可与汽、柴油混配使用，结构合理，有较好的兼容性并实现任意比例的混合燃烧，改善了传统汽油、柴油发动机的动力性、经济性、清洁性。由于简单易行，实用性强，充分利用国内现有资源和目前在全国各地形成的方便、快捷、服务周到的汽、柴油生产销售网络进行生产和销售，有利于清洁替代燃料的大规模推广。

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明实施例10的结构示图。

图2是图1实施例中直喷调节器的结构示图。

图3是图1实施例中高压储油器的结构示图。

图4是图1实施例中油种比例传感器的示图。

图5是图1实施例中醇、醛催化转换器的结构示图。

图6是电子控制模块控制油种比例传感器和汽、柴油发动机的各种传感器的关系图。

实施例1：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

植物油      15％；       乙醇  85％；

由计算机计量，通过管道调和、搅拌或强制循环或直接加入混配设备中，加入的同时完成调配。用管道或罐车或槽车分送各供给网络加注站点销售。

实施例2：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

植物油      7％；    乙醇  33％；    甲醇  60％；

实施例3：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

生物柴油    0.1％；    乙醇  99.9％。    其余同实施例1。

实施例4：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

生物柴油    50％；     甲醇  50％；    其余同实施例1。

实施例5：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

植物油      10％；   乙醇  10％   甲醇  80％；   其余同实施例1。

实施例6：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

植物油      0.1％；    乙醇  11％

甲醇        63.9％；                    其余同实施例1。

二甲醚(或汽油、柴油、煤油、有机硝酸脂化合物)25％；

其余同实施例1。

实施例7：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

生物柴油    0.9％；   乙醇  59.1％；    甲醇  33％；

二甲醚(或汽油、柴油、煤油、有机硝酸脂化合物)7％

其余同实施例1。

实施例8：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

植物油       19.9％；                    乙醇  80％；

二甲醚(或汽油、柴油、煤油、有机硝酸脂化合物)0.1％；

其余同实施例1。

实施例9：

一种植物醇燃料，由下列重量成份组成：

生物柴油      3.5％；           甲醇  96.2％；

二甲醚(或汽油、柴油、煤油、有机硝酸脂化合物)  0.3％

其余同实施例1。

实施例10：

一种植物醇燃料专用发动机，包括发动机体1，在发动机进气歧管或燃烧室上装直喷调节器2，在发动机气缸盖近侧设置高压储油器3，在发动机电子控制系统中设置灵活油种比例传感器4，由电子控制模块6控制。在发动机排气管上装醇、醛催化转换器5。

当然，本发明还可以有其它合适的实施例。

Claims (4)

1、一种植物醇燃料，其特征是：燃料主要由下列重量成份组成：

植物质油                            0.1～50％；

乙醇和/或甲醇                       50～99.9％；

植物质油是植物油或生物柴油。

2、根据权利要求1所述的植物醇燃料，其特征是：燃料还含有0～30％重量份的燃料添加剂，燃料添加剂是二甲醚、汽油、柴油、煤油、有机硝酸脂化合物。

3、一种植物醇燃料专用发动机，其特征是：发动机包括发动机体，在发动机进气歧管或燃烧室上装直喷调节器，在发动机气缸盖近侧设置高压储油器，在发动机电子控制系统中设置灵活油种比例传感器。

4、根据权利要求3所述的植物醇燃料专用发动机，其特征是：在发动机排气管上装醇、醛催化转换器。

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