一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于生物燃料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料。所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為10-90%。本發(fā)明利用異丁醇與汽油混合燃料作為汽油機(jī)的燃料，為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為車(chē)用替代液體燃料提供目標(biāo)動(dòng)力，又可降低石油等化石燃料利用過(guò)程中的污染物排放。與常規(guī)的生物乙醇燃料相比，本發(fā)明混合燃料的能量密度和燃料經(jīng)濟(jì)性高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物燃料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混 合燃料。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)車(chē)用燃油消耗占石油消耗比例與日俱增，減少石油燃料在車(chē)用中的消耗是改 變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要方向，而開(kāi)拓新能源和可再生能源的應(yīng)用將是降低車(chē)用石油消耗的 重中之重。開(kāi)發(fā)和利用生物燃料是許多國(guó)家提高能源安全保障、減少溫室氣體排放、應(yīng)對(duì)氣 候變化的重要措施。生物燃料是由生物體組成或轉(zhuǎn)化的固體、液體或氣體燃料，具有降低溫 室氣體排放、低污染物排放、可再生等優(yōu)點(diǎn)。這些燃料可以使用現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)，不用修改發(fā) 動(dòng)機(jī)，或者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕微的修改。
[0003] 目前，車(chē)用替代燃料乙醇約占世界生物燃料的90 %，其他替代燃料的研究也取得 了許多進(jìn)展，如生物柴油、甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚、乙醚、合成天然氣、費(fèi)托柴油加氫、直接 植物油（SVO)、加氫精制植物油（HVO)等。國(guó)內(nèi)外研究和利用較多的車(chē)用替代燃料有生物柴 油、生物乙醇、甲醇、酯類(lèi)、醚類(lèi)、合成天然氣、氫氣等。但上述燃料都或多或少存在問(wèn)題 ：
[0004] 1)生物柴油具有排放低、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但經(jīng)濟(jì)性還較差，成本高是困擾生物柴油 大規(guī)模推廣的重要因素。植物油制取的生物柴油存在生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，也存在與人爭(zhēng)糧， 與糧爭(zhēng)地的現(xiàn)象，目前地溝油作為生物柴油也有較大的資源優(yōu)勢(shì)，但目前轉(zhuǎn)化技術(shù)并不成 熟，且由于原料價(jià)格差距，地溝油資源流失的情況比較嚴(yán)重。
[0005] 2)乙醇汽油中乙醇的含量在9. 0-10. 5%，其混合燃料中的含氧量可達(dá)35%，從而 混合燃料燃燒更加充分，但使用乙醇汽油動(dòng)力性能略有下降，不過(guò)尾氣排放的CO、HC等平 均減少30%以上。但燃料特性方面，乙醇汽油遇到水會(huì)分層而影響使用。乙醇的碳鏈很短， 與汽油混合的比例也不能太大。乙醇的蒸汽壓低，氣化潛熱大，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)氣阻產(chǎn)生的可 能性。
[0006] 3)甲醇在汽油機(jī)中利用存在著一些缺點(diǎn)：①甲醇能溶于水中，甲醇含水量、非芳 烴含量和甲醇純度均會(huì)影響甲醇與汽油的互溶性。②在汽車(chē)燃用低甲醇汽油混合燃料，在 汽車(chē)啟動(dòng)過(guò)程中油路中會(huì)產(chǎn)生較多的甲醇蒸氣，造成氣阻和高溫起動(dòng)難的現(xiàn)象。③甲醇對(duì) 錫、銅、鋁、鎂、鋅等金屬材料都有腐蝕性，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)中會(huì)腐蝕鍍鉛錫合金、鋁 鋅鎂合金及黃銅等金屬而生成氫氧化物，含水甲醇還會(huì)使鋼管或薄鋼板件腐蝕、生銹。④醇 與橡膠有一定相溶性，使汽油泵的橡膠隔膜膨潤(rùn)而造成氣密性不好，引起油路故障，有些接 頭也會(huì)因墊片脹壞而漏油。⑤甲醇經(jīng)過(guò)口、呼吸道和皮膚等途徑均可使人急性中毒。甲醇 的急性毒作用帶窄，急性中毒后果嚴(yán)重，易造成失明或死亡。
[0007] 4)生物油在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用時(shí)，由于熱值偏低，不能實(shí)現(xiàn)充分燃燒，導(dǎo)致部分生物油殘 留在氣缸壁，這些殘留的燃油會(huì)對(duì)缸套、活塞環(huán)的摩擦學(xué)行為產(chǎn)生顯著作用，從而影響發(fā)動(dòng) 機(jī)的潤(rùn)滑效率。生物油目前均為鍋爐燃燒供能，作為車(chē)用燃料生物油仍然有諸多弊端。粗 生物油的含水量為15%?30%、含氧量為40%?50%、熱值約20MJ/kg或以下，酸性較強(qiáng) 為2. 5左右，這些理化指標(biāo)成為其作為車(chē)用燃料的重要障礙。
[0008] 因此，開(kāi)發(fā)新的混合燃料，解決現(xiàn)有混合燃料存在的各種缺陷一直是本行業(yè)技術(shù) 人員的研究熱點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料。
[0010] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0011] 一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，所述混合燃料中異丁醇的體積百 分含量為10-90%。
[0012] 優(yōu)選的，所述混合燃料中，其余為汽油。
[0013] 所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為15-30%。
[0014] 所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為17-23%。
[0015] 所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為20%。
[0016] 所述混合燃料是將異丁醇和汽油進(jìn)行充分混合即得。
[0017] 丁醇是一種化學(xué)組成單一的含氧燃料，是醇類(lèi)燃料的一種，由碳、氫、氧元素組成， 含氧量達(dá)22%。而在丁醇中，異丁醇辛烷值最高，是理想的汽油調(diào)和組分。異丁醇除了具有 甲醇、乙醇等一般醇類(lèi)替代燃料的易于汽化、燃燒空燃比范圍大、辛烷值高、燃燒溫度低等 優(yōu)點(diǎn)，還有其他醇類(lèi)不可替代的優(yōu)越性能。丁醇具有以下優(yōu)勢(shì)：1) 丁醇的低位熱值達(dá)33MJ/ kg以上，高于甲醇和乙醇，能量密度更接近汽油，與汽油熱值非常接近；2) 丁醇的揮發(fā)性是 乙醇的1/6倍，汽油的1/13. 5,與汽油混合對(duì)水分的要求不高，不像乙醇那樣遇水而和汽油 容易分層；3) 丁醇腐蝕性小，親水性弱，可利用現(xiàn)有汽油供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分配，而乙醇容易腐 蝕管線(xiàn)；4)生物丁醇與汽油可進(jìn)行任意比混合，無(wú)需對(duì)車(chē)輛進(jìn)行改造；5)相比乙醇的2碳 和甲醇的1碳，丁醇由四個(gè)碳（C 4H9OH)組成，與汽油（C4?C12)比較相似，符合相似相容原 理；6) 丁醇辛烷值和空氣燃油混合比也與汽油非常接近，比乙醇和甲醇更類(lèi)似于"油"。與 傳統(tǒng)汽油和乙醇混合汽油相比，生物丁醇能提高車(chē)輛的燃油率和行駛里程。每加侖（約合 4.5升）生物丁醇比傳統(tǒng)汽油提高車(chē)輛行駛里程10%，比燃料乙醇提高30%。7)生物燃料 丁醇生命周期表現(xiàn)為溫室氣體的排放的減少。
[0018] 此外，丁醇的生產(chǎn)原料來(lái)源非常廣泛，包含農(nóng)業(yè)廢棄物（玉米秸桿、小麥秸桿等）， 林業(yè)廢棄物（木屑、林草等），這種木質(zhì)纖維素類(lèi)的生物丁醇不存在與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地的 情況。
[0019] 基于目前的汽油混合燃料在燃燒性能等方面存在的不足，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N異丁 醇汽油混合燃料，并研究了混合燃料的密度、低位熱值、蒸發(fā)性、運(yùn)動(dòng)粘度、理論空燃比、辛 烷值、銅片腐蝕、含氧量等；研究了在不改變汽油機(jī)臺(tái)架條件的情況下，本發(fā)明異丁醇汽油 混合燃料，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性，常規(guī)排放等的影響。
[0020] 以下從混合燃料的燃燒特性、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放方面說(shuō)明本發(fā)明混合燃料的性能。
[0021] 1.燃燒特性
[0022] 隨異丁醇加添比例增大，混合燃料燃燒特性有如下變化：密度逐漸增大，但增幅較 小，不影響汽油機(jī)的使用；低位熱值逐漸減小，相比甲醇和乙醇，異丁醇的熱值更接近汽油； 50%蒸發(fā)溫度等逐漸下降，有利于縮短汽油機(jī)升溫時(shí)間；運(yùn)動(dòng)粘度逐漸增大，可能不利于低 溫環(huán)境下使用；理論空燃比逐漸降低，有利于燃料燃燒完全；辛烷值逐漸升高，有助于減少 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃情況產(chǎn)生；氧含量逐漸增大，有利于降低CO、HC等排放；無(wú)銅片腐蝕，無(wú)需 對(duì)汽油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施進(jìn)行防腐改變。
[0023] 2.發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放特性
[0024] 在一臺(tái)四缸汽油機(jī)上直接使用本發(fā)明異丁醇汽油混合燃料，研究了負(fù)荷特性和外 特性下，燃料中異丁醇含量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性（功率、轉(zhuǎn)矩）和燃油經(jīng)濟(jì)性（燃料消耗量、等 效燃料消耗率、能量消耗率）、常規(guī)排放（CO、C0 2、THC、NOx)、排煙溫度等性能的影響。結(jié)果 表明：隨著燃料中異丁醇含量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率呈增加趨勢(shì)；不同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩增大過(guò)程中，燃油消耗率先呈下降趨勢(shì)，在中等轉(zhuǎn)矩下達(dá)到最低，然后隨著轉(zhuǎn)矩的繼 續(xù)增大燃油消耗率呈上升趨勢(shì)。相比燃油消耗率，等效燃油消耗率的曲線(xiàn)更加靠攏，說(shuō)明折 算為與汽油的等效燃料后，各燃料的消耗率趨于一致。相比燃油消耗率和等效燃油消耗率， 能量消耗率的曲線(xiàn)更加靠攏和一致，與燃油消耗率和等效燃油消耗率不一樣的是，能量消 耗率并沒(méi)有隨異丁醇含量的增加而增大，純汽油的能量消耗率多數(shù)情況反而大于異丁醇汽 油混合燃料。隨著燃料中異丁醇含量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放呈降低趨勢(shì)，在低轉(zhuǎn)矩情況 下這種趨勢(shì)尤為明顯。不同轉(zhuǎn)速條件下，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，所有燃料的CO 2排放呈逐漸升高 的趨勢(shì)。相同轉(zhuǎn)矩條件下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，CO2排放整體上呈上升趨勢(shì)。隨著燃料中異丁 醇含量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的THC排放呈降低的趨勢(shì)，相同轉(zhuǎn)矩條件下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，THC排 放整體上呈下降趨勢(shì)。另外，THC的排放相比其他排放出現(xiàn)了大幅度的變化。隨著燃料中 異丁醇含量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的NO x排放呈降低的趨勢(shì)，隨著異丁醇的摻入比例增大，混合燃 料的后燃情況就越加明顯，排煙溫度就越來(lái)越高。排煙溫度隨著轉(zhuǎn)矩的增大均為逐步升高； 同等負(fù)荷、同等轉(zhuǎn)速條件下，隨著混合燃料中異丁醇比例的增加，排煙溫度相對(duì)升高。隨著 異丁醇添加比例的增加，外特性功率和轉(zhuǎn)矩整體上有所下降，但下降幅度很小，一般在5% 以?xún)?nèi)?？傮w上，在一定異丁醇的添加范圍內(nèi)，汽油機(jī)燃用異丁醇汽油混合燃料的功率和轉(zhuǎn)矩 與燃用純汽油時(shí)基本相當(dāng)。燃用混合燃料的燃油消耗率和等效燃油消耗率略有增加，純汽 油的能量消耗率多數(shù)情況大于異丁醇汽油混合燃料?；旌先剂系腃O和THC與燃用純汽油 時(shí)相比均有不同程度的降低，混合燃料的CO 2和NOx排放略有下降；混合燃料辛烷值高，造成 發(fā)動(dòng)機(jī)后燃，使排煙溫度升高。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] 本發(fā)明利用異丁醇與汽油混合燃料作為汽油機(jī)的燃料，為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為車(chē)用替代 液體燃料提供目標(biāo)動(dòng)力，又可降低石油等化石燃料利用過(guò)程中的污染物排放。與常規(guī)的生 物乙醇燃料相比，本發(fā)明混合燃料的能量密度和燃料經(jīng)濟(jì)性高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖 1-3 分別為低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min)負(fù) 荷特性下，燃油消耗率隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的圖，其中IO為純汽油。
[0028] 圖 4-6 分別為低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min)負(fù) 荷特性下，等效燃油消耗率隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的圖。
[0029] 圖 7-9 分別為低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min)負(fù) 荷特性下，能量消耗率隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的圖。
[0030] 圖 10-12 給出了在低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min) 條件下CO排放隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的規(guī)律。
[0031] 圖 13-15 給出了在低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min) 條件下CO2排放隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的規(guī)律。
[0032] 圖 16-18 給出了在低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min) 條件下THC排放隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的規(guī)律。
[0033] 圖 19-21 給出了在低轉(zhuǎn)速（2000r/min)、中轉(zhuǎn)速（3000r/min)、高轉(zhuǎn)速（4000r/min) 條件下NOx排放隨負(fù)荷變化及異丁醇含量變化的規(guī)律。
[0034] 圖22給出了節(jié)氣門(mén)全開(kāi)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的情況。
[0035] 圖23給出了節(jié)氣門(mén)全開(kāi)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的情況。
[0036] 圖24-26給出了節(jié)氣門(mén)全開(kāi)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率、等效燃油消耗率、能量消 耗率隨轉(zhuǎn)速變化的情況。
[0037] 圖27-30出了節(jié)氣門(mén)全開(kāi)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)C0、C02、THC、N0x隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的情 況。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下以具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此：
[0039] 實(shí)施例1-5
[0040] 一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，所述混合燃料中異丁醇的體積百 分含量為分別為 10% (Π 0)、20% (120)、30% (130)、40% (140)、50% (150)，其余為汽油。
[0041] 所述混合燃料的各項(xiàng)性能指標(biāo)如下：
[0042] 1、燃燒特性：
[0043] 異丁醇汽油混合燃料特性數(shù)據(jù)

【權(quán)利要求】
1. 一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，其特征在于，所述混合燃料中異丁 醇的體積百分含量為10-90%。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中，其余為汽油。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為15-30%。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為17-23%。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種具有良好燃燒性能的異丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中異丁醇的體積百分含量為20%。
【文檔編號(hào)】C10L1/02GK104312641SQ201410617482
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】李英麗, 王志偉, 王建鋒, 廉振紅, 余泳昌 申請(qǐng)人:鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院