一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料的制作方法
【专利摘要】本发明属于生物燃料【技术领域】，特别涉及一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料。所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为10-90%。本发明利用异丁醇与汽油混合燃料作为汽油机的燃料，为生物质转化为车用替代液体燃料提供目标动力，又可降低石油等化石燃料利用过程中的污染物排放。与常规的生物乙醇燃料相比，本发明混合燃料的能量密度和燃料经济性高。
【专利说明】一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物燃料【技术领域】，特别涉及一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混 合燃料。
【背景技术】
[0002] 我国车用燃油消耗占石油消耗比例与日俱增，减少石油燃料在车用中的消耗是改 变能源消费结构的重要方向，而开拓新能源和可再生能源的应用将是降低车用石油消耗的 重中之重。开发和利用生物燃料是许多国家提高能源安全保障、减少温室气体排放、应对气 候变化的重要措施。生物燃料是由生物体组成或转化的固体、液体或气体燃料，具有降低温 室气体排放、低污染物排放、可再生等优点。这些燃料可以使用现有的发动机，不用修改发 动机，或者对发动机轻微的修改。
[0003] 目前，车用替代燃料乙醇约占世界生物燃料的90 %，其他替代燃料的研究也取得 了许多进展，如生物柴油、甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚、乙醚、合成天然气、费托柴油加氢、直接 植物油（SVO)、加氢精制植物油（HVO)等。国内外研究和利用较多的车用替代燃料有生物柴 油、生物乙醇、甲醇、酯类、醚类、合成天然气、氢气等。但上述燃料都或多或少存在问题 ：
[0004] 1)生物柴油具有排放低、可再生等优点，但经济性还较差，成本高是困扰生物柴油 大规模推广的重要因素。植物油制取的生物柴油存在生产成本高的问题，也存在与人争粮， 与粮争地的现象，目前地沟油作为生物柴油也有较大的资源优势，但目前转化技术并不成 熟，且由于原料价格差距，地沟油资源流失的情况比较严重。
[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达35%，从而 混合燃料燃烧更加充分，但使用乙醇汽油动力性能略有下降，不过尾气排放的CO、HC等平 均减少30%以上。但燃料特性方面，乙醇汽油遇到水会分层而影响使用。乙醇的碳链很短， 与汽油混合的比例也不能太大。乙醇的蒸汽压低，气化潜热大，增加了发动机气阻产生的可 能性。
[0006] 3)甲醇在汽油机中利用存在着一些缺点：①甲醇能溶于水中，甲醇含水量、非芳 烃含量和甲醇纯度均会影响甲醇与汽油的互溶性。②在汽车燃用低甲醇汽油混合燃料，在 汽车启动过程中油路中会产生较多的甲醇蒸气，造成气阻和高温起动难的现象。③甲醇对 锡、铜、铝、镁、锌等金属材料都有腐蚀性，在发动机燃油供给系统中会腐蚀镀铅锡合金、铝 锌镁合金及黄铜等金属而生成氢氧化物，含水甲醇还会使钢管或薄钢板件腐蚀、生锈。④醇 与橡胶有一定相溶性，使汽油泵的橡胶隔膜膨润而造成气密性不好，引起油路故障，有些接 头也会因垫片胀坏而漏油。⑤甲醇经过口、呼吸道和皮肤等途径均可使人急性中毒。甲醇 的急性毒作用带窄，急性中毒后果严重，易造成失明或死亡。
[0007] 4)生物油在发动机应用时，由于热值偏低，不能实现充分燃烧，导致部分生物油残 留在气缸壁，这些残留的燃油会对缸套、活塞环的摩擦学行为产生显著作用，从而影响发动 机的润滑效率。生物油目前均为锅炉燃烧供能，作为车用燃料生物油仍然有诸多弊端。粗 生物油的含水量为15%?30%、含氧量为40%?50%、热值约20MJ/kg或以下，酸性较强 为2. 5左右，这些理化指标成为其作为车用燃料的重要障碍。
[0008] 因此，开发新的混合燃料，解决现有混合燃料存在的各种缺陷一直是本行业技术 人员的研究热点。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0011] 一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，所述混合燃料中异丁醇的体积百 分含量为10-90%。
[0012] 优选的，所述混合燃料中，其余为汽油。
[0013] 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为15-30%。
[0014] 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为17-23%。
[0015] 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为20%。
[0016] 所述混合燃料是将异丁醇和汽油进行充分混合即得。
[0017] 丁醇是一种化学组成单一的含氧燃料，是醇类燃料的一种，由碳、氢、氧元素组成， 含氧量达22%。而在丁醇中，异丁醇辛烷值最高，是理想的汽油调和组分。异丁醇除了具有 甲醇、乙醇等一般醇类替代燃料的易于汽化、燃烧空燃比范围大、辛烷值高、燃烧温度低等 优点，还有其他醇类不可替代的优越性能。丁醇具有以下优势：1) 丁醇的低位热值达33MJ/ kg以上，高于甲醇和乙醇，能量密度更接近汽油，与汽油热值非常接近；2) 丁醇的挥发性是 乙醇的1/6倍，汽油的1/13. 5,与汽油混合对水分的要求不高，不像乙醇那样遇水而和汽油 容易分层；3) 丁醇腐蚀性小，亲水性弱，可利用现有汽油供应系统进行分配，而乙醇容易腐 蚀管线；4)生物丁醇与汽油可进行任意比混合，无需对车辆进行改造；5)相比乙醇的2碳 和甲醇的1碳，丁醇由四个碳（C 4H9OH)组成，与汽油（C4?C12)比较相似，符合相似相容原 理；6) 丁醇辛烷值和空气燃油混合比也与汽油非常接近，比乙醇和甲醇更类似于"油"。与 传统汽油和乙醇混合汽油相比，生物丁醇能提高车辆的燃油率和行驶里程。每加仑（约合 4.5升）生物丁醇比传统汽油提高车辆行驶里程10%，比燃料乙醇提高30%。7)生物燃料 丁醇生命周期表现为温室气体的排放的减少。
[0018] 此外，丁醇的生产原料来源非常广泛，包含农业废弃物（玉米秸杆、小麦秸杆等）， 林业废弃物（木屑、林草等），这种木质纤维素类的生物丁醇不存在与人争粮、与粮争地的 情况。
[0019] 基于目前的汽油混合燃料在燃烧性能等方面存在的不足，本申请提供了一种异丁 醇汽油混合燃料，并研究了混合燃料的密度、低位热值、蒸发性、运动粘度、理论空燃比、辛 烷值、铜片腐蚀、含氧量等；研究了在不改变汽油机台架条件的情况下，本发明异丁醇汽油 混合燃料，对发动机动力性，燃油经济性，常规排放等的影响。
[0020] 以下从混合燃料的燃烧特性、发动机燃烧排放方面说明本发明混合燃料的性能。
[0021] 1.燃烧特性
[0022] 随异丁醇加添比例增大，混合燃料燃烧特性有如下变化：密度逐渐增大，但增幅较 小，不影响汽油机的使用；低位热值逐渐减小，相比甲醇和乙醇，异丁醇的热值更接近汽油； 50%蒸发温度等逐渐下降，有利于缩短汽油机升温时间；运动粘度逐渐增大，可能不利于低 温环境下使用；理论空燃比逐渐降低，有利于燃料燃烧完全；辛烷值逐渐升高，有助于减少 汽油发动机爆燃情况产生；氧含量逐渐增大，有利于降低CO、HC等排放；无铜片腐蚀，无需 对汽油储运设施进行防腐改变。
[0023] 2.发动机燃烧排放特性
[0024] 在一台四缸汽油机上直接使用本发明异丁醇汽油混合燃料，研究了负荷特性和外 特性下，燃料中异丁醇含量对发动机动力性（功率、转矩）和燃油经济性（燃料消耗量、等 效燃料消耗率、能量消耗率）、常规排放（CO、C0 2、THC、NOx)、排烟温度等性能的影响。结果 表明：随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的燃油消耗率呈增加趋势；不同转速下，发动 机转矩增大过程中，燃油消耗率先呈下降趋势，在中等转矩下达到最低，然后随着转矩的继 续增大燃油消耗率呈上升趋势。相比燃油消耗率，等效燃油消耗率的曲线更加靠拢，说明折 算为与汽油的等效燃料后，各燃料的消耗率趋于一致。相比燃油消耗率和等效燃油消耗率， 能量消耗率的曲线更加靠拢和一致，与燃油消耗率和等效燃油消耗率不一样的是，能量消 耗率并没有随异丁醇含量的增加而增大，纯汽油的能量消耗率多数情况反而大于异丁醇汽 油混合燃料。随着燃料中异丁醇含量的增加，发动机的CO排放呈降低趋势，在低转矩情况 下这种趋势尤为明显。不同转速条件下，随着转矩的增加，所有燃料的CO 2排放呈逐渐升高 的趋势。相同转矩条件下，随着转速的升高，CO2排放整体上呈上升趋势。随着燃料中异丁 醇含量的增加，发动机的THC排放呈降低的趋势，相同转矩条件下，随着转速的升高，THC排 放整体上呈下降趋势。另外，THC的排放相比其他排放出现了大幅度的变化。随着燃料中 异丁醇含量的增加，发动机的NO x排放呈降低的趋势，随着异丁醇的掺入比例增大，混合燃 料的后燃情况就越加明显，排烟温度就越来越高。排烟温度随着转矩的增大均为逐步升高； 同等负荷、同等转速条件下，随着混合燃料中异丁醇比例的增加，排烟温度相对升高。随着 异丁醇添加比例的增加，外特性功率和转矩整体上有所下降，但下降幅度很小，一般在5% 以内。总体上，在一定异丁醇的添加范围内，汽油机燃用异丁醇汽油混合燃料的功率和转矩 与燃用纯汽油时基本相当。燃用混合燃料的燃油消耗率和等效燃油消耗率略有增加，纯汽 油的能量消耗率多数情况大于异丁醇汽油混合燃料。混合燃料的CO和THC与燃用纯汽油 时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 发动机后燃，使排烟温度升高。
[0025] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0026] 本发明利用异丁醇与汽油混合燃料作为汽油机的燃料，为生物质转化为车用替代 液体燃料提供目标动力，又可降低石油等化石燃料利用过程中的污染物排放。与常规的生 物乙醇燃料相比，本发明混合燃料的能量密度和燃料经济性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图 1-3 分别为低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min)负 荷特性下，燃油消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图，其中IO为纯汽油。
[0028] 图 4-6 分别为低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min)负 荷特性下，等效燃油消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图。
[0029] 图 7-9 分别为低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min)负 荷特性下，能量消耗率随负荷变化及异丁醇含量变化的图。
[0030] 图 10-12 给出了在低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min) 条件下CO排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。
[0031] 图 13-15 给出了在低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min) 条件下CO2排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。
[0032] 图 16-18 给出了在低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min) 条件下THC排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。
[0033] 图 19-21 给出了在低转速（2000r/min)、中转速（3000r/min)、高转速（4000r/min) 条件下NOx排放随负荷变化及异丁醇含量变化的规律。
[0034] 图22给出了节气门全开条件下，发动机输出功率随转速变化的情况。
[0035] 图23给出了节气门全开条件下，发动机转矩随转速变化的情况。
[0036] 图24-26给出了节气门全开条件下，发动机燃油消耗率、等效燃油消耗率、能量消 耗率随转速变化的情况。
[0037] 图27-30出了节气门全开条件下，发动机C0、C02、THC、N0x随发动机转速变化的情 况。
【具体实施方式】
[0038] 以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
[0039] 实施例1-5
[0040] 一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，所述混合燃料中异丁醇的体积百 分含量为分别为 10% (Π 0)、20% (120)、30% (130)、40% (140)、50% (150)，其余为汽油。
[0041] 所述混合燃料的各项性能指标如下：
[0042] 1、燃烧特性：
[0043] 异丁醇汽油混合燃料特性数据
【权利要求】
1. 一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于，所述混合燃料中异丁 醇的体积百分含量为10-90%。
2. 如权利要求1所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中，其余为汽油。
3. 如权利要求2所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为15-30%。
4. 如权利要求3所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为17-23%。
5. 如权利要求4所述的一种具有良好燃烧性能的异丁醇汽油混合燃料，其特征在于， 所述混合燃料中异丁醇的体积百分含量为20%。
【文档编号】C10L1/02GK104312641SQ201410617482
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】李英丽, 王志伟, 王建锋, 廉振红, 余泳昌 申请人:郑州职业技术学院