一种混合柴油燃料的制作方法

本发明涉及一种燃料，具体涉及一种混合柴油燃料。

背景技术：

内燃机是城市空气中碳烟、氮氧化物的主要来源之一，由于碳烟和氮氧化合物均严重危害着环境和人类的健康，因此两者排放都受国家法律的严格限制。此外，由于石化燃料的枯竭和环境污染问题越来越严重，毫不夸张的说，能源和环境问题是当今世界的主要矛盾之一，特别是为了顺应国际环保法规(京都协议书)，碳烟、氮氧化合物、一氧化碳、未燃烧烃类的排放必须得到降低，因此大量柴油燃料替代品应运而生，以解决对石油资源的依赖日益严重及环境严重污染的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种具有较低碳烟排放量和低氮氧化物排放量的混合柴油燃料。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种混合柴油燃料，所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物中包含有机含氧化合物燃料，所述混合柴油燃料的含氧量为1～5％。

柴油机是压燃式内燃机，其排放出的碳烟颗粒和氮氧化物危害人类健康和污染环境。柴油机燃烧过程中，燃料由于不完全燃烧所生成的碳烟是以碳原子作为主要成分的碳氢化合物所组成。而氮氧化物是氧气和氮气在内燃机气缸内高温高压环境下产生的，氮氧化物排放取决于氧气、氮气和燃烧温度的高温滞留时间以及局部空燃比等因素。研究发现碳烟在中低温缺氧条件下易生成，氮氧化物在高温富氧条件下易生成，在实际内燃机排放中碳烟和氮氧化物存在平衡(trade-off)关系。大量实验数据显示，含氧燃料中的氧可以有效抑制碳烟的生成，将碳烟氧化。因此含氧燃料的添加使用可以降低碳烟和颗粒物的排放。当有机含氧化合物燃料添加含量增大时，混合柴油燃料中的含氧量增加，十六烷值降低，低热值降低。当混合柴油燃料含氧量大于5％时，混合柴油燃料中的低热值较低，在柴油机中很难压燃；当混合柴油燃料含氧量小于1％时，有机含氧化合物燃料添加较少，对柴油燃料的排放量以及油耗的改善效果不明显，难以达到预期的效果；因此混合柴油燃料的含氧量为1～5％时，油耗较低，且能达到较低的碳烟排放量、低氮氧化物排放量。

优选地，所述添加物为有机环状含氧化合物燃料。

在柴油机燃烧过程中，当形成碳烟核后(如c2h2)，进一步形成第一环(苯环)，然后所构成的苯环再补充烷基，变成一个多环芳香烃(pah)结构。当pah足够大时，某些点就发展成颗粒核，然后再聚合成初始颗粒，最后聚拢形成最终的碳烟。因此，环状(尤其是苯环)化合物成核是形成碳烟的基础，但由于苯环不含氧，因此使氮氧化物形成的少，大量这种环状化合物，会有碳烟存在。但是当在这种环状化合物中加氧时，会将碳烟氧化，有效地减少了碳烟。同时这种环状化合物又抑制了氮氧化物的生成，使得碳烟和氮氧化物排放达到平衡，都得到了有效降低。因此在柴油中添加有机环状含氧化合物燃料，可以有效调整柴油的组成，能够充分利用各种资源满足对燃油的巨大消费量，尤其是有机环状含氧化合物燃料的添加使用同时由于氧原子的引入，能够使燃料充分燃烧，明显改善尾气的排放量，减少碳烟颗粒污染物、氮氧化合物、碳氢化合物及一氧化碳的排放量，改善大气环境。

优选地，所述添加物为有机不饱和环状含氧化合物燃料。

有机不饱和环状含氧化合物燃料相对于有机饱和环状含氧化合物燃料的分子结构在内燃机燃烧中具有更低的碳烟排放，且有机不饱和环状含氧化合物燃料的分子结构燃料在裂解工艺过程避免了进一步加氢的复杂工艺，生产成本较低。

优选地，所述添加物为碳原子个数为6～8的有机不饱和环状含氧化合物燃料。

当添加物的碳原子个数较多时，添加物的结构更复杂，产生更多的碳烟，增大碳烟排放量；碳原子个数较少时，相同的添加量，与柴油混溶难以将柴油机压燃。因此，当添加物为碳原子个数为6～8的有机不饱和环状含氧化合物燃料时，添加物既能够与柴油较好的混溶，混合后能有合适的低热值，能将柴油机压燃，又能有较低的碳烟排放量。

优选地，所述有机不饱和环状含氧化合物燃料为醚类和醇类有机物中的至少一种。当有机不饱和环状含氧化合物燃料为醚类和醇类作为添加物添加入柴油中时，混合柴油燃料的碳烟排放量和氮氧化物排放量较低，添加物的生产成本较低。

优选地，所述有机不饱和环状含氧化合物燃料为苯甲醇、2-苯乙醇和苯甲醚中的至少一种。

低的十六烷值有利于“碳烟-氮氧化物平衡”，碳氧排放量降低。苯甲醇、2-苯乙醇和苯甲醚具有较低的十六烷值，发明人经过大量的实验研究也表明，当添加物为苯甲醇、2-苯乙醇和苯甲醚中的至少一种时，混合柴油燃料的油耗较低、碳烟排放量和氮氧化物排放量较低。

优选地，所述有机不饱和环状含氧化合物燃料为苯甲醇。

发明人经过大量的实验研究表明，当添加物为苯甲醇时，苯甲醇作为添加剂表现出最好的经济效益，在碳烟排放量和氮氧化物排放平衡上，明显优于柴油燃料。

优选地，所述苯甲醇在柴油中添加的体积百分含量为8～15％。

当苯甲醇在柴油中添加的体积百分含量为8～15％时，混合柴油燃料在燃烧性能、经济效益、碳烟排放量和氮氧化物排放量方面都表现较优。更优选地，所述苯甲醇在柴油中添加的体积百分含量为9.6％。当苯甲醇在在柴油中添加的体积百分含量为9.6％时，与柴油燃料相比，添加了苯甲醇的混合柴油燃料油耗量相差不大，碳烟排放量和氮氧化物排放量最低。

优选地，所述混合柴油燃料的十六烷值为42.3～52.0。含有有机含氧化合物燃料的混合柴油燃料的十六烷值越大，混合柴油燃料使用时，碳烟排放量和氮氧化物排放量越大，但十六烷值过小时，混合柴油燃料在柴油机中难以压燃，从而影响混合柴油燃料在柴油机中的使用。经发明人多次反复试验得出，十六烷值为42.3～52.0时，混合柴油燃料在柴油机中的使用性能较佳，且碳烟排放量和氮氧化物排放量较小。

优选地，所述混合柴油燃料的低热值为38.8～42.4mj/kg。含有有机含氧化合物燃料的混合柴油燃料的低热值越高，混合柴油燃料使用时，碳烟排放量和氮氧化物排放量越大，但低热值过小时，混合柴油燃料在柴油机中难以压燃，从而影响混合柴油燃料在柴油机中的使用。经发明人多次反复试验得出，混合柴油燃料的低热值为38.8～42.4mj/kg时，混合柴油燃料在柴油机中的使用性能较佳，且碳烟排放量和氮氧化物排放量较小。本发明的有益效果在于：本发明提供了一种混合柴油燃料，含有添加物的混合柴油燃料与柴油油耗相差不大甚至更低，特别是具有较低的低碳烟排放量和较低的氮氧化物排放量，提高柴油的指示效率，能在一定程度上实现节能减排。另外，本发明所述柴油燃料添加物能由木质素裂解制得，在一定程度上为木质素的替代燃料的目标产物提供一定的理论指导和方向。

附图说明

图1为本发明使用的发动机的试验台示意图；

图2为发动机的试验工况点示意图；

图3为实施例23的碳烟排放量和氮氧化物排放量的测试结果；

图4为实施例23的发动机的指示效率的测试结果。

具体实施方式

本发明测试使用的发动机为在daf重型柴油机xe355c的基础上改造而来，其规格如表1所示，试验台如附图1所示。

表1试验发动机规格参数

本发明所述测试在以下发动机试验工况下进行：

1、发动机试验工况1的测试条件为：发动机转速为1200r/min、喷油压力为1500bar、温度为30℃的条件下进行，另外进气压力、imep(平均指示缸内压力)、egr(废气再循环量)、λ(过量空气系数)、以及soi(喷油时刻)等工况点设置如表2。

表2发动机试验工况点

2、发动机试验工况2的测试条件为：发动机转速为1200r/min、ca50(50％放热量的时刻)保持为一个常数，λ(过量空气系数)通过以下两种不同的方式从接近燃料的化学计量值变化到高度稀薄值(接近化学计量值：λ＝1～1.5；稀薄：λ＝1.5～2.1；高度稀薄：λ>2.1)，发动机的试验工况点示意图如图2所示。

1)非废气再循环调节：在废气再循环流量为常数时(例如0或30％)，通过增加喷油量(即负荷)，进而达到改变λ的目的；

2)废气再循环调节：在负荷为常数时(例如7.5bar或12bar)，通过增加废气再循环流量来改变废气再循环，进而达到改变λ的目的。

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为正己醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为15％。

实施例2

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为环己醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为12.7％。

实施例3

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为2-苯乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为15％。

实施例4

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为环己烷乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为17.1％。

实施例5

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为2-苯乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为11.1％。

实施例6

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为环己烷乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为12.7％。

实施例7

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为环己烷乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为32％。

实施例8

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醚，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为15％。

实施例9

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为14.4％。

实施例10

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为2-苯乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为16.7％。

实施例11

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醚，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为10％。

实施例12

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为9.6％。

实施例13

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为2-苯乙醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为11.1％。

实施例14

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为8％。

实施例15

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为12％。

实施例16

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为13％。

实施例17

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为19.7％。

实施例18

本发明所述混合柴油燃料的一种实施例，本实施例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为25.5％。

对比例1

本发明所述混合柴油燃料的一种对比例，本对比例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为正己烷，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为15％。

对比例2

本发明所述混合柴油燃料的一种对比例，本对比例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为环己烷，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为15％。

对比例3

本发明所述混合柴油燃料的一种对比例，本对比例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为7％。

对比例4

本发明所述混合柴油燃料的一种对比例，本对比例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为16％。

对比例5

本发明所述混合柴油燃料的一种对比例，本对比例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为4.4％。

对比例6

本发明所述混合柴油燃料的一种对比例，本对比例中所述混合柴油燃料中包含柴油和添加物，所述添加物为苯甲醇，添加物在柴油中的添加的体积百分含量为30.8％。

实施例19

将实施例1、2和对比例1、2所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况1下进行重型柴油机试验，考察含氧量和环状结构对燃料排放的影响。试验燃料的组成及特性见表3。

表3试验燃料组成及特性

试验结果表明：

(1)含氧燃料(正己醇和环己醇)的碳烟排放均低于非含氧燃料(正己烷和环己烷)。此外，在各燃料氮氧化物排放相同的前提下，含氧燃料具有更低的碳烟排放，即含氧化合物更有利于“碳烟-氮氧化物平衡”；

(2)在相同含氧量的前提下，含氧燃料的分子结构(环状、直链)对碳烟的排放影响很小，即含氧燃料的碳烟排放主要取决于含氧量。

(3)相比直链烃(正己烷)，环状烃(环己烷)具有更高的碳烟排放，可以通过加氧的方式(转化为环己醇)来降低碳烟排放。

实施例20

将实施例3、4所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况1下进行重型柴油机试验，考察饱和含氧燃料添加物和不饱和含氧燃料添加物对燃料排放的影响。试验燃料的组成及特性见表4。

表4试验燃料组成及特性

试验结果表明：

(1)在某个指定喷苯油时刻，相比柴油燃料，两种环状含氧燃料添加物的具有更长的点火延迟期(由于两种含氧混合物的十六烷值低于柴油)，燃料预混更加充分，因此两种含氧化合物碳烟排放较低。

(2)在某个指定喷油时刻，相比柴油燃料，两种环状含氧燃料添加物的指示比油耗要高出1％～3％(这是由于两种含氧化合物的低热值比柴油低2.33％)，这对发动机的油耗影响并不大。

(3)在相同含氧量的情况下，饱和环状燃料添加物(环己烷乙醇)与非饱和环状燃料添加物(2-苯乙醇)燃料的碳烟和氮氧化物的排放以及指示比油耗都相差很小，但是相对非饱和含氧环状分子结构燃料，饱和的含氧环状分子结构燃料在裂解工艺过程避免了进一步加氢的复杂工艺，生产成本较低。

实施例21

将实施例5～7所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况2下进行重型柴油机试验，考察饱和十六烷值和含氧量对“碳烟-氮氧化物平衡”的影响。试验燃料的组成及特性见表5。

表5试验燃料组成及特性

试验结果表明：

(1)与柴油相比，含氧燃料的指示比油耗要比柴油略高(由于三组含氧燃料均比柴油燃料具有较低的低热值)，在废气再循环调节工况下两含氧燃料的指示比油耗更接近于柴油燃料。

(2)如果按照体积单位来评估发动机的耗油量，由于三种含氧燃料较高的密度，在非废气再循环调节工况下，含氧燃料对油耗(按体积计算)与柴油油耗非常接近，且在废气再循环调节工况下的油耗还要略低于柴油燃料。

(3)随着含氧量的增加和十六烷值的降低，均使得“碳烟-氮氧化物平衡”表现更好，在这两种影响因素中十六烷值起主导作用。与饱和含氧环状燃料相比，非饱和(苯环)含氧环状燃料表现出了更好的“碳烟-氮氧化物平衡”，尤其在废气再循环调节工况下，非饱和(苯环)含氧环状燃料表现出了更好的“碳烟-氮氧化物平衡”。

(4)由于较低的十六烷值比更高的含氧量更有利于“碳烟-氮氧化物平衡”。这表明非饱和含氧环状(苯环)燃料通过加氢的方式获得饱和含氧环状燃料的生产加工方法不仅成本较高，而且不利于“碳烟-氮氧化物平衡”(在非废气再循环工况下更加不利)。此外，由于传统无废气再循环调节和低废气再循环调节燃烧发动机正逐渐被淘汰，取而代之的是高废气再循环发动机来获取更长时间的预混燃烧模式和更低温度的燃烧模式(如pcci、hcci)，因此非饱和环状(苯环)分子结构的燃料作为柴油替代燃料的重点开发对象将更有前途，而这些燃料均可以由木质素制取得到。

实施例22

将实施例8～10所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况1下进行重型柴油机试验，考察含氧燃料添加物中氧原子相对苯环的距离对发动机性能和排放的影响。试验燃料的组成及特性见表6。

表6试验燃料组成及特性

试验结果表明：

(1)在油耗方面(按体积单位计算)，苯甲醚和二苯乙醇燃料添加物与柴油燃料非常接近，但苯甲醇燃料比其余两者燃料高出了约2％。

(2)在“碳烟-氮氧化物平衡”方面，与柴油燃料相比，3种非饱和含氧环状燃料添加物均使碳烟排放降低，并且随着氧原子与苯环距离的增加碳烟排放更低，但氮氧化物排放会轻微增加。

(3)在一氧化碳排放量方面，在四个工况点三种含氧燃料添加物中苯甲醇均表现出了最低的一氧化碳排放量，且均低于柴油燃料。

(4)在碳烟排放量方面，在所有工况点，三种含氧燃料添加物的碳烟排放量均低于柴油，且随着氧原子与苯环距离的增加而下降。

实施例23

将实施例11～13所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况2下进行重型柴油机试验，在确保含氧量相同的条件下，然后通过输入一个较大范围变化的过量空气系数(通过改变喷油量(负荷)或废气再循环流量)，考察废气再循环量以及含氧燃料添加物中氧原子相对苯环的距离对发动机性能和排放的影响。试验燃料的组成及特性见表7。

表7试验燃料组成及特性

燃料在废气再循环调节模式下，碳烟排放量和氮氧化物排放量的测试结果如图3所示，发动机的指示效率的测试结果如图4所示。通过对发动机在工况2下的试验，结果表明：

(1)在废气再循环调节模式对排放的影响方面，对于所有燃料(包括柴油燃料)，废气再循环量在降低碳烟排放量方面扮演着一个非常重要的角色。当采用废气再循环调节模式时，在柴油和含氧燃料燃烧后的排放性能方面有很大的差异。实验数据显示，相对于柴油，含氧化合物的燃烧排放性能大大改善。在含氧化合物之间没有明显的区别。所有含氧燃料添加物混合燃料的碳烟排放量都远远低于柴油，采用废气再循环调节模式后，含氧燃料添加物混合燃料的nox排放也大大降低，含氧燃油的“碳烟-氮氧化物平衡”都明显优于普通柴油。

(2)在非废气再循环调节模式下，含氧燃料添加物混合燃料的单位体积指示比油耗可比得上甚至超过柴油；在非废气再循环调节模式下，含氧化合物可以实现单位体积指示比油耗的进一步改进。

(3)在氧原子位置对发动机指示效率影响方面，无论在废气再循环调节模式还是非废气再循环调节模式下，含有含氧燃料添加物的混合燃料均比柴油的指示效率高。实验数据显示，在一般情况下，与纯柴油相比，低十六烷值的含氧燃料添加物混合燃料能产生更高的效率。含有苯甲醇燃料添加物的混合燃料是性能最好的含氧燃料添加物，效率以如下顺序逐渐降低：η苯甲醇>η苯甲醚>η二苯乙醇。

实施例24

将实施例9、12、14～16、对比例3、4所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况1下进行重型柴油机试验，考察不同添加量的苯甲醇对发动机性能和排放的影响。试验燃料的组成及特性见表8。

表8试验燃料组成及特性

通过对发动机在工况1下的试验，结果表明：

(1)在油耗方面，与柴油燃料相比，混合柴油燃料表现出比柴油更高指示效率；

(2)在“碳烟-氮氧化物平衡”方面，与柴油燃料相比，添加了苯甲醇的混合柴油燃料表现出更低的碳烟排放量和氮氧化物排放量，其中实施例12所述混合柴油燃料的碳烟排放量和氮氧化物排放量最低。

实施例25

将实施例9、12、17、18、对比例3、5、6所述混合柴油燃料与柴油分别对发动机在工况1下进行重型柴油机试验，考察添加了苯甲醇的混合柴油燃料的不同含氧量对发动机性能和排放的影响。试验燃料的组成及特性见表9。

表9试验燃料组成及特性

通过对发动机在工况1下的试验，结果表明：

(1)在使用性能方面，随着混合柴油燃料中含氧量的增大，十六烷值降低，低热值降低，混合柴油燃料在柴油机中的压燃难度增大，对比例6所述混合柴油燃料在柴油机中难以压燃；

(2)碳烟排放量和氮氧化物排放量方面，随着混合柴油燃料中含氧量的减小，碳烟排放量和氮氧化物排放量增大，尤其是对比例5所述混合柴油燃料的碳烟排放量和氮氧化物排放量相差不大；

(3)在油耗方面，与柴油燃料相比，混合柴油燃料表现出比柴油更高指示效率。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。