1.本发明属于柴油燃料技术领域，尤其涉及一种适用于柴油发动机的混合燃料及应用。
背景技术：
2.近年来，由于化石燃料的短缺，全球环境的持续恶化以及对能源安全和多样性的需求不断增加，这使得人们对开发清洁和可持续能源的兴趣大大增加。生物柴油和生物丁醇等可再生燃料因其可以由生物质生产和相对较低的污染排放水平而引起了极大的关注。其中，含氧燃料燃烧得更充分，排放量更低。大量实验已经研究了以含氧化合物为燃料添加剂的柴油发动机的排放和能量性能，这种含氧化合物包括醇类、酮类或醚类等，利用其可再生且污染物排放少的性能，对于缓解世界化石能源压力，降低发动机排气污染，促进生物质能的有效利用具有重要的意义。
技术实现要素：
3.鉴于此，本发明提供了一种适用于柴油发动机的混合燃料及应用，本发明提供的混合燃料缸内燃烧特性与纯柴油相近，可以直接在柴油发动机上应用，不需要对柴油发动机硬件结构进行改变，且对燃油排放性具有一定的改善作用。
4.本发明提供了一种一种适用于柴油发动机的混合燃料，包括柴油和柴油替代燃料，所述柴油替代燃料为正丁醚或正辛醇，所述正丁醚和柴油的体积比≤20％，所述正辛醇和柴油的体积比＜20％。
5.优选的，所述正丁醚和柴油的体积比为10％或20％。
6.优选的，所述正辛醇和柴油的体积比为10％。
7.优选的，所述柴油为国
ⅴ
柴油。
8.本发明提供了上述技术方案所述的混合燃料在柴油发动机中的应用，所述柴油发动机的转速为1454r/min，所述柴油发动机的平均有效制动压力为0.55～1.54mpa。
9.优选的，所述柴油发动机的转速为1454r/min。
10.优选的，所述柴油发动机为直列六缸四冲程增压中冷柴油发动机。
11.优选的，所述柴油发动机的排量为7.7l，所述柴油发动机的压缩比为17.5。
12.优选的，所述柴油发动机包括喷油系统和燃油喷射系统，所述喷油系统为单级涡轮增压系统，所述柴油发动机的燃油喷射系统为第二代博世高压共轨系统。
13.优选的，所述柴油发动机在原机国vi排放标准的map图下运行。
14.本发明提供了一种适用于柴油发动机的混合燃料，包括柴油和柴油替代燃料，所述柴油替代燃料为正丁醚或正辛醇，所述正丁醚和柴油的体积比≤20％，所述正辛醇和柴油的体积比＜20％。本发明提供的混合燃料以正丁醚或正辛醇作为柴油添加剂，正丁醚和正辛醇两种燃料都是由八个碳原子组成的直链结构，两种燃料作为柴油添加剂与柴油混合得到混合燃料，由于两种燃料的含氧量高，热效率高，对柴油发动机燃烧过程中的污染物排
放性能好。当所述正丁醚和柴油的体积比≤20％，所述正辛醇和柴油的体积比＜20％，本发明能够在不改变柴油发动机结构参数的基础上，改善柴油发动机的燃烧过程和降低碳烟的排放量。
附图说明
15.图1为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在1454r/min转速下、平均有效制动压力为0.55mpa时的缸内压力、放热率和燃烧相位图；
16.图2为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在1454r/min转速下、平均有效制动压力为1.54mpa时的缸内压力、放热率和燃烧相位图；
17.图3为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下燃烧持续期的对比图；
18.图4为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下制动燃料消耗率的对比图；
19.图5为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下制动热效率的对比图；
20.图6为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下氮氧化物排放量的对比图；
21.图7为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下碳烟排放量的对比图。
具体实施方式
22.本发明提供了一种适用于柴油发动机的混合燃料，包括柴油和柴油替代燃料，所述柴油替代燃料为正丁醚或正辛醇，所述正丁醚和柴油的体积比≤20％，所述正辛醇和柴油的体积比＜20％。
23.在本发明中，所述正丁醚和柴油的体积比≤20％，更优选为≥10％且≤20％，可具体为10％或20％。
24.在本发明中，所述正辛醇和柴油的体积比＜20％，更优选为≥10％且＜20％，可具体为10％。
25.在本发明中，所述柴油标号为国
ⅴ
柴油。
26.本发明提供的混合燃料以正丁醚或正辛醇作为柴油替代燃料，正丁醚和正辛醇两种燃料都是由八个碳原子组成的直链结构，两种燃料作为柴油添加剂与柴油混合得到混合燃料，由于两种燃料的含氧量高，热效率高，对柴油发动机燃烧过程中的污染物排放性能好。当所述正丁醚和柴油的体积比≤20％，所述正辛醇和柴油的体积比＜20％，本发明能够在不改变柴油发动机结构参数的基础上，改善柴油发动机的燃烧过程和降低碳烟的排放量。
27.本发明对所述混合燃料的制备过程遵守最小误差制，将所述柴油掺混燃料和柴油混合均匀，在本发明中，所述混合燃料优选采取现用现配的原则。
28.本发明提供了上述技术方案所述的混合燃料在柴油发动机中的应用，所述柴油发动机的转速为1454r/min，所述柴油发动机的平均有效制动压力为0.55mpa～1.54mpa，优选
为0.55mpa、1.1mpa或1.54mpa。
29.在本发明中，所述柴油发动机的平均有效制动压力为0.55mpa、1.1mpa或1.54mpa，优选为0.55mpa或1.54mpa。
30.在本发明中，所述柴油发动机优选为直列六缸四冲程增压中冷柴油发动机。
31.在本发明中，所述柴油发动机的排量优选为7.7l，所述柴油发动机的压缩比优选为17.5。
32.在本发明中，所述柴油发动机优选包括喷油系统和燃油喷射系统，所述喷油系统优选为单级涡轮增压系统，所述柴油发动机的燃油喷射系统优选为第二代博世高压共轨系统。
33.在本发明中，所述柴油发动机优选在原机国vi排放标准的map图下运行。
34.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.将柴油(标号为国
ⅴ
柴油)和正丁醚搅拌混合均匀，其中，柴油和正丁醚的体积比为1:9，得到混合燃料，记为db10d90。
37.实施例2
38.将柴油(标号为国
ⅴ
柴油)和正丁醚搅拌混合均匀，其中，柴油和正丁醚的体积比为2:8，得到混合燃料，记为db20d80。
39.实施例3
40.将柴油(标号为国
ⅴ
柴油)和正辛醇搅拌混合均匀，其中，柴油和正辛醇的体积比为1:9，得到混合燃料，记为o10d90。
41.对比例1
42.将柴油(标号为国
ⅴ
柴油)搅拌均匀，得到柴油燃料，记为d100。
43.对比例2
44.将柴油(标号为国
ⅴ
柴油)和正辛醇搅拌混合均匀，其中，柴油和正辛醇的体积比为2:8，得到混合燃料，记为o20d80。
45.测试例
46.(1)对实施例1～3和对比例1或2得到的混合燃料的燃烧特性进行分析。
47.图1为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在柴油发动机1454r/min转速下、平均有效制动压力为0.55mpa时的缸内压力、放热率和燃烧相位图。
48.由图1可以得出，在平均有效制动压力为0.55mpa时(柴油发动机小负荷条件下)实施例2提供的混合燃料在预喷阶段的放热率提前，因为正丁醚的加入有利于提高混合燃料的十六烷值和可燃性。相柴油中掺混正辛醇时，由于混合燃料的十六烷值和热值降低，放热率峰值延迟。实施例1和实施例3提供的混合燃料在预喷阶段的放热率曲线相差不大。在主喷阶段，实施例2和对比例2提供的混合燃料的放热率分别有所提前和延迟。这是由于实施例2提供的混合燃料的预喷放热提前，使得主喷燃油进入气缸时缸内温度升高，且实施例2的混合燃料具有良好的自燃性。对比例2提供的燃料降低了混合燃料的十六烷值和热值，延
迟了预喷阶段的放热时间，不利于主喷阶段的燃料点火。而对比例2提供的燃料的放热率峰值明显高于其他燃料。这是因为与其他四种燃料相比，对比例2提供的混合燃料的放热率峰值均较纯柴油(对比例1)有所降低，这主要受燃料热值的影响。同时，实施例2和对比例2的放热率分别略有提前和延迟，但总体差距不大。这是因为后喷增强了缸内湍流强度，加速了燃烧产物与空气的混合，提高了缸内温度。这使得实施例2放热起始点进一步提前。正辛醇的高汽化潜热会进一步加速燃烧热的吸收，导致对比例2的延迟。由于缸内热力学状态得到改善，汽化潜热的吸热减弱，且实施例1与实施例3的掺混比较小，不同燃料之间的差异逐渐减小。
49.图2为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在柴油发动机1454r/min转速下、平均有效制动压力为1.54mpa时的缸内压力、放热率和燃烧相位图。
50.由图2可以得出，在平均有效制动压力为1.54mpa时(柴油发动机大负荷条件下)，在预喷阶段，所有共混物的放热率峰值均高于柴油，其中对比例2最高。正辛醇的放热率时刻随着掺混比的增加而延迟，而实施例2略有提前。在主喷阶段，由于负荷的增加，柴油和所有混合燃料的放热率曲线均出现双峰现象。双峰放热的第一个峰值为滞燃期内做好燃前准备的混合气预混燃烧所致，第二个峰值为扩散燃烧阶段，放热速率取决于油气相互扩散混合速度。在预混燃烧过程中，对比例2的放热率峰值最高，其他燃料与柴油相差不大。这主要与对比例2较长的滞燃期和较高的氧含量有关。在扩散燃烧过程中，所有混合燃料的放热率峰值均高于纯柴油。这是因为含氧量的增加可以改善空气与燃料的混合，加速混合燃料的燃烧速度，缩短燃烧持续期。在4种混合燃料中，由于正辛醇的粘度明显大于正丁醚，导致燃料的蒸发雾化效果变差，油气混合速率降低，因此对比例2的扩散燃烧放热率峰值明显低于其它混合燃料。随着掺混比的增加，缸内压力略有增大。在相同的掺混比下，正丁醚与正辛醇之间的缸压非常接近。
51.由图1和图2可以得出，在不干预发动机喷油策略的条件下，实施例1～3提供的混合燃料与纯柴油相比缸内燃烧差别不大。
52.图3为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下燃烧持续期的对比图；由图3可以得出，实施例1～3和对比例2与对比例1相比，随着正丁醚和正辛醇的加入，含氧量逐渐升高，混合燃料的燃烧持续期相比纯柴油均有不同程度的缩短，且同等掺混比例下正辛醇混合燃料具有比正丁醚更短的燃烧持续期。这主要是因为正辛醇的十六烷值低，滞燃期较长，因此相应的燃烧持续期会变长。
53.图4为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力(bmep)条件下制动燃料消耗率(bsfc)的对比图；图5为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下制动热效率(bte)的对比图。
54.由图4和图5可以得出，在柴油中掺混正丁醚或正辛醇后，混合燃料的bsfc增加，且掺混比例越高bsfc越大。这是由于正丁醚与正辛醇的低热值低于柴油。因此，在相同的负荷下，为了获得相同的功率，应该向气缸喷入更多的混合燃料。然而，正丁醚混合燃料的低热值略高于正辛醇，但是同等掺混比例下正丁醚混合燃料的bsfc却高于正辛醇混合燃料。这主要是因为与正丁醚相比，正辛醇较高的汽化潜热和粘度减少了传热损失和泵油损失，且其较短的燃烧持续期有利于提高热效率，进而降低油耗量。
55.图6为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下氮氧
化物排放量的对比图；图7为实施例1～3和对比例1和2提供的燃料在不同平均有效制动压力条件下碳烟排放量的对比图。
56.图6显示了不同bmep下d100、db10d90、db20d80、o10d90和o20d80的nox排放特性对比，随着bmep的增加，五种燃料的no
x
均呈现不同程度的升高，这是由于负荷的增加造成缸内平均温度的升高导致的。在负荷相同时，实施例2的no
x
最高，其次是对比例1、对比例2、实施例1、实施例3。在柴油中掺混正辛醇对于no
x
排放有一定的降低效果，这主要是因为正辛醇热值较低、汽化潜热较高，对于缸内温度有一定的降低作用。而对于正丁醚，当掺混比例为10％时，受热值和汽化潜热影响no
x
排放量低于柴油，随着正丁醚掺混比例的增加虽然其热值进一步降低、汽化潜热进一步升高，但同时其较低的沸点、运动黏度有利于形成更均匀的空气与燃料混合物，进而提高混合速率，导致缸内温度的升高。另外其含氧量也会显著增加，且含氧量是影响no
x
排放的主要因素，因此，实施例2的no
x
排放量最高是以上因素共同影响的结果。另外，正辛醇具有明显高于柴油和正丁醚的汽化潜热，这有利于降低缸内温度，抑制no
x
排放，因此同等掺掺混比例下正辛醇混合燃料的no
x
排放量低于正丁醚。
57.图7显示了不同bmep下d100、db10d90、db20d80、o10d90和o20d80的碳烟(soot)排放特性对比，随着负荷的增大，soot排放量逐渐减小。这主要是因为随着负荷的增大，缸内燃烧温度的升高促进了燃料的雾化、蒸发和氧化，燃料与空气混合速率加快，有利于充分燃烧，使得soot排放量不断降低。相同负荷下，柴油的soot排放量最高，掺混正丁醚或正辛醇可以显著降低soot排放，且降低量随掺混比例的增加而增大。这主要是因为正丁醚和正辛醇中的氧含量有利于碳烟的氧化，降低soot排放。除此之外，含氧燃料中的氧原子一旦与碳原子形成稳定的碳
‑
氧键，与氧原子相连的碳原子就不会转化成前驱物，因而可以减少用于生成碳烟的总碳原子量，进而有效降低碳烟排放。其中掺混正丁醚最高可使soot排放降低67％，掺混正辛醇最高可使soot排放降低31％。同时，正丁醚的高挥发性有利于混合物形成，其较好的反应活性还可以加快燃烧后期的燃烧，从而有利于碳烟的氧化，这也是正丁醚混合燃料soot排放量低于正辛醇混合燃料的主要原因。由于分子c
‑
o键比c
‑
c键更稳定，因此正丁醚的中心氧原子位置降低了预混合反应区hc中间产物的大小，从而降低了初始soot形成的倾向。
58.综上可以得出，在柴油中掺混正丁醚或正辛醇后，混合燃料的bsfc增加，bte降低，且同等掺混比例下正丁醚混合燃料的bsfc高于正辛醇混合燃料。相同负荷下，除db20d80外，其它混合燃料的no
x
排放量均低于柴油，且掺混正辛醇更有利于控制no
x
排放。对于soot，在所有负荷下，柴油的soot排放量最高，掺混正丁醚比正辛醇具有更高的烟灰减排潜力。
59.在柴油中掺混正丁醚或正辛醇后，缸内燃烧与纯柴油差异不大，但对燃油排放性具有一定的改善作用，因此这两种燃料可以直接在发动机上应用，不需要对发动机硬件结构进行改变。
60.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。