НЕПРЕРЫВНАЯ ДЕГИДРАТАЦИЯ СПИРТА ДО ПРОСТОГО ЭФИРА И ВОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫХ КАК ТОПЛИВО ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2003 года по МПК C10L1/02 F02M27/02 F02M31/08 F02B51/02 

Изобретение относится к усовершенствованному топливу для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, оборудованных нагревателем входящего воздуха. В частности, настоящее изобретение относится к композициям кислородсодержащего дизельного топлива, которые содержат комбинацию спирта, простого эфира и воды. Соотношение спирт/эфир/вода выбирают с помощью каталитической дегидратации спирта. Топливные композиции получают посредством установки каталитической дегидратации, тепло к которой подают от выхлопа двигателя. Получаемыми преимуществами являются незначительные выбросы (загрязняющих веществ) и высокий кпд двигателя.

С тех пор, как в 1893 году Рудольф Дизель сформулировал основную концепцию дизельного двигателя, производились постоянные его усовершенствования. КПД двигателя к настоящему моменту был поднят с 5 до более чем 40%. За десятилетия постоянной работы и усилий разработчиков надежность, общая характеристика управляемости автомобиля и характеристики этого типа двигателя привели к его мировому признанию и огромному массовому выпуску. Количество дизельных двигателей, применяемых в транспортных средствах, кораблях и электростанциях по всему миру, привело к постоянно повышающемуся спросу на поставки топлива, несмотря на все вышеуказанные усовершенствования. Хорошая экономия топлива является одной из наиболее важных причин достигнутого успеха, измеряемого в отношении количества произведенных двигателей к количеству проданных по сравнению с дизельными двигателями, копирующими двигатели с искровым зажиганием или карбюраторные двигатели. В зависимости от размера двигателя экономия топлива в дизельных двигателях в настоящее время примерно на 20-40% больше, чем в карбюраторных двигателях. Из-за все большего распространения двигателей внутреннего сгорания, работающих на ископаемом топливе, все острее встают экологические проблемы и проблемы защиты окружающей среды. Забота о здоровье человека и происходящие глобальные изменения в окружающей среде, обусловленные газообразными и твердыми частицами, выделяющимися при сгорании топлива, приобретают всеусиливающееся международное значение. В частности, количество твердых частиц, оксидов азота и серы - это проблема даже для современных дизельных двигателей. Продукты неполного сгорания топлива и монооксид углерода также оказывают негативное влияние на человека и окружающую среду. Для снижения этих вредных выбросов постоянно производятся усовершенствования в различных областях. Среди прочего главными областями исследований являются следующие: системы введения топлива, конструкция камер сгорания, конструкция турбокомпрессора, системы управления нагревом, такие как внутренние газоохладители, рецикл выхлопных газов и т.д. Для различных областей применения используют и совершенствуют внешний катализатор, системы поглотителя и устройства для улавливания твердых частиц. Качество дизельного топлива - это другой путь улучшения сгорания и снижения выбросов. С помощью таких, например, процессов как десульфуризация, гидрирование и контроль свойств топлива в процессе перегонки, получают лучшее качество выхлопа.

Несмотря на все достигнутые усовершенствования, качество воздуха на земле все еще представляет собой проблему из-за большого количества работающих транспортных средств. Потребление топлива в настоящее время и нарастающий спрос вызывают все больше опасений, что в будущем запас топлива может истощиться. Очевидно, имеются три проблемы, на которые следует обратить внимание:
- сохранность будущих запасов энергии;
- качество воздуха в городских областях (токсические компоненты);
- глобальные изменения воздуха (парниковые газы).

Диоксид углерода - это парниковый газ, который, как полагают, повышает температуру земной атмосферы. Уровень количества диоксида углерода, получаемого и выпускаемого при сгорании в двигателях внутреннего сгорания, тесно связан с кпд двигателя. Вообще говоря, кпд работы дизельных двигателей на 30% больше, чем карбюраторных двигателей с искровым зажиганием. Повышение кпд топлива на 30% приближенно соответствует уменьшению на 30% выбросов диоксида углерода. И природный газ, и метанол являются топливом для карбюраторных двигателей. В вышеуказанном описании рассмотрен метод увеличения эффективности сгорания метанола в двигателях внутреннего сгорания при помощи переформулирования на борту транспортного средства для достижения намеченного кпд дизеля.

Получение метанола из природного газа сегодня - это отработанная технология во всем мире. Ежегодно его производят более 25 ММт. Объем производства метанола увеличивался каждый год в течение более чем десятилетия. Известные резервы запасов природного газа, доступные для дальнейшего производства и разработки, насчитывают по меньшей мере эквивалентную энергетическую массу, сравнимую с известными резервами нефти. В то время как нефть и производные от нефти ископаемые топлива - это главные источники энергии, используемые в настоящее время в транспортной промышленности, то природный газ и производные от газа продукты имеют лишь ограниченное применение, непосредственно в качестве сжатого природного газа (СПГ) и сжиженного природного газа (ЖПГ) или опосредованное в виде сжиженных производных продуктов, таких как метанол, простой эфир или продукты типа продуктов Фишера-Тропа (ФТ). Одним из возможных направлений получения энергии является более эффективное использование ресурсов. Другая логично вытекающая возможность - это изменение соотношения между продуктами, полученными из нефти и газа, в пользу газовых технологий.

Изменение в сторону более эффективного применения процессов, основанных на природном газе, в сочетании с более эффективным использованием производимого топлива, используемого в транспортном секторе, является ключевой задачей настоящего изобретения. Например, повышения эффективности можно достигнуть посредством увеличения производительности новых промышленных производств (эффект от повышения масштаба). Это, в сочетании с разработкой высокоэффективного использования произведенных продуктов, делает возможным общее увеличение эффективности. В частности, для улучшения октанового числа в настоящее время метанол применяют в качестве топлива в карбюраторных двигателях непосредственно, или в смеси с чистым бензином (gasoline neat), или в качестве химического продукта МТВЕ. Во всех случаях топливо пригодно для карбюраторных двигателей и его применяют в карбюраторных двигателях. Если производимое топливо можно использовать прямо или косвенно в двигателе с циклами воспламенения от сжатия, можно ожидать повышения эффективности использования топлива на 20-40%. Для достижения этого результата предлагали много способов.

Следует упомянуть один из подобных способов - было предложено превращать метанол в простой диметиловый эфир (ДМЭ) и использовать его в качестве дизельного топлива (патент США 5906664). ДМЭ также можно получать с помощью прямого процесса (Topsoe patent DK 171707) и экономить как на вложениях в строительство завода, так и на эксплуатационных расходах. Показано, что ДМЭ - лучшее дизельное топливо с хорошими показателями сгорания. Не образуется никаких твердых частиц и достигается низкий выброс NО_х без снижения кпд топлива. КПД топлива, рассчитанный на основании энергии эквивалентной массы, соответствует дизельному топливу. Однако инфраструктура и материально-техническое снабжение более дорогостоящи, чем традиционно требующиеся для бензина и дизельного топлива.

Чтобы достичь хорошей эффективности ДМЭ и избежать более дорогостоящего материально-технического снабжения, в качестве основного энергоносителя производят, распределяют и применяют метанол. Затем метанол превращают в ДМЭ на борту транспортного средства. Конверсию метанола производят с помощью каталитического конвертера. Катализатор, применяемый в процессе дегидратации, известен и его применяют в аэрозольной промышленности. Каталитический конвертер обогревается избыточным теплом от выхлопного газа с помощью использования теплообменника. Полученное топливо пригодно в качестве топлива для дизельных двигателей прямого и непрямого впрыска топлива при наличии нагревателя на воздухозаборнике.

Хранение небольшого количества генерируемого топлива делает возможным мгновенный запуск двигателя. Другим преимуществом использования генерируемой топливной композиции является попутное получение воды. Эта вода снижает образование оксидов азота (NO_х), благодаря понижению температуры горения до еще более низкой температуры, чем та, которая развивается при работе с неразбавленным ДМЭ. Небольшие количества непрореагировавшего метанола, присутствующие в силу термодинамических причин, выступают в качестве сорастворителя для смесей ДМЭ/вода, так что получается однородная фаза устойчивого топлива, имеющая очень низкую температуру замерзания.

Настоящее изобретение относится к способу, с помощью которого можно достичь высокой эффективности и низких выбросов путем модификации топлива Отто с низким кпд в дизельное топливо, имеющее высокий кпд. В частности, метанол, который является топливом для карбюраторных двигателей с высоким октановым числом (115) и низким цетановым числом (5), с помощью процесса каталитической дегидратации превращают большей частью в простой диметиловый эфир (ДМЭ), имеющий низкое октановое число и высокое цетановое число (>55), и воду. Полученное топливо включает некоторое количество непрореагировавшего метанола, эфир, генерируемый в качестве основного компонента, и сопутствующую воду. Эту топливную композицию применяют непосредственно в качестве топлива в дизельном двигателе. Получаемый простой диметиловый эфир имеет высокое цетановое число (>55) и, как известно, является наилучшим дизельным топливом. Из двух молей метанола образуется один моль ДМЭ и один моль воды. Химическую реакцию можно написать следующим образом:
Дегидратация метанол
2 CH₃OH-->CH₃OCH₃ + H₂O
Ограничения равновесия препятствуют 100% превращению метанола в ДМЭ и воду. Это означает, что при превращении или дегидратации метанола до простого эфира и воды всегда остается некоторое количество непрореагировавшего метанола в том случае, если не применяют процесс его отделения или перегонки. Однако, после экспериментального тестирования двигателя пришли к заключению, что разделение полученного топлива не требуется. Было обнаружено, что для получения спокойного горения в дизельном двигателе необходим лишь подогрев входящего воздуха в сочетании с процессом каталитической дегидратации.

Таким образом, топливная композиция, полученная при дегидратации сухого метанола, состоит из смеси, имеющей постоянное молекулярное соотношениe между ДМЭ и водой, составляющее 1:1. Выраженное в массовом соотношении, соотношение ДМЭ и воды составляет 2,56. В зависимости от степени дегидратации метанола, количество метанола в полученной смеси ДМЭ/вода составит 0% при 100% конверсии (теоретически) и 100% при 0% конверсии. Это объяснение графически показано в виде фазовой диаграммы на приложенной фиг.1.

Современные промышленные предприятия по производству метанола оснащены высококачественным оборудованием для перегонки с целью получения метанола высокой степени химической чистоты. При применении более простого разделения можно достичь экономии капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Таким образом, получают более дешевый метанол топливной марки. Вследствие такого компромисса этот сырой или технический метанол содержит некоторое количество этанола, высших спиртов и воды до 20 мас.%. Однако эти спирты дегидратируются так же, как и метанол с образованием дизельного топлива хорошего качества. Химическую реакцию с получением простого диэтилового эфира из этанола можно написать следующим образом:
Дегидратация этанола
2 C₂H₅OH-->CH₃CH₂OCH₂CH₃ + H₂O
Образующийся простой диэтиловый эфир имеет низкую температуру самовоспламенения (160^oС), что даже менее, чем у ДМЭ (237^oС). Высшие спирты дегидратируются аналогично с образованием простых эфиров и воды. Молекулярное соотношение между образующимся простым эфиром и водой всегда составляет 1:1, в то время как увеличение молекулярной массы простого эфира увеличивает массовое соотношение между простым эфиром и водой. При дегидратации метанола массовое соотношение между образующимся простым диметиловым эфиром и водой составляет 2,6. При дегидрировании этанола массовое соотношение между образующимся простым диэтиловым эфиром и водой составляет 4,1. Оценки исследуемого топлива, содержащего простой диэтиловый эфир, указаны в табл. 6, данной ниже. Незначительные концентрации высших спиртов превращаются в простые эфиры в соответствии со следующим уравнением:
Дегидратация спирта:
2 C_nH_(2n+2)O-->C_2nH_(4n+2)O + H₂O
Экспериментальные исследования, проделанные для оценки влияния воды, подтвердили, что в соответствии с настоящим изобретением можно допускать очень высокие концентрации при условии, что достижимы достаточно высокие температуры воздушной горловины. Обычно вода тесно связана с получением спирта. Стоимость отделения спирта от воды в смесях зависит от конкретной разделительной установки. Обычно стоимость разделения возрастает экспоненциально с возрастанием требований к чистоте. Во всех ситуациях необходимо находить оптимальное соотношение между стоимостью передвижения с топливом, содержащим воду, и кпд топлива, достигаемым в двигателе. Вообще говоря, большее количество воды можно допускать при получении и использовании топлива в непосредственной близости к двигателю.

Подробные результаты экспериментальных оценок содержащего воду топлива даны в табл. 7, приведенной ниже.

При применении настоящего изобретения в соответствии с представленными предложениями можно обеспечить более устойчивую ситуацию с энергетическими ресурсами в транспортном секторе в течение будущих десятилетий. Получают более высокий общий кпд топлива. В то же время достигается понижение выбросов компонентов, вредных для окружающей среды, таких как твердые частицы (ТЧ) и оксиды азота (NО_х). Также достигается понижение выброса диоксида углерода (СО₂). Технологические усовершенствования, описанные в настоящем изобретении, позволяют расширить область возможных источников производства топлива; можно применять не только неразбавленный метанол, получаемый из природного газа, но также метанол, получаемый из угля, или возобновляемых ресурсов, таких как древесина. Возможно даже использование бытовых отходов. Высшие спирты, в частности этанол, могут быть получены из возобновляемых источников и использованы в смесях с метанолом. Смеси, содержащие метанол/этанол и воду, применимы в рамках особо определенной области. Спиртовые смеси перерабатывают на борту транспортного средства в соответствующий простой эфир и воду. Полученные топливные композиции подходят для использования в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, оборудованных нагревателем входящего воздуха. Применение дизельного топлива в дизельных двигателях связано с получением избыточного тепла, выделяемого во время горения. Обычно температура выхлопных газов достигает 200-500^oС и более, в зависимости от нагрузки двигателя. Большая часть этой энергии содержится в выхлопных газах и обычно теряется. В настоящем изобретении эту энергию используют для испарения и нагревания используемого спиртового топлива. Кроме того, избыточное тепло используют для предварительного нагрева воздуха, используемого для горения.

Синергетическая комбинация управления теплом и топливом приводит к достижению высокого кпд топлива и низкой концентрации вредных веществ в хвостовых газах.

Эксперименты, проведенные на небольшом одноцилиндровом дизельном двигателе Yanmar YGD 3000, оборудованном внешним нагревателем воздуха, подтвердили способность топливной композиции воспламеняться без каких-либо сложностей или искры при наличии указанных преимуществ.

На фиг.1 представлена фазовая диаграмма, показывающая физические условия для ДМЭ, метанола и воды, равновесные условия, исследованные топливные композиции и различные запатентованные области.

На фиг. 2 показана упрощенная технологическая схема конверсии спирта на борту транспортного средства.

Табл. 1: содержание энергии в испытуемом топливе.

Табл. 2: исследуемые топливные композиции.

Табл. 3: исследуемое топливо 1 - ДМЭ в качестве топлива сравнения.

Табл. 4: исследуемое топливо 2 - дизельное топливо в качестве топлива сравнения.

Табл. 5: исследуемое топливо 3 - ДМЭ/метанол/вода=60/15/25 мас.%.

Табл. 6: исследуемое топливо 4 - ДМЭ/метанол/вода=60/20/20 мас.%.

Табл. 7: исследуемое топливо 5 - ДМЭ/метанол/вода/ДЭЭ=50/20/20/10 мас.%.

Табл. 8: исследуемое топливо 6 - ДМЭ/метанол/вода=48/4/48 мас.%.

Табл. 9: сводные полученные результаты.

Система, изображенная на фиг. 2, состоит из резервуара А для хранения метанола (спирта). Метанол перекачивают посредством насоса 1 из резервуара для хранения через В, который является теплообменником подачи/сброса, в котором испаряют и нагревают метанол. С - это теплообменник запуска. D - это реактор каталитической дегидратации, превращающий спирт в простой эфир и воду. Подвергающийся реакции метанол покидает D через теплообменник подачи/сброса в виде равновесной смеси метанола, ДМЭ и воды. Давление в D регулируют посредством клапана V1 противодавления. Проходя через Е, топливо охлаждается и конденсируется. В F топливо собирают. Для запуска системы в F подают топливо от внешнего источника. Для нормальной работы содержание в F достаточно для запуска двигателя. Контроль уровня в F с помощью электронного управления поддерживает требуемый объем производства топлива в D. Из F топливо перекачивают насосом 2 в общий канал G. Топливо посредством инжекторов, управляемых электроникой, впрыскивают непосредственно в цилиндры двигателя Н. Избыточное топливо из цилиндров возвращается в F. Для того, чтобы поддерживать достаточное давление топлива в G, некоторое количество избыточного топлива подают рециркуляцией в F через клапан V2 контроля давления системы в G. Отработанный воздух проходит турбонаддув 1. В 1 выхлопной газ отдает тепло входящему воздуху, применяемому в дизельном двигателе. J - это отдельный нагреватель запуска. V3 - это клапан противодавления, соединенный с 1. Реактор D дегидратации нагревают выхлопным газом из 1. Через шунт L нужное количество тепла передается в D. Излишек тепла посылают на катализатор N каталитического окисления. С и М - это нагреватели запуска. Выхлопной газ, проходящий через D, пропускают далее через катализатор N каталитического окисления. В N основная часть СО и УВ превращается в СО₂ и воду. Из N поток выводится в окружающую атмосферу. Для проверки данного описания, снабженного подробной экспериментальной документацией, были сооружены испытательный стенд с дизельным двигателем, имеющим единственный цилиндр, и лабораторное оборудование для приготовления топливных смесей. Результаты соответственно даны ниже.

Подготовка исследуемого топлива
Для определения качества индивидуального воспламенения дизельного топлива были составлены упомянутые композиции и собран указанный испытательный двигатель и связанная с ним система подачи топлива в соответствии со следующим описанием.

Топливные смеси готовили порциями по 1 кг, которые хранили в двухлитровых цилиндрах под давлением. Для определения индивидуального количества каждого компонента цилиндр помещали на весы. Сначала добавляли ДМЭ, считывали и отмечали показания шкалы. Затем в другой пробный цилиндр добавляли предварительно смешанную композицию метанола и воды и снова замечали количество. Эту смесь сжимали до избыточного давления 10 бар (1,0 МПа изб.) с помощью азота. Оба цилиндра были снабжены вентилями на крышке и днище. Вентили на днищах цилиндров были связаны посредством политетрафторэтиленового шланга. При открытии обоих вентилей смесь метанол/вода переносилась в цилиндр, содержащий ДМЭ, из-за разницы в давлениях, и вентили закрывали. Показания шкалы весов замечали снова. Затем рассчитывали соотношения в мас.% конечной композиции.

В начале политетрафторэтиленовый шланг был связан с впускным отверстием положения один трехходового вентиля. Впускное отверстие положения два было связано с подачей неразбавленного ДМЭ, сжатого насосом до 18 бар (около 1,8 МПа). Выпускное отверстие трехходового вентиля было затем связано с топливным насосом на единственном цилиндре промышленного стандартного четырехтактного дизельного двигателя типа Yanmar модели YDG 3000. С помощью смены направления трехходового вентиля возможно переключение между подачей чистого ДМЭ и испытуемых смесей.

Объем цилиндра двигателя составлял 0,273 л. Давление в отверстии инжектора было отрегулировано на 100 бар (изб.) (10,0 МПа изб.), а избыток топлива из инжектора подавался рециркуляцией во впускное отверстие топливного насоса. Трехходовой вентиль был переведен в положение два, через которое осуществляли подачу неразбавленного ДМЭ в двигатель. Двигатель к этому моменту был готов к запуску.

Для входящего воздуха был сооружен внешний электрический нагреватель с внешним электропитанием. Для нагревания впускаемого воздуха до выбранной температуры, которая находилась в интервале от температуры окружающей среды до 150^oС, применяли термостатический регулятор. Термопары, встроенные во впускное и выхлопное отверстия двигателя, были связаны с индикатором температуры.

Часть потока выхлопного газа из двигателя прокачивали через аналитическую систему. В оперативном режиме производили количественные определения монооксида углерода (СО), углеводородов (УВ), оксидов азота NO_x (NO+NO₂), диоксида углерода (СО₂) и кислорода (O₂). Для целей эксперимента не применяли катализатора каталитического окисления. Это было сделано для получения наилучшего впечатления от качества сгорания. Также было установлено оборудование, измерявшее число оборотов двигателя.

Нагрузка на дизельный двигатель была установлена путем соединения электрического нагревателя к применяемому 220-вольтовому генератору электричества. Таким образом устанавливали нагрузку в 1-2 кВт, соответствующую 40-80% нормальной максимальной мощности.

Потребление топлива определяли снятием показаний с весов, несущих цилиндр с испытуемой топливной смесью, раз в минуту в течение испытания. Расчеты удельного потребления топлива были основаны на содержании энергии, данном в табл. 1. В расчетах не учитывались поправки на потерю энергии на внешнее нагревание входящего воздуха. Все расчеты потребления топлива для различного испытуемого топлива были проделаны и сравнивались при одной и той же нагрузке двигателя (1 кВт). Ниже представлено подробное описание потребления топлива и выбросов, полученных при различных температурах на входе.

В соответствии с табл. 2, для исследования характеристик сгорания, составов выхлопного газа, а также для определения кпд топлива были приготовлены различные испытуемые виды топлива.

Процедура исследования этих различных исследуемых образцов топлива описана ниже.

Пример 1
Топливо сравнения - неразбавленный ДМЭ (топливо 1).

Двигатель был запущен на неразбавленном ДМЭ. Нагрузка двигателя была установлена в 1 кВт и стабилизирована. Двигатель работал около 5 мин - до достижения стабильной температуры выхлопа. Все описанные измеряемые параметры измеряли раз в минуту и отмечали в протоколе. Затем температуру всасываемого воздуха на входе поднимали до 125^oС. После стабилизации проводили следующую серию измерений. Затем нагревание входящего воздуха прекращали и двигатель останавливали.

Результаты этих двух серий данных показаны в табл. 3. Все измеренные количества компонентов выхлопного газа (NO_x, УВ, СО, О₂, СО₂) даны в единицах объема (ppm - частей на миллион). Потребление топлива (ПТ) дано как действительное потребление топлива в г/ч и в виде рассчитанных значений в МДж/ч, основанных на содержании энергии и определенных как низшая теплотворная способность (НТС) индивидуального испытуемого топлива, указанное в табл. 1.

Оказалось, что повышение температуры на входе повышает кпд топлива при указанной нагрузке. Далее, можно было заключить, что выбросы УВ и СО понизились, но увеличился выброс NO_x. Вследствие увеличения температуры на входе выброс NO_x почти удвоился.

Пример 2
Топливо сравнения - дизельное топливо (топливо 2).

Для сравнения потребления топлива и выбросов в качестве топлива применяли дизельное топливо. Для этой цели выбрали шведское топливо с пониженным содержанием серы МК-1. Двигатель работал без предварительного нагрева воздуха. Результаты даны в табл. 4.

Кпд топлива оказывается почти таким же, как при использовании неразбавленного ДМЭ в качестве топлива. Выброс NО_х при использовании дизельного топлива почти в три раза больше, чем при работе на ДМЭ.

Пример 3
Композиция дизельного топлива (топливо 3).

Композиция ДМЭ/метанол/вода = 60/15/25 мас.%.

В соответствии с расчетами химического равновесия, показанными на фиг.1, концентрации, близкие к 60 мас.% ДМЭ, 15 мас.% метанола и 25 мас.% воды, получены при температуре дегидратации 300^oС и давлении 20 бар (2 МПа). Топливная смесь с таким составом была приготовлена и испытана в соответствии с процедурой испытания, описанной выше. Дизельный двигатель был запущен на неразбавленном ДМЭ. С помощью электрического нагревателя на двигателе была установлена нагрузка в 40% (1 кВт). Воздушную горловину нагревали до 124^oС и стабилизировали. Трехходовой вентиль переключили с неразбавленного ДМЭ на топливо 3. Наблюдали, что двигатель продолжал работать на указанной топливной композиции. Измеряли потребление топлива и выбросы. Температуру воздушной горловины снижали до 105^oС. Работа двигателя была несколько неровной. Рассчитывали потребление топлива и измеряли выбросы. Дальнейшее понижение температуры воздушной горловины до 80^oС привело к выражено неровной работе. Зарегистрировали новый набор данных.

В течение этого испытания вышла из строя термопара, измеряющая температуру выхлопного газа. Результаты указаны ниже в табл. 5.

Полученный кпд топлива, основанный на количестве эквивалентной энергии, был примерно таким же, как при использовании неразбавленного ДМЭ при температуре на входе 125^oС. Эффект понижения температуры воздушной горловины ясно прослеживается. Снижался кпд топлива, и в то же время, как результат неполного сгорания, повышалось содержание СО и УВ. Оказалось, что значения для NO_x снизились до очень низкого уровня. Действительный выброс при температуре на входе 125^oС в сравнении с работой на дизельном топливе при тех же самых условиях снизился в 32 раза.

Пример 4
Композиция дизельного топлива (топливо 4).

Композиция ДМЭ/метанол/вода = 60/20/20 мас.%.

В соответствии с расчетами химического равновесия, показанными на фиг.1, концентрации, близкие к 60 мас.% ДМЭ, 20 мас.% метанола и 20 мас.% воды, получены при температуре дегидратации 400^oС и давлении в 20 бар (2 МПа). Топливная смесь с таким составом была приготовлена и испытана в соответствии с процедурой испытания, описанной выше. Дизельный двигатель был запущен на неразбавленном ДМЭ. С помощью электрического нагревателя на двигателе была установлена нагрузка в 40% (1 кВт). Воздушную горловину нагревали до 124^oС и стабилизировали. Трехходовой вентиль был переключен с неразбавленного ДМЭ на топливо 4. Наблюдали, что двигатель также продолжал работать на указанной топливной композиции.

Сгорание при температуре на входе 125^oС было ровным. Потребление топлива в этой серии опытов не измеряли, были измерены лишь концентрации O₂, CО₂ и СО в выхлопе. Однако получали результаты по протеканию сгорания при различных температурах. Результаты даны ниже в табл. 6.

Температуру воздушной горловины понизили до 106^oС. Работа двигателя стала неровной, и наблюдали перебой зажигания. Дальнейшее понижение температуры воздушной горловины до 77^oС привело к выражено неровной работе, а при 60^oС двигатель остановился.

Результаты показывают, что при работе с этой композицией для удовлетворительного сгорания необходима температура входящего воздуха 125^oС.

Пример 5
Композиция дизельного топлива (топливо 5).

Композиция ДМЭ/метанол/вода/ДЭЭ=50/20/20/10 мас.%.

В соответствии с расчетами химического равновесия, концентрации, близкие к 60 мас.% ДМЭ, 20 мас.% метанола и 20 мас.% воды, получены при температуре дегидратации 400^oС и давлении в 20 бар (2 МПа), если для питания реактора дегидратации использовать неразбавленный метанол. Для моделирования дегидратации при этой температуре и моделирования подачи метанольного топлива, содержащего этанол, в реактор дегидратации, 10% ДМЭ заменили простым диэтиловым эфиром (ДЭЭ), т.е. простым эфиром, получающимся при дегидратации этанола. Естественно, индивидуальный состав продукта дегидратации должен был содержать и некоторое количество непрореагировавшего этанола. Однако целью испытания этой композиции было установить характеристики сгорания топливной композиции, полученной из содержащего этанол метанольного топлива для реактора дегидратации, посредством приготовления и испытаний этого топлива 5.

Топливная смесь с таким составом была приготовлена, помещена на весы и испытана в соответствии с процедурой испытания, описанной выше. Дизельный двигатель вновь запустили на неразбавленном ДМЭ. С помощью электрического нагревателя на двигателе была установлена нагрузка в 40% (1 кВт). Воздушную горловину нагрели до 127^oС и стабилизировали в течение 5 мин. Трехходовой вентиль переключили с неразбавленного ДМЭ на топливо 5. Двигатель продолжал работать на указанной топливной композиции. Потребление топлива и выбросы измеряли при трех значениях температуры воздушной горловины, как указано в табл. 7.

Из табл. 7 видно, что результаты подтверждают более ранние наблюдения; при использовании этих водосодержащих топливных композиций была достигнута очень низкая концентрация NО_х. При 127^oС был получен хороший кпд топлива, а при более низких температурах на входе наряду с пониженным кпд наблюдали неполное сгорание.

Пример 6
Композиция дизельного топлива (топливо 6).

Композиция ДМЭ/метанол/вода=48/4/48 мас.%.

Эта топливная композиция служит примером высокого допустимого содержания воды в топливных композициях, применяемых в дизельных двигателях с предварительным подогревом воздуха. Полное исследование всех возможных топливных композиций не имеет особого смысла. Настоящая топливная композиция служит примером состава топлива, экстремального по содержанию воды. Более осмысленное определение пригодных топливных композиций, полученных дегидратацией сухого метанола, дано на фиг.1. Оказывается, что полученные топливные композиции, имеющие значения содержания воды, лежащие между двумя линиями (А и В), являются пригодным топливом при условии, что минимальная конверсия метанола обеспечивает достаточное количество простого эфира, чтобы запустить двигатель. В настоящем примере 48% ДМЭ было достаточным количеством. Однако наименьший приемлемый предел содержания простого эфира в топливной композиции зависит от индивидуального двигателя и условий работы двигателя. Топливная смесь с вышеуказанным составом была приготовлена, помещена на весы и испытана в соответствии с процедурой испытания, описанной выше. Дизельный двигатель запустили на неразбавленном ДМЭ. С помощью электрического нагревателя на двигателе была установлена нагрузка в 40% (1 кВт). Воздушную горловину нагрели до 125^oС и стабилизировали в течение 5 мин. Трехходовой вентиль переключили на топливо 6. Двигатель продолжал работать на указанной топливной композиции. Потребление топлива и выбросы измеряли при трех значениях температуры воздушной горловины, как указано в табл. 8.

Можно заключить, что способность простого эфира воспламеняться даже в смесях, содержащих 48% воды, удовлетворительна. Однако при таких высоких концентрациях кпд топлива понижается. Оказывается, что содержание NO_x сильно снижается при таких низких температурах выхлопного газа и высоком парциальном давлении воды.

Изобретение относится к кислородсодержащей топливной композиции, пригодной для применения в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, оборудованных нагревателем входящего воздуха, оборудованием для каталитической дегидратации спирта, пригодным для химической равновесной конверсии метанола, содержащего до 20 мас.% воды и до 20 мас.% этанола или высшего спирта. Получаемое топливо содержит комбинацию непрореагировавшего спирта, такого как метанол и этанол, простой диметиловый и диэтиловый эфиры и воду. Получаемое топливо впрыскивают в жидком виде непосредственно в цилиндры двигателя. Получаемый простой эфир обеспечивает хорошие характеристики воспламенения. Непрореагировавший спирт обеспечивает стабильное однофазное топливо, а наличие воды позволяет снизить температуру сгорания, что приводит к очень низкой концентрации оксидов азота в выхлопных газах. Другим преимуществом, связанным с полученными топливными композициями, является очень низкий уровень образования твердых частиц. Достигнут высокий общий кпд двигателя. Изобретение снижает зависимость от жидкого ископаемого топлива, поскольку применяемый спирт может быть получен из природного газа и, в основном, из всех углеродсодержащих веществ, таких как уголь, и возобновляемых ресурсов, таких как древесина. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 9 табл.

1. Способ получения композиции кислородсодержащего дизельного топлива, пригодной для применения в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и включающей метанол, простой диметиловый эфир и воду, включающий операцию конверсии метанола, содержащего до 20 мас.% воды и до 20 мас.% этанола или высшего спирта, в реакции каталитической дегидратации, причем метанол превращается в простой диметиловый эфир в соответствии со схемой реакции: 2CH₃OH→ДМЭ+вода; и на борту транспортного средства применяют каталитический конвертер, в котором температура дегидратации составляет 200-450^oС, и давление составляет 10-400 бар (1-40 МПа). 2. Способ работы двигателя с воспламенением от сжатия на топливе, которое можно получать по способу п.1, посредством впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя и сгорания топлива с воздухом, при котором концентрация метанола составляет 5-50%, и воздух для сгорания топлива предварительно нагревают по меньшей мере до 60^oС. 3. Способ по п.2, при котором воздух горения предварительно нагревают по меньшей мере до 100^oС. 4. Способ по п.2, при котором воздух горения предварительно нагревают посредством теплообмена с выхлопным газом. 5. Способ по п.2, применяемый на транспортных средствах, судах, в поездах или стационарных дизельных двигателях для выработки энергии и света.