ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ ЭТАНОЛА Российский патент 2012 года по МПК C10L1/02 

Изобретение относится к дизельному топливу на основе этанола.

Этанол все более широко применяется как топливо для двигателей с искровым зажиганием. Топливо для двигателей с искровым зажиганием, использующееся в настоящее время в Бразилии, является смесью этанола и бензина в различных соотношениях. E85, который состоит из 85% абсолютного этанола и 15% бензина, уже много лет доступен в Швеции.

Однако топливо на основе этанола до настоящего времени не годилось для дизельных двигателей, в частности, по двум причинам. Во-первых, самовоспламенение связано со значительным запаздыванием зажигания, что является следствием того, что цетановое число этанола составляет всего лишь около 8, тогда как для дизельного топлива требуются цетановые числа более 30. Кроме того, скорость горения после зажигания существенно ниже, чем у традиционного дизельного топлива, что ведет к потерям кпд.

Известно, что степень сжатия дизельного двигателя повышают от примерно 17-18 до примерно 28, чтобы улучшить параметр самовоспламенения. Это решение для двигателя, в котором проводится повышение конечной температуры, было выбрано компанией Scania в Швеции. Однако это приводит к повышенным механическим нагрузкам на двигатель, чего в конечном счете можно избежать только снижением мощности. Кроме того, в E85 нужно добавлять ускоритель воспламенения на основе высокомолекулярных нелетучих производных полиэтиленгликоля в количестве примерно 3-7% (об./об.). Это дизельное топливо имеет также торговое название Etamax D. Однако применение Etamax D ведет к нежелательному выбросу аэрозолей из-за добавления производных полиэтиленгликоля (SAE 2004-01-1987).

Оказалось, что использование глицеринэтоксилата в качестве ускорителя воспламенения, согласно US 5628805, также имеет недостатки наличия выбросов аэрозолей.

Дизельное топливо на основе этанола, содержащее полиалкиленгликолевые соединения в качестве улучшителя зажигания, описано в EP 0403516. Однако это топливо не очень эффективно и также приводит к нежелательным выбросам аэрозолей.

Целью изобретения является устранение указанных выше недостатков, в частности выброса аэрозолей, и получение дизельного топлива на основе этанола, которое пригодно для использования в обычных дизельных двигателях.

Эта цель достигается получением дизельного топлива на основе этанола, которое содержит от примерно 60 до примерно 90% (об./об.) этанола, до примерно 20% (об./об.) линейного простого диалкилового эфира с длиной цепи от примерно 10 до примерно 40 или их смесей и от 0 до примерно 30 вес.% ускорителя горения.

Таким образом, в этанол добавляют один или более линейных диалкиловых эфиров, которые сгорают без/по существу без выбросов аэрозолей. Могут образовываться только частицы негорючих органических соединений, которые можно удалить при помощи катализатора окисления. В испытательных циклах выбросы аэрозолей в дизельном топливе согласно изобретению ниже примерно 5 мг/кВт·ч, предпочтительно ниже примерно 2 мг/кВт·ч в испытательных циклах ESC, ETC, WHDC (dieselnet.com). Дизельное топливо согласно изобретению автоматически возгорается даже при степенях сжатия ниже 21. Дизельное топливо согласно изобретению может применяться в обычных дизельных двигателях и отличается низким значением запаздывания зажигания, высокой скоростью горения и высокой теплотворной способностью. Запаздывание зажигания предпочтительно составляет не более 9 мс, особенно предпочтительно не более 8,5 мс и в высшей степени предпочтительно не более 8,0 мс. Кроме того, использование одного или более диалкиловых эфиров ведет к тому, что можно обойтись без денатурирующих агентов. Дизельное топливо согласно изобретению является высокоценным дизельным топливом на биогенной основе.

Линейный диалкиловый эфир предпочтительно присутствует в количестве до примерно 10% (об./об.), особенно предпочтительно в количестве до примерно 5% (об./об.). Так как диалкиловый эфир является наиболее дорогим из компонентов, содержащихся в дизельном топливе согласно изобретению, предпочтительно использовать его в минимальном возможном количестве.

Линейные диалкиловые эфиры, использующиеся в дизельном топливе согласно изобретению, имеют длину цепи от примерно 10 до примерно 40. При подсчете длины цепи учитывается атом кислорода. Длина цепи предпочтительно составляет от примерно 10 до примерно 30, особенно предпочтительно от примерно 17 до примерно 25. Особенно хорошо подходят дигексиловый эфир, дигептиловый эфир, диоктиловый эфир, динониловый эфир, дидециловый эфир, диундециловый эфир, дилауриловый эфир и димиристиловый эфир. Особенно подходящими являются диоктиловый эфир, дидециловый эфир и дилауриловый эфир, так как их производство наиболее дешево.

Линейный диалкиловый эфир предпочтительно содержит только одну связь простого эфира.

Кроме того, предпочтительно, чтобы линейный диалкиловый эфир не содержал спиртовых групп.

Линейные диалкиловые эфиры предпочтительно являются в основном линейными, что значит, что они могут быть лишь чуть разветвленными, т.е. содержать всего до трех, предпочтительно до двух C₁-C₄ алкильных групп.

Применяемые диалкиловые эфиры предпочтительно используются как растворители для этанола и ускорителя горения, если последний используется. Предпочтительно, смешение все еще возможно при -20°C.

Этанол (абсолютный) используется в количестве от примерно 60 до примерно 95% (об./об.), в частности в количестве от примерно 65 до 85% (об./об.), особенно предпочтительно в количестве от примерно 70 до примерно 80% (об./об.).

Ускоритель горения присутствует в количестве от примерно 0 до примерно 30% (об./об.), предпочтительно в количестве от примерно 2 до примерно 25% (об./об.). В частности, ускоритель горения присутствует в количестве от примерно 5 до примерно 20% (об./об.), в высшей степени предпочтительно в количестве от примерно 5 до примерно 50% (об./об.). Это выгодно тем, что при сохранении желаемых свойств можно снизить количество дорогого диалкилового эфира.

Ролью ускорителя горения является повышение скорости горения после зажигания. Кроме того, ускоритель горения повышает теплотворную способность топлива.

Ускоритель горения предпочтительно выбран из группы, состоящей из компонентов дизельного топлива или компонентов топлива для двигателей с искровым зажиганием.

Дизельным топливом особенно предпочтительно является гидрогенизованное растительное масло, FAME, FAEE и их смеси, так как они могут особенно хорошо смешиваться с этанолом, а также с линейным диалкиловым эфиром. В высшей степени предпочтительно использование FAME согласно DIN EN 14214 (2004), в частности метилового эфира рапсового масла (RME), метилового эфира пальмового масла (PME) и метилового эфира соевого масла (SME), так как они особенно хорошо смешиваются с этанолом и линейным диалкиловым эфиром и дополнительно повышают теплотворную способность дизельного топлива по изобретению.

Годятся также компоненты топлива для двигателей с искровым зажиганием, в частности гексан и петролейный эфир, в частности, в качестве ускорителей горения.

В предпочтительном варианте реализации дизельное топливо согласно изобретению на основе этанола содержит от примерно 60 до примерно 80% (об./об.) этанола, от примерно 2,5 до примерно 15% (об./об.) линейного диалкилового эфира, а также их смесей и от примерно 15% до примерно 25% (об./об.) ускорителя горения.

В частности, дизельное топливо согласно изобретению на основе этанола содержит от примерно 65 до примерно 75% (об./об.) этанола, от примерно 2,5 до примерно 12,5% (об./об.) линейного диалкилового эфира и от примерно 17,5 до примерно 22,5% (об./об.) ускорителя горения.

В высшей степени предпочтительном варианте реализации дизельное топливо по изобретению на основе этанола содержит примерно 75% (об./об.) этанола, примерно 5% (об./об.) линейного диалкилового эфира и примерно 20% (об./об.) ускорителя горения.

Если ускоритель горения не используется, дизельное топливо согласно изобретению на основе этанола предпочтительно содержит примерно 70% (об./об.) этанола и примерно 30% (об./об.) линейного диалкилового эфира.

Пример 1 (сравнительный пример)

Запаздывание зажигания и скорость горения традиционного коммерческого топлива Etamax D измеряли усовершенствованным анализатором запаздывания зажигания топлива (AFIDA) фирмы ASG, Neusäß (US 2007/0083319) (см. фиг.1). Давление впрыска составляло 800 бар, температура в камере - 600°C, давление в камере - 50 бар, длительность впрыска - 600 мс и количество впрыска - 22 мг.

Запаздывание зажигания составляло около 25 мс, другими словами, никакого зажигания не происходило.

Пример 2

Дизельное топливо согласно изобретению на основе этанола, приведенное ниже, было испытано аналогично примеру 1 (фиг.2)

Таблица 1 № Этанол
(абсолютный)
[%(об./об.)] Диалкиловый эфир [%(об./об.)] Ускоритель горения [%(об./об.)] Запаздывание зажигания [мс] 1 70 Диоктиловый эфир 10 Метиловый эфир пальмового масла 20 7,5 2 70 Дидециловый эфир 10 Метиловый эфир соевого масла 20 7,8 3 75 Дилауриловый эфир 5 Метиловый эфир соевого масла 20 7,8

Запаздывание зажигания уменьшилось по сравнению с уровнем техники (Etamax D) (у Etamax D >25 мс). Кроме того, значительно повысилась скорость горения.

Пример 3

Дизельное топливо согласно изобретению на основе этанола, указанное ниже, испытывалось аналогично примеру 1 (фиг. 3).

Таблица 2 № Этанол
(абсолютный)
[%(об./об.)] Диалкиловый эфир [%(об./об.)] Ускоритель горения [%(об./об.)] Запаздывание зажигания [мс] 1 70 Диоктиловый эфир 10 Метиловый эфир рапсового масла
20 7,5 2 70 Дидециловый эфир 10 Метиловый эфир рапсового масла
20 7,8 3 70 Дилауриловый эфир 10 Метиловый эфир рапсового масла
20 7,8

В сравнении с предшествующим уровнем техники (Etamax D) запаздывание зажигания снизилось (у Etamax D >25 мс). Кроме того, значительно повысилась скорость горения. Давление повышается, и следовательно, скорость горения выше, когда используется дидециловый эфир (2) и дилауриловый эфир (3), в сравнении с диоктиловым эфиром (1).

Пример 4

Аналогично примеру 1, проводили измерения на этанольных аддитивных смесях, с 70% (об./об.) этанола и 30% (об./об.) эфира. Таким образом, были определены следующие запаздывания зажигания:

Дибутиловый эфир >15 мс Дигексиловый эфир 8,5 мс Диоктиловый эфир 7,9 мс Этиленгликоля диэтиловый эфир >15 мс Формальдегида диэтилацеталь, 99,7% >15 мс Тетрагидрофуран безводный, 99% >15 мс Диметоксиметан, 98%> >15 мс н-Бутилэтиловый эфир, 99% >15 мс Бутилэтиловый эфир, 99% >15 мс Ди-трет-бутилпероксид [2%] >15 мс Деканол 12,5 мс ТГФ >15 мс

Этот пример показывает, что (факультативно) без ускорителя горения можно полностью обойтись.

Изобретение относится к дизельному топливу на основе этанола. Топливо содержит от 60 до 80% (об./об.) абсолютного этанола, от 2,5 до 20% (об./об.) линейного диалкилового эфира с длиной цепи от 10 до 40, а также их смесей и от 15 до 30% (об./об.) ускорителя горения. Ускоритель горения представляет собой FAME согласно DIN EN 14214 (2004) и является метиловым эфиром рапсового масла, метиловым эфиром соевого масла или метиловым эфиром пальмового масла. Полученное топливо сгорает без выбросов аэрозолей и пригодно для использования в обычных дизельных двигателях. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл., 4 пр.

1. Дизельное топливо на основе этанола, включающее от 60 до 80% (об./об.) этанола (абсолютного), от 2,5 до 20% (об./об.) линейного диалкилового эфира с длиной цепи от 10 до 40, а также их смесей, и от 15 до 30% (об./об.) ускорителя горения, где ускоритель горения представляет собой FAME.

2. Дизельное топливо по п.1, отличающееся тем, что линейный диалкиловый эфир присутствует в количестве от 2,5 до 10% (об./об.), предпочтительно в количестве от 2,5 до 5% (об./об.).

3. Дизельное топливо по п.1, отличающееся тем, что ускоритель горения присутствует в количестве от 15 до 25% (об./об.).

4. Дизельное топливо по п.1, отличающееся тем, что FAME является FAME согласно DIN EN 14214 (2004).

5. Дизельное топливо по п.4, отличающееся тем, что FAME согласно DIN EN 14214 (2004) является метиловым эфиром рапсового масла, метиловым эфиром соевого масла или метиловым эфиром пальмового масла.

6. Дизельное топливо по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что этанол присутствует в количестве от 65 до 80% (об./об.), предпочтительно в количестве от 70% до 80% (об./об.).