ЧИСТЫЙ, ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ И БЕЗВРЕДНЫЙ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ БЕНЗИНОВЫЙ ПРОДУКТ Российский патент 2016 года по МПК C10L1/04 

Область техники

Настоящее изобретение принадлежит к области очистки нефти и нефтехимической техники и относится к новому виду продукта нефтяного топлива (из очищенной нефти) для двигателя внутреннего сгорания.

Предпосылки создания изобретения

1. Сравнение дизельного двигателя с бензиновым двигателем

Бензин обладает относительно более высокой температурой самовоспламенения. Бензиновый двигатель в основном работает посредством зажигания, и обычно называется как двигатель с принудительным зажиганием.

При этом дизельное топливо обладает относительно более низкой температурой самовоспламенения. В дизельном двигателе дизельное топливо в основном подается в цилиндр двигателя непосредственно через насос для впрыска топлива и топливную форсунку, и там смешивается со сжатым воздухом. Смесь самовоспламеняется в условиях высокой температуры и высокого давления, что приводит поршень в работу. Дизельный двигатель обычно называют двигателем с воспламенением от сжатия.

Как правило, по сравнению с бензиновым двигателем, дизельный двигатель имеет на 30% более высокий термический коэффициент полезного действия, на 45% более низкий выброс парниковых газов, и низкий выброс СО и углеводородов. Поэтому, с целью сохранения энергии и уменьшения стоимости топлива, важно продвигать использование дизельных двигателей.

Дизельный двигатель имеет более высокий коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии, чем бензиновый двигатель, в основном, потому что дизельный двигатель имеет большую степень сжатия. Теоретически, чем больше степень сжатия, тем больше коэффициент полезного действия двигателя. Степень сжатия для бензинового двигателя, как правило, составляет 7-11, в то время как степень сжатия для дизельного двигателя, как правило, составляет 14-22.

В последние годы, в дизельном двигателе уже используют некоторые передовые технологии, например, такие как турбонаддув, интеркулер, прямой впрыск, каталитическое преобразование выхлопного газа и улавливание твердых частиц, и т.д. Выброс выхлопных газов дизельного двигателя соответствует стандартам на содержание выхлопных газов Euro III, Euro IV и даже Euro V.

Степень сжатия дизельного двигателя ограничивается механической прочностью материалов двигателя, в то время как степень сжатия бензинового двигателя ограничивается антидетонационным свойством бензина. В случае чрезмерной степени сжатия явление детонации появляется во время сгорания топливно-воздушной смеси.

Виды бензина стандартного качества на рынке включают неэтилированный бензин 90#, 93#, 95#, 97# и 98#.

2. Таблица 1 показывает данные в отношении октанового числа некоторых углеводородных соединений, полученные из Интернета.

Таблица 1 зависимость между структурой углеводорода и октановым числом н-гептан CH₃-(CH₂)₅- CH₃ октановое число 0 н-октан CH₃-(CH₂)₆-СН₃ октановое число -17 н-гексан СН₃-(CH₂)₄-СН₃ октановое число 25 Октен-1 CH₂=СН-СН₂)₅-СН₃ октановое число 34.7 Пентан СН₃-(CH₂)₅-СН₃ октановое число 61 Этилциклогексан СН₃-СН₂-(циклогексан) октановое число 44 Диметилциклогексан СН₃-(циклогексан)-CH₃ октановое число 62 Циклогексан   октановое число 77 Гексен-4 СН₃-(CH₂)₂-СН=CH-(CH₂)₂-СН₃ октановое число 74.3 Гексен-1 CH₂=CH-(СН₂)₃-СН₃ октановое число 80 Изооктан (СН₃)₃С-СН₂-CH(СН₃)₂ октановое число 100 Бутен-1 CH₂=СН-СН₂-СН₃ октановое число 106 Этилбензол октановое число 98 Диметилбензол CH₃-(C₆H₄)-CH₃ октановое число 103 Метилбензол октановое число 104 Бензол C₆H₆ октановое число 108

3. Ароматические углеводороды и октановое число

Бензин стандартного качества содержит ксилол, этилбензол, толуол, метилэтилбензол или другие производные бензола, которые в основном имеют высокое октановое число и применяются также в качестве важных химических материалов. После экстракции, октановое число бензина резко снижается, и не может отвечать требованиям к качеству бензина, предъявляемым на рынке. Это вызывает борьбу за материалы между химическими продуктами и бензиновыми продуктами.

Ароматические углеводороды, как правило, являются немного ядовитыми. Поэтому недавно в мире была предложена концепция топлива, не содержащего ароматических углеводородов.

4. Противодетонационная добавка

Для того чтобы повысить октановое число бензина, поставщики бензина иногда добавляют в бензин противодетонационную добавку. Противодетонационные добавки для бензина стандартного качества в основном включают алкилсвинец, метилциклопентадиенилтрикарбонил-марганец (МТМ), метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), метил-трет-амиловый эфир, трет-бутиловый спирт и этанол, и т.д.

Применение МТМ и МТБЭ часто вызывает вторичное загрязнение окружающей среды. При этом МТБЭ запрещен правилами в некоторых штатах США.

Низкоуглеродистые спирты, такие как этанол, пропанол и трет-бутиловый спирт, или их смеси оказывают такое же действие, как и МТБЭ, когда их применяют в качестве добавки к бензину. Кроме того, у них есть преимущества в отношении стоимости, по сравнению с МТБЭ, так, что они обладают высоким потенциалом на рынке в качестве примесей к бензину. Добавление 10% пропилового спирта в бензин может повысить качество компаундированного бензина (то есть повысить октановое число бензина), таким образом, создавая существенный экономический эффект.

Сильноразветвленные алканы обладают более высоким октановым числом, чем изомеры алканов с прямой цепью, а также хорошей сгораемостью в цилиндре, то есть имеют небольшое детонационное действие, когда их применяют в качестве компонентов бензина стандартного качества. Так как алканы с прямой цепью имеют низкое октановое число, в нефтеперерабатывающей промышленности их превращают в ароматические соединения при помощи процесса каталитического реформинга, посредством которого алканы с прямой цепью превращаются в сильноразветвленные алканы, в максимально возможной степени.

5. Бензин, дизель и керосин

Как правило, углеводородные соединения с длиной углеродной цепи 5-18, содержащиеся в нефти, представляют собой жидкость при комнатной температуре. Например, все углеводороды от С5Н12 до С18Н38 являются жидкими при комнатной температуре. При этом углеводороды с длиной углеродной цепи выше 19 (С19) являются твердыми при комнатной температуре.

Бензин, как правило, представляет собой углеводород с длиной углеродной цепи 5-11; керосин, как правило, представляет собой углеводород с длиной углеродной цепи 12-14 или 12-15; и дизель, как правило, представляет собой углеводород с длиной углеродной цепи 15-18 или 14-18. В соответствии с требованиями рынка, существующие бензиновые, дизельные и керосиновые фракции могут быть соответственно удлинены на два атома углерода в обоих направлениях.

Не все из вышеупомянутых различных материалов получены из нефти, и небольшая их часть может быть получена из угля или растительного масла. Главным отличием бензина, дизеля и керосина является длина углеродной цепи.

6. Креативность настоящего изобретения

Ранее, основная исследовательская работа в отношении бензина концентрировалась на том, как повысить октановое число бензина и его температуру самовоспламенения так, чтобы соответствовать требованию повышения степени сжатия двигателя и повысить коэффициент полезного действия двигателя. Вместо этого, при понижении октанового числа бензина и его температуры самовоспламенения, бензин может быть воспламенен от сжатия. В этом случае, степень сжатия двигателя, в котором применяют этот вид бензина с низким октановым числом, может быть значительно повышена, и, таким образом, может быть значительно повышен коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии двигателя.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает новый вид чистого, высокоэффективного и безвредного для окружающей среды бензинового продукта. На первый взгляд, бензиновый продукт является бензином с низким октановым числом, которое является ниже чем 50. Однако указанный продукт является фактически новым видом нефтяного топлива для двигателя внутреннего сгорания, а не нефтяным продуктом стандартного качества в общем смысле. Одна из его особенностей состоит в том, что этот новый бензиновый продукт с низким октановым числом может применяться для воспламенения от сжатия. Это воспламенение от сжатия представляет собой вид диффузионного воспламенения от сжатия, которое отличается от текущего воспламенения, где бензин может беспрепятственно сгорать в бензиновом двигателе только тогда, когда он воспламеняется посредством свечи зажигания, и также отличается от метода регулирования процесса сгорания компрессионного воспламенения однородной смеси (HCCI). Таким образом, в двигателе внутреннего сгорания, в котором применяют этот новый вид бензинового продукта, могут применяться технологии высокой степени сжатия и высокого воздушно-топливного соотношения, но без бесконтактной системы зажигания, такой как свеча зажигания, которая необходима для присутствующих в настоящее время бензиновых двигателей. Другая особенность бензинового продукта состоит в том, что указанный новый бензиновый продукт имеет те же самые или похожие фракции, что и присутствующий в настоящее время бензин, который отличается от дизельных продуктов, применяемых для воспламенения от сжатия. При том что дизельные продукты могут быть воспламенены от сжатия, и дизельный двигатель не имеет бесконтактной системы самовоспламенения, фракции дизельного топлива представляют собой приблизительно С14-С18. При этом новый бензиновый продукт указанного настоящего изобретения имеет фракции, похожие с бензином стандартного качества, приблизительно С6-С11.

Новый бензиновый продукт с низким октановым числом в соответствии с настоящим изобретением в основном состоит из ректифицированных углеводородных соединений нефти фракции С6-С12, и небольшого количества соединений углерода, водорода и кислорода и соединений углерода, водорода, кислорода и азота. Как показано в Таблице 1, алканы с прямой цепью имеют низкое октановое число и являются предпочтительными компонентами для бензина с низким октановым числом, в то время как сильноразветвленные алканы (изомеры алканов) и ароматические соединения имеют высокое октановое число, и таким образом должны быть удалены из бензина, имеющего низкое октановое число, как имеющие большую длину.

В качестве дальнейшей доработки, новый бензиновый продукт с низким октановым числом в соответствии с настоящим изобретением может быть удлинен до С5-С18 на основании углеводородных соединений с длиной углеродной цепи, составляющей 6-11, до тех пор, пока его смесь может отвечать двум необходимым условиям, то есть "может применяться для воспламенения от сжатия", и "может в достаточном объеме сгорать внутри цилиндра двигателя".

С другой стороны, поскольку новый бензиновый продукт в соответствии с настоящим изобретением имеет низкое октановое число и низкое антидетонационное свойство, то он не может применяться в двигателе, использующем бензин стандартного качества, непосредственно.

Новый бензиновый продукт с низким октановым числом имеет преимущества в отношении чистоты, эффективности и экологичности, а именно:

(1) Высокоэффективный: поскольку бензин с низким октановым числом может применяться для воспламенения от сжатия, то в двигателе внутреннего сгорания, в котором применяют этот бензин, могут применяться высокая степень сжатия и высокое воздушно-топливное соотношение, и при этом степень сжатия может доходить до 14-22. Поэтому термический коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания, в котором применяют новый бензиновый продукт, является выше, чем у двигателя, в котором применяют бензин стандартного качества, и таким образом имеет место превосходная экономия топлива;

(2) Чистый: поскольку новый бензиновый продукт с низким октановым числом имеет низкое октановое число, например 50, 40, 30 или даже отрицательное, то содержание ароматических соединений, таких как ксилол, этилбензол, толуол, метилэтилбензол и другие производные бензола с высоким октановым числом является очень низким или даже равно нулю. И поэтому отсутствует необходимость в добавлении противодетонационных добавок, таких как МТБЭ или МТМ, для повышения октанового числа бензина;

(3) Безвредный для окружающей среды: по сравнению с алканами с прямой цепью и сильноразветвленными алканами, выхлопной газ от сгорания ароматических соединений и противодетонационных добавок, таких как МТБЭ, содержит небольшое количество окиси азота или соединений углерода, азота и кислорода, а также полициклические ароматические углеводороды, которые наносят вред окружающей среде и людям. Кроме того, для того чтобы повысить октановое число, присутствующие в настоящее время бензиновые продукты должны пройти через сложный процесс производства, включающий много стадий, и поэтому потребление как энергии, так и материалов на единицу бензинового продукта является выше, чем для бензина с низким октановым числом. По этой причине, новый бензиновый продукт с низким октановым числом в соответствии с настоящим изобретением является более безвредным для окружающей среды.

Новый бензиновый продукт в соответствии с настоящим изобретением может быть получен посредством соответствующего понижения октанового числа бензина прямой перегонки в объеме фракций, используемых для бензина стандартного качества.

Этот вид нового бензинового продукта имеет невысокие требования в отношении октанового числа. По этой причине, что касается разных сезонов, то компонент бензина, имеющего низкое октановое число, может быть повышен до С5 в сезон низких температур, или повышен до С12-С18 в сезон высоких температур.

Бензин, имеющий низкое октановое число, может быть смешан с дизельным топливом в соотношении, которое выбирают из широкого диапазона, для того чтобы повысить эксплуатационные качества дизельного топлива. Например, для того чтобы повысить качество распыления и осуществление полного сгорания дизельного топлива, соотношение компонентов смеси может составлять, например, 0-50% или 50-100%, и различные характеристики топливной смеси могут быть установлены в соответствии с различным соотношением компонентов смеси. Это может повысить текучесть и стойкость против замерзания дизельного топлива.

Октановое число может использоваться не только как стандарт качества бензинового продукта, имеющего низкое октановое число, но также как и признак идентификации для различных продуктов, таких как бензин 40#, 30# или 50#.

В бензин, имеющий низкое октановое число, может быть добавлено небольшое количество этанола или простого диметилового эфира, для того чтобы образовать топливную смесь.

Соответствующие патентные притязания являются следующими:

1. Чистый, высокоэффективный и безвредный для окружающей среды бензиновый продукт, который в основном получен из нефти, представляет собой вид бензина, имеющего низкое октановое число, который имеет низкую температуру самовоспламенения, которая соответствует температуре самовоспламенения дизельного топлива, может быть воспламенен от сжатия в двигателе внутреннего сгорания и в достаточном объеме сгорать внутри цилиндра двигателя, где степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, в котором применяют указанный бензин, имеющий низкое октановое число, составляет в основном 16-19 и может быть увеличена до 14-22,

при этом основные фракции указанного бензина, имеющего низкое октановое число, представляют собой С6-С11 алканы и небольшое количество олефинов, где чем выше содержание алканов с прямой цепью, тем ниже октановое число бензина,

фракции указанного бензина могут быть удлинены до С5-С18 на основании С6-С11 так, чтобы образовать С5-С11, или С6-С18, или С5-С18, где содержание компонентов с различными длинами углеродной цепи (включая алканы с прямой цепью и их изомеры и небольшое количество олефинов) отличается от друг друга, при этом их конкретное содержание может комбинироваться по выбору в соответствии с требованиями рынка и пользователей, при этом указанный бензин должен отвечать тому необходимому условию, чтобы быть воспламеняемым от сжатия.

2. Бензиновый продукт в соответствии с пунктом 1, где его применяют в двигателе внутреннего сгорания, который обладает степенью сжатия, которая составляет 16-19 (как у дизельного двигателя),

при этом указанный двигатель внутреннего сгорания обеспечен системой смазки, системой хранения и системой подачи нефтяного топлива (как у бензинового двигателя), которые необходимы для легкого нефтяного топлива (бензина), и также имеет систему впрыска под давлением (топливный насос высокого давления и топливная форсунка под давлением) для подачи указанного бензина в цилиндр под давлением, внутри которого осуществляется постоянное сгорание,

или указанный двигатель внутреннего сгорания обладает степенью сжатия, которая составляет 8-16, такой как у двигателя внутреннего сгорания с устройством наддува,

или указанный двигатель внутреннего сгорания обладает степенью сжатия, которая составляет 19-22.

3. Бензиновый продукт в соответствии с пунктом 1, где в указанный бензин, имеющий низкое октановое число, может быть добавлено небольшое количество топливного этанола или диметилэфира, для того чтобы образовать топливную смесь, которая может также отвечать необходимым условиям того, чтобы быть воспламеняемой от сжатия и сгорать в достаточном объеме;

4. Бензиновый продукт в соответствии с пунктом 1, где указанный бензин, имеющий низкое октановое число, может быть добавлен в дизельное топливо в качестве добавки, для того чтобы повысить качество распыления и улучшить осуществление полного сгорания дизельного топлива.

Конкретные варианты осуществления изобретения

Вариант осуществления 1

Н-гептан, н-гексан и бензин 93# смешивают вместе в соотношении 1:1:1. Когда каждый из трех компонентов занимает одну треть всего объема соответственно (они имеют равный объем перед смешиванием), то октановое число смешанного топлива составляет приблизительно 39,3 (что соответствует бензину 39#). Смешанное топливо может быть воспламенено от сжатия в двигателе со степенью сжатия 17,6 в условиях нормальной температуры и давления.

Вариант осуществления 2

Рафинат нефти после экстракции из ароматического углеводорода (основные компоненты состоят из С6-С11 после удаления ароматического углеводорода посредством реформинга нефти) имеет октановое число, составляющее приблизительно 58,7. Нефтепродукт может быть воспламенен от сжатия в двигателе внутреннего сгорания 295Т со степенью сжатия 17 в условиях нормальной температуры и давления.

Вариант осуществления 3

Фракцию С5 (которую далее называют "бензиновая фракция") добавляют во фракции бензина, имеющего низкое октановое число, и при этом смесь нефтепродуктов имеет октановое число, составляющее 40. В этом случае, смесь может быть воспламенена от сжатия в двигателе со степенью сжатия 12 в условиях воздуха под давлением 2 кг/см².

Вариант осуществления 4

Керосиновую фракцию добавляют во фракции бензина, имеющего низкое октановое число, и при этом смесь нефтепродуктов имеет октановое число, составляющее 30. В этом случае, смесь может быть воспламенена от сжатия в двигателе внутреннего сгорания со степенью сжатия 17 в условиях нормальной температуры и давления.

Вариант осуществления 5

Дизельную фракцию (30%) добавляют во фракции бензина, имеющего низкое октановое число (70%), и при этом смесь нефтепродуктов имеет октановое число, составляющее 30. В этом случае смесь может быть воспламенена от сжатия в двигателе внутреннего сгорания 493 Q со степенью сжатия 18 в условиях нормальной температуры и давления.

Вариант осуществления 6

Керосиновую фракцию (10%) и дизельную фракцию (50%) добавляют во фракции бензина, имеющего низкое октановое число (40%), и при этом смесь нефтепродуктов имеет октановое число, составляющее 40. В этом случае, смесь может быть воспламенена от сжатия в двигателе внутреннего сгорания со степенью сжатия 17 в условиях нормальной температуры и давления.

Двигатель внутреннего сгорания с диффузионным воспламенением от сжатия, имеющий систему впрыска бензина под давлением (топливный насос высокого давления и топливная форсунка под давлением), является особенно подходящим для широкого применения нового бензинового продукта, имеющего низкое октановое число.

Изобретение описывает чистый, высокоэффективный и безвредный для окружающей среды бензиновый продукт, который представляет собой вид бензина, имеющий октановое число, которое составляет 58,7 или ниже чем 50, низкую температуру самовоспламенения, которая составляет 300-380°С, которая эквивалентна температуре самовоспламенения дизельного топлива, где указанный бензин может быть воспламенен от сжатия в двигателе внутреннего сгорания, при степени сжатия двигателя внутреннего сгорания 14-22, при этом основные фракции указанного бензина представляют собой алканы С₆-С₁₁. Также раскрывается способ применения чистого, высокоэффективного и безвредного для окружающей среды бензинового продукта в двигателе внутреннего сгорания, который дополнительно обеспечен системой смазки, системой хранения, системой подачи нефтяного топлива и системой впрыска под давлением для подачи указанного бензина в цилиндр под давлением, внутри которого осуществляется постоянное сгорание. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 пр., 1 табл.

1. Чистый, высокоэффективный и безвредный для окружающей среды бензиновый продукт, который представляет собой вид бензина, имеющего октановое число, которое составляет 58,7 или ниже чем 50, и низкую температуру самовоспламенения, которая составляет 300-380°С, которая эквивалентна температуре самовоспламенения дизельного топлива, где указанный бензин может быть воспламенен от сжатия в двигателе внутреннего сгорания и в достаточном объеме сгорать внутри цилиндра двигателя при степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, в котором применяют указанный бензин, имеющий октановое число, которое составляет 58,7 или ниже чем 50, составляющей в основном 14-22;
при этом основные фракции указанного бензина, имеющего октановое число, которое составляет 58,7 или ниже чем 50, представляют собой алканы С₆-С₁₁, где чем выше содержание алканов с прямой цепью, тем ниже октановое число бензина;
где содержание компонентов с различными длинами углеродной цепи, включая алканы с прямой цепью и их изомеры и олефины, отличается друг от друга, компоненты при этом могут по выбору комбинироваться в соответствии с содержанием специальных требований рынка и пользователей, но при условии, что указанный бензин должен быть воспламеняемым от сжатия.

2. Бензиновый продукт в соответствии с п. 1, где указанный бензиновый продукт, имеющий октановое число, которое составляет 58,7 или ниже чем 50, является топливной смесью, которая содержит топливный этанол или диметилэфир, указанная топливная смесь может также отвечать необходимым условиям того, чтобы быть воспламеняемой от сжатия и сгорать в достаточном объеме.

3. Способ применения чистого, высокоэффективного и безвредного для окружающей среды бензинового продукта по п. 1, в котором бензин применяют в двигателе внутреннего сгорания, который обладает степенью сжатия, которая составляет 8-22,
при этом указанный двигатель внутреннего сгорания обеспечен системой смазки, системой хранения и системой подачи нефтяного топлива, которые необходимы для бензина, и также имеет систему впрыска под давлением для подачи указанного бензина в цилиндр под давлением, внутри которого осуществляется постоянное сгорание.

4. Способ по п. 3, в котором указанный двигатель внутреннего сгорания обладает степенью сжатия, которая составляет 8-16, и обеспечен устройством наддува.

5. Способ по п. 3, в котором указанный двигатель внутреннего сгорания обладает степенью сжатия, которая составляет 16-19, и необязательно обеспечен устройством наддува.

6. Способ по п. 3, в котором указанный двигатель внутреннего сгорания обладает степенью сжатия, которая составляет 19-22.

7. Способ применения бензинового продукта по п. 1, в котором указанный бензин, имеющий октановое число, которое составляет 58,7 или ниже чем 50, может быть добавлен в дизельное топливо в качестве добавки для повышения качества распыления и осуществления полного сгорания дизельного топлива.