АЛЬТЕРНАТИВНОЕ АВТОМОБИЛЬНОЕ ТОПЛИВО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК C10L1/02 C10L1/182 C10L1/185 C10L1/06 

Изобретение относится к альтернативному топливу, предназначенному для использования в автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием с универсальным потреблением топлива (FFV-автомобили) и способу его получения.

Этиловый спирт уже давно находит применение в качестве компонента различных видов моторных топлив. Его использование способствует уменьшению зависимости от ископаемых углеводородов и развитию сельского хозяйства или нефтехимии, снижению выбросов парниковых газов в жизненном цикле топлива. Важнейшим достоинством этанола является его способность к повышению стойкости топлива к детонации (октанового числа), а также, благодаря наличию атома кислорода, к более полному сгоранию топлива - тем самым снижается концентрация несгоревших углеводородов и монооксида углерода в отработавших газах. Кроме того, сгорание спирта происходит при более низкой температуре, чем бензина или дизельного топлива, поэтому при сгорании образуется намного меньше окислов азота. Все эти соединения нормируются стандартами ЕВРО.

Использование этанола известно еще с самых первых автомобилей, выпущенных в мире. Так знаменитый автомобиль Генри Форда - Форд-Т, выпускавшийся с 1908 по 1927 годы, был приспособлен для эксплуатации на трех видах топлива - бензин, керосин и спиртовое топливо. По сути дела, эти первые автомобили, произведенные в мире, имели универсальную топливную систему, которая и позволяла работать на разных топливах. В последствие такие топливные системы получили название flexible-fuel vehicle (FFV), что значит гибкие топливные автомобили. Под этим понимаются автомобили, работающие как на стандартном бензине, так и на любом виде этанолсодержащего топлива.

Топливная система FFV имеет два основных отличия от классических топливных систем. Первое отличие связано с тем, что спирт обладает высокой коррозионной активностью, особенно в присутствие воды, а также плохо влияет на обычные пластики и резиновые детали. Поэтому все детали двигателя должны быть заранее разработаны с учетом этих факторов. Второе отличие состоит в том, что, если при сгорании 1 килограмма бензина образуется примерно 43,6 МДж энергии, тогда как для спирта эта цифра составляет всего 30,6 МДж. Поэтому, для получения той же мощности двигателя необходимо подавать значительно больше спирта, чем бензина. Топливная система FFV распознает наличие спирта и его количество в топливе и в зависимости от этого изменяет его подачу.

Этанолсодержащие топлива по концентрации этилового спирта можно разделить на 3 группы: стандартный бензин, содержащий до 5-15% (Е5-Е15), среднеэтанольные топлива - от 20 до 40% (Е20, Е30, Е40) и высокоэтанольные топлива для специальных автомобилей - от 50 до 100% спирта (Е85, Е100, ED95).

Считается, что для бензина, содержащего до 15% спирта никаких изменений в конструкции и регулировках двигателя практически не требуется. Мало того, в техническом регламенте на бензин предусмотрена добавка до 5% этанола.

Топлива с высоким содержанием этанола (более 50%), предназначенные для использования в автомобилях с универсальным потреблением топлива (flexible-fuel vehicle (FFV) - автомобили, работающие как на стандартном бензине, так и на любом виде этанолсодержащего топлива). Эти автомобили получили значительное распространение в различных странах.

В США разработан стандарт ASTM D5798, который устанавливает требования к топливам, предназначенным для использования в FFV-автомобилях и содержащим от 51 до 83% об. этанола. Согласно этому стандарту денатурированный топливный этанол смешивается с углеводородной фракцией, удовлетворяющей требованиям ASTM D4814, однако состав этой фракции не регламентируется. В США топливо Е85 реализуется более чем на 3000 АЗС.

В Бразилии топливо Е85 получило наибольшее распространение, наряду с ними применяется топливо Е100, представляющее собой денатурированный этанол с пакетом присадок. В 2015 году 68% легкового автопарка Бразилии составляли автомобили с универсальным потреблением топлива, которые могут использовать топливо Е85 или стандартный бензин и их смеси.

Топливо Е85 также получило распространение в Канаде и Тайланде.

В странах Европейского союза топлива с высоким содержанием этанола (более 50% об.) должны соответствовать стандарту EN 15293. Согласно ему, денатурированный топливный этанол смешивается с товарным бензином, удовлетворяющим требованиям EN 228. Следует отметить, что общий уровень потребления топлив с высоким содержанием этанола ниже, чем в США, однако в некоторых государствах, например, в Швеции и Франции, он относительно высок.

В России имеется нормативно-техническая документация, необходимая для производства топлив с высоким содержанием этанола. ГОСТ Р 54290-2010 «Топливный этанол (Ed75-Ed85) для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием. Технические условия». Однако на данный момент подобные топлива в России не производятся.

Представленные данные по применению в различных странах топлив с высоким содержанием этанола подтверждают актуальность данного направления и практическую применимость изобретения.

Известна композиция топлива, в состав которой входят от 80 до 99% этанола и от 1 до 20% углеводородной фракции, которая включает в себя пентан, изопентан, бутан, изобутан и пропан. Дополнительно в составе может присутствовать вода от 1 до 20%.

(Патент GB 2433265, МПК C01L 1/02, C10L 1/16, опубл. 20.07.2007 г.)

Известна топливная композиция, состоящая из 15-25% об. низкооктановой фракции прямой перегонки нефти или газового конденсата, выкипающей внутри интервала температур НК-200°С и до 100% об. этилового спирта, содержащего до 4% об. воды. (Патент РФ №2549179, МПК C10L 1/18, C10L 1/02 C10L 10/04, опубл. 20.04.2015 бюл. №11)

Наиболее близким по составу к заявляемому является топливо, состоящее из этилового спирта 54-85% масс, и углеводородной бензиновой фракции процесса гидрокрекинга, выкипающую в интервале температур 28-225°С до 100% масс.

(Патент RU 2605954, МПК C10L 1/182, C10L 1/18, C10L 1/06, опубл. 10.01.2017 бюл. №1)

Основным недостатком прототипа, как в прочем и остальных аналогов является то, что в их составе используются углеводородные бензиновые фракции, являющиеся производными нефти, а это значит, что топливные композиции будут расслаиваться в присутствии воды при понижении температуры окружающей среды. Помимо этого, в топливе будет присутствовать сера из бензиновой фракции и октановое число бензиновой фракции будет также влиять на октановое число топливной композиции в целом, поэтому если используются прямогонные или другие низкооктановые фракции, то октановое число всей композиции понизится, а использовать высокооктановые фракции дорого.

Наиболее близким способом получения альтернативного топлива является способ, в котором смешивается этиловый спирт от 54 до 85% масс, и углеводородная фракция Компоненты топлива смешиваются при температуре окружающей среды в смесителе в течение 20-30 минут.

(Патент RU 2605954, МПК C10L 1/182, C10L 1/18, C10L 1/06, опубл. 10.01.2017, бюл. №1)

Недостатком указанного изобретения является использование в составе топливной композиции углеводородной фракции.

Основной проблемой использования чистого этилового спирта в качестве моторного топлива является то, что его температура кипения составляет +78,4°С, тогда как у бензина температура начала кипения составляет +33°С. Это говорит о том, что у спирта более низкая испаряемость, чем у бензина и поэтому на чистом спирте могут возникнуть трудности с запуском холодного двигателя. Трудностей никаких не будет только в том случае, если температура окружающего воздуха достаточно высока. Если же температура воздуха ниже плюс 10°С, то запуск на таком топливе практически не возможен. Поэтому в Бразилии, где температуры круглогодично высокие, можно использовать чистый спирт (так называемый Е100). В США и Европе более холодно, поэтому там, в качестве альтернативного топлива используется спиртовое топливо Е85, в котором содержится от 70 до 85% спирта, а остальное бензин или бензиновые фракции. Это позволяет улучшить испаряемость топлива и делает возможным запуск холодного двигателя до минус 25°С и ниже.

Согласно требованиям, на спиртовое топливо для FFV американского стандарта ASTM D5798, европейского EN 15293 и выпущенного на их основе Российского ГОСТ Р 54290 - 2010 для повышения испаряемости наряду с углеводородной частью можно использовать простые алифатические эфиры.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка на основе этилового спирта и эфирной части, дешевого и доступного альтернативного автомобильного топлива и способа его получения. Это топливо отличается высокой детонационной стойкостью, не содержит серы и не расслаивается даже при сверхнизких температурах, при этом оно обладает хорошими пусковыми свойствами.

Указанный технический результат достигается тем, что в автомобильном топливе с октановым числом не менее 100,0 ед., определенным по моторному методу, состоящем из этилового спирта и эфирной части, согласно заявляемому изобретению автомобильное топливо в качестве эфирной части содержит простой циклический эфир - оксид пропилена, при следующем соотношении компонентов, об.%:

эфирная часть 5-10

этиловый спирт до 100

Указанный технический результат достигается также тем, что в способе получения альтернативного автомобильного топлива смешением этилового спирта с эфирной частью, согласно заявляемому изобретению в качестве эфирной части используют оксид пропилена с температурой кипения плюс 34,2°С и давлением насыщенных паров (ДНП) порядка 118 кПа, оксид пропилена смешивают с этиловым спиртом при температуре окружающей среды.

Поскольку в присутствии воды этиловый спирт обладает повышенной коррозионной активностью, то в топливо дополнительно рекомендуется вводить присадку с антиокислительными и антикоррозионными свойствами, хотя оксид пропилена как органическое основание и сам способен к значительному снижению коррозионной активности спирта.

Все компоненты топливной композиции, используемые в предлагаемом изобретении, производятся промышленностью.

Этиловый спирт может быть получен из сельскохозяйственных культур и отходов переработки древесины и сельского хозяйства (биоэтанол) или путем гидратации этилена (синтетический этиловый спирт). В настоящее время в России действуют следующие стандарты на этиловый спирт: ГОСТ Р 53200-2008 «Денатурированный топливный биоэтанол. Технические условия», ГОСТ Р 56146-2014 «Этанол денатурированный, используемый в качестве компонента топлива для двигателей с искровым зажиганием. Технические требования», ГОСТ EN 15376-2014 «Топлива автомобильные. Этанол в качестве компонента моторного топлива» и ГОСТ Р 51999-2002 «Спирт этиловый синтетический ректификованный и денатурированный. Технические условия».

Изобретение направлено, прежде всего, на относительную дешевизну, поэтому к спирту предъявляются минимальные требования с точки зрения содержания воды и соответственно его цены. Для данной композиции пригоден спирт с содержанием воды от 5 до 20% об.

В таблице 1 представлены основные характеристики этилового спирта. В качестве этилового спирта использованы два его вида с различным содержанием воды - 5 и 20% об.

В качестве эфирной части предлагается простой циклический эфир - оксид пропилена. Использование вместо углеводородной части эфирной вещь известная. В Российском ГОСТ Р 54290 - 2010 на топливо Ed75-Ed85 прямо указано, что наряду с углеводородной частью могут использоваться простые алифатические эфиры, поэтому основная новизна данного изобретения в том, что в спиртовой композиции используются не простые алифатические эфиры, а простой циклический эфир - оксид пропилена. В таблице 2 представлены основные характеристики оксида пропилена.

Главный фактор, предопределивший использование оксида пропилена, это его относительно низкая температура кипения плюс 34,2°С. Это позволяет при использовании всего 5% оксида пропилена получить такой же эффект, как и при использовании 15% товарного бензина к 85% этилового спирта. Для того, чтобы в этом убедиться, были произведены разгонки образцов топлив с использованием товарного бензина и оксида пропилена. Результаты разгонок представлены в таблице 3.

Результаты испытаний различных образцов топлива представлены в таблице 4.

Таким образом, за счет использования оксида пропилена можно использовать даже не обезвоженный этиловый спирт что позволяет существенно снизить стоимость композиции в целом, при этом топливо обладает высокой детонационной стойкостью и хорошей испаряемостью.

Изобретение раскрывает альтернативное автомобильное топливо с октановым числом не менее 100,0 единиц, определенным по моторному методу, состоящее из этилового спирта и эфирной части, отличающееся тем, что в качестве эфирной части содержит простой циклический эфир - оксид пропилена, при следующем соотношении компонентов, об.%:

эфирная часть 5-10

этиловый спирт до 100

Также раскрывается способ получения альтернативного автомобильного топлива. Технический результат заключается в получении альтернативного автомобильного топлива, которое обладает октановым числом не менее 100 ед., определенным по моторному методу, низким содержанием промытых и непромытых смол (не более 5 мг/100 см³) и серы (не более 10 мг/кг), а также соответствует основным требованиям к характеристикам топлив для FFV-автомобилей по ASTM D5798, EN 15293 и ГОСТ Р 54290. 2 н.п ф-лы, 4 табл.

1. Альтернативное автомобильное топливо с октановым числом не менее 100,0 единиц, определенным по моторному методу, состоящее из этилового спирта и эфирной части, отличающееся тем, что в качестве эфирной части содержит простой циклический эфир - оксид пропилена, при следующем соотношении компонентов, об.%:

эфирная часть 5-10 этиловый спирт до 100

2. Способ получения альтернативного автомобильного топлива по п. 1 смешением этилового спирта с эфирной частью, отличающийся тем, что в качестве эфирной части используют простой циклический эфир - оксид пропилена с температурой кипения плюс 34,2°С и давлением насыщенных паров порядка 118 кПа, оксид пропилена смешивают с этиловым спиртом при температуре окружающей среды.