<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf einen Treibstoff zur Herabsetzung der Schadstoffe im Abgas von benzinbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen gemäss Patent Nr. 313451.
Die Zusammensetzung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen ist in erster Linie vom
EMI1.1
EMI1.2
EMI1.3
Motorkonstruktion des Verbrennungsmotors gegeben und liegt zwischen 0, 85, also Luftunterschuss, und 1, 1, also Luftüberschuss, wobei bei X= 0, 85 die grösste Leistung und bei À = 1, 1 der geringste Verbrauch erzielt wird.
Weiters wird die Leistung eines Verbrennungsmotors (Ottomotor) durch die Verdichtung bestimmt. Eine höhere Verdichtung ergibt höhere Verbrennungstemperaturen und damit höhere Enddrücke sowie einen besseren Wirkungsgrad. Damit Ottomotoren mit hoher Verdichtung betrieben werden können, ist es notwendig, dem Treibstoff sogenannte Klopfbremsen beizumengen, vor allem organische Bleiverbindungen, wie Bleitetraäthyl (TEL) oder Bleitetramethyl (TML). Durch die starke Zunahme des Kraftfahrzeugverkehrs tritt Gefährdung der Gesundheit durch die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe, insbesondere durch Kohlenmonoxyd (CO), Stickoxyde (NO.), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CHx), Aldehyde, Crackprodukte sowie durch Blei auf.
Wenn auch die Giftigkeit mancher Stoffe, z. B. Blei, in der Luft noch umstritten ist, so haben sich doch die Gesetzgeber vieler Staaten (USA, BRD, Schweiz, Österreich, usw. ) veranlasst gesehen, den Gehalt der Schadstoffe in den Abgasen sowie den Gehalt an Blei und Aromaten im Treibstoff zu begrenzen.
Es wurden bereits viele Versuche unternommen, durch verschiedene Massnahmen die vom Gesetzgeber verlangten geringeren Schadstoffmengen zu erreichen, doch ist es bisher durch rein motorisch konstruktive Massnahmen nicht gelungen, wesentliche Erfolge zu erzielen. Dies ist jedoch erklärbar, wenn man das Zustandsdiagramm eines Ottomotors von idealem Zustand und mit elektronischer Einspritzung betrachtet, bei dem der Gehalt der einzelnen Schadstoffkomponenten in Abhängigkeit von der Luftzahl veranschaulicht wird (Fig. ).
Man sieht daraus, das der Gehalt an CO bei der Luftzahl 1 ein Maximum erreicht, der von CO ein Minimum. Der Gehalt an (CHX) hat das Minimum bei einer Luftzahl von 1, 15, wobei an gleicher Stelle das Maximum an NOX und an Aldehyden liegt. Da die Verbrennung nur im Bereich von X 0, 85 bis 1, 1 gut abläuft, ist dieser Bereich auch im Betrieb der Leistung und dem Verbrauch nach der beste. Ausserhalb dieser Bereiche ist ein Abfall an Leistung und erhöhtem Verbrauch zu verzeichnen. Ferner stellt das Diagramm die Abhängigkeit der einzelnen Schadstoffe im Rahmen des chemischen Gleichgewichtes voneinander dar. Es ist also bei einer bestimmten Luftzahl zwangsläufig jede Grösse der einzelnen Komponenten, gleicher Treibstoff vorausgesetzt, gegeben.
Da die Treibstoffe genormt sind, unterscheiden sie sich, international gesehen, nur unwesentlich im C/H-Verhältnis voneinander. Der Gehalt an NOX ist eine Funktion der Verbrennungstemperatur, die sich auch aus der Luftzahl ergibt. Die Stickoxyde sind wegen ihrer katalytischen Wirkung bei Oxydationsreaktionen in der chemischen Technologie seit langem bekannt, z. B. bei Bleikammerverfahren die Oxydation von SO zu SO3, das Verfahren der Gutehoffnungshütte zur Oxydation von Methan zu Formaldehyd, das Verfahren der Monsanto Chemical Co zur Oxydation von aliphatischen Kohlenwasserstoffen zu Formaldehyd, Acetaldehyd, Aceton, Alkoholen usw.
Die katalytische Wirkung von NO ist somit auch bei der Verbrennung im Ottomotor gegeben, da schon 0, 1 Vol-% als katalytisch wirksame Mengen in technischen Prozessen bei niedrigeren Temperaturen als sie im Ottomotor auftreten, ausreichend sind. Der Verbrennungsvorgang im Ottomotor ist nicht nur eine Funktion der Luftzahl sondern auch eine Funktion der Verbrennungsgeschwindigkeit mit der der Treibstoff verbrennt. Bei verschmutzten Motoren ist die Verbrennung unvollständig. Es muss ausserdem noch bemerkt werden, dass sich auch die Turbulenz während der Verbrennung, die von der Drehzahl abhängt, in der Erreichung des Gleichgewichtes bemerkbar macht.
Nach dem Massenwirkungsgesetz kann der Gleichgewichtszustand bei einer Reaktion nur dadurch verändert werden, dass bei gleichen Reaktionsteilnehmern der Druck und/oder die Temperatur geändert werden. Aus diesen Überlegungen heraus ist es also nur dann möglich, die Zusammensetzung des Abgases zu verändern, wenn man a) den Treibstoff ändert oder b) die Verdichtung des Motors herabsetzt.
Die Herabsetzung der Verdichtung bringt eine Verschlechterung der Leistung mit sich. Bei den meisten europäischen Kraftfahrzeugen würden dadurch die Fahrleistungen so herabgesetzt, dass sie den Ansprüchen nicht mehr genügen.
Ein weiterer Weg zur Beseitigung der Schadstoffe im Abgas besteht darin, das Abgas nach dem Austritt aus dem Motor mit Luft zu vermischen und die Schadstoffe zu verbrennen. Zur Ermöglichung einer Nachverbrennung ist es jedoch notwendig, dass das austretende Abgas so heiss ist, dass die katalytische Verbrennung in Gang gehalten werden kann. Dazu ist eine Einstellung der Zündung erforderlich, die nicht einer wirtschaftlichen und leistungsmässig guten Einstellung entspricht. Weiters muss eine entsprechend grosse Luftmenge verdichtet und mit dem Abgas vermischt werden. Daraus resultiert eine Verminderung der
<Desc/Clms Page number 2>
Fahrleistung bei einem weit höheren Treibstoffverbrauch. Der zyklische Betrieb eines Kraftfahrzeuges lässt den Wert solcher Nachverbrennungen sehr fragwürdig erscheinen.
Katalysatoren arbeiten nur unter genau definierten und gleichbleibenden Bedingungen zufriedenstellend. Es ist nicht vorstellbar, wie z. B. im Winter bei-20 C, wo beim Starten des Motors ein fettes Gemisch vorhanden sein muss, der kalte Katalysator überhaupt funktionieren soll.
Es bleibt daher praktisch der einzige Weg, durch geeignete Massnahmen die Verbrennung selbst so zu ändern, dass der Gehalt an Schadstoffen zwangsläufig vermindert wird. Dies kann bei gleichbleibender Verdichtung nur so geschehen, dass mit Hilfe sauerstoffhaltiger Verbindungen der Luftbedarf und die Verbrennungstemperatur herabgesetzt wird. Weiters kann bei Verwendung von sauerstoffhaltigen Verbindungen mit grösserer Verbrennungsgeschwindigkeit das Gleichgewicht der Verbrennung schneller erreicht und dadurch der Wirkungsgrad sogar noch erhöht werden.
Unter der Fülle von organischen sauerstoffhaltigen Verbindungen können aus wirtschaftlichen und physikalischen Gründen nur wenige als Zusatz geeignet bezeichnet werden. Der Zusatz darf den Treibstoff nicht so verändern, dass er dadurch nicht mehr normgerecht ist. Weiters sollen auch schon geringe Mengen möglichst wirksam sein.
Es wurden schon wiederholt Alkohole, Ester, Ketone und andere organische Verbindungen als Ersatztreibstoffe beschrieben. Auch die Vorteile des Zusatzes von Alkoholen sind in der Literatur zu finden.
Es ist jedoch nicht möglich, nur eine Verbindung dem Treibstoff zuzusetzen, da meist unerwünschte Folgen, z. B. Entmischung in der Kälte, Vereisung, Korrosionen usw. eintreten.
Es wurde nun eine Mischung gefunden, die beim Zusatz zum Treibstoff nicht nur die Verbrennung in gewünschtem Sinne günstig beeinflusst, sondern auch noch weitere beachtliche Vorteile bringt. Gegenstand der Erfindung ist ein Treibstoff gemäss Patent Nr. 313451 mit einem Gehalt an Azetalen, Alkoholen und Anilin, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er als Zusatz eine Mischung aus 35 bis 45 Vol.-Teilen Methylal, 35 bis 45 Vol.-Teilen Methanol, 15 bis 25 Vol.-Teilen Isopropanol sowie vorzugsweise 10 bis 125 Vol.-Teilen Anilin bzw. dessen Derivaten, insbesondere Methylanilin, in einer Menge von 2 bis 12, vorzugsweise 5 bis 10 Vol,-%, gegebenenfalls nebst andern üblichen Treibstoffzusätzen, enthält.
Die Mischung ist in ihrer Zusammensetzung so abgestimmt, dass sowohl die physikalischen Voraussetzungen, das sind Mischbarkeit mit Benzin, Kältebeständigkeit der Mischungen mit Benzin, als auch die chemischen Voraussetzungen, das sind niedrigerer Luftbedarf, niedrigere Verbrennungstemperatur und hohe Verbrennungsgeschwindigkeit erfüllt werden. Es wird damit erreicht, dass durch die niedrige Verbrennungstemperatur der Gehalt an NO, entsprechend kleiner wird, durch den geringen Luftbedarf das Massengleichgewicht verbessert und durch die hohe Verbrennungsgeschwindigkeit eine raschere Einstellung des
EMI2.1
infolge des Gleichgewichtes um 10 bis 20%, bewegt sich jedoch nur im ppm-Bereich.
Mit diesem erfindungsgemäss eingesetzten Zusatz wurde ferner versucht, das als Klopfbremse bekannte Anilin (bzw. dessen Derivate), das wegen der Verharzung von Vergaser und Ansaugsystem sowie Verschmutzung der Lagerbehälter bisher nicht verwendet worden ist, an Stelle von Blei einzusetzen. Es wurden einem bleifreien Grundbenzin sowohl 5 bis 10% der oben angeführten Mischung als auch 1, 25 bis 2, 5 Vol.-% Anilin zugefügt. Es wurde eine Erhöhung der Oktanzahl um bis zu 11 OZ erreicht. Ausserdem wurde die Gumbildung eines marktübliche Treibstoffes auf die Hälfte herabgedrückt. Im praktischen Betrieb eines Kfz. wurde innerhalb eines Jahres keine Verschmutzung festgestellt.
Bei der Analyse der Abgase von erfindungsgemässen Treibstoffen, die Anilin enthielten, wurde überraschend festgestellt, dass die Zugabe von Anilin (bzw. dessen Derivaten) die Menge der Schadstoffe nicht beeinflusst. Es waren weder mehr Stickoxyde noch Aldehyde nachweisbar. Dies bedeutet, dass durch die Kombination von erfindungsgemässem Treibstoff mit Anilin der Fortfall von Bleiverbindungen ermöglicht wird.
Für die praktische Anwendung sehr wichtig ist auch der Umstand, dass selbst bei 15 Vol.-% erfindungsgemässen Zusatz noch kein wesentlicher Leistungsabfall festzustellen war. Auch der Verbrauch bleibt vollkommen gleich. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Zusatzes besteht darin, dass die im praktischen Betrieb anfallenden Wassermengen gelöst werden und somit Störungen wegen Wasser im Tank nicht mehr auftreten können.
Durch den Fortfall von Bleiverbindungen ist es bei Verwendung des erfindungsgemässen Zusatzes und Anilin (dessen Derivate, z. B. Methylanilin) möglich, ohne Erhöhung des Aromatenanteils, Treibstoffe mit der heute üblichen Klopffestigkeit herzustellen. Bekanntlich entsteht bei der Verbrennung von Aromaten das krebserregende ss-Benzpyren. Es wurde daher sowohl in den USA als auch in der BRD empfohlen, den Aromatengehalt nicht über die heute üblichen 25 Vol.-% zu steigern. Ausserdem stellen die Aromaten wertvolle Rohstoffe für die chemische Industrie dar.
Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung von bleifreien Treibstoffen, wobei die heute üblichen Grundbenzine unverändert verwendet werden können. Es können mit den durch den erfindungsgemässen Zusatz
<Desc/Clms Page number 3>
und Anilin (bzw. dessen Derivate) veredelten Treibstoffen die Motoren ohne jede konstruktive Änderung betrieben werden, wobei kein Verlust an Leistung und kein erhöhter Verbrauch entsteht. Trotzdem werden die Schadstoffe wesentlich herabgesetzt.
Eine Herabsetzung der Schadstoffe auf Null ist bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Treibstoff durch keinerlei konstruktive Massnahmen oder durch Zusatz von Detergentien möglich. Der Gehalt wird sich den Naturgesetzen entsprechend im Rahmen des im praktischen Fahrbetrieb angewandten Luftverhältnisses einstellen.
Alle Massnahmen, wie magere Einstellung, Nachverbrennung, Zumischung von Abgase usw., bringen nur einen höheren Verbrauch bei geringerer Leistung und stellen somit eine unnütze Verschwendung dar. Es ist daher mit der Erfindung die einzige Möglichkeit gegeben, bei optimaler Ausnutzung der Energie des Treibstoffes die geringsten Schadstoffmengen zu erhalten.
Die Prüfung der in den Beispielen angeführten Treibstoffgemische erfolgte auf einem Rollenprüfstand für Kraftfahrzeuge bis zu 10 t Gewicht und einer Geschwindigkeit bis zu 200 kmh. Auf diesem Prüfstand kann das Fahrverhalten für alle Betriebszustände, wie sie auf der Strasse eintreten, simuliert werden. Es wurden die Treibstoffgemische mit Kraftfahrzeugen verschiedener Marken und Typen getestet. Die Treibstoffgemische wurden auf ihr Normverhalten nach den derzeit geltenden DIN und ASTM-Vorschriften geprüft. Weiters wurde mittels eines CFR-4 Motors mit elektronischer Einspritzung sowohl die Klopffestigkeit als auch die Zusammensetzung des Abgases untersucht. Die Werte wurden mit geeichten Analysatoren ermittelt und aufgeschrieben. Neben diesen Daten wurde die öl-und Kühlwassertemperatur sowie die Zugkraft des Motors in Kp laufend gemssen und registriert.
Weiters wurde fallweise die Beschleunigung und der Verbrauch gemessen.
Die einzelnen Komponenten des erfindungsgemässen Zusatzes verstehen sich nicht als chemisch reinste Stoffe, sondern technische Produkte der üblichen Handelsqualität. Es ist klar, dass die einzelnen Stoffe dem Treibstoff nicht als Mischung zugesetzt werden müssen, sondern auch jeder für sich hintereinander zugesetzt werden kann ; dies gilt insbesondere für den Zusatz der als Klopfbremse eingesetzten aromatischen Amine.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne dass diese jedoch hierauf beschränkt sein soll.
Beispiel l : Einem handelsüblichen Normalbenzin mit den Siedegrenzen von 35 bis 200 C, der Dichte 0, 731/15 C, einer Oktanzahl ROZ 88 und einem Heizwert von 10100 Kal wurden 5 Vol.-% einer Mischung von
40 Vol.-Teilen Methylal (CH3O)2CH2
40 Vol.-Teilen Methanol CH30H
20 Vol.-TeiIen Isopropanol (CHg CHOH zugesetzt. Der Treibstoff besass nun einen Heizwert von 9840 Kal. Seine Klopffestigkeit war auf ROZ 88, 9 gestiegen. Der CO-Gehalt im Abgas sank von 2, 30 Vol.-% auf 1, 27 Vol.-%. Die Zugkraft blieb mit 52 Kp unverändert.
Der Gehalt an Stickoxyden fiel von 4600 ppm auf 4000 ppm, der Aldehydgehalt von 20 auf 11 ppm. Der Verbrauch betrugg pro 100 km um 0, 13 l mehr.
EMI3.1
40 Vol, Teilen Methylal
40 Vol.-Teilen Methanol
20 Vol.-Teilen Isopropanol und 1, 25 Vol.-% Anilin zugesetzt. Die Mischung besass nun einen Heizwert von 9840 Kal. Seine Klopffestigkeit war auf ROZ 92 gestiegen. Der CO-Gehalt im Abgas sank von 1, 33 Vol.-% auf 1, 08 Vol.-%. Die Zugkraft blieb unverändert mit 61 Kp. Der Gehalt an Stickoxyden fiel von 4600 auf 3820 ppm, der Aldehydgehalt blieb mit 20 ppm gleich.
Beispiel 3 : Einem handelsüblichen Normalbenzin wie unter 1.) wurden
10 Vol.-% einer Mischung von
40 Vol.-Teilen Methylal
40 Vol.-Teilen Methanol
20 Vol.-Teilen Isopropanol zugesetzt. Die Mischung besass nun einen Heizwert von 9500 Kal. Die Oktanzahl stieg auf ROZ 90, 2. Der
EMI3.2
b) Einem handelsüblichen Superbezin mit den Siedegrenzen von 35 bis 195 C, einer Dichte von 0, 752/15oC, einer Oktanzahl von ROZ 98 und einem Heizwert von 10500 Kal. werden 10 Vol.-%
Isopropanol zugesetzt. Der Heizwert beträgt nunmehr 10260 Kal.
Die Oktanzahl erhöht sich auf
ROZ 98, 8, der CO-Gehalt sinkt von 2, 30 auf 0, 78 Vol.-% ; Der Gehalt an Stickoxyden steigt von
4200 auf 4620 ppm, der Gehalt an Aldehyden von 18 auf 30 ppm.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1