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Die Erfindung bezieht sich auf einen synthetischen Treibstoff, der in heute üblichen bezinbetriebenen Motoren ohne Änderung der Konstruktion, ohne Verlust an Leistung und mit keinem höheren Verbrauch verwendet werden kann und dabei ein Minimum an Schadstoffen im Abgas ergibt. Für die praktische Verwendung ist ferner kein Zusatz an Klopfbremsen (org. Bleiverbindungen, Anilin, usw.) und sind auch keine sonstigen Zusätze zur Reinhaltung des Motors erforderlich.
Die Zusammensetzung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen ist in erster Linie vom KraftstoffLuftverhältnis, nämlich der Luftzahl abhängig. Die Luftzahl drückt das Verhältnis der Luftmenge bei der Verbrennung zur stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge aus.
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Motorkonstruktion des Ottomotors gegeben und liegt zwischen 0, 85, als Luftunterschuss und 1, 1 als Luft- überschuss, wobei bei À= 0, 85 die grösste Leistung und bei A. = l, l der geringste Verbrauch erzielt wird.
Weiters wird die Leistung eines Ottomotors durch die Verdichtung bestimmt. Eine höhere Verdichtung
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bremsen dem Treibstoff beizumengen, vor allem organische Bleiverbindungen, wie Bleitetraäthyl (TEL) oder
Bleitetramethyl (TML). Durch die starke Zunahme des Kraftfahrzeugverkehrs treten Gefährdung der Ge- sundheit durch die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe, insbesondere durch Kohlenmonoxyd (CO), Stick- oxyde (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CH) y, Aldehyde, Crackprodukte sowie durch Bleiverbin- dungen auf. Wenn auch die Giftigkeit mancher Stoffe, z. B.
Bleiverbindungen, in der Luft noch umstritten ist, so haben sich die Gesetzgeber vieler Staaten (USA, BRD, Schweiz, Österreich, usw.) veranlasst gesehen, den
Gehalt der Schadstoffe in den Abgasen sowie den Gehalt an Bleiverbindungen 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 nicht gelungen, durch konstruktive Massnahmen Erfolge zu erzielen. Dies ist jedoch erklärbar, wenn man das Zustandsdiagramm eines Otto- motors von idealem Zustand und mit elektronischer Einspritzung betrachtet, bei dem der Gehalt der einzelnen Schadstoffkomponenten in Abhängigkeit von der Luftzahl veranschaulicht wird (Fig. 1).
Man sieht daraus, dass der Gehalt an C02 bei der Luftzahl 1 ein Maximum erreicht, der von CO ein
Minimum. Der Gehalt an (CHx) y 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 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 erhöhter 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, gleich 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 802 zu 803'das Verfahren der Gutehoffnungshütte zur Oxydation von Methan zu Formaldehyd, das Verfahren der Monsanto Chemical Co. zur Oxydation aliphatischen Kohlenwasserstoffen zu Formaldehyd, Acetaldehyd, Aceton, Alkoholen, usw. Die katalytische Wirkung von NOx ist 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 langsamer und das Gleichgewicht kann sich nur unvollständig einstellen. Es muss ausserdem noch bemerkt werden, dass sich auch die Turbulenz während der Verbrennung, die von der Drehzahl abhängt, bei 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 mei-
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sten europäischen Kraftfahrzeugen wurden dadurch die Fahrleistungen so herabgesetzt, dass sie den Ansprü- chen nicht mehr genügen.
Ein weiterer Weg zur Beseitigung der Schadstoffe im Abgas besteht darin, sie nach dem Austritt aus dem Motor mit Luft zu vermischen und die Schadstoffe zu verbrennen. Zur Ermöglichung einer Nachverbreni nung ist es jedoch notwendig, dass das austretende Abgas so heiss sein muss, dass die katalytische Verbren- nung in Gang gehalten werden kann. Dazu ist eine Einstellung der Zündung erforderlich, die einer wirtschaft- lichen und leistungsmässig guten Einstellung entgegensteht.
Weiters muss eine entsprechende grosse Luftmenge verdichtet und mit dem Abgas vermischt werden.
Daraus resultiert eine Verminderung der Fahrleistung bei einem weit höheren Treibstoffverbrauch. Der zyk- lische Betrieb eines Kraftfahrzeuges lässt den Wert solcher Nachverbrennungen sehr fragwürdig erschei- nen. Katalysatoren arbeiten nur unter genau definierten und gleichbleibenden Bedingungen zufriedenstellend.
Es ist z. B. nicht vorstellbar, wie im Winter bei -200C, wo beim Starten des Motors ein fettes Gemisch vor- handen sein muss, der kalte Katalysator überhaupt funktionieren soll.
Es bleibt daher als einzige richtige Möglichkeit, eine Verbesserung der Verbrennung dadurch zu erzie- len, dass an Stelle von Benzin ein Treibstoff eingesetzt wird, der einen niedrigeren Heizwert, eine niedrige- re Verbrennungstemperatur und dazu noch alle jene physikalischen Eigenschaften besitzt, die ihn als Treib- stoff an Stelle von Benzin geeignet machen.
Es wurden bereits organische Verbindungen, die Sauerstoff enthalten, als Ersatztreibstoffe zur Strek- kung bzw. als Ersatz von Benzin beschrieben. Alle diese Gemische werden jedoch heute nicht mehr verwen- det, da sie für den ordentlichen Betrieb von benzinbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen nicht mehr ge- eignet sind bzw. deren Herstellung so teuer ist, dass eine wirtschaftliche Verwendung nicht in Frage kommt.
Bei der Herstellung dieser Ersatztreibstoffe wurde auf die zur Erzielung von hohen Leistungen notwen- digen Oktanzahlen sowie die Verminderung der Schadstoffe im Abgas keinerlei Wert gelegt. Es waren zu die- ser Zeit weder die heute üblichen Hochleistungsmotoren noch das Problem der Umweltverschmutzung be- kannt. Es wurden daher auch Verbindungen, wie z. B. Acetale, Paraldehyd, usw. als Ersatztreibstoffe ange- führt, die wegen ihrer schlechten Klopffestigkeit heute nicht mehr brauchbar sind. Auch Mischungen von
Acetalen mit allen möglichen andern geeigneten organischen brennbaren Flüssigkeiten wurden als Treibstof- fe vorgeschlagen, ohne dass dabei jedoch auf irgendein konkretes Mischungsverhältnis Bezug genommen wur-
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Auch Äthylalkohol hat als Treibstoff vorteilhafte Eigenschaften, sein Einsatz ist jedoch bisher aus steu- erlichen und wirtschaftlichen Gründen nicht durchgeführt worden. Als weitere Ersatztreibstoffe, welche insbesondere als Streckmittel für Benzin Verwendung gefunden haben, wurden auch Ketone, insbesondere Aceton, sowie Ester, insbesondere Methyl- oder Äthylacetat, vorgeschlagen. Alle diese Verbindungen bzw. Mischun- gen konnten sich jedoch im praktischen Betrieb nicht durchsetzen.
Ein Treibstoff für benzinbetriebene Verbrennungskraftmaschinen muss folgende Voraussetzungen erfüllen : - Kältebeständigkeit, - niedriger Dampfdruck bis zirka 60 C, - gutes Startverhalten bis -300C, - gute Verbrennung, - hohe Leistung des Motors, - wirtschaftlicher Verbrauch, - Beständigkeit bei der Lagerung, - nicht korrosiv, - mit Wasser keine Entmischung, - Motor bleibt sauber, - keine Vereisungserscheinungen im Vergaser, - hohe Klopffestigkeit, - geringer Schwefelgehalt, - frei von Säure, - frei von Rückständen.
Es ist möglich, viele organische Verbindungen, z. B. wie oben als Treibstoff zu benützen, doch erfiillt keine einzige allein die oben angeführten Anforderungen. Nur Gemische aus geeigneten Verbindungen und in bestimmten Mischungsverhältnissen könnten alle Anforderungen erfüllen. Ausserdem muss noch Bedacht darauf genommen werden, dass die in Betracht gezogenen Verbindungen in technisch grösstem Massstab und wirtschaftlich erzeugt werden können.
Es wurde ein Gemisch gefunden, das in seinen spezifischen Eigenschaften nicht nur die technischen und wirtschaftlichen, sondern überdies noch die von den Gesetzgebern verlangten gesundheitlichen Bedingungen erfüllt.
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Ein solches Gemisch besteht vor allem aus Methylal, Methan und Isopropanol.
Mischungen von
10 bis 30 Vol.-% Methylai,
80 bis 50 Vol.-% Methanol,
10 bis 20 Vol.-% Isopropanol und/oder n-Propanol und/oder Äthanol haben sich als sehr gute synthetische Treibstoffe erwiesen. Es wurde gefunden :
Klopffestigkeit ROZ bis 115,
Dampfdruck nach Reid 0, 4 bis 0, 6 kg/cm2,
Startvermögen bis -350C,
Kältebeständigkeit bis -900C, frei von Säuren und Alkalien, frei von Rückständen, unbegrenzte Lagerfähigkeit, saubere Verbrennung und sauberes Abgas, keine Vereisung des Vergasers, kein Schwefelgehalt, kein Leistungsabfall, besserer Wirkungsgrad, keine geruchliche Belästigung durch Dämpfe, frei von Blei und sonstigen Zusätzen, keine Ablagerung im Verbrennungsraum, keine Korrosionen.
Die hohe Klopffestigkeit der Mischungen ermöglicht es, die erzielbare Leistung und damit den Wir- kungsgrad durch Erhöhung der Verdichtung zu verbessern.
In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Verdichtungsverhältnisses von der Octanzahl veranschaulicht. Beim heutigen Stand der Treibstofftechnik ist die Herstellung hochklopffester Treibstoffe mit ROZ über 100 wohl möglich, jedoch nicht mehr wirtschaftlich. Es ist daher der Bau von Hochleistungsmotoren mit einer Verdichtung über 10 : 1 heute nicht vertretbar. Mit dem erfindungsgemässen Treibstoff ist jedoch der Betrieb von Motoren bis zu einem Verdichtungsverhältnis 17 : 1 möglich geworden.
Die Fig. 3 zeigt die Zunahme der Leistung und die Abnahme des Verbrauchs bei voller Ausnützung der Octanzahl.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades vom Vernichtungsverhältnis. Die Eigenart des Ottomotors bringt es mit sich, dass eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses über 17 : 1 eine Verschlechterung bringt, wie dies aus dem Vergleich des theoretischen Wirkungsgrades mit dem praktisch erzielbaren Wirkungsgrad in Fig. 5 gezeigt wird.
Aus der Fig. 6 geht der Unterschied im Siedeverhalten zwischen einem handelsüblichen Superbenzin und dem erfindungsgemässen synthetischen Treibstoff hervor. Schon der Siedeintervall des Benzins von 35 bis 2000C zeigt, aus welch unterschiedlichen Stoffen das Benzin besteht und dass es unmöglich sein muss, diese Vielfalt von Verbindungen optimal zur Reaktion zu bringen. Der erfindungsgemässe synthetische Treibstoff hingegen besteht aus genau definierten Verbindungen, die sich in ihren Eigenschaften hinsichtlich Verbrennung sinnvoll ergänzen. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften erlauben es dem Konstrukteur, ein Maximum des Energieinhaltes auszunützen. Die Einstellung des Motors über alle Betriebsbereiche kann optimal erfolgen.
Wie aus der Literatur hervorgeht, ist die Verbrennungsgeschwindigkeit von Methylal, Methanol und Isopropanol weitaus höher als die von Kohlenwasserstoffen. Dadurch stellt sich eine vollkommene Verbrennung weit schneller ein, als dies bei den Kohlenwasserstoffen möglich ist.
Beim Benzin ist es notwendig, durch Zusätze von Klopfbremsen, Inhibitoren, Detergentien usw. dessen Eigenschaften soweit zu verbessern, dass es überhaupt als Treibstoff verwendet werden kann. Die Herstellung hochklopffester Treibstoffe erfordert die Anwendung komplizierter technologischer Prozesse und ergibt nur eine geringe Ausnützung der Rohstoffe. Der erfindungsgemässe Treibstoff kann aus allen kohlenstoffhaltigen Verbindungen hergestellt werden. Als Rohstoff genügen Abfallprodukte, wodurch die wertvolleren Produkte aus Erdöl wie Aromaten usw. der chemischen Industrie in grösserem Ausmass zur Verfügung stehen können. Bei der Verwendung von Atomenergie für die Herstellung von Synthesegas könnte der erfindungsgemässe synthetische Treibstoff bezogen auf den Heizweg nicht viel teurer als der heutige Benzintreibstoff hergestellt werden.
Ferner ist noch zu bedenken, dass der thermische Wirkungsgrad eines Motors bei Verwen-
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dung des erfindungsgemässen synthetischen Treibstoffs weit besser wird als bei Benzin.
Bei den erfindungsgemässen neuen Treibstoffen ist ein Wasserzusatz nicht nur möglich, ohne dass dabei Betriebsstörungen des Motors auftreten, wie dies etwa bei wasserhaltigen Treibstoffen auf Basis von Benzin der Fall ist, es ist ein geringer Wasserzusatz sogar vorteilhaft, da dadurch eine Leistungssteigerung und eine Verminderung des Gehaltes an Schadstoffen in den Abgasen des Motors erzielt wird. Diese Tatsache ist somit von doppelter Bedeutung, da man nun nicht mehr, wie dies bisher der Fall war, peinlich darauf achten muss, Feuchtigkeit vom Treibstoff fernzuhalten.
Aus den Beispielen geht der entscheidende Fortschritt hervor, der durch den erfindungsgemässen synthetischen Treibstoff erreicht werden kann.
Beispiel l : Ein Gemisch von
20 Vol.-% Methylai Dampfdruck nach Reid (bei
38, 80C) = 0, 47 kg/cm2
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10 Vol.-% Isopropanol wurde mit einem 4 Zylinder-Vergasermotor geprüft. Es wurden folgende Werte erhalten :
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<tb>
<tb> Superbenzin <SEP> mit <SEP> obiges <SEP> Gemisch
<tb> 98 <SEP> ROZ, <SEP> handels-
<tb> übliche <SEP> Qualität
<tb> Zugkraft <SEP> 52 <SEP> kp <SEP> 55 <SEP> kp
<tb> Verbrauch <SEP> 250 <SEP> g/PSh <SEP> = <SEP> 2550 <SEP> Kal <SEP> 515 <SEP> g/PSh <SEP> = <SEP> 2360
<tb> CO-Gehalt <SEP> 2, <SEP> 35 <SEP> Vol. <SEP> -% <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> Vol. <SEP> -% <SEP>
<tb> NOx-Gehalt <SEP> 4600 <SEP> TpM <SEP> 2800 <SEP> TpM
<tb> CH-Gehalt <SEP> 150 <SEP> TpM <SEP> 30 <SEP> TpM
<tb> Aldehyde <SEP> 30 <SEP> TpM <SEP> 5 <SEP> TpM
<tb>
Der thermische Wirkungsgrad errechnet sich bei Superbenzin mit 24, 8%, bei obiger Mischung mit 26, 8%.
Beispiel 2 ; Ein Gemisch wie unter Beispiel 1 angeführt wurde mit einem 6 Zylinder-Doppelverga- sermotor bei 2900 UpM und Vollast mit handelsüblichem Superbenzin verglichen.
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<tb>
<tb> mit <SEP> Superbenzin <SEP> obiges <SEP> Gemisch
<tb> Zugkraft <SEP> 68 <SEP> kp <SEP> 71 <SEP> kp
<tb> Verbrauch <SEP> 230 <SEP> g/PSh <SEP> = <SEP> 2340 <SEP> Kal <SEP> 475 <SEP> g/PSh <SEP> = <SEP> 2170
<tb> CO-Gehalt <SEP> 1, <SEP> 12 <SEP> 0,06
<tb> NOx-Gehalt <SEP> 5100 <SEP> 3600
<tb> CH-Gehalt <SEP> 80 <SEP> 20
<tb> Aldehyde <SEP> 50 <SEP> nicht <SEP> nachweisbar
<tb> Wirkungsgrad <SEP> 27,1 <SEP> % <SEP> 29,1 <SEP> %.
<tb>
Beispiel 3 : Ein Gemisch von
10 Vol.-% Methylal,
80 Vol.-% Methanol,
10 Vol.-% Isopropanol wurde in einem 4 Zylinder-Motor mit Einspritzung vor dem Saugventil im Leerlauf von 900 UpM sowie bei Vollast und 3100 UpM getestet.
Es wurde ermittelt :
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<tb>
<tb> Im <SEP> Leerlauf <SEP> mit <SEP> Superbenzin <SEP> obiges <SEP> Gemisch
<tb> CO-Gehalt
<tb> unverbr. <SEP> KW <SEP> 3,74 <SEP> Vol.-% <SEP> 0, <SEP> 7Vol.-%
<tb> bei <SEP> 3100 <SEP> UpM
<tb> Zugkraft <SEP> 80 <SEP> kp <SEP> 85 <SEP> kp
<tb> Verbrauch <SEP> 225 <SEP> g/PSh= <SEP> 2320 <SEP> Kal <SEP> 465 <SEP> g/PSh= <SEP> 2150 <SEP> Kal
<tb> CO-Gehalt <SEP> 0, <SEP> 98 <SEP> vol.-90, <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> NOx-Gehalt <SEP> 5200 <SEP> TpM <SEP> 3700 <SEP> TpM
<tb> Aldehyde <SEP> 50 <SEP> TpM <SEP> 5 <SEP> TpM
<tb> CH-Gehalt <SEP> 110 <SEP> TpM <SEP> 30 <SEP> TpM
<tb> Wirkungsgrad <SEP> 27, <SEP> 1 <SEP> % <SEP> 29, <SEP> 6%.
<tb>
Dampfdruck der oben angegebenen Mischung nach Reid 0,4kg/cm2, Dampfdruck von Superbenzin nach Reid 0,73kg/cm2.
Beispiel 4 : Ein Gemisch von
30 Vol.-% Methylal,
60 Vol.-% Methanol,
10 Vol.-% Isopropanol wurde mit 0, 4 Vol.-% Wasser versetzt und auch Kältebeständigkeit geprüft. Es wurde bis -500C keine Kristallisation festgestellt. In der Kältekammer wurde ein Motor bis -300C innerhalb 15 sec gestartet. Der Dampfdruck nach Reid betrug 0,6 kg/cm2.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Treibstoff für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, auf Basis eines Acetals und Alkoholen, dadurch gekennzeichnet, dass er neben geringen Mengen Verunreinigungen, wie Wasser,
10 bis 30 Vol.-% Methylai,
80 bis 50 Vol.-% Methanol und
10 bis 20 Vol.-% Isopropanol und/oder n-Propanol und/oder Äthanol enthält.
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