CN102015975A - 具有良好运转性能的充氧汽油组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制备汽油共混物的方法，所述汽油共混物具有高浓度的丁醇异构体并且具有良好的冷启动和暖机运转性能。

Description

具有良好运转性能的充氧汽油组合物

发明背景

本专利申请要求2008年5月8日提交的临时申请序列号为61/051,536的专利的优先权，将所述文献全文以引用的方式并入本文中。

本发明涉及燃料，更具体地讲涉及充氧汽油，所述充氧汽油包括含有高浓度丁醇的汽油。本发明提供具有良好运转性能的充氧汽油。

汽油是适用于火花点火发动机的燃料并且其一般包含多种烃的混合物作为主要组分，所述烃具有不同的沸点并且通常在大气压下在约79°F至约437°F范围内的温度下沸腾。此范围是近似的并且可根据所存在的烃分子、所存在的添加剂或其它化合物(如果存在的话)的实际混合物、以及环境条件而变化。通常，汽油的烃组分包含C₄至C₁₀烃。

汽油通常需要符合某些物理和性能标准。为了获得发动机或其它燃料燃烧设备的适当运转，可能要实现某些特性。然而，许多物理和性能特征是因其它原因如环境管理而由国家或地区规定设定的。物理特性的实例包括雷德蒸汽压、硫含量、氧含量、芳烃含量、苯含量、烯烃含量、蒸馏出90％燃料时的温度(T90)、蒸馏出50％燃料时的温度(T50)等等。性能特征可包括辛烷值、燃烧性能、以及排放组分。

例如，在美国许多地区销售的汽油的标准一般示于ASTM标准规范号D 4814-07a(“ASTM D4814”)中，将其以引用方式并入本文。其它联邦和州政府规定对此标准进行了补充。示于ASTM D4814中的汽油规格根据许多影响挥发性和燃烧性的参数如气候、季节、地理位置和海拔而变化。为此，根据ASTM D4814制造的汽油分为挥发性类别AA、A、B、C、D和E，和防气阻类别1、2、3、4、5和6，每种类别具有一套规定，描述符合相应类别要求的汽油。本说明书还提出了用于测定说明书中参数的测试方法。

例如，共混以在相对温暖气候下用于夏日驾驶季节期间的AA-2类汽油必须具有的最大蒸汽压为7.8psi，蒸馏出其10体积％组分的最高温度(“T10”)为158°F，蒸馏出其50体积％组分的温度范围(“T50”)介于170°F至240°F之间，蒸馏出其90体积％组分的最高温度(“T90”)为374°F，蒸馏终点为437°F，蒸馏残余物最大为2体积％，“运转性能指数”或“DI”最高温度为1250°F。具体地讲，当汽油共混物包含乙醇时，ASTM D4814使用D86蒸馏温度和乙醇浓度的线性组合来计算运转性能指数(DI)，计算如下：

DI＝1.5(T10)+3(T50)+T90+2.4(乙醇体积％)式(A)

然而，对照实验已表明：对于包含高浓度丁醇的汽油共混物，冷启动和暖机运转性能可能有问题。也已发现，由燃料挥发性参数(如上述运转性能指数(DI))预测冷启动和暖机运转性能的现有方法对于高丁醇共混物是无效的。

发明概述

本发明为用于制备具有高丁醇浓度的汽油共混物的方法，所述汽油共混物具有良好的冷启动和暖机运转性能，所述方法包括：a)形成高浓度的至少一种丁醇异构体和至少一种汽油共混原料的共混物；和b)将在最高约200°F的温度下蒸发的所得汽油共混物的体积分数保持在至少35体积％。通过本发明方法形成的共混物优选包含至少约20体积％，更优选至少约30体积％，并且最优选至少约40体积％的所述至少一种丁醇异构体。通过本发明方法形成的汽油共混物中所述至少一种丁醇异构体优选包含异丁醇。本发明也是通过本发明方法形成的所得汽油共混物。

优选实施方案的描述

汽油是本领域熟知的并且一般包含烃的混合物作为主要组分，所述烃具有不同的沸点并且通常在大气压下在约79°F至约437°F范围内的温度下沸腾。此范围是近似的并且可根据所存在的烃分子、所存在的添加剂或其它化合物(如果存在的话)的实际混合物以及环境条件而变化。充氧汽油是汽油共混原料与一种或多种充氧剂的共混物。

汽油共混原料可由单一组分制得，如得自精炼厂烷化反应单元或其它精炼流的产品。然而，通常使用一种以上的组分来共混汽油共混原料。对汽油共混原料进行共混以满足所期望的物理和性能特征并且符合管理机构要求，并且可能涉及几种组分，例如三种或四种，或可能涉及许多种组分，例如十二种或更多种。

汽油和汽油共混原料任选可包含其它化学物质或添加剂。例如，可加入添加剂或其它化学物质来调节汽油性能以符合管理机构要求，增加或强化所期望的性能，降低不可取的不利效应，调节性能特征，或换句话讲改进汽油的特性。此类化学物质或添加剂的实例包括洗涤剂、抗氧化剂、稳定性增强剂、破乳剂、腐蚀抑制剂、金属减活化剂等等。可使用一种以上的添加剂或化学物质。

可用的添加剂和化学物质描述于Colucci等人的美国专利5,782,937中，将其以引用方式并入本文。此类添加剂和化学物质还描述于Wolf的美国专利6,083,228和Ishida等人的美国专利5,755,833中，将这两篇文献以引用方式并入本文。汽油和汽油共混原料还可包含通常用于将添加剂递送到燃料中的溶剂或载体溶液。此类溶剂或载体溶液的实例包括但不限于矿物油、醇、羧酸、合成油、和众多本领域已知的其它物质。

适用于本发明方法中的汽油共混原料通常为可用于制备供火花点火发动机或燃烧汽油的其它发动机消耗的汽油的共混原料。适宜的汽油共混原料包括符合ASTM D4814的汽油共混原料和新配方汽油的共混原料。适宜的汽油共混原料还包括期望符合区域要求的具有低硫含量的共混原料，例如按体积计具有小于约150ppm，优选小于约100ppm，并且更优选小于约80ppm的硫。此类适宜的汽油共混原料还包括期望符合管理机构要求的具有低芳族化合物含量的共混原料，例如按体积计具有小于约8000ppm并且优选小于约7000ppm的苯，或者例如按总的共混原料计具有小于约35％并且优选小于约25体积％的所存在的全部芳族物质。

还可将充氧剂如乙醇与汽油共混原料共混。在那种情况下，所得的汽油共混物包括一种或多种汽油共混原料和一种或多种适宜充氧剂的共混物。在另一个实施方案中，可将一种或多种丁醇异构体与一种或多种汽油共混原料共混，并且任选地与一种或多种合适的充氧剂如乙醇共混。在此类实施方案中，可以任何顺序将一种或多种汽油共混原料、一种或多种丁醇异构体、以及任选地一种或多种合适的充氧剂共混。例如，可将丁醇加入到包括汽油共混原料和适宜充氧剂的混合物中。又如，可将一种或多种适宜充氧剂和丁醇在若干不同位置或在多个阶段中加入。又如，丁醇，更优选异丁醇，在被加入到汽油共混原料中之前可与适宜的充氧剂一起加入，在适宜的充氧剂之前加入，或与适宜的充氧剂共混。在一个优选的实施方案中，向充氧汽油中添加丁醇，更优选异丁醇。在另一个优选的实施方案中，可将一种或多种适宜的充氧剂和丁醇同时共混到汽油共混原料中。

在任何一个此类实施方案中，可在销售链中的任何点处添加一种或多种丁醇和任选的一种或多种适宜的充氧剂。例如，可将汽油共混原料运输到终端，然后可在所述终端将丁醇和任选的一种或多种适宜的充氧剂单独地或以组合的形式与汽油共混原料共混。又如，可在精炼处将一种或多种汽油共混原料、一种或多种丁醇异构体和任选的一种或多种适宜的充氧剂组合。还可在销售链的任何点处加入其它组分或添加剂。此外，可在精炼、终端、零售点、或销售链中任何其他适宜点处实施本发明的方法。

由于丁醇异构体在汽油沸腾范围的中点附近沸腾，如果将较低浓度的丁醇异构体与汽油共混原料共混，将不会显著改变所得汽油共混物的蒸发特性。因此，包含较低浓度的丁醇异构体的此类汽油共混物的冷启动和暖机性能基本上与不含丁醇的相应汽油共混物相同。然而，当将较高浓度的丁醇异构体与汽油共混原料共混时，所得的汽油共混物包含大量的具有单一较高沸点的馏分，并且该大量的中沸点馏分的存在不利地影响到所得汽油共混物的总体蒸发特性，尤其是其前端挥发性。这样的挥发性改变可阻止汽油共混物在环境温度下在发动机吸气系统中容易地形成易燃的空气/燃料混合物，并且因此导致差的冷启动和暖机运转性能。

这样的差性能示于图1中，其包括含有不同浓度异丁醇的汽油混合物的运转性能的六车测试结果。运转性能故障包括诸如长的启动时间、熄火和喘振等问题。在图1中，运转性能故障表示成平均总加权的缺点(TWD)并且对温度和车辆影响进行校正，将运转性能故障对所测试的汽油共混物中异丁醇的浓度作图。图1中的结果表明：包含低含量异丁醇的汽油共混物的运转性能故障与不含异丁醇的汽油共混物的那些相似。然而，对于包含较大浓度异丁醇的汽油共混物，运转性能故障显著增加。

汽油共混物中的运转性能问题通常通过使用以上运转性能指数公式(A)(其描述了所述汽油共混物的总体挥发性)中的蒸馏温度和乙醇浓度的线性组合来再平衡所述共混物的挥发性而补救。科学研究协作委员会(Coordinating Research Council)及其他人的研究已显示所述运转性能指数成功地将燃料挥发性参数与车辆运转性能相关联。由于运转性能故障可预见地随运转性能指数的增加而增加，最大运转性能指数的规格足以确保通常的汽油共混物中获得良好的运转性能。

然而，如图2和非常低的R²值所示，运转性能指数不能描述运转性能和高丁醇汽油共混物的挥发性之间的关系。在图2中，将得自上述相同的六车试验的相同的总加权的缺点(TWD)数据的对数对与图1中相同的异丁醇-汽油共混物的运转性能指数作图。图2中的结果表明：对于这些高浓度的异丁醇燃料，运转性能指数不能描述挥发性和运转性能之间的关系，并因此在此类汽油共混物中不能用作预测或控制运转性能的手段。

相比之下，图3示出了相同的总加权的缺点(TWD)的对数对图2中绘图所用相同的异丁醇-汽油共混物在最高约200°F的温度下蒸发的体积分数(用符号表示为E200)的曲线图。图3中的曲线图和非常低的R²值表明：对于包含高浓度丁醇的汽油共混物，非常准确地确定了挥发性和运转性能之间的关系。

图4包含总加权的缺点(TWD)本身(不是它们的对数)对图2和3所采用的相同异丁醇-汽油共混物的体积分数的曲线图。图4和非常低的R²值表明：当包含高浓度丁醇的汽油共混物的E200为至少35％，优选至少40％，并且更优选至少45％时，由TWD所表示的运转性能缺点保持在低水平，其基本上与不含丁醇组分的汽油共混物的运转性能缺点相等。

图1-4中绘图所采用的数据使用两种基础燃料获得：一种具有夏季挥发性(约B类)，而另一种具有冬季挥发性(D类)。测试共混物包括0、5％、11％、15％、20％、30％、40％、50％、以及60体积％的异丁醇浓度。在实验室中测量挥发性参数，包括雷德蒸汽压、D86蒸馏、以及T(V/L＝20)。在测功器试验单元中，根据工业标准CRC E28-94规程，在六辆新型号的一队低排量汽车中测试汽油共混物的运转性能。用于运转性能测试的环境温度在20至70°F的范围内。还测试了不含异丁醇的另外两种基准汽油共混物：一种共混物符合B类(夏季)燃料的ASTM DI规格，而另一种表现出典型的ASTM D类(冬季)特性。总共进行192次运转性能测试。

图5示出了本发明方法的使用以改善包含高浓度丁醇的汽油共混物差的运转性能。在图5中，将包含50体积％异丁醇的汽油共混物所蒸发馏分的体积百分数对加热汽油共混物的温度作图。当原始汽油共混原料的一半被轻石油脑馏分取代，使得所得的改性汽油共混物包含25体积％所用的原始汽油共混原料、25体积％的轻石油脑馏分和50体积％的异丁醇时，其所蒸发馏分的体积百分数对加热改性汽油共混物的温度的曲线图，在200°F所蒸发的馏分(其为它的E200值)从原始汽油共混物的约28体积％增加至改性汽油共混物的约39体积％。所得的改性汽油共混物的运转性能被显著改善，并且基本上与不含丁醇组分的汽油的运转性能相等。因此，本发明为制备具有良好的冷启动和暖机运转性能的汽油共混物的方法，所述方法包括a)将高浓度(优选至少20％，更优选至少30％，并且最优选至少40体积％)的至少一种丁醇异构体(其优选包含异丁醇)共混到汽油中；和b)将所得共混物在最高约200°F的温度下蒸发的体积分数保持在至少35％，优选至少40％，更优选至少45％，并且最优选至少50体积％。本发明也为所得的汽油共混物。

本领域的技术人员将会理解，虽然本文已通过参考具体的装置、材料和实例描述了本发明，但是本发明的范围并不限于此，而是延伸至适于本发明实践的所有其他装置和材料。

Claims (16)

1.制备具有良好的冷启动和暖机运转性能的汽油共混物的方法，所述方法包括：

a)将高浓度的至少一种丁醇异构体共混到汽油中；和

b)将在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数保持在至少35体积％。

2.权利要求1的方法，其中上述共混物包含至少20体积％的所述至少一种丁醇异构体。

3.权利要求2的方法，其中上述共混物包含至少30体积％的所述至少一种丁醇异构体。

4.权利要求3的方法，其中上述共混物包含至少40体积％的所述至少一种丁醇异构体。

5.权利要求1的方法，其中所述至少一种丁醇异构体包括异丁醇。

6.权利要求1的方法，其中在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数为上述共混物的至少40体积％。

7.权利要求6的方法，其中在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数为上述共混物的至少45体积％。

8.权利要求7的方法，其中在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数为上述共混物的至少50体积％。

9.具有良好的冷启动和暖机运转性能的汽油共混物，所述汽油共混物包括：上述高浓度的至少一种丁醇异构体在汽油中的共混物，并且具有在最高约200°F下蒸发的至少35体积％的体积分数。

10.权利要求9的汽油共混物，其中上述共混物包含至少20体积％的所述至少一种丁醇异构体。

11.权利要求10的汽油共混物，其中上述共混物包含至少30体积％的所述至少一种丁醇异构体。

12.权利要求11的汽油共混物，其中上述共混物包含至少40体积％的所述至少一种丁醇异构体。

13.权利要求9的汽油共混物，其中所述至少一种丁醇异构体包括异丁醇。

14.权利要求9的汽油共混物，其中在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数为所得共混物的至少40体积％。

15.权利要求14的汽油共混物，其中在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数为所得共混物的至少45体积％。

16.权利要求15的汽油共混物，其中在最高约200°F的温度下蒸发的所得共混物的体积分数为所得共混物的至少50体积％。

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