CZ20166U1

CZ20166U1 - Etanolové palivo pro vznětové motory se zvýšenou viskozitou a výhřevností

Info

Publication number: CZ20166U1
Application number: CZ200921501U
Authority: CZ
Inventors: Matejovský@Vladimír
Original assignee: Matejovský@Vladimír
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2009-10-26

Description

Etanolové palivo pro vznětové motory se zvýšenou viskozitou a výhřevností Oblast techniky

Technické řešení se týká etanolového paliva pro vznětové motory, tvořeného fyzikální směsí etanolu s fortifikační složkou, která má větší viskozitu a výhřevnost než etanol, aleje s ním nemísi5 telná a s kosolventem, umožňujícím vytvoření stabilního, homogenního roztoku kapalného paliva z těchto tří složek.

Dosavadní stav techniky

Jako náhrada fosilní motorové nafty obnovitelnými zdroji energie se kromě jiných používá i etanolové palivo, příkladem jsou městské autobusy ve Stockholmu, označené symbolicky Eta10 nolbus, provozované na palivo E 95. Etanol vyrobený kvasným procesem z biomasy, který je hlavní složkou paliva E 95, je obnovitelný zdroj energie, protože veškerý v něm obsažený uhlík pochází z atmosférického oxidu uhličitého, který byl zdrojem uhlíku pro vznik biomasy, po jejímž zpracování na etanol a po spálení etanolu v motoru se vzniklý oxid uhličitý vrací jako složka výfukových plynů zpět do atmosféry. Motory poháněné palivem E 95 dosahují velmi ma15 lou, téměř nulovou kouřivost a nízké hodnoty většiny ostatních škodlivých emisí. Palivo E 95 má ale řadu nevýhod, protože samotný etanol je jako palivo pro vznětové motory nepoužitelný, především pro nedostatečnou schopnost vznícení, která je ve formulaci E 95 zvyšována poměrně nákladným způsobem, přídavkem od několika až do 15 % obj. speciální přísady na bázi nitrátů nebo derivátů polyetylenglykolu. Aby mohl být obsah přísady pro zlepšení schopnosti vznícení co nejmenší, upravuje se cetanový požadavek motorů provozovaných na palivo E 95 zvýšením kompresního poměru, např. ze 16 : 1 až na 26 : 1. Podle potřeby obsahuje palivo E 95 také mazivostní přísadu a přísadu chránící proti rezivění, bakteriocidní a bakteriostatické přísady, detergentní přísadu a protipěnivostní přísadu. Požadavky na vlastnosti tohoto paliva stanoví Česká norma ČSN 65 6513 a také švédská norma SS 155437 a podle schváleného plánu normalizace paliv z obnovitelných zdrojů energie připravuje Evropská normalizační komise také evropskou normu.

Dalšími nedostatky paliva E 95, které jsou překážkou jeho použití k pohonu stacionárních vznětových motorů se středními otáčkami, jsou malá viskozita a malá výhřevnost. Konkrétně, viskozita bezvodého 99,7% etanolu, v jehož elementárním složení jsou tři základní prvky uhlík, vodík a kyslík zastoupeny přibližně v 52, 13 a 35 procentech hmotn., je přibližně 1,47 mm²/s při 20 °C, kdežto viskozita motorové nafty nebo plynového oleje, ze které vychází konstrukce vznětových motorů a jejich palivových soustav, je pro naftu v rozsahu přibližně od 4,0 do 9,0 mm²/s při 20 °C, pro plynové oleje je i podstatně větší. Výhřevnost etanolu je přibližně jen 26,8 MJ/kg, kdežto výhřevnost motorové nafty a plynových olejuje přibližně 43,5 MJ/kg, takže neupravený vznětový motor dosahuje s palivem E 95 jen nejvíce asi 2/3 maximálního výkonu. Tyto nevýhody jsou pro etanolové palivo E 95 typické, protože jeho viskozita je jen přibližně 1,50 mm²/s a výhřevnost jen přibližně 26,0 MJ/kg. Pro vznětové motory se středními otáčkami, např. značky Wártsilá, se požaduje, aby viskozita paliva při 20 °C byla nejméně 3,5 mm²/s a výhřevnost nejméně 31,0 MJ/kg, při které motor dosahuje alespoň 90 % maximálního výkonu, má-li být dosa40 ženo plného výkonu, požaduje se nejméně 35 MJ/kg.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody paliva E 95, malou viskozitu a malou výhřevnost, odstraňuje technické řešení vytvořením směsi, ve které vedle etanolu jako základní složky, s výhodou v kvalitě podle ČSN EN 15 376 Etanol jako složka automobilových benzinů, je jako fortifikační složka, zvyšující viskozitu a výhřevnost použit rostlinný olej. Toto technické řešení vychází z toho, že viskozitu a výhřevnost etanolu lze zvýšit buď chemickou reakcí s látkou s větší viskozitou a výhřevností než má etanol, tj. převedením na etanolový derivát, nebo vytvořením fyzikální směsi s takovou látkou, což je obvykle méně komplikované. Rostlinný olej, např. řepkový, v jehož elementárním

-1 CZ 20166 Ul složení jsou tri základní prvky uhlík, vodík a kyslík zastoupeny přibližně v 77,12 a 11 % hmotn., jehož viskozita při 20 °C je přibližně 80 mm²/s a výhřevnost přibližně 38,5 MJ/kg, je vhodnou fortifikační složkou a je stejně jako etanol obnovitelným zdrojem energie, ale s etanolem, a to ani s bezvodým, se za normální teploty nemísí. Součástí technického řešení složení paliva je i od5 stranění této nevýhody, spočívající v použití třetí složky jako kosolventu, tj. prostředku ovlivňujícího fázovou rovnováhu směsi etanolu s fortifikační složkou, umožňujícího dosáhnout vzájemnou mísitelnost těchto tří složek a připravit stabilní, homogenní palivo. Zkouškami bylo zjištěno, že pro tento účel je mimo jiné vhodná směs metylesterů mastných kyselin rostlinných olejů v kvalitě definované normou ČSN EN 142 14, představující z 95 % rovněž obnovitelný zdroj enerio gie a/nebo směs etylesterů těchto kyselin, připravených s použitím kvasného etanolu, představující plně obnovitelný zdroj energie v jejichž elementárním složení jsou tři základní prvky uhlík, vodík a kyslík zastoupeny přibližně v 77, 12 a 11 % hmotn., přičemž obě alternativy kosolventu mají i fortifikační účinek na výhřevnost a ve směsích s menším obsahem rostlinného oleje i na viskozitu. Se stoupajícím podílem rostlinného oleje a metylesterů se zvyšuje viskozita i výhřev15 nost, směs s obsahem etanolu 50 % a obsahem ostatních dvou složek dohromady rovněž 50 %, měla viskozitu při 20 °C více než třikrát větší a výhřevnost o 22 % větší než etanol.

Při výzkumu možnosti zvýšení viskozity a výhřevnosti etanolu vytvořením fyzikální směsi s rostlinným olejem bylo zjištěno, že namísto etanolu v kvalitě podle normy ČSN EN 15 376 může být použit kvasný líh v kvalitě podle ČSN 65 6511 Kvasný líh denaturovaný určený k přidávání do automobilových benzinů, s obsahem a druhem denaturačního prostředku v souladu s platnou legislativou.

Dalšími zkouškami bylo zjištěno, že jako fortifikační složku lze použít kromě rostlinného oleje nebo v kombinaci s rostlinným olejem, kapalnou frakci z termické depolymerace odpadních plastů, mj. i typu PET, v jejímž elementárním složení byly tři základní prvky uhlík, vodík a kys25 lík zastoupeny přibližně v 79, 12 a 8 % hmotn., chlor a fluor byl zastoupen každý jen nejvýše v 0,001 % hmotn. Tato frakce zvyšovala výhřevnost, ale viskozitu, vzhledem k malé vlastní viskozitě, jen omezeně. Její výhodou bylo, že měla též mírný kosolventní účinek a umožňovala snížit množství esterového kosolventu potřebného pro vznik homogenní směsi a v některých objemových poměrech se mísila s etanolem bez použití třetí složky jako kosolventu. Jako fortifikační složka byl též zkoušen střední ropný destilát, v jehož elementárním složení jsou tři základní prvky uhlík, vodík a kyslík zastoupeny přibližně v 86, 14 a 0,1 % hmotn., který účinně zvyšoval výhřevnost i viskozitu.

Výhodou použití rostlinného oleje jako fortifikační složky je, že zvyšuje nejen viskozitu a výhřevnost etanolového paliva, ale současně zlepšuje i mazivost a schopnost vznícení, takže ve finální formulaci postačuje menší přídavek přísad na úpravu těchto vlastností paliva nebo mazivostní přísadu není třeba vůbec použít.

Některé vzorky pro stanovení viskozity a výhřevnosti byly připraveny jako finální formulace etanolového paliva pro vznětové motory se zvýšenou viskozitou a výhřevností, ve kterých kromě tří funkčních složek podle technického řešení byla obsažena i přísada pro zlepšení schopnosti vznícení na bázi derivátů polyetylenglykolu v množství používaném v palivu E 95 nebo antioxidant, např. typu BHT, pro stabilizaci rostlinného oleje a esterů nenasycených mastných kyselin řepkového oleje, snadno podléhajících oxidaci. Přísady nenarušovaly homogenitu a stabilitu vzorků paliva.

Z podrobné studie mísiteínosti popsaných třísložkových směsí vyplynulo, že s použitím výše uvedených kosolventů lze dosáhnout mísiteínosti ethanolu s řepkovým, slunečnicovým, sojovým, olivovým, podzemnicovým, bavlníkovým a lněným olejem v každém poměru, pokud je obsah kosolventu ve směsi dostatečně velký.

.7CZ 20166 Ul

Příklady provedeni technického řešeni

Příklad 1

Postupným naplněním 66 ml bezvodého etanolu, 17 ml slunečnicového oleje rafinovaného a 17 ml methylesterů řepkového oleje do odměmého válce vznikla nehomogenní směs, která po uzavření válce zátkou a následném protřepání obsahu měla při teplotě 20 °C stále nehomogenní vzhled, měla silný zákal a po krátkém stání se začala rozdělovat na dvě vrstvy. Po přidání 5 ml methylesterů řepkového oleje, kterým se změnilo složení obsahu odměmého válce na 62,86 % obj. bezvodého etanolu, 16,19 % obj. slunečnicového oleje rafinovaného a 20,95 % obj. methylesterů řepkového oleje se směs po protřepání vyčeřila a vznikl transparentní, stabilní, homogenní io roztok, který měl viskozitu 3,25 mm²/s při 20 °C a výhřevnost 30,9 MJ/kg.

Příklad 2

Směs bezvodého 99,7% etanolu, který obsahoval 5,0 % obj. komerční přísady zlepšující schopnost vznícení s řepkovým olejem rafinovaným v objemovém poměru 62,5 : 17,9 byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje, obsahující 0,25 % hmotn. komerčního inhibitoru oxidace typu BHT, v objemu, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo 62,5 : 17,9 : 19,6% obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož viskozita při 20 °C byla 3,30 mm²/s a výhřevnost 31,00 MJ/kg.

Příklad 3

Směs kvasného lihu denaturováného určeného k přidávání do automobilových benzinů se slu20 nečnicovým olejem rafinovaným v objemovém poměru 61,0 : 18,4 byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném poradí bylo 61,0 : 18,4: 20,6 % obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož viskozita při 20 °C byla 3,47 mm²/s a výhřevnost 31,2 MJ/kg.

Příklad 4

Směs kvasného lihu denaturovaného určeného k přidávání do automobilových benzinů se slunečnicovým olejem rafinovaným v objemovém poměru 50,0 : 25,0 byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi ethylesteru řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo 50,0 : 25,0 : 25,0 % obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož viskozita při 20 ^ĎC byla 4,54 mm²/s a výhřevnost 32,4 MJ/kg.

Příklad 5

Směs kvasného lihu denaturovaného určeného k přidávání do automobilových benzinů s řepkovým olejem rafinovaným a s kapalnou frakcí z termické depolymerace odpadních plastů s viskozitou 3,01 mm²/s při 20 °C, v objemových poměrech 30,8 : 15,4:38,4, byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo 30,8 : 15,4 : 38,4 : 15,4 % obj. vznikl po promísení homogenní roztok, jehož viskozita při 20 °C byla 3,73 mm²/s a výhřevnost 34,6 MJ/kg. Příklad 6

Směs kvasného lihu denaturovaného určeného k přidávání do automobilových benzinů s řepkovým olejem rafinovaným a s kapalnou frakcí z termické depolymerace odpadních plastů s visko40 žitou 3,01 mm²/s při 20 °C v objemových poměrech 28,6 : 19,0 : 47,6 byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo 28,6 : 19,0 : 47,6 : 4,8 % obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož viskozita při 20 °C byla 4,08 mm²/s a výhřevnost 34,8 MJ/kg.

-3CZ 20166 Ul

Příklad 7

Směs bezvodého 99,7% etanolu se slunečnicovým olejem rafinovaným v objemovém poměru 66,7 : 13,3 byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo

48,0 : 48,0 : 4,0 % obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož vískozita při 20 °C byla

2,81 mm²/s a výhřevnost 30,5 MJ/kg.

Příklad 8

Směs stejných objemových dílů bezvodého 99,7% etanolu s kapalnou frakcí z termické depolymerace odpadních plastů s viskozitou 3,01 mm²/s při 20 °C byla nehomogenní a složky byly rozio děleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo 48,1 : 48,1 : 3,8 % obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož vískozita při 20 °C byla 2,20 mm²/s a výhřevnost 32,6 MJ/kg.

Příklad 9

Směs stejných objemových dílů bezvodého 99,7% etanolu s motorovou naftou v kvalitě podle

ČSN EN 590 byla nehomogenní a složky byly rozděleny do 2 vrstev, ale po přidání směsi methylesterů řepkového oleje v množství, aby zastoupení složek v uváděném pořadí bylo 48,0 : 48,0 : 4,0 % obj. vznikl promísením homogenní roztok, jehož vískozita při 20 °C byla 2,10 mm²/s a výhřevnost 35,3 MJ/kg.

Průmyslová využitelnost

Etanolové palivo podle technického řešení je použitelné pro pohon stabilních vznětových motorů se středními otáčkami jako náhrada paliva z ropy úplně nebo částečně obnovitelnými zdroji energie. Etanolové palivo má sice podstatně větší těkavost a menší bod vzplanutí než motorové nafty nebo jiné střední destiláty z ropy, ale není to překážkou použití, protože tyto motory mohou být s ohledem na druh používaného paliva vybavené chlazením paliva, např. mají-li spalovat ropu s bodem vzplanutí menším než 0 °C nebo etanolové palivo s bodem vzplanutí přibližně 20 °C.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Etanolové palivo pro vznětové motory se zvýšenou viskozitou a výhřevností, vyznačující se tím, že obsahuje jako základní složku 10,0 až 80,0 % obj. etanolu, že obsahuje

30 jako fortifikační složku 1,0 až 89,0 % obj. sloučeniny nebo směsi sloučenin, při 20 °C kapalné, s elementárním složením, ve kterém součet obsahů uhlíku, vodíku a kyslíku je nejméně 98,0 % hmotn., s viskozitou při 20 °C a s výhřevností většími než jsou vískozita při 20 °C a výhřevnost etanolu, při 20 °C s etanolem nemísitelné nebo mísitelné jen v některých objemových poměrech a že obsahuje jako kosolvent 1,0 až 89,0% obj. směsi metylesterů a/nebo etylesteru mastných

35 kyselin rostlinného oleje, se kterým tvoří základní a fortifikační složka při teplotě 20 °C stabilní, homogenní roztok.
2. Etanolové palivo pro vznětové motory podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje přísadu pro zlepšení schopnosti vznícení.
3. Etanolové palivo pro vznětové motory podle nároku 2, vyznačující se tím, že

40 obsahuje další zušlechťující přísady.