DE102006061603A1

DE102006061603A1 - Kraftstoff

Info

Publication number: DE102006061603A1
Application number: DE102006061603A
Authority: DE
Inventors: Alois Dotzer; Georg Gruber; Thomas Kaiser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-03
Also published as: CA2671913A1; US20100024284A1; WO2008080599A1; EP2108033A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem aus Pflanzenöl gewonnenen Kraftstoff für den Betrieb von dieselmotorischen Brennkraftmaschinen. Erfindungsgemäß beträgt der Phosphorgehalt weniger als 0,5 mg pro kg Kraftstoff.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Insbesondere im LKW-Bereich, aber auch bei PKWs gibt es zwischenzeitlich dieselmotorische Brennkraftmaschinen, die mit reinem Pflanzenöl betrieben werden können. Dabei werden marktübliche Serienmotoren auf Pflanzenölbetrieb umgerüstet. Die so umgerüsteten Motoren werden entweder mit kaltgepressten Pflanzenölen aus dezentralen Ölmühlen oder mit sogenanntem Vollraffinat, das aus überregionalen Extraktionsbetrieben stammt, betrieben.
Zur Herstellung von kaltgepresstem Pflanzenöl hat sich inzwischen in Deutschland ein Netz von ca. 300 dezentralen Ölmühlen gebildet. Diese Ölmühlen verarbeiten ca. 10% der nationalen Rapsproduktion. Das von diesen Ölmühlen hergestellte Pflanzenöl weist üblicherweise einen Phosphorgehalt zwischen 5 und 30 ppm, also zwischen 5 und 30 mg/kg Pflanzenöl auf. Der Gehalt an Magnesium und Calcium beträgt typischerweise in Summe zwischen 10 und 30 ppm.
Bei dem oben angeführten Vollraffinat handelt es sich um Pflanzenöl, das typischerweise mit Hilfe von Hexan aus den gemahlenen Früchten extrahiert wird. Das bei der Extraktion entstehende Zwischenprodukt wird gefiltert, entschleimt und gebleicht. Das Endprodukt weist einen Phosphorgehalt unter 5 ppm auf. Gute Vollraffinate sollen einen Phosphorgehalt zwischen 1 und 3 ppm besitzen. Da das sogenannte Volllraffinat meist im Lebensmittelbereich eingesetzt wird, bestehen üblicherweise keine Vorschriften über den Calcium- und Magnesiumgehalt.
Untersuchungen zur Spezifizierung des Phosphor-, Calcium- und Magnesiumgehalts von Pflanzenöl als Kraftstoff haben zwischenzeitlich zu einer Vornorm des Deutschen Instituts für Normierung geführt. Diese DIN-Vornorm DINV 51605 beziffert den Höchstgehalt dieser drei Stoffe in einem aus Pflanzenöl gewonnenen Treibstoff folgendermaßen:

– Phosphor: 12 ppm
– Calcium + Magnesium: 20 ppm.

Bei dem Betrieb von Motoren mit Kraftstoff nach dieser Vornorm hat sich herausgestellt, dass oftmals unerklärliche Verkrustungen entstehen, die die Kolben belegen, sich auf den Ventiltellern oder der Glühkerze ablagern, oder im Abgasbereich den Katalysator blockieren oder den Rußfilter verstopfen. Unter welchen genauen Betriebsbedingungen diese Ablagerungen entstehen, konnte bisher jedoch nicht endgültig geklärt werden.
Die gleichen Phänomene treten ebenso bei Motoren auf, die mit Rapsmehtylester, sogenanntem Biodiesel, betrieben werden. Biodiesel wird nach der DIN-Norm DIN EN14214 produziert. Nach dieser Norm sind folgende Höchstwerte für Phosphor, Calcium und Magnesium vorgeschrieben:

– Phosphor: 10 mg/kg
– Calcium + Magnesium: 5 mg/kg

Soweit von den überregionalen Extraktionsbetrieben Vollraffinat nicht nur für den Lebensmittelbereich, sondern auch als Kraftstoff hergestellt wird, nähert man sich immer mehr an die Phosphor-, Calcium- und Magnesiumwerte nach der DIN-Vornorm für Pflanzenöl als Kraftstoff an. Das bedeutet, dass diese Werte erhöht werden, soweit das extrahierte Pflanzenöl nur als Kraftstoff verwendet werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aus Pflanzenöl gewonnenen Kraftstoff zur Verfügung zu stellen, der unter allen vorkommenden Betriebsbedingungen keine oder nur geringe Ablagerungen verursacht.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen aus Pflanzenöl gewonnenen Kraftstoff mit den Merkmalen von Anspruch 1. Entgegen der richtungsweisenden Untersuchungen der Normierungskommission, die die DIN-Vornorm für Pflanzenöl als Kraftstoff verabschiedet hat, hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass der Phosphorgehalt des Treibstoffs eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Verkrustungen und Ablagerungen spielt. Dies wurde ebenso von den Extraktionsbetrieben verkannt, die von den re lativ niedrigen Phosphoranteilen im Vollraffinat für den Lebensmittelbereich ausgehen und immer mehr auf die Werte der DIN-Vornorm abstellen. Durch den erfindungsgemäßen Phosphorgehalt von weniger als 0,5 mg pro kg Kraftstoff (0,5 ppm) können die Verkrustungen und Ablagerungen nun bei allen auftretenden Betriebsbedingungen soweit reduziert werden, dass der sichere Betrieb des Motors nicht gefährdet ist.
Ebenso und überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass der Calciumgehalt des aus Pflanzenöl gewonnenen Kraftstoffs maßgeblich an der Bildung von Verkrustungen und Ablagerungen bei bestimmten Betriebsbedingungen des Motors verantwortlich ist. Bei einem Calciumgehalt von weniger als 0,5 ppm konnten kaum Verkrustungen und Ablagerungen beobachtet werden. Selbst im Rußfilter eines Stationärmotors konnten nach 500 Betriebsstunden nur geringfügige Ablagerungen aufgefunden werden.
Auch Magnesium verursacht nach neuesten Untersuchungen in nicht unerheblichem Umfang die Bildung von Verkrustungen und Belägen. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung des Magnesiumgehalts auf 0,5 ppm in dem aus Pflanzenöl gewonnenen Kraftstoff lässt sich diese Ursache erheblich eindämmen.
Noch bessere Werte werden erzielt, wenn der Kraftstoff einen Phosphorgehalt von weniger als 0,3 ppm aufweist. Die Reduzierung des Phosphorgehalts sollte allerdings einhergehen mit einer gleichzeitigen Reduzierung des Calcium- und Magnesiumgehalts. In Summe sollten diese beiden Stoffe in einem bevorzugten Kraftstoff nicht mehr als 0,75 ppm betragen.

Bei Versuchspressungen konnten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Rapsöl folgende Werte erzielt werden:

Charge	P	Ca	Mg	Tonmin.	P	Ca	Mg
1	6,56 ppm	9,37 ppm	1,5 ppm	1%	< 0,3 ppm	1,24 ppm	< 0,25 ppm
2	6,89 ppm	8,13 ppm	1,6 ppm	1%	< 0,3 ppm	1,19 ppm	< 0,25 ppm
3	6,89 ppm	8,13 ppm	1,6 ppm	3%	< 0,3 ppm	< 0,5 ppm	< 0,25 ppm
4	46,7 ppm	36,2 ppm	13,8 ppm	2%	< 0,3 ppm	< 0,5 ppm	< 0,25 ppm

Die Spalten 2–4 beinhalten den Phosphor-, bzw. Calcium-, bzw. Magnesiumgehalt im gepressten Pflanzenöl in dem Auffang- und Mischbehälter 2. Die Angabe in Spalte 5 bezieht sich auf die Zugabe von Tonmineral in Gewichtsprozent zum Pflanzenöl. Die Angaben in den Spalten 6–8 geben den Phosphor-, bzw. Calcium-, bzw. Magnesiumgehalt des behandelten Pflanzenöls im Tank 7 wieder. Bei einigen Angaben in den Spalten 6–8 wurden die Nachweisgrenzen des beauftragten Labors erreicht. Es ist daher nicht auszuschließen, dass die tatsächlichen Werte noch erheblich unter diesen Werten liegen.
Nachfolgend soll erläutert werden, wie der erfindungsgemäße Kraftstoff hergestellt werden kann. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftsoffs aus Pflanzenöl.
Die Presse 1 ist üblicherweise als Spindelpresse ausgeführt. Dabei dreht eine Spindel innerhalb eines Käfigs, der aus parallel zur Spindelachse verlaufenden Seierstäben gebildet wird. Die Ölfrüchte brauchen normalerweise vorher nicht vermahlen zu werden, da sie in der Spindelpresse so weit gebrochen werden, dass das Öl abgepresst werden kann.
Die exakte Justierung des Abstands der einzelnen Seierstäbe ist für den Anteil an Trubstoffen in dem ablaufenden Pflanzenöl verantwortlich. Dieser Anteil ist allerdings nicht nur von den konstruktiven Bedingungen der Presse 1 sondern auch von dem Wassergehalt der Ölfrüchte abhängig. In jedem Fall ist es das Ziel, das ablaufende Pflanzenöl mit möglichst wenig Trubstoffen zu belasten.
Das Pflanzenöl läuft in einen Auffang- und Mischbehälter 2. Dort wird es durch ein nicht gezeigtes Mischpaddel in Bewegung gehalten. Gleichzeitig wird auf diese Weise verhindert, dass sich die Trubstoffe in dem Auffang- und Mischbehälter 2 absetzen. Das Pflanzenöl erhitzt sich beim Pressen und weist in dem Auffang- und Mischbehälter 2, je nach Pressgrad, eine Temperatur zwischen 40 und 70°C auf. Bei dieser Temperatur ist das Pflanzenöl dünnflüssig und es entstehen bei dem Mischvorgang keine Schlieren, die eine gleichmäßige Verteilung der Trubstoffe verhindern würden.
Über den Dosierer 4 wird Tonmineral zugegeben. Die Zugabe richtet sich nach dem Trubstoffanteil des aufgefangenen Pflanzenöls. Ebenso ist der Gehalt von Phosphor, Cal cium und Magnesium nach der Pressung zu berücksichtigen. Es gilt, dass stark gepresstes Öl einen höheren Anteil dieser Stoffe aufweist als schonend gepresstes Öl.
Die Pumpe 8 saugt das Öl aus dem Auffang- und Mischbehälter 2 und drückt es durch den Filter 3. Der vor dem Filter 3 anstehende Druck wird durch den Drucksensor 10 ermittelt und an die Steuerung 5 weitergegeben. Das aus dem Filter 3 abfließende Öl wird durch den optischen Sensor 9 geprüft. Dieser optische Sensor 9 ermittelt z. B. über die Transparenz des Öls den Anteil an Trubstoffen.
Von dem Filter 3 gelangt das Öl in das 3-Wege-Ventil 6 und wird von dort wieder dem Auffang- und Mischbehälter 2 oder aber dem Tank 7 zugeführt. Das 3-Wege-Ventil 6 wird durch die Steuerung 5 angesteuert.
Über den Drucksensor 10 ermittelt die Steuerung 5 wie schnell der Druck vor dem Filter 3 ansteigt. Proportional zu dem Druckanstieg entwickelt sich der Aufbau des Filterkuchens in dem Filter 3. Der Druckanstieg ist daher auch ein Maßstab für den Trubstoffanteil in dem Öl in dem Auffang- und Mischbehälter 2. Entsprechend dem Druckanstieg vor dem Filter 3 wird daher der Dosierer 4 angesteuert und eine berechnete Menge an Tonmineral zugegeben.
Die Steuerung 5 prüft über den Drucksensor 10 ständig den Druck vor dem Filter 3. Bis der Drucksensor 10 einen Wert ermittelt, der unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes liegt, wird das 3-Wege-Ventil 6 so angesteuert, dass das Öl wieder dem Auffang- und Mischbehälter 2 zugeführt wird. Auf diese Weise wird das Öl über den Filter 3 im Kreislauf gepumpt.
Erst wenn an dem Drucksensor 10 der Schwellwert überschritten wird, wird auch die Transparenz des Öls hinter dem Filter 3 durch den optischen Sensor 9 geprüft. Auch hier ist in der Steuerung 5 ein Schwellwert hinterlegt. Ist die Transparenz des durchlaufenden Öls höher als der hinterlegte Schwellwert, schaltet die Steuerung 5 das 3-Wege-Ventil 6 um. Ab diesem Zeitpunkt wird das Öl in den Tank 7 gepumpt.
Da sich der Filterkuchen immer weiter aufbaut, steigt auch der Druck vor dem Filter 3 im mer weiter an. Es ist in der Steuerung 5 daher auch ein Höchstwert hinterlegt. Wird dieser Höchstwert erreicht, muss der Filter 3 gereinigt werden. Üblicherweise wird hierzu die Pumpe 8 gestoppt und der Filter 3 mit Luft getrocknet. Durch manuelles Schütteln oder durch automatisches Vibrieren wird der getrocknete Filterkuchen gelöst und nach unten abgezogen. Danach kann der Prozess von Neuem beginnen. Der Auffang- und Mischbehälter 2 ist üblicherweise so ausgelegt, dass das ablaufende Öl während der Reinigungszeit zwischenspeichert wird und die Presse 1 auf diese Weise auch in der Reinigungspause weiter betrieben werden kann.

1: Presse
2: Auffang- und Mischbehälter
3: Filter
4: Dosierer
5: Steuerung
6: 3-Wege-Ventil
7: Tank
8: Pumpe
9: optischer Sensor
10: Drucksensor

Claims

Aus Pflanzenöl gewonnener Kraftstoff für den Betrieb von dieselmotorischen Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphorgehalt weniger als 0,5 mg pro kg Kraftstoff beträgt.
Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Calciumgehalt weniger als 0,5 mg pro kg Kraftstoff beträgt.
Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnesiumgehalt weniger als 0,5 mg pro kg Kraftstoff beträgt.
Kraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphorgehalt weniger als 0,3 mg pro kg Kraftstoff beträgt.
Kraftstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Calciumgehalt in Summe mit dem Magnesiumgehalt weniger als 0,75 mg pro kg Kraftstoff beträgt.