DE10359158A1

DE10359158A1 - Verfahren zur Herstellung von Treibstoffformulierungen, die einen optimalen Betrieb eines Motors ermöglichen, der für den HCCI-Verbrennungsmodus entwickelt ist

Info

Publication number: DE10359158A1
Application number: DE10359158A
Authority: DE
Inventors: Xavier Montagne; Nicolas Jeuland
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2004-07-08
Also published as: FR2849052B1; FR2849052A1; JP2004197103A; ITMI20032430A1

Abstract

Um Treibstoffformulierungen auszuarbeiten, die einen optimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ermöglichen, der für den HCCI-Verbrennungsmodus entwickelt ist, wird ein Verfahren beschrieben, das den Einsatz umfasst: DOLLAR A - von einem Treibstoffgrundstoff, der ein Jet B umfasst; und DOLLAR A - ggf. einem Bestandteil oder einer Kombination von Bestandteilen, deren Natur und Anteile derart gewählt sind, dass bei dem Gemisch eine Destillationskurve sichergestellt wird, deren Verlauf repräsentativ für jene eines Erdölprodukts (monotone Kurve) ist, insbesondere einem Treibstoff für einen Dieselmotor mit optimalen Eigenschaften sowohl bei geringen Drehzahlen - geringen Lasten als auch bei starken Drehzahlen - starken Lasten. DOLLAR A Man beschreibt gemäß diesem Verfahren ausgearbeitete Formulierungen.

Description

Die Erfindung betrifft Treibstoffformulierungen, deren Zusammensetzung für den Betrieb gemäß dem HCCI-Verbrennungsmodus optimiert ist. Sie betrifft auch ein Verfahren zur Ausarbeitung dieser Formulierungen.
Man weiß, dass die Verbrennung durch Selbstzündung in größtenteils homogener Phase (genannt "HCCI", aus dem Englischen "Homogeneous Charge Compression Ignition") gleichzeitig bei den Anwendungen mit Dieselmotor als auch mit Benzinmotor erhalten werden kann. In den beiden Fällen kann die Herstellung des größtenteils homogenen Treibstoff-Luftgemischs, das für den HCCI erforderlich ist, entweder durch Vormischen im Einlass oder durch Direkteinspritzung des Treibstoffs (oder eines Luft-Treibstoffgemischs) in die Brennkammer geschehen. Die Anwendung der HCCI-Verbrennung auf den Dieseltypmotor stützt sich heutzutage auf das Paar Motor/Standarddiesel EN590. Die ganze Bedeutung der HCCI-Technologie liegt in der Möglichkeit, in homogener Phase über den weitestmöglichen Anwendungsbereich zu arbeiten. Der einzige heute mögliche Treibstoff im Rahmen einer Anwendung mit Dieselmotor ist vor allem dieses Diesel EN590.
Der Verbrennungsmodus durch Selbstzündung unter den eher homogenen Luft-Treibstoffgemischbedingungen erfordert bestimmte "Treibstoff- " Qualitäten, die für eine bessere Verwendung nicht durch das konventionelle Diesel geboten werden. Man wird als Beispiel die Destillationskurve des EN590-Diesel nennen, die keinen optimalen Betrieb im homogenen Modus ermöglicht. Auch eine Selbstzündungsverzögerung der Standard diesel riskiert es, nicht bei der Anwendung bei geringer Last angepasst zu sein, während sie befriedigend bei starken Lasten sein wird. Es erscheint daher offensichtlich, dass das EN590-Diesel, das verfügbar ist, keinen optimalen Anwendungsbereich des HCCI-Verbrennungsmodus ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung hat es zum Ziel, eine Verwendung im HCCI-Verbrennungsmodus unter bestmöglichen Bedingungen und über einen größeren möglichen Drehzahl/Lastbereich zu ermöglichen, indem ein neuer Treibstoff vorgeschlagen wird, der für diese Verwendung ausgelegt ist.
Um einen Betrieb im weitestmöglich ausgedehnten HCCI-Modus zu ermöglichen, ist es notwendig:

– die Treibstoffverdampfung gut zu beherrschen;
– die Einstellung der Einleitung der Verbrennung gut zu beherrschen; und
– den Verbrennungsablauf gut zu beherrschen;

Der Treibstoff, der vorgeschlagen wird, um diese Anforderungen zu befriedigen, wird derart formuliert, dass er verschiedenen, für den HCCI-Verbrennungsmodus bedeutenden Kriterien entspricht. Es handelt sich darum:

– eine Flüchtigkeit zu haben, die höher als jene von einem Standarddieselöl der Art ist, dass die Existenz eines frühest möglich homogenen Gemischs sichergestellt wird; und
– eine Selbstzündungsverzögerung zu haben, die über das klug gewählte Grundprodukt und über eine breite Beimischung verschiedener Verbindungen beherrschbar ist.

Die gemäß der Erfindung ausgearbeiteten Formulierungen können dadurch definiert werden, dass sie einen größeren Anteil eines Düsentreibstoffs, sogenanntes "Jet B", und eine Kombination von Bestandteilen umfassen, deren Natur und Anteile klug derart gewählt sind, dass beim Mischen eine Destillationskurve sichergestellt wird, deren Verlauf repräsentativ für jene eines Erdölprodukts, insbesondere eines Treibstoffs für den Dieselmotor ist.
Das „Jet B", der Grundstoff der Treibstoffformulierungen ist in der Norm ASTM D-1655 oder in der Norm F45 der NATO definiert. Eine breite Fraktion aufweisend (von etwa 70 bis 200 oder 250°C), ermöglicht es eine leichtere Verdampfung.
Um die Treibstoffformulierungen der Erfindung zu verwirklichen mischt man in diesen Grundstoff ein Auswahl von Produkten, die in einer breiten Spanne von Verbindungen gewählt sind, wie:

– den Paraffinen, z.B. 2-Methylhexan, n-Heptan, 2-Methyloctan, 2-Methylnonan, n-Octan, 3,6-Dimethyloctan, 3-Methylnonan, 2,9-Dimethyl-5,6-Diisoamyldecan, Nonan, Decan, Undecan, 3-Ethyldecan, 5-Butylnonan, 7,8-Dimethyltetradecan, 2,6,10-Trimethyldodecan, 2,3,10-Trimethylundecan, 6-Propyldodecan, lineare C_nH₂ _n+₂-Paraffine mit n ≥ 14;
– den Nitroverbindungen, z.B. Nitromethan, Nitroethan, Nitropropan, Nitrobenzol, Nitrotoluol;
– den sauerstoffhaltigen Verbindungen, wie:
– den Peroxiden, z.B. tert.-Butylperoxid;
– den Carbonaten, z.B. Diethylcarbonat;
– den Acetalen, z.B. Polyethoxy-Diethoxymethan bzw. Polyethoxyethylal;
– den Ethern, z.B. Dimethoxymethan, Diethoxypropan, Diethoxybutan, Di-n-Pentylether, Di-n-Pentoxymethan;
– den Alkoholen, z.B. Octanol, Nonanol, Dodecanol;
– den Glykolethern, z.B. Dimethylglykol, Dimethyldiglykol, Ethyldiglykol, Ethyltriglykol; und
– den Glykolestern, z.B. Butylglykolacetat.

Der Mischungsgehalt dieser Produkte liegt im allgemeinen zwischen 0 und 50 Vol.-%. Sie werden allein oder in Gemischen beigemischt werden können.
Um imstande zu sein, einen Treibstoff zu formulieren, der geeignet ist, dieser breiten Anforderungsspanne zu entsprechen, wird vorgeschlagen, von einer Erdölfraktion auszugehen, die aus einem „Jet B" besteht. Man wird diese Fraktion Fraktion „B" nennen.
Um die Elemente in Erwiderung auf die drei oben genannten Anforderungen zu bringen, formuliert man außerdem die Treibstoffe, indem man den Raum in eine Matrix zerlegt, die um die Cetanzahl chemischer Verbindungen und das Destillationsintervall dieser Verbindungen herum organisiert ist.
Diese Matrix, die man die Matrix der Selbstzündungsverzögerung (oder „MDAI) nennen wird, liegt in folgender Form vor:
MDAI
Die Verbindungen I, II, III und IV sind Produkte, die in unterschiedlichen oben definierten chemischen Familien gewählt werden.
So betrachtet man in Anbetracht von deren Siedepunkten und deren Cetanzahl (die in Klammern nach jeder Verbindung angezeigt sind):

– als Bestandteil 1 z.B. 2-Methylhexan (87°C, 40);
– als Bestandteil 2 z.B. Dimethylglykol (85°C, 53) und n-Heptan (98°C, 56);
– als Bestandteil 3 z.B. Dimethoxymethan (42°C, 52);
– als Bestandteil 4 z.B. Nitromethan (100°C, > 100);
– als Bestandteil 5 z.B. Diethylcarbonat (127°C, 40) oder 2-Methylheptan (135°C, 41);
– als Bestandteil 6 z.B. 2-Methyloctan (148°C, 49);
– als Bestandteil 7 z.B. 2-Methylnonan (150°C, 54);
– als Bestandteil 8 z.B. Diethoxypropan (124°C, 136), Diethoxybutan (145°C, 143), Nitroethan (115°C, > 100), Nitropropan (120°C, >> 100) oder n-Octan (126°C, 63);
– als Bestandteil 9 z.B. Octanol (196°C, 43), Butylglykolacetat (156°C, 41) oder 3,6-Dimethyloctan (166°C, 41);
– als Bestandteil 10 z.B. 3-Methylnonan (185°C, 47);
– als Bestandteil 11 z.B. 2,9-Dimethyl-5,6-Diisoamyldecan (154°C, 52);
– als Bestandteil 12 z.B. Di-n-Pentylether (187°C, 109), Dimethyldiglykol (162°C, > 70), Nonan (151°C, 68), Decan (174°C, 76) oder Undecan (196°C, 77);
– als Bestandteil 13 z.B. Ethyldiglykol (202°C, 41);
– als Bestandteil 14 z.B. 3-Ethyldecan (202°C, 48);
– als Bestandteil 15 z.B. 5-Butylnonan (213°C, 53);
– als Bestandteil 16 z.B. Nonanol (215°C, 60), Di-n-Pentoxymethan (218°C, 97), Nitrobenzol (210°C, > 100) oder Nitrotoluol (230°C, >> 100);
– als Bestandteil 17 z.B. 7,8-Dimethyltetradecan (269°C, 40) oder 2,6,10-Trimethyldodecan (352°C, 41);
– als Bestandteil 18 z.B. 2,3,10-Trimethylundecan (250°C, 47);
– als Bestandteil 19 z.B. 6-Propyldodecan (250°C, 52); und
– als Bestandteil 20 z.B. Dodecanol (260°C, 68), Ethyltriglykol (255°C, > 70), ein Gemisch linearer Paraffine (C_nH_2n*2, n ≥ 14) oder Polyethoxy-Diethoxymethan (> 200°C, 140).

Um einen Treibstoff gemäß der Erfindung zu formulieren verwirklicht man ein Gemisch, das aus einem „Jet B" und bei unterschiedlichen Konzentrationen in der obigen „MDAI"-Matrix genommenen Elementen zusammengesetzt ist.
So kann eine Formulierung der Erfindung durch die folgende Formel dargestellt werden:
B₁₀₀– (a + b + c + d)I_aII_bIII_cIV_d die ein Gemisch darstellt, das aus a% der Verbindung der Spalte I, B% der Verbindung der Spalte II, c% der Verbindung der Spalte III und d% der Verbindung der Spalte IV der obigen MDAI-Matrix besteht.
Zum Beispiel legt eine Formulierung in Form eines Gemischs der Formel vor:
B₁₀₀ – (a + b + c + d)1_a6_b11_c16_d
welche ein Gemisch darstellt, das zu a% aus der Verbindung der Familie 1, zu b% aus der Verbindung der Familie 6, zu c% aus der Verbindung der Familie 11 und zu d% aus der Verbindung der Familie 16 besteht, welche aus gewählt sind.
In spezieller Weise wählt man Bestandteile des Gemischs in geeigneten Anteilen, im Wesentlichen entlang der Diagonalen, die von links oben nach rechts unten in der "MDAI"-Matrix geht. Vorzugsweise werden die Formulierungen mit einem Repräsentant jeder Zeile in Anteilen ausgeführt, die zum Sicherstellen einer Destillationskurve passend ist, welche für ein Erdölprodukt repräsentativ ist (monotone Kurve).
Außerdem ist ein Verfahren zur Charakterisierung des Motorbetriebs im homogenen Verbrennungsmodus entwickelt worden. Das Koppeln dieses Verfahrens mit der Selbstzündungsverzögerungstabelle ("MDAI"-Matrix), die oben dargestellt ist, ermöglicht es, angepasste Treibstoffformulierungen vorzuschlagen. Dieses Koppeln ist in dem Diagramm hierunter gezeigt.
Die Bezeichnung "S_xL_x" betrifft den Betriebspunkt des Motors, die Buchstaben S und L bezeichnen jeweils die Motordrehzahl (Speed) und die Last (Load). Jeder dieser Buchstaben ist von einem Buchstaben (h oder l) gefolgt, welcher das hohe oder niedrige Niveau dieses Parameters bezeichnet (high oder low).
Daher wird für einen Treibstoff, der den Betrieben geringe Drehzahl/geringe Last und starke Drehzahl/starke Last gewidmet ist, eine Formulierung vom Typ Bo₃₀1₁₀5₁₀15₂₅20₂₅ angepasst sein.
Wie andere Beispiele von Formulierungen, die ein großes Interesse als Treibstoffe für Motoren, die gemäß dem HCCI-Modus arbeiten, aufweisen, kann man unter vielen anderen nennen:

– B₆₀1₅6₁₀10₁₀15₁₀20₅ und
– B₇₀1₁₀15₁₀20₁₀.

Außerdem kann die Promotorrolle der Gemische, die in der Erfindung für die homogene HCCI-Verbrennung betrachtet werden durch Koppeln mit dem Rezyklierungskreislauf der Auspuffgase (EGR) verstärkt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Treibstoffformulierung für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Zusammensetzung bestimmt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass man einen Treibstoffgrundstoff unter den Jet B wählt, wie in der Norm ASTM D-1655 definiert, und man ihn ggf. wenigstens einen Bestandteil oder eine Kombination von Bestandteilen beimischt, die gewählt sind unter: – den Paraffinen; – den Nitroverbindungen; – den Peroxiden; – den Carbonaten; – den Acetalen; – den Ethern; – den Alkoholen; – den Glykolethern; und – den Glykolestern, derart, dass beim Mischen eine Destillationskurve sichergestellt wird, deren Verlauf repräsentativ für jenen eines Treibstoffes ist, der auf die Betriebsanforderungen der Motoren mit HCCI-Verbrennungsmodus oder Verbrennung durch Selbstzündung in größtenteils homogener Phase angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Bestandteile, welche dem Jet B zuzugeben sind, aus der Matrix hierunter auswählt:
in der die Zahlen von 1 bis 20 jede eine Familie von Verbindungen darstellen, die eine Siedetemperatur und eine Cetanzahl haben, welche in den angezeigten Intervallen liegt, wobei die Bestandteile im Wesentlichen entlang einer diagonalen Richtung gewählt sind, die von links oben nach rechts unten von der Matrix geht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Formulierung ausführt, indem man die Jet B einem Repräsentant von jeder Zeile der Matrix beimischt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination von Verbindungen wenigstens eine Verbindung umfasst, die gewählt ist unter: – 2-Methylhexan, n-Heptan, 2-Methyloctan, 2-Methylnonan, n-Octan, 3,6-Dimethyloctan, 3-Methylnonan, 2,9-Dimethyl-5,6-Diisoamyldecan, Nonan, Decan, Undecan, 3-Ethyldecan, 5-Butylnonan, 7,8-Dimethyltetradecan, 2,6,10-Trimethyldodecan, 2,3,10-Trimethylundecan, 6-Propyldodecan, lineare C_nH_2n+2-Paraffine mit n ≥ 14; – Nitromethan, Nitroethan, Nitropropan, Nitrobenzol, Nitrotoluol; – tert.-Butylperoxid; – Diethylcarbonat; – Polyethoxy-Diethoxymethan; – Dimethoxymethan, Diethoxypropan, Diethoxybutan, Di-n-Pentylether, Di-n-Pentoxymethan; – Octanol, Nonanol, Dodecanol; – Dimethylglykol, Dimethyldiglykol, Ethyldiglykol, Ethyltriglykol; und – Butylglykolacetat . in Anteilen, die in Abhängigkeit des Siedepunktes und der Cetanzahl von jeder der eingesetzten Verbindungen gewählt werden.
Treibstoffformulierung, die den Betrieb der Verbrennungsmotoren im HCCI-Verbrennungsmodus begünstigen, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgearbeitet ist, ausgehend von: – einem Treibstoffgrundstoff, der ein Jet B umfasst, wie in der ASTM D-1655 Norm definiert; und – ggf. ein Bestandteil oder eine Kombination von Bestandteilen, gewählt unter: – den Paraffinen; – den Nitroverbindungen; – den Peroxiden; – den Carbonaten; – den Acetalen; – den Ethern; – den Alkoholen; – den Glykolethern; und – den Glykolestern, derart, dass beim Mischen eine Destillationskurve sichergestellt wird, deren Verlauf repräsentativ für jene eines Treibstoffes für einen Motor mit Zündung durch Kompression ist.
Treibstoffformulierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil oder die Kombination von Bestandteilen wenigstens eine Verbindung umfasst, die gewählt ist unter: – 2-Methylhexan, n-Heptan, 2-Methyloctan, 2-Methylnonan, n-Octan, 3,6-Dimethyloctan, 3-Methylnonan, 2,9-Dimethyl-5,6-diisoamyldecan, Nonan, Decan, Undecan, 3-Ethyldecan, 5-Butylnonan, 7,8-Dimethyltetradecan, 2,6,10-Trimethyldodecan, 2,3,10-Trimethylundecan, 6-Propyldodecan, lineare C_nH_2n+2-Paraffine mit n ≥ 14; – Nitromethan, Nitroethan, Nitropropan, Nitrobenzol, Nitrotoluol; – tert.-Butylperoxid; – Diethylcarbonat; – Polyethoxy-Diethoxymethan; – Dimethoxymethan, Diethoxypropan, Diethoxybutan, Di-n-Pentylether, Di-n-Pentoxymethan; – Octanol, Nonanol, Dodecanol; – Dimethylglykol, Dimethyldiglykol, Ethyldiglykol, Ethyltriglykol und – Butylglykolacetat, in Anteilen, die in Abhängigkeit des Siedepunktes und der Cetanzahl von jeder der eingesetzten Verbindungen gewählt werden.
Treibstoffformulierung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination von Bestandteilen Anteile a, b, c und d von wenigstens einer Verbindung umfasst, die in jeder der Spalten I, II, III und IV der folgenden Matrix gewählt ist:
in der jede Verbindung von 1 bis 20 unter den Verbindungen gewählt wird, die einen Siedepunkt in dem angezeigten Destillationsbereich haben und eine Cetanzahl in dem angezeigten Cetanbereich.
Treibstoffformulierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in deren Zusammensetzung die Anteile a, b, c und d von jeder der in die Kombination eintretenden Verbindungen zwischen 0 und 50 Vol.-% liegt.
Treibstoffformulierung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Zusammensetzung durch die folgende Formel dargestellt wird: B₁₀₀ – (a + b + c + d)I_aII_bIII_cIV_d in der I, II, III, IV, a, b, c und d wie in Anspruch 3 definiert sind.
Treibstoffformulierung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Matrix MDAI, – der Bestandteil 1 2-Methylhexan ist; – der Bestandteil 2 Dimethylglykol oder n-Heptan ist; – der Bestandteil 3 Dimethoxymethan ist; – der Bestandteil 4 Nitromethan ist; – der Bestandteil 5 Diethylcarbonat oder 2-Methylheptan ist; – der Bestandteil 6 2-Methyloctan ist; – der Bestandteil 7 2-Methylnonan ist; – der Bestandteil 8 Diethoxypropan, Diethoxybutan, Nitroethan, Nitropropan oder n-Octan ist; – der Bestandteil 9 Octanol, Butylglykolacetat oder 3,6-Dimethyloctan ist; – der Bestandteil 10 3-Methylnonan ist; – der Bestandteil 11 2,9-Dimethyl-5,6-Diisoamyldecan ist; – der Bestandteil 12 Di-n-Pentylether , Dimethyldiglykol, Nonan, Decan oder Undecan ist; – der Bestandteil 13 Ethyldiglykol ist; – der Bestandteil 14 3-Ethyldecan ist; – der Bestandteil 15 5-Butylnonan ist; – der Bestandteil 16 Nonanol, Di-n-Pentoxymethan, Nitrobenzol oder Nitrotoluol ist; – der Bestandteil 17 7,8-Dimethyltetradecan oder 2,6,10-Trimethyldodecan ist; – der Bestandteil 18 2,3,10-Trimethylundecan ist; – der Bestandteil 19 6-Propyldodecan ist; und – der Bestandteil 20 Dodecanol, Ethyltriglykol, ein Gemisch linearer Paraffine (C_nH_2n+2, n ≥ 14) oder Polyethoxy-Diethoxymethan ist.
Treibstoffformulierung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Kombination eintretenden Verbindungen gemäß einer im Wesentlichen diagonalen Richtung ausgewählt sind, die von links oben nach rechts unten in der MDAI-Matrix geht.
Treibstoffformulierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination mit einem Repräsentant von jeder Zeile der MDAI-Matrix ausgeführt ist.
Treibstoffformulierung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass deren Zusammensetzung durch eine der Formeln dargestellt ist: – B₃₀1₁₀5₁₀15₂₅20₂₅ – B₆₀1₅6₁₀10₁₀15₁₀25₅ und – B₇₀1₁₀15₁₀20₁₀.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass es die Versorgung des Motors mittels einer Treibstoffformulierung umfasst, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgearbeitet ist, oder definiert in einem der Ansprüche 5 bis 13 definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor für den HCCI-Verbrennungsmodus entwickelt ist.