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Treibstoff für Motoren mit Kompressionszündung Die Erfindung betrifft
Treibstoffgemische für schnell laufende Motoren mit Kompressionszündung. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine neue Art von Treibstoffen, die bisher für derartige
Maschinen noch nicht verwendet wurden, und verbessert daher die Versergung des Marktes
mit Dieseltreibstoffen.
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In den letzten Jahren hat die Verwendung von Dieselmotoren ständig
zugenommen, und es besteht daher Grund zu der Annahme, daß die gesamte Krafterzeugung
mit Hilfe von Dieselmaschinen weiter rasch ansteigen wird. In den 14 Jahren von
1941 bis 1954 ist die Nachfrage nach Dieseltreibstoffen auf das 6fache angestiegen.,
während in dem gleichen Zeitraum die Gesamtnachfrage nach Erdölprodukten nur auf
etwas weniger als das Doppelte angestiegen ist. Um dem voraussichtlich steigenden
Bedarf an Dieseltreibstoffen gerecht zu werden, ist es wünschenswert, neue OOuellen
für selche Treibstoffe aufzufinden sowie ihre Beschaffenheit zu verbessern.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, Kohlenwasserstoff-oder Erdölfraktionen
nutzbar zu machen, die bisher nicht als Bestandteile von Treibstoffen. für schnell
laufende Dieselmotoren verwendet wurden, und dabei gleichzeitig einen Treibstoff
zu gewinnen, der die geringstmögliche Viskosität von etwa 1,2 cSt bei 37,8° C, einen
niedrigen Gefrierpunkt oder Phasentrennungspunkt und ein hohes spezifisches Gewicht
aufweist, so daß die Verbrennungswärme je Volumeinheit hoch ist und man eine gute
Kilometerausbeute oder einen niedrigen spezifischen Treib-stoffverhrauch erzielt.
Weiterhin will die Erfindung einen Treibstoff schaffen, der eine höhere Flüchtigkeit
besitzt und ein gutes Anlassen der Maschine in der Kälte ermöglicht, kein Klopfen
oder Klingeln verursacht sowie wenig Rauch und sonstige unangenehme Bestandteile
in den Auspuffgasen erzeugt. Die Viskosität des Treibstoffes ist für einen möglichst
geringen Verschleiß der Treibstoffpumpe und für die Erleichterung der genauen. Zuteilung
des Treibstoffes durch die Einspritzpumpe von Bedeutung.
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Der erfindungsgemäße Treibstoff für schnell laufende Motoren mit Kompressionszündung
besteht aus einem Gemisch von etwa 30 bis 55 Gewichtsprozent flüchtigen, aus Erdöl
stammenden Benzinkohlenwasserstoffen von niedriger Octanzahl mit einem Siedebereich
von etwa 66 bis 232° C, etwa 25 bis 40 Gewichtsprozent mehrkernigen aromatischen
Kohlenwasserstoffen mit etwa zwei bis vier aromatischen Ringen je Molekül und einem
Siedebereich von etwa 232 bis 400° C und etwa 15 bis 30, Gewichtsprozent eines nichtaromatischen,
in Kohlenwasserstoffen löslichen Alkohols mit mindestens 6 C-Atomen und einem Siedepunkt
unterhalb etwa 400° C. Die flüchtigen Erdölkohlenwasserstoffe von niedriger Octanzahl
haben gewöhnlich eine Octanzahl von 50 oder weniger.
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Das oben beschriebene Treibstoffgemisch hat eine Viskosität von mindestens
1,2, vorzugsweise von etwa 1,4 bis 3 cSt oder mehr bei 37,8° C, um die Gefahr einer
übermäßigen Abnutzung der Treibstoffpumpe zu vermeiden. Das Gemisch ist auch ein
gutes Schmiermittel für die Treibstoffpumpe. Dieser Treibstoff besitzt einen niedrigen
Phasentrennungspunkt, Trübungspunkt oder Stockpunkt. Gewöhnlich liegt dieser Wert
unterhalb -18° C. Der Treibstoff verbrennt in sauberer Weise.
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Die flüchtigen Benzinbestandteile des erfindungsgemäßen Treibstoffgemisches
sind Kohlenwasserstofffraktionen mit einem hohen Gehalt an Paraffinen, bei denen
das Kohlenstoffskelett ihrer Moleküle zum großen Teil aus verhältnismäßig langen
Ketten mit 6 oder mehr C-Atomen besteht. n-Heptan und n-Octan eignen sich gut als
Treibstoffkomponenten. Destillatbenzine mit einem Siedebereich von etwa 66 bis 232°
C und Octanzahlen unterhalb 50 sind ebenfalls geeignet. Gute Komponenten für diesen
Treibstoff sind auch Raffinate von der Extraktion thermisch oder katalytisch gespaltener
Schwerbenzine in flüssiger Phase oder Raffinate von der Extraktion von Hydräformierungsprodukten.
Dies ist wichtig, da die Extrakte dieser Verfahren hochwertige Benzinkomponenten
ersten Gütegrades für Motoren mit Funkenzündung darstellen, während die Raffinate
im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
Die
mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffe können aus dem Umlaufgut der katalytischen
Spaltung oder aus der Lösungsmittelextraktion von Erdölfraktionen stammen, die erhebliche
Mengen an diesen Aromaten enthalten. Diese Fraktionen können thermisch oder katalytisch
gespaltene Destillate oder aber Heizöl- oder leichte Schmierölfraktionen eines Siedebereichs
von 204 bis 400° C sein. Extrahiert man ein Heizöl oder das Umlaufgut eines katalytischen
Spaltverfahrens mit einem geeigneten selektiven Lösungsmittel, so erhält man die
gewünschten mehrkernigen Aromaten in dem Extrakt, und das Raffinat besitzt günstigere
Verbrennungseigenschaften zur Verwendung als Heizöl oder stellt ein verbessertes
Ausgangsgut für die katalytische Spaltung dar. Diese Aroma,-ten sind wichtige Bestandteile
der erfindungsgemäßen Treibstoffgemische, da sie eine viel höhere Viskosität als
die entsprechenden Paraffine besitzen und eine hohe Verbrennungswärme je Liter liefern,
was zur Wirtschaftlichkeit des Treibstoffs beiträgt. Außerdem sind sie gute Lösungsmittel.
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Die hydroxylgruppenhaltigen Kohlenwasserstoffe, d. h. die Alkohole,
welche im Sinne der Erfindung eine Komponente des Treibstoffgemisches bilden, besitzen
eine oder zwei Hydroxylgruppen im Molekül. Einwertige Alkohole sollen mindestens
6, vorzugsweise aber 8 oder mehr C-Atome enthalten. Dioxyverbindungen oder Glykole
sind viel zähflüssiger als einwertige Alkohole; sie sind jedoch auch weniger löslich
in Kohlenwasserstaffen als einwertige Alkohole. Im allgemeinen muß ein Glykol ein
höheres Molekulargewicht besitzen, um die gleiche Löslichkeit aufzuweisen wie der
einwertige Alkohol. Bei der gleichen Flüchtigkeit ist der einwertige Alkohol viel
zähflüssiger als der entsprechende Kohlenwasserstoff und besitzt auch gewöhnlich
ein höheres spezifisches Gewicht. Ein aliphatischer Alkohol hat etwa die gleiche
Verbrennungswärme je Liter wie ein Paraffinkohlenwasserstoff mit der gleichen Anzahl
an Kohlenstoffatomen, besitzt jedoch einen höheren Siedepunkt und ist viel zähflüssiger
als dieser. Bei gleichem Siedepunkt hat der aliphatische Alkohol eine niedrigere
Verbrennungswärme als der entsprechende Paraffinkohlenwasserstoff; dieser Unterschied
braucht jedoch nicht groß zu sein. Wenn der aliphatische Alkohol 8 oder mehr
C-Atome enthält, weicht seine Verbrennungswärme um 511/o oder weniger von derjenigen
eines Paraffinkohlenwasserstoffs von dem gleichen Siedepunkt ab. Es ist daher gewöhnlich
zweckmäßig, höhersiedende Alkohole zu verwenden; denn sie sind erstens allgemein
bessere Antikhopfmittel und besitzen zweitens eine höhere Verbrennungswärme je Liter.
Die Folge davon ist eine größere Wirtschaftlichkeit, nämlich ein geringerer spezifischer
Treibstoffverbrauch. Dies wird nachfolgend durch einige Beispiele erläutert.
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Cyclohexanol hat einen Siedepunkt von 160° C und eine Viskosität von
25 cSt bei 37,8° C. Ein Paraffinkohlenwasserstoff des gleichen Siedepunktes besitzt
eine Viskosität von etwa 1 cSt bei 37,8° C. n-Hexanol hat einen Siedepunkt von 157°
C und eine Viskosität von 3,7 cSt bei 37,8° C. Ein Glykol ist noch zähflüssiger.
So hat z. B. 2-Äthylhexandiol-1,3 eine Viskosität von etwa 125 cSt bei 37,8° C und
einen Siedepunkt von 243° C. Ein Paraffinkohlenwasserstoff von diesem Siedepunkt
besitzt eine Viskosität von etwa 2 cSt bei 37,8° C. Dipropylenglykol hat eine Viskosität
von 20 bis 30 cSt bei 37,8° C.
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Der Alkohol besitzt vorzugsweise eine offene Paraffinkette; jedoch
sind auch cyclische oder naphthenische Alkohole verwendbar. Vorzugsweise sind bei
den aliphatischen Alkoholen die Kohlenstoffatome überwiegend in einer verhältnismäßig
geradkettigen Struktur angeordnet. Jedoch hat sich auch der nach dem Oxoverfahren
aus Propylen hergestellte Tridecylalkohol als geeignete Komponente für die erfindungsgemäßen
Treibstoffe erwiesen. Bei diesem Oxoalkohol sind nicht weniger als 6 bis 10 seiner
Koh.lenstoffatome in einer linearen Kette angeordnet. Die Viskosität von Standardgemischen
dieses Tridecylalko.hols mit n-Heptan beträgt etwa 15 cSt bei 37,8° C.
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Es werden verschiedene erfindungsgemäße Treibstoffgemische in einem
Mercedes-Benz-Kraftwagen untersucht, der durch einen wassergekühlten Viertaktdieselmotor
mit einem Brems-PS von 40 bei 3200 U/min und einem Verdichtungsverhältnis von
19: 1 angetrieben wird. Der Kraftwagen ist mit Glasbüretten ausgestattet,
so daß die verschiedenen Treibstoffgemische genau abgemessen werden können, um den
Treibstoffverbrauch zu ermitteln. Die Treibstoffleitungen sind mit Ventilen ausgestattet,
um den Motor von einem Treibstoff auf den anderen umschalten zu können.
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Weiterhin ist für das Ausspülen der Treibstoffleitungen beim Umschalten
von einem Treibstoffgemisch auf das andere Vorsorge getroffen.
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Die Versuche werden auf einer Wegstrecke von 16 km ausgeführt, die
sich über flaches und hügeliges Gelände erstreckt. Aus den beim Fahren über die
Prüfstrecke in beiden Richtungen erhaltenen Werten wird der Mittelwert genommen:
Für sämtliche Prüfungen wird das gleiche Motorenöl, nämlich ein hochwertiges Hochleistungsöl
von hohem Viskositätsindex und einer Viskosität im Bereich SAE 20 bis 30, das alle
3200 km gewechselt wird, verwendet.
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Zusammensetzung, Viskosität und spezifisches Gewicht für die untersuchten
Treibstoffgemische sind in der nachstehenden Tabelle angegeben. Das zur Herstellung
einiger Treibstoffgemische verwendete Lackbenzin ist aus einem von einem Michigan-Rohöl
stammenden ungespaltenen Benzin hergestellt worden und hat einen Siedebereich von
68 bis 163° C und eine Octanzahl von 30 bis 40. Das eng-geschnittene Schwerbenzin
ist ein im Handel erhältliches Destillatbenzin eines Siedebereiches von 149 bis
20'4° C und, einer Octanzahl von weniger als 50. Diese beiden Benzine sind dadurch
gekennzeichnet, daß sie vorwiegend paraffinische und naphthenische Kohlenwasserstoffe
und nicht mehr als 10% Aromaten enthalten. Für einen Benzinmotor würden sie schlechte
Treibstoffe darstellen, da sie ein starkes Klopfen verursachen würden.
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Die mehrkernige aromatische Kohlenwasserstofffraktion ist ein im Handel
erhältliches hochsiedendes aromatisches Lösungsmittel eines Siedebereiches von etwa
288 bis 371° C und besteht im wesentlichen zu 10011/o aus Aromaten mit einem vorwiegenden
Gehalt an hochkondensierten aromatischen Kohlenwasserstoffen mit zwei bis vier Ringen.
Seine Viskosität bei 37,8° C beträgt 16 cSt, sein spezifisches Gewicht 1,06, der
Stockpunkt -34,5° C. Dieses Material wird ausgewählt, weil es typisch für die in
katalytischem Umlaufgut zur Verfügung stehenden aromatischen Kohlenwasserstoffe
ist.
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Als Bezugsnorm für die Bewertung der in der Tabelle aufgeführten Treibstoffgemische
wird ein reguläres Heizöl 1Nr. 2 (Dieseltreibstoff) ausgewählt. Dieser Bezugstreibstoff
ist eine Kohlenwasserstofffraktion üblicher Art mit einem Siedebereich von etwa
149 bis 371° C, einem spezifischen Gewicht von 0,83
bei 15,5° C,
einer Cetanzahl von 50 und einer Viskosität von 2,5 eSt bei 37,8° C.
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Das in der Tabelle angegebene Gemisch A ist der beste der geprüften
Treibstoffe. Dieser Treibstoff arbeitet glatter und ruhiger als der Bezugsnormtreibstoff
Nr. 2. Das Anspringen bei niedriger Temperatur ist gut und die Verbrennung sauber.
Bei der Prüfung des Treibstoffgemisches A über eine Wegstrecke von 800 km sowohl
im Stadtverkehr als auch auf der offenen Straße ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten.
Der Treibstoff arbeitet glatt und gut und erwies sich in sämtlichen Hinsichten als
mindestens ebenso gut wie ein handelsüblicher Dieseltreibstoff. Der Treibstoffverbrauch
für eine gegebene Geschwindigkeit ist ebenso gut wie bei dem Bezugsnormtreibstoff
Nr. 2.
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Treibstoff B unterscheidet sich von dem Gemisch A dadurch, daß sein
Aromatengehalt von 30 auf 35 0/0 erhöht und sein Gehalt an n-Heptan von 25 auf 20%
herabgesetzt ist. Dieser Treibstoff erweist sich ebenfalls als sehr zufriedenstellend.
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Treibstoff C arbeitet zufriedenstellend, wenn die Maschine warm ist.
Weder Rauchbildung noch Klopfen machen sich bei irgendeiner Geschwindigkeit bemerkbar.
Die Beschleunigung ist gut und der Verbrauch bei einer gegebenen Geschwindigkeit
ebenso gut wie bei dem Bezugsnormtreibstoff Nr.2. Dieser Treibstoff ist nicht so
gut wie die Treibstoffe A und B bezüglich des Anspringens in der Kälte bei 4,5'
C. Beim Anlaufen entwickelt sich mehr Rauch, und die Maschine läuft nicht so glatt.
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Treibstoff D arbeitet auch dann gut, wenn die Temperatur der umgebenden
Luft 4,5 bis 10' C beträgt. Es tritt kein Klopfen bei niedriger Geschwindigkeit
und keine Rauchbildung auf, und die Beschleunigung ist gut. Auch der Treibstoffverbrauch
ist ebenso gut wie bei dem Bezugsnormtreibstoff Nr. 2.
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Treibstoff E verhält sich ebenfalls zufriedenstellend. Die Maschine
läuft glatt, und die Beschleunigung ist gut. Der Treibstoffverbrauch beträgt etwa
10% mehr als bei dem Bezugsnormtreibstoff. In Anbetracht seiner Viskosität von 1,2
eSt liegt dieser Treibstoff bezüglich der Viskositätserfordernisse gerade an der
Grenze. Die Treibstoffe F und G sind einander insofern ähnlich, als sie je 40% mehrkernige
Aromaten und 20% Octanol-2 enthalten. Die flüchtige Komponente besteht bei dem Treibstoff
F aus 40% Lackbenzin, bei dem Treibstoff Gaus 40 % n-Heptan. Der Treibstoff G verhält
sich zufriedenstellend, bildet keinen Rauch und verursachte kein Klopfen oder Klingeln
bei hohen Geschwindigkeiten. Der Treibstoff F zeigt eine gewisse Neigung zum Klingeln
bei Geschwindigkeiten im Bereich von 72 bis 96 km/Std., ist aber sonst zufriedenstellend.
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Der Treibstoff H enthält 45 % mehrkernige Aromaten und ergibt keine
Schwierigkeiten beim Anlassen bei 21° C. Er verursacht kein Klopfen bei niedrigen
Geschwindigkeiten, jedoch gelegentliches Klingeln im Geschwindigkeitsbereich von
64 bis 96 km/Std. Die Beschleunigung ist gut. Beim Anlassen in der Kälte bei 5,5°
C ergeben sich Schwierigkeiten. Es entwickeln sich beträchtliche Rauchmengen, und
der Motor läuft ungleichmäßig und geräuschvoll; diese Erscheinungen verschwinden
jedoch, wenn die Maschine warm wird. Der Treibstoffverbrauch ist etwa ebenso gut
wie bei dem Bezugsnormtreibstoff N r. 2. Das Treibstoffgemisch J arbeitet nicht
zufriedenstellend; bei Geschwindigkeiten oberhalb 80 km/Std. tritt ein ständiges
Klingeln auf; sonst ist aber die Leistung normal. Anscheinend ist die Zündungsverzögerung
so groß, daß der Treibstoff für diese Geschwindigkeiten des Motors nicht schnell
genug verbrennen kann. Auch die Viskosität dieses Gemisches ist zu niedrig für eine
zufriedenstellende Leistung.
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Das Gemisch K verhält sich, wenn die Maschine warm ist, ziemlich günstig.
Die Maschine läuft glatt, und die Beschleunigung ist gut. Bei hohen Geschwindigkeiten
tritt jedoch Klingeln auf. Das Anlassen bei
10' C ist zufriedenstellend.
Nach Zusatz von 10/0 Amylnitrat zu diesem Treibstoff ist das Klingeln bei sämtlichen
Geschwindigkeiten verschwunden. Die Maschine läuft glatt. Sie kann auch nicht dadurch
zum Klopfen gebracht werden, daß der Lauf der Maschine verzögert und dann wieder
schnell beschleunigt wird. Der Treibstoffverbrauch ist ebenso gut wie bei dem Bezugsnormtreibstoff
Nr. 2.
| Mengen der Bestandteile in den Gemischen, Gewichtsprozent |
| Bestandteil Gemisch |
| A I B C I D I E F G H I J I K |
| n-Heptan . .... .. . ......... .. .... . 25 i 20 I - - 40 (
- 40 - 50 25 |
| Lackbenzin ..................... 20 20 @ 25 40 - 40 - 45 -
. 15 |
| Enggeschnittenes Schwerbenzin ** - - 25 - - - - - - 15 |
| Mehrkernige Aromaten . . . . . . . . . . . 30 35 30 35 30 40
40 45 50 30 |
| n-Decanol ...................... 25 25 20 25 ' - - - 10 - - |
| Octanol-2 ...................... - - - - 30 20 20 - - - |
| 2-Äthylhexandiol-1,3 ............. - - - - - - - - - 15 |
| Viskosität bei 37,8' C, cst ....... 1,5 1,6 1,6
1,8 1,2 1,4 1,4 1,5 1,0 1,4 |
| Spezifisches Gewicht 15,5/15,5° C 0,83 0,84 0,85 0,85 0,82
0,82 0,83 0,87 0,83 0,84 |
| * Destillat eines Siedebereichs von 68 bis 162° C mit einem
Gehalt von etwa 12 Volumprozent n-Heptan und 40 Volumprozent |
| n-Octan. |
| ** Destillatbenzin eines Siedebereichs von 149 bis 204° C. |
Die Viskosität eines Gemisches von 50 Gewichtsprozent n-Heptan und 50 Gewichtsprozent
2-Äthylhexandiol-1,3 beträgt 3,5 cSt bei 37,8° C. Bei
1,5' C tritt eine gewisse
Phasentrennung auf. Ein Gemisch aus 40 Gewichtsprozent n-Heptan, 20 Gewichtsprozent
2-Äthylhexandiol-1,3 und 40 Gewichtsprozent mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffen
bleibt jedoch bis unterhalb -18o C klar und flüssig. Die
Viskosität
dieses Gemisches beträgt 1,7 cSt bei 37,8° C. Dies zeigt die gute Lösungswirkung
der Aromaten an.
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Die obigen Ergebnisse zeigen, daß bis etwa 40% mehrkernigen Aromaten
in den erfindungsgemäßen Treibstoffgemischen zulässig sind. Die Ergebnisse zeigen
ferner, daß die höchstzulässige Menge an Erdöldestillaten von niedriger Octanzahl
etwa 550% beträgt, da das Gemisch Kin seiner Leistung bereits an der Grenze liegt.
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Es ist zu bemerken, daß alle diese Treibstoffe eine gute Empfindlichkeit
gegen die üblichen Diesel-Antiklopfmittel oder Zündungsbeschleuniger, wie Amylnitrat
oder Amylnitrit, aufweisen. Wenn beginnendes Klopfen oder ständiges Klingeln auftritt,
so läßt sich dies durch Zusatz von 0,5 bis 1% Amylnitrat beseitigen, wobei eine
entsprechend glattere Arbeitsweise und Beschleunigung der Maschine stattfand. Auch
das Anspringen in der Kälte wird verbessert.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, andere bekannte Zündungsbeschleuniger,
Schmierfähigkeitsmittel,- Stockpunkterniedriger sowie Korrosions- und Oxydationsverzögerer
zu den erfindungsgemäßen Treibstoffgemischen zuzusetzen, wenn die Anwesenheit dieser
Mittel sich als notwendig oder wünschenswert erweist. Die bevorzugten Zündungsbeschleuniger
sind aliphatische Nitroverbindungen, wie Amylnitrat, Amylnitrit, Nitropentan, Isopropylnitrit,
Nitroalkoholnitrate u. dgl., angewandt in Konzentrationen von etwa 0,5 bis 1,5%.
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Man kann die erfindungsgemäßen Treibstoffe entweder während des Betriebs
des Motors oder bei der Lagerung ohne schädliche Wirkungen mit Dieseltreibstoffen
herkömmlicher Art, wie z. B. dem Bezugsnormtreibstoff Nr.2, vermischen. Der erfindungsgemäße
Dieseltreibstoff bedeutet einen erheblichen Beitrag zu der Versorgung des Marktes
mit Dieseltreibstoffen, insbesondere denjenigen für schnell laufende Motoren, und
die Mineralölindustrie wird in die Lage versetzt, Dieseltreibstoffe unter Verwendung
von Bestandteilen herzustellen, die sonst für sich allein für diesen Zweck ungeeignet
sind.