DE112010002033B4 - Biohydrofuel compositions - Google Patents
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Abstract
Bikontinuierliche einphasige Mikroemulsion, bestehend mindestens aus einer wässrigen Komponente (A) umfassend 5 bis 50 Gew.-% Wasser und 2 bis 20 Gew.-% Ethanol, einer hydrophoben Komponente (B) umfassend 45 bis 90 Gew.-% die einen oder mehrere als Kraft-, Treib- oder Brennstoff einsetzbare Stoffe, jedoch mindestens einen Kraftstoff auf Mineralölbasis und/oder mindestens einen auf pflanzlichen Ölen oder deren Derivaten basierenden Kraft-, Heiz- oder Brennstoff und/oder durch Fischer-Tropsch Synthese hergestellten Kraft-, Heiz- oder Brennstoff enthält, einer ionischen Tensidkomponente (C) umfassend ein Salz aus 1 bis 10 Gew.-% einer C6-30 Fettsäure und 0,2 bis 1,0 Gew.-% einer primären, sekundären oder tertiären Aminbase, einer nichtionischen Tensidkomponente (D) umfassend 2 bis 15 Gew.-% C6-30 Fettsäurediethanolamid und/oder C6-30 Fettsäurediethanolamin und einer Additiv/Salzkomponente (E) umfassend 0 bis 0,5 Gew.-% Ammoniumnitrat, wobei der Gehalt an (C) kleiner als der von (D) ist und wobei die Mikroemulsion gleichzeitig eine kontinuierliche wässrige Phase und eine kontinuierliche hydrophobe Phase aufweist.A bicontinuous monophasic microemulsion comprising at least one aqueous component (A) comprising 5 to 50% by weight of water and 2 to 20% by weight of ethanol, a hydrophobic component (B) comprising 45 to 90% by weight of the one or more usable as fuel, fuel or fuel, but at least one fuel based on mineral oil and / or at least one based on vegetable oils or their derivatives of power, heating or fuel and / or produced by Fischer-Tropsch synthesis force, heating or fuel, an ionic surfactant component (C) comprising a salt of 1 to 10% by weight of a C6-30 fatty acid and 0.2 to 1.0% by weight of a primary, secondary or tertiary amine base, a nonionic surfactant component ( D) comprising 2 to 15 wt .-% C6-30 fatty acid diethanolamide and / or C6-30 fatty acid diethanolamine and an additive / salt component (E) comprising 0 to 0.5 wt .-% ammonium nitrate, wherein the content of (C) is less than the of (D) and wherein the microemulsion has simultaneously a continuous aqueous phase and a continuous hydrophobic phase.
Description
Die Erfindung betrifft bikontinuierliche einphasige Mikroemulsionen mit einer speziellen Tensidzusammensetzung, die als Kraftstoffe einsetzbar sind und dabei eine Verbrennung mit bislang unerreichter Schadstoffarmut und Effizienz erlauben. Weiterhin werden Tensidkonzentrate zur Herstellung solcher Mikroemulsionen zur Verfügung gestellt.The invention relates to bicontinuous single-phase microemulsions with a special surfactant composition which can be used as fuels and thereby allow combustion with unprecedented low emissions and efficiency. Furthermore, surfactant concentrates are provided for the preparation of such microemulsions.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Für die umsichtige und rationelle Verwendung von natürlichen Ressourcen, Verringerung der Abhängigkeit vom Erdöl, Einsparung der verkehrsbedingten CO2-Emissionen und der Einhaltung des Kyoto-Protokolls fordert die Europäische Union in der Richtlinie 2003/30/EG vom 8. Mai 2003 die Verwendung von Biokraftstoffen und anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor (Richtlinie 2003/30/EG des Europäischen Parlaments und des Rates zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor, Amtsblatt der Europäischen Union, 8. Mai 2003, L 123/42). Zur Umsetzung dieser Richtlinien wurde am 18. Dezember 2006 vom Bundestag das Biokraftstoffquotengesetz beschlossen (Bundestag, Biokraftstoffquotengesetz, Bundesgesetzblatt, Jahrgang 2006, Teil I, Nr. 62), in dem der Mindestanteil von Biokraftstoff an der Gesamtmenge Otto- und Dieselkraftstoffs, die in den Verkehr gebracht wird, festgelegt wird. Ab dem Jahr 2015 wird diese Quote 8,0 Prozent, bezogen auf Energiegehalt, betragen. Allerdings kann durch den Einsatz des Biokraftstoffs das Problem der Schadstoffemissionen wie z. B.: Ruß und Stickoxide der Dieselmotoren nicht gelöst werden.For the prudent and rational use of natural resources, reduction of dependence on oil, saving of transport-related CO 2 emissions and compliance with the Kyoto Protocol, the European Union requires in Directive 2003/30 / EC of 8 May 2003 the use of Biofuels and other renewable fuels in the transport sector (Directive 2003/30 / EC of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels in the transport sector, Official Journal of the European Union, 8 May 2003,
Eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Verbesserung der Verbrennungseffizienz und der Schadstoffemissionen ist die Verwendung von speziellen Kraftstoffen, insbesondere von Kraftstoffen, die aus einer Mischung einer wässrigen und einer nicht-wässrigen Phase bestehen, also beispielsweise Wasser in Öl (W/O) Emulsionen oder in den im Weiteren beschriebenen Mikroemulsionen. Solche Kraftstoffe erlauben einen effizienten Verbrennungsprozess trotz vergleichsweise niedriger Verbrennungstemperaturen, die durch die Verdampfung des Wassers aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie hervorgerufen werden.One way to simultaneously improve combustion efficiency and pollutant emissions is to use special fuels, especially fuels that consist of a mixture of an aqueous and a non-aqueous phase, such as water in oil (W / O) emulsions or in the Further described microemulsions. Such fuels allow an efficient combustion process despite relatively low combustion temperatures caused by the evaporation of the water due to the high enthalpy of vaporization.
In diesen besonderen Kraftstoffen kommt der Wasserzugabe eine positive Wirkung auf die Verbrennung zu. Durch die Absenkung der Verbrennungstemperatur wird der Wärmeverlust durch die Motorwände vermindert, was eine positive Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Motors zur Folge hat. Im Betrieb mit Mikroemulsionen ist eine messbare Erhöhung des Wirkungsgrades zu verzeichnen. Die Verringerung der Temperatur im Verbrennungsraum, erlaubt eine Reduzierung des NOx-Ausstoßes. Die Zugabe des Wassers und eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes im Kraftstoff durch den in den Tensiden, Alkoholen und anderen sauerstoffhaltigen Komponenten enthaltenen Sauerstoff führen zur massiven Reduktion des Rußes. Abhängig von dem Betriebszustand des Motors und des Wasseranteils im Kraftstoff werden die CO und HC und PM („particulate matter”) Emissionen in den Abgasen reduziert.In these particular fuels, the addition of water has a positive effect on the combustion. Lowering the combustion temperature reduces heat loss through the motor walls, which has a positive effect on the efficiency of the engine. When operating with microemulsions, a measurable increase in efficiency can be observed. The reduction of the temperature in the combustion chamber, allows a reduction of NO x emissions. The addition of the water and an increase in the oxygen content in the fuel by the oxygen contained in the surfactants, alcohols and other oxygen-containing components lead to massive reduction of the soot. Depending on the operating condition of the engine and the amount of water in the fuel, the particulate matter (CO and HC and PM) emissions in the exhaust gases are reduced.
Der Einsatz von Emulsionen aus Öl und Wasser in verschiedenen Verbrennungsprozessen ist bereits vielfach erprobt worden. Hauptnachteil von derartigen Emulsionen ist ihre thermodynamische Instabilität, überdies ist ihr Wasseranteil nicht variabel und nur sehr klein.The use of emulsions of oil and water in various combustion processes has already been tested many times. The main disadvantage of such emulsions is their thermodynamic instability, moreover, their water content is not variable and only very small.
Bekannt sind Formulierungen, die als kinetisch stabilisierte Mikroemulsionen beschrieben werden. Auch der Einsatz von thermodynamisch stabilen Mikroemulsionen wurde bereits beschrieben. Bei diesen handelt es sich um nicht optimale Mikroemulsionen (W/O) aus im Treibstoff vorliegenden, wassergeschwollenen Mizellen. Es handelt sich also um Mikroemulsionen mit genau einer kontinuierlichen Phase. Daher ist der Wasseranteil in den bisher bekannten Treibstoff-Mikroemulsionen eher klein und beträgt oft nicht mehr als 20%. Mikroemulsionen mit höheren Wasseranteilen weisen häufig hohe Emulgatorenanteile auf. Ferner beinhalten viele Formulierungen große Anteile (bis zu 20%) an Alkoholen.Formulations are known which are described as kinetically stabilized microemulsions. The use of thermodynamically stable microemulsions has also been described. These are not optimal microemulsions (W / O) from water-wet micelles present in the fuel. These are therefore microemulsions with exactly one continuous phase. Therefore, the water content in the previously known fuel microemulsions is rather small and often not more than 20%. Microemulsions with higher water contents often have high emulsifier contents. Furthermore, many formulations contain large amounts (up to 20%) of alcohols.
Betrachtet man die Zusammensetzung der bekannten Waterfuel-Mischungen genauer, so handelt es sich häufig nicht um Waterfuel-Emulsionen mit Alkohol- sondern nur um Alkoholfuel-Emulsionen mit kleinen Wasserzusätzen. Oft entsteht durch die hohe Fugazität des Ethanols das zusätzliche Problem, dass Ethanol, aber auch andere leicht flüchtigere Substanzen vermehrt aus der Mischung in die Gasphase getrieben werden. Außerdem fehlt zur Verbrennungsoptimierung die Technik, den Wasseranteil der Mischung beliebig einzustellen.Looking more closely at the composition of the known water-fuel mixtures, they are often not water-fuel emulsions with alcohol but only alcohol-fuel emulsions with small amounts of water. Often, the high fugacity of ethanol causes the additional problem that ethanol, but also other more volatile substances are increasingly driven from the mixture into the gas phase. In addition, the technique for setting the water content of the mixture is arbitrary for combustion optimization.
Aus der
Schließlich sind aus der
Die bekannten Mikroemulsionen sind noch verbesserungswürdig hinsichtlich Stabilität, Wassergehalt, Wirkungsgrad und Schadstoffentwicklung bei der Verbrennung.The known microemulsions are still in need of improvement in terms of stability, water content, efficiency and pollutant development during combustion.
Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Es wurde nun gefunden, dass Mikroemulsionen mit ionischen Tensiden als wesentlichen Bestandteil der Emulgatorkomponente besonders geeignete Biokraftstoffe sind. Die Erfindung bietet Möglichkeit durch die Zugabe von biogenen Substanzen nicht nur den CO2-Ausstoß zu minimieren, sondern auch den Schadstoffausstoß, vor allem aber die Emissionen von NOx, CO, unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Rußpartikeln gegenüber herkömmlichen Treibstoffen deutlich zu reduzieren. Kernpunkt der Erfindung ist die effiziente Solubilisierung von Wasser in herkömmlichen Treibstoffen, wie Diesel, Biodiesel, BTL, GTL unter Verwendung von geringen Konzentrationen neuartiger Emulgatormischungen aus rückstandsfrei verbrennenden Tensiden, Cotensiden und anderen Additiven. Dabei wird berücksichtigt, dass die Tenside, Cotenside und Additive auf Basis von biogenen Substanzen hergestellt werden. Die neuartigen Treibstoffe sind Mikroemulsionen, die auf der Basis von fossilen Kraftstoffen wie Diesel und Biokraftstoffen der ersten Generation wie Biodiesel und den Biokraftstoffen der zweiten Generation wie BTL formuliert sind. Im Gegensatz zu existierenden Emulsionen zeichnen sich unsere Mischungen charakteristisch durch ihre thermodynamische Stabilität und ihre Einphasigkeit aus, die über weite Temperaturbereiche, mindestens aber zwischen –10°C und +90°C vorliegt. Erfindungsgemäß zeigt sich bei der Verbrennung der optimierten Nano-Treibstoffe eine deutliche Reduktion der Schadstoffemissionen. So ist vor allem Gegenstand der Erfindung ist ferner die gegenüber herkömmlichen Treibstoffen effizientere Verbrennung der Nano-Treibstoffen, die eine merkliche Reduzierung des Verbrauchs an Erdöl weltweit in Aussicht stellt und somit eine sinnvolle Umsetzung der Gesetzgebung ermöglicht.It has now been found that microemulsions with ionic surfactants as an essential constituent of the emulsifier component are particularly suitable biofuels. The invention offers the possibility not only to minimize CO 2 emissions by adding biogenic substances, but also to significantly reduce pollutant emissions, but above all the emissions of NO x , CO, incompletely burned hydrocarbons (HC) and soot particles compared to conventional fuels , The essence of the invention is the efficient solubilization of water in conventional fuels, such as diesel, biodiesel, BTL, GTL using low concentrations of novel emulsifier mixtures of residue-free burning surfactants, cosurfactants and other additives. It is taken into account that the surfactants, cosurfactants and additives are produced on the basis of biogenic substances. The novel fuels are microemulsions formulated on the basis of fossil fuels such as diesel and first generation biofuels such as biodiesel and second generation biofuels such as BTL. In contrast to existing emulsions, our mixtures are characterized by their thermodynamic stability and their single phase, which is present over wide temperature ranges, but at least between -10 ° C and + 90 ° C. According to the invention, the combustion of the optimized nano-fuels shows a clear reduction of pollutant emissions. Thus, the main object of the invention is also compared to conventional fuels more efficient combustion of nano-fuels, which provides a significant reduction in the consumption of oil worldwide in prospect and thus allows a meaningful implementation of the legislation.
Es wurden stabile in einem weiten Temperaturbereich von 0°C bis 95°C einphasige Mikroemulsionssysteme auf Basis von folgenden Kraftstoffen – herkömmlicher Diesel, Biodiesel und BTL-Kraftstoff (Biopar) – formuliert. Der Wasseranteil kann von 5 bis 50 Prozent variiert werden, die Zugabe von höheren Wasseranteilen erfordert einen höheren Anteil an Emulgatoren-Mischung für die Ausbildung einer in einem weiten Temperaturbereich stabilen einphasigen Mikroemulsion. Die im Nachfolgenden bezifferten Prozentangaben beziehen sich – falls nicht anders angegeben – auf die Gesamtmikroemulsion. Die Erfindung betrifft somit
- (1) eine Bikontinuierliche einphasige Mikroemulsion, bestehend mindestens aus einer wässrigen Komponente (A)
umfassend 5bis 50 Gew.-% Wasser und 2bis 20 Gew.-% Ethanol, einer hydrophoben Komponente (B) umfassend 45bis 90 Gew.-% die einen oder mehrere als Kraft-, Treib- oder Brennstoff einsetzbare Stoffe, jedoch mindestens einen Kraftstoff auf Mineralölbasis und/oder mindestens einen auf pflanzlichen Ölen oder deren Derivaten basierenden Kraft-, Heiz- oder Brennstoff und/oder durch Fischer-Tropsch Synthese hergestellten Kraft-, Heiz- oder Brennstoff enthält, einer ionischen Tensidkomponente (C) umfassendein Salz aus 1bis 10 Gew.-% einer C6-30 Fettsäure und 0,2 1,0 Gew.-% einer primären, sekundären oder tertiären Aminbase, einer nichtionischen Tensidkomponente (D) umfassend 2bis bis 15 Gew.-% C6-30 Fettsäurediethanolamid und/oder C6-30 Fettsäurediethanolamin und einer Additiv/Salzkomponente (E) umfassend 0 0,5 Gew.-% Ammoniumnitrat, wobei der Gehalt an (C) kleiner als der von (D) ist und wobei die Mikroemulsion gleichzeitig eine kontinuierliche wässrige Phase und eine kontinuierliche hydrophobe Phase aufweist;bis - (2) eine spezielle bikontinuierliche einphasige Mikroemulsion, bestehend mindestens aus
einer wässrigen Komponente (A)
umfassend 5bis 50 Gew.-% Wasser und 2bis 20 Gew.-% Ethanol, einer hydrophoben Komponente (B) umfassend 50bis 90 Gew.-% Diesel, einer ionischen Tensidkomponente (C) umfassendein Salz aus 1bis 10 Gew.- 0,2% Ölsäure und 1,0 Gew.-% Ethanolamin, einer nichtionischen Tensidkomponente (D) umfassend 2bis bis 15 Gew.-% Ölsäurediethanolamid und einer Additiv/Salzkomponente (E) umfassend 0,01 0,5 Gew.-% Ammoniumnitrat, wobei der Gehalt an (C) kleiner als der von (D) ist und wobei die Mikroemulsion gleichzeitig eine kontinuierliche wässrige Phase und eine kontinuierliche hydrophobe Phase aufweist;bis - (3) die Verwendung der in (1) oder (2) definierten Mikroemulsionen (i) als Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen, bevorzugt in Hubkolbenmotoren, Drehkolbenmotoren und Turbinenmotoren; und/oder (ii) als Kraftstoff in Schubtriebwerken, bevorzugt in Strahltriebwerken, Turbinenstrahltriebwerken und Raketentriebwerken; und/oder (iii) als Brennstoff in Feuerungsanlagen, bevorzugt in Heizungsanlagen und Dampferzeugungsanlagen; und/oder (iv) in Zündverfahren; und/oder (v) in Sprengstoffen; und
- (4) ein Verfahren zur Herstellung der in (1) oder (2) definierten Mikroemulsionen umfassend das Vermischen eines Emulgatorkonzentrats, umfassend die ionischen Tensidkomponente (C), und eine nichtionischen Tensidkomponente (D), wie in (1) oder (2) definiert, mit entsprechenden Mengen der wässrigen Komponente (A) und der hydrophoben Komponente (B).
- (1) a bicontinuous monophasic microemulsion consisting of at least one aqueous component (A) comprising 5 to 50% by weight of water and 2 to 20% by weight of ethanol, a hydrophobic component (B) comprising 45 to 90% by weight the one or more usable as Kraft, fuel or fuel materials, but at least one fuel based on mineral oil and / or at least one based on vegetable oils or their derivatives of power, heating or fuel and / or produced by Fischer-Tropsch synthesis force -, heating or fuel, an ionic surfactant component (C) comprising a salt of 1 to 10 wt .-% of a C 6-30 fatty acid and 0.2 to 1.0 wt .-% of a primary, secondary or tertiary amine base . a nonionic surfactant component (D) comprising from 2 to 15% by weight C 6-30 fatty acid diethanolamide and / or C 6-30 fatty acid diethanolamine and an additive / salt component (E) comprising 0 to 0.5% by weight ammonium nitrate, the content at (C) is less than that of (D), and wherein the microemulsion has simultaneously a continuous aqueous phase and a continuous hydrophobic phase;
- (2) A special bicontinuous monophasic microemulsion consisting of at least one aqueous component (A) comprising 5 to 50% by weight of water and 2 to 20% by weight of ethanol, a hydrophobic component (B) comprising 50 to 90% by weight. % Diesel, an ionic surfactant component (C) comprising a salt of 1 to 10% by weight of oleic acid and 0.2 to 1.0% by weight of ethanolamine, a nonionic surfactant component (D) comprising 2 to 15% by weight of oleic diethanolamide and an additive / salt component (E) comprising 0.01 to 0.5% by weight of ammonium nitrate, wherein the content of (C) is less than that of (D), and wherein the microemulsion is simultaneously a continuous aqueous phase and a continuous hydrophobic Phase has;
- (3) the use of the microemulsions (i) defined in (1) or (2) as fuel in internal combustion engines, preferably in reciprocating engines, rotary engines and turbine engines; and / or (ii) as fuel in thrusters, preferably in jet engines, turbine jet engines and rocket engines; and / or (iii) as fuel in combustion plants, preferably in heating systems and steam generation plants; and / or (iv) in ignition processes; and / or (v) in explosives; and
- (4) a process for producing the microemulsions defined in (1) or (2) comprising mixing an emulsifier concentrate comprising the ionic surfactant component (C) and a nonionic surfactant component (D) as defined in (1) or (2) , with appropriate amounts of the aqueous component (A) and the hydrophobic component (B).
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die vorstehend unter (1) und (2) definierten Mikroemulsionen der vorliegenden Erfindung können als fertige Formulierung in den Verbrennungsmotoren und Turbinen verwendet werden.The microemulsions of the present invention defined in (1) and (2) above can be used as a final formulation in internal combustion engines and turbines.
Außerdem können, ausgehend von der Mikroemulsionformulierung, die vorstehend definierten Konzentrate (4) der Erfindung abgeleitet werden. Das jeweilige Konzentrat besteht hauptsächlich aus Emulgatoren, wobei Emulgatorengemisch aus einer Mischung aus ionischen und nichtionischen Tensiden besteht. Dem Emulgatorengemisch des Konzentrats können andere Bestandteile der Mikroemulsion zugegeben werden, einschließlich Kraftstoff, Alkohol, Wasser, Additive und Salze. Die Zugabe von Kraftstoff und/oder Alkoholen verbessert die Fließfähigkeit des Konzentrats. In addition, starting from the microemulsion formulation, the above defined concentrates (4) of the invention can be derived. The particular concentrate consists mainly of emulsifiers, wherein emulsifier mixture consists of a mixture of ionic and nonionic surfactants. Other ingredients of the microemulsion may be added to the emulsifier mixture of the concentrate, including fuel, alcohol, water, additives and salts. The addition of fuel and / or alcohols improves the flowability of the concentrate.
Das Konzentrat und Alkohol kann komplett dem jeweiligen Kraftstoff beigemischt werden. Mit einer geringeren Wasserkonzentration (bis 10 Prozent) oder ohne Wasserzugabe kann eine solche Mischung externes Wasser aufnehmen und das Problem des Restwassers im Tank beseitigen.The concentrate and alcohol can be completely mixed with the respective fuel. With a lower water concentration (up to 10 percent) or without added water, such a mixture can absorb external water and eliminate the problem of residual water in the tank.
In ausgerechneter Dosierung (siehe unten) wirkt das Konzentrat in Verbindung mit Kraftstoff und Wasser mikroemulsionsbildend. Eine der möglichen Verwendungen der abgeleiteten Konzentrate ist die Herstellung der Mikroemulsion und/oder bei geringeren als für die Herstellung der Mikroemulsion Konzentrationen der Emulsion. Die Zugabe von geringen Konzentrationen des Emulgatorengemischs zu dem Wasser-Diesel Gemisch setzt die Grenzflächenspannung zwischen der polaren und unpolaren Phasen sehr stark herunter (Kahlweit, M. et al., Langmuir, 4: 785 (1988)), was zur der Herstellung einer sehr fein strukturierten Emulsion führen kann.In calculated doses (see below), the concentrate in combination with fuel and water has a microemulsion-forming effect. One of the possible uses of the derived concentrates is the preparation of the microemulsion and / or at lower than for the preparation of the microemulsion concentrations of the emulsion. The addition of low concentrations of the emulsifier mixture to the water-diesel mixture greatly reduces the interfacial tension between the polar and nonpolar phases (Kahlweit, M. et al., Langmuir, 4: 785 (1988)), which leads to the production of a very high can lead to finely structured emulsion.
Die Verwendung des Konzentrats in Verbindung mit einem on-board Misch- und/oder Emulgiersystem ermöglicht die Herstellung einer Mikroemulsion und bei geringeren Konzentrationen des Konzentrats einer Emulsion. In beiden Fällen kann ein effizientes und schadstoffminderndes verbrennbares Gemisch mit variablen Wasseranteilen on-board vor dem Einspritzsystem und/oder unmittelbar in dem Einspritzsystem, vor der Einspritzdüse und/oder in der Einspritzdüse hergestellt werden. Unabhängig von dem Herstellungsort oder Methode wird die Fähigkeit des Emulgatorengemischs ausgenutzt die Grenzflächenspannung herabzusetzen. Damit verbunden ist ein minimaler Energieeintrag (z. B.: Scherkräfte, Ultraschall, Kavitation) für die Herstellung einer feinen Emulsion und/oder Mikroemulsion.The use of the concentrate in conjunction with an on-board mixing and / or emulsifying system enables the preparation of a microemulsion and at lower concentrations of the concentrate of an emulsion. In both cases, an efficient and pollution reducing combustible mixture with variable proportions of water may be prepared on-board before the injection system and / or directly in the injection system, in front of the injection nozzle and / or in the injection nozzle. Regardless of the place of manufacture or method, the ability of the emulsifier mixture to exploit the interfacial tension is utilized. Associated with this is a minimal input of energy (for example: shearing forces, ultrasound, cavitation) for the production of a fine emulsion and / or microemulsion.
Durch die Verwendung von hier beschriebenen Mikroemulsionskraftstoffen in existierenden Dieselmotoren, ohne Änderungen der innermotorischen Parameter oder Eingriffe in das Abgasnachbehandlungssystem werden die Schadstoffemissionen, wie Ruß, Stockoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, drastisch reduziert und der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt.The use of microemulsion fuels herein in existing diesel engines, without changes in engine parameters or interventions in the exhaust aftertreatment system, drastically reduces pollutant emissions such as soot, oxides of carbon, carbon monoxide, and unburned hydrocarbons and reduces specific fuel consumption.
Eine weitere Verbesserung, hinsichtlich des Schadstoffausstoßes und spezifischen Verbrauchs, kann durch gezielte Anpassung der innermotorischen Parameter, wie z. B.: Endspritzzeit, -druck, -dauer, Optimierung der Geometrie des Brennraums und der Auslegung der Einspritzdüsen, Veränderung der Abgasrückführrate, Optimierung der Einstellungen des Turboladers etc., an die neuen Mikroemulsionskraftstoffe erreicht werden. Außerdem kann Wasseranteil im Kraftstoff an den jeweiligen Betriebspunkt des Motors angepasst werden. Die Menge des Wassers kann im Mikroemulsionskraftstoff beliebig variiert werden. Da die Ausbildung der Mikroemulsion spontan erfolgt, können Kraftstoff-Komponente und Wasser-Komponente auf der kürzesten Strecke, ohne Einwirkung von Scherkräften zusammengegeben werden und eine thermodynamisch stabile einphasige Mischung bilden. Die tensidische Komponente kann dem Kraftstoff oder dem Wasser beigegeben werden, oder aus einer dritten Zuleitung dosiert werden.A further improvement, in terms of pollutant emissions and specific consumption, can be achieved by targeted adjustment of the internal engine parameters, such. B .: final injection time, pressure, duration, optimization of the geometry of the combustion chamber and the design of the injectors, change the exhaust gas recirculation rate, optimization of the settings of the turbocharger, etc., are achieved to the new microemulsion fuels. In addition, water content in the fuel can be adapted to the respective operating point of the engine. The amount of water can be varied as desired in the microemulsion fuel. Since the formation of the microemulsion occurs spontaneously, the fuel component and water component can be combined in the shortest distance, without the action of shear forces, and form a thermodynamically stable single-phase mixture. The surfactant component may be added to the fuel or water, or dosed from a third supply line.
Definitionendefinitions
wobei der Kraftstoff als Öl bezeichnet wird und mi die Masse eines Stoffes bezeichnet. dies ist der Neutralisationsgrad. Er ist für die Teilchenzahl n definiert und richtet sich nach dem stöchiometrischen Verhältnis, der aus der jeweiligen Neutralisationsreaktion abgeleitet werden kann. Generelles System: Wasser/Alkohol/Salz-Kraftstoff-Tensidmischung (ionisches, nichtionisches, amphoteres). wherein the fuel is referred to as oil and m i denotes the mass of a substance. this is the degree of neutralization. It is defined for the particle number n and depends on the stoichiometric ratio which can be derived from the respective neutralization reaction. General system: water / alcohol / salt-fuel-surfactant mixture (ionic, nonionic, amphoteric).
Tenside, Additive, Salze: sofern verfügbar sollen Tenside und Additive verwendet werden, die auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen hergestellt worden sind. Das impliziert speziell bei Tensiden, die aus pflanzlichen und tierischen Fetten und Ölen produziert werden, eine breite Verteilung der Kohlenstoffkettenlänge und der Anzahl der Doppelbindungen in der hydrophoben Kohlenstoffkette, auch Hydroxygruppen an der Kohlenstoffkette sich möglich (z. B.: Rizinolsäurerest). Als verbrennungsverbessernde Additive können organische und anorganische Nitrate und/oder organische und anorganische Peroxide verwendet werden. Diese können sowohl als Lösung als auch als Salz vorliegen und in der Öl- oder Wasserkomponen te löslich sein.Surfactants, additives, salts: if available, surfactants and additives based on renewable raw materials should be used. This implies a broad distribution of the carbon chain length and the number of double bonds in the hydrophobic carbon chain, especially for surfactants that are produced from vegetable and animal fats and oils, including hydroxy groups on the carbon chain (eg: ricinoleic acid residue). As combustion-improving additives, organic and inorganic nitrates and / or organic and inorganic peroxides can be used. These may be present both as a solution and as a salt and be soluble in the oil or water component.
Alkohol: Alkohole kurzkettiger und/oder langkettiger, verzweigter und/oder unverzweigter Alkane, genauer Alkohole mit einer C-Anzahl von 1 bis 20, speziell Ethanol. Mehrwertige Alkohole, wie Ethylenglykol, Glycerin und Polyalkohole. Es sind auch Mischungen dieser Alkohole möglich.Alcohol: Alcohols of short-chain and / or long-chain, branched and / or unbranched alkanes, more specifically alcohols with a C number of 1 to 20, especially ethanol. Polyhydric alcohols, such as ethylene glycol, glycerol and polyalcohols. There are also mixtures of these alcohols possible.
Kraftstoff: Es sind alle fossilen Kraftstoffe sowie Biokraftstoffe der ersten Generation wie Biodiesel und Biokraftstoffe der zweiten Generation wie BTL (Biomass to Liquid), GTL (Gas to Liquid), und ihre Mischungen möglich und gemeint.Fuel: All fossil fuels and first generation biofuels such as biodiesel and second generation biofuels such as BTL (Biomass to Liquid), GTL (Gas to Liquid), and their mixtures are possible and meant.
Ionisches Tensid: rückstandsfrei verbrennbare ionische Tenside, bestehend aus der Atomsorten C, H, O, N, genauer Salze langkettiger verzweigter und/oder unverzweigter organischer Säuren (C6-C30) bzw. die Säuren oder Salze langkettiger verzweigter und unverzweigter Alkylamine (C6-C30) sowie die Amine, speziell Ammonium- oder Aminsalze von Fettsäuren und die reinen Fettsäuren oder Nitrate bzw. Acetate von Alkylaminen (C6-C30 verzweigte und unverzweigte) und die Amine. Es sind auch Mischungen einsetzbar.Ionic surfactant: residue-free combustible ionic surfactants consisting of the atomic species C, H, O, N, more precisely salts of long-chain branched and / or unbranched organic acids (C 6 -C 30 ) or the acids or salts of long-chain branched and unbranched alkylamines (C 6 -C 30 ) and the amines, especially ammonium or amine salts of fatty acids and the pure fatty acids or nitrates or acetates of alkylamines (C 6 -C 30 branched and unbranched) and the amines. There are also mixtures used.
Speziell das ionische Tensid aus Fettsäuren kann in situ durch Neutralisation der jeweiligen organischen Säure mit Ammoniak (Gas oder wässrige Lösung) oder einer Aminbase hergestellt werden. Es können primäre, sekundäre und tertiäre Aminbasen eingesetzt werden. Die Substitutionsgruppen an dem Stickstoffatom können von den reinen kurzkettigen Alkanen (C1-C4) (z. B.: Mono-, Di-, Trimethylamin), und von kurzkettigen Alkoholen (C1-C4) (z. B.: Mono-, Di-, Trimethanolamin) abgeleitet werden. Es sind symmetrisch und asymmetrisch substituirte Amine denkbar. Außerdem können auch bicyclische Aminbasen wie z. B. DABCO, bzw. 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan benutzt werden, die aufgrund der Zweiwertigkeit zur Ausbildung von Tensiden mit zwei Alkylketten bei der Reaktion mit organischen Säuren führen können.In particular, the ionic surfactant of fatty acids can be prepared in situ by neutralization of the respective organic acid with ammonia (gas or aqueous solution) or an amine base. Primary, secondary and tertiary amine bases can be used. The substitution groups on the nitrogen atom can be derived from the pure short-chain alkanes (C 1 -C 4 ) (for example: mono-, di-, trimethylamine), and from short-chain alcohols (C 1 -C 4 ) (for example: Mono-, di-, trimethanolamine) are derived. Symmetrically and asymmetrically substituted amines are conceivable. In addition, bicyclic amine bases such. B. DABCO, or 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane can be used, which can lead to the formation of surfactants with two alkyl chains in the reaction with organic acids due to the divalent nature.
Durch die Änderung des Neutralisationsgrades können die Tensideigenschaften gezielt dem jeweiligen Kraftstoff und dem nichtionischen oder amphoteren Cotensid angepasst werden. Insbesondere wird durch die Änderung des Neutralisationsgrades die Temperaturlage der Phasengrenzen des Einphasengebiets im vertikalen T-γ-Schnitt durch das pseudoternäre Phasenprisma stark beeinflusst. Bei nicht vollständiger Neutralisation wird die größtmögliche Aufweitung des Einphasengebiets und somit die für die Anwendung vorteilhafte Temperaturinvarianz des resultierenden Mikroemulsionssystems erreicht.By changing the degree of neutralization, the surfactant properties can be tailored to the particular fuel and the nonionic or amphoteric cosurfactant. In particular, the change in the degree of neutralization greatly influences the temperature position of the phase boundaries of the single-phase region in the vertical T-γ section through the pseudoternary phase prism. In the case of incomplete neutralization, the greatest possible widening of the single-phase region and thus the temperature invariance of the resulting microemulsion system which is advantageous for the application are achieved.
Nichtionisches Tensid: rückstandsfrei verbrennbare nichtionische Tenside, bestehend aus der Atomsorten C, H, O, N, genauer:
- 1) Fettsäureaminpolyglykolether: primäre, sekundäre und tertiäre unsymmetrisch substituierte Amine mit einer langen hydrophoben gesättigten oder teilweise ungesättigten C-Kette (C6-C30) und 2–10 Ethylenoxid- und oder Propylenoxideinheiten. Allgemeinen Strukturformel R-N R'R'', wobei R eine lange hydrophobe gesättigte oder teilweise ungesättigte C-Kette (C6-C30) darstellt und R' = R'' = H bei primären Aminen; R' ≠ H, R'' = H bei sekundären Aminen und R' ≠ H, R'' ≠ H bei teriären Aminen ist. R' und/oder R'' können von kurzkettigen Alkoholen mit der (C1-C4) und/oder bis zu 10 Ethylenoxid- und/oder Propylenoxideinheiten abgeleitet werden. Es sind auch Mischungen aus nichtionischen stickstoffhaltigen Tensiden einsetzbar.
- 2) Fettsäureamide: Fettsäureamide und mit der allgemeinen Strukturformel (R-C=O)-N R'R'', wobei R eine lange hydrophobe gesättigte oder teilweise ungesättigte C-Kette (C6-C30) darstellt und R' = R'' = H bei primären Carbonsäureamiden; R' ≠ H, R'' = H bei sekundären Carbonsäureamiden und R' ≠ H, R'' ≠ H bei teriären Carbonsäureamiden ist. R' und/oder R'' können von den reinen kurzkettigen Alkanen (C1-C4), und von kurzkettigen Alkoholen (C1-C4) und 1–10 Ethylenoxid- und/oder Propylenoxideinheiten abgeleitet werden.
- 3)
Sorbitanfettsäureester mit 0–10 Ethylenoxid- und oder Propylenoxideinheiten. - 4) Ethoxylate (E) und/oder Propoxylate (P) von Alkoholen (Ci(E/P)j) mit i = 6–30 und j = 0–10, speziell: i = 10–18 und j = 2–8 ersetzt sein.
- 1) fatty acid amine polyglycol ethers: primary, secondary and tertiary unsymmetrically substituted amines having a long hydrophobic saturated or partially unsaturated C chain (C 6 -C 30 ) and 2-10 ethylene oxide and / or propylene oxide units. General structural formula RN R'R ", where R represents a long hydrophobic saturated or partially unsaturated C chain (C 6 -C 30 ) and R '= R" = H in primary amines; R '≠ H, R "= H in secondary amines and R' ≠ H, R" ≠ H in teriary amines. R 'and / or R "may be derived from short chain alcohols having the (C 1 -C 4 ) and / or up to 10 ethylene oxide and / or propylene oxide units. It is also possible to use mixtures of nonionic nitrogen-containing surfactants.
- 2) Fatty acid amides: Fatty acid amides and having the general structural formula (RC = O) -N R'R ", where R is a long hydrophobic saturated or partially unsaturated C chain (C 6 -C 30 ) and R '= R" = H for primary carboxylic acid amides; R '≠ H, R''= H for secondary carboxylic acid amides and R' ≠ H, R "≠ H for teriary carboxylic acid amides. R 'and / or R''can be derived from the pure short-chain alkanes (C 1 -C 4 ), and from short chain alcohols (C 1 -C 4 ) and 1-10 ethylene oxide and / or propylene oxide units.
- 3) Sorbitan fatty acid esters with 0-10 ethylene oxide and or propylene oxide units.
- 4) Ethoxylates (E) and / or propoxylates (P) of alcohols (C i (E / P) j ) with i = 6-30 and j = 0-10, especially: i = 10-18 and j = 2- 8 replaced.
Es sind auch Mischungen aus nichtionischen Tensiden einsetzbar.It is also possible to use mixtures of nonionic surfactants.
Amphoteres Tensid: rückstandsfrei verbrennbare ionische Tenside, bestehend aus der Atomsorten C, H, O, N, genauer: Alkylamidopropylbetaine. Es sind auch Mischungen aus nichtionischen und amphoteren Tensiden einsetzbar. Die gesamte Mischung kann auch Verunreinigungen enthalten, genauer Abfallprodukte aus Herstellungsprozessen der Komponenten oder Additive, speziell Glycerin sowie Di- und Monoglyceride oder Reaktionsprodukte der einzelnen tensidischen Bestandteile.Amphoteric surfactant: residue-free combustible ionic surfactants, consisting of the atomic species C, H, O, N, more precisely: Alkylamidopropylbetaine. It is also possible to use mixtures of nonionic and amphoteric surfactants. The entire mixture can also contain impurities, more precisely waste products from production processes of the components or additives, especially glycerol, as well as di- and monoglycerides or reaction products of the individual surface-active constituents.
Konzentrate: Konzentrate werden von der Zusammensetzung der an den jeweiligen Kraftstoff angepassten Mikroemulsionsformulierung abgeleitet. Die Konzentrate werden aus dem vollständigen Tensidgemisch (ionisches Tensid + nichtionisches Tensid + amphoteres Tensid) hergestellt. Zur Verbesserung der Fließeigenschaften kann der Kraftstoff (5 bis 100 Prozent der Menge der als Kraftstoff eingesetzten Mikroemulsionsformulierung) dem Konzentrat beigemischt werden. Konzentrat kann auch Alkohol (5 bis 100 Prozent der Menge der als Kraftstoff eingesetzten Mikroemulsionsformulierung) enthalten. Konzentrate können separat zur Herstellung einer Mikroemulsion und/oder Emulsion verwendet werden oder der Kraftstoff-Komponente und/oder Wasser-Komponente beigemischt werden.Concentrates: Concentrates are derived from the composition of the microemulsion formulation adapted to the particular fuel. The concentrates are prepared from the complete surfactant mixture (ionic surfactant + nonionic surfactant + amphoteric surfactant). To improve the flow properties, the fuel (5 to 100 percent of the amount of microemulsion formulation used as fuel) may be added to the concentrate. Concentrate may also contain alcohol (5 to 100 percent of the amount of microemulsion formulation used as fuel). Concentrates may be used separately to prepare a microemulsion and / or emulsion, or admixed with the fuel component and / or water component.
Der wässrigen Phase, sofern sie sich im externen Tank befindet, kann kurzkettiges Alkohol aus der Mikroemulsionsformulierung beigemengt werden (5 bis 100 Prozent der Menge der exakten Mikroemulsionsformulierung), mit dem Ziel den Gefrierpunkt herabzusetzen. Um die Keim- und Pilz-Belastung der wässrigen Phase zu minimieren können Bakterizide, Fungizide und Algizide zugegeben werden.The aqueous phase, if it is in the external tank, may be mixed with short chain alcohol from the microemulsion formulation (5 to 100 percent of the amount of the exact microemulsion formulation) with the aim of lowering the freezing point. In order to minimize the germ and fungal exposure of the aqueous phase, bactericides, fungicides and algicides may be added.
Bevorzugte Mikroemulsionen sind die nachfolgend beschriebenen Systeme 1 bis 7:
System 1: Wasser/Ethanol-Diesel-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Oleylaminpolyglykolether (Ethoxylierungsgrad ca. 2 Mol). Der T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/Ethanol-Diesel-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Oleylaminpolyglykolether (Ethoxylierungsgrad ca. 2 Mol)” ist in
α = 0.99–0.30 Präferenz: 0.95–0.60, besondere Präferenz: 0.85–0.70
γ = 0.03–0.30 Präferenz: 0.05–0.20, besondere Präferenz: 0.05–0.15
δ(ionisches Tensid) = 0–0.85 Präferenz: 0.50–0.75, besondere Präferenz: 0.60–0.70
ψ = 0–0.30 Präferenz: 0.05–0.25, besondere Präferenz: 0.15–0.20
N = 0.40–0.80 Präferenz: 0.45–0.65, besondere Präferenz: 0.50–0.60
In Gewichtsprozent:
System 1: Water / ethanol-diesel-ethanolaminoleate / oleic acid / Oleylaminpolyglykolether (degree of ethoxylation about 2 moles). The T-γ cut in the pseudoternary system "water / ethanol-diesel-ethanolaminoleate / oleic acid / oleylamine polyglycol ether (degree of ethoxylation about 2 moles)" is in
α = 0.99-0.30 preference: 0.95-0.60, special preference: 0.85-0.70
γ = 0.03-0.30 preference: 0.05-0.20, special preference: 0.05-0.15
δ (ionic surfactant) = 0-0.85 Preference: 0.50-0.75, special preference: 0.60-0.70
ψ = 0-0.30 preference: 0.05-0.25, special preference: 0.15-0.20
N = 0.40-0.80 preference: 0.45-0.65, special preference: 0.50-0.60
In weight percent:
System 2: Wasser/Ethanol-RME-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Oleylaminpolyglykolether (Ethoxylierungsgrad ca. 2 Mol). Der T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/Ethanol-RME-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Oleylaminpolyglykolether (Ethoxylierungsgrad ca. 2 Mol)” ist in
α = 0.99–0.30 Präferenz: 0.95–0.60, besondere Präferenz: 0.85–0.65
γ = 0.03–0.30 Präferenz: 0.05–0.20, besondere Präferenz: 0.08–0.15
δ(ionisches Tensid) = 0–0.85 Präferenz: 0.50–0.75, besondere Präferenz: 0.60–0.70
ψ = 0–0.35 Präferenz: 0.15–0.30, besondere Präferenz: 0.20–0.30
N = 0.40–0.80 Präferenz: 0.45–0.65, besondere Präferenz: 0.45–0.55
In Gewichtsprozent:
α = 0.99-0.30 preference: 0.95-0.60, special preference: 0.85-0.65
γ = 0.03-0.30 preference: 0.05-0.20, special preference: 0.08-0.15
δ (ionic surfactant) = 0-0.85 Preference: 0.50-0.75, special preference: 0.60-0.70
ψ = 0-0.35 preference: 0.15-0.30, special preference: 0.20-0.30
N = 0.40-0.80 preference: 0.45-0.65, special preference: 0.45-0.55
In weight percent:
System 3: Wasser/Ethanol-BTL(BioPar)-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Oleylaminpolyglykolether (Ethoxylierungsgrad ca. 2 Mol). Der T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/Ethanol-BTL(BioPar)-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Oleylaminpolyglykolether (Ethoxylierungsgrad ca. 2 Mol)” ist in
α = 0.99–0.30 Präferenz: 0.95–0.60, besondere Präferenz: 0.85–0.65
γ = 0.03–0.30 Präferenz: 0.05–0.20, besondere Präferenz: 0.08–0.15
δ(ionisches Tensid) = 0–0.85 Präferenz: 0.50–0.75, besondere Präferenz: 0.60–0.70
ψ = 0–0.35 Präferenz: 0.15–0.30, besondere Präferenz: 0.20–0.30
N = 0.40–0.80 Präferenz: 0.45–0.65, besondere Präferenz: 0.45–0.55
In Gewichtsprozent:
α = 0.99-0.30 preference: 0.95-0.60, special preference: 0.85-0.65
γ = 0.03-0.30 preference: 0.05-0.20, special preference: 0.08-0.15
δ (ionic surfactant) = 0-0.85 Preference: 0.50-0.75, special preference: 0.60-0.70
ψ = 0-0.35 preference: 0.15-0.30, special preference: 0.20-0.30
N = 0.40-0.80 preference: 0.45-0.65, special preference: 0.45-0.55
In weight percent:
System 4: Wasser/Ethanol-Diesel-Ammoniumoleat/Ölsäure/Sorbitan Monooleat. Der T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/Ethanol-Diesel-Ammoniumoleat/Ölsäure/Sorbitan Monooleat” ist in
α = 0.99–0.30 Präferenz: 0.95–0.60, besondere Präferenz: 0.85–0.65
γ = 0.03–0.30 Präferenz: 0.05–0.25, besondere Präferenz: 0.10–0.20
δ(ionischen Tensid) = 0–0.85 Präferenz: 0.50–0.75, besondere Präferenz: 0.60–0.70
ψ = 0.20–0.50 Präferenz: 0.25–0.45, besondere Präferenz: 0.30–0.40
N = 0.40–0.80 Präferenz: 0.50–0.70, besondere Präferenz: 0.60–0.70
In Gewichtsprozent:
α = 0.99-0.30 preference: 0.95-0.60, special preference: 0.85-0.65
γ = 0.03-0.30 preference: 0.05-0.25, special preference: 0.10-0.20
δ (ionic surfactant) = 0-0.85 preference: 0.50-0.75, special preference: 0.60-0.70
ψ = 0.20-0.50 Preference: 0.25-0.45, special preference: 0.30-0.40
N = 0.40-0.80 preference: 0.50-0.70, special preference: 0.60-0.70
In weight percent:
System 5: Wasser/Ethanol-Diesel-Ammoniumoleat/Ölsäure. Der T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/Ethanol-Diesel-Ammoniumoleat/Ölsäure” ist in
α = 0.99–0.3, Präferenz: 0.95–0.70, besondere Präferenz: 0.70–0.40
γ = 0.10–0.8 Präferenz: 0.12–0.30, besondere Präferenz: 0.15–0.23
ψ = 0.1–0.9 Präferenz: 0.12–0.45, besondere Präferenz: 0.15–0.40
N = 0.2–0.9 Präferenz: 0.4–0.8, besondere Präferenz: 0.5–0.7
In Gewichtsprozent:
α = 0.99-0.3, preference: 0.95-0.70, special preference: 0.70-0.40
γ = 0.10-0.8 preference: 0.12-0.30, special preference: 0.15-0.23
ψ = 0.1-0.9 preference: 0.12-0.45, special preference: 0.15-0.40
N = 0.2-0.9 preference: 0.4-0.8, special preference: 0.5-0.7
In weight percent:
System 6: Wasser/Ethanol-Biodiesel-Ammoniumoleat/Ölsäure. Der T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/Ethanol-Biodiesel-Ammoniumoleat/Ölsäure” ist in
α = 0.99–0.3, Präferenz: 0.95–0.70, besondere Präferenz: 0.85–0.75
γ = 0.10–0.8 Präferenz: 0.12–0.30, besondere Präferenz: 0.15–0.22
ψ = 0.1–0.9 Präferenz: 0.12–0.40, besondere Präferenz: 0.15–0.35
N = 0.2–0.9 Präferenz: 0.4–0.8, besondere Präferenz: 0.45–0.65
In Gewichtsprozent:
α = 0.99-0.3, preference: 0.95-0.70, special preference: 0.85-0.75
γ = 0.10-0.8 preference: 0.12-0.30, special preference: 0.15-0.22
ψ = 0.1-0.9 preference: 0.12-0.40, special preference: 0.15-0.35
N = 0.2-0.9 preference: 0.4-0.8, special preference: 0.45-0.65
In weight percent:
System 7A: Wasser/NH4NO3/Ethanol-Diesel-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Wallamid OD/E. Ein T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/NH4NO3/Ethanol-Diesel-Ammoniumoleat/Ölsäure/Wallamid OD/E” ist in
α = 0.99–0.3, Präferenz: 0.90–0.40, besondere Präferenz: 0.60–0.40
γ = 0.05–0.8 Präferenz: 0.10–0.30, besondere Präferenz: 0.12–0.18
ψ = 0.01–0.9 Präferenz: 0.05–0.40, besondere Präferenz: 0.08–0.25
N = 0.2–0.9 Präferenz: 0.4–0.8, besondere Präferenz: 0.45–0.65
ε = 0.01–0.9 Präferenz: 0.03–0.40, besondere Präferenz: 0.04–0.15
Zusammensetzung in Gewichtsprozent bei γ = 0,155:
α = 0.99-0.3, preference: 0.90-0.40, special preference: 0.60-0.40
γ = 0.05-0.8 preference: 0.10-0.30, special preference: 0.12-0.18
ψ = 0.01-0.9 preference: 0.05-0.40, special preference: 0.08-0.25
N = 0.2-0.9 preference: 0.4-0.8, special preference: 0.45-0.65
ε = 0.01-0.9 preference: 0.03-0.40, special preference: 0.04-0.15
Composition in weight percent at γ = 0.155:
System 7B: Wasser/NH4NO3/Ethanol-Diesel-Ethanolaminoleat/Ölsäure/Wallamid OD/E. Ein T-γ-Schnitt im pseudoternären System ”Wasser/NH4NO3/Ethanol-Diesel-Ammoniumoleat/Ölsäure/Wallamid OD/E” ist in
α = 0.99–0.3, Präferenz: 0.90–0.40, besondere Präferenz: 0.60–0.40
γ = 0.03–0.35 Präferenz: 0.05–0.30, besondere Präferenz: 0.09–0.18
ψ = 0.01–0.9 Präferenz: 0.05–0.40, besondere Präferenz: 0.15–0.25
N = 0.2–0.9 Präferenz: 0.3–0.65, besondere Präferenz: 0.40–0.55
ε = 0.01–0.9 Präferenz: 0.03–0.40, besondere Präferenz: 0.04–0.10
Zusammensetzung in Gewichtsprozent bei γ = 0,105:
α = 0.99-0.3, preference: 0.90-0.40, special preference: 0.60-0.40
γ = 0.03-0.35 preference: 0.05-0.30, special preference: 0.09-0.18
ψ = 0.01-0.9 preference: 0.05-0.40, special preference: 0.15-0.25
N = 0.2-0.9 preference: 0.3-0.65, special preference: 0.40-0.55
ε = 0.01-0.9 preference: 0.03-0.40, special preference: 0.04-0.10
Composition in weight percent at γ = 0.105:
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert. Diese schränken die Anmeldung jedoch in keinster Weise ein.The invention will be explained in more detail with reference to the following examples. However, these do not limit the application in any way.
BeispieleExamples
Beispiel 1: System H2O/Ethanol-Diesel-NH4Oleat/Ölsäure/TEGO® SMO VExample 1: System H 2 O / ethanol diesel NH 4 oleate / oleic acid / TEGO ® SMO V
Das erste System mit biogenen tensidischen und gefrierpunkterniedrigenden Komponenten H2O/Ethanol-Diesel(Aral)-NH4Oleat/Ölsäure (65% neutr.)/TEGO® SMO V, mit ψ = 0.36; δ = 0.67; α = 0.70/0.80/0.90 (≙ Gew.-% H2O 15.8/10.8/5.4) und entsprechenden γ-Werten γ = 0.175/0.16/0.16 wurde an der Fakultät für Maschinenbau Universität Karlsruhe (TH) im Arbeitkreis Prof. Dr.-Ing. U. Spicher in einer Reihe motorischer, optischer und numerischer Untersuchungen erforscht (Eckert, P., Numerical and Experimental Investigation of Water Introduction into DI Diesel Engine Combustion, Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen 2/2008 Karlsruhe: Logos Berlin. 134 (2008), ISBN 978-3-8325-1951-3).The first system with biogenic surfactant components and freezing point H 2 O / ethanol Diesel (Aral) -NH 4 oleate / oleic acid (65% neutr.) / TEGO ® SMO V, with ψ = 12:36; δ = 0.67; α = 0.70 / 0.80 / 0.90 (≙ weight% H 2 O 15.8 / 10.8 / 5.4) and corresponding γ-values γ = 0.175 / 0.16 / 0.16 was studied at the Faculty of Mechanical Engineering University Karlsruhe (TH) in the working group Prof. Dr .-Ing. U. Spicher in a series of motor, optical and numerical investigations (Eckert, P., Numerical and Experimental Investigation of Water Introduction into Diesel Engine Combustion, Research Reports from the Institute of
Bei diesen Untersuchungen wurden einerseits die Emissionen eines Dieselmotors im Betrieb mit Dieselkraftstoff und mit Mikroemulsionskraftstoffen mit variierenden Wasseranteilen verglichen und der Einfluss der Variationen der innermotorischen Parameter auf Dieselkraftstoff- und Mikroemulsionskraftstoff-Betrieb. Besonderes zu unterstreichen ist die positive Auswirkung des Mikroemulsionskraftstoffs auf den Ruß-NOx-trade-off in Verbindung mit dem Einsatz unterschiedlicher innermotorischer Maßnahmen. Der Ruß-NOx-trade-off kann mit wasserhaltigem Mikroemulsionskraftstoff durchbrochen und die Wirkung der Variation der innermotorischen Parameter verstärkt werden.These studies compared on the one hand the emissions of a diesel engine operating with diesel fuel and microemulsion fuels with varying proportions of water and the influence of the variations of the in-engine parameters on diesel fuel and microemulsion fuel operation. Special emphasis should be placed on the positive effect of the microemulsion fuel on the soot NOx trade-off in conjunction with the use of different internal engine measures. The soot NOx trade-off can be broken with hydrous microemulsion fuel and the effect of varying the internal engine parameters can be enhanced.
Variation der Abgasrückführrate (AGR-Rate): Im Weiteren wird der Einfluss der innermotorischen Maßnahmen auf die Schadstoffemissionen diskutiert. Über die Abgasrückführung kann ein Teil des Abgases in den Brennraum eingeleitet werden, wodurch die Gasmasse erhöht und die Verbrennungstemperatur reduziert wird. Mit dieser Technik lässt sich die Bildung des thermischen oder Zeldovic NO absenken. Die Abgasrückführrate kann bis zu 40% gesteigert werden, wobei die Emissionen des Rußes, der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids im Dieselbetrieb zunehmen. Kombiniert man Mikroemulsionsbetrieb mit Abgasrückführung, wird mit steigendem Wassergehalt des Mikroemulsionskraftstoffs der Toleranzbereich des Ruß-NOx-Trade-Off erheblich breiter und die AGR-Rate kann signifikant erhöht werden. In der
Die Güte des Verbrennungsprozesses lässt sich an den Emissionen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids ablesen.
Aus dem CO2-Ausstoß, unter Berücksichtigung der anderen Kohlenstoffquellen wie HC und CO, kann der Kraftstoffverbrauch abgeschätzt werden.
Einspritzdruckvariation: Als nächstes wurde der Einfluss des Einspritzdruckes auf das Emissionsverhalten des Motors im Diesel- und Mikroemulsionsbetrieb untersucht. Die Erhöhung des Einspritzdruckes beeinflusst die Penetrationslänge des Einspritzstrahls, es wird eine höhere Einspritztiefe erreicht uns somit eine bessere Ausnutzung des Luftvolumens im Brennraum. Die verbesserten Oxidationsbedingungen führen zur Minderung der Rußbildung. Die Variation des Einspritzdruckes wurde in zwei Betriebspunkten bei einer Drehzahl von 1175 min–1 und einem effektiven Mitteldruck von pe = 0.8/1.2 MPa untersucht.Injection Pressure Variation: Next, the influence of injection pressure on the emission performance of the engine in diesel and microemulsion operation was investigated. The increase in the injection pressure influences the penetration length of the injection jet, it is a higher injection depth us thus achieves a better utilization of the air volume in the combustion chamber. The improved oxidation conditions lead to the reduction of soot formation. The variation of the injection pressure was investigated in two operating points, at a speed of 1175 min -1 and a mean effective pressure of p = 0.8 s / 1.2 MPa.
In
Die Emissionen des Kohlendioxids (
Der Einfluss der Variation des Einspritzdruckes bei einem höheren Lastpunkt mit 1.2 MPa effektivem Mitteldruck und ohne Piloteinspritzung zeigt eine geringere Rußreduktion im Mikroemulsionsbetrieb (
Der Ausstoß der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids ist in der
Die CO2-Emissionen (
Einspritzbeginnvariation: Bei homogener Gemischaufbereitung wird der Einspritzbeginn so gewählt, dass genügend Zeit für die Durchmischung von Kraftstoff und Luft zur Verfügung steht. Das Ziel ist eine möglichst homogene Verteilung von Kraftstoff und Luft ohne Anlagerung von Kraftstoff an einer Verbrennungswand, um gute Emissionen und niedrige Rußemissionen zu erzielen. Die Variation des Einspritzbeginns des Kraftstoffs in die Brennkammer wird in Grad des Kurbelwellenwinkels gemessen, wobei als Null der Punkt definiert ist, in dem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Wie man den Diagrammen in
Bei der Einspritzbeginnvariation steigen die Emissionen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids, besonders bei späterem Einspritzbeginn. Die Zeit, die für die Gemischbildung zur Verfügung steht, ist in diesem Fall nicht ausreichend, so dass in den fetten, kraftstoffreichen Zonen die Verbrennung unvollständig abläuft und das Abgasverhalten des Motors negativ beeinflusst (
Die Emissionen des Kohlenstoffdioxids im Mikroemulsionsbetrieb zeigen die tiefsten Werte bei einem Einspritzbeginn bei –11°KW und –5°KW. Der Einspritzbeginn bei –5°KW wurde auch für die oben beschriebene Variation des Einspritzdruckes gewählt, bei der die Erhöhung der CO2-Emissionen besonders moderat ausfällt (
Beispiel 2: System H2O/Ethanol-Diesel-Ethanolamin/Ölsäure/Walloxen OA 20Example 2: System H 2 O / ethanol-diesel-ethanolamine / oleic acid /
Untersuchungen des Systems H2O/Ethanol-Diesel(Aral)-EthanolaminOleat/Ölsäure (55% neutr.)/Walloxen OA 20 mit α = 0.80/0.70; (≙ 13.12(≈ 13)/19.69((≈ 20) Gew.-% Wasser) ψ = 0.20; δ = 0.67 und γ = 0.11 wurden am Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. G. Zikoridse durchgeführt. Die Auswertung von Abgasuntersuchungen und Analyse der Partikel wurden von Dr. U. Hofmann durchgeführt.Investigations of the system H 2 O / ethanol-diesel (Aral) -ethanolamine-oleate / oleic acid (55% neutral) /
Die Untersuchungen sind an einem Motorenprüfstand mit folgender Konfiguration durchgeführt worden: Versuchsmotor:
In der
Die Versuche wurden mit Diesel als Referenzkraftstoff, mit Diesel-Tensid Gemisch und mit Mikroemulsionskraftstoffen mit zwei unterschiedlichen Wasseranteilen von 13 und 20 Gew.-% durchgeführt. Die Zugabe der Tensidmischung EthanolaminOleat/Ölsäure (55% neutr.)/Walloxen OA 20 δ = 0.67 und γ = 0.11 zum Dieselkraftstoff sollte die Auswirkung der tensidischen Komponenten auf das Abgasverhalten des Motors klären. In allen angefahrenen Betriebspunkten mit unterschiedlichen Kraftstoffen wurde der Motor ohne den Einsatz der Abgasnachbehandlungssysteme betrieben. Anschließend wurde im Mirkroemulsionsbetrieb die Zusammensetzung des Abgases unter Verwendung eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) überprüft. Im Folgenden werden die prozentualen Abweichungen der gemessenen Emissionswerte mit unterschiedlichen Kraftstoffarten von den Referenzmessungen mit Dieselkraftstoff betrachtet (
Die Messungen der Ruß-Emissionen mit einem Schwärzungszahlmessgerät lieferten die erwarteten Ergebnisse (
Die eingesetzten Tenside stellen Derivate der Ölsäure dar mit einem ähnlichen oder höheren Sauerstoffgehalt als Biodiesel.The surfactants used are derivatives of oleic acid with a similar or higher oxygen content than biodiesel.
Die höchste Reduktion der Schwärzungszahl (bis zu 97%) wird mit dem Mikroemulsionskraftstoff mit einem Wassergehalt von 20 Gew.-% erreicht. Der Einsatz eines Dieseloxidationskatalysators zeigt keinen Einfluss auf den Schwärzungsgrad. The highest reduction in the number of blackening (up to 97%) is achieved with the microemulsion fuel having a water content of 20% by weight. The use of a diesel oxidation catalyst has no influence on the degree of blackening.
Die Ergebnisse der gravimetrischen Messungen der Partikelemissionen zeigen einen entscheidenden Unterschied zu den Schwärzungszahlmessungen. Während die Zugabe des Tensidgemisches zum Dieselkraftstoff eine nur insignifikante Änderung der Partikelmasse mit sich bringt, steigt die Partikelmasse im Mikroemulsionsbetrieb ohne den Oxidationskatalysator im Niederlastbereich rasant an (
Die emittierte Partikelmasse besteht aus einer Vielzahl von organischen und anorganischen Substanzen. Die Hauptbestandteile der organischen Substanzen sind Ruß (Kohlenstoff), unverbrannter oder nur unvollständig verbrannter Kraftstoff und Schmieröl. Zu den anorganischen Substanzen zählen Sulfate, Wasser und Metallverbindungen. Bei den Metallverbindungen handelt es sich sowohl um Späne und Rostpartikeln, die direkt aus dem Motor bzw. der Abgasleitung stammen, als auch um Überreste von Kraftstoff- und Schmierölderivaten. Der prozentuale Anteil dieser Stoffe an der gesamten Partikelmasse ist von vielen Parametern abhängig. Neben konstruktiven Parametern wie Brennraumform und Ausführung der Einspritzanlage gehören hierzu der Betriebspunkt (Last und Drehzahl), die Kraftstoff- und Schmierölqualität sowie der Verschleißzustand des Motors (Wachter, F. and Cartellieri, W. P., Wege zukünftiger Emissionsgrenzwerte bei LKW Dieselmotoren, in 8. Int. Wiener Motorensymposium 1987., VDI Verlag: Düsseldorf. p. 206–239 (1987)).The emitted particle mass consists of a large number of organic and inorganic substances. The main constituents of the organic substances are carbon black, unburned or incompletely burned fuel and lubricating oil. Inorganic substances include sulfates, water and metal compounds. The metal compounds are both chips and rust particles that originate directly from the engine or the exhaust pipe, as well as remnants of fuel and lubricating oil derivatives. The percentage of these substances in the total particle mass depends on many parameters. In addition to design parameters such as combustion chamber shape and design of the injection system include the operating point (load and speed), the fuel and lubricating oil quality and the state of wear of the engine (Wachter, F. and Cartellieri, WP, ways of future emission limits for truck diesel engines, in 8. Int Vienna Motor Symposium 1987., VDI Verlag: Dusseldorf, pp. 206-239 (1987)).
Die auf den Filtern gesammelten Partikeln wurden von Dr. U. Hofmann in einem Extraktionsverfahren (
Anschließend werden die Filter gewogen und aus der Massendifferenz die SOF- Menge ermittelt. Der Extraktionsrückstand wird in weiteren Schritten mit Isopropanol und Wasser behandelt. Damit lässt sich die Menge der löslichen anorganischen Rückstände (SIOF, soluble inorganic fraction), zu denen lösliche Salze wie Sulfate, Nitrate, Carbonate, Acetate usw. und entsprechende Säuren zählen, bestimmen. Der unlösliche Rückstand (ISF, insoluble fraction) besteht dann aus Ruß, Metallen oder Metalloxiden.Then the filters are weighed and the SOF quantity is determined from the mass difference. The extraction residue is treated in further steps with isopropanol and water. This can be used to determine the amount of soluble inorganic residues (SIOF), which include soluble salts such as sulfates, nitrates, carbonates, acetates, etc., and corresponding acids. The insoluble residue (ISF, insoluble fraction) then consists of carbon black, metals or metal oxides.
In
Die Emissionen der löslichen anorganischen Komponenten steigen bereits bei der Zugabe der Tensidmischung zum Dieselkraftstoff (
Die Messungen des Ausstoßes der unverbrannten Kohlenwasserstoffe sind eindeutig (
Die Stickoxidemissionen lassen sich mit den wasserhaltigen mikroemulgierten Kraftstoffen bei hohen Lasten von 2 bis zu 25% reduzieren (
Die Motorische Untersuchungen des Systems H2O/Ethanol-Diesel-NH4Oleat/Ölsäure/TEGO® SMO V sind in den den nachfolgenden Tabellen A–D die des des Systems H2O/Ethanol-Diesel-Ethanolamin/Ölsäure/Walloxen OA 20 sind in
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