DE60024474T3

DE60024474T3 - Treibstoff für diesel-, gasturbinen- und turboeinspritzmotoren mit mindestens vier verschiedenen sauerstoff enthaltenden funktionellen gruppen wie alkohole, ether, aldehyde, ketone, ester, anorganische ester, azetate, epoxide und peroxide

Info

Publication number: DE60024474T3
Application number: DE60024474T
Authority: DE
Inventors: Angelica Hull; Igor Golubkov
Original assignee: Bio Petroleum Ltd
Current assignee: Bio Petroleum Ltd
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: KR20020052179A; EA200200341A1; JP2003509534A; DE60024474T2; SI1218472T2; CZ303901B6; HU228435B1; AU1420600A; CZ2002806A3; NO20021085D0; HRP20020285B1; TR200200597T2; ZA200202522B; SI1218472T1; DK1218472T4; ES2254225T5; SK286954B6; BR0013808B1; PL192472B1; BR0013808A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motorentreibstoff für Dieselmotoren, Gasturbinenmotoren und Turbinen-Luftstrahl-(TL-)Triebwerke und insbesondere für Standardmotoren, wobei der Motorentreibstoff Treibstoffzusammensetzungen aus organischen Verbindungen, die gebundenen Sauerstoff und gegebenenfalls auch Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten, einschließt. Außerdem betrifft diese Erfindung Motorentreibstoffe für diese Motoren und insbesondere Dieselmotoren, bei denen die Treibstoffzusammensetzung bei einem Druck und einer Umgebungstemperatur, welche die normalen Betriebsbedingungen dieser Motoren sind, eine stabile, homogene Flüssigkeit darstellt.
Hintergrund der Erfindung
Das Problem der Verringerung der Schadstoffe in den Abgasen von mit Diesel betriebenen Motoren ist eine Herausforderung für die moderne Gesellschaft. Aus Umweltgründen und auch auf Grund seiner Auswirkungen auf die Gesundheit wird vorgeschlagen, Dieselöl als einen Treibstoff für Fahrzeuge, wie beispielsweise vertreten durch EN 590 und Nr. 2 Dieselöl und dergleichen, zu ersetzen. Es gibt internationale Übereinkünfte, die für die fortschreitende Verschärfung der Anforderungen sorgen, welche die Menge an toxischen Produkten, die aus der Verbrennung von Motorentreibstoff resultieren, in den Abgasen von Fahrzeugen und anderen Maschinen, die Dieselmotoren verwenden, betreffen. In den Ländern der Europäischen Union und in den USA treten die Anforderungen der Stufe II ab dem Jahr 2002 in Kraft. Die Anforderungen setzen beträchtliche Verminderungen an Kohlenmonoxid (CO), Gemischen aus Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden (HC + NO_x) und Partikeln in den Abgasen von Dieselmotoren fest.
Darüber hinaus ist die moderne Gesellschaft besorgt um Schäden am globalen Kohlendioxidgleichgewicht in der Atmosphäre, welche mit der intensiven Verbrennung von Erdölprodukten, Kohle und fossilem Gas verknüpft sind. Die Schädigung des Kohlendioxidgleichgewichts in der Atmosphäre verursacht globale Klimaerwärmung und hat einen negativen Einfluss auf die Natur unseres Planeten.
In diesem Zusammenhang ist die Entwicklung von Motorentreibstoff für Motoren, der aus erneuerbaren pflanzlichen Ressourcen erhalten wird, von echter Bedeutung.
Das wachsende Interesse am Schutz der Umwelt und an strengeren Standards beim Gehalt an schädlichen Komponenten in Abgasen zwingt die Industrie, dringend verschiedene alternative Treibstoffe zu entwicklen, die sauberer verbrennen.
Der vorhandene globale Bestand an Fahrzeugen und Maschinerie mit Standarddieselmotoren, Gasturbinenmotoren und TL-Triebwerken erlaubt derzeit nicht den völligen Verzicht auf aus mineralischen Ressourcen, wie aus Rohöl, Kohle und Erdgas, erhaltene Kohlenwasserstoffgemische als einen Motorentreibstoff, wobei Dieselöl ein Beispiel für ein solches Kohlenwasserstoffgemisch ist.
Andererseits ist es möglich, einen Teil der Kohlenwasserstoffe in Motorentreibstoff, wie Dieselöl, durch andere organische Verbindungen zu ersetzen, die für sauberere Abgase sorgen und die Motorenleistung nicht nachteilig beeinflussen. Benzine, die sauerstoffhaltige Verbindungen umfassen, werden derzeit weit verbreitet verwendet. Es ist beispielsweise auch bekannt, dass das Ersetzen von 15% des Dieselöls durch Alkohol in Motorentreibstoff für saubereres Abgas sorgt und ohne Modifikation vorhandener Dieselmotoren akzeptable Leistung bereitstellt.
Jedoch ist das Problem bei der Verwendung der am weitesten verfügbaren und kostengünstigsten Alkohole, Methanol und Ethanol, als einem Teil eines Motorentreibstoffs, dass diese Verbindungen mit Diesel- und Gasöltreibstoffen unmischbar sind. Potentiell sollten Alkohole und andere sauerstoffhaltige Verbindungen in Hinsicht auf die Umwelt saubere Verbrennungsprodukte ergeben. Jedoch ist der Verbrennungsvorgang in Motoren ein äußerst kompliziertes Phänomen, das nicht nur von der Zusammensetzung des Treibstoffs, sondern auch von den physikalischen Parametern des Treibstoffs und anfangs von der Homogenität der Flüssigkeit beeinflusst wird.
Über die Brauchbarkeit und Eigenschaften von Gemischen einer Erdöldieselfraktion mit Ethanol wurde vor langer Zeit berichtet, wie in Technical Feasibility of Diesohol, ASAE Paper 79–1052, 1979. In dem Artikel wurde betont, dass das Hauptproblem bei der Verwendung eines solchen Treibstoffs dessen Tendenz zur Phasentrennung ist. Weiterhin wird eine solche Phasentrennung merklich durch das Vorliegen von Wasser im System beeinflusst. Bei 0°C bewirkt ein Wassergehalt von lediglich 0,05% die Trennung eines Motorentreibstoffs aus 99% Diesel und 0,95% Ethanol.
Es ist weithin bekannt, dass die NO_x-Emission verringert werden kann, indem die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird. Ein Mittel, um eine abgesenkte Verbrennungstemperatur zu erzielen, ist die Zugabe von Wasser zum Treibstoff oder die getrennte Einspritzung von Wasser in die Verbrennungskammer.
Jedoch tritt durch die Zugabe von Wasser bei den meisten Treibstoffsystemen, insbesondere bei tieferen Temperaturen, d. h. z. B. unter 0°C, Phasentrennung auf. EP-A-0 014 992 (BASF) und US Patent 4,356,001 (für W. M. Sweeney) sprechen das Problem von Wasser in der Treibstoffzusammensetzung an, indem sie in den Treibstoff Polyether und/oder Acetale mit oder ohne Methanol oder Ethanol einschließen. Jedoch findet man, wenn Treibstoffzusammensetzungen gemäß dem Patent formuliert werden, dass die verbesserten Wassertoleranzen in einem weiteren Temperaturbereich nicht ausreichend sind. Die Emissionen von CO, Kohlenwasserstoffen und Ruß aus diesen Treibstoffen sind deutlich höher als akzeptabel.
Es ist bekannt, dass alkoholhaltige Treibstoffe verhältnismäßig niedrige Emissionen von Kohlenstoff, Kohlenoxid und Stickoxid bereitstellen (R. T. Johnson, J. O. Stoffer, Soc. Automot. Eng. (Spec. Publ.) 1983, S. P. 542, 91–104).
Ein bedeutender Teil der Entwicklungen auf dem Gebiet der Hybriddieseltreibstoffe widmet sich der Erzeugung von Mikroemulsionen. Mikroemulsionen sind thermisch stabile Kolloiddispersionen, bei denen der Teilchendurchmesser in der Größenordnung von 20 bis 30 Å liegt. 1977 schlug Backer den Einsatz von Surfactanten vor, um Mikroemulsionen von Alkoholen und Kohlenwasserstoffen zu bilden ( GB Patent Nr. 2,002,400 , erteilt am 12. Juli 1977). Später wurden für dieselben Zwecke andere Emulgatoren vorgeschlagen ( GB Patent Nr. 2,115,002 , erteilt am 1. Februar 1982; U.S. Patent Nr. 4,509,950 , erteilt am 24. März 1985; U.S. Patent Nr. 4,451,265 , erteilt am 21. April 1984; und europäisches Patent Nr. 475,620 , veröffentlicht am 18. März 1992).
Es ist möglich, eine homogene Zusammensetzung aus Dieseltreibstoff, der unterschiedliche Alkohole und deren Gemische enthält, zu erreichen. Im französischen Patent Nr. 2453210 , veröffentlicht am 31. Oktober 1980, wird vorgeschlagen, auch primäre aliphatische gesättigte Alkohole mit linearen und verzweigten Strukturen mit 8 bis 15 Kohlenstoffatomen oder Gemische solcher Alkohole zuzugeben, um eine homogene Flüssigkeit, die Kohlenwasserstoffe und Methanol enthält, zu erreichen. Das Vermeiden der Trennung des Hybridtreibstoffs, der das Alkoholgemisch enthält, erlaubt die Entwicklung, die vom europäischen Patent Nr. 319060 , veröffentlicht am 7. Juni 1989, abgedeckt wird.
Die Untersuchung der Leistungseigenschaften der Hybridtreibstoffe bestätigt die Möglichkeit ihrer Verwendung zum Betrieb von Dieselmotoren (H. B. Mathur, M. K. Babu, Indian Inst. Techn. Journ. Therm. Eng., 1988, 2(3), S. 63–72; K. Haschimoto et al., Journ. Jap. Petrol. Inst., 1996, Bd. 39, N2, S. 166–169).
In WO 95/02654 (veröffentlicht am 26. Januar 1995) schlagen die Patentinhaber die Verwendung einer Formulierung vor, die bis zu 20% des Gesamtvolumens an Ethanol und/oder n-Propanol, bis zu 15% des Gesamtvolumens an Fettsäure und/oder organischem Ester und den Rest eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit enthält, um eine homogene Treibstoffmischung zu erreichen. Das Patent stellt Beispiele für Zusammensetzungen bereit, bei denen sowohl Ölsäure als auch unterschiedliche organische Ester zusätzlich zu Diesel, Ethanol und Propanol verwendet werden.
Gemäß WO 95/02654 sollen alle Beispiele Treibstoffzusammensetzungen mit einer einzigen Phase veranschaulichen. Dies soll die Effektivität der Verwendung bestimmter Mengen von sowohl Fettsäuren und/oder organischen Ester als auch deren Gemischen zeigen, um homogene Flüssigkeiten zu erzielen, die Diesel und Niederalkylalkohole zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten enthalten. Jedoch gibt das Patent keine Temperaturgrenzen für die Stabilität der erhaltenen Treibstoffformulierungen an und schweigt sich darüber aus, wie das Vorliegen von Wasser deren Stabilität beeinflusst. Andererseits ist es bekannt, dass die Stabilität von Gemische aus Niederalkoholen und Diesel eine der Hauptbetriebseigenschaften solcher Treibstoffe ist. In WO 95/02654 wird angemerkt, dass Tests mehrerer Zusammensetzungen in verschiedenen Standarddieselmotoren keine Abnahme der Leistung und des Wirkungsgrades des Treibstoffs zeigten. Jedoch wird nichts über den Gehalt der Abgase unterschiedlicher Motoren ausgesagt, welche die vorgeschlagenen Treibstoffformulierungen einsetzen. Der einzige Kommentar in dieser Hinsicht ist, dass die Verwendung der Ethanolmischung über mehrere Monate im Motor eines Yale Gabelstaplers (Modell GDP 050 RUAS) Mazda XA im Hinblick auf den Zustand der Luft innerhalb des Lagerhauses, in dem der Gabelstapler betrieben wurde, wahrscheinlich angenehmer war.
WO 00/31216 beschreibt eine spritzmischbare gelöste Dieseltreibstoffzusammensetzung, die Dieseltreibstoff ein stabilisierendes Additivs und gegebenenfalls einen Alkylester einer Fettsäure und/oder ein Hilfslösungsmittel umfasst, wobei das stabilisierende Additiv entweder ein Gemisch aus Fettsäurealkoholen, ein Polymermaterial, oder eine Kombination aus dem Gemisch und dem Polymermaterial ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erwähnten Nachteile der Treibstoffzusammensetzungen nach dem Stand der Technik werden dadurch ausgeschlossen, dass eine erfindungsgemäße Treibstoffzusammensetzung, wie in Anspruch 1 beschrieben, bereitgestellt wird.
Die so erhaltene Zusammensetzung bildet einen homogenen flüssigen Treibstoff, der das Vorliegen von Wasser über einen weiten Bereich von Temperaturen toleriert. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Motorentreibstoffs als ein Ersatz für einen gewöhnlichen Motorentreibstoff zum Betrieb eines Standardmotors zeigt eine beträchtliche Verringerung der Schadstoffe in den Abgasen, einschließlich der Emissionen von NO_x und Partikeln. Darüber hinaus verringert die Verwendung von Komponenten, die aus erneuerbarem Rohmaterial erhalten wurden, die Emission von überschüssigem Kohlendioxid in die Atmosphäre.
Gemäß der Erfindung wird ein Treibstoff bereitgestellt, der in vorhandenen Standardmotoren, einschließlich Dieselmotoren, vorteilhafterweise ohne jedwede Änderungen an Treibstoffeinspritzsynchronisation, zeitlicher Ventilsteuerung und Ventilöffnungszeiten verwendet werden kann. Es ist somit möglich, ohne irgendeine Modifikation der Motoren zwischen herkömmlichen Treibstoffen und erfindungsgemäßen Treibstoffe zu wechseln. Diese Eigenschaft ist von großem praktischem Wert.
Im Gegensatz zu einer großen Zahl von Treibstoffzusammensetzungen nach dem Stand der Technik, die verwendet wurden, um Dieseltreibstoff teilweise oder insgesamt zu ersetzen, insbesondere solchen Zusammensetzungen, die Carbonsäuren enthalten, ist der erfindungsgemäße Treibstoff im Wesentlichen nicht korrosiv.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass es auf Grund der Flexibilität der Zusammensetzung des Treibstoffs möglich ist, denselben so anzupassen, dass er Vorteile aus den aktuellen Preisen der speziellen Bestandteile zu einer gegebenen Zeit zieht, oder sogar beliebige Bestandteile zu ersetzen, um gegebenenfalls einen billigeren Treibstoff herzustellen. Es ist beispielsweise möglich, durch den Preis und die Verfügbarkeit der verwendeten Kohlenwasserstoffe deren Gehalte in den Treibstoffzusammensetzungen bestimmen zu lassen.
Am vorteilhaftesten ist, dass das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Treibstoffs kein energisches Mischen der Bestandteile erfordert, wie nach dem Stand der Technik. Somit ist kein intensives Rühren des Gemischs erforderlich, um eine erfindungsgemäße, homogene Treibstoffzusammensetzung zu erhalten.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine homogene Treibstoffzusammensetzung, die für effizienten Betrieb von Dieselmotoren, Gasturbinenmotoren und TL-Triebwerken, einschließlich Standardmotoren, und für verringerte Emission von Schadstoffen in den Abgasen sorgt, erhalten, indem sauerstoffhaltige Verbindungen, umfassend mindestens vier sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen, eingesetzt werden, wobei zu diesen Gruppen vier verschiedene sauerstoffhaltige Verbindungen beitragen, wobei jede davon mindestens eine dieser Gruppen enthält, indem mindestens vier Typen organischer Verbindungen eingesetzt werden, die sich in den funktionellen Gruppen, die den gebundenen Sauerstoff enthalten, unterscheiden.
Diese Erfindung beruht inter alia darauf, dass als ein Motorentreibstoff die vorstehend erwähnte Kombination organischer Verbindungen, die gebundenen Sauerstoff enthalten, mit oder ohne Kohlenwasserstoffe, die bei Umgebungstemperatur und Normaldruck in der Umgebung, in der der Motor betrieben wird, eine homogene Flüssigkeit bildet, eingesetzt wird. Wenn sie als ein Motorentreibstoff verwendet wird, sorgt die vorstehend erwähnte Kombination aus den organischen Verbindungen, die gebundenen Sauerstoff enthalten, und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffen für die erforderlichen Betriebseigenschaften der Motoren und für eine überraschenderweise verringerte Menge an Schadstoffen in den Abgasen.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass sich die erfindungsgemäßen Treibstoffzusammensetzungen, wenn sie auf Temperaturen unter dem Trübungspunkt oder auf Temperaturen über dem anfänglichen Siedepunkt gebracht werden, so dass eine Phasentrennung erfolgt, nachfolgend wieder homogenisieren, wenn zugelassen wird, dass die Temperaturen in den Temperaturbereich zwischen dem Trübungspunkt und dem anfänglichen Siedepunkt der spezifischen Treibstoffzusammensetzung zurückkehren.
Erfindungsgemäß umfasst ein Motorentreibstoff mindestens vier verschiedene sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen, die in mindestens vier organischen Verbindungen enthalten sind, wobei der Sauerstoff in jeder der folgenden funktionellen Gruppen gebunden sein kann:
und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffverbindungen.
Die erfindungsgemäße Motorentreibstoffzusammensetzung für Dieselmotoren, TL-Triebwerke und Düsentriebwerke, einschließlich Standardmotoren, weist eine verringerte Emission von Schadstoffen auf und umfasst eine sauerstoffhaltige organische Komponente, die einen Alkohol, einen Ether, einen Ester und mindestens eines aus einem Aldehyd, einem Keton, einem anorganischen Säureester, einem Acetal, einem Epoxid und Peroxid enthält, und gegebenenfalls eine Kohlenwasserstoffkomponente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen ist die sauerstoffhaltige organische Verbindungskomponente in Mengen von etwa 5% bis 100%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Motorentreibstoffzusammensetzung, vorhanden und, wenn vorhanden, wird die Kohlenwasserstoffkomponente in Mengen von 0 bis etwa 95%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Motorentreibstoffzusammensetzung, eingesetzt.
Im Allgemeinen ist die Motorentreibstoffzusammensetzung vorzugsweise bei Normaldruck über einen Temperaturbereich von einem so niedrigen Trübungspunkt, wie etwa –35°C, bis zu einem anfänglichen Siedepunkt von etwa 180°C stabil.
Die bevorzugte homogene Motorentreibstoffzusammensetzung weist einen Trübungspunkt von nicht höher als etwa –50°C und einen anfänglichen Siedepunkt von nicht niedriger als etwa 50°C auf.
Die Motorentreibstoffzusammensetzung zeigt alle der folgenden Eigenschaften:

(i) eine Dichte bei 20°C von nicht weniger als 0,775 g/cm³;
(ii) der Trübungspunkt ist nicht höher als 0°C bei Normaldruck;
(iii) stabil bei Normaldruck von einem Trübungspunkt von 0°C bis zu einem anfänglichen Siedepunkt von 50°C;
(iv) die Flüssigkeitsmengen, die durch Sieden bei Luftdruck verdampfen; – nicht mehr als 25% des Gesamtvolumens der Motorentreibstoffzusammensetzung destilliert bei nicht mehr als 100°C; – nicht mehr als 35% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 150°C; – nicht mehr als 50% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 200°C; – nicht weniger als 98% des Gesamtvolumens der Motorentreibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 400°C, geeigneterweise von nicht mehr als 370°C und vorzugsweise von nicht mehr als 280°C;
(v) eine Brennwärme bei der Oxidation durch Sauerstoff von nicht weniger als 39 MJ/kg;
(vi) eine Selbstentzündungstemperatur von 150°C bis 300°C.
(vii) die Fähigkeit zur Aufnahme von mindestens 1 Volumenprozent Wasser.

Die Motorentreibstoffzusammensetzung wird vorzugsweise hergestellt, indem die Komponenten der Motorentreibstoffzusammensetzung bei derselben Temperatur in einen Treibstoffbehälter eingeleitet werden, beginnend mit der Komponente, welche die geringste Dichte bei dieser Temperatur aufweist, und endend mit der Komponente, welche die höchste Dichte bei dieser Temperatur aufweist.
Eine schwerere Kohlenwasserstofffraktion wird typischerweise in Kombination mit den sauerstoffhaltigen Komponenten eingesetzt. Die eingesetzte Kohlenwasserstofffraktion ist im Allgemeinen ein beliebiges Kohlenwasserstoffgemisch, wie eine Erdölfraktion, welches die ASTM-Spezifikationen für Dieseltreibstoff erfüllt. In Abhängigkeit vom Gütegrad variieren die tatsächlichen Kohlenwasserstofffraktionen. Nr. 2 Dieseltreibstoff, der sein europäisches Gegenstück in EN 590 Dieseltreibstoff hat, wird am häufigsten in kommerziellen und landwirtschaftlichen Fahrzeugen und zunehmend in privaten Fahrzeugen verwendet. Selbstverständlich können andere Kohlenwasserstofffraktionen, die leichter als die Dieselfraktion sind, einschließlich Kerosin, ebenso wie Fraktionen, die schwerer als die Dieselfraktion sind, einschließlich Gasöl und Heizöl, im erfindungsgemäßen Motorentreibstoff verwendet werden, um die Dieselfraktion zu ersetzen.
Die Kohlenwasserstoffkomponente der erfindungsgemäßen Motorentreibstoffzusammensetzung ist, wenn sie eingesetzt wird, vorzugsweise eine Dieselfraktion. Die Dieselfraktion ist vorzugsweise ein Gemisch aus einem Dieselöl und der Kohlenwasserstofffraktion, die leichter als das Dieselöl ist. Es ist auch möglich, eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit, die aus einem erneuerbaren Rohmaterial erhalten wurde, als eine Komponente des Motorentreibstoffs für Dieselmotoren zu verwenden. Es wird bevorzugt, die Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, die aus Terpentin oder Kolophonium erhalten wurden, ebenso wie Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, die durch Verarbeitung von sauerstoffhaltigen Verbindungen hergestellt wurden, einzusetzen.
Die Kohlenwasserstoffkomponente des Motorentreibstoffs für Dieselmotoren kann, wenn sie eingesetzt wird, aus Synthesegas oder natürlichem Gas und Kohle hergestellt werden.
Vorzugsweise sind mindestens eines von Methanol oder Ethanol und gegebenenfalls Produkte, die sich von Methanol und/oder Ethanol ableiten, in der sauerstoffhaltigen Verbindungskomponente vorhanden. Die Komponenten des Motorentreibstoffs können Verunreinigungen enthalten, die die Dauer und Kosten bei der Verarbeitung der Komponenten zur Verwendung im Treibstoff verringern.
Mengen in der Größenordnung von 1% Wasser, bezogen auf das Gesamtvolumen der Motorentreibstoffzusammensetzung, können vorhanden sein, ohne dass merklich die Eigenschaften und die Homogenität der Motorentreibstoffzusammensetzungen unerwünscht beeinflusst werden. Demgemäß müssen im Handel erhältliche Komponenten und Kohlenwasserstofffraktionen, die Wasser enthalten, nicht notwendigerweise zwecks Wasserentfernung vor dem Einbringen in den Motorentreibstoff behandelt werden.
Es ist auch ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, dass die sauerstoffhaltige organische Verbindungskomponente aus einem erneuerbaren Pflanzenrohstoff eingesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die organischen Verbindungen, die gebundenen Sauerstoff enthalten, im Hinblick auf eine Treibstoffzusammensetzung, die für kürzere Verzögerung bei der Zündung des Motorentreibstoffs sorgt, eine lineare oder spärlich verzweigte molekulare Struktur auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt im Hinblick auf eine Treibstoffzusammensetzung, die organische Verbindungen enthält, welche gebundenen Sauerstoff mit einer verzweigten molekularen Struktur enthalten, die Temperatur der Selbstentzündung der Motorentreibstoffzusammensetzung zwischen etwa 150°C und 300°C, damit der Wirkungsgrad des Betriebs nicht verringert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Treibstoffzusammensetzung zum wirksamen Betrieb von Motoren bereitgestellt, die eine Verringerung der Schadstoffe in den Abgasen ohne die Zugabe von Kohlenwasserstoffen zeigt. Zu diesem Zweck werden lediglich die organischen Verbindungen, die gebundenen Sauerstoff enthalten, eingesetzt.
Die erfindungsgemäße Motorentreibstoffzusammensetzung kann unter Bedingungen von entweder verringerter und/oder erhöhter Umgebungstemperatur bei zufrieden stellendem Wirkungsgrad im Betrieb verendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellen die sauerstoffhaltigen Komponenten die erforderlichen Schmierungseigenschaften des Motorentreibstoffs bereit, was von besonderer Wichtigkeit für den ordentlichen Betrieb von Dieselmotoren ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellen sauerstoffhaltige Komponenten eine Verringerung der Ablagerungen in der Verbrennungskammer des Motors bereit.
Die sauerstoffhaltige Komponente des erfindungsgemäßen Motorentreibstoffs besteht aus Sauerstoff enthaltenden organischen Verbindungen, die zusammen mindestens vier verschiedene Sauerstoff enthaltende funktionelle Reste zeigen, wobei die Reste (i) Alkohol, (ii) Ether, (iii) organischer Ester und (iv) mindestens eines aus Aldehyd, Keton, anorganischem Säureester, Acetal, Epoxid und Peroxid gemäß Anspruch 1 sind.
Die erfindungsgemäße Treibstoffzusammensetzung umfasst mindestens jeweils eine Verbindung der vorstehend in (i) bis (iv) eingeschlossenen, unterschiedlichen Klassen.
Gemische aus Alkoholen, wie (i) Ethanol und Butanol, (ii) Ethanol, Propanal und Hexanol, (iii) Methanol und Ethanol, (iv) Ethanol, Butanol und Hexanol und (v) Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Ethylhexanol und Trimethylnonanol und dergleichen können vorzugsweise als die Alkoholkomponente eingesetzt werden. Ferner können auch Gemische von Ethern bzw. Gemische von organischen Ester als die Ether bzw. organische Esterkomponente mit zufrieden stellenden Ergebnissen verwendet werden. Gleichermaßen können Gemische von jeweils beliebigen aus Acetalen, Epoxiden, Peroxiden, Aldehyden, Ketonen und anorganischen Säureestern als diese Komponenten eingesetzt werden.
Wenn drei oder weniger unterschiedliche Klassen von sauerstoffhaltigen Komponenten eingesetzt werden, um die erfindungsgemäße Motorentreibstoffzusammensetzung für Dieselmotoren zu erzeugen, wurde gefunden, dass es schwierig ist, auf einfache Weise einen homogenen, einphasigen Treibstoff zu erzeugen. Beispielsweise wird, wenn Dieselöl mit Ethanol, Ölsäure und Isopropyloleat wie in der Zusammensetzung 10 aus WO 95/02654 vereint wird, indem Ethanol, Ölsäure und Isopropyloleat zum Dieselöl gegeben werden, und das Gemisch eine Stunde stehen gelassen wird, im Allgemeinen eine mehrphasige Zusammensetzung beobachtet. Lediglich bei kräftigem Schütteln verschwindet die Phasentrennung. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Erfindung, bei der vier verschiedene Klassen von sauerstoffhaltigen Verbindungen eingesetzt werden und die Komponenten in der Reihenfolge von zunehmender Dichte gemischt werden und das Gemisch mindestens etwa eine Stunde stehen gelassen wird, ein einphasiges Gemisch ohne Notwendigkeit für externes Mischen erhalten.
Die sauerstoffhaltige Verbindung schließt einen Alkohol ein. Im Allgemeinen werden aliphatische Alkohole, vorzugsweise Alkanole und Gemische davon eingesetzt. Stärker bevorzugt werden Alkanole der allgemeinen Formel R-OH eingesetzt, in der R Alkyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, am stärksten bevorzugt 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, wie Ethanol, n-, iso- oder sec-Butyl- oder Amylalkohol, 2-Ethylhexanol oder 2,6,8-Trimethyl-4-nonanol ist.
Das Treibstoffadditiv kann einen Aldehyd der allgemeinen Formel
einschließen, wobei R ein C₁-C₈-Kohlenwasserstoff ist.
Bevorzugte Aldehyde schließen Formaldehyd, Ethylaldehyd, Butylaldehyd, Isobutylaldehyd und Ethylhexylaldehyd ein.
Das Treibstoffadditiv kann ein Keton der allgemeinen Formel
einschließen, wobei R und R₁ jeweils einen C₁-C₈-Kohlenwasserstoffrest darstellen und gleich oder verschieden sind, oder zusammen einen cyclischen Ring bilden, wobei die Gesamtzahl der Kohlenstoffatome von R und R₁ 3 bis 12 ist. Die bevorzugten Ketone der Erfindung schließen Diisobutylketon, Ethylamylketon, Carvon und Menthon ein.
Das Ethertreibstoffadditiv schließt einen Monoether, einen Diether und/oder einen Cycloether ein. Ein bevorzugter Ether weist die allgemeine Formel R-O-R' auf, wobei R und R' gleich oder verschieden sind und jeweils einen C₂-C₁₀-Kohlenwasserstoffrest darstellen oder zusammen einen cyclischen Ring bilden. Im Allgemeinen werden Nieder-(C₄-C₈)-dialkylether bevorzugt.
Die Gesamtzahl der Kohlenstoffatome im Ether beträgt vorzugsweise 8 bis 16.
Typische Monoether schließen Dibutylether, tert-Butylisobutylether, Ethylbutylether, Diisoamylether, Dihexylether und Diisooctylether ein. Diether sind Dimethoxypropan und Diethoxypropan. Typische Cycloether schließen cyclische Mono-, Di- und heterocyclische Ether, wie Dioxan, Methyltetrahydrofuran, Methyltetrahydropyran und Tetrahydrofurfurylalkohol, ein.
Das Esteradditiv ist ein Ester einer organischen Säure der allgemeinen Formel
wobei R und R' gleich oder verschieden sind. Die Ester sind C₁-C₈-Alkylester von gesättigten oder ungesättigten C₁-C₂₂-Fettsäuren. Typische Ester schließen Ethylformiat, Methylacetat, Ethylacetat, Propylacetat, Isobutylacetat, Butylacetat, Isoamylacetat, Octylacetat, Isoamylpropionat, Methylbutyrat, Ethylbutyrat, Butylbutyrat, Ethyloleat, Ethylcaprylat, Rapsölmethylester, Isobornylmethacrylat und dergleichen ein.
Das Acetaltreibstoffadditiv hat die allgemeine Formel RCH(OR')₂, wobei R für Wasserstoff oder einen Hydrocarbylrest, vorzugsweise Niederalkylrest, d. h. (C₁-C₃), steht und R' für einen C₁-C₄-Alkylrest, wie Methyl, Ethyl oder Butyl, steht. Typische Acetale schließen Formaldehyddimethylacetal, Formaldehyddiethylacetal, Acetaldehyddiethylacetal und Acetaldehyddibutylacetal ein.
Der anorganische Säureester ist ausgewählt aus Cyclohexylnitrat, Isopropylnitrat, n-Amylnitrat, 2-Ethylhexylnitrat und iso-Amylnitrat ein.
Die sauerstoffhaltige Verbindung kann ein organisches Peroxid sein. Die organischen Peroxide weisen die Formel R-O-O-R' auf, wobei R und R' jeweils gleich oder verschieden sind, und Alkyl oder mit Sauerstoff substituiertes Alkyl, wie Alkansäurerest, sind. Beispiele für organische Peroxide schließen tert-Butylhydroperoxid, tert-Butylperoxyacetat und Di-tert-butylperoxid ein.
Die sauerstoffhaltige Verbindung kann ein organisches Epoxid sein. Die organischen Epoxide weisen die allgemeine Formel
auf, wobei R und R' für C₁-C₁₂-Reste stehen und gleich oder verschieden sind und für Hydrocarbylreste, vorzugsweise Alkyl- und Alkansäurereste, stehen. Typische Epoxide schließen 1,2-Epoxy-4-epoxyethylcyclohexan, epoxidierten Methylester von Tallöl, Ethylhexylglycidylether ein.
Die sauerstoffhaltigen Treibstoffadditive werden in wirksamen Mengen eingesetzt, wodurch ein homogener Motorentreibstoff und ein effizienter Treibstoff mit verringerten Emissionen bereitgestellt wird. Üblicherweise werden mindestens etwa 5 Vol.-% an sauerstoffhaltigem Additiv eingesetzt. Ferner kann ein vollständig kohlenwasserstofffreier Treibstoff eingesetzt werden, der zu 100% aus sauerstoffhaltigen Komponenten besteht.
Die kleinste Menge einer jeden beliebigen der mindestens vier funktionellen Gruppen, berechnet als Gesamtvolumen der Verbindung(en), welche die jeweilige Gruppe aufweist (aufweisen), ist nicht weniger als 0,1%, geeigneterweise nicht weniger als 0,5% und vorzugsweise nicht weniger als 1% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung.
Im Allgemeinen wird der Alkohol vorzugsweise in Mengen von etwa 0,1 bis 35 Vol.-%, der Aldehyd in Mengen von etwa 0 bis 10 Vol.-%, der Ether in Mengen von etwa 0,1 bis 65 Vol.-%, der organische Ester in Mengen von etwa 0,1 bis 20 Vol.-%, das Acetal in Mengen von 0 bis 10 Vol.-%, der anorganische Ester in Mengen von etwa 0 bis 2 Vol.-%, das Peroxid in Mengen von etwa 0 bis 2 Vol.-% und das Epoxid in Mengen von etwa 0 bis 10% eingesetzt, auch wenn größere und kleinere Mengen in Abhängigkeit von den jeweiligen Umständen für eine gegebene Motorentreibstoffzusammensetzung, die in einem Dieselmotor verwendbar ist, eingesetzt werden können.
Der Alkohol oder jede andere Komponente der Treibstoffzusammensetzung kann darin als ein Nebenprodukt vorhanden sein, das in einer beliebigen der anderen Komponenten enthalten ist.
Die organischen Verbindungen, die gebundenen Sauerstoff enthalten, können aus fossilen Quellen oder aus erneuerbaren Quellen, wie Biomasse, stammen.

Claims

Stabile homogene Treibstoffzusammensetzung für Standarddieselmotoren, Gasturbinenmotoren und Düsentriebwerke, welche eine verbesserte Wassertoleranz aufweist und eine verringerte Schadstoffemission ergibt, umfassend, angegeben in Volumen: (a) 5% bis 100% einer Komponente, welche aus sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen besteht, die alle zusammen mindestens vier verschiedene sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen aufweisen, die (i) ein Alkohol, (ii) ein Ether, (iii) eine organische Estergruppe und (iv) mindestens ein Mitglied der folgenden sind: Aldehyd-, Keton-, anorganische Säureester-, Acetal-, Epoxid- und Peroxidgruppen, wobei zu diesen mindestens vier Gruppen mindestens vier Arten von organischen Verbindungen beitragen, welche sich in funktionellen Gruppen unterscheiden, die gebundenen Sauerstoff enthalten, und die kleinste Menge jeder beliebigen Gruppe davon, berechnet als das Gesamtvolumen der Verbindung(en), die die jeweilige Gruppe aufweist (aufweisen), nicht weniger als 0,1% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung beträgt, wobei diese Verbindungen ausgewählt sind aus: C₁-C₁₀-Alkoholen und/oder 2,6,8-Trimethyl-4-nonanol, Aldehyden der allgemeinen Formel, R-CHO wobei R einen C₁-C₈-Kohlenwasserstoffrest darstellt, Ketonen der allgemeinen Formel R-C(O)-R₁, wobei R und R₁ jeweils einen C₁-C₈-Kohlenwasserstoffrest darstellen und gleich oder verschieden sind, oder zusammen einen cyclischen Ring bilden, wobei die Gesamtzahl der Kohlenstoffatome von R und R₁ 3 bis 12 ist; Monoethern der allgemeinen Formel R-O-R', wobei R und R' gleich oder verschieden sind und jeweils ein C₂-C₁₀-Kohlenwasserstoffrest sind oder zusammen einen cyclischen Ring bilden, Diethern, ausgewählt aus Dimethoxypropan und Diethoxypropan, und/oder Cycloethern; Ester der allgemeinen Formel R-C(O)-O-R', wobei die Ester C₁-C₈-Alkylester von gesättigten oder ungesättigten C₁-C₂₂-Fettsäuren sind, Acetalen der allgemeinen Formel RCH(OR')₂, wobei R ein Wasserstoffatom oder einen Hydrocarbylrest darstellt und R' C₁-C₄-Alkyl ist, organischen Nitraten, ausgewählt aus Isopropylnitrat, n-Amylnitrat, Isoamylnitrat, 2-Ethylhexylnitrat und Cyclohexylnitrat, organischen Peroxiden der Formel R-O-O-R', wobei R und R' jeweils gleich oder verschieden sind und wobei R und R' Alkyl oder mit Sauerstoff substituiertes Alkyl sind, organischen Epoxiden der allgemeinen Formel
wobei R und R' gleich oder verschieden sind und C₁-C₁₂-Hydrocarbylreste darstellen; und (b) 0 bis 95% einer Kohlenwasserstoffkomponente, wobei die Treibstoffzusammensetzung die folgenden Eigenschaften (i) bis (vii) aufweist: (i) eine Dichte bei 20°C von nicht weniger als 0,775 g/cm³; (ii) der Trübungspunkt ist nicht höher als 0°C bei Luftdruck; (iii) stabil bei Luftdruck von einem Trübungspunkt, der nicht höher als 0°C ist, bis zu einem anfänglichen Siedepunkt von nicht weniger als 50°C; (iv) die Flüssigkeitsmengen, die durch Sieden bei Luftdruck verdampfen, schließen ein: – nicht mehr als 25% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 100°C; – nicht mehr als 35% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 150°C; – nicht mehr als 50% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 200°C; – nicht weniger als 98% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung destilliert bei Temperaturen von nicht mehr als 400°C, geeigneterweise von nicht mehr als 370°C, und vorzugsweise von nicht mehr als 280°C; (v) eine Brennwärme bei der Oxidation durch Sauerstoff von nicht weniger als 39 MJ/kg; (vi) eine Selbstentzündungstemperatur von 150°C bis 300°C; und (vii) die Fähigkeit zur Aufnahme von mindestens 1 Vol.-% Wasser.
Treibstoffzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die kleinste Menge einer jeden beliebigen der mindestens vier funktionellen Gruppen, berechnet als Gesamtvolumen der Verbindung(en), welche die jeweilige Gruppe aufweist (aufweisen), nicht weniger als 0,5%, und vorzugsweise nicht weniger als 1% des Gesamtvolumens der Treibstoffzusammensetzung ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens vier Arten von organischen Verbindungen, welche sich in den funktionellen Gruppen unterscheiden, die gebundenen Sauerstoff enthalten, jeweils eine oder zwei funktionelle Gruppen und vorzugsweise jeweils eine funktionelle Gruppe aufweisen.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere verschiedene Verbindungen die selbe(n) funktionelle(n) Gruppe(n) aufweisen können.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen geradkettig oder spärlich verzweigt sind.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sauerstoffhaltige Komponente der erfindungsgemäßen Treibstoffzusammensetzung alle folgenden Mitglieder enthält: Aldehyd, Keton, anorganischer Säureester, Acetal, Epoxid und Peroxid.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Mitglied aus Methanol oder Ethanol, und gegebenenfalls Nebenprodukten aus der Herstellung von Methanol oder Ethanol in der sauerstoffhaltigen Verbindungskomponente vorhanden ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sauerstoffhaltige Verbindungskomponente Verunreinigungen enthält, die während der Herstellung der sauerstoffhaltigen Verbindungskomponente als Nebenprodukt entstehen oder vorhanden sind.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche bei Luftdruck in einem Temperaturbereich von einer Trübungstemperatur, die nicht höher als –35°C liegt, bis zu einer anfänglichen Siedetemperatur von nicht weniger als 180°C stabil ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in einem Temperaturbereich von einem Trübungspunkt, der nicht höher als –50°C ist, bis zu einem anfänglichen Siedepunkt von nicht weniger als 50°C stabil ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Wasser in Mengen von mindestens ungefähr 1 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Treibstoffzusammensetzung, einschließt.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sauerstoffhaltige organische Verbindungskomponente aus einem erneuerbaren Pflanzenrohstoff gebildet ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenwasserstoffkomponente eine Dieselfraktion oder ein Gemisch aus einer Dieselfraktion und einer Kohlenwasserstofffraktion, die leichter als die Dieselfraktion ist, ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenwasserstoffkomponente eine Gasölfraktion oder ein Gemisch aus einer Gasölfraktion und einer Kohlenwasserstofffraktion, die leichter als die Gasölfraktion ist, ist.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kohlenwasserstoffkomponente aus erneuerbaren Rohstoffen, einschließlich Terpentin, Kolophonium oder anderen sauerstoffhaltigen Verbindungen, gewonnen wird.
Treibstoffzusammensetzung gemäß den Ansprüchen 1 bis 12, wobei die Kohlenwasserstoffkomponente aus Synthesegas, welches gegebenenfalls aus Biomasse erhalten wird; oder aus einer C₁-C₄-gasenthaltenden Fraktion; oder aus der Pyrolyse von kohlehaltigen Materialien, gegebenenfalls umfassend Biomasse, oder einem Gemisch davon, erhalten wird.
Treibstoffzusammensetzung gemäß den Ansprüchen 1 bis 16, wobei die sauerstoffhaltigen Komponenten die erforderlichen Schmiereigenschaften des Treibstoffes bereitstellen.
Treibstoffzusammensetzung gemäß den Ansprüchen 1 bis 17, wobei die sauerstoffhaltigen Komponenten zu einer Verminderung von Ablagerungen in der Brennkammer beitragen.
Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 18, welche einen Flammpunkt von nicht niedriger als 50°C aufweist.
Verfahren zur Herstellung der Treibstoffzusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches keine externen Mittel zum Mischen erfordert, umfassend aufeinanderfolgendes Einleiten der Komponenten der Treibstoffzusammensetzung, welche alle die gleiche Temperatur aufweisen, in einen Treibstoffbehälter, beginnend mit der Komponente, welche die geringste Dichte bei dieser Temperatur aufweist und endend mit der Komponente, welche die höchste Dichte bei dieser Temperatur aufweist.