EA000770B1

EA000770B1 - Альтернативное топливо

Info

Publication number: EA000770B1
Application number: EA199800995A
Authority: EA
Inventors: Стефен Ф. Пол
Original assignee: Дзе Трастиз Оф Принстон Юниверсити
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1997-05-01
Publication date: 2000-04-24
Also published as: US5697987A; CA2253945C; US20020035802A1; EA199800995A1; HUP9902403A2; US6309430B1; NO985221D0; JP3072492B2; HUP9902403A3; CA2253945A1; NZ332651A; ES2210525T3; TR199802281T2; IS4887A; DE69723558D1; TW370560B; HK1021198A1; ZA973901B; NO985221L; EP0914404A1

Description

Настоящее изобретение относится к композиции моторного топлива с искровым зажиганием на основе жидких углеводородов, полученных из биогенных газов и смешанных с моторным спиртом и сорастворителем для жидких углеводородов и спирта, имеющей антидетонационный индекс, теплосодержание и давление (упругость) сухих паров (Dry Vapor Pressure Equivalent) (DVPE), соответствующие топливу для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, с незначительными модификациями. Преимущественно настоящее изобретение относится к каменноугольному газовому бензину (Coal Gas Liquid) (CGL) или к смесям газового бензина (из природного сжиженного газа) (Natural Gas Liquids) (NGLs) со спиртом, в которых сорастворителем является 2-метилтетрагидрофуран (МТГФ), полученный из биомассы.

Существует широкая потребность в альтернативных бензину моторных топливах для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Бензин выделяют из сырой нефти из нефтеотстойников. Сырая нефть представляет из себя смесь углеводородов, которые находятся в жидком состоянии в подземных нефтяных пластах и остаются жидкими при атмосферном давлении. Обычный бензин получают при очистке сырой нефти путем перегонки и сепарации компонентов сырой нефти, причем бензин представляет легкий компонент нафты.

В Соединенных Штатах Америки сосредоточено только десять процентов мировых запасов нефти, при этом остальные 90 процентов сосредоточены не только за границей Соединенных Штатов, но и их Североамериканских торговых партнеров. Импортируется около 50 процентов обычного бензина, причем в следующем столетии эта цифра будет расти.

Обычный бензин представляет из себя комплексную смесь около 300 химических компонентов, включая нафту, лигроин, олефины, алкены, ароматические и другие летучие углеводороды с или без небольшого количества присадок для использования в двигателях с искровым зажиганием. В нормальном бензине содержание бензола может колебаться от 3 до 5 процентов и содержание серы до 500 ppm. Как правило в риформинг-бензине (RFG) содержание серы лимитируется до 330 ppm и бензола до одного процента, а также лимитировано содержание других токсичных примесей.

Обычные, альтернативные нефтяным, топлива, такие как сжатый природный газ, пропан и электричество требуют больших капиталовложений в модификацию автомобиля и системы подачи топлива, не говоря о технологическом развитии. Поэтому существует необходимость в альтернативном топливе, обладающем горючими свойствами моторного бензина, не требующем существенной модификации двигателя и которое можно хранить и доставлять так же как и моторный бензин. Для того, чтобы обладать преимуществами перед газообразными альтернативными топливами, такими как метан и пропан, жидкие альтернативные топлива должны удовлетворять всем требованиям Агентства по охране окружающей среды (ЕРА) для «чистых топлив».

CGL и NGLs имеют неудовлетворительно низкий антидетонационный индекс и не могут использоваться в качестве альтернативных сырой нефти источников углеводородов для моторных топлив для двигателей с искровым зажиганием. Попытки преодолеть эту трудность не привели к удовлетворительным результатам.

Давно известны каменноугольные газы, приводящие к взрывам в каменноугольных пластах при их разработке. В целях безопасности эти газы следует выпускать наружу. Однако, такой выпуск значительно увеличивает количество метана в атмосфере, что приводит к тепличному эффекту. С.М. Воуег и др., U.S. EPA, Air and Radiation (ANR-445), EPA/400/9-90/008. Каменноугольные газы могут содержать значительное количество тяжелых углеводородов с содержанием фракций С более 70 процентов. Rice, Hydrocarbons from Coal (American Association of Petroleum Geologists, Studies in Geology # 38, 1993), p. 159.

В отличие от источников обычного бензина около 70 процентов мировых запасов NGLs находятся в Северной Америке. Импорт NGLs в Соединенные Штаты составляет менее 1 0 процентов от общего продукта. NGLs выделяют из природного газа, газов газоперерабатывающих заводов и, в некоторых случаях, природного газа в полевых условиях. Выделенные фракционированием NGLs также входят в понятие NGLs. Понятие NGLs определяют в соответствии со спецификациями, опубликованными Gas Processors Association и Американским обществом по испытанию материалов (ASTM). Компоненты NGLs классифицируются в зависимости от длины углеродной цепи следующим образом; этан, пропан, н-бутан, изобутан и «пентаны плюс».

«Пентаны плюс» определяются Gas Processors Association и ASTM как смесь углеводородов, преимущественно пентанов и выше, экстрагированная из природного газа и содержащая изопентан, газовый бензин и заводские конденсаты. Пентаны плюс являются самыми низкоценными NGLs. В то время как пропаны и бутаны представляют из себя товарные продукты для химической промышленности, пентаныплюс являются отходящими продуктами очистки низкоценной нефти при производстве бензина. Одной из причин, почему пентаны-плюс обычно не используются также как бензин, является то, что они имеют низкий антидетонационный индекс, что умаляет их эксплуатационные свойства в качестве моторного топлива в искровых двигателях, так же как и высокое давление паров (DVPE), которое может возникать в камере двигателя при теплой погоде. Единственным преимуществом пентанов плюс перед другими NGLs является то, что они являются жидкими при комнатной температуре. Поэтому они являются единственным компонентом, который может использоваться в полном объеме в качестве моторного топлива в искровых двигателях без значительной модификации двигателя или топливного бака.

В патенте США 5004850 описано моторное топливо на основе NGLs для искровых двигателей, в котором газовый бензин смешивают с толуолом с получением моторного топлива с удовлетворительным антидетонационным индексом и давлением паров. Однако толуол является дорогим, извлекаемым из сырой нефти ароматическим углеводородом. Его использование в топливе строго ограничено постановлением 1990 Clean Air Act Amendments о чистоте атмосферы.

В патенте США 4806129 описано топливо, содержащее свободный от свинца бензин, содержащий преимущественно остаточную нафту, полученную в качестве побочного продукта при основной очистке нефти, безводный спирт, стабилизирующее количество водоотталкивателя (этилацетат и метил изобутилкетон) и ароматику (бензол, толуол и ксилол).

Однако, как указывалось выше, присутствие ароматики нежелательно и ее использование ограничено законом из-за вредного воздействия на окружающую среду.

В патенте Германии DE-OS 3016481 описана топливная присадка для солюбилизации водосодержащих смесей углеводородов и спиртов, таких как бензин и метанол. Указанная выше присадка содержит тетрагидрофуран и может быть объединена со смесью бензина, метанола и воды с образованием стабильной прозрачной смеси.

Соединенные Штаты Америки являются самыми крупными в мире производителями моторного спирта, при этом доля импортируемого этанола составляет менее 10 процентов. Этанол получают из биомассы и используют как присадку, повышающую октановое число моторного топлива. В то время как этанол сам по себе имеет низкую упругость паров, при смешении его с углеводородами результирующая смесь имеет недопустимо высокую степень испаряемости для того, чтобы быть разрешенной к использованию в наиболее важных районах Соединенных Штатов. В случае, если содержание этанола в смеси этанола и пентанов-плюс не превышает 60 процентов, давление паров этанола не является доминирующим. Однако смеси, содержащие такое большое количество этанола дороги и создают определенные трудности при хранении из-за высокой теплоты испаряемости этанола. Более того, этанол имеет низкую теплоемкость, что снижает экономичность такого топлива по сравнению с бензином.

Объем производства дешевого МТГФ или этанола из биомассы и их использование в качестве бензина превышает 1 0 процентов. (Wallington и др.. Environ.Sci.Technol., 24, 159699 (1990); Rudolph и др., Biomass, 16, 3349(1988); и Lucas и др., SAE Technical Paper Series, N 932675 (1993). Дешевое производство МТГФ и его пригодность в качестве низкооктановой кислородной добавки к бензину с или без этанола с целью производства кислородного моторного топлива обсуждалась на Правительственной Комиссии по этанолу (Governors' Ethanol Coalition, Stephen W.Fitzpatrick, Ph.D., of Biofine, Inc. 16 февраля, 1995 года). В соответствии с этими данными давление паров (DVPE) и октановое число являются неудовлетворительными. Поэтому сохраняется потребность в моторном топливе не нефтяного происхождения, имеющем DVPE и антидетонационный индекс, пригодные для использования в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием без их существенной доработки.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение удовлетворяет этим требованиям. Обнаружено, что смесь CGL и NGLs углеводородов, таких как газовый бензин или пентаны плюс, сорастворителей для них и моторных спиртов, такого как этанол, обладает необходимыми для использования в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием DVPE и антидетонационным индексом при минимальной модификации двигателя.

Настоящее изобретение предусматривает композицию моторного топлива с искровым зажиганием, преимущественно состоящую из:

углеводородного компонента, преимущественно состоящего из одного или более углеводородов, выбранных из алканов с прямой или разветвленной цепью, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов, и имеющего минимальный антидетонационный индекс 65, измеренный в соответствии с ASTM D-2699 и D2700 и максимальное DVPE 1 5 psi (одна атмосфера), измеренное в соответствии с ASTM D5191;

моторного спирта; и сорастворителя для углеводородного компонента и моторного спирта; при этом углеводородный компонент, моторный спирт и сорастворитель присутствуют в таких количествах, которые придают моторному топливу минимальный антидетонационный индекс 87, измеренный в соответствии с ASTM D-2699 и D2700, при этом топливная композиция преимущественно свободна от олефинов, ароматики и серы.

В соответствии с изобретением композиция моторного топлива может содержать нбутан в количестве, эффективном для создания смеси с DVPE приблизительно от 12 (0,8 атм.) до 1 5 psi (1 атм), измеренным в соответствии с

ASTM D-5191. н-Бутан преимущественно получают из NGLs и CGL.

Другим объектом настоящего изобретения является способ снижения давления паров спиртово-углеводородной смеси. В соответствии с настоящим изобретением способ предусматривает смешение моторного спирта и углеводородного компонента с таким количеством сорастворителя для спирта и углеводородного компонента, чтобы полученная тройная смесь имела DVPE, измеренное в соответствии с ASTM D5191, меньше, чем DVPE для бинарной смеси спирта и углеводородного компонента. Углеводородный компонент состоит, преимущественно, из одного или более углеводородов, выбранных из группы, состоящей из алканов с прямой или разветвленной цепью, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов. Тройная смесь преимущественно свободна от олефинов, ароматики и серы. Сорастворитель для углеводородного компонента и моторного спирта как для топливной композиции, так и для способа по изобретению, получают преимущественно из отходов целлюлозной биомассы, такой как кукурузная шелуха (листовая обертка початка кукурузы), кукурузные кочерыжки, солома, шелуха риса и овса, стебли сахарного тростника, низкосортные бумажные отходы, измельченный бумажный шлам, пищевые отходы и тому подобное. К сорастворителям, полученным из целлюлозных отходов, преимущественно относятся метил-тетрагидрофуран (МТГФ) и другие гетероциклические эфиры, такие как пираны и оксепаны, МТГФ наиболее предпочтителен, так как он может быть получен с высоким выходом по низкой цене в большом количестве и обладает необходимыми совместимостью с углеводородами и спиртами, температурой кипения, температурой вспышки и плотностью.

В соответствии с настоящим изобретением топливные композиции могут быть получены на основе постоянно возобновляемых отечественных дешевых материалов, полученных из отходов биомасс, таких как спирт и МТГФ в комбинации с углеводородными конденсатами, рассматриваемыми как потери при получении отечественного природного газа, такими как пентаны плюс, преимущественно свободными от других нефтяных производных. Композиции представляют из себя чистые альтернативные топлива, не содержащие олефинов, ароматики, тяжелых углеводородов, бензола, серы или других производных сырой нефти. Композиции выделяют меньше углеводородов, чем бензин, способствуют сохранению озона и удовлетворяют государственным стандартам по чистоте окружающего воздуха. Композиции удовлетворяют всем требованиям ЕРА для «чистого топлива», используя имеющиеся автомобильные технологии с минимальной модификацией двигателя. При эксплуатации композиций по изобретению требуется немногим большая, чем ныне существующая, инфраструктура подачи топлива, а по своим компонентам они могут конкурировать в цене с бензином. Другие особенности настоящего изобретения приведены в следующем далее описании и формуле изобретения, в которых рассматриваются принципы осуществления изобретения и приводятся лучшие примеры выполнения.

Указанные выше и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясными из следующего описания предпочтительных примеров выполнения в сочетании с приводимыми рисунками.

Детальное описание предпочтительного примера осуществления.

Композиции по настоящему изобретению фактически свободны от нежелательных олефинов, ароматики, тяжелых углеводородов, бензолов и серы, что обеспечивает чистоту сгорания. Топливные композиции по настоящему изобретению могут использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием с минимальной доработкой. Во-первых требуется снижение соотношения воздух/топливо приблизительно от 12 до 13 по сравнению с 14,6 для типичного бензинового двигателя. Такая регулировка необходима из-за большого количества кислорода, которое уже содержится в топливе.

Такая регулировка может быть осуществлена в автомобилях производства 1996 года и позже путем модификации программного обеспечения бортового компьютера. Для более старых автомобилей необходима замена микросхемы бортового компьютера или, в некоторых случаях, полная замена компьютера. С другой стороны, карбюратор может быть легко отрегулирован до соответствующего соотношения воздух/топливо и самое большее может потребоваться простая замена сопла (жиклера). Автомобили, заправляемые композицией по настоящему изобретению, можно приспособить для работы на этаноле или метаноле, используя узлы или детали топливной системы, совместимые с этанолом и метанолом, при этом в контакте с топливом не должно быть частей, изготовленных из материалов, чувствительных к этанолу и метанолу, например, нитрильный каучук и тому подобное.

Поправками к закону о чистоте воздуха 1990 было установлено максимальное содержание как олефинов, так и ароматики в результате их выделения с несгоревшими углеводородами. Зимой для ароматики максимальная величина составляет 24,6 процента и летом 32,0 процента. Максимальное содержание олефинов зимой составляет 11,9 процента и летом 9,2 процента. Содержание бензола должно быть менее или равно 1,0 процента и максимум допустимой серы составляет 338 ppm. Топливные композиции по настоящему изобретению преимущественно не содержат указанных компонентов.

В соответствии с настоящим изобретением моторные топливные композиции получают смешением одного или более углеводородов с моторным спиртом, выбранным из метанола, этанола и их смеси, и сорастворителем для одного или более углеводородов и моторным спиртом. Моторный спирт добавляют для увеличения антидетонационного индекса углеводородного компонента. Использование в настоящем изобретении сорастворителей позволяет добавлять к моторной топливной композиции значительное количество спирта, эффективно обеспечивающее приемлемое сочетание антидетонационного индекса и DVPE. Используемые в настоящем изобретении подходящие спирты могут быть идентифицированы и получены любым обычным методом.

С другой стороны для увеличения антидетонационного индекса можно использовать присадки, такие как толуол, полученные из сырой нефти. Однако композиции по настоящему изобретению преимущественно не содержат производных сырой нефти, включая полученные из сырой нефти присадки, увеличивающие антидетонационный индекс.

В настоящем изобретении по существу можно использовать любой углеводородный источник, содержащий один или более алканов с прямой или разветвленной цепью, имеющий от пяти до восьми атомов углерода, если этот углеводородный источник, как правило, имеет минимальный антидетонационный индекс 65, измеренный в соответствии с ASTM D-2699 и D-2700 и максимальное DVPE 15 psi (1 атм), измеренное в соответствии с ASTM D-5191. Для специалиста в данной области понятно, что термин «антидетонационный индекс» означает среднее октановое число, определенное по исследовательскому методу («RON» это «R») в соответствии с ASTM D-2699 («ОИм» это «И») или октановое число, определенное по моторному методу в соответствии с ASTM D-2700 («ОМм» это «М»). Обычно это выражается как (R+M)/2 или (И+М)/2.

Углеводородный компонент преимущественно получают из CGL или NGLs, предпочтительно из фракции NGLs, определяемой Gas Processors Association и ASTM как «пентаны плюс», являющиеся коммерчески приемлемыми товарными продуктами. Однако может использоваться любая другая смесь углеводородов, имеющая эквивалентное энергетическое и кислородное содержание и обладающая эквивалентными горючими свойствами. Например, фракцию NGLs, определяемую Gas Processors Association как «газовый бензин», можно смешивать с изопентаном и заменять на пентаныплюс. Можно использовать газовый бензин в отдельности. В большинстве случаев приготовление смесей вместо использования «неразбавленных» пентановплюс или газового бензина будет дороже. Можно использовать любую другую эквивалентную смесь той же стоимости.

Углеводородный компонент смешивают с моторным спиртом, используя сорастворитель, выбранный таким образом, чтобы полученная смесь имела DVPE ниже 15 psi (1 атм.) не в ущерб антидетонационному индексу или температуре вспышки и ее можно было использовать в двигателях с искровым зажиганием с минимальными модификациями. Сорастворители, подходящие для использования в настоящем изобретении, растворяют как углеводороды, так и моторный спирт и имеют температуру кипения, достаточно высокую для обеспечения DVPE менее чем 15 psi (1 атм.) в конечной смеси, преимущественно больше 75°С. Сорастворитель должен иметь достаточно низкую температуру вспышки, чтобы гарантировать холодный пуск, преимущественно ниже -10С°. Сорастворитель должен также иметь разницу в температуре кипения и температуре вспышки по меньшей мере в 85°С и удельный вес более чем 0,78.

Предпочтительно использовать в качестве сорастворителей пяти-семичленные гетероциклические соединения. Полярные гетероатомные циклические структуры совместимы с моторными спиртами и при этом имеют неполярные области, совместимые с углеводородами. Гетероатомные структуры также снижают давление паров сорастворителя и соответственно результирующей смеси. Теми же преимуществами обладают и короткоцепочечные эфиры, однако, циклические системы предпочтительнее.

Наиболее предпочтительны насыщенные алкил-разветвленные гетероциклические соединения с единственным кислородным атомом в кольце, так как разветвленная алкильная группа содействует депрессии давления паров сорастворителя. Циклическое соединение может содержать несколько разветвленных алкильных групп, однако единственная разветвленная алкильная группа предпочтительнее. МТГФ представляет из себя пятичленное гетероциклическое кольцо с единственной метильной группой, смежной с кольцевым атомом кислорода.

Азотсодержащие гетероциклические соединения менее предпочтительны в качестве сорастворителей в настоящем изобретении, так как при сгорании таких соединений образуются окислы азота, загрязняющие атмосферу. Поэтому кислородсодержащие гетероциклические соединения более предпочтительны, нежели азотсодержащие гетероциклические соединения, при этом алкилированные гетероциклы более предпочтительны. Кроме того, кислородсодержащие гетероциклические соединения выполняют роль источников кислорода в настоящем изобретении и поэтому способствуют полному сгоранию топливной композиции. Таким образом кислородсодержащие гетероциклические соединения наиболее предпочтительны в качестве сорастворителей в моторных топ9 ливных композициях в настоящем изобретении, так как они, являясь источником кислорода, не только способствуют полному сгоранию топлива, но и, будучи сорастворителем для углеводородов и моторных спиртов, снижают давление паров.

При этом кислородсодержащие, насыщенные, пяти-семичленные гетероциклические соединения являются наиболее предпочтительными. Из них наиболее предпочтительным является МТГФ. Являясь октановым депрессантом бензина, МТГФ улучшает октановую характеристику NGLs. МТГФ не только отлично совмещается с углеводородами и спиртами, но и имеет требуемые температуру кипения, температуру вспышки, плотность, легко доступен, недорог и является товарным продуктом. МТГФ имеет также более высокое теплосодержание, чем моторные спирты, негигроскопичен, в отличие от спиртов, и используется как фунгицид в нефтяных трубопроводах. Это позволяет использовать его в больших по сравнению с моторными спиртами количествах для увеличения антидетонационного индекса моторных топливных композиций.

МТГФ можно коммерчески получать при производстве леуленовой кислоты из отходов целлюлозной биомассы, такой как кукурузная шелуха (листовая обертка початка кукузуры), кукурузные кочерыжки, солома, шелуха риса и овса, стебли сахарного тростника, низкосортные бумажные отходы, измельченный бумажный шлам, пищевые отходы и тому подобное.

В патенте США 4 897 497 описано получение МТГФ из целлюлозных отходов. В моторных топливных композициях по настоящему изобретению предпочтительно использовать в качестве сорастворителя МТГФ, полученный из отходов целлюлозной биомассы.

Примерами других подходящих сорастворителей, выбираемых в соответствии с их температурой кипения, температурой вспышки, плотностью и совместимостью с моторными спиртами и пентанами-плюс являются 2-метил2-пропанол, 3-бутен-2-он, тетрагидропиран, 2этилтетра-гидрофуран (ЭТГФ), 3,4-дигидро-2Нпиран, 3,3-диметилоксетан, 2 - метилбутиральдегид, бутилэтиловый эфир, 3-метилтетрагидропиран, 4-метил-2-пентанон, диаллиловый эфир, аллилпропиловый эфир, и тому подобное. Как указывалось ранее, можно использовать не только гетероциклические соединения, но и короткоцепочечные эфиры с приемлемой совместимостью с углеводородами и моторными спиртами и удовлетворительной депрессией давления паров результирующей смеси. Подобные кислородсодержащие гетероциклические соединения и короткоцепочечные эфиры являются идеальными источниками кислорода и снижают давление паров.

В соответствии с настоящим изобретением моторные топливные композиции выборочно могут содержать н-бутан в количестве, эффективно обеспечивающем DVPE в интервале от приблизительно семи (0,5 атм) до приблизительно 15 psi (1 атм). Однако можно приготовить композиции с DVPE ниже 3,5 psi (0,2 атм.). Повышенное DVPE желательно для севера Соединенных Штатов и Европы в зимнее время для содействия работе стартера при холодной погоде. Преимущественно, н-бутан получают из NGLs или CGL.

Моторные топливные композиции выборочно могут также содержать обычные добавки к моторному топливу с искровым зажиганием. Так моторные топливные композиции настоящего изобретения могут содержать традиционные количества детергента, антивспенивающих добавок, добавок против обледенения и др. Добавки можно получать из сырой нефти; однако, предпочтительны композиции, не содержащие производных сырой нефти.

Моторные топливные композиции настоящего изобретения готовят, используя обычную смесительную технологию приготовления этанолсодержащих моторных топлив. Чтобы избежать потерь при испарении, желательно плотный компонент, а именно, сорастворитель накачивать первым, охлажденным до температуры менее 70°F (21 °C) через отверстие в днище смесительной цистерны. Затем через то же отверстие в днище цистерны накачивают углеводороды без перемешивания и взбалтывания, чтобы минимизировать потери с испарением. В случае использования н-бутана его накачивают охлажденным (ниже 40°F (4°C) ) через днище цистерны. Следующим через отверстие в днище цистерны накачивают бутан так, чтобы он немедленно разбавлялся, уменьшая тем самым поверхностное давление паров и предотвращая потери с испарением. Через отверстие в днище можно накачивать сразу два или более компонентов вместе, например МТГФ, углеводороды и н-бутан, в случае его использования. Можно получить смесь двух или трех компонентов в обычном бензиновом трубопроводе. Так как этанол может сам по себе увеличивать давление паров углеводородов и способствовать потерям с испарением, его лучше подмешивать последним, после МТГФ и н-бутана, если он используется, уже смешанными с углеводородом, с помощью обычной технологии впрыскивания этанола в моторные топлива.

Так в случае смеси, содержащей н-бутан, этанол, МТГФ и пентаны плюс, МТГФ подают первым в смесительную цистерну. Не взбалтывая, через отверстие в днище цистерны в МТГФ закачивают пентаны плюс и затем н-бутан (если он используется). Последним через днище закачивают этанол. Затем смесь извлекают и хранят с помощью обычных средств.

Углеводороды, моторный спирт и сорастворитель добавляют в количествах, выбранных с тем условием, чтобы обеспечить моторной топливной композиции минимальный антидетонационный индекс 87, измеренный в соответствии с ASTM D-2699 и D-2700 и максимальное DVPE 15 psi (1 атм.) в соответствии с ASTM D5191. Предпочтителен минимальный антидетонационный индекс 89,0, но минимальный антидетонационный индекс 92,5 более предпочтителен. Летом предпочтительно иметь максимальное DVPE 8,1 psi (0,55 атм.), но максимальное DVPE 7,2 psi (0,5 атм.) предпочтительнее. Зимой DVPE должно быть по-возможности близко к 15 psi (1 атм.), преимущественно около 12 psi (0,8 атм.) и около 15 psi (1 атм.). Поэтому нбутан добавляют в моторную топливную композицию в количествах, эффективно обеспечивающих значение DVPE в этих пределах.

В предпочтительных моторных топливных композициях в соответствии с изобретением углеводородный компонент состоит преимущественно из одного или более углеводородов, выделенных из NGLs и смешанных с этанолом, МТГФ и, в случае необходимости, н-бутаном. NGLs углеводороды могут присутствовать приблизительно в количестве от 10 до 50 объемных процентов, этанол приблизительно в количестве от 25 до 55 объемных процентов, МТГФ приблизительно в количестве от 15 до 55 объемных процентов и н-бутан от нуля до приблизительно 15 объемных процентов. Наиболее предпочтительны моторные топливные композиции, содержащие около 25-40 объемных процентов пентанов плюс, около 25-40 объемных процентов этанола, около 20-30 объемных процентов МТГФ и от 0 - около 1 0 объемных процентов нбутана.

Композиции, согласно изобретению, можно приготовить как в виде летних, так и в виде зимних топливных смесей с величиной Т10 и Т90, измеренных в соответствии с ASTM D-86 и ASTM спецификациями для летних и зимних топливных смесей. Для пуска в холодную погоду зимние топливные композиции настоящего изобретения имеют значительно большую летучесть, чем обычный бензин. Величина Т 90 указывает количество «тяжелых» (нелетучих) компонентов в топливе. Эти вещества являются основной причиной несгорания углеводородов при холодном пуске двигателя. Сниженное содержание «тяжелых» компонентов в композициях по настоящему изобретению указывает на улучшение выбросов при работе двигателя. Количество твердого остатка после сгорания в пять раз меньше, чем после сгорания обычного бензина.

Летняя топливная смесь преимущественно содержит около 32,5 объемных процентов пентанов плюс, около 35 объемных процентов этанола и около 32,5 объемных процентов МТГФ. Характеристики этой смеси приведены в следующей таблице:

Тест	Метод	Результат	Условия
Вес API*	ASTM D4052	52,1	60°F (15,6°С)
Перегонка	ASTM D86
Начало кипения		107,0 °F (41,7°С)
Т10		133,2°С (56,2°С)
Т50		161,8°F (72,1°С)
Т90		166,9°F (74,9°С)
Конец кипения		195, 5°F (90,8°С)
Выход		99,5 вес.%
Остаток		0,3 вес.%
Потери		0,2 вес.%
DVPE	ASTM D5191	8,10 psi (0,5 атм.)
Свинец	ASTM D3237	<0,01 г/л (<2,64 х 10'³ г/л)
Октановое число по ис- следоват.мето- ду	ASTM D2699	96,8
Октановое число по моторному методу	ASTM D2700	82,6
(R+M)/2 (антидетонационный индекс)	ASTM D4814	89,7
Коррозия медная пластинка	ASTM D1 30	1A	3 ч 1 22°F (50°С)
Смолы (после промывки)	ASTM D381	2,2 мг/100 мл
Сера	ASTM D2622	3,0 ppm
Фосфористые соединения	ASTM D3231	<0,004 г/л (<1,05 х 10'³ g/1)
Окислительная стабильность	ASTM D525	165 мин
Кислородсо- держащие	ASTM D4815
Этанол		34,87 об. %
Кислород	ASTM D4815	18,92 вес.%
Бензол	ASTM D3606	0,15 об.%
V/L 20	CALCU- LATED	135°F (57,2°С)
Докторская проба	ASTM D4952	Положительно
Ароматика	ASTM D1319	0,41 об.%
Олефины	ASTM D1319	0,09 об.%
Меркаптанная сера	ASTM D3227	0,0010 вес.%
Толерантность к воде	ASTM D4814	< -65 °С
Теплосодер- жание	ASTM D3338	18,663 BTU/1b (43,410 кДж/кг)

*API - Американский нефтяной институт.

Предпочтительная зимняя топливная композиция содержит около 40 объемных процентов пентанов плюс, около 25 объемных процентов этанола, около 25 объемных процентов МТГФ и около 1 0 объемных процентов нбутана. Характеристика такой композиции приведена в следующей таблице.

Тест	Метод	Результат	Условия
Вес API	ASTM D4052	59,0	60°F (15,6°С)
Перегонка	ASTM D86
Начало кипения		83,7°F (28,7°С)
Т10		102,7°F (39,3°С)
Т50		154,1 °F (67,8°С)
Т90		166,5°F (74,7°С)

Конец кипения		235,6°F (113,1°С)
Выход		97,1 вес.%
Остаток		1,2 вес.%
Потери		2,9 вес.%
DVPE	ASTM D5191	14,69 psi (1 атм.)
Свинец	ASTM D3237	<0,01 г/л (<2,64 х 10’³ г/л)
Октановое число по ис- следоват. методу	ASTM D2699	93,5
Октановое число по моторному методу	ASTM D2700	84,4
(R+M)/2 (антидетонационный индекс)	ASTM D4814	89,0
Коррозия медная пластинка	ASTM D130	1A	3 ч 1 22°F (50°С)
Смолы (после промывки)	ASTM D381	< 1 мг/100 мл
Сера	ASTM D2622	123 ppm
Фосфористые соединения	ASTM D3231	<0,004 г/л (<1,05 х 10’³ g/1)
Окислительная стабильность	ASTM D525	105 мин
Кислородсо- держащие	ASTM D4815
Этанол		25,0 об. %
Кислород	ASTM D4815	9,28 вес.%
Бензол	ASTM D3606	0,18 об.%
V/L 20	CALCU- LATED	101°F
Докторская проба	ASTM D4952	Положительно
Ароматика	ASTM D1319	0,51 об.%
Олефины	ASTM D1319	2,6 об.%
Меркаптанная сера	ASTM D3227
Толерантность к воде	ASTM D4814	< -65°С
Теплосодер- жание	ASTM D3338	18,776 BTU/1b (43,673 кДж/кг)

Предпочтительная летняя композиция содержит около 27,5 объемных процентов пентанов плюс, около 55 объемных процентов этанола и около 17,5 объемных процентов МТГФ. Характеристика композиции приведена в следующей таблице:

Тест	Метод	Результат	Условия
Вес API	ASTM D4052	58,9	60°F (15,6°C)
Перегонка	ASTM D86
Начало кипения		103,5°F (39,7°С)
Т10		128,2°C (54,4°С)
Т50		163,7°F (73,2°С)
Т90		169,8°F (76,6°C)
Конец кипения		175, 0°F (79,4°С)
Выход		99,0 вес.%
Остаток		0,6 вес.%
Потери		0,4 вес.%
DVPE	ASTM D5191	8,05 psi (0,5 атм.)
Свинец	ASTM D3237	<0,01 г/л (<2,64 х 10’³ г/л)
Октановое число по ис- следоват. методу	ASTM D2699	1 00,5

Октановое число по моторному методу	ASTM D2700	85,4
(R+M)/2 (антидетонационный индекс)	ASTM D4814	93,0
Коррозия медная пластинка	ASTM D1 30	1A	3 ч 1 22°F (50°С)
Смолы (после промывки)	ASTM D381	1,6 мг/100 мл
Сера	ASTM D2622	24 ppm
Фосфористые соединения	ASTM D3231	<0,004 г/л (<1,05 х 10’³ g/1)
Окислительная стабильность	ASTM D525	150 мин
Кислородсо- держащие	ASTM D4815
Этанол		54,96 об. %
Кислород	ASTM D4815	19,98 вес.%
Бензол	ASTM D3606	0,22 об.%
V/L 20	CALCU- LATED	126°F (52,2°С)
Докторская проба	ASTM D4952	Положительно
Ароматика	ASTM D1319	0,20 об.%
Олефины	ASTM D1319	0,15 об.%
Меркаптанная сера	ASTM D3227	0,0008 вес.%
Толерантность к воде	ASTM D4814	< -65 °С
Теплосодер- жание	ASTM D3338	18,793 BTU/1b (43,713 кДж/кг)

Наиболее предпочтительна зимняя смесь, содержащая около 16 объемных процентов пентанов плюс, около 47 объемных процентов этанола, около 26 объемных процентов МТГФ и около 11 объемных процентов н-бутана. Характеристика смеси приведена в следующей таблице.

Тест	Метод	Результат	Условия
Вес API	ASTM D4052	51,6	60°F (15,6°С)
Перегонка	ASTM D86
Начало кипения		83,7 °F (28,7°С)
Т10		109,7°F (43,2°С)
Т50		165,2°F (74,0°C)
Т90		168,7°F (75,9°С)
Конец кипения		173,4°F (78,5°С)
Выход		97,9 вес.%
Остаток
Потери		2,1 вес.%
DVPE	ASTM D5191	14,61 psi (1 атм.)
Свинец	ASTM D3237	<0,01 г/л (<2,64 х 10'³ г/л)
Октановое число по ис- следоват. методу	ASTM D2699	101,2
Октановое число по моторному методу	ASTM D2700	85,4
(R+M)/2 (антидетонационный индекс)	ASTM D4814	93,3
Коррозия медная пластинка	ASTM D1 30	1A	3 ч 1 22°F (50°С)

Смолы (после промывки)	ASTM D381	1 мг/100 мл
Сера	ASTM D2622	111 ppm
Фосфористые соединения	ASTM D3231	<0,004 г/л (<1,05 х 10’³ g/1)
Окислительная стабильность	ASTM D525	210 мин
Кислородсо- держащие	ASTM D4815
Этанол		47,0 об. %
Кислород	ASTM D4815	16,77 вес.%
Бензол	ASTM D3606	0,04 об.%
V/L 20	CALCU- LATED
Докторская проба	ASTM D4952	Положительно
Ароматика	GC-MSD	0,17 об.%
Олефины	ASTM D1319	0,85 об.%
Меркаптанная сера	ASTM D3227
Толерантность к воде	ASTM D4814	< -65°С
Теплосодер- жание	ASTM D3338	18,673 BTU/1b (43,433 кДж/кг)

Из вышесказанного следует, что настоящее изобретение дает возможность получить альтернативный моторный бензин, по существу, свободный от продуктов сырой нефти, который можно использовать в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием при их небольшой модификации, и сократить потери топлива с испарением. Композиция по настоящему изобретению содержит менее 0,1% бензола, менее 0,5% ароматики, менее 0,1% олефинов и менее 10 ppm серы. Следующие примеры иллюстрируют изобретение, но не ограничивают его объема. Если не указано иное, все части и проценты являются объемными и все температуры указаны в градусах Фаренгейта.

Пример 1.

Готовят топливную композицию смешением 40 объемных процентов газового бензина, производства Daylight Engineering, Elber-field, IN, 40 объемных процентов этанола 200 производства Pharmco Products, Inc., Brookfield, CT, и 20 объемных процентов МТГФ, купленного у Quaker Oats Chemical Company, West Lafayette, IN. Два литра этанола предварительно смешивают с одним литром МТГФ для того, чтобы предотвратить потери этанола за счет испарения при контакте с газовым бензином. Чтобы минимизировать потери при испарении, перед смешением этанол и МТГФ предварительно охлаждают до 40°F (44°C).

В смесительную цистерну добавляют газовый бензин, также охлажденный до 40°F, чтобы сократить потери при испарении. Смесь этанола и МТГФ подмешивают к газовому бензину. Смесь осторожно перемешивают пять секунд до получения однородной гомогенной смеси.

Состав газового бензина был определен путем анализа на Inchcape Testing Services (Caleb-Brett) of Linden, N.J. Было найдено, что он состоит из следующих компонентов:

Бутан

Изопентан н-Пентан

Изогексан н-Гексан

Изогептан н-Гептан

Бензол

Толуол

Не найден 33 об.% об.% об.% об.% об.% об.% <1 об.% <0,5 об.

Таким образом, указанный продукт, определяемый Daylight Engineering как «газовый бензин», соответствует определению пентанов плюс согласно Gas Processor's Association's, также как и определению пентанов плюс в настоящем изобретении.

Моторное топливо было испытано на Chevrolet Caprice Classic 1984 с 350 CID V-8 двигателем и четырехбаррельным карбюратором (VIN IGIAN69H4EX149195). Карбюраторный двигатель был выбран так, чтобы регулировать холостую работу без электронного вмешательства. С помощью электроники измеряли содержание кислорода в выхлопе, давление воздуха в магистралях, температуру охлаждающей жидкости, а также управляли положением дросселя. Тесты на загрязнения выполнялись при двух крайних положениях дросселя - при высокоскоростных холостых оборотах (малый газ) (1950 об/мин) и замедленных холостых оборотах (малый газ) (720 об/мин). Выделение ТНС (углеводородов), СО (монооксида углерода), кислорода и СО₂ (двуокиси углерода) с выхлопами записывали с помощью палочкового четырехгазового анализатора.

Был испытан двигатель, и сломанные вакуумные линии были заменены. Обороты холостого хода и зажигание регулировали в соответствии со спецификацией изготовителя. Равномерность искровых характеристик указывает на отсутствие проблем с разъемами и проводкой. Вакуумные магистрали имеют устойчивый вакуум, составляющий от 20 дюймов (51 см) до 21 дюйма (53 см), что указывает на отсутствие проблем с поршневыми кольцами и впускными и выпускными клапанами.

Тест проводился в районе Нью-Йорка, где обычный бензин отсутствует в розничной продаже. Поэтому сравнение было проведено не с «базовым бензином», как это указано в Clean Air Act, а с очищенным топливом, обладающим более полным сгоранием. Для указанной выше топливной композиции были проведены тесты на выделяющиеся вещества в сравнении с SUNOCO 87-октановым риформинг-бензином, купленным в розничной продаже на станции техобслуживания. Тесты выполнялись на одинаковых двигателях, в один день с разницей во времени в один час один от другого. Три теста включали: 1 ) тесты на выделение углеводородов (ТНС) и моноокиси углерода (СО) на скоростном и замедленном холостом ходу, 2) расход топлива на скоростном холостом ходу и 3) 2,7 мильный (4,3 км) дорожный тест на экономию топлива и приемистость. Результаты приведены в следующей таблице.

Время дня	Холостая скорость (об/мин)	Топливо	ТНС (ррт)	СО(%)
09:46	720	Sunoco-87	132	0,38
09:54	720	Sunoco-87	101	0,27
09:55	1950	Sunoco-87	132	0,61
10:42	700	NGLs/этанол	76	0,03
10:44	720	NGLs/этанол	65	0,02
10:48	1900	NGLs/этанол	98	0,01

Следует отметить, что в штате Нью Джерси требования к выделяемым веществам составляют для моделей 1981 года: ТНС < 220 ppm и СО < 1,2 процента.

Двигатели работали на скоростном холостом ходу (1970 об/мин) приблизительно семь минут. Для указанной выше композиции расход топлива составил 650 мл за 6 мин и 30 с (100 мл/мин). Расход топлива для риформинг-бензин а составил 600 мл за семь минут (86 мл/мин). 2,7 мильный (4,3 км) дорожный тест не показал существенной разницы в экономии топлива 900 мл для указанной выше композиции и 870 мл для риформинг-бензина).

По сравнению с риформинг-бензином указанная выше композиция снижает выделение СО в 10 раз и уменьшает выделение ТНС на 42%. При скоростном холостом испытании экономия указанной выше топливной композиции была на 1 4% выше, чем для риформинг-бензина. Во время дорожных испытаний существенной разницы в приемистости не обнаружено. При ускорении стук двигателя выше при работе на риформинг-бензине.

Из сказанного выше следует, что топливная композиция настоящего изобретения может использоваться в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Композиция настоящего изобретения дает меньшее выделение СО и ТНС, чем при работе на риформингбензине, имеет более полное сгорание, чем базовый бензин и при этом разница в экономии топлива незначительна.

Пример 2.

По примеру 1 была приготовлена летняя топливная смесь, содержащая 32,5 объемных процентов газового бензина (Daylight Engineering), 35 объемных процентов этанола и 32,5 объемных процентов МТГФ. По примеру 1 была приготовлена также зимняя топливная композиция, содержащая 40 объемных процентов пентанов плюс, 25 объемных процентов этанола, 25 объемных процентов МТГФ и 1 0 объемных процентов н-бутана. Наряду с ними испытывалось топливо Ed.85 (E85), предшествующее известное альтернативное топливо, содержащее 80 объемных процентов чистого этилового спирта 200 и 20 объемных процентов индолена, указанного в 40 C.F.R. — $ 86 ЕРА тестовой топливной сертификации и полученного от Sunoco of Marcus Hook, Пенсильвания. E85 готовили в соответствии с методом, описанным в примере 1 . Три топлива и в качестве контроля индолен испытывались на 1996 Ford Taurus GL sedan ethanol Flexible Fuel Vehile (автомобиль многотопливного типа) (VIN IFALT522X5 G195580) с полностью прогреваемым двигателем. Тесты на выделяемые вещества проводились в соответствии с Compliance and Research Services, Inc. of Linden, Нью Джерси.

На автомобиль был установлен динамометр марки Clayton Industries, Inc., Model ECE50. На динамометре была установлена нагрузка 3,750 1bs. (1,700 кг). Выхлопные газы анализировали на газовом анализаторе Horiba Instruments, Inc. Model CVS-40. Углеводороды (ТНС) анализировали с помощью пламенноионизационного детектора (FID) Horiba Model FIA-23A. Моноокись углерода (СО) и двуокись углерода (ί'Ό₂) определяли с помощью недисперсионного инфракрасного детектора Horiba Model ALA-23 (NDIR). Идентификация углеводородов проводилась на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором FID производства Perkin Elmer Inc. Использовалась газохроматографическая колонка 100м х 0,25 мм х 0,50 микрон Petrocol DH.

Использовалось тестирующее оборудование 1984 года.

В следующей таблице приведена сумма всех выделяемых веществ прямо из выхлопной магистрали (перед каталитическим преобразователем) в процентах снижения ТСН и СО для каждой топливной смеси по отношению к индолену.

Обороты двигателя	МРН (км/час)	ТНС (зимнее)	СО (зимнее)	ТНС (летнее)	СО (летнее)	ТНС (Е85)	СО (Е85)
1500	30(48)	-27±23	n. s.	-45±25	n. s.	-42±23	n. s.
2000	41(66)	-35±23	n. s.	-47±31	n. s.	-45±29	n. s.
2500	51(82)	-37±10	n. s.	-53±11	n. s	-43±11	n. s.
3000	61(98)	-65±18	-71±18	-68±14	-73±13	-50±20	-48±23
3500	67(107)	-71±21	-71±46	-74±21	-76±47	-54±18	-46±41

n. s. = незначительные вариации

Топливные композиции сгорали преимущественно также как и индолен при низких оборотах двигателя и значительно лучше при 2500 об/мин и выше. В большинстве случаев топливные композиции сгорали также полно как и Е85 или полнее чем Е85.

Существенной чертой автомобиля Ford Taurus Flexible Fuel Vehicle является возможность выбирать подходящее соотношение воздух-топливо для любой используемой топливной смеси. При этом внешне автомобиль не модифицируется. Электронный эмиссионный компьютер и датчик топлива показали, что при испытании соотношение воздух-топливо было следующее:

Индолен	14,6
Зимняя смесь	12,5
Летняя смесь	11,9
Е85	10,4
Приведенные примеры и	описание пред-

почтительных осуществлений изобретения следует воспринимать как иллюстрацию, не ограничивающую настоящее изобретение, указанное в формуле изобретения. Ясно, что возможно множество комбинаций и вариаций осуществления без отклонения от настоящего изобретения, указанного далее в формуле изобретения. Имеется в виду, что все такие модификации охвачены нижеследующими пунктами формулы изобретения.

Claims

1. Композиция моторного топлива с искровым зажиганием, преимущественно состоящая из

- углеводородного компонента, преимущественно состоящего из одного или более углеводородов, выбранных из группы, состоящей из алканов с прямой или разветвленной цепью, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов, где указанный углеводородный компонент имеет минимальный антидетонационный индекс 65, измеренный в соответствии с (ASTM) D-2699 и D-2700 (Американское Общество по испытанию материалов) и максимальное давление сухого пара (DVPE) 15 psi (одна атмосфера), измеренное в соответствии с ASTM D5191;

- моторного спирта; и

- сорастворителя для углеводородного компонента и моторного спирта; где углеводородный компонент, моторный спирт и сорастворитель присутствуют в количествах, эффективно обеспечивающих моторному топливу минимальный антидетонационный индекс 87, измеренный в соответствии с ASTM D-2699 и D2700, и где топливная композиция преимущественно свободна от олефинов, ароматики и серы.

2. Топливная композиция по п. 1 , где углеводородный компонент преимущественно состоит из одного или более углеводородов, выбранных из углеводородов газового бензина или каменноугольного газового бензина.

3. Топливная композиция по п.1, где углеводородный компонент преимущественно состоит из газового бензина или пентанов плюс.

4. Топливная композиция по п.1, где углеводородный компонент включает н-бутан и углеводородный компонент, моторный спирт и сорастворитель присутствуют в количестве, эффективном для создания DVPE между около 1 2 psi (0,8 атм) и около 15 psi (1 атм).

5. Топливная композиция по п.1, где моторным спиртом является этанол или метанол.

6. Топливная композиция по п.1, где сорастворителем является насыщенное пятисемиатомное гетероциклическое кольцевое соединение, которое преимущественно является алкилзамещенным.

7. Топливная композиция по п.6, где сорастворителем является 2-метилтетрагидрофуран (МТГФ) или 2-этилтетрагидрофуран (ЭТГФ).

8. Топливная композиция по п.6, где кольцевым гетероатомом является кислород.

9. Топливная композиция по п. 1, где углеводородный компонент преимущественно состоит из одного или более углеводородов, выбранных из углеводородов газового бензина, моторный спирт включает этанол, и сорастворителем является МТГФ.

10. Топливная композиция по п.9, включающая между около 10 до около 50 объемных процентов углеводородов газового бензина, между около 25 до около 55 объемных процентов этанола, между около 15 до около 55 объемных процентов МТГФ и между 0 до приблизительно 1 5 объемных процентов н-бутана.

11. Топливная композиция по п. 1 0, содержащая от около 25 до около 40 объемных процентов пентанов плюс, от около 25 до 40 объемных процентов этанола, от около 20 до 35 объемных процентов МТГФ и от 0 до приблизительно 1 0 объемных процентов н-бутана.

1 2. Топливная композиция по п. 1 , имеющая минимальный антидетонационный индекс 89,0, предпочтительно 92,5.

1 3. Способ снижения давления паров углеводородно-спиртовой смеси, включающий смешение спирта и углеводородного компонента с таким количеством сорастворителя для спирта и углеводородного компонента, чтобы полученная тройная смесь имела давление сухого пара меньше, чем давление сухого пара для бинарной смеси спирта и углеводородного компонента, где углеводородный компонент состоит, преимущественно, из одного или более углеводородов, выбранных из группы, состоящей из алканов с прямой или разветвленной цепью, содержащих от четырех до восьми углеродных атомов, и где тройная смесь преимущественно свободна от олефинов, ароматики и серы.

14. Способ по п. 13, где спирт, углеводороды и сорастворитель присутствуют в количестве, обеспечивающем моторному топливу минимальный антидетонационный индекс 87, изме21 ренный в соответствии с ASTM D-2699 и D2700 и максимальное DVPE 15-psi (1 атм).

15. Способ по п.13, где углеводороды и сорастворитель перед их смешением со спиртом предварительно смешивают.

16. Способ по п.13, где углеводороды включают пентаны плюс, спирт включает этанол, и сорастворителем является МТГФ.

17. Способ по п.13, где углеводородный компонент преимущественно состоит из одного или более углеводородов, выбранных из группы, состоящей из газового бензина и углеводородов каменноугольного газового бензина.