FI74726B - Foergasarbraensle. - Google Patents

Description

74726

Kaasutinpolttoaine

Keksintö koskee korkea-arvoisia kaasutinpolttoaineita, jotka korkeiden oktaanilukujensa ansiosta vähentävät hiilivetyjen, hiilimonoksidin ja varsinkin typpioksidien pitoisuuksia sellaisten polttomoottorien pakokaasuissa, joiden sytytys tapahtuu ulkoisen virtalähteen avulla. Keksinnön mukaisilla polttoaineilla saavutetaan sellaisia oktaanilukuja, jotka tekevät mahdolliseksi lyijylisäyksestä luopumisen.

Keksinnön mukaisille polttoaineille on lisäksi ominaista se, että niiden avulla saavutetaan alempia samepisteitä, suurempi hapettumisstabiliteetti ja ominaisenergiankulutuk-sen väheneminen.

Moottorin tehon kohottamiseen, joka vähentää polttoaineen ominaiskulutusta, vaikuttaa puristussuhde erittäin paljon. Tästä aiheutuva moottorin nakutustaipumus pitää ottaa huomioon polttoaineen oktaanilukua kohottamalla. Tästä syystä lisätään polttoaineeseen nakutuksenestoaineita varsinkin lyijyalkyylejä, alkyyliatbentsiiniä tai aromaattisia hiilivetyjä. Tähän liittyvä korkea pakokaasukuormitus on epäedullista. Lyijy-yhdisteiden myrkyllisten palamistuotteiden ohella on havaittavissa typpioksidipitoisuuksien kasvu, joka perustuu polttokammion korkeaan lämpötilaan. Jos lyijypitoisuutta halutaan pienentää, voidaan oktaanilukua säätää nostamalla lisättyjen aromaattisten yhdisteiden määrää. Osa aromaattisista aineista voidaan korvata lisäämällä oktaanilukua kohottavia isoparaffiinejä, joita sisältyy paljon alkyyliatbentsiiniin.

Vahingollisten aineiden, varsinkin typpioksidien määrän vähenemistä ei näin kuitenkaan saavuteta.

2 74726

Edelleen on tunnettua, että metanolia lisäämällä voidaan kohottaa oktaanilukua ja vähentää pakokaasukuormitusta.

Jos ulkoisen virtalähteen avulla sytytettyä polttomoottoria halutaan käyttää sellaisella kaasutinpolttoaineella, joka sisältää yli 5 tilavuus-% metanolia, pitää tällaisilla moottoreilla varustetut kulkuvälineet varustaa metano-lille vastustuskykyisillä tiivistemateriaaleilla. Kun lisätään oleellisesti yli 5 tilavuus-% metanolia, tulee kuvaan mukaan hyvin pahana haittapuolena se, että vaihdeltaessa ajoa metanolihiilivetyseoksen ja puhtaan hiilivetyseoksen välillä pitää nykyisissä kaasutin- ja suihkutuslaitteissa säätää ilma-polttoainesuhde sellaiseksi, että puhtaalla hiilivedyllä ajettaessa pysytellään sallituissa pakokaasun sisältämien haitallisten aineiden rajoissa. Tälle ilma-polttoainesuhteelle säädetty, ulkoisen virtalähteen avulla sytytetty polttomoottori ei sellaisella metanolipolttoai-neella, joka sisältää yli 5 tilavuus-% metanolia, enää voi saavuttaa maksimaalista tehoa.

On myös tunnettua sekoittaa polttoaineeseen metyyli-tert.-butyylieetteriä tai metyyli-tert.-amyylieetteriä. Haitallista on se, ettei näitä komponentteja voida yksin lisätä mielivaltaisia määriä, koska tällöin polttomoottoreille ei saavuteta DIN 51 600:ssa ja muissa kansainvälisissä normeissa määriteltyä haihtuvuuskäyttäytymistä.

Nyt käsillä olevan keksinnön avulla vältetään mainitut haittapuolet ja tehdään mahdollisiksi uudet tekniset ratkaisut. Tämän keksinnön tarkoituksena on ollut löytää sellaisia aineyhdistelmiä, jotka sopivat lyijyä sisältävien tai lyijyä sisältämättömien, ulkoisen virtalähteen avulla sytytettyjen polttomoottorien kaasutinpolttoaineiden valmistukseen, pienentävät ominaisuenergiankulutusta ja polttoaineen omi-naiskulutusta sekä omaavat korkean oktaaniluvun sekä paremman pakokaasulaadun.

3 74726

Keksinnön mukainen kaasuntinpolttoaine koostuu hiilivety-pitoisesta perusaineosasta ja 2-65, mielellään 10-30 tilavuusprosentista eetteriseosta. Hiilivetyjä sisältävä peruskomponentti voi olla esim. mikä tahansa hiilivetyseosten jalostuksessa syntyvä, myös happiyhdisteitä sisältävä seos, jolla on sopiva kiehumiskäyttäytyminen. Erityisesti sopii perusaineosaksi myös sellainen hiilivetypitoinen seos, esim. "straight run"-bentsiini, jota sellaisenaan tai muita komponentteja kuin tämän keksinnön mukaista eetteriseosta lisäämättä ei voida saada ohjeiden mukaiseksi kaasutinpolttoai-neeksi.

Eetteriseos sisältää useita polttoaineen laatua parantavia aineosia, joita ovat metyyli-tert.-butyylieetteri, isopro-pyyli-tert.-butyylieetteri ja sek.-butyyli-tert.-butyylieetteri. Määräsuhteet määräytyvät tiettyjen peruskomponenttien rajojen sisällä. Ne ovat jokaiselle mainituista kolmesta eetteristä välillä 0-90 tilavuus-% lisätyn eetterin kokonaismäärästä, metyyli-tert.-butyyli-eetteriä mielellään 5-35 tilavuus-%, isopropyylieetteriä ja sek.-butyyli-tert.-butyylieetteriä mielellään 5-40 tilavuus-%. Erittäin edullisia ovat sellaiset lisäykset, joissa tilavuussuhde metyyli-tert .-butyylieetteri:isopropyyli-tert.-butyylieetteri:sek.-butyyli-tert.-butyylieetteri on noin 1:1:1.

Oktaaniluvun paraneminen ja hiilivetyjen ja typpioksidien määrän väheneminen pakokaasuussa ovat riippumattomia peruskomponenttina käytetyn hiilivetyjakeen koostumuksesta, kun kaasutinpolttoaineet sisältävät keksinnön mukaisia lisäaineita. Lisäksi voivat näin kokoonpannut kaasutinpolttoaineet sisältää myös lisäaineita, kuten alkoholeja, esim. etyylialkoholia ja/tai lyijyalkyylejä. Erityisesti käytetään eet-teriseoksen ohella keksinnön mukaisesti tert.-butanolia, sek.-butanolia, isopropanolia ja metanolia. Lisäaineseos voi sisältää jopa 50 tilavuus-% mainittuja alkoholeja.

4 74726 Tällöin ei eetteri-alkoholilisäaineen metanolipitoisuus saa olla yli 15 tilavuus-% eikä isopropanolipitoisuudesta, sek.-butanolipitoisuudesta ja tert.-butanolipitoisuudesta mikään saa olla yli 20 tilavuus-% lisätyn eetterialkoholiseoksen määrästä. Edullinen tilavuussuhde isopropanoli:isopropyy- li-tert.-butyylieetteri on 1:4 - 1:10 ja sek.-butanoli:sek.-butyyli-tert.-butyylieetteri on 1:5 - 1:20.

Keksinnön mukaisella polttoaineen lisäaineella saavutetaan kaiken kaikkiaan paremmin säädelty polttoaineen palaminen, joka taas johtaa parempaan taloudellisuuteen ja tehoon sekä pakokaasun pienempään haitallisten aineiden pitoisuuteen. Erityinen etu liittyy siihen, että nykyään palamisen säätöön lisätyistä lyijy-yhdisteistä voidaan luopua. Kun käytetään keksinnön mukaisia eetteri- tai eetteri-alkoholi-seoksia, saavutetaan happipitoisten komponenttien tasainen jakautuminen polttoaineen koko kiehumisalueella niin, että nämä edut voidaan taata moottorin kaikissa käyttötiloissa, kuten käynnistyksessä, kiihdytyksessä, tyhjäkäynnissä jne. Sitäpaitsi voidaan näillä aineosilla välttää ylikuumenemis-tilat, jotka aiheuttavat materiaalivahinkoja polttokammios-sa, ja tämän lisäksi esiintyy jopa huomattava lämpötilanlas-ku verrattuna nykyään käytössä olevien kaasutinpolttoainei-den käyttöön.

Vaikka tähän mennessä käytetty aineosa - metyyli-tert.-butyylieetteri - kohottaa oktaanilukua vain rajoitetussa määrin ilman lyijy-yhdisteiden läsnäoloa, ilmenee tämän keksinnön mukaisten eetteri- tai eetteri-alkoholi-seosten läsnäollessa väkevyyden mukana tapahtuva oktaaniluvun kohoaminen myös silloin, kun lyijy-yhdisteitä ei lisätä lainkaan. Saavutettu oktaaniluvun kohoaminen ja pakokaasun sisältämien vahingollisten aineiden väheneminen voidaan todeta vertailukokeiden perusteella.

Keksinnön mukaisesti voidaan valmistaa kaasutinpolttoaine, 74726 5 jolla on niin korkea oktaaniluku, että moottoreita voidaan käyttää sellaisilla puristussiteillä, jotka ylittävät selvästi tällä hetkellä sarjavalmisteisten moottorien puris-tussuhteet. Kun puristussiteet ovat esim. 12:1 - 14:1, vähenee polttoaineen ominaiskulutus huomattavasti ja samalla myös pakokaasun ja vahingollisten aineiden määrä.

Vielä eräs positiivinen vaikutus pakokaasun vähenemisessä saavutetaan sillä, että keksinnön mukaiset kaasutinpolt-toaineet voidaan valmistaa ilman lyijyä, ja näin voidaan tunnetut toimenpiteet pakokaasun jälkipolton suorittamiseksi katalyyttien avulla suorittaa taloudellisesti edullisesti. Käyttökelpoiset jälkipolttokatalyytit tunnetusti deakti-voituvat lyijyn vaikutuksesta, joten niiden elinikä on lyhyt ja ne ovat siis epätaloudellisia lyijypitoisten polttoaineiden käytön yhteydessä. Eetteri- tai eetteri-alkoholi-seosten käyttö on edullisempaa verrattuna vain yhden eetterin käyttöön ja varsinkin verrattuna vain metyyli-tert.-butyylieetterin käyttöön varsinkin silloin, kun valmistetaan keksinnön mukaisia lyijyttömiä polttoaineita. Kuten vertailu-kokeet osoittavat, alenevat saavutettavissa olevat suhteelliset oktaaniluvun kohoamiset, jotka ilmaistaan sokkoarvoi-na (Blendwert), esim. moottorioktaaniluku, mitä enemmän pelkkää metyyli-tert.-butyylieetteriä lisätään. Kun lisätään vain isopropyyli-tert.-butyylieetteriä ja/tai sek.-bu-tyyli-tert.-butyylieetteriä kasvavat suhteelliset oktaaniluvun kohoamiset, samoin sokkoarvoina ilmaistuna, pitoisuuden kasvaessa. Kun käytetään keksinnön mukaisia eetteri-alkoholiseoksia, kasvavat saavutettavissa olevat oktaaniluvun kohoamiset jatkuvasti perusaineosaan lisätyn määrän mukana.

Kun lisätään suuria määriä yhtä eetteriä, vaikutetaan myös haihtumiskäyttäytymiseen. Näin pelkkää metyyli-tert.-butyylieetteriä lisättäessä kohoaa alhaisissa lämpötiloissa höy- 6 74726 irystyvä osuus luvattoman voimakkaasti, mikä tilanne voi nykyisten, kaasuttimilla varustettujen moottorien kohdalla johtaa häiriöihin. Kun lisätään keksinnön mukaista seosta, bentsiinin oktaaniluku sitävastoin kohoaa ja pakokaasun sisältämä vahingollisten aineiden määrä laskee ilman, että esiintyy tällaisia häiriöitä. Syy tähän löytyy keksinnön mukaisten seosten paremmasta höyrystymiskäyttäytymisestä: eetteri-alkoholiseosten kiehumiskäyrä ulottuu laajemmalle alueelle (55-115°C). Tämä on erityisen tärkeätä sellaisten kaasutinpolttoaineiden kohdalla, joita käytetään kesällä tai kuumissa maissa.

Keksinnön mukaisten polttoaineiden varastoinnin kannalta on tärkeätä, että eetteri- tai eetteri-alkoholiseoksen lisäys parantaa polttoaineen hapettumisenkestävyyttä.

Keksinnön mukaiset polttoaineet eivät vaikuta syövyttävästä polttoainesäiliöön, moottoreihin, käytettyihin metallisiin työkaluihin, muoviosiin tai tiivistemateriaaleihin. Toinen myönteinen ominaisuus muihin happea sisältäviin aineosiin, kuten metanoliin ja etanoliin verrattuna, on parempi vedensitorniskyky ja liuotinkäyttäytyminen. Näin vältetään pienten vesimäärien aiheuttama faasien erottuminen ja saavutetaan hyvin alhaisia samepisteitä.

Keksinnön mukaiset polttoaineet osoittavat erittäin hyvää moottorikäyttäytymistä. Ne tekevät mahdolliseksi sytytyksen säätämisen aikaisemmaksi verrattuna tällä hetkellä markkinoilla oleviin polttoaineisiin. Näin voidaan keksinnön mukaisilla polttoaineilla saavuttaa korkeampia tieoktaani-lukuja kuin nykyisillä polttoaineilla.

Esimerkit;

Aineosat sekoittamalla valmistettiin eetteriseos 7 74726 1. 33,3 tilavuus-% metyyli-tert.-butyylieetteriä 33.3 tilavuus-% isopropyyli-tert.-butyylieetteriä 33.3 tilavuus-% sek.-butyyli-tert.-butyylieetteriä.

ja eetteri-alkoholiseos 2. 28,3 tilavuus-% metyyli-tert.-butyylieetteriä 28.3 tilavuus-% isopropyyli-tert.-butyylieetteriä 28.3 tilavuus-% sek.-butyyli-tert.-butyylieetteriä 5 tilavuus-% metanolia 5 tilavuus-% isopropanolia 5 tilavuus-% sek.-butanolia joista käytetään merkintöjä Bl ja B2 seuraavien vertailu-kokeiden tulosten esittelyssä.

95, 90 ja 80 tilavuusosaan kaasutinpolttoaineen perusaine-osaa (GK1) sekoitettiin vastaavasti erikseen 5, 10 ja 20 tilavuusosaa kutakin keksinnön mukaisesti käytettyä eetteriä metyyli-tert.-butyylieetteriä (MTB), isopropyyli-tert.-butyylieetteriä (PTB) ja sek.-butyyli-tert.-butyylieetteriä (BTB). Perusaineosa oli maaöljyn jalostuksessa saatu hiilivetyseos, jota käytetään superpolttoaineen valmistukseen, ja jonka moottorioktaaniluku (MOZ) oli 84 ja tutki-musoktaaniluku (ROZ) 93, ilman lyijylisäystä.

CFR-koemoottorin avulla mitattiin yksittäisten seosten MOZ-arvot ilman lyijynlisäystä ja lisäämällä 0,15 g lyijyä per litra (+ Pb), ja näistä sekä perusaineosan MOZ-arvois-ta laskettiin puhtaiden eetterien MOZ-arvot (sokkoarvo) olettamalla, että riippuvuus on lineaarinen. Taulukon 1 tulokset osoittavat, kuinka metyyli-tert.-butyylieetterin MOZ-sokkoarvo laskee voimakkaasti määrän kasvaessa, kun taas isopropyyli-tert.-butyylieetterin sekä sek.-butyyli-tert. -butyylieetterin MOZ-sokkoarvot kasvavat.

8 74726

Taulukko 1

Polttoaine MOZ;n sokkoarvo ROZ;n sokkoaryo +Pb 95 GKl + 5 MTB 104 103 90 GKl + 10 MTB 100 103 80 GKl + 20 MTB 99 103 95 GKl + 5 PTB 100 108 90 GKl + 10 PTB 104 111 80 GKl + 20 PTB 105 112 95 GKl + 5 BTB 92 106 90 GKl + 10 BTB 94 105 80 GKl + 20 BTB 97 104

Samalla tavalla valmistettiin seokset käyttämällä 95, 90, 80 ja 50 tilavuusosaa samanlaista perusaineosaa (GK2), jonka MOZ oli 84,5 ja ROZ oli 95, ja vastaavasti 5, 10, 20 ja 50 tilavuusosaa esimerkin 2 mukaista eetterialkoholiseos-ta, lyijyttömien seosten MOZ ja ROZ mitattiin ja lisäaineen sokkoarvot laskettiin. Tulokset on esitetty taulukossa 2.

Taulukko 2

Polttoaine MOZ;n sokkoarvo ROZ;n sokkoarvo 95 GK2 + 5 B2 95 111 90 GK2 + 10 B2 98 113 80 GK2 + 20 B2 99 114 50 GK2 + 50 B2 100 116

Sekä markkinoilla olevan superpolttoaineen (SVK), DIN

51 600, lisätty lyijyä 0,15 g per litra, että juuri kuvatun lyijyttömän perusaineosan (GK2), johon on lisätty keksinnön mukaisia lisäaineita, oktaanilukujen paraneminen on esitetty taulukossa 3.

Taulukko 3 9 74726

Polttoaine MO2 ROZ

100 SVK 88,2 98,2 90 SVK + 10 B1 90,0 99,9 80 SVK + 20 B1 91,8 102,0 80 SVK + 20 B2 91,4 101,8 100 GK2 84,5 95,0 95 GK2 + 5 B2 85,0 95,8 90 GK2 + 10 B2 85,8 96,8 80 GK2 + 20 B2 87,3 98,8 50 GK2 + 50 B2 92,0 105,5

Taulukko 4 osoittaa, että keksinnön mukaisilla lisäaineilla voidaan ilman muuta saavuttaa normin DIN 51 600 (sarake 1) vaatimukset sekä lyijypitoisten (sarake 2) että varsinkin lyijyttömien (sarake 3) seosten ollessa kyseessä. Sitävastoin tämä ei onnistu lisäämällä vain metyyli-tert.-butyyli-eetteriä (sarake 5) esim. "straight run"-bentsiiniin (SR), johon on lisätty butaania (Bu), mutta sitävastoin tästä voidaan valmistaa DIN 51 600-normin täyttävää superpoltto-ainetta, kun lisätään keksinnön mukaisia seoksia (sarake 4).

Taulukko 4 74726 10

Tunnus- DIN 51 600 80,5 GK1 75,2 GK1 40,5 SR 43,5 SR tiedot +19,5 B2 +24,8 B2 +54 B2 +51,5 ΜΓΒ +Pb +5,5 Bu + 5,0 Bu _ ____ +Pb +Pb_

Tiheys 0,735 - 0,740 0,755 0,735 0,733 15°C, 0,780 g/wl Höyryn- Kesä: 0,6- 0,66 0,71 0,66 0,65 paine 0,9 (FWP), Talvi: baaria 0,45-0,7 ROZ 98 99,6 99,8 98,6 98,6 MDZ 88 88,0 88,0 92,6 92,6 Höyrys tyvät osat

Kesä:15-40 38 37'5 27 59'5

Talvi:20-45 100°C, til.-% Kesä :42-65 63 54 63 77,5

Talvi:45-70 180°C, 90 97 95,5 99 99 til.-%

Vesipi toisuus, g/1 - 0,8 1 1,1 0,14

Pakokaasun sisältämien vahingollisten aineiden määrittämiseksi ajettiin 2,0 litran suihkutusmoottoria, jonka puris-tussuhde oli 9,4:1 (Opel-tuote) markkinoilla olevalla superpolttoaineella (DIN 51 600), johon oli lisätty 0,15 g lyijyä litraa kohti, sekä keksinnön mukaisella straight-run-bentsiini-eetteri-alkoholiseoksella. Mittaustulosten vertailukelpoisuuden vuoksi säädettiin pakokaasun hiilimonoksidipitoisuus 2,0 tilavuusprosenttiin. Yksittäiset pako-kaasukuormitukset sekä ominaisenergiankulutus on esitetty yhteenvetona taulukossa 5.

Taulukko 5 11 74726 40,5 SR + 54,0 B2

Mittauskohde_ SVK__+ 5,5 Bu + Pb_ 2000 kier/friin 5000 kier/ftiin 2000 kier/min 5000 kier/min

Hiilimonoksidi, til-% 2,0 2,0 2,0 2,0

Hiilidioksidi, til-% 13,7 14,2 13,05 13,4

Hiilivedyt, ppm 1200 530 810 340

Typpioksidit, ppm 2290 3550 1810 2640

Cminaisenergian- kulutus 12,75 12,88 12,45 12,67 MJ/kWh

Keksinnön mukaisten polttoaineiden edullinen moottorikäyt-täytyminen ilmenee seuraavasta vertailukokeesta: 1,2 litran moottorilla, jonka puristussuhde oli 9:1 (Opel Kadett), ja jonka pakokaasun hiilimonoksidipitoisuus säädettiin joka kerta 2 tilavuusprosenttiin, ajettiin markkinoilla olevalla tavallisella superpolttoaineella (DIN 51 600), johon oli lisätty 0,15 g lyijyä litraa kohti, ja lyijypitoisella sekä lyijyttömällä keksinnön mukaisella polttoaineella. Taulukossa 6 on esitetty keksinnön mukaisten polttoaineiden sytytyspis-teiden erot kampiakselin kulma-asteina (°KW) vertaamalla markkinoilla olevan tavallisen superpolttoaineen suhteen.

Taulukko 6

Kierrosluku Sytytyspisteiden erot (°KW) SVK:n suhteen kier/min 80,5 GKl + 19,5 B2 + Pb 75,2 GK1 + 24,8 B2 2000 + 4,5 + 3,5 3000 + 3,5 + 1,0 4000 + 1,5 + 1,0

Keksinnön mukaisesti käytettyjen eetterien hapettumista stabiloiva vaikutus määritettiin induktioaikana normin DIN 51 780 mukaan käyttämällä markkinoilla olevaa superpoltto-ainetta yksin sekä sekoittamalla siihen metyyli-tert.-butyy- 12 74726 lieetteriä, isopropyyli-tert.-butyylieetteriä ja sek.-butyy-li-tert.-butyylieetteriä, 20 tilavuus-% kutakin. Tulokset on esitetty taulukossa 7.

Taulukko 7

Polttoaine Induktioaika (min) 100 SVK 465 80 SVK + 20 MTB 470 80 SVK + 20 PTB 570 80 SVK + 20 BTB 525

Claims (4)

1. Eetteriä ja mahdollisesti alkoholeja sisältävä kaasu-tinpolttoaine, tunnettu siitä, että se sisältää 2-65 tilavuus-# lisäainetta, joka koostuu a) 5-35 tilavuus-#:sta metyyli-tert.-butyylieetteriä, h) 5-40 tilavuus-#:sta isopropyyli-tert.-butyylieetteriä, c) 5-40 tilavuus-#:sta sek.-butyyli-tert.-butyylieetteriä, d) 0-20 tilavuus-#:sta tert.-butanolia, e) 0-20 tilavuus-#:sta sek.-butanolia, f) 0-20 tilavuus-#:sta isopropanolia, ja g) 0-15 tilavuus-#:sta metanolia, jolloin summa a - g on 100 tilavuus-# ja summa d - g korkeintaan 50 tilavuus-#.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaasutinpolttoaine, tunnettu siitä, että summa d - g on korkeintaan 25 tilavuus-#.

3· Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kaasutinpoltto aine, tunnettu siitä, että se sisältää 10-30 tilavuus-# eetteriseosta.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen kaasutinpolt toaine, tunnettu siitä, että lisäaineessa tilavuussuhde metyyli-tert .-butyylieetteri : isopropyyli-tert.-butyylieetteri: sek.-butyyli-tert.-butyylieetteri on noin 1:1:1.