JPH10504054A - ディーゼル燃料組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 約70〜95重量％のジメチルエーテル、最大約20重量％までのメタノール、および約0.1〜20重量％の水を含んだディーゼル燃料組成物が開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ディーゼル燃料組成物発明の背景 発明の分野 本発明は、一般にはディーゼル燃料組成物に関する。さらに詳細には、本発明 は、ジメチルエーテル、メタノール、および水を含んだディーゼル燃料組成物に 関する。従来技術の説明 石油の精製により製造される従来の炭化水素ディーゼル燃料に代わるものとし て、メタンまたは石炭の転化によって得られる他の液体燃料が1920年代から検討 されている。内燃機関用のこうした代替燃料の１つとしてメタノールが提唱され ている。メタノールは通常、一酸化炭素と水素から製造され、これらは従来より 天然ガスまたは石炭から大量に得られている。一酸化炭素はさらに、農産物、森 林産物、および多くの廃棄物を含めて、殆どあらゆる炭素含有物質から得ること ができる。メタノールを製造するための原料の供給量が多いこと、および分布が 広いことが大きな理由となって、内燃機関用燃料としてのメタノールの使用量が 増大している。しかしながら、メタノールの燃焼熱またはBTU値は極めて低い。 したがって、メタノールを燃料として使用したときには、内燃機関の性能がかな り低下する。 これとは対照的に、ジメチルエーテルはメタノールと比較して高いBTU値をも ち、無毒性である。ジメチルエーテルはさらに、その燃焼ガスが本質的に固体粒 子を含まないクリーン燃焼燃料である。種々の供給源（たとえば天然ガス、石炭 、あるいは実質的に全ての炭素含有物質）から得られる合成ガスから、メタノー ルと水とを組み合わせてジメチルエーテルを製造する多くの方法が開示されてい る。たとえば、ベルらによる米国特許第4,341,069号；ヴァン・ディジク(Van Di jk)らによる米国特許第5,177,114号；ならびに公開ヨーロッパ特許出願第032447 5お よび0409086A1号に開示されている。特に、ヨーロッパ特許出願第0324475および 0409086A1号は、ジメチルエーテル対メタノールの広範囲のモル比を有する、ジ メチルエーテルとメタノールとの混合物を得るために、このような方法において どのようにプロセス条件を制御できるかを開示している。 ジメチルエーテルを製造するための多くの方法では、メタノールおよび／また は水も含んだ生成物混合物(product mixture)中にジメチルエーテルが生成され る。このような生成物混合物中のジメチルエーテルからメタノールと水を除去す るには、追加の処理工程が必要となる。したがって、粗製ジメチルエーテルの精 製に付きものの前記追加処理工程を避けるために、また理想的には、ジメチルエ ーテル、メタノール、および水を含んだ混合物を合成ガスから直接得るためにプ ロセス条件を使用できるよう、このような混合物（言い換えれば、粗製または未 精製のジメチルエーテル）を直接ディーゼル燃料として使用できるのが極めて望 ましい。このように、追加の処理工程（たとえば精製工程）の必要性をなくすか 、あるいは少なくとも最小限に抑えることができ、さらにまた極めて有効で且つ 経済的な代替ディーゼル燃料を生成させることができる。 さらに、ジメチルエーテルとメタノールとの混合物、ジメチルエーテル、メタ ノール、および水の混合物、あるいはジメチルエーテルとセタン価向上剤との混 合物を含んだディーゼル燃料についての多くの開示物がある。たとえばドイツ特 許第654,470号(1937)は、５〜45％のメタノール（したがって55〜95％のジメチ ルエーテル）を含有した、ジメチルエーテルとメタノールとの混合物を開示して おり、該混合物では、ジメチルエーテルがスパーク点火エンジンにおいてノッキ ングしやすいことによる過剰なペナルティを避けつつ、ジメチルエーテルのもつ 比較的高い燃焼熱を利用することができる。 さらに、ノートンによる米国特許第4,422,412号は、“最大約50％までの、た とえば約５〜30％”のジメチルエーテルを含有した、ジメチルエーテルとメタノ ールと水との混合物を含有したディーゼル燃料組成物を開示している。本混合物 は、その出口が内燃機関のシリンダーと連通している反応器において、メタノー ルのジメチルエーテルと水への触媒転化によって得られる。 さらに、ノートンらによる米国特許第4,603,662号は、少なくとも１種のエー テルと少なくとも１種のアルコールと、それに必要に応じて、たとえば水やセタ ン価向上剤等のさらなる成分（燃料中のエーテルの５〜80容量％、より一般的に は５〜20容量％）との混合物を含有するディーゼル燃料組成物を開示している。 該特許は、ジメチルエーテルとメタノールとの組合せ物を含有した燃料が特に適 切な燃料であることを開示しており、（ａ）実施例１と３において95容量％のメ タノールと５容量％のジメチルエーテルとを含んだブレンドとの組合せを、そし て（ｂ）実施例5.1において78容量％のメタノールと20容量％のジメチルエーテ ルとを含んだブレンドとの組合せを具体的に挙げている。該特許はさらに、少な くとも50％のエーテルを含有した、以下のようなアルコールとエーテルとのブレ ンドも挙げている：（ａ）実施例5.9における80％のイソアミルエーテルと20％ のメタノールとのプレンド；（ｂ）実施例6.2における60％のジ−ｎ−プロピル エーテルと40％のメタノールとのブレンド；および（ｃ）実施例6.5における60 ％のジ−ｎ−ブチルエーテルと40％のメタノールとのブレンド。 レビンによる米国特許第4,892,561号は、95〜99.9重量％のジメチルエーテル と0.1〜５重量％のセタン価向上剤とを含有した第１のディーゼル燃料組成物を 開示している。該特許はさらに、上記第１のディーゼル燃料を少なくとも50重量 ％含み、そして従来の炭化水素ディーゼル燃料を残部として含んだ第２のディー ゼル燃料組成物を開示している。 しかしながら、これまでのところ、ジメチルエーテル、メタノール、および得 られるディーゼル燃料が環境上の利点と良好な点火特性をもたらすのに必要な水 、の濃度レベルの残部を含み、コストのかかる精製工程を施すことなく経済的に 製造することができ、そして使用時においても貯蔵時においても安定な単一液相 として保持することのできる、ジメチルエーテルとメタノールと水の混合物を含 んだ組成物は開示されていない。発明の目的 したがって本発明の一般的な目的は、上記問題点を解消し、そして上記利点を もたらすような改良された代替ディーゼル燃料組成物を提供することにある。 より具体的に言えば、本発明の目的は、高いBTU値を有する改良された代替デ ィーゼル燃料組成物を提供することにある。 本発明の他の目的は、その全体としての放出物の量がより少なくて、その燃焼 ガスが実質的に固体粒子を含まないような、クリーン燃焼物質である改良された 代替ディーゼル燃料組成物を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、優れた点火特性を示す改良された代替ディーゼル 燃料組成物を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、コストのかかる精製工程を施す必要なしに経済的 に製造することができる、改良されたディーゼル燃料組成物を提供することにあ る。 本発明のさらに他の目的は、使用時においても且つ貯蔵時においても安定な単 一液相にて保持される、改良された代替ディーゼル燃料組成物を提供することに ある。 本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明および請求の範囲を読めば 明らかとなろう。発明の要約 これらの目的は、約70〜95重量％のジメチルエーテル、約0.1〜20重量％の水 、および最大約20重量％のメタノールを含んだ改良されたディーゼル燃料組成物 によって達成され、このときある与えられた水濃度（重量％）(water conc.)を 有するディーゼル燃料組成物において許容される最小メタノール濃度（重量％） (min.meth.conc.)は次のような関係によって定義され、 0≦min.meth.conc.≧0.5(water conc.)−2.6 またある与えられた水濃度（重量％）(water conc.)を有するディーゼル燃料組 成物において許容される最大メタノール濃度（重量％）(max.meth.conc.)は次の ような関係によって定義される。 max.meth.conc.≦20−0.6(waterconc.)詳細な説明 本発明の組成物は、ジメチルエーテルとメタノールと水の混合物を含んだディ ーゼル燃料組成物である。ジメチルエーテルは、本発明の代替ディーゼル燃料組 成物中に、約70重量％（好ましくは約85重量％）〜約96重量％（好ましくは約93 重量％）のレベルにて存在する。本発明の代替ディーゼル燃料組成物が約70重量 ％未満のジメチルエーテルを含有する場合は、点火特性が悪化し、ディーゼル燃 料が２つの液相に分かれるという問題が生じ、このため組成物がディーゼル燃料 として効果的に使用されるのを妨げる。 水は本発明の代替ディーゼル燃料組成物中に、約0.1重量％（好ましくは約１ 重量％、さらに好ましくは約２重量％）〜最大約20重量％（好ましくは最大約10 重量％）のレベルにて存在する。本発明の組成物が、約5.2重量％以上の水をジ メチルエーテルだけとの混合物の形で含有する場合、メタノールがさらに存在し ないと水が分離して２つの液相が形成される。 ジメチルエーテルと水との混合物中にある特定量（下記限度内の量）のメタノ ールが存在すると、混合物は２つの液相への分離が起こりにくくなって安定化す る。この安定化をもたらすのに必要なメタノールの量は、ジメチルエーテルとの 混合物中の水の濃度が増大するにつれて増える。しかしながら、特定濃度の水を 含有した混合物中に存在するメタノールが多すぎると、混合物の点火特性が悪影 響を受ける。したがって、ジメチルエーテルとある与えられた濃度の水との混合 物の場合、このような混合物中におけるメタノールの濃度は、相分離を防ぐため にある特定の最小レベル以上でなければならず、また点火特性の悪化を避けるた めにある特定の最大レベル以下でなければならない。 混合物中のメタノールの特定の最大濃度と最小濃度は、混合物中の個々の水濃 度によって異なる。ある与えられた水濃度を有するディーゼル燃料中のメタノー ルの最小濃度（重量％）(min.meth.conc.)は、ディーゼル燃料中の水濃度（重量 ％）(water conc.)によって異なり、ほぼ次のような関係によって決定される。 0≦min.meth.conc.≧0.5(water conc.)−2.6 ある与えられた水濃度を有するディーゼル燃料中のメタノールの最大濃度（重量 ％）(max.meth.conc.)は、ほぼ次のような関係によって決定される。 これらの近似関係はいずれも、ジメチルエーテル、メタノール、および水を含ん だ相当数の異なった混合物を使用して、点火特性と相分離の実際の測定に基づい て経験的に求めたものである。 これらの関係からわかるように、本発明の代替ディーゼル燃料組成物が5.2重 量％以上の水を含有していなければ、メタノールが本発明の燃料組成物中に存在 する必要はない。さらに、本発明の代替ディーゼル燃料組成物中にいかなる状況 下においても存在することのできるメタノールの最大濃度は20重量％である。さ らに、本発明の代替ディーゼル燃料組成物が20重量％の水を含有しているとき、 燃料組成物は、相分離を防ぐためにさらに少なくとも7.4重量％のメタノールを 含有しなければならないが、８重量％を越えるメタノールを含有してはならない 。８重量％を越えると点火特性が悪化する。この有効メタノール濃度の範囲はか なり狭いので、実用上の目的から、本発明の代替ディーゼル燃料組成物中に存在 することのできる水の濃度の上限は20重量％である。 他の好ましい実施態様において、本発明の代替ディーゼル燃料組成物の点火特 性を改良するのが望ましい場合、いかなる従来のセタン価向上剤も、セタン価向 上有効量にてディーゼル燃料組成物に加えることができる。適切なセタン価向上 剤の例としては、過酸化水素等の無機過酸化物、エチルt-ブチルペルオキシドや ジ-ｔ-ブチルペルオキシド等の有機過酸化物、硝酸エチルヘキシルや硝酸アミル 等の硝酸アルキル、およびニトロメタンなどがある。より具体的に言うと、セタ ン価向上剤はディーゼル燃料組成物中に、好ましくは約0.01〜３重量％（さらに 好ましくは約0.05〜１重量％）の範囲の濃度にて使用される。 他の好ましい実施態様においては、本発明の代替ディーゼル燃料組成物はさら に、最大50重量％までの従来の炭化水素ディーゼル燃料、あるいは植物や野菜（ plants and vegetables）から得られるバイオディーゼル燃料を含んでもよい。 本発明は、以下の特定の例を考察すればより明確に理解できるであろう。94重 量％のジメチルエーテル、３重量％の水、および３重量％のメタノールを含有し たディーゼル燃料組成物を、排気量444立方インチ、内径4.11インチ、およびス トローク4.18インチの90度V-8（90 degree V-8）を有するナビスター（Navister ） T444Eディーゼルエンジンにて試験した。このディーゼルエンジンは、空対空イ ンタークーラー（air-to-air intercooler）と電子制御の直接噴射燃料システム を装備したターボチャージャーであり、排気ガス再循環システムが取り付けられ ていた。この試験では、従来の炭化水素ディーゼル燃料と同じ出力を達成するの により多くのＤＭＥを噴射しなければならないので、ややオーバーサイズの燃料 噴射器を使用した。さらに、試験するジメチルエーテル含有組成物の揮発性がよ り高いので、燃料噴射器中のキャビテーションを防ぐために改良供給ポンプを使 用した。エンジンの試験は、米国EPA過渡試験サイクル（transient test cycle ）をシミュレートした８モード定常状態試験サイクルを使用して行った。炭化水 素、一酸化炭素、窒素酸化物、スモーク、および粒子等の排気放出物を測定した 。 試験結果により、放出物のレベルが窒素酸化物５g/bhp-hrであるときには、ジ メチルエーテル含有組成物の消費量が従来のディーゼル燃料の消費量に実質的に 等しいこと、そして放出物のレベルが窒素酸化物3.64g/bhp-hr未満であるときに は、従来のディーゼル燃料の消費量よりかなり低いことがわかった。窒素酸化物 放出物のレベルは僅か約1.7g/bhp-hrであり、これはジメチルエーテル単独の場 合の窒素酸化物放出物のレベルに対して大幅な改良である。放出物のすす含量は 僅か約0.03g/bhp-hr、そして炭化水素放出物のレベルは僅か約0.3g/bhp-hrであ り、これはジメチルエーテル単独の場合よりやや多い。本試験での測定による（ １）約2.lg/bhp-hrという窒素酸化物放出物レベルと炭化水素放出物レベルの合 計と、（２）約0.034g/bhp-hrという放出物中の粒状物のレベルとの組合せはす でに、カリフォルニアULEVによって指令されているそれぞれ2.5g/bhp-hr及び0.0 5g/bhp-hrという上限（1998年までは発効しない）以内に入っている。 上記の説明から、本発明の目的が達成されたことは明らかである。特定の実施 態様だけを説明してきたが、当業者にとっては、上記の説明から種々の実施態様 や変形が可能であり、こうした実施態様や変形は、本発明の精神および範囲と等 価であり且つその範囲内であると考えられる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年７月２４日 【補正内容】 請求の範囲 １． 85〜95重量％のジメチルエーテル、１〜20重量％の水、および１〜20重 量％のメタノールを含んだディーゼル燃料組成物であって、このとき重量％表示 のある与えられた水濃度-water conc.-を有するディーゼル燃料組成物中に許容 される重量％表示の最小メタノール濃度-min.meth.conc.-が、 0≦min.meth.conc.≧0.5(water conc.)−2.6 という関係によって規定され、そして重量％表示のある与えられた水濃度を有す るディーゼル燃料中に許容される重量％表示の最大メタノール濃度-max.meth.co nc.-が、 max.meth.conc.≦20−0.6(water conc.) という関係によって規定される前記ディーゼル燃料組成物。 ２． 約85〜93重量％のジメチルエーテルを含む、請求の範囲第１項に記載の ディーゼル燃料組成物。 ３． ２〜10重量％のメタノールを含む、請求の範囲第１項または第２項に記 載のディーゼル燃料組成物。 ４． ２〜20重量％のメタノールを含む、請求の範囲第１〜３項のいずれか一 項に記載のディーゼル燃料組成物。 ５． ２〜10重量％の水を含む、請求の範囲第４項に記載のディーゼル燃料組 成物。 ６． ２〜10重量％のメタノール、および２〜10重量％の水を含む、請求の範 囲第３項に記載のディーゼル燃料組成物。 ７． 少なくとも１種のセタン価向上剤をセタン価向上濃度にてさらに含む、 請求の範囲第１〜６項のいずれか一項に記載のディーゼル燃料組成物。 ８． 少なくとも１種のセタン価向上剤を0.01〜３重量％含む、請求の範囲第 ７項に記載のディーゼル燃料組成物。 ９． 少なくとも１種のセタン価向上剤を0.05〜１重量％含む、請求の範囲第 ８項に記載のディーゼル燃料組成物。 10． 請求の範囲第１〜９項のいずれか一項に記載のディーゼル燃料組成物と 、最大50重量％までの従来の炭化水素ディーゼル燃料との混合物を含んだディー ゼル燃料ブレンド。 11． 請求の範囲第1〜10項のいずれか一項に記載のディーゼル燃料組成物と 、最大50重量％までの、植物または野菜から誘導されるバイオディーゼル燃料と の混合物を含んだディーゼル燃料ブレンド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 マッカーシー，クリストファー・アイ アメリカ合衆国イリノイ州60565，ネイパ ービル，カラマズー・ドライブ 2336 (72)発明者 ミケルセン，スヴェンド−エリク デンマーク王国デーコー−2820 ゲントフ テ，ソトフテン 12 (72)発明者 ウドビッチ，カール・エイ アメリカ合衆国イリノイ州60435，ジョリ ート，バンク・ビュー・レイン 3526 (72)発明者 バス，アルナブハ アメリカ合衆国イリノイ州60565，ネイパ ービル，ウォーリック・ドライブ 304

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 約70〜95重量％のジメチルエーテル、約0.1〜20重量％の水、および最 大約20重量％までのメタノールを含んだディーゼル燃料組成物であって、このと き重量％表示のある与えられた水濃度(water conc.)を有するディーゼル燃料組 成物中に許容される重量％表示の最小メタノール濃度(min.meth.conc.)が、 0≦min.meth.conc.≧0.5(water conc.)−2.6 という関係によって規定され、そして重量％表示のある与えられた水濃度を有す るディーゼル燃料中に許容される重量％表示の最大メタノール濃度(max.meth.co nc.)が、 max.meth.conc.≦20−0.6(water conc.) という関係によって規定される前記ディーゼル燃料組成物。 ２． 約85〜95重量％のジメチルエーテルを含む、請求の範囲第１項に記載の ディーゼル燃料組成物。 ３． 約85〜93重量％のジメチルエーテルを含む、請求の範囲第２項に記載の ディーゼル燃料組成物。 ４． 約１〜20重量％のメタノールを含む、請求の範囲第１項に記載のディー ゼル燃料組成物。 ５． 約２〜10重量％のメタノールを含む、請求の範囲第４項に記載のディー ゼル燃料組成物。 ６． 約１〜20重量％の水を含む、請求の範囲第１項に記載のディーゼル燃料 組成物。 ７． 約２〜20重量％の水を含む、請求の範囲第６項に記載のディーゼル燃料 組成物。 ８． 約２〜10重量％の水を含む、請求の範囲第７項に記載のディーゼル燃料 組成物。 ９． 約85〜95重量％のジメチルエーテル、約１〜20重量％のメタノール、お よび約２〜20重量％の水を含む、請求の範囲第１項に記載のディーゼル燃料組成 物。 10． 約85〜93重量％のジメチルエーテル、約２〜10重量％のメタノール、お よび約２〜10重量％の水を含む、請求の範囲第９項に記載のディーゼル燃料組成 物。 11． 本質的に約70〜95重量％のジメチルエーテル、約1〜20重量％の水、お よび最大約20重量％までのメタノールからなり、このとき重量％表示のある与え られた水濃度(waterconc.)を有するディーゼル燃料組成物中に許容される重量％ 表示の最小メタノール濃度(min.meth.conc.)が、 0≦min.meth.conc.≧0.5(water conc.)−2.6 という関係によって規定され、そして重量％表示のある与えられた水濃度を有す るディーゼル燃料中に許容される重量％表示の最大メタノール濃度(max.meth.co nc.)が、 max.meth.conc.≦20−0.6(water conc.) という関係によって規定される、請求の範囲第１項に記載のディーゼル燃料組成 物。 12． 少なくとも１種のセタン価向上剤をセタン価向上濃度にてさらに含む、 請求の範囲第12項に記載のディーゼル燃料組成物。 13． 少なくとも１種のセタン価向上剤を約0.01〜３重量％含む、請求の範囲 第12項に記載のディーゼル燃料組成物。 14． 少なくとも１種のセタン価向上剤を約0.05〜１重量％含む、請求の範囲 第13項に記載のディーゼル燃料組成物。 15． 従来の炭化水素ディーゼル燃料を最大50重量％までさらに含む、請求の 範囲第１項に記載のディーゼル燃料組成物。 16． 植物または野菜から誘導されるバイオディーゼル燃料を最大50重量％ま でさらに含む、請求の範囲第１項に記載のディーゼル燃料組成物。