MX2010008748A - Uso de alcoholes en combustibles para motores de encendido por bujia. - Google Patents

Abstract

El uso de al menos un alcohol de C4 para incrementar la presión de vapor de un combustible para motores de encendido por bujía que comprende combustible base y etanol, donde el uso de al menos un alcohol de C4 se añade al combustible que comprende combustible base y etanol para producir una mezcla combustible resultante que comprende 15-50 % por volumen de combustible base, 15-65 % por volumen de etanol y 15 a 50 % de alcohol de C4. La mezcla combustible resultante exhibe una presión de vapor adecuadamente alta, por ejemplo, que cumple con la especificación, y también exhibe un buen comportamiento de encendido aún en temperaturas de invierno.

Description

USO DE ALCOHOLES EN COMBUSTIBLES PARA MOTORES DE ENCENDIDO POR BUJIA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con el uso de alcoholes en los combustibles para los motores de encendido por bujía y con la fabricación de combustibles para motores de encendido por bujía. Además del etanol, estos combustibles también comprenden alcohol de C4.

Los combustibles para los motores de encendido por bujía son combustibles para motores que son adecuados para los motores con encendido por bujía. Estos usualmente contienen una mezcla de diferentes hidrocarburos con diferentes puntos de ebullición, los cuales típicamente se encuentran dentro de un intervalo de 26 °C a 210 °C a presión atmosférica. Sin embargo, este intervalo no es específicamente predeterminado, y puede depender de la composición real de los hidrocarburos, los aditivos y otros componentes, así como de las condiciones ambientales. Típicamente, los componentes hidrocarburos de los combustibles contienen hidrocarburos de C4 a Cío.

Los requerimientos para los combustibles de encendido por bujía que deben cumplirse en su producción son multifacéticos . Éstos son el resultado de leyes y regulaciones, la cadena de distribución, y su uso en el motor. Se añade a éstos las condiciones específicas de producción y los diferentes Ref . :212955 conceptos de conducción, lo que hace necesario la diferenciación del combustible de encendido por bujía en diferentes tipos. En Alemania, los requerimientos mínimos se imponen por decretos en forma de Normas DIN. Éstas deben ser identificables mediante una identificación apropiada en las estaciones de llenado. El Decreto sobre la Calidad del Combustible se introdujo en 1993 y se actualizó en el 2004 y 2006, ahora solo se permiten combustibles que cumplan todos los requerimientos de la Norma DIN EN228. En los Estados Unidos, las especificaciones correspondientes las impone la ASTM 4814.

Para lograr condiciones óptimas de conducción el combustible debe cumplir varios requerimientos del vehículo. En términos específicos ésto significa: Después de una noche fría larga el motor debe encender tan fácil como lo hace en verano, o sea, como si el motor bien caliente se enciende nuevamente después de una parada breve intermedia. También, el motor no debe pararse cuando está en modo inactivo, y no debe trabajar de manera errática al ser sometido a cargas grandes. Aun en condiciones favorables no deben existir residuos que interfieran en el sistema de aspiración, la cámara de combustión, o en el cárter de aceite.

El combustible debe adaptarse a estos requerimientos diferentes, y en parte contradictorios, de manera tal que sea posible una interacción mutuamente beneficiosa, sin problemas y confiable. Los fabricantes de marcas en Alemania, por lo tanto, mezclan lo que denominan como "componentes sustitutos del aceite mineral", tal como alcoholes y ésteres, con los combustibles bases en proporciones limitadas, así como sustancias químicas activas hasta 0.5 por ciento en peso.

Los requerimientos particulares se especifican para los combustibles con contenidos de alcohol de 0 a 85 % por volumen de etanol, para su uso en lo que denominan como Vehículos de Combustible Flexible. Con los denominados combustibles E85, con 70 a 85 % por volumen de etanol, las presiones de vapor para el comportamiento del encendido en frío son particularmente críticas. Se conocen los combustibles con alto contenido de alcohol, tal como etanol o mezclas de diferentes alcoholes. A modo de ejemplo se deben mencionar las solicitudes HK 106 428, US 2006/0137243, US 2004/0107634, y US 2004/123518.

Se conoce también mezclar una gasolina o "super bencina" típica de refinería que tiene un Número de Octano de Investigación (también referido como RON por sus siglas en inglés) de 95 en el verano o una calidad de invierno con 70 a 85 % por volumen de bioetanol . Una especificación del proyecto CWA 15293 de acuerdo con el acuerdo de la reunión de trabajo de mayo de 2005 y la Norma para el Proyecto E DIN 51625 (Octubre de 2007, Beuth Verlag) recomienda una presión de vapor mínima de 35 kPa para los meses de verano (Clase A) y una presión de vapor de 50 kPa para los meses de invierno (Clase B) . Dependiendo de la presión de vapor del combustible de gasolina o super bencina base, la presión de vapor de la mezcla gasolina/etanol puede no corresponder a la especificación para el esquema. En estos casos, la concentración de etanol en la mezcla se debe ajustar hacia abajo. Esto no es deseable.

El objetivo de la invención es, por lo tanto, proporcionar un combustible con una concentración alta de alcohol que exhibe una presión de vapor suficientemente alta, por ejemplo, una presión que cumpla con la especificación. Esto tiene la intención de mejorar el comportamiento del encendido en frío, por ejemplo para garantizar que el combustible exhiba buen comportamiento del encendido en frío incluso a temperaturas de invierno.

El objetivo se resuelve por medio del uso de al menos un alcohol de C4 de acuerdo con la reivindicación 1.

El combustible base es una gasolina convencional, por ejemplo, una gasolina sin plomo, por ejemplo, como se ofrece en Alemania y en cualquier lugar en Europa con un RON de 95.

Las normas mínimas para la gasolina sin plomo, la cual se ofrece en las estaciones de llenado desde 1984 como Normal, y además desde 1985 como Euro-Super y desde 1989 como SuperPlus, se especificaron en 1993 en la Norma Europea 'DIN EN 228. La composición de los combustibles de encendido por bujía de las refinerías alemanas en las calidades de Normal, Súper y SuperPlus, se encuentra, por ejemplo, en el Reporte de Investigación DGMK 502-1 de la Asociación Científica Alemana para Aceite Mineral, Gas Natural, y Hulla (también referido como DGMK) . En este análisis los constituyente principales del combustible se determinaron, específicamente, tanto como los valores promedios así como los intervalos. La base para este análisis fue el producto de invierno del invierno de 2001/2002. Expresamente, se hace referencia en la presente a este reporte. Específicamente, se determinó el contenido de 50 hidrocarburos con 3 a 6 átomos de carbono, 51 aromáticos y 3 compuestos que contienen oxígeno. Además, se determinó el contenido total de todos los representantes con el mismo contenido de carbono en cada caso para todas las parafinas, nafteños, olefinas cíclicas y acíclicas y aromáticos. Separadamente se probó el contenido de 10 diolefinas y 15 aromáticos policíclicos . Los combustibles de encendido por bujía referidos se derivaron de 14 refinerías diferentes.

El combustible resultante de acuerdo con la invención contiene 15 a 50 % por volumen de tal combustible base.

La inclinación de la gasolina a la evaporación - su volatilidad - es la precondición central para su uso como un combustible de encendido por bujía, y al mismo tiempo es una característica de calidad esencial. Debido a que la gasolina es una mezcla de muchos hidrocarburos, ésta no tiene un punto de ebullición definido, sino un intervalo de ebullición, el cual se encuentra usualmente entre 30 °C y 200 °C.

El combustible de acuerdo con la invención comprende 15 a 65 % por volumen de etanol y 15 a 50 % por volumen de alcohol de C4. En total, naturalmente, incluyendo cualquier otro componente, si está presente, la suma total de 100 % por volumen siempre se deriva.

En principio, debido al alto contenido de alcoholes, las propiedades del combustible se alteran en comparación con un combustible normal. Una de tales propiedades es, por ejemplo, la volatilidad.

La volatilidad se caracteriza por la curva de ebullición en una banda de temperatura de, en la mayoría de los casos, 30 a 200 °C, máximo de 26 a 210 °C, y por la presión de vapor. La curva de ebullición describe la proporción del fluido evaporado a diferentes temperaturas; la presión de vapor es el resultado de los componentes del combustible los cuales a una temperatura definida en un recipiente cerrado pasan de la fase de fluido a la fase de vapor.

La función de "fracción de gasolina evaporada/temperatura" proporciona lo que se denomina como la curva de ebullición, la localización y las características de la cual permiten a las personas con experiencia en la técnica llegar a conclusiones en relación al comportamiento del combustible en el motor. En principio, se debe establecer la volatilidad del combustible de encendido por bu ía de manera que en todas las situaciones una mezcla combustible-aire inflamable esté disponible en la cámara de combustión. Bajo condiciones de operación específicas, tales como, por ejemplo, con un motor particularmente frío o particularmente caliente, esta precondición es difícil de satisfacer, de manera que las diferencias en la calidad en los combustibles se hacen identificables a la luz de este criterio.

La inflamabilidad de la mezcla se influencia no solamente por el combustible, sino también por el concepto de motor. Esto es, existe una diferencia si el motor se acciona con mezclas "ricas" o "pobres".

Para la operación en invierno, la volatilidad del combustible de encendido por bujía en general se adapta a las temperaturas ambiente frías . Para un encendido en frío confiable, el combustible debe ser lo más volátil posible. Una curva de ebullición baja en el intervalo inferior y una presión de vapor alta facilitan el encendido, y calentamiento del motor, ya que una volatilidad muy baja pudiera provocar que la mezcla se hiciera muy pobre debido a una evaporación insuficiente y una condensación del combustible excesiva en las paredes del colector de admisión.

Los requerimientos de la gasolina con un motor caliente son precisamente al contrario. Bajo condiciones desfavorables, los componentes del sistema combustible se pueden calentar tanto que una gran parte del combustible se evapora ("formación de la fase vapor" en la bomba del combustible) , ebulle fuera de la cámara flotante del carburador, o forma colchones de vapor en el sistema de inyección. Como resultado, se interrumpe la entrega de combustible y la mezcla se sobre-enriquece, lo que es un efecto negativo en el comportamiento del accionador. Estas alteraciones surgen más a menudo, mientras más caliente se hace el sistema combustible (bomba, carburador, e inyección de combustible) , y el volumen de entrega de combustible y la presión del sistema sean inferiores. Con relación al combustible, una volatilidad excesivamente alta hace evidente un efecto desventajoso. Las temperaturas ambiente altas en el verano incrementan la probabilidad de fallos. Por esta razón, los fabricantes de combustible combinan sus cualidades en el verano de manera que la curva de ebullición en el intervalo inferior sea más alta y la presión de vapor sea más baja comparado con el combustible de calidad de invierno. Este ajuste no debe ir tan lejos, para que no surjan dificultades con el encendido en frío.

Dependiendo de la base combustible, en particular con mezclas de combustibles con un alto contenido de etanol, la presión de vapor mínima que debe mantenerse de acuerdo con la especificación del proyecto a menudo no puede mantenerse, en particular para el producto de invierno. La consecuencia pudiera ser que el contenido de etanol tendría que disminuirse para alcanzar la presión de vapor mínima.

Sorprendentemente, se encontró que, al mezclar combustible que comprende gasolina base y etanol (por ejemplo E85) con al menos un alcohol de C4, por ejemplo, tal como puede estar presente en otros combustibles con una concentración alta de alcoholes de C4, se puede alcanzar un incremento en la presión de vapor de la mezcla la cual se encuentra por encima de aquella de los combustibles individuales. En el laboratorio se probaron las presiones de vapor (de acuerdo con EN 13016-1) de varias mezclas de butanol y etanol diferentes en la gasolina super.

Los resultados se representan en las Tablas 1 y 2. El número a continuación de las letras que caracterizan la combinación individual en cada caso indica el contenido de esta combinación en % por volumen.

Los requerimientos mencionados hasta el momento se cumplen con el combustible de acuerdo con la invención, y en particular se mejoran las propiedades del encendido en frío.

En principio, se puede determinar que con las mezclas de un combustible base con una proporción relativamente alta de etanol, ocurra un incremento atípico en la presión de vapor si al menos un alcohol de C4 se añade a esta mezcla, de manera que su contenido asciende a al menos 15 % por volumen en la mezcla combustible resultante. Tal incremento en la presión de vapor no sería previsible para la persona con experiencia en la técnica. El efecto se nota entre los combustibles que comprenden después de la mezcla, 15 a 50 % por volumen del combustible base, 15 a 65 % por volumen de etanol, y 15 a 50 % por volumen de alcohol de C4. El efecto se nota especialmente entre los combustibles que comprenden después de la mezcla, 20 a 46 % por volumen del combustible base, 20 a 60 % por volumen de etanol, y 20 a 50 % por volumen de alcohol de C4 y más particularmente entre los combustibles que comprenden después de la mezcla, 19.5 a 44 % por volumen del combustible base, 21 a 59.5 % por volumen de etanol, y 21 a 49 % por volumen de alcohol de C4. Este efecto es particularmente perceptible cuando el alcohol de C4 es n-butanol (también denominado como 1-butanol) , butanol secundario (también denominado como 2-butanol) o isobutanol (también denominado como 2-metil-l-propanol), o una mezcla de al menos dos de estos butanoles.

A partir de un análisis del comportamiento de la ebullición (destilación de acuerdo con EN ISO 3405) , se determinó un efecto positivo al mezclar un combustible que contiene etanol con un combustible que contiene butanol . Las curvas de destilación que corren en forma de meseta en el intervalo de aproximadamente 20 a 90 % del volumen evaporado, muestran en las mezclas de acuerdo con la invención, una elevación constante y, por lo tanto, una trayectoria que es similar a la de un combustible de encendido por bujía.

Los efectos mencionados son particularmente favorables con respecto a la presión de vapor y también el comportamiento de la ebullición si el alcohol de C4 es un isobutanol.

Con relación al etanol contenido en el combustible de acuerdo con la invención, en principio no tiene importancia para las propiedades del combustible, a partir de qué fuentes se deriva el etanol. De preferencia, sin embargo, debe usarse un etanol que sea al menos predominantemente de origen natural, tal como a partir de biomasa, debido a que en la combustión, este etanol emite dióxido de carbono el cual es neutral para el medio ambiente. Por la misma razón se prefiere el uso del alcohol de C4 por ser de igual manera predominantemente de origen natural .

El contenido general de alcoholes del combustible de acuerdo con la invención es al menos 50 % por volumen, pero de preferencia al menos 70 % por volumen.

Como ya se mencionó, el combustible base es un combustible tal como la gasolina sin plomo por ejemplo la cual se encuentra disponible en el momento actual. Esta consiste de una mezcla de hidrocarburos con un número de carbonos predominantemente de 4 a 12. Sus componentes principales son predominantemente parafinas, naftenos, olefinas y aromáticos. Además de esto, el combustible base puede comprender componentes que contienen oxigeno. En esta situación se prefieren los éteres. El contenido de éter de preferencia asciende hasta 15 % por volumen en relación con el combustible base. Como éteres apropiados está el butil metil éter terciario (también denominado como MTBE) , así como el butil etil éter terciario (también denominado como ETBE) o mezclas de éstos.

La invención además se relaciona con un método para la fabricación del combustible resultante de acuerdo con la invención, así como su uso como un combustible para motores de encendido por bujía, en particular para motores de encendido por bujía en vehículos de motor.

De preferencia, el combustible resultante de acuerdo con la invención se produce a partir de las mezclas combustibles ya existentes. Una de estas mezclas es un combustible E85 ya descrito, con una proporción de 70 a 85 % por volumen de etanol y 15 a 30 % por volumen de combustible base (mezcla (I) ) . La otra mezcla comprende 30 a 50 % por volumen de combustible base y 50 a 70 % por volumen de alcohol de C4 (mezcla (II) ) . La relación de mezclado preferida de la mezcla I: II es 1:1. La mezcla I puede ser una gasolina E70 o E85 y la mezcla II puede ser una gasolina B50 o B70. Se prefieren las mezclas de una mezcla (I) que tiene 70 % por volumen de etanol con una mezcla (II) que tiene 50 % por volumen de alcohol de C4, en particular isobutanol. De preferencia, la relación de la mezcla (I) a mezcla (II) está en el intervalo de 40:60 a 60:40, pero en particular 50:50 ó 1:1 respectivamente. La mezcla (I), sin embargo, puede comprender hasta 85 % por volumen de etanol y la mezcla (II) hasta 70 % por volumen de alcohol de C .

Básicamente, sin embargo, un alcohol de C4 no se puede añadir solamente, como se describió, como una mezcla con un combustible base a una mezcla de un combustible base con un contenido alto de etanol, pero es posible añadir alcohol de C4 en una concentración alta (hasta 100 %) a la última mezcla. En el análisis final, las relaciones de concentración en las mezclas resultantes son determinantes. La invención, por lo tanto, se relaciona además con el uso de al menos un alcohol de C para incrementar la presión de vapor de un combustible para motores de encendido por bujía que comprende un combustible base y etanol donde en el uso el al menos un alcohol de C4 se añade a un combustible que comprende un combustible base y etanol para producir una mezcla combustible resultante que comprende 15-50 % por volumen de combustible base, 15-65 % por volumen de etanol y 15 a 50 % de alcoholes de C4. Los datos del % por volumen se relacionan en cada caso con la mezcla combustible resultante.

La mezcla combustible resultante tiene, de preferencia, una concentración de agua de menos de 800 ppm por peso, por ejemplo en el intervalo de 100 a 400 ppm por peso.

La invención será ahora ilustrada a modo de ejemplo solamente con referencia a los datos en las Tablas 1 y 2. Se midieron las presiones de vapor medidas en el laboratorio de acuerdo con EN 13016-1, de varias mezclas de etanol y butanol diferentes en gasolina super y se muestran en las Tablas 1 y 2.

También se conocen las diferencias entre las presiones de vapor esperadas, calculadas de acuerdo con las cantidades relativas por volumen de los componentes, y las presiones de vapor. La presión de vapor esperada se calculó de acuerdo con las proporciones relativas por volumen de los componentes. Por ejemplo, la presión de vapor esperada de una mezcla con 70 vol % ÍB50/30 vol % E70 se calculó como 70 % de la presión de vapor de iB50 más 30 % de la presión de vapor de E70. Los datos en las Tablas muestran que el uso de al menos un alcohol de C4 incrementa la presión de vapor del combustible que comprende un combustible base y etanol más allá de lo que sería esperado, de acuerdo con la sumatoria en proporción a sus cantidades, de las presiones de vapor de varias mezclas de gasolina/etanol y gasolina/butanol . De esta manera, por ejemplo, se encontró que 1B50 tiene una presión de vapor de 56.1 kPa, 2B50 una presión de vapor de 55.7 kPa, iB50 una presión de vapor de 55.6 kPa, iB70 una presión de vapor de 40.7 kPa, E70 una presión de vapor de 56.1 kPa y E85 una presión de vapor de 40.0 kPa. Se midieron las presiones de vapor de varias mezclas 50:50 (vol/vol) de estas mezclas de butanol y etanol y se encontró que eran mayores que el promedio de las presiones de vapor de las mezclas de los componentes. De esta manera, el alcohol de C4 incrementó la presión de vapor de la mezcla combustible.

También se muestra en las Tablas 1 y 2 la diferencia en la presión de vapor entre la esperada y la medida para varias relaciones de mezclas E70/ÍB50 y mezclas E85/ÍB70, los valores esperados se calcularon de acuerdo con las proporciones relativas por volumen de las dos mezclas .

El incremento en la presión de vapor provocada por el alcohol de C4 se muestra en las Tablas.

Tabla 1 Resultados de las mediciones absolutas B50/B7O E70/E85 E70+1B50 E70+2B50 E70+ÍB50 (2a3) E85+ÍB70 E70+ B50 (Ira) Concentración Concentración Presión Presión Presión de Presión Presión de de vapor de vapor vapor de vapor vapor [%] [%] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] 100 0 56.1 55.7 55.6 40.7 58.9 70 30 58.1 42.1 60 40 58.5 42.3 10 50 50 58.8 58.2 58.5 42.2 61.1 40 60 58.4 42.1 30 70 58.0 41.7 0 100 56.1 56.1 55.8 40.0 57.9 E = Etanol IB = 1-butanol 2B = 2-butanol iB = Isobutanol 50-85 = Contenido de alcohol [% por volumen] Gasolina = RON95 gasolina sin plomo, "Super" Tabla 2 5 10 E = Etanol iB = Isobutanol 1 = Ser es de pr meras me c ones IB = 1-butanol 50-85 = Contenido de alcohol [% por 2da = Series de segundas mediciones volumen] butanol gasolina = RON95 gasolina sin plomo, "Super" Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (19)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Uso de al menos un alcohol de C4 para incrementar la presión de vapor de un combustible para motores de encendido por bujía que comprende un combustible base y etanol en donde al menos un alcohol de C4 se añade a un combustible que comprende un combustible base y etanol para producir una mezcla combustible resultante que comprende 15-50 % por volumen de combustible base, 15-65 % por volumen de etanol y 15 a 50 % de alcohol de C4.

2. Uso de conformidad con la reivindicación 1, en donde además la mezcla combustible resultante comprende: 20 a 46 % por volumen de un combustible base 20 a 60 % por volumen de etanol, y 20 a 50 % por volumen de alcohol de C4

3. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en donde la mezcla combustible resultante comprende : 19.5 a 44 % por volumen de un combustible base 21 a 59.5 % por volumen de etanol, y 21 a 49 % por volumen de alcohol de C4

4. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el alcohol de C4 es uno o más de n-butanol, butanol secundario, e isobutanol .

5. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el alcohol de C4 es isobutanol.

6. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el etanol es predominantemente de origen natural .

7. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el alcohol de C4 . es predominantemente de origen natural .

8. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el combustible base comprende predominantemente una mezcla de hidrocarburos con un número de carbono predominantemente de 4 a 12.

9. Uso de conformidad con la reivindicación 8, en donde la mezcla de hidrocarburos comprende predominantemente parafinas, nafteños, y aromáticos.

10. Uso de conformidad con la reivindicación 8 o 9, en donde el combustible base comprende 0 - 15 % por volumen de éter.

11. Uso de conformidad con la reivindicación 10, en donde el éter es butil metil éter terciario y/o butil etil éter terciario.

12. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde el contenido de alcohol de la mezcla combustible resultante es al menos 50 % por volumen.

13. Uso de conformidad con la reivindicación 12, en donde el contenido de alcohol de la mezcla combustible resultante es al menos 70 % por volumen.

14. Uso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, el cual comprende fabricar un combustible, por medio de la mezcla de una mezcla I, que comprende 15-30 % por volumen de un combustible base y 70-85 % por volumen de etanol con una mezcla II, que comprende 30-50 % por volumen de combustible base y 50 a 70 % por volumen de alcohol de C4.

15. Uso de conformidad con la reivindicación 14, en donde la mezcla I y la mezcla II se mezclan en la relación de 1:1 por volumen.

16. Uso de conformidad con la reivindicación 14 o 15, en donde la mezcla I es una gasolina E70 o E85 y la mezcla II es una gasolina B50 o B70.

17. Un método de fabricación de un combustible el cual es la mezcla combustible resultante como se definió en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque comprende mezclar una mezcla I, que comprende 15-30 % por volumen de un combustible base y 70-85 % por volumen de etanol con una mezcla II, que comprende 30-50 % por volumen de combustible base y 50 a 70 % por volumen de alcohol de C4.

18. Método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque además la mezcla I y la mezcla II se mezclan en la relación de 1:1 por volumen.

19. Método de conformidad con la reivindicación 17 o 18, caracterizado porque además la mezcla I es una gasolina E70 o E85 y la mezcla II es una gasolina B50 o B70.