PL193339B1 - Proekologiczne paliwo do silników o zapłonie samoczynnym - Google Patents

Abstract

Proekologiczne paliwo do silników o zapłonie samoczynnym zawierające węglowodory pochodzenia mineralnego, metylowe estry oleju rzepakowego i alkohol etylowy biologicznego pochodzenia, znamienne tym, że zawiera węglowodory pochodzenia mineralnego prymarne i/lub pochodzenia wtórnego oraz występujące w oleju napędowym - korzystnie w ilości do 70% m/m, metylowe i/lub etylowe estry oleju rzepakowego w ilości do 30% m/m, alkohol etylowy pochodzenia biologicznego w ilości do 30% m/m oraz etoksylowane kwasy tłuszczowe w ilości do 9% m/m.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest proekologiczne paliwo do silników o zapłonie samoczynnym. Wymienione paliwo charakteryzuje się tym, że gazy pochodzące z jego spalania cechują się małym stopniem zadymienia (mało cząstek stałych) oraz obniżonym stężeniem CO, węglowodorów, tlenków azotu, tlenków siarki w porównaniu do oleju napędowego -przy niezmiennych wskaźnikach efektywności pracy.

Problem proekologiczności paliw do silników z zapłonem samoczynnym nie ma należytego ujęcia w literaturze patentowej. Wprawdzie w technice wiele zrobiono dla poprawy relacji: środowisko naturalne - silnik o zapłonie samoczynnym - paliwo, to jednak problem, o którym mowa, nie był dokładnie kojarzony ze składem paliw we wzmiankowanej literaturze. Do rzadkości należą tytuły patentów podkreślające związki składu paliwa dieslowskiego z ekologią. Brakowało również obiektywnej i standardowej metody badań ekologicznych oddziaływań silnika, które jak wiadomo zmieniają się z warunkami jego pracy, a w tym, co szczególnie ważne, z obciążeniem. Znane z literatury kompozycje proekologicznych paliw do silników o zapłonie samoczynnym opierają się na różnych składnikach nadających omawianym nośnikom energii, charakter sprzyjający środowisku naturalnemu: patent szwedzki 5183476 (1990) podaje, że paliwo złożone z alkoholu etylowego (62% v/v + 94% v/v), wody i dodatku poprawiającego spalanie (2% v/v + 30% v/v) - wytwarza spaliny o małej zawartości węglowodorów, a sam dodatek spala się nie emitując tlenków azotu. Patent australijski 480591 (1991) omawia paliwo skomponowane z pozbawionych parafiny mineralnych węglowodorów, zawierających węglowodory aromatyczne £ 1% m/m i siarkę lub związki siarkowe < 0,05%m/m. Spalając się daje ono podwyższone osiągi silników przy mniejszej zawartości zanieczyszczeń w spalinach. Innym rodzajem paliwa jest eter dwumetylowy (EDM). Aplikacja tego bardzo lotnego związku chemicznego jako materiału napędzającego silniki o zapłonie samoczynnym, może być realizowana w sposób bezpośredni i pośredni. Pierwszy sposób (bezpośrednia aplikacja) przedstawiono w patencie USA 393103 (1995). Spaliny powstałe z tego paliwa zawierają małe ilości NOX i dymu. Drugi sposób (pośrednia aplikacja) jest opisany w patencie USA 60/141,834 (1999). Bezpośrednio do zbiornika paliwa silnikowego tankowany jest związek chemiczny, z którego powstaje EDM w specjalnym urządzeniu zamontowanym na silniku (proces katalityczny). Związkiem,z którego w stosunkowo nieskomplikowanych warunkach powstaje EDM jest metanol. Silniki z zapłonem samoczynnym wyposażone wwzmiankowany konwertor mogą być napędzane także innymi eterami np. EDE. Jakość powstającego eteru jest uzależniona od dehydratyzowanego alkoholu. EDE powstaje, gdy paliwem wprowadzanym do zbiornika jest etanol. Podobnie jak w poprzednim opisie patentowym podaje się, że spaliny zwymienionych eterów charakteryzują się niską koncentracją NOX i dymów. Wopisie patentu USA 09/257,340 (1999) mówi się o zastosowaniu eterów poczynając od EDM do eteru dwu-izopropylowego oraz alkiloalkoholi od C1 do C20.Paliwo to jest dość skomplikowane w zastosowaniu m.in. z tego powodu, gdyż do rozruchu silnika wymagany jest acetylen, który jest związkiem chemicznym występującym w normalnych warunkach w stanie gazowym, a ponadto bardzo wybuchowym. Spaliny pochodzące z tego paliwa nie zawierają: CH, CO, NOXi SOX. Łatwiejszą w otrzymywaniu i bardziej proekologiczną mieszaninę paliwową przedstawiono w patencie włoskim GE 940140 (1994) oraz w patencie europejskim 95102745 (1995). Składa się ona z niskosiarkowych frakcji pochodzenia mineralnego, olejów roślinnych, alkalicznych estrów tych olejów i rozcieńczalnika w postaci eteru naftowego. Dużym utrudnieniem w stosowaniu tej mieszaniny paliwowej jest obecność bardzo lotnego i tym samym obniżającego temperaturę zapłonu rozcieńczalnika. Redukcję stopnia zadymienia w gazach spalinowych można także osiągnąć stosując paliwo wykonane wg patentu USA 60/144,364 (1999). Paliwo składa się z węglowodorów pochodzenia mineralnego i niskocząsteczkowych estrów kwasów karboksylowych zawierających w łańcuchu od C2 do C15, i alkoholi jedno- lub wielohydroksylowych alifatycznych i rozgałęzionych. W opracowaniu „Olej dieslowy zastępowany przez przetworzone oleje roślinne opublikowanym w 1982 roku przez pracowników Oddziału Volkswagena w Brazylii omawiana jest mieszanka paliwowa złożona z węglowodorów pochodzenia mineralnego, metylowych estrów oleju sojowego (MEOS) i bezwodnego etanolu.Proponuje się w tej pracy mieszaniny złożone z 75%v/v węglowodorów i 25%v/v MEOS lub z 68%v/v węglowodorów, 23%v/v MEOS i 9%v/v bezwodnego alkoholu. Jako paliwo proekologiczne do silników o zapłonie samoczynnym proponuje się także -opisaną w patencie zairskim 98/9037 (1998) - mieszaninę związków chemicznych parafinowych i izoparafinowych otrzymywanych w procesie Fischera-Tropscha. Taka mieszanina jest szybko biodegradowalna iz tego powodu może być traktowana jako paliwo sprzyjające środowisku naturalnemu. Patent polski

PL 193 339 B1

182359 (1996) zastrzega wprawdzie skład paliwa ekologicznego do silników wysokoprężnych (paliwo należy traktować jako do silników o zapłonie samoczynnym), to pomijając pewne nieścisłości nazwy, należy zauważyć, że paliwo to zawiera zaledwie jeden składnik, który może być traktowany jako proekologiczny. Tym składnikiem są tzw. metylowe estry „kwasów oleju rzepakowego” (5,0% m/m + 60% m/m). Musi to być bardzo drogie paliwo, gdyż aby je zrobić zgodnie z zastrzeżeniem podanym w patencie, trzeba byłoby wydzielić kwasy tłuszczowe z oleju rzepakowego (zawartość ok. 6% m/m) i następnie poddać je estryfikacji, która jest prowadzona dość skomplikowanymi metodami. Natomiast bardzo nieekologicznym składnikiem paliwa według patentu jest alkohol metylowy (7% m/m + 65% m/m). Alkohol ten jest bardzo toksycznym związkiem i obecnie wycofuje się go z zastosowań paliwowych.

Celem wynalazku jest opracowanie paliwa proekologicznego do silników o zapłonie samoczynnym zawierającego komponenty umożliwiające, przy niezmienionej efektywności pracy silnika, zminimalizowanie emisji toksycznych składników spalin i zwiększenie biodegradowalności tego paliwa.

Istota rozwiązania według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera węglowodory pochodzenia mineralnego prymarne i/lub pochodzenia wtórnego oraz występujące w oleju napędowym - korzystnie w ilości do 70% m/m, metylowe i/lub etylowe estry oleju rzepakowego w ilości do 30% m/m, alkohol etylowy pochodzenia biologicznego w ilości do 30% m/m oraz etoksylowane kwasy tłuszczowe w ilości do 9% m/m. Zasadniczą korzyścią wynikającą ze stosowania paliwa wg wynalazku, jest zmniejszenie emisji toksycznych składników spalin tlenku węgla (CO), węglowodorów (THC), tlenków azotu (NOX) i cząstek stałych (PM).

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania:

Przykład 1.

Paliwo przygotowuje się mieszając następujące masy składników:

-węglowodory pochodzenia mineralnego występujące w oleju napędowym -70 kg;

-metylowe estry oleju rzepakowego -23 kg;

-bezwodny alkohol etylowy pochodzenia biologicznego - 6 kg;

- etoksylowane kwasytłuszczowe - 1kg.

W tabeli 1podano obniżenie emisji składników toksycznych w spalinach powstających wskutek spalania w silniku o zapłonie samoczynnym paliwa wykonanego według przykładu 1. Wyrażone wprocentach obniżenie emisji liczone jest w stosunku do analogicznych wartości otrzymanych na standardowym niskosiarkowym oleju napędowym. Badania przeprowadzono przy pięciu różnych wartościach obciążeń silnika.

Tabela 1

Obniżenie emisji toksycznych składników spalin powstających w czasie spalania paliwa wykonanego według przykładu 1. Obniżenie liczono w stosunku do wartości otrzymanych podczas spalania standardowego niskosiarkowego oleju napędowego.

Wyszczególnienie	Obciążenie
I	II	III	IV	V
CO [%]	-12	-8	-8	-47	-29
THC [%]	-55	-27	-25	-46	-20
NOx [%]	-7	-14	-12	-6	-3
PM [%]	0	-5	-10	-25	-23

Wyniki zamieszczone w tabeli 1 wskazują na duże obniżenie zawartości składników toksycznych w spalinach powstających w czasie stosowania wykonanego paliwa według wynalazku.

Przykład 2.

Paliwo przygotowuje się mieszając następujące składniki:

-Węglowodory pochodzenia mineralnego wchodzące w skład oleju napędowego -70 kg; -metylowe estry oleju rzepakowego -28 kg;

-bezwodny alkohol etylowy pochodzenia biologicznego - 1kg;

- etoksylowane kwasy tłuszczowe - 1kg.

W tabeli 2 podano obniżenie emisji składników toksycznych w spalinach powstających wskutek spalania w silniku o zapłonie samoczynnym paliwa wykonanego według przykładu 2. Wyrażone w procentach obniżenie emisji liczone jest w stosunku do analogicznych wartości otrzymanych na

PL 193 339 B1 standardowym niskosiarkowym oleju napędowym. Badania przeprowadzono przy pięciu różnych wartościach obciążeń silnika.

Tabela 2.

Obniżenie emisji toksycznych składników spalin powstających w czasie spalania paliwa wykonanego według przykładu 2. Obniżenie liczono w stosunku do wartości otrzymanych na standardowym niskosiarkowym oleju napędowym.

Wyszczególnienie	Obciążenie
I	II	III	IV	V
CO [%]	-2	-5	-10	-38	-22
THC [%]	-30	-14	-19	-33	-22
NOx [%]	-4	-6	-4	-1	-2
PM [%]	-10	-10	-5	-21	-25

Wyniki w tabeli 2 dowodzą, iż także w przypadku zasilania silnika paliwem wykonanym według przykładu 2 występuje zmniejszenie emisji toksycznych składników spalin. Osiągane są jednak mniejsze wartości obniżenia emisji składników toksycznych, niż w przypadku spalania paliwa wykonanego według przykładu 1, z wyjątkiem emisji cząstek stałych.

Gazy powstające ze spalania w silniku spalinowym paliwa według wynalazku, zawierają do 55% składników toksycznych mniej w porównaniu z analogicznym strumieniem otrzymanym z konwencjonalnego, niskosiarkowego oleju napędowego. Spaliny te mają w swoim składzie znacznie mniej tlenków azotu niż inne paliwa zawierające metylowe estry oleju rzepakowego. Silniki spalinowe zasilane paliwem wykonanym według opisu przedmiotowego wynalazku charakteryzują się wskaźnikami pracy jak przy zastosowaniu konwencjonalnego niskosiarkowego oleju napędowego, a nawet korzystniejszymi wskaźnikami - zwłaszcza w stanach nieustalonych ich pracy.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Proekologiczne paliwo do silników o zapłonie samoczynnym zawierające węglowodory pochodzenia mineralnego, metylowe estry oleju rzepakowego i alkohol etylowy biologicznego pochodzenia, znamienne tym, że zawiera węglowodory pochodzenia mineralnego prymarne i/lub pochodzenia wtórnego oraz występujące w oleju napędowym - korzystnie w ilości do 70% m/m, metylowe i/lub etylowe estry oleju rzepakowego w ilości do 30% m/m, alkohol etylowy pochodzenia biologicznego wilości do 30% m/m oraz etoksylowane kwasy tłuszczowe w ilości do 9% m/m.