DK174108B1 - Brændstof på basis af ethanol og anvendelse heraf som dieselbrændstof - Google Patents

Description

i DK 174108 B1

Den foreliggende opfindelse angår et brændstof på basis af ethanol samt anvendelse af dette brændstof som dieselbrændstof. Brændstoffet ifølge opfindelsen indeholder polyalkylenglycol-forbindelser som tændingsforbedrende 5 midler.

I en dieselmotor komprimeres forbrændingsluften til omkring 40 bar, hvorved luften når op på en temperatur, som er tilstrækkeligt høj til at antænde den indsprøjtede 10 dieselolie. For gasolie er anvendelsestemperaturen speci ficeret til 336 °C, og for petroleum er anvendelsestemperaturen specificeret til 295 °C. Med hensyn til vandfri ethanol er antændelsestemperaturen i luft specificeret til 558 °C, og antændelsestemperaturen i gasformig oxygen 15 er specificeret til 425 °C. Endvidere svarer fordampnin gen af ethanol til en luftafkøling på omkring 125 ‘C i et støkiometrisk forhold mellem ethanol og luft. På grund af ethanolens høje antændelsestemperatur er det ikke muligt at anvende ren ethanol som brændstof i en konventionel 20 dieselmotor.

En måde, hvorpå man kan antænde det ethanol-baserede brændstof, består i at forsyne dieselmotoren med tændrør, men dette nødvendiggør omfattende modifikationer af mo-25 torkonstruktionen. For konventionelle dieselmotorers ved kommende har man sat et såkaldt tændingsforbedrende middel, dvs. et middel, som tjener til at sænke brændstoffets antændelsestemperatur, til ethanolen. De dominerende tændingsforbedrende midler er en gruppe af alkylnitrater, 30 idet den mest anvendte forbindelse er 2-ethylhexylnitrat, almindeligvis forkortet EHN.

EHN, som har en temmelig stærk og ubehagelig lugt, er toxisk og kan hydrolyseres til salpetersyre og 2-ethyl-35 hexanol ved længere tids opbevaring, især ved forhøjet temperatur. Hydrolysen fremkalder en mærkbar sænkning af pH-værdien, hvilket medfører en alvorlig risiko for kor- DK 174108 B1 2 rosion. En anden alvorlig ulempe ved EHN er, at forbindelsen indeholder nitrogen, som kan forøge emissionen af nitrogenoxider med udstødningsgasserne. Derfor er det et generelt ønske at kunne erstatte EHN og andre nitrat-ba-5 serede tændingsforbedrende midler med midler, som er mindre skadelige for det omgivende miljø, og som har en højere stabilitet.

Det er også velkendt at sætte korrosionsinhibitorer og 10 smøremidler til brændstoffer. DE offentliggørelsesskrift nr. 3 628 504 beskriver et brændstof bestående af en blanding af carbonhydnder, en alkohol og en korrosionsinhibitor i en mængde på op til 5000 ppm. Denne inhibitor indeholder et overfladeaktivt middel, eksempelvis blokpo- 15 lymerer af alkylenoxider.

GB patentansøgning nr. 2 143 846 A2 beskriver anvendelsen af 0,005 - 0,05 vægt-% af en polyalkylenglycol som smøringsforbedrende middel i et diesel-brændstof baseret på 20 methanol og/eller ethanol.

GB patentansøgning nr. 1 591 398 beskriver et brændstof baseret på methanol, der indeholder 50 vægt-% methanol/ og som tændingsforbedrende middel indeholder en methanol-25 opløselig polyether med 4-400 oxyalkylenenheder afledt af ethylenoxid og/eller propylenoxid, hvori oxyalkylenenhe-derne udgør mindst 40 vægt-% af polyetheren.

Det har nu overraskende vist sig, at de ovennævnte ulem-30 per ved EHN kan elimineres, hvis man anvender polyalkylenglycol-forbindelser som tændingsforbedrende midler i ethanol-baserede brændstoffer. Det ethanol-baserede brændstof ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at det har form af en opløsning og indeholder 62-94%, fortnns-35 vis 70-85% ethanol, 2-8%, fortrinsvis 3-6% vand og mindst 1%, fortrinsvis 2-30% og især 8-25% af en vandopløselig polyalkylenglycol-forbmdelse med den almene formel 3 DK 174108 B1

R 0(A)n H

hvori R er hydrogen eller en carbonhydridgruppe med 1-30 carbonatomer, A er en alkylenoxidgruppe med 2-3 carbon-5 atomer, idet mxndst 20% af samtlxge alkylenoxidgrupper er ethylenoxxdgrupper, og n er et helt tal valgt således, at polyalkylenglycol-forbxndelsen har en molekylvægt på mellem 400 og 1000.

10 Foretrukne udførelsesformer er angxvet x krav 2 og 3.

Anvendelse af det ethanolbaserede brændstof som brændstof txl dxeselmotorer er angxvet x krav 4. Foretrukne udførelsesformer er angxvet x krav 5 og 6.

15 I den konventxonelle dxeselmotor andrager txlsætnxngen af polyalkylenglycol-forbxndelsen fortrxnsvxs 12-20 vægt-%, men ved at optxmere motoren, eksempelvxs ved at hæve kom-pressxonsforholdet og/eller forvarme xndgangsluften, kan 20 man reducere denne txlsætnxng, fortrxnsvxs txl 2-12 vægt-%. Den ethanol-holdxge sammensætnxng xfølge opfxndelsen har en fremragende brændbarhed, og polyalkylenglycol-for-bxndelserne er lugtfrx, xkke-toksxske og lagerstabile. Eftersom de let kan vælges på en sådan måde, at de kun 25 xndeholder carbon, oxygen og hydrogen, indebærer deres forbrændxng xkke nogen trussel for mxljøet, og forsøg har vxst, at det ethanol-baserede brændstof xfølge opfindelsen har en fremragende forbrændxngsevne, og at indholdet af organxske carbonhydrxder x udstødnxngsgasserne er 30 lavt, sædvanlxgvxs langt under 1000 ppm.

Det er vxgtxgt, at polyalkylenglycol-forbxndelserne har en molekylvægt på over 400, eftersom forbxndelser med lavere molekylvægte har en alt for rxnge tændingsforbed-35 rende effekt, hvorxmod forbxndelser med en molekylvægt på over ca. 1000 xkke er txlstrækkelxgt opløselxge i det ethanol-baserede brændstof.

DK 174108 B1 4

De ifølge opfindelsen anvendte polyalkylenglycol-forbindelser kan være afledt af såvel ethylenoxid som blandinger af ethylenoxid og propylenoxid. Hvis man anvender blandinger af ethylenoxid og propylenoxid, kan der være 5 tale om såvel vilkårlige kombinationer som kombinationer 1 en eller flere blokke. Alkylenoxiderne kan også kombineres med en forbindelse, der indeholder aktivt hydrogen, såsom en alkohol eller en phenolforblndelse. Alkoholen vælges fortrinsvis således, at den indeholder 1-16 carlo bonatomer, mens phenolforbmdelsen fortrinsvis vælges på en sådan måde, at den indeholder 6-15 carbonatomer.

Det foretrækkes, at polyalkylenglycol-forbindelserne i det væsentlige er askefri, dvs. at de eksempelvis mde-15 holder under 0,02% aske, med henblik på at begrænse aflejringerne i cylinderne og i udstødningens katalysator til et minimum. Normalt indeholder polyalkylenglycol-for-bmdelserne aske, som stammer fra de ved fremstillingen anvendte metalforbindelser. Disse metalforbindelser kan 20 fjernes ved lonbytnmg eller ved udfældning efterfulgt af filtrering. En anden metode til opnåelse af askefri poly-alkylenglycoler består i at anvende organiske askefri forbindelser som katalysatorer ved fremstillingen.

25 Ud over ethanol, vand og polyalkylenglycol-forbindelser kan brændstoffet ifølge opfindelsen også indeholde et antal konventionelle additiver, såsom korrosionsinhibitorer, smøringsforbedrende midler og denatureringsmidler.

30 Opfindelsen illustreres nærmere ved de følgende eksempler.

Eksempel 1 35 Forskellige ethanol-baserede brændstoffer blev testet i en 6-cylindret forkomprimeret laboratone-dieselmotor med et kompressionsforhold på 18:1. Brædnstofinjektorerne 5 DK 174108 B1 havde fem huller med en dxameter på 0,42 mm. Under forsøget bestemte man indholdet af organiske carbonhydrider x udstødningsgasserne ved forskellige motorhastigheder og med en belastning på 2%. De testede ethanol-baserede 5 brændstoffer indeholdt 60,8 vægtdele ethanol, 3,2 vægtdele vand og 22 vægtdele polyethylenglycol med en molekylvægt på 400 (PEG 400) eller 20 vægtdele af et addukt bestående af nonylphenol kombineret med 16 mol ethylen-oxid (NF + 16 EO) eller af dinonylphenol kombineret med 10 20 mol alkylenoxxd bestående af en blanding af 30% ethy- lenoxid og 70% propylenoxid (DNF+(6 EO+14 PO)). Man fandt de følgende resultater:

Tabel I 15

Test Motorhastighed, Carbonhydrld- nr. Omdrejninger indhold, ppm pr. minut —— — PEG400 NF+16E0 DNF+(6E0+14P0) 20 1 1800 630 650 790 2 2000 600 620 750 3 2200 610 630 750

Resultaterne viser, at det ethanol-baserede brændstof ifølge opfindelsen med fordel kan anvendes som diesel-25 brændstof, og at carbonhydridindholdet i udstødningsgasserne ligger betydeligt under 1000 ppm. Indholdet af carbonhydrider på over 1000 ppm i udstødningsgasserne er uacceptable af miljømæssige årsager.

Eksempel 2

Man gennemførte en test med den samme dieselmotor som i eksempel 1. Dieselmotoren blev varmet op ved en omdrej - 35 6 DK 174108 B1 mngshastighed på 1300 omdrejninger pr. minut og en belastning på 550 Nm, hvorefter man lod motoren køre i tomgang i 10 minutter. Diesel-brændstoffet bestod af 60,8 vægtdele ethanol, 3,2 vægtdele vand og 14 (eller alterna-5 tivt 17) vægtdele af en polyalkylenglycol-forbindelse, som bestod af nonylphenol kombineret med 16 mol ethylen-oxid pr. mol nonylphenol (nf+16 E0). Ved nogle af forsøgene var motoren endvidere forsynet med en katalysator til rensning af udstødningen. Resultaterne fremgår af den 10 følgende tabel.

Tabel II

- ς Carbonhydnd- a Motorhastig- indhold, ppm hed, omdrej- - ----------------———

Test ninger pr. Tid, NF + 16E0 med uden nr. minut min. vægtdele katalysator katalysator 4 1300 0 14 45 270 5 500 1 14 25 300 20 6 500 2 14 40 450 7 500 3 14 70 530 8 500 4 14 180 570 9 500 5 14 370 600 10 500 7 14 620 670 11 500 10 14 610 660 12 1300 0 17 40 13 500 1 17 25 14 500 2 17 40 15 500 3 17 50 16 500 4 17 110 17 500 5 17 210 18 500 7 17 480 19 500 10 17 500 30 35 7 DK 174108 B1 * Resultaterne viser, at carbonhydrid-indholdet også under tomgang, hvor en dieselmotors emission af carbonhydrider normalt er meget høj, vil forblive et godt stykke under 1000 ppm, når man anvender et ethanol-baseret brændstof 5 ifølge opfindelsen.

Eksempel 3 På samme måde som i eksempel 1 testede man et ethanol-10 baseret brændstof i en dieselmotor, der kørte med 2000 omdrejninger pr. minut. Det ethanol-baserede brændstof indeholdt 60,8 vægtdele ethanol, 3,2 vægtdele vand og 18,7 vægtdele polyethylenglycol med en molekylvægt på 600. Udstødningsgasserne viste sig at indeholde 650 ppm 15 organiske carbonhydrider.

Claims (6)

1. Brændstof på basis af ethanol, kendetegnet 5 ved, at det har form af en opløsning og indeholder 62-94 vægt-% ethanol, 2-8 vægt-% vand og mindst 1 vægt-%, fortrinsvis 2-30 vægt-% af en vandopløselig polyalkylengly-col-forbindelse med den almene formel

10 K 0(A)nH hvori R er hydrogen eller en carbonhydrrdgruppe med 1-30 carbonatomer, A er en alkylenoxygruppe med 2-3 carbonato-mer, idet mindst 20% af samtlige alkylenoxygrupper er 15 ethylenoxygrupper, og n er et helt tal valgt på en sådan måde, at polyalkylenglycol-forbindelsen har en molekylvægt på mellem 400 og 1000.

2. Brændstof ifølge krav 1, kendetegnet ved, 20 at det indeholder 70-85 vægt-% ethanol, 3-6 vægt-% vand og 2-20 vægt-% af en polyalkylenglycol-forbindelse.

3. Brændstof ifølge ethvert af kravene 1 eller 2, kendetegnet ved, at polyalkylenglycol-forbindelsen 25 har et askeindhold på under 0,02%.

4. Anvendelse af en sammensætning, som har form af en opløsning, og som indeholder 62-94 vægt-% ethanol, 2-8 vægt-% vand og 2-30 vægt-% af en vandopløselig polyalky- 30 lenglycol-forbindelse med den almene formel R 0(A)nH hvori R er hydrogen eller en carbonhydndgruppe med 1-30 35 carbonatomer, A er en alkylenoxidgruppe med 2-3 carbon-atomer, idet mindst 20% af samtlige alkylenoxidgrupper er ethylenoxidgrupper, og n er et helt tal valgt på en sådan DK 174108 B1 måde, at polyalkylenglycol-forbindelsen har en molekylvægt på mellem 400 og 1000, som brændstof til dieselmotorer.

5. Anvendelse ifølge krav 4, kendetegnet ved, at sammensætningen indeholder 70-85 vægt-% ethanol, 3-6 vægt-% vand og 2-20 vægt-% af en polyalkylenglycol-forbindelse.

6. Anvendelse ifølge krav 4 eller 5, kendeteg net ved, at polyalkylenglycol-forbindelsen har et askeindhold på under 0,02%.