EP0077027A2 - Dieselkraftstoff - Google Patents

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EP0077027A2
EP0077027A2 EP82109266A EP82109266A EP0077027A2 EP 0077027 A2 EP0077027 A2 EP 0077027A2 EP 82109266 A EP82109266 A EP 82109266A EP 82109266 A EP82109266 A EP 82109266A EP 0077027 A2 EP0077027 A2 EP 0077027A2
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butyl
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Hartmut Dr. Bruderreck
Günter Dr. Deininger
Klaus Dr. Gottlieb
Manfred Dr. Haselhorst
August-Wilhelm Dr. Preuss
Friedel-Heinrich Dr. Wehmeier
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
    • C10L1/026—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only for compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • ether In order to reduce the formation of smoke or soot in diesel engines, it is known to add ether to the diesel fuel, in particular in a mixture with salts of organic acids from metals of main group II of the periodic table, in particular barium.
  • mono- and di-alkyl ethers of glycols in particular mono- and dimethyl ethers of ethylene glycol, are proposed as ethers.
  • These additives have the disadvantage that their production very expensive and their mode of action is only slight as rußminderndes and down g asrezudierendes additive.
  • the pollution of the environment due to the emission of cadmium, barium, strontium is to be feared.
  • the present invention avoids the difficulties and disadvantages of the known ether-containing diesel fuels and is distinguished by an improved combustion behavior compared to conventional diesel fuels and thus an increased useful output and a reduced pollutant emission of the engines operated therewith.
  • methyl tert-butyl ether (2-methoxy-2-methyl propane), methyl tert-amyl ether (2-methoxy-2-methyl butane), isopropyl tert-butyl ether (2- (2'-propoxy) -2-methylpropane), sec-butyl tert-butyl ether (2- (2'-butoxy) -2-methyl propane), methyl tert-2,3-dimethylbutyl ether (2-methoxy-2,3-dimethylbutane ) and methyl tert-2-methylpentyl ether (2-methoxy-2-methylpentane).
  • Ether mixtures which contain up to 90% by volume of one of the stated ethers are preferred.
  • the content of the addition of methyl tert-butyl ether is 5-50% by volume, of methyl tert-amyl ether 5-50% by volume, of isopropyl tert-butyl ether 5-50% by volume, of sec .-Butyl-tert.-butyl ether 5 - 50 vol.%, In methyl-tert.-2,3-dimethyl-butyl ether 5 - 50 vol.% And in methyl-tert.-2-methylpentyl ether 5 - 50 vol .%.
  • the ethers to be added to the diesel fuel according to the invention can be obtained by simple processes from the oil oil production and processing gaseous or volatile hydrocarbons are produced under normal conditions and are made available in large quantities. It is therefore entirely possible to produce diesel fuel with the additives according to the invention, which consists of up to 40, preferably up to 25% by volume of the ether mixture.
  • Common diesel fuel contains cycloparaffins and multinuclear aromatics, which tend to form soot particles during combustion.
  • Complying with a prescribed smoke number smoke number (soot number, smoke unit) requires an excess of air compared to the stoichiometric ratio of fuel / air and thus reduces the maximum amount of energy that can be released per mass of diesel fuel consumed.
  • the soot formation number is greatly reduced by the ether additive according to the invention, which makes it possible to reduce the excess air. This leads to an increase in the efficiency and thus the useful output of the engine through higher medium pressure.
  • the absolute amount of exhaust gas is reduced and pollutant emissions, in particular NO emissions, are reduced.
  • the soot emitted in a reduced concentration is distinguished by the fact that the extractable carcinogenic fractions of polycyclic aromatics are very significantly reduced.
  • the ether mixtures added to the diesel fuel according to the invention can also serve as solubilizers for alcohols, in particular methanol and ethanol. They make it possible to use alcohols with 1 to 4 carbon atoms, e.g. B. methanol, Add ethanol, isopropanol, butanol, sec-butanol and tert-butanol individually or in a mixture, even with low water contents, to the diesel fuel, the alcohol content of the fuel being 2 to 40, preferably 5 to 25,% by volume. This allows z. B. Use alcohols obtained from biomass in larger quantities as diesel oil additives.
  • solubilizers It is known to add alcohols to diesel fuels using solubilizers.
  • solubilizers previously proposed for this purpose are produced by a complex process and are therefore not readily available in the larger quantities required.
  • the substances previously considered as solubilizers also lack the property of favorably influencing the combustion behavior of diesel fuels, as is the case with the ethers according to the invention.
  • a commercially available diesel fuel with the properties listed in Table 1 was used as the mixture component for the production of the fuels according to the invention and as the basis for the comparative tests.
  • the comparative tests of the diesel fuels according to the invention with commercially available fuel were carried out with commercially available diesel engines (Daimler Benz Type 240 D and VW Type Golf D).
  • the power was set at fixed speeds (4400 or 4800 min -1 ) using the different mixtures so that the power achieved with the basic diesel fuel was achieved.
  • Table 3 shows the Bosch number and the specific energy consumption of the basic diesel fuel (0) and the mixtures according to Examples 1 to 8. From Table 3 it can be seen that improvements in the Bosch number as a measure of the soot formation can be achieved up to 62% compared to conventional diesel fuel. Already mixtures whose content of the components according to the invention is only 10 vol.% Have Bosch numbers which are reduced by up to 38%.
  • the NO x levels in the exhaust gas were determined using a commercially available type of engine VW Golf D at a power of 31.4 kW at 4800 min -1. The results are shown in Table 4.

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Abstract

Dieselkraftstoff enthält einen oder mehrere Äther der allgemeinen Formel R1-O-C(CH3)2-R2, wobei R, und R2 jeweils aliphatische Kohlenwasserstoffreste mit 1-4 Kohlenstoffatomen, R2 auch Wasserstoff bedeutet. Der Zusatz beträgt insbesondere 2-50 Vol.%, vorzugsweise 5-25 Vol,-% zweier oder mehrerer folgender Äther: Methyl-tert.-butyläther, Methyl-tert.-amyläther, Isopropyl-tert. butyläther, sec.-Butyl-tert.-Butyläther, Methyl-tert.-2,3-di- methylbutyläther und Methyl-tert.-2-methylpentyläther. Der Dieselkraftstoff kann zusätzlich 2-40 Vol.-%, vorzugsweise 5-25 Vol.-% an Alkoholen mit 1-4 Kohlenstoffatomen im Molekül enthalten.

Description

  • Zur Verminderung der Rauch- bzw. Rußbildung in Dieselmotoren ist es bekannt, dem Dieselkraftstoff Äther, insbesondere in Mischung mit Salzen organischer Säuren von Metallen der II. Hauptgruppe des Periodensystems, insbesondere des Bariums zuzusetzen. Als Äther werden vor allem Mono- und Di-Alkyl- äther von Glykolen, insbesondere Mono- und Dimethyläther von Äthylenglykol vorgeschlagen. Diese Zusätze haben den Nachteil, daß ihre Herstellung sehr aufwendig und ihre Wirkungsweise als rußminderndes und abgasrezudierendes Additiv nur gering ist. Zudem ist die Belastung der Umwelt durch die Emission von Cadmium, Barium, Strontium zu befürchten.
  • Weiterhin ist es bekannt, Dieselmotoren mit Mischungen von Alkoholen und Äthern zu betreiben. Als Alkohole werden Methanol, Äthanol, n-Propanol und n-Butanol vorgeschlagen; bevorzugt werden Mischungen von Dimethyläther und Methanol. Bei diesen Gemischen hat es sich als notwendig erwiesen, die beiden-Bestandteile dem Zylinder getrennt zuzuführen, z. B. über die Ansaugluft und durch die üblichen Einspritzpumpen. Zudem ist der Heizwert bezogen auf die Grundkomponente Dieselkraftstoff um mehr als die Hälfte geringer und die solchen Mischungen eigene Cetanzahl als Maß für die Zündwilligkeit stark vermindert, wenn nicht unzureichend für den runden Lauf eines handelsüblichen Dieselmotors.
  • Die vorliegende Erfindung vermeidet die Schwierigkeiten und Nachteile der bekannten, Äther enthaltenden Dieselkraftstoffe und zeichnet sich durch ein gegenüber üblichen Dieselkraftstoffen verbessertes Verbrennungsverhalten und damit eine erhöhte Nutzleistung und einen verringerten Schadstoffausstoß der damit betriebenen Motore aus.
  • Erreicht werden diese und weitere, sich aus der folgenden Beschreibung ergebende Vorteile erfindungsgemäß durch den Zusatz eines oder mehrerer Äther der allgemeinen Formel R1-O-C(CH3)2-R2 zum Dieselkraftstoff, wobei R1 und R2 jeweils einen Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, 2-Propyl-, 1-Butyl-oder 2-Butylrest, R2 auch Wasserstoff bedeuten. R1 und R2 können gleich oder verschieden sein. Besonders brauchbar sind Methyl-tert.-butyläther (2-Methoxy-2-methylpropan), Methyl-tert.-amyläther (2-Methoxy-2-methylbutan), Isopropyl-tert.-butyläther (2-(2'-Propoxy)-2-methylpropan), sec.-Butyl-tert.-butyläther (2-(2'-Butoxy)-2-methylpropan), Methyl-tert.-2,3-dimethylbutyläther (2-Methoxy-2,3-dimethylbutan) und Methyl-tert.-2-methylpentyläther (2-Methoxy-2-methylpentan). Bevorzugt werden Äthergemische, die bis zu 90 Vol.% eines der genannten Äther enthalten. Insbesondere beträgt der Gehalt des Zusatzes an Methyl-tert.-butyläther 5 - 50 Vol.%, an Methyl-tert.-amyläther 5 - 50 Vol.%, an Isopropyl-tert.-butyläther 5 - 50 Vol.%, an sec.-Butyl- tert.-butyläther 5 - 50 Vol.%, an Methyl-tert.-2,3-dimethyl- butyläther 5 - 50 Vol.% und an Methyl-tert.-2-methylpentyl- äther 5 - 50 Vol.%.
  • Es ist zwar bekannt, vorstehend genannte Äther, insbesondere Methyl-tert.-butyläther Vergaserkraftstoffen zuzusetzen. Hieraus konnte jedoch nicht auf die Eignung der Äther als Zusatzstoffe für Dieselkraftstoffe geschlossen werden. Zum einen ist die Klopffestigkeit des Kraftstoffes bei Dieselmotoren nicht wesentlich; zum anderen ist ein bestimmtes Selbstzündungsvermögen und eine gewisse Verdampfungsgeschwindigkeit bei guten Lösungseigenschaften für Dieselkraftstoff notwendig.
  • Die günstigen Wirkungen treten bereits bei relativ geringen Zusatzmengen von 2, vorzugsweise 5 Vol.% des Äthergemisches zu Dieselkraftstoff auf. Die erfindungsgemäß dem Dieselkraftstoff zuzufügenden Äther können durch einfache Verfahren aus den bei der Erdölgewinnung und -verarbeitung anfallenden, unter Normalbedingungen gasförmigen oder leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen hergestellt und in großen Mengen zur Verfügung gestellt werden. Es ist daher durchaus möglich, Dieselkraftstoff mit den erfindungsgemäßen Zusätzen herzustellen, der bis zu 40, vorzugsweise bis zu 25 Vol.% aus dem Äthergemisch besteht.
  • Üblicher Dieselkraftstoff enthält Cycloparaffine und mehrkernige Aromaten, die bei der Verbrennung zur Bildung von Rußpartikeln neigen. Die Einhaltung einer vorgeschriebenen Rauchbildungszahl (Rußzahl, Smoke-unit) erfordert gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis Kraftstoff/Luft einen Luftüberschuß und vermindert damit die maximal freisetzbare Energie pro verbrauchter Masse Dieselkraftstoff. Durch den erfindungsgemäßen Ätherzusatz wird die Rußbildungszahl stark erniedrigt, wodurch die Herabsetzung des Luftüberschusses möglich ist. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades und damit der Nutzleistung des Motors durch höheren Mitteldruck. Zugleich wird die absolute Abgasmenge verringert und der Schadstoffausstoß, insbesondere die NO -Emission reduziert. Außerdem zeichnet sich der in verringerter Konzentration emittierte Ruß dadurch aus, daß die extrahierbaren karzinogenen Anteile polyzyklischer Aromaten ganz wesentlich vermindert sind.
  • Da die als Zusatzstoffe eingesetzten Äther praktisch schwefelfrei sind, verringert sich der absolute Schwefelgehalt im Dieselkraftstoff. Die geringere Rauchneigung und der kleinere S02-Gehalt bewirken eine geringere Motorölverschmutzung und damit eine längere Standzeit des Motoröls.
  • Die erfindungsgemäß dem Dieselkraftstoff zugesetzten Äthergemische können weiterhin als Lösungsvermittler für Alkohole, insbesondere Methanol und Äthanol dienen. Sie ermöglichen es, Alkohole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, z. B. Methanol, Äthanol, Isopropanol, Butanol, sec.-Butanol und tert.-Butanol einzeln oder in Mischung, sogar mit geringen Wassergehalten, dem Dieselkraftstoff zuzusetzen, wobei die Alkoholgehalte des Kraftstoffes 2 bis 40, vorzugsweise 5 bis 25 Vol.% betragen. Hierdurch lassen sich z. B. aus Biomasse gewonnene Alkohole in größeren Mengen als Dieselölzusätze nutzen.
  • Beim Zusatz von Alkoholen neben den erfindungsgemäßen Äthern ist darauf zu achten, daß der Gehalt des Kraftstoffes an Kohlenwasserstoffen mindestens 40, vorzugsweise mehr als 50 Vol.% beträgt.
  • Es ist zwar bekannt, Dieselkraftstoffen Alkohole unter Verwendung von Lösungsvermittlern zuzumischen. Die bisher hierfür-vorgeschlagenen Lösungsvermittler werden jedoch durch ein-aufwendiges Verfahren hergestellt und sind daher nicht ohne weiteres in den benötigten größeren Mengen verfügbar. Auch fehlt den bisher als Lösungsvermittler in Betracht gezogenen Substanzen die Eigenschaft, das Verbrennungsverhalten von Dieselkraftstoffen günstig zu beeinflussen, wie dies bei den erfindungsgemäßen Äthern der Fall ist.
    • Beispiele
  • Als Mischungskomponente für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftstoffe und als Basis für die Vergleichsversuche wurde ein handelsüblicher Dieselkraftstoff mit den in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften verwendet.
    Figure imgb0001
  • Aus der Grundkomponente und Äther- bzw. Alkoholzusätzen wurden durch Mischung die in Tabelle 2 aufgeführten acht erfindungsgemäßen Dieselkraftstoffe hergestellt, die die dort angegebenen Eigenschaften aufweisen.
    Figure imgb0002
    • Hierbei bedeuten:
    • DK: Grundkomponente gemäß Tabelle 1,
    • B1: Gemisch aus 90 Vol.% Methyl-tert.-butyläther, Isopropyl-tert.-butyläther, sec.-Butyl-tert.-butyläther (im Volumen-Verhältnis 1 : 1 : 1) und 10 Vol.% Methanol, Isopropanol, sec.-Butanol (im Volumen-Verhältnis 1 : 1 : 1),
    • B2: sec.-Butyl-tert.-butyläther,
    • M: Methanol,
    • E: Ethanol
    • * Bei der Bestimmung der Cetanzahl wurde den Kraftstoffen gemäß Beispiel 1< 3 und 7 als Zündbeschleuniger 0,5, 3,5 bzw. 2,0 Gew.% (bezogen auf den Kraftstoff) Di-sec.- butyl-para-phenyldiamin zugesetzt.
  • Die Vergleichsversuche der erfindungsgemäßen Dieselkraftstoffe mit handelsüblichem Kraftstoff wurden mit handelsüblichen Dieselmotoren (Daimler Benz Typ 240 D und VW Typ Golf D) vorgenommen. Zur Vergleichbarkeit der Meßergebnisse wurde die Leistung bei festen Drehzahlen (4400 bzw. 4800 min-1) bei Verwendung der verschiedenen Mischungen so eingestellt, daß die mit dem Grund-Dieselkraftstoff erzielte Leistung erreicht wurde.
  • Die Bosch-Zahl (BZ) als Maß der Abgasschwärze und der spezifische Energieverbrauch wurden mit einem Daimler-Benz-Motor Typ 240 D bei 4400 min-1 und einer Leistung von 47,3 kW bestimmt. In Tabelle 3 sind Bosch-Zahl und spezifischer Energieverbrauch des Grund-Dieselkraftstoffes (0) und der Mischungen nach Beispiel 1 bis 8 zusammengestellt.
    Figure imgb0003
    Aus Tabelle 3 wird ersichtlich, daß Verbesserungen der Bosch-Zahl als Maß für die Rußbildung bis zu 62 % gegenüber konventionellem Dieselkraftstoff erzielt werden. Bereits Mischungen, deren Gehalt an den erfindungsgemäßen Komponenten nur 10 Vol.% beträgt, weisen Bosch-Zahlen auf, die bis zu 38 % vermindert sind.
  • Außerdem zeigt sich, daß der spezifische Energieverbrauch trotz geringerer Heizwerte der erfindungsgemäßen Mischungen ebenso gut oder in den meisten Fällen niedriger ist als bei Verwendung des Grund-Dieselkraftstoffes.
  • Die NOx-Werte im Abgas wurden mit einem handelsüblichen VW-Motor Typ Golf D bei einer Leistung von 31,4 kW bei 4800 min-1 ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.
    Figure imgb0004
  • Aus Tabelle 4 ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäßen Dieselkraftstoffe im Abgas zu einer Verminderung der Stickoxid-Konzentration bis zu 26 % (bezogen auf handelsüblichen Dieselkraftstoff) führen.

Claims (12)

1. Gegebenenfalls Alkohole enthaltender Dieselkraftstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er einen oder mehrere Äther der allgemeinen Formel R1-O-C(CH3)2-R2 enthält, wobei R1 und R2 jeweils einen Methyl-, Äthyl-, 1-Propyl-, 2-Propyl-, 1-Butyl- oder 2-Butylrest, R2 auch Wasserstoff bedeutet.
2. Dieselkraftstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 2 - 50 Vol.% eines Zusatzes enthält, der aus
0 - 90 Vol.% Methyl-tert.-butyläther
0 - 90 Vol.% Methyl-tert.-amyläther
0 - 90 Vol.% Isopropyl-tert.-butyläther
0 - 90 Vol.% sec.-Butyl-tert.-Butyläther
0 - 90 Vol.% Methyl-tert.-2,3-dimethylbutyläther
0 - 90 Vol.% Methyl-tert.-2-methylpentyläther

besteht.
3. Dieselkraftstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 5 bis 25 Vol.% des Äthergemisches enthält.
4. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz zu 5 bis 50 Vol.% aus Methyl-tert.-butyläther besteht.
5. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz zu 5 bis 50 Vol.% aus Methyl-tert.-amylächer besteht.
6. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz zu 5 bis 50 Vol.% aus Isopropyl-tert.-butyläther besteht.
7. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz zu 5 bis 50 Vol.% aus sec.-Butyl-tert.-butyläther besteht.
8. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz zu 5 bis 50 Vol.% aus Methyl-tert.-2,3-dimethylbutyläther besteht.
9. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz zu 5 bis 50 Vol.% aus Methyl-tert.-2-methylpentyläther besteht.
10. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz Methyl-tert.-butyläther, Isopropyl-tert.-butyläther und sec.-Butyl-tert.-butyläther etwa im Volumenverhältnis 1 : 1 : 1 enthält.
11. Dieselkraftstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er 2 bis 40 Vol.% an Alkoholen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Molekül enthält.
12. Dieselkraftstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er 5 bis 25 Vol.% an Alkohol enthält.
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