(57)【要約】  主要エタノール含有燃料の転化によって得られるジエチルエーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する方法であって、その際、該主要燃料は、一定の最小及び最大流量で触媒的反応器を通って、触媒的にジエチルエーテル含有燃料に転化される。そうして製造されたエーテル含有燃料は、バッファータンク、及び主要エタノール燃料を保持するための第一の燃料タンク、反応器のインレットで該第一の燃料タンクに、そして該反応器のアウトレットで第二のバッファータンクに連結されるエタノール脱水反応器、を含み、該脱水反応器中で形成されるジエチルエーテル含有燃料を保持する該第二のバッファータンクは、圧縮エンジンに更に連結され、該第二のバッファータンクに、そのバッファータンクの上限燃料レベルを検知するための少なくとも一つのセンサー、及び下限燃料レベルを検知するための少なくとも一つの第二のセンサーが設けられる、特許請求の範囲のいずれか一つにおいて使用するためのシステムに送られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主要エタノール含有燃料の転化によって得られるジエチルエーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する方法であって、次の工程、
（ａ）  第一の燃料タンクから該主要エタノール含有燃料を抜き出す工程、
（ｂ）  該主要エタノール含有燃料を、所定の一定の最大流量で、アルコール脱水触媒を有する反応室中に導入する工程、
（ｃ）  該主要エタノール含有燃料を脱水して、ジエチルエーテル含有燃料にする工程、
（ｄ）  該ジエチルエーテル含有燃料を、所定の上限燃料レベルまで第二のバッファータンクに送り、そして該反応室において上限燃料レベルが達せられた時に、該主要エタノール含有燃料が該反応室中に導入されるのを遮断するか、又は該主要エタノール含有燃料が該反応室中へ導入される流量を、該最大流量よりも低い一定の最小流量まで低減する工程、
（ｅ）  該ジエチルエーテル含有燃料を該第二のバッファータンクから抜き出し、そして該ジエチルエーテル燃料を該エンジン中に噴射し、そして該第二のバッファータンクを該所定の下限燃料レベルまで空にする工程、
（ｆ）  該所定の下限燃料レベルが達せられた時に、該主要エタノール含有燃料の該反応室中への導入を再開するか、又は該主要エタノール含有燃料の該反応室中への該一定の最大流量を回復する工程、
を含む、上記の方法。
【請求項２】
前記最大の一定流量が、前記ジエチルエーテル含有燃料の最大燃料消費量の少なくとも７０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記最小の一定流量が、前記ジエチルエーテル含有燃料の最大燃料消費量の０％〜３０％である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法において使用するための、主要エタノール含有燃料を保持するための第一の燃料タンク、
該反応器のインレットで該第一の燃料タンクに、そして該反応器のアウトレットで該第二のバッファータンクに連結されたエタノール脱水反応器、を含むシステムであって、
該脱水反応器中で形成されるジエチルエーテル含有燃料を保持する該第二のバッファータンクが、圧縮着火エンジンに更に連結され、
該第二のバッファータンクに、該バッファータンク中の上限燃料レベルを検知するための少なくとも一つのセンサー及び該バッファータンクにおける下限燃料レベルを検知するための少なくとも一つの第二のセンサーが設けられた、上記のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、圧縮着火エンジンを運転するための方法に関する。特に、本発明は、圧縮着火エンジンを運転するのに使用するために、エーテル含有ディーゼル燃料を主要エタノール燃料から製造するための方法及びシステムを提供する。
【０００２】
圧縮着火エンジンの最も典型的な例は、高セタン価数のディーゼル燃料で運転するディーゼルエンジンである。ディーゼル燃料の燃焼から生じる環境汚染を低減するために、ディーゼル燃料を環境に対する影響が低減された代替燃料に置き換えるためのいくつかの試みが過去になされている。
【０００３】
生物源又は廃物源から生成されるエタノールは、近い将来において輸送のエネルギー源としての重要性が増すであろう。しかしながら、このエネルギー源を効率的に使用するための新しい技術が必要とされている。
【０００４】
ディーゼル燃料として、アルコールの脱水によって製造される低級エーテル類の使用は、公報番号、例えば、米国特許第４，８９２，５６１号明細書（特許文献１）、同第５，９０６，６６４号明細書（特許文献２）及び同第７，４４９，０３４号明細書（特許文献３）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，８９２，５６１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９０６，６６４号明細書
【特許文献３】米国特許第７，４４９，０３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ディーゼルエンジンにおけるその清浄な燃焼特性及び高い効率にも拘わらず、エーテルベース燃料の主要な欠点とは、車両に搭載された状態（ｏｎ  ｂｏａｒｄ）での困難な貯蔵及び取り扱いである。周囲条件において、ジメチルエーテルは気体形態にある。ジメチルエーテル燃料を、より便利なその液体形態に状態変化させるために、燃料は圧力下で貯蔵して取り扱わなければならない。
【０００７】
ジエチルエーテルは周囲条件で液体形態であるが、このエーテルは高い蒸気圧を有し、そして空気と接触する際は爆発の危険性が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の問題を回避するために、特に、ジエチルエーテルを車両に搭載してディーゼル燃料として使用するとき、本発明は、一般に、エタノールを含有する主要燃料を採用すること、及びその主要燃料に含有されるエタノールを車両に搭載した状態で触媒的に脱水してジエチルエーテル含有ディーゼル燃料にすることに基づいている。結果として、車両は、一回に制限された量のジエチルエーテルしか含まず、そして燃料の分配システムは、ジエチルエーテルよりも輸送するのにずっと安全なエタノールを使用する。
【０００９】
エタノールのような第一アルコールの触媒的脱水を採用する際、主要燃料の脱水速度及び主要燃料の触媒的脱水反応器への流量を、エンジン中でのその瞬間のエーテル含有燃料の実際の消費量に適合させなければならないという問題が生じる。
【００１０】
エタノールのエーテルへの転化は、発熱平衡反応である。その結果、反応器中のその反応温度及び触媒は、該反応器を通るアルコールの流量に依存することになる。エーテル燃料の高い消費率において、反応器を通る第一アルコール燃料のスループット率は、従って、基準値（ｌｅｖｅｌｓ）まで反応温度を増大させるよう高いものであることが必要であるため、その結果望ましく副生成物の形成が増加する。
【００１１】
エタノールのエーテルへの触媒的転化の副生成物はエチレンである。エチレンは、２００〜２４０℃の低温でのエタノールの転化の際に数％のオーダーで常に少量観察されるが、より高い温度では著しくなる（図１参照）。少量のエチレンは燃料品質にほとんど影響しないが、エチレンはディーゼル燃料として適さないため多量では有害である。エチレンの生成はまた、コークスが触媒上に堆積して失活を引き起こす兆候を示す可能性もある。結果として、エチレンの形成を最小限にするために、触媒的脱水反応器中の温度を制御することが重要である。
【００１２】
上述の問題を解決するために、本発明は、その最も広い実施形態において、主要エタノール含有燃料の転化によって得られるジエチルエーテル含有燃料で圧縮着火エンジンを運転する方法を提供し、該方法は、次の工程、
（ａ）  第一の燃料タンクから該主要エタノール含有燃料を抜き出す工程、
（ｂ）  該主要エタノール含有燃料を、所定の一定の最大流量で、アルコール脱水触媒を有する反応室中に導入する工程、
（ｃ）  該主要エタノール含有燃料を脱水して、ジエチルエーテル含有燃料にする工程、
（ｄ）  該ジエチルエーテル含有燃料を、所定の上限燃料レベルまで第二のバッファータンクに送り、そして該反応室において上限燃料レベルが達せられた時に、該主要エタノール含有燃料が該反応室中に導入されるのを遮断するか、又は該主要エタノール含有燃料が該反応室中へ導入される流量を、該最大流量よりも低い一定の最小流量まで低減する工程、
（ｅ）  該ジエチルエーテル含有燃料を該第二のバッファータンクから抜き出し、そして該ジエチルエーテル燃料を該エンジン中に噴射し、そして該第二のバッファータンクを該所定の下限燃料レベルまで空にする工程、
（ｆ）  該所定の下限燃料レベルが達せられた時に、該主要エタノール含有燃料の該反応室中への導入を再開するか、又は該主要エタノール含有燃料の該反応室中への該一定の最大流量を回復する工程、
を含む。
【００１３】
アルコール類のエーテル類への脱水は、当技術分野で知られている、γ−アルミナ、シリカ及びリンによる改質アルミナ、Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３、硫酸化金属酸化物又はタングステン酸化金属酸化物（例えば、硫酸化ジルコニア、硫酸化酸化スズ、タングステン酸化ジルコニア、又はタングステン酸化酸化スズ）、スルホン酸基を含む材料、及び分子篩材料（菱沸石、モルデナイト、ＳＡＰＯ）又はゼオライトを含む、固体酸触媒のような酸性材料により触媒作用を受ける。
【００１４】
上記及び以下の説明並びに特許請求の範囲で言及される“一定の流量”という用語は、主要エタノール燃料が反応器へ送られる時の速度を意味する。
【００１５】
本発明の実施形態において、反応室及びバッファータンクの運転は、次の工程、
該主要エタノール含有燃料を、燃料の最大消費量の少なくとも７０％である所定の最大の一定流量で、アルコール脱水触媒を含む反応室中に導入する工程、
該主要エタノール含有燃料を脱水して、ジエチルエーテル含有燃料にする工程、
該ジエチルエーテル含有燃料を、所定の上限燃料レベルまで第二のバッファータンクに送る工程、
（ｅ）  該反応室において上限燃料レベルが達せられた時に、該主要エタノール含有燃料の流量を、最大燃料消費量の０〜３０％の間の所定の一定の最小流量まで低減する工程、
（ｆ）  該バッファータンクを該所定の下限燃料レベルまで空にする工程、
（ｇ）  該所定の下限燃料レベルが達せられた時に、該主要エタノール含有燃料の該反応室中への導入を再開するか、又は該主要エタノール含有燃料の該反応室中への該一定の最大流量を回復し、そして該手順を繰り返す工程、
を含む。
【００１６】
エンジンの“最大燃料消費量”は、時間内の所与の時点におけるバッファータンク中の燃料の量（ｇ又はｋｇ）から、その時間内の該特定の時点の一分前のそのタンク中の燃料の量（ｇ又はｋｇ）を差し引き、そしてそれに６０を乗じ、ｇ／ｈ又はｋｇ／ｈに変換することで計算される、１分間の期間のわたる時間平均燃料消費量の最大値として定義される。燃料消費量に要求されるデータは、圧縮着火エンジンの適切な実験室試験の実行、又は自動車又は据置型発電所のような圧縮着火エンジンの適用における測定によって一般化することができる。
【００１７】
主要燃料タンク、反応室及びバッファータンクを含むシステムの部分は、エンジンの最大燃料消費量に適合させなければならない次のパラメーターを有する。すなわち、バッファータンクの貯蔵容量、バッファータンク中の高い燃料レベル、バッファータンク中の低い燃料レベル、反応器の体積、触媒量、反応器運転温度、反応器運転圧力、第一の一定の流量（１時間当たりのｋｇ又はリットル）、第二の一定の流量（１時間当たりのｋｇ又はリットル）である。
【００１８】
“バッファータンクの貯蔵容量”という語は、そのバッファータンク中に含むことができる燃料の総量を意味する。
【００１９】
“高い燃料レベル”とは、反応器の運転が、高い一定の流量から低い一定の流量へと変化した時点におけるバッファータンク中の所定の燃料含有量を意味する。
【００２０】
“低い燃料レベル”とは、反応器の運転が、低い一定の流量から高い一定の流量へと変化した時点におけるバッファータンク中の所定の燃料含有量を意味する。
【００２１】
バッファータンクにより、反応器の運転に由来するエンジンの燃料要求の変動を排除して、反応器を予測可能な条件下で運転することが可能となる。追加の利点とは、エンジンに必要なある種の添加剤を主要燃料タンクに代えてバッファータンクに添加することができる点であり、それにより、反応器中の触媒性能に悪影響は及ばない。
【００２２】
反応器において二つより多くの流量レベルを利用するシステムを、例えば、最大燃料消費量の５０％であり、エンジンの燃料要求が低い間にバッファータンクを満たすのに適用できる中間流量を導入することによって設計することが考えられる。原則として、この結果、反応器のより正確な制御が得られるが、それはまた、高い燃料要求条件下（例えば、長い自動車道路旅程）、又は低い燃料要求条件下（例えば、都市領域におけるより長い運転）での延長された時間エンジンを使用するために、上記で示した範囲で所定の流量を適用するのにも必要とされる。
【００２３】
本発明は、更に、本発明による方法で使用するためのシステムを提供し、該システムは、主要エタノール含有燃料を保持するための第一の燃料タンク、
反応器のインレットで該第一の燃料タンクに、そして該反応器のアウトレットで第二のバッファータンクに連結されたエタノール脱水反応器、
を含み、
該脱水反応器中で形成されるジエチルエーテル含有燃料を保持する該第二のタンクが、圧縮着火エンジンに更に連結され、
該第二のバッファータンクに、該バッファータンク中の上限燃料レベルを検知するための少なくとも一つのセンサー、及び該バッファータンク中の下限燃料レベルを検知するための少なくとも一つの第二のセンサーが設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】温度範囲１８０〜２６０℃での、６０重量％Ｈ−ＺＳＭ−５／４０重量％アルミナ触媒によるエタノールの転化における生成物の組成を示す図である。
【図２】タンク中の燃料含有量と時間平均燃料消費量との関係を示す図である。
【図３】実施例１の燃料消費量データを用いて計算された、バッファータンク中の燃料含有量を示す図である。
【図４】実施例１の燃料消費量データを用いて計算された、バッファー中の燃料含有量を示す図である。
【図５】実施例１の燃料消費量データを用いて計算された、バッファー中の燃料含有量を示す図である。
【図６】反応器中のエタノール転化におけるホットスポット温度及び出口温度を流量との関係で示す図である。
【図７】高い流量と低い流量での運転によるエタノール転化における温度プロフィールを示す図である。
【実施例】
【００２５】
実施例１
この実施例は、３０分間続いた標準的なエンジン試験運転において得られたデータを用いて、エンジンの最大燃料消費量をどのように測定するかを示す。この実施例において、従来のディーゼル燃料の消費量（１時間当たりのｋｇ）は、０．１秒毎に測定された。この燃料消費量に、エタノールベースの燃料の予測される消費量の結果生じるエタノールの下限燃焼熱を補正するために１．５を乗じた。図２中の灰色の線は、これらのデータから計算される試験の間のタンク中の燃料含有量を示している。黒色の線は、この試験の間に、１分前の燃料含有量を差し引いた、所与の時点における燃料含有量における差から計算された時間平均燃料消費量を示している。最大燃料消費量は、試験中の２４．２分において生じるこの曲線の最大値であり、そして１８ｋｇ／ｈに対する量である。
【００２６】
実施例２
この実施例は本発明の運転の原理を例示する。２，０００ｇの高い燃料レベル及び１，０００ｇの低い燃料レベルを有するバッファータンクを想定し、そして実施例１におけるのと同じ燃料消費量データを使用する。該バッファータンクを満たす間の所定の流量は、最大燃料消費量（１８．０ｋｇ／ｈ）に等しいものと想定され、該バッファータンクを空にする間の所定の流量は、最大燃料消費量又は遮断された流量の０％（０．０ｋｇ／ｈ）に設定される。バッファータンク中の初期の燃料量は２，０００ｇが選択され、これは、反応器が、当初０．０ｋｇ／ｈの流量で運転されることを意味する。図３ａは、本発明において記載されるようなこれらの特定の値を用いる反応器の運転によるバッファータンク中の燃料の計算される量を示している。本発明者等は、バッファータンクが、０〜１３．６分及び１８．４〜２４．３分に、０．０ｋｇ／ｈの流量で空になることを見出している。１３．６分〜１８．４分、及び２４．３〜３０．０分には、流量は１８．０ｋｇ／ｈに設定され、反応器は、これらの時間間隔で満たされる。図を参照すると、灰色の曲線は燃料を示し、バッファータンクは補給されず、その場合、この実施例ではちょうど２１分後に燃料は使い果たされるであろう。図３ｂは、バッファータンクを満たす間２３．０ｋｇ／ｈの流量で、そして該バッファータンクを空にする間０．２３ｋｇ／ｈの流量で運転され、これは本質的に同じ運転という結果になる。
【００２７】
実施例３
この実施例は、バッファータンクを満たす間の流量の下限を調査する。図４は、上述したように、実施例１で測定された最大燃料消費量の７０％に相当する１２．６ｋｇ／ｈの一定の流量を用いた、バッファータンク中の計算された燃料含有量を示している。バッファータンク中の燃料の初期量は２，０００ｇであり、そのバッファータンクを空にする間の流量は０．０ｋｇ／ｈ（遮断された流れ）に設定される。明らかなように、２０〜２９分の期間において、バッファータンク中の燃料含有量は有意には変化せず、そして流量の更なる減少により、結果として高いレベルに到達する前にバッファータンクが空になるであろう。従って、これは、反応室の運転のための第一の一定の流量が最も低い可能性であることが考えられる。
【００２８】
実施例４
この実施例は、バッファータンクを空にする間の流量の上限を調査する。図５は、満たす間の１８．０ｋｇ／ｈの一定の流量、及び図１で測定された最大燃料消費量の３０％に相当する５．４ｋｇ／ｈの流量を用いて計算された、バッファータンク中の燃料含有量を示している。この実施例では、バッファータンク中の燃料含有量において初期の僅かな増加が存在し、そしてバッファータンク中の燃料含有量が有意に変化しないが、そのレベルが高いレベルよりも若干上にある長い期間が存在する。明らかなことに、更に増加する第二の一定の流量の結果、バッファータンクが空にされるべき時には、延長された期間の間、バッファータンク中の燃料含有量が増加する。従って、このことは、第二の一定の流量に許容可能な最大値と見なすことができる。
【００２９】
実施例５
この実施例は、エタノールコンバーター中の温度に対する本発明の効果を説明する。エタノールのジエチルエーテルへの脱水は発熱性であるために、反応器中の温度プロフィールが確立され、そして流量に依存して、入り口温度より約８０〜９０℃高いホットスポット（ｈｏｔ−ｓｐｏｔ）温度が予想できる。図６ａは、図１に示すような性能を有する、１０ｃｍの内径及び２５ｃｍの長さを有し、１／８”三葉状押出成形品である６０重量％Ｈ−ＺＳＭ−５／４０重量％アルミナ触媒が２．０ｋｇ充填された反応器が、エンジンの要求するその瞬間的な燃料に適合する流量で運転される場合の反応器中の最高温度である、計算されたホットスポット温度を示している。その反応器の入り口温度は２００℃であり、その外壁温度（２ｍｍの壁厚）は２００℃に維持され、圧力は１０バール  ｇである。その瞬間の流量は、図１で説明したように計算されるが、１分間に代えて１０秒間の時間窓で計算され、そして完了したサイクルは、１時間の運転をシミュレートするために一回繰り返される。結果は、反応器の非常に変動的なホットスポット温度及び出口温度である。初期加熱の効果が排除されることを意味する長時間運転条件に相当する３０〜６０分の期間における平均ホットスポット温度及び出口温度は、それぞれ２７３℃及び２５０℃である。その３０〜６０分の期間の間にエンジンに要求される総燃料は３，４００ｇであり、これはこの期間に生成される総燃料もまた３，４００ｇであることを意味する。
【００３０】
図６ｂは、上述と同じであるが、本発明によって運転される反応器について計算されたホットスポット温度及び出口温度を示している。バッファータンクの高い燃料レベルは２，０００ｇであり、低い燃料レベルは１，０００ｇである。バッファータンクを満たす間の所定の流量は２３ｋｇ／ｈであり、空にする間の所定の流量は０．２３ｋｇ／ｈである。これは、図３ｂに示された状況に相当する。３０〜６０分間の期間における平均ホットスポット温度及び出口温度はそれぞれ２５７℃及び２４９℃である。非常に驚くべきことに、３０〜６０分の間隔における燃料の総生成量は３，３９０ｇであり、これはコンバーター中での要求−制御される流量での運転におけるのと本質的に同じである（図６ａ）。これは、本発明の適用により、生成された燃料の同じ量についての平均反応器出口温度が著しく変化することなく、平均ホットスポット温度が１５℃低減されることを意味する。
【００３１】
図６ｂにも見られるように、低い流量から高い流量に変化した後、ホットスポット温度は約２９０℃まで急速に上昇し、それは、図６ａにおける最大温度レベルとほぼ同じである。しかしながら、本発明の適用により、バッファータンク中のその低い燃料レベルで流量が変化する場合にのみ生じるため、その状況は予想可能となる。これは、ホットスポット温度をさらに低減するために、適当な予防措置、例えば、初期の下限入り口温度を設計できることを意味する。
【００３２】
実施例６
この実施例は、反応器が、代わりの、低い流量及び高い流量の含水エタノール（９５％）で運転される時に測定された温度プロフィールを示している。反応器は、１００ｍｍの内径及び実施例５で説明したような１．５ｋｇのＨ−ＺＳＭ−５ベースの触媒押出成形物を有することによって、触媒床の高さは２８ｃｍとなる。その反応器は、含水エタノールの９．３ｋｇ／ｈの高い流量及び０．９２ｋｇ／ｈの低い流量で運転され、該含水エタノールは該反応器の最上部から供給される。この実施例で流量の変化する時点は、高い流量条件では５〜１０分になるように、そして低い流量条件では５〜１５分になるように任意に選択される。外壁温度は２１２〜２１５℃に維持される。
【００３３】
図７は、反応器の触媒床の最上部から２ｃｍ、１０ｃｍ、１８ｃｍ及び２６ｃｍにおいて測定された温度を示す。この実施例は、その反応器の、０．９２ｋｇ／ｈから９．３ｋｇ／ｈへの、及びその逆の流量における変化に対する反応器の予想可能な応答を示している。反応器における最も高い温度は２３６℃であり、それは触媒床の最上部の１０ｃｍ下方で観察される。この温度は、前の低い流量段階の継続時間とは独立した流量の変化した４分後に到達する。
【図１】
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【図２】
2013524063.tif 000004
【図３】
2013524063.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013524063.tif 000007
【図６】
2013524063.tif 000008
【図７】
2013524063.tif 000009
【国際調査報告】
2013524063.tif 000010
2013524063.tif 000011
2013524063.tif 000012