ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ
FUEL COMPOSITION FOR SPARK-IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области топлив, которые применяются в двигателях внутреннего сгорания с искровым воспламенением.
На сегодняшний день главными разновидностями моторного топлива являются дизельное топливо (солярка) и бензин (жидкая смесь углеводородов), вырабатываемые из нефти, залежи которой ограничены. В двигателях с искровым воспламенением используется бензин, пар которого в смеси с воздухом образует топливную смесь, детонационная стойкость которой к сжатию в цилиндре характеризуется октановым числом. Чем выше этот показатель, тем выше детонационная стойкость, и тем высшую степень сжатия может иметь двигатель. На сегодняшний день подавляющее большинство двигателей в автомобилях, в которых используется в качестве горючего бензин, рассчитаны на использование топлива с октановым числом от 80-85 до 95-98 единиц (по исследовательскому методу). Для достижения таких показателей в бензине, который вырабатывается из нефти, существует громоздкая и энергоемкая вторичная переработка нефти. Даже при условиях высокой степени развития нефтехимической промышленности достижение высоких показателей октановых чисел является сложной проблемой, которая частично решается путем использования высокооктановых добавок. С другой стороны, в условиях дефицита нефти разработка новых видов альтернативного топлива, использующих в качестве главной составной части этиловый спирт, который вырабатывается из возобновляемого растительного сырья, наталкивается на большие трудности. Параметры этилового спирта настолько отличаются от аналогичных параметров бензинов, что для топлив с его высоким содержанием (например, Е85) нужна разработка специального двигателя.
Известна топливная композиция (патент DE 3033220, МПК C10L 1/18, опубл. 1.04.1980), в которой для создания стойкой смеси бензина (жидкой смеси углеводородов) с 10-40% низших спиртов используется пропиленгликоль моноолеат в смеси со спиртами (по 10-15% изобутилового и изопропилового спиртов) и кетонами (4% ацетона). При этом авторы патента используют 10-30% канцерогенных ароматических углеводородов и 10-30% токсичного метанола, что сегодня недопустимо из-за высокого содержания канцерогенных конденсированных ароматических углеводородов и токсичного формальдегида в отработанных газах. Все компоненты данной топливной композиции являются продуктами химической промышленности, которая использует нефть и природный газ в качестве сырья, то есть такая топливная композиция не относится к альтернативным композициям - таким, которые вырабатываются из возобновляемого сырья.
4
8
Известна топливная композиция (патент US 3822119, кл. 44/451, опубл. 2.07.1974), в которой к бензину прибавляется 5-40% смеси синтетических высших спиртов С-С и до 25% воды, что обеспечивает снижение токсичности отработанных газов. Однако и такое топливо нельзя отнести к альтернативному, поскольку основным компонентом топлива остается бензин.
Известна топливная композиция (патент RU 2044033, MПК C10L 1/18, опубл. 20.09.1995), в которой бензин компаундируют 5-20% отходов производства изопропилового спирта, а именно смесью 70-80% диизопропилового эфира, 10-15% изопропилового спирта, 8-10% продуктов полимеризации пропилена и до 3% воды. Как и в вышеописанной топливной композиции, основным компонентом этого топлива остается бензин. Кроме того, пропилен, который является исходным веществом для производства изопропилового спирта, получают путем крекинга или пиролиза нефтепродуктов.
Известна топливная композиция (патент ЕР 0064253, МПК С10L 1/02, опубл. 27.04.1982), в которой для повышения октанового числа бензина используют простые эфиры (метил-трет-бутиловый, изопропил-трет-бутиловый, вторбутил-трет-бутиловый) в количестве 5-40% и спирты (метиловый - до 15%, изопропиловый - до 20%, втор-бутиловый - до 20%, трет-бутиловый - до 85%), кроме этилового спирта. Все вышеупомянутые компоненты являются синтетическими продуктами химической промышленности.
Таким образом, поскольку основным компонентом во всех рассмотренных выше известных топливах остается бензин, ни одно из них нельзя отнести к категории альтернативных, то есть таких, которые более чем на 50% вырабатываются из возобновляемого (растительного) сырья. Использованные спирты и эфиры являются синтетическими продуктами, исходным сырьем для синтеза которых остается нефть и природный газ.
4
5
1
2
Наиболее близкой к предложенной топливной композиции является топливная композиция для двигателей внутреннего сгорания с искровым воспламенением (патент на полезную модель UA 13086, МПК C10L 1/00, опубл. 15.03.2006), содержащая 50-90 об.% абсолютированного этилового спирта, 5-15 об.% простого эфира и 10-30 об.% смеси углеводородов. В качестве простого эфира может использоваться любой простой эфир: трет-C-COC-C, то есть метил-трет-бутиловый, этил-трет-бутиловый, этил-трет-амиловый и другие, а как смесь углеводородов используется стабильный газовый бензин или бензин прямой перегонки с любым октановым числом. Такая топливная композиция разрабатывалась для использования в обычных двигателях внутреннего сгорания большого объема (3 литра и выше) без их модификации. Она относится к альтернативным видам моторного топлива, поскольку больше 50% ее составляет этиловый спирт, который вырабатывается из возобновляемого растительного сырья. Чрезвычайно высокое, как для бензинов, октановое число данной топливной композиции - 130-132 по данным холодно-плазменного метода - не является препятствием, поскольку температура сгорания смеси ниже температуры сгорания бензина (360°С в выхлопном коллекторе двигателя, который работает на данном топливе, в сравнении с 500-550°С - на бензине).
Главным недостатком является потеря мощности двигателя при работе на топливе с высоким содержанием этилового спирта за счет низкой теплоты сгорания и относительно высокой теплоты испарения его как главного компонента, которая существенным образом влияет на динамику разгона автомобиля, в особенности оснащенного двигателем маленького объема.
В основу предлагаемого решения поставлена задача повышения мощности двигателя при работе на топливной композиции, которая содержит более чем 50 об.% этилового спирта, как за счет наиболее полного сгорания топлива, так и за счет сокращения времени сгорания, что позволяет использовать указанное альтернативное топливо в обычных двигателях внутреннего сгорания с искровым воспламенением без каких-либо их модификаций.
4
6
4
6
Поставленная задача решается тем, что топливная композиция для двигателей внутреннего сгорания с искровым воспламенением, содержащая 50-90 об.% абсолютированного этилового спирта, 10-30 об.% жидкой смеси углеводородов и 5-15 об.% простого эфира, согласно предложенному решению, дополнительно содержит до 1 об.% промотора сгорания. При этом по одному из вариантов в качестве промотора сгорания могут использоваться циклогексилнитрат или 2-этилгексилнитрат. По второму варианту в качестве промотора сгорания используются нитриты спиртов С-С. По третьему варианту в качестве промотора сгорания используется смесь циклогексилнитрата или 2-этилгексилнитрата с нитритами спиртов C-С.
Известно, что нитропроизводные углеводородов являются эффективными промоторами для дизельного горючего, где они используются как добавки в маленьких количествах, для повышения цетанового числа дизельного топлива. Но поскольку механизм влияния промоторов воспламенения, которые применяются для повышения цетанового числа дизельного топлива путем снижения порога воспламенения топливной смеси при сжатии, и механизм влияния промоторов сгорания, которые предлагаются для применения в моторных топливах с высоким содержимым этилового спирта, существенно отличаются, промоторы воспламенения не могут быть эффективными в высокооктановом моторном топливе, которое изготавливается на основе возобновляемого сырья. Кроме того, известно использование смеси нитрометана, нитроэтана и нитропропанов в количестве до 15-20%, которое предлагалось для моторных топлив с высоким содержанием ароматических углеводородов (US 2004|0148849, US 6319294 В1). Нитропроизводные углеводородов имеют высокие теплоты сгорания, и применение их как компонентов в больших количествах существенно увеличивает теплоту сгорания топлива, которое приводит к возрастанию мощности двигателя, работающего на этом топливе. Однако при таком количестве нитропроизводных в топливе их следует отнести не к добавкам, которыми, в сущности, являются промоторы, а к компонентам топлива. Установлено, что добавка 2-нитропропана в количестве до 2 об.% в вышеуказанную альтернативную топливную композицию, с высоким содержанием этилового спирта, неэффективна, то есть нитропропан не может использоваться как промотор сгорания для такого топлива.
В предложенной топливной композиции за счет использования добавок - до 1 об.% промоторов сгорания, виды которых установлены экспериментально, обеспечивается более полное сгорание топлива и сокращается время сгорания, что позволяет ликвидировать главный недостаток топлива с содержанием этилового спирта больше 50% и, как следствие, повысить мощность двигателя при работе на этом топливе.
Экспериментально установлено, что существуют промоторы сгорания, не влияющие на октановое число, и промоторы, снижающие октановое число топлива на основе этилового спирта. Существование промоторов сгорания, которые не влияют на октановое число, подтверждает то, что механизм влияния промоторов воспламенения для дизельного горючего и механизм влияния промоторов сгорания в высокооктановом топливе существенно отличаются. Мощность двигателя при работе на топливе, промотированном или первым типом промотора, или вторым типом промотора, или их смесью, возрастает до определенной границы, которая может даже превышать мощность при работе на бензине. Маленькие концентрации промоторов сгорания, а именно - меньше 1 об.%, в которых они применяются в предложенной топливной композиции, не могут существенно повлиять на теплоту сгорания топливной композиции в целом, но повышают полноту сгорания топлива, сокращают время сгорания топлива и, как следствие, повышают мощность двигателя.
6
8
Как было указано выше, предложенные промоторы сгорания делятся на два типа: почти не влияющие на октановое число топлива на основе этилового спирта (см. п.2 формулы полезной модели - первый тип) и понижающие октановое число (см. п.3 формулы полезной модели - второй тип). К первому типу промоторов (п.2 формулы полезной модели), повышающих мощность двигателя при работе на топливе с их добавлением, но имеющих небольшое влияние на значение октанового числа, относятся высококипящие нитраты (сложные эфиры азотной кислоты и спиртов С-C) или диалкилпероксиды, температура кипения которых превышает верхнюю границу интервала кипения основных компонентов топлива. Если вещество распадается раньше кипения, по температуре перегонки в вакууме оценивают, какой была бы температура кипения при давлении 1 атм. Например, циклогексилнитрат имеет температуру кипения 80°С при 20 мм рт.ст., что соответствует приблизительно 180°С при 760 мм рт.ст.
3
6
Ко второму типу промоторов (п.3 формулы полезной модели), снижающих октановое число при увеличении мощности, относятся нитриты (сложные эфиры азотистой кислоты) спиртов С-С, при условии, что температура кипения находится в середине интервала кипения топлива. Например, амилнитрит имеет температуру кипения 104°С, а основные компоненты топливной композиции кипят в интервале от 54°С (метил-трет-бутиловый эфир) до 150°С (окончание кипения бензина).
Использование смеси промоторов первого и второго типа позволяет подбирать необходимые параметры топлива в зависимости от поставленных требований.
Предложенную топливную композицию изготавливают путем прямого смешивания. Последовательность добавления компонентов не имеет значения.
Ниже приведены примеры композиций, которые изготавливались согласно предложенному решению.
Варианты разного состава композиции, в которой использовались промоторы первого типа, мало влияющие на октановое число топлива (п.2 формулы полезной модели), приведены в примерах №№1-2.
Пример 1:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.67 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.91 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.82 об.%
циклогексилнитрат
- 0.60 об.%
Октановое число по моторному методу - 91.2. Октановое число исходной смеси, содержащей 55 об.% этилового спирта, 15 об.% МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир) и 30 об.% газового стабильного бензина по моторному методу, превышает 100 единиц.
Пример 2:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.46 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.85 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.70 об.%
2-этилгексилнитрат
- 0.99 об.%
Октановое число по моторному методу - 90.7. Октановое число исходной смеси, содержащей 55 об.% этилового спирта, 15 об.% МТБЭ и 30 об.% газового стабильного бензина по моторному методу, превышает 100 единиц.
Таким образом, добавление циклогексилнитрата или 2-этилгексилнитрата в пределах 1% почти не снижает октановое число топлива, оставляя его не ниже 100 единиц по исследовательскому методу, но мощность двигателя при работе на промотированом топливе значительно возрастает и достигает оптимальной мощности приблизительно при концентрации промотора 0.5-0.6 об%.
Зависимость октанового числа по моторному методу от концентрации и свойств промотора второго типа (п.3 формулы полезной модели) можно проследить на примерах:
Пример 3:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.78 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.94 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.88 об.%
амилнитрит
- 0.40 об.%
Октановое число по моторному методу - 87.7. Октановое число исходной смеси, которая содержит 55 об.% этилового спирта, 15 об.% МТБЭ и 30 об.% газового стабильного бензина по моторному методу, превышает 100 единиц.
Пример 4:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.67 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.91 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.82 об.%
изоамилнитрит
- 0.60 об.%
Октановое число по моторному методу - 85.6. Октановое число исходной смеси, содержащей 55 об.% этилового спирта, 15 об.% МТБЭ и 30 об.% газового стабильного бензина по моторному методу, превышает 100 единиц.
Пример 5:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.56 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.88 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.76 об.%
бутилнитрит
- 0.80 об.%
Октановое число по моторному методу - 84.3. Октановое число исходной смеси, которая содержит 55 об.% этилового спирта, 15 об.% МТБЭ и 30 об.% газового стабильного бензина по моторному методу, превышает 100 единиц.
Применение смеси промоторов сгорания обоих типов позволяет корректировать октановое число и мощность двигателя при работе на альтернативном спиртосодержащем топливе в широких пределах, достигая показателей, по возможности более близких к аналогичным показателям сгорания товарных бензинов.
Ниже приведены примеры предложенных топливных композиций, в которых в качестве промотора сгорания используются смеси промоторов первого и второго типов.
Пример 6:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.56 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.88 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.76 об.%
циклогексилнитрат
- 0.40 об.%
изоамилнитрит
- 0.40 об.%
Октановое число по моторному методу - 86.2, что по исследовательскому методу составляет приблизительно 95-96 единиц и соответствует показателям бензина А95.
Пример 7:
абсолютированный этиловый спирт (0.2% воды)
- 54.61 об.%
метил-трет-бутиловый эфир
- 14.90 об.%
бензин газовый стабильный
- 29.79 об.%
циклогексилнитрат
- 0.50 об.%
бутилнитрит
- 0.20 об.%
Октановое число по моторному методу - 90.1, что соответствует показателям бензина А98.
2
Содержание СО снижается до 0.2% на холостом ходу и до 1.5% в режиме разгона при одновременном возрастании содержания СОдо 14-18%, что прямо указывает на возрастание полноты сгорания топлива. Аналогичный показатель для бензина - 1.5-2% СО на холостом ходу и 6-8% СО в режиме разгона. При условиях низкой температуры сгорания содержание NO, в сравнении с работой на бензине, также снижается в 3-10 раз.