СПОСОБ И СИСТЕМА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ НА СПИРТСОДЕРЖАЩИХ ПЕРВИЧНЫХ ТОПЛИВАХ
METHOD AND SYSTEM OF ENGINE OPERATION WITH IGNITION DUE TO COMPRESSION ON ALCOHOLIC PRIMARY FUELS

Данное изобретение относится к способу работы двигателей с воспламенением от сжатия, в частности к работе таких двигателей с топливом, содержащим простой эфир, полученным непосредственно на месте.
Также в изобретении представлена система для осуществления способа согласно изобретению.
Наиболее типичным примером двигателя с воспламенением от сжатия является дизельный двигатель, работающий на дизельном топливе с высоким цетановым числом. Для снижения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания дизельного топлива в прошлом предпринимались попытки заменить дизельное топливо альтернативными видами топлива, которые являются менее вредными для окружающей среды.
Простые эфиры, в частности простые эфиры полученные дегидратацией низших спиртов, такие как диметиловый и диэтиловый эфир, оказались превосходным дизельным топливом с точки зрения воздействия на окружающую среду.
Применение низших простых эфиров в качестве дизельного топлива описано во множестве публикаций, например в патентах США №№4,892,561, 5,906, 664 и 7,449,034.
Несмотря на чистые характеристики сгорания и высокую эффективность в дизельном двигателе, основным недостатком топлива на основе простых эфиров являются проблемы хранения и обработки в самом транспортном средстве. В условиях окружающей среды диметиловый эфир находится в газообразной форме. Для превращения топлива на основе диметилового эфира в более удобную жидкую форму топливо необходимо хранить и обрабатывать под давлением.
Из литературы известно, что этанол является плохим топливом для применения в двигателях с воспламенением от сжатия. Однако было описано, что смеси этанола/диэтилового эфира (ДЭЭ) преодолевают это ограничение и открывают новые пути для эффективной и очень чистой работы дизельного двигателя. Однако имеются практические моменты, которые нельзя не учитывать. ДЭЭ не является легко доступным торговле и имеет относительно строгие ограничения по безопасности, включая применение топливного бака под давлением. Вместе это поддерживает применение этанола или этанолсодержащих видов топлива с превращением в самом транспортном средстве.
Получение ДЭЭ проводят дегидратацией этанола в присутствии подходящего катализатора. Включение таких систем в транспортное средство подразумевает выпаривание этанолсодержащего топлива, превращение, конденсацию продуктов и дальнейшее сжатие смеси (вплоть до 600-2400 бар) до впрыска в двигатель. Дополнительно, топливное сырье может быть предварительно нагрето до начала превращения. Предварительное нагревание проводят тепловым обменом с горячим выхлопным газом или электрическим нагревом. Следовательно, некоторые дополнительные системы нагревания необходимы для проведения каталитического превращения при температуре около 200°С с отрицательным воздействием на эффективность системы.
Неустойчивая работа также добавляет сложности в данное оборудование и приводит к дополнительным затратам при производстве и увеличивает массу транспортного средства.
Авторы данного изобретения обнаружили, что известные способы и системы превращения первичного спиртового топлива в эфирсодержащее топливо могут быть улучшены при проведении превращения спирта в простой эфир автотермальным способом предпочтительно в жидкой фазе.
Таким образом, основным вариантом воплощения данного изобретения является способ работы двигателя с воспламенением от сжатия на эфирсодержащем топливе, полученном на месте превращением спиртсодержащего первичного топлива, включающий стадии:
(a) отбора спиртсодержащего первичного топлива из топливного бака и сжатие первичного топлива до конечного давления впрыска топлива;
(b) введения сжатого первичного топлива в реактор каталитической дегидратации;
(c) в реакторе, каталитическое дегидрирование сжатого первичного топлива до эфирсодержащего топлива контактом с катализатором дегидратации спирта; и
(d) отбор эфирсодержащего топлива из реактора и впрыск эфирсодержащего топлива в двигатель, отличающийся тем, что сжатое первичное топливо нагревают в реакторе до температуры реакции до каталитической дегидратации косвенным теплообменом с эфирсодержащим топливом, тем самым охлаждая эфирсодержащее топливо до отбора из реактора.
Другие варианты данного изобретения описаны в пунктах 2-9 формулы изобретения и в представленном ниже описании.
В изобретении также представлена система для применения в работе двигателя с воспламенением от сжатия на эфирсодержащем топливе, содержащая двигатель с воспламенением от сжатия;
топливный бак, адаптированный для хранения спиртосодержащего первичного топлива;
насос высокого давления для сжатия первичного топлива;
по меньшей мере, один реактор дегидратации, адаптированный для получения сжатого первичного топлива и содержащий в общем герметичном корпусе теплообменник, адаптированный к косвенному нагреванию сжатого первичного топлива и для охлаждения эфирсодержащего топлива, и расположенный ниже по ходу потока слой катализатора, содержащий катализатор дегидратации спирта для превращения нагретого сжатого первичного топлива до эфирсодержащего топлива; и по меньшей мере, одну соединительную трубку для соединения выхода реактора дегидратации с одной или более топливными форсунками для впрыска эфирсодержащего топлива в двигатель.
Другие варианты системы в соответствии с данным изобретением описаны в пунктах 10-16 формулы изобретения и представленном ниже описании.
Условия работы для способа в соответствии с данным изобретением обычно корректируются до температуры выхода катализатора от 150°C до 350°C и давления впрыска от 80 до 2400 бар. Таким образом, превращение спирта в смесь простого эфира, воды и спирта проходит адиабатическим образом в жидкой фазе с подходящей скоростью реакции в присутствии катализатора дегидратации.
В соответствии с данным изобретением, требуемое тепло получают из экзотермической реакции дегидратации спиртсодержащего первичного топлива до эфирсодержащего топлива. Спиртсодержащее первичное топливо сжимают в насосе высокого давления до давления впрыска для сохранения топлива в жидкой фазе при температуре входа в катализаторе дегидратации и для обеспечения требуемого давления впрыска полученного эфирсодержащего топлива.
Стандартный теплообменник (т.е. умеренно легкое устройство) не может выдерживать высокое давление в топливном контуре. Однако встраивание теплообменника внутрь реактора каталитической дегидратации позволяет преодолеть это ограничение. Перепад давления между первичным топливом и исходящим потоком из катализатора, т.е. эфирсодержащим топливом, составляет не более нескольких бар, что попадает в стандартный интервал для, например, легкого, компактного и эффективного пластинчатого теплообменника, который является предпочтительным теплообменником для применения в соответствии с данным изобретением.
Преимуществом способа и системы в соответствии с данным изобретением является то, что все полученное эфирное топливо сразу же используется для запуска двигателя и избыток эфирсодержащего топлива отсутствует.
Другим преимуществом способа и системы в соответствии с данным изобретением является то, что превращение первичного топлива в эфирсодержащее топливо может проводиться в жидкой фазе и, следовательно, нет необходимости в выпаривании первичного топлива и конденсации эфирсодержащего топлива в данном случае. Регенерация тепла запускает автотермический режим работы. Нет необходимости дополнительно предварительно нагревать первичное топливо, за исключением запуска.
Во время запуска двигателя тепло, содержащееся в дегидратированном спиртсодержащем первичном топливе, может иметь температуру, которая недостаточна для получения температуры, необходимой для предварительного нагревания спиртсодержащего первичного топлива.
В этих условиях предпочтительно включать в указанный выше способ дополнительную стадию нагревания сжатого топлива, например, электрическим нагревательным элементом, установленным в реакторе, или подогревателем двигателя, установленным по ходу потока перед входом в реактор.
Таким образом, в одном варианте данного изобретения сжатое жидкое первичное топливо периодически предварительно нагревают пропусканием через пусковой нагреватель до введения в катализатор дегидратации.
Образование эфирсодержащего топлива проводится каталитической дегидратацией спирта до его соответствующего простого эфира согласно реакции:
n
(2n+1)
n
(2n+1)
n
(2n+1)
2
2CHOH↔ CH-O-CH+НО
Подходящие катализаторы дегидратации для применения в соответствии с данным изобретением включают все твердые кислоты, такие как окись алюминия, алюмосиликат, цеолит, вольфрамированные оксиды, сульфированные оксиды, фосфаты кремнезема, материалы, содержащие функциональные группы сульфоновой кислоты, такие как сульфонированный полистирол, сульфонированные фторуглеродные полимеры, функционализированные сульфоновой кислотой оксиды (окись алюминия, SBA-15, двуокись кремния) и их смеси.
Катализатор дегидратации спирта предпочтительно помещают в виде неподвижного слоя в реакторе так, чтобы сжатое первичное топливо проходило через вход реактора через теплообменник и затем через слой катализатора.
В одном варианте данного изобретения, каталитический слой расположен между внешней стенкой реактора и концентрическим пространством, расположенным в центре каталитического слоя.
В другом варианте слой катализатора расположен концентрически с внутренней стенкой реактора и в стороне от внутренней стенки реактора.
Дегидратация спирта является равновесной реакцией. Таким образом, ограничения равновесия препятствуют 100% превращения спирта в простой эфир и воду.
2
При температуре реакции для, например, первичного топлива на основе этанола, содержащего 95% масс. этанола и 5% масс. воды, равновесные композиции при температуре дегидратации от 150 до 350°С включают 9-21% масс. этанола, 19-22% масс. HO и 59-71% масс. диэтилового эфира.
Эфирное топливо для применения в двигателях с воспламенением от сжатия с полезными характеристиками зажигания и сгорания включает, например, смесь диэтилового эфира/этанола/воды и диметилового эфира/метанола/воды с содержанием метанола вплоть до 20% и содержанием воды вплоть до 20%.
В патенте США №7,449,034 было показано, что дизельное топливо, содержащее диметиловый эфир, метанол и вплоть до 48% воды, является эффективным топливом для дизельных двигателей.
Кроме метанола и этанола, смеси высших спиртов также являются подходящим первичным топливом для применения в соответствии с данным изобретением.
Другими подходящими спиртсодержащими первичными видами топлива являются смеси углеводородов с одним или более спиртами, такие как биодизель и спирты, такие как масло понгамии и этанол (60-40% об.), которые каталитически превращают в смесь биодизеля/ДЭЭ/воды, содержащую 15-20% об. ДЭЭ.
Другие подходящие первичные топлива для применения в соответствии с данным изобретением включают смеси бензина и спирта, например бензин, содержащий 85% этанола, продаваемый на заправочных станциях в Швеции.
Для того чтобы применять систему в отсутствие спиртсодержащего топлива при необходимости запуска двигателя, например, обычным дизельным топливом, реактор может быть обойден с помощью байпасного клапана, установленного в обводной трубе, соединяющей подающую трубку от насоса высокого давления или системы непосредственного впрыска топлива и трубку топливной форсунки. При открытом положении контрольного клапана первичное топливо, например дизель, может подаваться непосредственно в двигатель через обводную трубу.
Указанные выше характеристики и аспекты изобретения более подробно объясняются в представленном ниже описании со ссылками на фиг. 1, на которой схематически показано поперечное сечение реактора для применения в способе и системе в соответствии с данным изобретением.
Обзор номеров позиций
1 Герметичный корпус реактора
2 Слой катализатора
3 Горячее эфирсодержащее топливо
4 Охлажденное спиртсодержащее топливо
5 Соединительная линия от насоса высокого давления или аккумулятора топлива
6 Байпасный клапан и линия
7 Инжектор
8 Охлажденное эфирсодержащее топливо
9 Теплообменник
10 Пусковой нагреватель
11 Нагретое спиртсодержащее топливо
Система реактора каталитической дегидратации может состоять из одного реактора, общего для всех цилиндров, или множества реакторов, по одному на цилиндр, в зависимости от свободного объема, доступного на месте.
Система непосредственного впрыска топлива (не показана) может быть установлена между насосом высокого давления и реактором каталитической дегидратации.
При работе реактора холодное спиртсодержащее первичное топливо пропускают из насоса высокого давления (не показан) под давлением от 100 до 2000 бар, предпочтительно 200-400 бар, в реактор. При таком давлении спиртсодержащее первичное топливо и полученное эфирсодержащее топливо являются жидкими или сверхкритическими. Спиртсодержащее первичное топливо вводят в реактор и пропускают через теплообменник (9), установленный в герметичном корпусе реактора (1). Холодное спиртсодержащее первичное топливо нагревают до температуры реакции дегидратации косвенным теплообменом с эфирсодержащим топливом из последующего слоя катализатора (2) в теплообменнике (9) во входной части реактора. Например, при работе при 50 бар, спиртсодержащее топливо может поступать в теплообменник (9) при температуре 20°C и может быть нагрето вплоть до 220°C.
Если температура спиртсодержащего первичного топлива после теплообменника (9) слишком низкая, электрический нагреватель, расположенный по ходу потока после теплообменника (9) в продольном пространстве вокруг оси реактора, предварительно нагревает жидкость до подходящей температуры. Предварительно нагретое спиртсодержащее первичное топливо пропускают через продольное пространство по направлению к входу в слой катализатора (2). В показанном варранте слой катализатора (2) расположен между внешней стенкой реактора и продольным пространством.
При пропускании через слой катализатора (2), содержащий катализатор дегидратации, спирт в первичном топливе частично дегидратируется до простого эфира и воды. Степень превращения контролируется температурой на входе спиртсодержащего первичного топлива в слой катализатора (2). Реакция дегидратации является экзотермической. Принимая то, что первичное топливо содержит 95% этанола и 5% воды при входе в слой при 220°C, продукт дегидратации выходит из катализатора при около 240°C и превращении 80% этанола в диэтиловый эфир и воду.
Полученный выходящий поток из слоя катализатора (2) содержит горячее эфирсодержащее топливо (3), которое вступает через теплообменник (9) в косвенный теплообмен с входящим спиртсодержащим первичным топливом. Эфирсодержащее топливо охлаждается, а холодное спиртсодержащее первичное топливо предварительно нагревается. Эфирсодержащее топливо охлаждается от свыше 240°C до около 40°C, что соответствует предварительному нагреву до 200°C со стороны первичного топлива (от 20°C до 220°C, как указано выше).
Разность давления между жидкостью и исходящим потоком соответствует падению давления в каталитическом слое и предварительном нагревателе. Следовательно, она является достаточно низкой для того, чтобы иметь возможность применять простой стандартный теплообменник.
Во время непрерывной работы горячее эфирсодержащее топливо (3) выходит из слоя катализатора (2) благодаря экзотермической реакции дегидратации. Как указано выше, топливо обычно на 10-20°C (в зависимости от содержания спирта в первичном топливе и превращения в слое) теплее, чем спиртсодержащее первичное топливо на входе в реактор. Разница температур является достаточной для предварительного нагревания спиртсодержащего первичного топлива для дегидратации. Горячее эфирсодержащее топливо тем самым охлаждается и подается в инжекторы (7) двигателя (не показаны).
Обводная труба между насосом высокого давления или системой непосредственного впрыска топлива имеет клапан, который позволяет пропускать топливо в обход реактора дегидратации. Если двигатель работает на обычно дизельном топливе вместо эфирсодержащего топлива, байпасный клапан открыт, и впрыск топлива проходит непосредственно из насоса высокого давления или системы непосредственного впрыска топлива, обеспечивая традиционную работу двигателя.
Кроме того, байпасный клапан может работать так, что только часть спиртсодержащего первичного топлива проходит через реактор. Это позволяет разбавлять эфирсодержащее топливо спиртсодержащим первичным топливом, а следовательно, адаптировать композицию конечного топлива к режиму двигателя.
Работа клапана, например, обеспечивает впрыск в цилиндры двигателя сначала эфирсодержащего топлива, и переключается на впрыск спиртсодержащего первичного топлива после начала возгорания в цилиндрах. Это обеспечивает дополнительную степень свободы для оптимизации работы двигателя.
Представленное выше описание и фиг. 1 выполнены чисто схематическими и не в масштабе, части и средства, обычные для систем впрыска топлива, являются очевидными для специалистов в данной области техники и не показаны на фиг. 1.