СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ СПИРТА В ТОПЛИВНУЮ СМЕСЬ
METHOD AND DEVICE FOR CONVERTING ALCOHOL TO FUEL MIXTURE

Изобретение относится к способу превращения спирта в топливную смесь согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, также к устройству для его осуществления согласно пункту 10.
Все большее значение приобретает замена обычного ископаемого топлива альтернативными видами топлива. В этой связи интересны прежде всего спирты, как метанол или этанол, так как они относительно просто могут быть получены из возобновляемых источников. Правда, эти виды топлива из-за из низкого цетанового числа, не могут применяться в дизельных двигателях с самовоспламенением. Чтобы сделать возможным сжигание в дизельных двигателях, в это горючее можно добавлять присадки, как диметиловый или диэтиловый эфир, для повышения цетанового числа.
Смесь спирта, простого эфира и воды можно получать непосредственно при работе двигателя внутреннего сгорания на предшествующей технологической стадии из спирта, например метанола или этанола, с помощью подходящего катализатора.
Из патента US 4422412 A известен способ превращения спирта в топливную смесь, в котором нагретый до подходящей реакционной температуры спирт, например метанол, превращается в реакторе с помощью катализатора в топливную смесь согласно приводимому ниже уравнению реакции:
3
3
3
2
2CHOH←→CH-O-CH + HO (реакция 1)
3
3
3
2
Таким образом, с применяющимся здесь метанолом (CHOH) в реакторе дополнительно образуется диметиловый эфир (CH-O-CH) и вода (HO). Если, напротив, для получения топливной смеси в процессе превращения используется этанол, то в реакторе можно получить смесь этанола, диэтилового эфира и воды. При этом в качестве катализатора в реакторе может применяться гамма-алюминий.
Топливная смесь, получаемая этим известным способом, подвержена очень сильным колебаниям качества, что обнаруживается по сильно колеблющейся доле воды, из-за чего применение для работы в дизельных двигателях на практике невозможно. Возникающие колебания качества ведут к варьирующемуся в широких пределах цетановому числу и вследствие этого к сильно колеблющемуся во времени моменту зажигания. Кроме того, получающаяся топливная смесь не всегда в равной мере подходит для всех режимов работы двигателя.
В основе изобретения стоит задача разработать способ превращения спирта в топливную смесь для двигателя внутреннего сгорания, способ, с которым можно будет достичь как можно более стабильного качества получаемой топливной смеси.
Решение этой задачи достигается указанными в пункте 1 формулы изобретения отличительными признаками. Особенно выгодные усовершенствования способа по изобретению раскрыты в зависимых пунктах 2-9.
Согласно отличительной части пункта 1, соотношение между долей спирта, долей эфира и долей воды в топливной смеси устанавливается путем управления по меньшей мере одним реакционным параметром. Соотношение между компонентами получаемой при превращении спирта топливной смеси зависит, помимо прочего, от реакционной температуры, поэтому соотношение между компонентами в смеси можно регулировать путем соответствующей установки температуры реакции. В качестве примера нижеследующая таблица показывает зависимость соотношения между компонентами от реакционной температуры при давлении в реакторе 2 МПа и при применении метанола в качестве спирта, который в реакторе превращается в топливную смесь, состоящую из спирта, эфира и воды.
Реакционная температура[°C]
Доля спирта[%]
Доля эфира[%]
Доля воды[%]
200
8
67
25
300
14
62
24
400
19
59
22
500
22
57
21
Установку желаемой реакционной температуры можно осуществить соответствующим регулированием температуры подводимого спирта, например подводимого метанола. Следующим реакционным параметром, которым можно устанавливать соотношение между компонентами в получаемой согласно изобретению топливной смеси, является давление реакции.
При исследованиях оказалось, что скорость образования диметилового эфира (DME) согласно реакции 1 удовлетворяет следующему выражению:
,
где  - скорость изменения количества DME,
M
K - константа равновесия метанола,
M
p - парциальное давление метанола,
r
k - константа скорости реакции,
(формула Аррениуса),
A
E - энергия активации (ок. 60 кДж/моль).
r
Это объясняет, что скорость, с которой образуется DME, зависит, во-первых, от парциального давления метанола, а также через температурную зависимость константы скорости k от реакционной температуры.
Регулированием соотношения между долей спирта, долей эфира и долей воды в топливной смеси можно достичь желаемого цетанового числа с помощью относительно простой системы управления и регулирования. Чтобы двигатель внутреннего сгорания мог работать в рабочем диапазоне однородного самовоспламенения от сжатия, можно получить цетановое число ниже 50, и/или октановое число, определенное по исследовательскому методу, выше 95, тогда как для работы дизельного двигателя топливная смесь с цетановым числом более 50 может быть получена через соответствующее управление реакции, протекающей в реакторе.
Управление по меньшей мере одним реакционным параметром может осуществляться, в частности, также в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, для которого предусмотрена эта топливная смесь. Таким образом, можно подбирать свойства топливной смеси в соответствии, например, с таким рабочим параметром, как давление наддува, число оборотов и/или нагрузка, чтобы достичь оптимизированной работы двигателя внутреннего сгорания.
Реакционные параметры можно регулировать также в зависимости от рабочих параметров системы дополнительной обработки выхлопных газов, чтобы, например, получить как можно малотоксичное горение в двигателе внутреннего сгорания.
Реакционные параметры могут, кроме того, устанавливаться также в зависимости от свойств применяющегося спирта, причем в качестве реакционного параметра может приниматься во внимание также чистота применяющегося спирта.
Для превращения спирта в топливную смесь можно использовать, например, метанол или этанол, причем, однако, для достижения желаемых свойств топлива можно в качестве преобразуемого спирта использовать также смесь метанола с этанолом. Топливная смесь, полученная способом согласно изобретению, может в результате содержать в качестве эфирной фракции диметиловый эфир и/или диэтиловый эфир.
В основе изобретения стоит, кроме того, задача разработать устройство для превращения спирта в топливную смесь для двигателя внутреннего сгорания, посредством которого можно изменять состав компонентов топливной смеси.
Решение задачи, относящейся к устройству, получено с отличительными признаками пункта 10 формулы изобретения. Особенно выгодные усовершенствования устройства согласно изобретению раскрыты в зависимых пунктах 11-15.
В устройстве согласно пункту 10 подаваемый в реактор спирт нагревают с помощью нагревателя. Согласно отличительной части пункта 10, предусмотрено управляющее устройство, которое регулирует нагрев спирта в нагревателе в зависимости от реакционных параметров протекающего в реакторе процесса превращения и/или от рабочих параметров соответствующего двигателя внутреннего сгорания. Благодаря соответствующему нагреву подводимого спирта получаются разные реакционные температуры, которые при работе могут варьироваться, например, в диапазоне от 200 до 500°C. В зависимости от установленной реакционной температуры в качестве продукта реакции получают топливную смесь с желаемым соотношением спирт/эфир/вода в смеси. Соотношение между компонентами смеси определяет в решающей степени характеристики горения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания. Эти характеристики горения можно регулировать простым способом путем регулирования реакционной температуры.
Предпочтительная конструктивная форма устройства согласно изобретению имеет нагреватель, состоящий из теплообменника, использующего тепло отходящих газов, и воздушного теплообменника. По меньшей мере один из двух теплообменников регулируется в отношении теплопереноса на протекающий через него спирт, который подается в реактор. При этом воздушный теплообменник предпочтительно служит как устройство охлаждения, чтобы спирт, нагретый в расположенном выше по схеме теплообменнике, использующем тепло отходящих газов, охладить до желаемой температуры процесса. При этом, чтобы получить в реакторе желаемую реакционную температуру, может быть достаточным регулировать только охлаждение в воздушном теплообменнике.
С помощью датчиков, которые измеряют температуру и/или давление в реакторе, управляющее устройство может как часть системы управления регулировать нагрев подводимого спирта. Такую систему регулирования температуры можно реализовать относительно простыми средствами.
Кроме того, давление в реакторе можно также изменять или регулировать независимо от температуры, например с помощью редукционного клапана и/или путем изменения подаваемого и/или отводимого количества.
Протекающий в реакторе реакционный процесс может также идти в зависимости от давления в цилиндре и/или в зависимости от сигналов датчика детонационного сгорания. Для этого на двигателе внутреннего сгорания можно установить датчики давления в цилиндре и/или датчики детонационного сгорания, которые через измерительную линию передают свои измерительные сигналы на управляющее устройство для регулирования нагрева спирта и/или давления в реакторе.
В управляющем устройстве, которое регулирует нагрев подаваемого в реактор спирта, могут учитываться также и другие рабочие параметры двигателя внутреннего сгорания и его системы нейтрализации выхлопных газов, чтобы оптимизировать сгорание топлива. В частности, тем самым можно достичь снижения вредных веществ, а также улучшенного использования топлива.
Далее изобретение подробнее поясняется на одном примере осуществления, представленном на фигуре 1.
Фигура 1 дает схематическое изображение устройства для превращения спирта в топливную смесь, которая служит горючим для работы двигателя внутреннего сгорания.
Устройство содержит емкость 1, в которой в качестве спирта находится, например, метанол или этанол, который с помощью первого насоса P1 проводится через нагреватель 2 в реактор 3. В реакторе 3 происходит превращение спирта при подходящей реакционной температуре в топливную смесь, которая через камеру 4 и второй насос P2 подается в двигатель внутреннего сгорания 5. Для этого на двигателе внутреннего сгорания 5 расположены форсунки 6-9, через которые топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания 5.
Показанное на фигуре 1 устройство может, в частности, быть установлено в автомобиле, двигатель внутреннего сгорания 5 которого является дизельным двигателем.
Чтобы подаваемая в двигатель внутреннего сгорания 5 топливная смесь имела подходящее для двигателя соотношение между долями спирта, эфира и воды, спирт, перед тем, как провести его в реактор 3, нагревают до подходящей для этого температуры в нагревателе 2. Процесс нагревания регулируется управляющим устройством 10 в зависимости от нескольких рабочих параметров. Управляющее устройство 10 получает для этого из предусмотренных в реакторе 3 и на двигателе внутреннего сгорания 5 датчиков через сигнальные провода 11-13 сигналы измерения, которые отражают различные рабочие параметры. Из реактора 3 управляющее устройство 10 получает в качестве сигналов измерения реакционную температуру и давление в реакции, от которых зависит соотношение между спиртом, эфиром и водой в топливной смеси. Кроме того, управляющее устройство 10 получает от датчика детонационного сгорания 14 и датчика 15 давления в цилиндре соответствующие сигналы измерений, которые вместе с дополнительными сигналами о режиме работы, как, например, число оборотов, нагрузка и ускорение, характеризуют текущий режим работы двигателя внутреннего сгорания 5. В зависимости от этих рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания 5 управляющее устройство 10 может определять подходящее соотношение между компонентами топливной смеси и предпринимать соответствующее регулирование реакции в реакторе 3.
В показанном примере осуществления нагреватель 2 состоит из теплообменника 16, использующего тепло отходящих газов, и воздушного теплообменника 17. Через теплообменник 16, использующий тепло отходящих газов, проходит выхлопной трубопровод 18 двигателя внутреннего сгорания 5, который в теплообменнике 16 нагревает спирт, также проводящийся через теплообменник 16, использующий тепло отходящих газов. Нагретый спирт поступает из теплообменника 16, использующего тепло отходящих газов, в воздушный теплообменник 17, где спирт можно охладить до желаемой температуры с помощью протекающего через теплообменник окружающего воздуха. Как теплообменник 16, использующий тепло отходящих газов, так и воздушный теплообменник 17 могут быть управляемыми теплообменниками, которые позволяют управлять теплопереносом. Так, например, в теплообменнике 16, использующем тепло отходящих газов, регулированием байпаса можно использовать только более или менее значительную часть потока выхлопных газов для нагрева протекающего спирта. В воздушном теплообменнике 17 для регулируемого охлаждения протекающего через него спирта можно, например, регулировать управляющим устройством 10 скорость протекания воздуха через воздушный теплообменник 17.
Само собой разумеется, для теплообменника 17 вместо воздуха можно использовать также другую среду теплопередачи, как вода или масло (здесь не показано).
Наряду с температурой, с помощью механизмов управления можно также менять давление в реакторе. Во-первых, это можно осуществить путем изменения количества метанола, доставляемого насосом P1, например изменяя число оборотов или длину хода, или с помощью установленного со стороны всасывания насоса P1 переменного дросселя. Следующая возможность состоит в использовании редукционного клапана со стороны давления насоса P1, с помощью чего можно устанавливать давление в реакторе независимо от температуры в реакторе.
Образованную в реакторе 3 топливную смесь можно, если это требуется, дополнительно обрабатывать или временно хранить в следующей за реактором 3 камере 4.