醇在火花点火发动机燃料中的用途的制作方法

专利名称：醇在火花点火发动机燃料中的用途的制作方法
醇在火花点火发动机燃料中的用途本发明涉及醇在火花点火发动机燃料中的用途，并且涉及火花点火发动机燃料的 制备。除了乙醇以外，这些燃料还包含C4醇。火花点火发动机燃料是适用于火花点火发动机的发动机燃料。它们通常包含具有 不同沸点的不同烃的混合物，大气压下的所述沸点通常在26°C至210°C的范围内。然而，该 范围不是明确预先确定的，并且可取决于烃、添加剂、以及其它组分的实际组成，并且还取 决于环境条件。通常，燃料的烃组分包含C4-Cltl烃。在火花点火燃料制备中必须达到的要求是多方面的。它们是法规、销售链、以及它 们在发动机中的应用的结果。除了这些以外，还有制备具体条件和不同的传动设计，这需要 将火花点火燃料分化成不同的类型。在德国，按照法令以DIN Standards (DIN标准)的形 式实施最低要求。在加油站，它们必须能够以适当的标识被识别。在1993年提出并且在 2004年和2006年更新的Fuel Quality Decree (燃料质量法令)现在仅允许满足所有DIN Standard EN228要求的燃料。在美国，根据ASTM 4814施加相应的规范。为了达到最佳的传动条件，燃料应满足车辆的各种不同要求。在具体情况下，这是 指在经历寒冷的长夜后，发动机应如夏天那样易于启动；也就是说，如同短暂的间停后明 显发热的发动机重新启动那样。而且，当空转时，发动机不应熄火；并且在高负载下不应变 得不稳定。即使在不利的条件下，进气系统、燃烧室或油槽中也不应有干扰残余物。燃料应以一定的方式适应这些不同并且部分地矛盾的要求，以使无故障、可靠并 且互利的相互作用成为可能。因此，德国品牌制造商将有限比例的被称为“矿物油替代组 分”的物质如醇和醚以及最多0. 5重量％的化学活性物质混入到基础燃料中。对用于被称为混合燃料车辆中的燃料，规定了具有0体积％至85体积％乙醇的醇 内容物的具体要求。对于被称为E85的具有70体积％至85体积％乙醇的燃料，冷启动方 式的蒸汽压是尤其关键的。具有高含量醇如乙醇或不同醇混合物的燃料是已知的。专利申 请 HK 106 428、US2006/0137243、US 2004/0107634 和 US 2004/123518 以举例的方式提及 了这些。还已知，使典型精炼的“超级无铅汽油”或研究法辛烷值(还被称为RON)为95 的夏季或冬季品质的汽油与70体积％或85体积％的生物乙醇混合。根据2005年5月 CEN Workshop Agreement 的草案规定 CWA 15293 和 Draft Standard E DIN 51625(2007 年10月，Beuth Verlag)建议，夏季的最低蒸汽压为35kPa(A级)，而冬季的最低蒸汽压为 50kPa(B级)。根据基础超级无铅汽油或汽油燃料的蒸汽压，汽油/乙醇混合物的蒸汽压可 能不符合草案规定。在这些情况下，必须将混合物中的乙醇浓度下调，这是不可取的。因此，本发明的目的在于提供具有高浓度醇的燃料，所述燃料表现出足够高的蒸 汽压，例如压力能够满足规定。这旨在增强冷启动性能，以确保例如即使在冬季温度下燃料 也能表现出良好的冷启动性能。通过使用至少一种权利要求1的C4醇解决了此问题。基础燃料是常规汽油，例如无铅汽油，如德国和欧洲其他地方提供的RON为95的 无铅汽油。
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自1984年以来在加油站作为Normal (标准级)提供，此外自1985年以来作为 Euro-Super (欧洲超高级)提供，并且自1989年以来作为SuperPlus (加强型超高级)提 供的无铅汽油的最低标准详述于1993年的European Standard DIN EN 228中。以标准 级、超高级和加强型超高级品质得自德国精炼厂的火花点火燃料的组成可见于例如German ScientificAssociation for Mineral Oil,Na tural Gas, and Coals ( iiil^^^j DGMK)白勺 DGMK Research Report 502-1中。在该分析中，测定了燃料的主要组分，具体地讲，以平均 值和范围的方式测定了所述主要组分。该分析的依据是2001/2002冬季的冬季产品。本文 明确参考此报告。具体地讲，测定了 50种具有3至6个碳原子的烃、51种芳烃、和3种含氧 化合物的含量。此外，对于所有石蜡、环烷烃、环烯烃和非环烯烃以及芳烃，测定了每种情况 下具有相同碳含量的所有代表物的总含量。单独测定的是10种二烯和15种多环芳烃的含 量。所涉及的火花点火燃料衍生自14种不同的精炼物。本发明的所得燃料包含15体积％至50体积％的此类基础燃料。汽油挥发的趋势(其挥发性)是用作火花点火燃料的首要先决条件，同时也是基 本品质特征。由于汽油是许多烃的混合物，因此它不具有限定的沸点，但是具有通常介于 30 V至200 V之间的沸腾范围。本发明的燃料包含15体积％至65体积％的乙醇和15体积％至50体积％的C4 醇。当然，总计，包括任何可能存在的其它组分，总是得到100体积％的总和。原则上，相对于正常燃料，燃料的特性由于高含量的醇而发生改变。一种此类特性 是例如挥发性。挥发性的特征在于大多数情况下30°C至200°C，最宽26°C至210°C温度带内的沸 腾曲线，并且挥发性的特征在于蒸汽压。沸腾曲线描述了不同温度下的挥发流体比例。蒸 汽压是燃料组分在限定温度下，在密闭容器中从流体相转变成蒸汽相的结果。“挥发的汽油馏分/温度”函数提供了所称的沸腾曲线，其位置和特性使得本领域 技术人员能够得出与燃料在发动机中行为相关的结论。原则上，火花点火燃料的挥发性必 须以一定的方式确定，使得在所有情况下燃烧室中存在可点燃的燃料_空气混合物。在特 定的操作条件下，例如特别冷或特别热的发动机，此先决条件难以满足，使得燃料品质差别 可以按照此判据来确认。混合物的可点燃性不仅受燃料的影响，而且也受发动机设计的影响。即，在发动机 是用“富”还是“贫”混合物驱动方面存在差异。就冬季运行而言，火花点火燃料的挥发性一般适于寒冷的环境温度。为了获得可 靠的冷启动，所述燃料应尽可能地挥发。因为过低的挥发性将导致混合物由于蒸发不充分 并且过多的燃料冷凝在进气歧管壁上而变贫，因此低温范围内的低沸腾曲线和高蒸汽压有 利于发动机的启动和预热。对热发动机汽油的要求恰好相反。在不利的条件下，燃料系统中的组分可变得很 热，使得过大比例的燃料挥发(燃油泵中“形成蒸汽相”)，沸腾离开汽化器浮室，或在喷射 系统中形成蒸汽垫。因此，燃料输送被中断，并且混合物过度富集，这对传动性能具有不利 影响。这些扰乱出现越频繁，燃料系统(泵、汽化器和燃料喷射系统)变得就越热，并且燃 料输送体积和系统压力就越低。在燃料方面，过高的挥发性使得其自身明显造成不利的效 果。夏季环境高温增加了故障的可能性。为此，燃料制造商以一定的方式混合他们的夏季品种，使得相对于冬季燃料品种，低温范围内的沸腾曲线高并且蒸汽压低。然而，这种调整 一定不能过大以致使冷启动产生困难。根据基础燃料，尤其是具有高含量乙醇的燃料混合物，通常不能保持根据草案规 定应保持的最低蒸汽压，尤其是冬季产品。结果是，将不得不降低乙醇含量以达到最低蒸汽 压。令人惊奇的是，已发现，通过将包含基底汽油和乙醇的燃料(例如E85)与至少一 种(；醇(例如可以具有高浓度C4醇的其它燃料形式存在)混合可实现混合物蒸汽压的提 高，所述蒸汽压高于单独燃料的蒸汽压。在实验室中，测定了超质汽油中各种不同的乙醇和 丁醇混合物的蒸汽压(根据EN 13016-1)。结果示于表1和2中。每种情况下用于表征单独组合的字符后的数字表示该组合 按体积百分比(％)计的含量。本发明的燃料满足了上文涉及的要求，并且具体地讲改善了冷启动特性。原则上可以确定，对于基础燃料与较高比例的乙醇的混合物，如果将至少一种C4 醇加入到该混合物中，使得其在所得燃料混合物中的含量等于至少15体积％，则发生蒸汽 压的非典型增加。蒸汽压的这种增加是本领域技术人员不可预见的。在混合后包含15体 积％至50体积％基础燃料、15体积％至65体积％乙醇和15体积％至50体积％ C4醇的 燃料中，所述效应是显著的。在混合后包含20体积％至46体积％基础燃料、20体积％至 60体积％乙醇和20体积％至50体积％ C4醇的燃料中，并且尤其是在混合后包含19. 5体 积％至44体积％基础燃料、21体积％至59. 5体积％乙醇和21体积％至49体积％ C4醇的 燃料中，所述效应是尤其显著的。当C4醇为正丁醇(还被称为1-丁醇)、仲丁醇(还被称 为2-丁醇)或异丁醇(还被称为2-甲基-1-丙醇)或至少两种这些丁醇的混合物时，这 种效应是尤其显著的。根据对沸腾行为的分析(根据EN ISO 3405蒸馏)，确定将包含乙醇的燃料与包 含丁醇的燃料混合，获得积极的效果。在本发明所述的混合物中，以平稳方式在约20%至 90%挥发体积范围内描绘的蒸馏曲线恒定上升，从而获得与火花点火燃料轨迹相类似的轨 迹。如果C4醇为异丁醇，就蒸汽压以及沸腾行为而言，所涉及的效果是尤其有利的。就包含在本文所述燃料中的乙醇而言，基本上无关紧要的燃料特性是乙醇的产生 来源。然而优选地，将使用至少大部分为天然来源如来自生物质的乙醇，因为在燃烧时，这 种乙醇生成环保的二氧化碳。出于相同的原因，所用的C4醇同样优选大部分为天然来源。本发明所述燃料中醇的总含量为至少50体积％，但优选至少70体积％。如前所述，基础燃料为如无铅汽油的燃料，例如当前可商购获得的无铅汽油。这由 碳数主要为4至12的烃的混合物组成。其主要组分主要是石蜡、环烷烃、烯烃和芳烃。除 此以外，基础燃料还可包含含氧组分。在这种情况下，优选醚。按基础燃料的体积计，醚含 量优选等于最多15%。作为醚，非常适宜的是叔丁基甲基醚(还被称为MTBE)以及叔丁基 乙基醚(还被称为ETBE)、或它们的混合物。本发明还涉及制备如本发明所述的所得燃料的方法，以及其作为火花点火发动机 燃料，尤其是机动车辆中火花点火发动机燃料的用途。本发明的所得燃料优选由已经存在的燃料混合物制得。这些混合物中的一种是已经描述的E85燃料，其具有的比例为70体积％至85体积％的乙醇和比例为15体积％至30 体积％的基础燃料(混合物(I))。其它混合物包含30体积％至50体积％的基础燃料和50 体积％至70体积％的(；醇(混合物(II))。混合物I II的优选混合比例为1 1。混 合物I可为E70或E85汽油，而混合物II可为B50或B70汽油。优选含70体积％乙醇的 混合物(I)与含50体积％ C4醇(尤其是异丁醇)的混合物(II)的混合物。混合物(I)与 混合物(II)的比例优选在40 60至60 40范围内，具体地讲分别为50 50或1 1。 然而，混合物(I)可包含最多85体积％的乙醇，而混合物(II)可包含最多70体积％的C4然而基本上，C4醇不仅可作为与基础燃料的混合物加入到基础燃料与高含量醇的 混合物中，而且C4醇还可以高浓度(最多100% )加入到后面的混合物中。在最后分析中， 测定所得混合物中的浓度比率。因此，本发明还涉及至少一种C4醇提高火花点火发动机燃 料的蒸汽压的应用，所述燃料包含基础燃料和乙醇。在所述应用中，将所述至少一种C4醇加 入到包含基础燃料和乙醇的燃料中以获得所得燃料混合物，所述混合物包含15-50体积％ 的基础燃料、15-65体积％的乙醇、和15-50体积％的(；醇。每种情况下的体积百分比(％ ) 数据均与所得的燃料混合物相关。所得燃料混合物优选含有浓度按重量计小于800ppm，例如按重量计在100至 400ppm范围内的水。现仅以举例的方式示出本发明，参见表1和2中的数据。根据EN13016-1，测定在 实验室中测得的超级汽油中各种不同的乙醇和丁醇混合物的蒸汽压，并且示于表1和2中。还示出了根据组分相对体积量计算出的预计蒸汽压与实际蒸汽压间的差值。根据 组分的相对体积比例来计算预计蒸汽压。例如，计算70体积％ Β50/30体积％ E70混合物 的预计蒸汽压为70%的iB50蒸汽压加上30%的E70蒸汽压。表中数据示出，使用至少一 种C4醇提高了包含基础燃料和乙醇的燃料的蒸汽压，所述蒸汽压超出通过将各种汽油/乙 醇和汽油/ 丁醇混合物的蒸汽压根据它们的量按比例加合预计出的蒸汽压。因此，例如，发 现1B50具有56. IkPa的蒸汽压，2B50具有55. 7kPa的蒸汽压，iB50具有55. 6kPa的蒸汽 压， Β70具有40. 7kPa的蒸汽压，E70具有56. IkPa的蒸汽压，而E85具有40. OkPa的蒸汽 压。测定这些丁醇和乙醇混合物的各种50 50 (体积/体积)混合物蒸汽压，并且发现大 于组分混合物的平均蒸汽压。因此，C4醇提高了燃料混合物的蒸汽压。表1和2中还示出了各种比率的Ε70ΛΒ50混合物与E85/iB70混合物的预计蒸汽 压与测得蒸汽压间的差值，预计值是根据两种混合物的相对体积比例计算出的。因C4醇造成的蒸汽压提高示于所述表中。表 权利要求
至少一种C4醇提高火花点火发动机燃料的蒸汽压的用途，所述燃料包含基础燃料和乙醇，在所述用途中，将所述至少一种C4醇加入到包含基础燃料和乙醇的燃料中以制备所得燃料混合物，所述燃料混合物包含15 50体积％的基础燃料、15 65体积％的乙醇和15 50体积％的C4醇。
2.根据权利要求1的用途，其中所述所得燃料混合物包含20体积％至46体积％的基础燃料，20体积％至60体积％的乙醇，和20体积％至50体积％的C4醇。
3.根据权利要求1或2中任一项的用途，其中所述所得燃料混合物包含 19. 5体积％至44体积％的基础燃料，21体积％至59. 5体积％的乙醇，和21体积％至49体积％的C4醇。
4.根据权利要求1至3中任一项的用途，其中所述C4醇为正丁醇、仲丁醇和异丁醇中 的一种或多种。
5.根据权利要求1至3中任一项的用途，其中所述C4醇为异丁醇。
6.根据权利要求1至5中任一项的用途，其中所述乙醇主要为天然来源。
7.根据权利要求1至6中任一项的用途，其中所述C4醇主要为天然来源。
8.根据权利要求1至7中任一项的用途，其中所述基础燃料主要包含碳数主要为4至 12的烃的混合物。
9.根据权利要求8的用途，其中所述烃混合物主要包含石蜡、环烷烃和芳烃。
10.根据权利要求8或权利要求9的用途，其中所述基础燃料包含0-15体积％的醚。
11.根据权利要求10的用途，其中所述醚为叔丁基甲基醚和/或叔丁基乙基醚。
12.根据权利要求1至11中任一项的用途，其中所得燃料混合物的醇含量为至少50体 积％。
13.根据权利要求12的用途，其中所得燃料混合物的醇含量为至少70体积％。
14.根据权利要求1至13中任一项的用途，所述用途包括通过将混合物I与混合物II 混合来制备燃料，所述混合物I包含15-30体积％的基础燃料和70-85体积％的乙醇，所述 混合物II包含30-50体积％的基础燃料和50-70体积％的C4醇。
15.根据权利要求14的用途，其中以按体积计1 1的比例混合混合物I和混合物II。
16.根据权利要求14或权利要求15的用途，其中混合物I为E70或E85汽油，并且混 合物II为B50或B70汽油。
17.制造燃料的方法，所述燃料为权利要求1至13中任一项所限定的所得燃料混合物， 所述方法包括将混合物I与混合物II混合，所述混合物I包含15-30体积％的基础燃料和 70-85体积％的乙醇，所述混合物11包含30-50体积％的基础燃料和50-70体积％的C4醇。
18.根据权利要求17的方法，其中以按体积计1 1的比例混合混合物I和混合物II。
19.根据权利要求17或权利要求18的方法，其中混合物I为E70或E85汽油，并且混 合物II为B50或B70汽油。
全文摘要
本发明涉及至少一种C4醇用于提高火花点火发动机燃料的蒸汽压的用途，所述燃料包含基础燃料和乙醇。在所述用途中，将所述至少一种C4醇加入到包含基础燃料和乙醇的燃料中以制备所得燃料混合物，所述燃料混合物包含15-50体积％的基础燃料、15-65体积％的乙醇、和15-50体积％的C4醇。所得燃料混合物表现出足够高的蒸汽压，例如其符合规定，并且即使在冬季温度下也表现出良好的启动性能。
文档编号C10L1/00GK101981165SQ200980104801
公开日2011年2月23日 申请日期2009年2月5日 优先权日2008年2月12日
发明者M·库贝尔卡, P·普拉策克 申请人:布特马斯先进生物燃料有限责任公司