RU2723546C1

RU2723546C1 - Alternative automotive fuel and method of its production

Info

Publication number: RU2723546C1
Application number: RU2019131803A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Цыганков; Александр Михайлович Мирошников; Алена Владимировна Полозова; Дмитрий Сергеевич Коновалов
Original assignee: Дмитрий Владимирович Цыганков; Александр Михайлович Мирошников; Алена Владимировна Полозова; Дмитрий Сергеевич Коновалов
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2020-06-16

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention discloses an alternative automobile fuel with octane number of not less than 100.0 units, determined by motor method, consisting of ethyl alcohol and ether part, characterized by that as an ether part contains a simple cyclic ether – propylene oxide, at following ratio of components, vol%: ether part 5–10; ethyl alcohol up to 100. There is also disclosed method of producing alternative automotive fuel.EFFECT: technical result consists in obtaining alternative automotive fuel which has an octane number at least 100 units determined by the motor method, low content of washed and unwashed resins (no more than 5 mg/100 cm), and sulfur (not more than 10 mg/kg), and also meets main requirements for characteristics of fuels for FFV-cars by ASTM D5798, EN 15293 and GOST R 54290.2 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к альтернативному топливу, предназначенному для использования в автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием с универсальным потреблением топлива (FFV-автомобили) и способу его получения.The invention relates to alternative fuels intended for use in cars equipped with internal combustion engines with spark ignition with universal fuel consumption (FFV cars) and a method for its production.

Этиловый спирт уже давно находит применение в качестве компонента различных видов моторных топлив. Его использование способствует уменьшению зависимости от ископаемых углеводородов и развитию сельского хозяйства или нефтехимии, снижению выбросов парниковых газов в жизненном цикле топлива. Важнейшим достоинством этанола является его способность к повышению стойкости топлива к детонации (октанового числа), а также, благодаря наличию атома кислорода, к более полному сгоранию топлива - тем самым снижается концентрация несгоревших углеводородов и монооксида углерода в отработавших газах. Кроме того, сгорание спирта происходит при более низкой температуре, чем бензина или дизельного топлива, поэтому при сгорании образуется намного меньше окислов азота. Все эти соединения нормируются стандартами ЕВРО.Ethyl alcohol has long been used as a component of various types of motor fuels. Its use helps to reduce dependence on fossil hydrocarbons and the development of agriculture or petrochemicals, and to reduce greenhouse gas emissions in the fuel life cycle. The most important advantage of ethanol is its ability to increase the resistance of fuel to detonation (octane number), and also, due to the presence of an oxygen atom, to more complete combustion of fuel - thereby reducing the concentration of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gases. In addition, the combustion of alcohol occurs at a lower temperature than gasoline or diesel fuel, so much less nitrogen oxides are formed during combustion. All these compounds are standardized by EURO standards.

Использование этанола известно еще с самых первых автомобилей, выпущенных в мире. Так знаменитый автомобиль Генри Форда - Форд-Т, выпускавшийся с 1908 по 1927 годы, был приспособлен для эксплуатации на трех видах топлива - бензин, керосин и спиртовое топливо. По сути дела, эти первые автомобили, произведенные в мире, имели универсальную топливную систему, которая и позволяла работать на разных топливах. В последствие такие топливные системы получили название flexible-fuel vehicle (FFV), что значит гибкие топливные автомобили. Под этим понимаются автомобили, работающие как на стандартном бензине, так и на любом виде этанолсодержащего топлива.The use of ethanol has been known since the very first cars produced in the world. So the famous car of Henry Ford - Ford-T, produced from 1908 to 1927, was adapted for operation on three types of fuel - gasoline, kerosene and alcohol fuel. In fact, these first cars produced in the world had a universal fuel system, which allowed them to work on different fuels. Subsequently, such fuel systems are called flexible-fuel vehicle (FFV), which means flexible fuel vehicles. By this we mean cars that work both on standard gasoline and on any type of ethanol-containing fuel.

Топливная система FFV имеет два основных отличия от классических топливных систем. Первое отличие связано с тем, что спирт обладает высокой коррозионной активностью, особенно в присутствие воды, а также плохо влияет на обычные пластики и резиновые детали. Поэтому все детали двигателя должны быть заранее разработаны с учетом этих факторов. Второе отличие состоит в том, что, если при сгорании 1 килограмма бензина образуется примерно 43,6 МДж энергии, тогда как для спирта эта цифра составляет всего 30,6 МДж. Поэтому, для получения той же мощности двигателя необходимо подавать значительно больше спирта, чем бензина. Топливная система FFV распознает наличие спирта и его количество в топливе и в зависимости от этого изменяет его подачу.The FFV fuel system has two main differences from classic fuel systems. The first difference is due to the fact that alcohol has a high corrosion activity, especially in the presence of water, and also has a bad effect on ordinary plastics and rubber parts. Therefore, all engine parts must be developed in advance taking these factors into account. The second difference is that, if 1 kilogram of gasoline is burned, approximately 43.6 MJ of energy is generated, whereas for alcohol this figure is only 30.6 MJ. Therefore, to obtain the same engine power, it is necessary to supply significantly more alcohol than gasoline. The FFV fuel system detects the presence of alcohol and its amount in the fuel and, depending on this, changes its supply.

Этанолсодержащие топлива по концентрации этилового спирта можно разделить на 3 группы: стандартный бензин, содержащий до 5-15% (Е5-Е15), среднеэтанольные топлива - от 20 до 40% (Е20, Е30, Е40) и высокоэтанольные топлива для специальных автомобилей - от 50 до 100% спирта (Е85, Е100, ED95).Ethanol-containing fuels according to the concentration of ethyl alcohol can be divided into 3 groups: standard gasoline containing up to 5-15% (E5-E15), medium-ethanol fuels from 20 to 40% (E20, E30, E40) and high-ethanol fuels for special vehicles - from 50 to 100% alcohol (E85, E100, ED95).

Считается, что для бензина, содержащего до 15% спирта никаких изменений в конструкции и регулировках двигателя практически не требуется. Мало того, в техническом регламенте на бензин предусмотрена добавка до 5% этанола.It is believed that for gasoline containing up to 15% alcohol, no changes in the design and adjustments of the engine are practically required. Moreover, the technical regulation for gasoline provides for the addition of up to 5% ethanol.

Топлива с высоким содержанием этанола (более 50%), предназначенные для использования в автомобилях с универсальным потреблением топлива (flexible-fuel vehicle (FFV) - автомобили, работающие как на стандартном бензине, так и на любом виде этанолсодержащего топлива). Эти автомобили получили значительное распространение в различных странах.Fuels with a high ethanol content (more than 50%), intended for use in cars with universal fuel consumption (flexible-fuel vehicle (FFV) - cars that run on standard gasoline, and on any type of ethanol-containing fuel). These cars are widely distributed in various countries.

В США разработан стандарт ASTM D5798, который устанавливает требования к топливам, предназначенным для использования в FFV-автомобилях и содержащим от 51 до 83% об. этанола. Согласно этому стандарту денатурированный топливный этанол смешивается с углеводородной фракцией, удовлетворяющей требованиям ASTM D4814, однако состав этой фракции не регламентируется. В США топливо Е85 реализуется более чем на 3000 АЗС.In the United States, the ASTM D5798 standard has been developed, which establishes the requirements for fuels intended for use in FFV cars and containing from 51 to 83% vol. ethanol. According to this standard, denatured fuel ethanol is mixed with a hydrocarbon fraction that meets the requirements of ASTM D4814, however, the composition of this fraction is not regulated. In the USA, E85 fuel is sold at more than 3,000 gas stations.

В Бразилии топливо Е85 получило наибольшее распространение, наряду с ними применяется топливо Е100, представляющее собой денатурированный этанол с пакетом присадок. В 2015 году 68% легкового автопарка Бразилии составляли автомобили с универсальным потреблением топлива, которые могут использовать топливо Е85 или стандартный бензин и их смеси.In Brazil, E85 fuel is most widely used; along with them, E100 fuel is used, which is denatured ethanol with a package of additives. In 2015, 68% of Brazil's passenger car fleet was made up of vehicles with universal fuel consumption, which can use E85 fuel or standard gasoline and their mixtures.

Топливо Е85 также получило распространение в Канаде и Тайланде.E85 fuel also gained distribution in Canada and Thailand.

В странах Европейского союза топлива с высоким содержанием этанола (более 50% об.) должны соответствовать стандарту EN 15293. Согласно ему, денатурированный топливный этанол смешивается с товарным бензином, удовлетворяющим требованиям EN 228. Следует отметить, что общий уровень потребления топлив с высоким содержанием этанола ниже, чем в США, однако в некоторых государствах, например, в Швеции и Франции, он относительно высок.In the countries of the European Union, fuels with a high ethanol content (more than 50% vol.) Must comply with EN 15293. According to it, denatured fuel ethanol is mixed with commercial gasoline that meets the requirements of EN 228. It should be noted that the overall level of consumption of fuels with a high ethanol content lower than in the USA, but in some states, for example, in Sweden and France, it is relatively high.

В России имеется нормативно-техническая документация, необходимая для производства топлив с высоким содержанием этанола. ГОСТ Р 54290-2010 «Топливный этанол (Ed75-Ed85) для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием. Технические условия». Однако на данный момент подобные топлива в России не производятся.In Russia, there is regulatory and technical documentation necessary for the production of fuels with a high ethanol content. GOST R 54290-2010 “Fuel ethanol (Ed75-Ed85) for automotive engines with positive ignition. Technical conditions. " However, at the moment such fuels are not produced in Russia.

Представленные данные по применению в различных странах топлив с высоким содержанием этанола подтверждают актуальность данного направления и практическую применимость изобретения.The presented data on the use of fuels with a high ethanol content in various countries confirm the relevance of this area and the practical applicability of the invention.

Известна композиция топлива, в состав которой входят от 80 до 99% этанола и от 1 до 20% углеводородной фракции, которая включает в себя пентан, изопентан, бутан, изобутан и пропан. Дополнительно в составе может присутствовать вода от 1 до 20%.Known fuel composition, which includes from 80 to 99% ethanol and from 1 to 20% hydrocarbon fraction, which includes pentane, isopentane, butane, isobutane and propane. Additionally, the composition may contain water from 1 to 20%.

(Патент GB 2433265, МПК C01L 1/02, C10L 1/16, опубл. 20.07.2007 г.)(Patent GB 2433265, IPC C01L 1/02, C10L 1/16, published on July 20, 2007)

Известна топливная композиция, состоящая из 15-25% об. низкооктановой фракции прямой перегонки нефти или газового конденсата, выкипающей внутри интервала температур НК-200°С и до 100% об. этилового спирта, содержащего до 4% об. воды. (Патент РФ №2549179, МПК C10L 1/18, C10L 1/02 C10L 10/04, опубл. 20.04.2015 бюл. №11)Known fuel composition consisting of 15-25% vol. low-octane fraction of direct distillation of oil or gas condensate, boiling inside the temperature range NK-200 ° C and up to 100% vol. ethyl alcohol containing up to 4% vol. water. (RF patent No. 2549179, IPC C10L 1/18, C10L 1/02 C10L 10/04, published on 04/20/2015 bull. No. 11)

Наиболее близким по составу к заявляемому является топливо, состоящее из этилового спирта 54-85% масс, и углеводородной бензиновой фракции процесса гидрокрекинга, выкипающую в интервале температур 28-225°С до 100% масс.The closest in composition to the claimed is a fuel consisting of ethyl alcohol 54-85% of the mass, and a hydrocarbon gasoline fraction of the hydrocracking process, boiling in the temperature range 28-225 ° C to 100% of the mass.

(Патент RU 2605954, МПК C10L 1/182, C10L 1/18, C10L 1/06, опубл. 10.01.2017 бюл. №1)(Patent RU 2605954, IPC C10L 1/182, C10L 1/18, C10L 1/06, published on 01/10/2017 Bulletin No. 1)

Основным недостатком прототипа, как в прочем и остальных аналогов является то, что в их составе используются углеводородные бензиновые фракции, являющиеся производными нефти, а это значит, что топливные композиции будут расслаиваться в присутствии воды при понижении температуры окружающей среды. Помимо этого, в топливе будет присутствовать сера из бензиновой фракции и октановое число бензиновой фракции будет также влиять на октановое число топливной композиции в целом, поэтому если используются прямогонные или другие низкооктановые фракции, то октановое число всей композиции понизится, а использовать высокооктановые фракции дорого.The main disadvantage of the prototype, as in other analogues, is that they use hydrocarbon gasoline fractions, which are derivatives of oil, which means that the fuel compositions will delaminate in the presence of water at lower ambient temperatures. In addition, sulfur from the gasoline fraction will be present in the fuel and the octane number of the gasoline fraction will also affect the octane number of the fuel composition as a whole; therefore, if straight-run or other low-octane fractions are used, the octane number of the whole composition will decrease, and it is expensive to use high-octane fractions.

Наиболее близким способом получения альтернативного топлива является способ, в котором смешивается этиловый спирт от 54 до 85% масс, и углеводородная фракция Компоненты топлива смешиваются при температуре окружающей среды в смесителе в течение 20-30 минут.The closest way to obtain an alternative fuel is a method in which ethyl alcohol from 54 to 85% by weight is mixed and a hydrocarbon fraction. The fuel components are mixed at ambient temperature in the mixer for 20-30 minutes.

(Патент RU 2605954, МПК C10L 1/182, C10L 1/18, C10L 1/06, опубл. 10.01.2017, бюл. №1)(Patent RU 2605954, IPC C10L 1/182, C10L 1/18, C10L 1/06, publ. 01/10/2017, bull. No. 1)

Недостатком указанного изобретения является использование в составе топливной композиции углеводородной фракции.The disadvantage of this invention is the use of a hydrocarbon fraction in the composition of the fuel composition.

Основной проблемой использования чистого этилового спирта в качестве моторного топлива является то, что его температура кипения составляет +78,4°С, тогда как у бензина температура начала кипения составляет +33°С. Это говорит о том, что у спирта более низкая испаряемость, чем у бензина и поэтому на чистом спирте могут возникнуть трудности с запуском холодного двигателя. Трудностей никаких не будет только в том случае, если температура окружающего воздуха достаточно высока. Если же температура воздуха ниже плюс 10°С, то запуск на таком топливе практически не возможен. Поэтому в Бразилии, где температуры круглогодично высокие, можно использовать чистый спирт (так называемый Е100). В США и Европе более холодно, поэтому там, в качестве альтернативного топлива используется спиртовое топливо Е85, в котором содержится от 70 до 85% спирта, а остальное бензин или бензиновые фракции. Это позволяет улучшить испаряемость топлива и делает возможным запуск холодного двигателя до минус 25°С и ниже.The main problem of using pure ethyl alcohol as a motor fuel is that its boiling point is + 78.4 ° C, while for gasoline the boiling point is + 33 ° C. This suggests that alcohol has a lower volatility than gasoline, and therefore with pure alcohol it may be difficult to start a cold engine. There will be no difficulties only if the ambient temperature is high enough. If the air temperature is below plus 10 ° C, then starting with such fuel is practically impossible. Therefore, in Brazil, where temperatures are high year-round, you can use pure alcohol (the so-called E100). In the USA and Europe it is colder, therefore there, as an alternative fuel, alcohol fuel E85 is used, which contains from 70 to 85% alcohol, and the rest is gasoline or gasoline fractions. This allows you to improve the evaporation of the fuel and makes it possible to start a cold engine to minus 25 ° C and below.

Согласно требованиям, на спиртовое топливо для FFV американского стандарта ASTM D5798, европейского EN 15293 и выпущенного на их основе Российского ГОСТ Р 54290 - 2010 для повышения испаряемости наряду с углеводородной частью можно использовать простые алифатические эфиры.According to the requirements for alcohol fuel for FFV, American standard ASTM D5798, European EN 15293 and Russian GOST R 54290 - 2010 issued on their basis, aliphatic ethers can be used along with the hydrocarbon part to increase volatility.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка на основе этилового спирта и эфирной части, дешевого и доступного альтернативного автомобильного топлива и способа его получения. Это топливо отличается высокой детонационной стойкостью, не содержит серы и не расслаивается даже при сверхнизких температурах, при этом оно обладает хорошими пусковыми свойствами.The technical result of the claimed invention is the development on the basis of ethyl alcohol and the ether part, cheap and affordable alternative automotive fuel and method for its production. This fuel has a high detonation resistance, does not contain sulfur and does not delaminate even at extremely low temperatures, while it has good starting properties.

Указанный технический результат достигается тем, что в автомобильном топливе с октановым числом не менее 100,0 ед., определенным по моторному методу, состоящем из этилового спирта и эфирной части, согласно заявляемому изобретению автомобильное топливо в качестве эфирной части содержит простой циклический эфир - оксид пропилена, при следующем соотношении компонентов, об.%:The specified technical result is achieved in that in automobile fuel with an octane rating of at least 100.0 units, determined by the motor method consisting of ethyl alcohol and an ether part, according to the claimed invention, automobile fuel contains a cyclic ether - propylene oxide as an ether part , in the following ratio of components, vol.%:

эфирная часть 5-10ether part 5-10

этиловый спирт до 100ethyl alcohol up to 100

Указанный технический результат достигается также тем, что в способе получения альтернативного автомобильного топлива смешением этилового спирта с эфирной частью, согласно заявляемому изобретению в качестве эфирной части используют оксид пропилена с температурой кипения плюс 34,2°С и давлением насыщенных паров (ДНП) порядка 118 кПа, оксид пропилена смешивают с этиловым спиртом при температуре окружающей среды.The specified technical result is also achieved by the fact that in the method of producing alternative automobile fuel by mixing ethyl alcohol with an ether part, according to the claimed invention, propylene oxide with a boiling point plus 34.2 ° C and saturated vapor pressure (DNP) of the order of 118 kPa is used as the ether part , propylene oxide is mixed with ethyl alcohol at ambient temperature.

Поскольку в присутствии воды этиловый спирт обладает повышенной коррозионной активностью, то в топливо дополнительно рекомендуется вводить присадку с антиокислительными и антикоррозионными свойствами, хотя оксид пропилена как органическое основание и сам способен к значительному снижению коррозионной активности спирта.Since ethyl alcohol has increased corrosiveness in the presence of water, it is additionally recommended to add an additive with antioxidant and anticorrosive properties to the fuel, although propylene oxide, as an organic base, is itself capable of significantly reducing the corrosive activity of alcohol.

Все компоненты топливной композиции, используемые в предлагаемом изобретении, производятся промышленностью.All components of the fuel composition used in the present invention are manufactured by industry.

Этиловый спирт может быть получен из сельскохозяйственных культур и отходов переработки древесины и сельского хозяйства (биоэтанол) или путем гидратации этилена (синтетический этиловый спирт). В настоящее время в России действуют следующие стандарты на этиловый спирт: ГОСТ Р 53200-2008 «Денатурированный топливный биоэтанол. Технические условия», ГОСТ Р 56146-2014 «Этанол денатурированный, используемый в качестве компонента топлива для двигателей с искровым зажиганием. Технические требования», ГОСТ EN 15376-2014 «Топлива автомобильные. Этанол в качестве компонента моторного топлива» и ГОСТ Р 51999-2002 «Спирт этиловый синтетический ректификованный и денатурированный. Технические условия».Ethyl alcohol can be obtained from crops and wood and agricultural processing wastes (bioethanol) or by hydration of ethylene (synthetic ethanol). Currently, the following ethanol standards are in force in Russia: GOST R 53200-2008 “Denatured Fuel Bioethanol. Specifications ", GOST R 56146-2014" Denatured ethanol used as a fuel component for spark ignition engines. Technical requirements ”, GOST EN 15376-2014“ Automotive fuels. Ethanol as a component of motor fuel "and GOST R 51999-2002" Rectified and denatured synthetic ethyl alcohol. Technical conditions. "

Изобретение направлено, прежде всего, на относительную дешевизну, поэтому к спирту предъявляются минимальные требования с точки зрения содержания воды и соответственно его цены. Для данной композиции пригоден спирт с содержанием воды от 5 до 20% об.The invention is primarily aimed at relative cheapness; therefore, minimum requirements are imposed on alcohol in terms of water content and, accordingly, its price. Alcohol with a water content of 5 to 20% vol. Is suitable for this composition.

В таблице 1 представлены основные характеристики этилового спирта. В качестве этилового спирта использованы два его вида с различным содержанием воды - 5 и 20% об.Table 1 presents the main characteristics of ethyl alcohol. Two types of ethanol with different water contents — 5 and 20% vol., Were used as ethyl alcohol.

В качестве эфирной части предлагается простой циклический эфир - оксид пропилена. Использование вместо углеводородной части эфирной вещь известная. В Российском ГОСТ Р 54290 - 2010 на топливо Ed75-Ed85 прямо указано, что наряду с углеводородной частью могут использоваться простые алифатические эфиры, поэтому основная новизна данного изобретения в том, что в спиртовой композиции используются не простые алифатические эфиры, а простой циклический эфир - оксид пропилена. В таблице 2 представлены основные характеристики оксида пропилена.A simple cyclic ether, propylene oxide, is proposed as the ether part. The use of the etheric thing instead of the hydrocarbon part is a known thing. In Russian GOST R 54290-2010 for Ed75-Ed85 fuel it is explicitly stated that along with the hydrocarbon part, aliphatic ethers can be used, therefore, the main novelty of this invention is that not alcohol aliphatic ethers are used in the alcohol composition, but an cyclic ether - oxide propylene. Table 2 presents the main characteristics of propylene oxide.

Главный фактор, предопределивший использование оксида пропилена, это его относительно низкая температура кипения плюс 34,2°С. Это позволяет при использовании всего 5% оксида пропилена получить такой же эффект, как и при использовании 15% товарного бензина к 85% этилового спирта. Для того, чтобы в этом убедиться, были произведены разгонки образцов топлив с использованием товарного бензина и оксида пропилена. Результаты разгонок представлены в таблице 3.The main factor that predetermined the use of propylene oxide is its relatively low boiling point plus 34.2 ° C. This allows using just 5% propylene oxide to get the same effect as using 15% commercial gasoline to 85% ethyl alcohol. In order to verify this, fuel samples were distilled using commercial gasoline and propylene oxide. The results of the acceleration are presented in table 3.

Результаты испытаний различных образцов топлива представлены в таблице 4.The test results of various fuel samples are presented in table 4.

Таким образом, за счет использования оксида пропилена можно использовать даже не обезвоженный этиловый спирт что позволяет существенно снизить стоимость композиции в целом, при этом топливо обладает высокой детонационной стойкостью и хорошей испаряемостью.Thus, through the use of propylene oxide, even non-dehydrated ethyl alcohol can be used, which can significantly reduce the cost of the composition as a whole, while the fuel has a high detonation resistance and good volatility.

Claims

1. Alternative automobile fuel with an octane rating of at least 100.0 units, determined by the motor method, consisting of ethyl alcohol and an ether part, characterized in that it contains a simple cyclic ether - propylene oxide as the ether part, in the following ratio of components, about .%:

ether part 5-10 ethyl alcohol to one hundred

2. A method of producing an alternative automobile fuel according to claim 1 by mixing ethanol with an ether part, characterized in that a cyclic ether — propylene oxide with a boiling point plus 34.2 ° C. and a saturated vapor pressure of about 118 kPa — is used as the ether part. propylene oxide is mixed with ethyl alcohol at ambient temperature.