DE2363848A1

DE2363848A1 - Verfahren zum betreiben von ottound rotationskolben-motoren

Info

Publication number: DE2363848A1
Application number: DE2363848A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Rall; Klaus Dipl Ing Starke; Friedrich Dipl Chem Dr Wodtcke; Willy Dr Wolf
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1975-07-10
Also published as: FR2255371A1; BE823579A; JPS5096602A; NL7416290A

Description

BASF Aktiengesellschaft 23638 A 8

Unsere Zeichen: O. Z. 30 286 Vo/Gl 6700 Ludwigshafen, 20. 12. 1973

Verfahren zum Betreiben von Otto- und Eotationskolbeti>-Mo>toren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Otto-Motoren in Gegenwart von Kraftstoffen sowie Wasser und Methanol als Zusatzkraftstoff.

Bereits vor dem 2.Weltkrieg war in Deutschland eine Dreiermischung aus gleichen Anteilen Benzin, Benzol und was-serfreiem Alkohol (Methanol/Äthanol 4θ:6θ) als Vergasertreibstoff mit einer^rOetanzahl von ungefähr 70 im Handel (B.V, Aral).

Es ist ferner bekannt, dem durch den Vergaser gelieferten Benzin-Luft-Gemisch wäßrigen Alkohol in zerstäubter Form beizumischen oder zur Erhöhung der Start-, Steig- und Kampfflugleistung von Flugmotoren ein mit Korrosionsschutz versehenes 50- bis 6o$-iges Methanol-Wasser-Gemisch zu verwenden (vgl. dazu den Artikel von Brunner "Über den Betrieb von Vergasermotoren mit sauerstoffhaltigen Treibstoffen", der als Bericht Nr. l8l von der Eidgenössischen Material-Prüfungs- und Versuchsanstalt für Industrie, Bauwesen und Gewerbe im Juni 1952 in Zürich herausgegeben wurde,, Es sei insbesondere auf Seite 8, linke Spalte, und auf Seite 7, rechte Spalte, unten, verwiesen).

Im Nachkriegsjahrzehnt hat das Erdöl als Energieträger die Kohle abgelöst. In der Folgezeit hat daher parallel mit der Erweiterung und Verfeinerung des -Angebots an Spezialprodukten aus Erdöl auch eine Entwicklung bei den Ottomotoren eingesetzt, die zu thermisch hoch belastbaren Motoren führte. Zu deren einwandfreiem Betrieb wurde der Zusatz von Antiklopfmitteln zu den

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Kraftstoffen unentbehrlich.

Als Maß für die Klopffestigkeit eines Kraftstoffes dient die Octanzahl. Die Klopfeigenschaften eines Kraftstoffes werden mit denen eines Gemisches aus Isooctan und n-Heptan verglichen. (Dabei wird Isooctan die Octanzahl 100 und n-Heptan die Octanzahl 0 zugeteilt.) Um das Verhalten des Motors zu beschreiben, verwendete man zunächst ausschließlich die sogenannte Research-Octanzahl (ROZ). Man hat jedoch bald festgestellt, daß zur Beschreibung von Einzelaspekten weitere Kenngrößen erforderlich sind. So beschreibt z.B. die Front-octanzahl (FOZ) die Klopffestigkeit der bis 100°C siedenden Kraftstoffbestandteile und charakterisiert damit insbesondere das Verfralt-an des Kraftstoffs beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges. Die Motor-Octanzahl (MOZ) gibt Auskunft über das Verhalten eines Kraftstoffes bei höherer Motordrehzahl. Gerade der Motor-Octanzahl wird wegen der Beschreibung des thermisch hoch belasteten Zustandes (hier tritt das sogenannte Hochgeschwindigkeitsklopfen auf) heute besondere Bedeutung beigemessen.

Zur Zeit werden von den Herstellern von Ottomotoren nach DIN 51 600 Normalvergaserkraftstoffe (NVK) bzw. Supervergaserl.raftstoffe (SVK) mit den in der Tabelle 1 wiedergegebenen Octanzah.^-n gefordert. Die Hersteller bzw. Lieferer sind verpflichtet, wegen der Fehlergrenze bei der Messung der Octanzahlen bei der Research-Octanzahl 0,6 Einheiten und bei der Motor-Octanzahl 0,8 Einheiten vorzuhalten.

Tabelle 1

Kraftstoff ROJ MOJ FOZ

NVK 91.0 82.O 78.O

svK 98.0 87.0 90.0

Die in DIN 516OO genannten Werte für die Octanzahlen, die offenbar auch für die Zukunft ihre Gültigkeit behalten sollen, konnten bisher nur durch Zusatz von Bleialkylen (Antiklopfmittel) zum Vergaserkraftstoff erreicht werden. Normale Straigh-Run-Benzine

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weisen je n'ach Herkunft des verarbeiteten Rohöls Werte für die ROZ von 30 bis βθ auf. Durch chemische Veredelung, insbesondere durch das Reformieren mit Platinkatalysatoren, bzw. Bimetallkatalysatoren, können die Octanzahlen der Benzine erhöht werden. Sie liegen danach jedoch noch 5 bis 10 Einheiten unter den nach DIN 51 600 geforderten Werten. Eine weitere Erhöhung der Octanzahlen durch chemische Veredelung ist wegen der stark ansteigenden Kosten unwirtschaftlich und außerdem auch nicht unbegrenzt zulässig. Denn aromatenreiche Kraftstoffe verrußen leicht und die Motor-Octanzahl sinkt bei höherem Aromatengehalt ab. Außerdem wird wegen der Toxizität von Benzol und anderen Aromaten in praktisch allen Ländern mit einer Höchstmengenverordnung für diese Stoffe zu rechnen sein, falls diese nicht bereits erlassen ist. (Z.B. sind in der Schweiz Gehalte von höchstens j5 bis 4 VoI .# an Benzol im Kraftstoff zugelassen; im California-Test ist der Gesamtaromatengehalt im Kraftstoff auf 48 Vol.$ beschränkt, wobei der Maximalgehalt für Benzol auf 5 Vol.fo festgelegt ist.')

Von den bisher verwendeten Antiklopfmitteln, haben sich insbesondere Bleitetraäthyl und Bleitetramethyl technisch bewährt. Es sind zwar seit längerer Zeit auch andere Antiklopfmittel bekannt, z.B. Fe(CO)₁-J doch zeigten sich bei diesem Stoff Nebenwirkungen für den Motor.

Obwohl die Bleialkyle außerordentlich wirksame Antiklopfmittel sind, weisen sie einen schwerwiegenden Nachteil auf; sie gefährden den Menschen und seine Umwelt, weil sie in Form ihrer Zersetzungsprodukte mit den Motprabgasen emittiert werden. In verschiedenen Ländern, z.B. in den USA, in der Bundesrepublik, in Schweden etc. wurde diesem Sachverhalt bereits dadurch Rechnung getragen, daß die höchstzulässige Konzentration an Bleialkylen im Kraftstoff auf gesetzlichem Wege oder auf dem Verordnungswege herabgesetzt wurde. (In der Bundesrepublik wurde mit Wirkung vom 1.1.72 der Bleigehalt von 0,64 g Pb/l Kraftstoff, berechnet als Metall, auf 0,4 g Pb/l herabgesetzt. Ab 1.1.76 sind nur noch Gehalte von 0.15 g Pb/l Kraftstoff zugelassen. Ähnliche Beschränkungen sind in den USA vorgesehen bzw. zu erwarten. Auch für Japan gilt in

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etwa dasselbe«) Längerfristig haben alle diese Bestrebungen das Ziel, schließlich nur noch unverbleites B_enzin als Kraftstoff· • zu verwenden«

Es bestand daher die Aufgabe, Zusätze zu Kraftstoffen zu finden, die die Reduzierung des Bleigehaltes auf Werte von unter 0,2 g P_;b/1 Kraftstoff erlauben, ohne daß die Octanzahlen gemäß DIN 51 600 unterschritten weöden und deren Anwendung möglichst mit keiner oder nur einer vertretbaren Umweltbelastung verbunden

Es wurde nun gefunden, daß man den Bleigehalt von Kraftstoffen auf Werte von unter 0,64 g Pb/l bzw. unter 0,4 g Pb/1 und insbesondere· von unter 0,2 g Pb/l absenken kann und dennoch die nach DIN 51 6OO geforderten Werte für die Octanzahlen erhält, wenn man Gemische von Methanol und Wasser als Zusatzkraftstoff verwendet. Dies war überraschend, denn von Brunner (loc. cit., Seite 10, rechte Spalte) wird angegeben, daß Alkohole eine "negative Bleiempfindlichkeit" aufweisen. Das heißt, bei Verwendung von'Alkoholen zusätzlich zum Motorkraftstoff ist eine größere Menge Bleitetraäthyl nötig, um eine bestimmte Octanzahlerhöhung zu erhalten, als bei dem entsprechenden alkoholfreien Kraftstoff.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Otto- und Rotationskolbenmotoren mit Kraftstoffen, die einen Gehalt von weniger als 0,6 g Pb/l, als Metall gerechnet, aufweisen,· unter Zusatz von Methanol und Wasser (Zusatzkraftstoff). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzkraftstoff wasserhaltiges Rohmethanol verwendet wird.

Unter"Kraftstoffen sollen die heute üblichen Normal- und Superbenzine verstanden werden. Ausgehend von einem Grundbenzin, z.B. Straight-Run-Benzin wird durch Reformieren an Bimetallkatalysatoren und/oder durch Zumischen von Spezialbenzinen mit hoher Octanzahl (Pyrolysebenzinen) ein Reinbenzin erhalten, dem dann noch Antiklopfmittel zugegeben werden, um die in der DIN 51 600 angegebenen Werte für die Octanzahlen zu erreichen.

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Für das erfindungsgemäße Verfahren werden hauptsächlich Kraftstoffe angewendet, die weniger als 0,6 g Pb/l,vorzugsweise weniger als 0,4 Pb/1 und insbesondere weniger als 0,2 g Pb/1 Kraftstoff enthalten.

Der Anteil des Zusatzkraftstoffes zum Kraftstoff kann zwischen den Grenzen 0 und 100 % beliebig gewählt werden. Ein Anteil von bis zu maximal 40 Gew.% ist jedoch ausreichend. In der Regel beträgt der Anteil des Zusatzkraftstoffes zwischen 1 und 35 Gew.%, insbesondere werden Anteile von 1,5 bis 10 Gew.% angewendet.

Als Zusatzkraftstoff wird Methanol, insbesondere jedoch in Mischung mit Wasser, verwendet. Der Wassergehalt des Methanols kann bis zu 80 Gew.% betragen; er sollt-e jedoch diesen Wert nicht übersteigen, da sonst mit Störungen im Winterbetrieb zu rechnen ist. Ein Wassergehalt von 3 bis 75 Gew.% wird in der Regel angewendet. Insbesondere kommen jedoch Gemische mit 20 bis 35 Gew.% Wasser in Betracht.

Besonders bevorzugt wird Rohmethanol als Zusatz&raftstoff verwendet. Dieses enthält je nach den Syntheseverfahren 3 bis 30 Gew.% Wasser und weistaußer geringen Mengen Kohlenwasserstoffen hauptsächlich Dimethyläther, höhere Alkohole, Aldehyde und Ketone als Verunreinigungen auf. Die Gesamtmenge der Verunreinigungen beträgt bei älteren Methanolverfahren bis zu 5 Vol.$, bei den neueren Verfahren unter 2 $

Rohmethanol mit unter 2 VoI .$ Verunreinigungen wird heute üblicherweise in sogenannten Einstranganlagen hergestellt. Man geht dabei von Synthesegasen aus, die mehr als 8 Vol.$ Kohlendioxid enthalten. Im Kreislaufgas der Methanolsynthese werden dabei am Eingang in den Reaktor CO -Konzentrationen von mehr als 1 Vol.$ und bis zu 10 Vol.% angewendet. Bevorzugt werden jedoch COp-Konzentrationen von 3 bis 6 VoI.$ im Kreislaufgas am Eingang des Reaktors. (Zur Herstellung von Methanol in Einstranganlagen nach dem Hochdruckverfahren sei auf Erdöl und Kohle, 24. Jahrgang, 1971, Seiten 690 bis 696 verwiesen. Vgl. insbesondere

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Seite 695, 8. Zeile von oben. Angaben über das Niederdruckmethanolverfahren finden sich in Ullmann's Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, 1970, auf den Seiten 94 und 95; vgl. insbesondere die weiterführende Literatur D.H. Bolten.)

In der Regel enthält ein nach diesen Verfahren hergestelltes Rohmethanol 20 bis .30 Gew.% Wasser» Ein solches wird besonders bevorzugt als Zusatzkraftstoff angewendet.

Der Zusatzkraftstoff kann zusammen mit dem Kraftstoff mit Hilfe einer Vergasereinrichtung oder durch eine mechanisch oder elektronisch gesteuerte Einspritzeinrichtung in die Brennkammer dosiert werden (vgl» hierzu Bosch, Kraftfahrtechnxsches Taschenbuch, YJl Auflage, 1970, VDI-Verlag, Düsseldorf. Insbesondere auf den Seiten 287 bis 291 werden die Einspritzanlagen sowie die mechanischen und elektronischen Kraftstoffdosiereinrichtungen beschrieben)-.

Entsprechend dem unterschiedlichen Octanzahlbedarf bei den verschiedenen Pahrzuständen kann das wasserhaltige Rohmethanol zusammen mit dem Kraftstoff in der erforderlichen Menge automatisch zudosiert werden» Der Zusatzkraftstoff kann auch, unabhängig vom Kraftstoff, durch einen zusätzlichen Vergaser (Thompson-Vitameter) eingeführt werden (vgl. Brunnert locoCito Seite 8, linke Spalte, 2. Absatz)ο

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben von 2 bzw. 4 Tr-kt-Ottomotoren und Rotationskolbenmotoren geeignet; insbesondere bevorzugt wird es bei 4 Takt-Ottomotoren bzw» in den Kreiskolbenmotoren nach Wankel, angewendet.

Durch die nach&tehenden Beispiele wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert«

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Beispiel 1

Ein Klopfprüfmotor (4 Takt) nach DIN 51 756 wurde mit einer Dosiereinrichtung für den Zusatzkraftstoff versehen. Sie bestand aus einer elektronisch gesteuerten Einspritzdüse mit einer elektrisch angetriebenen Kraftstoffpumpe.

Für die nachstehend beschriebenen Versuche wurde Reinmethanol verwendet, das 0,04 Gew.% Wasser und weniger als 0,01 Gew.% an organischen Verunreinigungen enthält. Das Rohmethanol hatte folgende Zusammensetzung:

Komponente	Gew,%
Methanol	71.61
Wasser	27.09
Dimethylather	0.7^
Äthanol	0.12
n-Propanol	0.Ό8
i-Butano1	O.25
Methylformiat	O.O7
Methylacetat	0.01
Diäthylketon	0.012
Methyläthylketon	0.002
Cyclohexan	O.OO6
Methylal	0.001
Butan	0.004
Heptan	O.OO3
!^andere Verb.	0.002

Als Kraftstoff wurde ein NormalVergaserkraftstoff (NVK) verwendet, der 0,15 g Pb/1 enthielt und nach dem in DIN 51 756 genormten Verfahren einen Wert von 89.6 für die ROZ bzw. einen solchen von 8I.5 für die MOZ ergab.

In Tabelle 2 sind Ergebnisse dargestellt, die

a) mit Reinmethanol

b) Rohmethanol (27,09 Gew.% Wasser) und

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c) Wasser-Rohmethanol-Mischungen mit 61,5 Gew.% Wasser als

Zusatzkraftstoff erhalten worden sind.,

Die Menge des wasserhaltigen Zusatzkraftstoffes ist in Volumenprozent, bezogen auf den Kraftstoff, angegeben. Der Methanolanteil, berechnet als" 100 % Methanol, ist in Gew.%, bezogen auf
den Kraftstoff, aufgeführt.

Tabelle 2

Zusatz in	Gew.
VoIo %	6.9
6.4	9-2
8.5	I7.7
16.4	31.7
29.4	5.2
6.4	6.9
8.5	13.2
16.4	23.7
29.4	2 S
6.4	3.9
8.5	7o6
16.4	13.6
29.4

ROZ

MOZ

93.8 ■	82.6
95.5	83.3
97.5	85.3
100.9	87.3
92.0	82.8
93-8	83o5
95.7	85·. 5
99.O	87.5
91.6	82.5
93.2	83.3
94.4	85.O
96.9	87.0

Man kann nun zeigen, daß zur Herstellung einer Vergaserkraftstoffqualität mit einer ROZ von 91,0 und einer MOZ von 82,0
(bei 0,15 g Pb/l) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Verwendung von Rohmethanol mit einem Wassergehalt von 27 Gew.% ein Optimum liegt. Denn mit einem Anteil von 3*5 Gew.%. Methanol (a) kann erst eine MOZ von 82 erreicht werden; dagegen könnte dieser Wert für die MOZ im Fall (c) bereits bei einem Methanolgehalt von 1.0 Gewichtsprozent erzielt werden. Bei einem solchen Methanolgehalt kann jedoch der geforderte Wert von 9I.O für die ROZ nicht

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erreicht werden« Hierfür ist nämlich ein höherer Methanolgehalt, nämlich 1,6 Gew»$,erforderlich. In der Tabelle 3 sind für die Fälle _(a) bis (c) die zur Herstellung einer Kraftstoffqualität der ROZ 9^{1 un}d MOZ 92 erforderlichen Methanolmengen in Gewichtsprozent, berechnet als 100 % Methanol, und bezogen auf den Kraftstoff angegeben.

	Methänolsorte	Tabelle 3	Gew.-% MOZ = 82	CH^. .0 ->	OH für ROZ =	91.0
Fall	Reinmethanol wasserfrei Rohmethanol Rohmethanol + HO	Wassergehalt Gew.-^	3.5 1.6 1.0	•	1.6 1.6 1.6
a) b) c)	0 27 61.5

Bei Verwendung von Reinmethanol mit einem Wassergehalt von 27 Gewo$ werden ähnliche Werte wie für den Fall (b) (Rohmethanol) erhalten. Jedoch verbietet sich die Verwendung von Reinmethanol mit Wasserzusatz aus wirtschaftlichen Gründen (zusätzliche Destillation erforderlich).

Bei Verwendung von Rohmethanol (b) als Zusatzkraftstoff zu einem Grundbenzin für Superkraftstoff (mit 0,15 g Pb/1) sind entsprechend geringe Mengen Methanol (berechnet 100 %) erforderlich.

Beispiel 2

Für die nachstehend beschriebenen Versuche wurden die gleichen Rohstoffe wie in Beispiel 1 verwendet. Selbst mit dem dort beschriebenen Kraftstoff ist es überraschenderweise möglich, durch Verwendung von Methanol-Wassergemischen als Zusatzkraftstoff Super-Qualität zu erreichen. Bei Verwendung von Rohmethanol (b) ist wiederum die geringste Methanolmenge erforderlich, um gleichzeitig die Bedingung ROZ = 98 und MOZ = 87 zu erfüllen.

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	Methanolsorte	Tabelle 4	Gew.-; MOZ = 87	% CH^OH . 0 -⁵ROZ	= 98.0
Fall	Reinmethanol wasserfrei· .Rohmethanol Rohmethanol 2	Wassergehalt Gew.-^	20	ro ro ro ο ο ο
a') b) c)	0 27

Besonders hervorzuheben ist, daß das erfindungjsgemäße Verfahren auch noch anzuwenden ist, wenn bleifreies Benzin verwendet wird. Ferner ist zu bemerken, daß die spezifische Heizleistung (gemessen in kcal je PS · h) der Kraftstoffe, die man zweckmäßigerweise als Maß für den spezifischen Kraftstoffverbrauch beim Vergleich von Kraftstoffen mit unterschiedlichen Heizwerten verwendet, bei Verwendung von Rohmethanol als Zusatzkraftstoff unter der liegt, die man bei reinem Benzinbetrieb mißt. Die Gründe für diese Ersparnisse sind im geänderten Arbeitsverhalten der Verbrennungsgase und in den niedrigeren Flammentemperaturen bei der Verbrennung zu suchen. Abgasmessungen haben gezeigt, daß sich der (NO'Y-Gehält der Verbrennungsgase je nach Wassergehalt des Rohmethanols um etwa JO bis 50 VoI.$ absenken läßt. Dies ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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Claims

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Patentansprüche

1Λ Verfahren zum Betreiben von Otto- und Rotationskolbenmotoren -mit Kraftstoffen, die einen Gehalt von weniger als 0,6 .g Pb/1, als Metall gerechnet, aufweisen unter Zusatz von Methanol und Wasser (Zusatzkraftstoff) dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzkraftstoff wasserhaltiges Rohmethanol verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohmerhanol einen Wassergehalt zwischen 3 und 40 Gew.% aufweist ο
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohmethanol einen Wassergehalt zwischen 20 und 30 Gew.% aufweist»
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff einen Gehalt von weniger als 0,4 g Pb/1 Kraftstoff enthält»

5» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff einen Gehalt von weniger als 0,2 g Pb/1 Kraftstoff enthält»

6ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkraftstoff bis zu 40 Gew.^, bezogen auf den Kraftstoff, beträgt.

BASF Aktiengesellschaft

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