Verwendung von Polyäthern und Acetalen auf der Basis von Methanol und/oder Äthanol als Kraftstoffe für Dieselmotoren sowie diese Komponenten enthaltende Kraftstoffe für Dieselmotoren

Abstract

 Verwendung von Polyäthern R¹-O-(-A-O)n-R²(I; A=Äthylen; 1,2-Propylen; R¹=C,-C_X-Alkyl; R²=H; C,-C₄-Alkyl; n= 1-5) und/oder Acetalen R³-CH [-O-(-A-O-)m-R⁴]₂ (II; R³=H; C₁-C₁₂- Alkyl; R⁴=Methyl; Äthyl; m =0-5) allein oder in Mischung mit bis zu 45 Vot-%Äthanol (III) und/oder Methanol (IV) und/oder bis zu 30 Vol-%Wasser (V) und/oder bis zu 85 Vol-% von Dieselkraftstoffen auf Mineralölbasis (VI) als Dieselkraftstoffe.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Polyäthern und Acetalen auf der Basis von Methanol und/oder Äthanol als Dieselkraftstoffe sowie diese Komponenten enthaltende Dieselkraftstoffe.

[0002] Es ist allgemein bekannt, daß sich Alkohole, darunter Methanol und Äthanol, als Kraftstoffe für Ottomotoren eignen. Für Dieselmotoren sind diese Alkohole jedoch nicht brauchbar, da sie hier nur Cetanzahlen von ungefähr 8 - 10 erbringen, ein störungsfreier Fahrbetrieb aber erst mit Cetanzahlen ab etwa 20 gewährleistet ist. Zwar kann man die Wirkung derartiger Mischungen zur Verbesserung des Zündverhaltens durch Zugabe von Zündwilligkeitsverbesserern oder Zündbeschleunigern erhöhen, jedoch sind diese Hilfsmittel entweder teuer oder sie weisen erhebliche Nachteile auf. Alkyl- und Cycloalkylnitrate, die hauptsächlich für diesen Zweck verwendet werden, sind toxikologisch nicht unbedenklich oder technisch nur aufwendig herzustellen und, da sie zu Explosionen neigen, nicht gefahrlos zu handhaben. Vor allem aber können sie infolge des in den Alkoholen stets noch enthaltenen Wassers unter Bildung der korrosiven Salpetersäure hydrolysieren.

[0003] Da sich einerseits Kraftstoffe auf Basis von Mineralöl zunehmend verteuern und die ausreichende Versorgung mit Rohöl bekanntermaßen gefährdet ist, andererseits aber Methanol, wenn auch in begrenztem Umfang, zunehmend konkurrenzfähiger wird und Äthanol pflanzlicher Provenienz in zahlreichen Ländern in großen Mengen zur Verfügung gestellt werden kann, lag der Erfindung die allgemeine Aufgabe zugrunde, die Mineralöl-Dieselkarftstoffe durch wirtschaftliche und umweltfreundliche Kraftstoffe auf der Basis dieser Alkohole zu ersetzen.

[0004] Aus der DE-OS 27 53 027 ist es bekannt, Mischungen aus überwiegenden Mengen Methanol und Polyalkylenglykoläthern als Dieselkraftstoffe zu verwenden. Methanol ist jedoch im wesentlichen preiswert nur erhältlich, wo auch Erdgas oder Kohle verfügbar ist, so daß das Problem der größeren Unabhängigkeit von Erdgas oder Erdöl produzierenden Ländern mit diesem Vorschlag nicht zufriedenstellend gelöst wird. Außerdem ist es ein Nachteil dieser Gemische, daß sie mit herkömmlichen Dieselkraftstoffen nicht mischbar sind.

[0005] Demgemäß war es Aufgabe der Erfindung, herkömmliche Dieselkraftstoffe gänzlich oder zum Teil durch Dieselkraftstoffe auf der Basis von Methanol und vor allem Äthanol zu ersetzen.

[0006] Es wurde gefunden, daß sich

a) Polyäther der allgemeinen Formel I

in der A eine Äthylen- oder 1,2-Propylengruppe bedeutet, R¹ für einen C₁-C₈-Alkylrest und R² für Wasserstoff oder einen C₁-C₄-Alkylrest steht und n einen Wert von 1-5 hat, und/oder

b) Acetale. der allgemeinen Formel II

in der R³ Wasserstoff oder eine C₁-C₁₂-ALKYLgrup- pe und R⁴ für die Methylgruppe cder die Äthylgruppe steht und m einen Wert von 0-5 hat, allein oder in Mischung mit

c) bis zu 45 Vol.% Äthanol (III) und/oder Methanol (IV) und/oder

d) bis zu 30 Vol.-% Wasser (V) und/oder

e) bis zu 85 Vol.-% von Dieselkraftstoffen auf Mineralölbasis (VI)

hervorragend als Dieselkraftstoffe eignen.

[0007] Gut geeignete Kraftstoffe dieser Art sind durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:

i) 15-90 Vol.-% eines Polyäthers (I) oder Mischungen solcher Polyäther und/oder 15-90 Vol.-% eines Acetals (II) oder Mischungen solcher Acetale

ii) bis zu 45 Vol.-% Äthanol (III) und/oder Methanol (IV)

iii) bis zu 30 Vol.-%'Wasser (V) und

iv) bis zu 85 Vol.-% von Dieselkraftstoffen auf Mineralölbasis (VI).

[0008] Hierbei gilt die Regel, daß die durch die Cetanzahl definierte Qualität des Polyäthers (I) und des Acetals (II) mit steigendem Polyverätherungsgrad zunimmt, wodurch sich der Anteil der Komponenten (III) bis (V) entsprechend erhöhen läßt.

[0009] Unter dem' Polyverätherungsgrad n ist jeweils der mittlere Polyverätherungsgrad zu verstehen.

[0010] Da die Polyäther (I) und die Acetale (II) mit steigendem Verätherungsgrad einerseits teurer werden, andererseits aber mit umso größeren Mengen der wesentlich billigeren Alkohole (III) und (I^V) verschnitten werden können, richtet sich das wirtschaftliche Mischungsoptimum nach dem Preis dieser Komponenten. Der Monomethyl- und Monoäthyläther des Äthylenglykols und des Prcpylenglykols als Verbindungen (I) eignen sich für sich allein weniger als Dieselkraftstoffe, hingegen jedoch als Komponenten in Mengen bei zu etwa 85 Vol.% in Mischungen mit den höhermolekularen Verbindungen (I) und (II).

[0011] Unter den Polyäthern (I) werden diejenigen bevorzugt, in denen A für Äthyleneinheiten steht, da diese größtenteils aus Äthanol als Rohstoff hergestellt werden können, indem man Äthanol zum Äthylen dehydratisiert, dieses oxidativ in Äthylenoxid überführt, welches sodann in einer Polyadditionsreaktion an Methanol angelagert wird.

[0012] Die Qualität der Acetale (II) nimmt zwar mit steigendem Verätherungsgrad m und steigendem C-Gehalt der Reste R³ und R⁴. zu, jedoch bevorzugt man aus wirtschaftlichen Gründen Formaldehyd- und Acetaldehyddimethylacetal, da diese Acetale gänzlich aus Methanol und Äthanol gewonnen werden können. In abgeschwächter Form gilt dies auch für solche Aldehyde, die über die Aldolkondensation von Acetaldehyd erhältlich sind, wie beispielsweise Crotonaldehyd. Auch das relativ preiswerte Äthylhexanal ist hier hervorzuheben. Allgemein können die Alkylreste verzweigt oder unverzweigt sein, wobei jedoch den Verbindungen (II) mit Verzweigt geradkettigem Resten der Vorzug zu geben ist.

[0013] Die Acetale (II) bieten den Vorteil, daß sie mit Dieselkraftstoff auf Basis von Mineralöl in jedem Verhältnis gemischt und in Form dieser Mischungen verwendet werden können. Dies gilt auch für Polyäther (I), in denen R² ‡ H ist. Für die übrigen Polyäther (R² = H) sind die Mischungsverhältnisse unschwer zu ermitteln.

[0014] Die Polyäther (I) und die Acetale (II) sind bekannt oder nach bekannten, großtechnisch ausgeübten Verfahren leicht zugänglich.

[0015] Durch die verhältnismäßig hohen Wasseranteile wird die Motorleistung überraschenderweise nicht herabgesetzt. Zwar ist der absolute Energieinhalt in wasserhaltigen Mischungen entsprechend ihrem Wasseranteil geringer, jedoch wird der Wirkungsgrad der Motoren durch das Wasser erhöht, weil die Wärmeverluste vermindert werden.

[0016] Die erfindungsgemäßen Dieselkraftstoffe, denen man die für mineralische Dieselkraftstoffe üblichen Hilfsmittel zusetzen kann, in aller Regel aber nicht zuzusetzen braucht, eignen sich nicht nur im Hinblick auf die Motorleistung und das Fahrverhalten hervorragend für ihren Zweck, sondern sind außerdem noch besonders umweltfreundlich, da sie praktisch restlos zu Kohlendioxid und Wasser verbrennen und da die Abgase deshalb nur noch sehr wenig Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, nitrose Gase und Ruß enthalten. Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dieselkraftstoffe liegt darin, daß sie mit steigendem Gehalt an den Polyäthern (I) und den Acetalen (II) kältestabiler als die herkömmlichen Kraftstoffe werden. Besonders sind hier die Polyäther mit R2 = _H hervorzuheben, die in reiner Form bis zu (-50°C) betriebsfähig bleiben.

[0017] Der Energieinhalt der erfindungsgemäßen Dieselkraftstoffe liegt pro Gewichtseinheit bei 60 - 90% der herkömmlichen Kraftstoffe auf Mineralölbasis. Hierdurch werden an den Dieselmotoren üblicher Bauart einige technische Veränderungen, wie die Vergrößerung der Pumpenelemente in der Kraftstoffeinspritzpumpe, bedingt. Diese Änderungen lassen sich bei der Fertigung der Motoren ohne weiteres berücksichtigen sowie an herkömmlichen Motoren nachträglich anbringen. Im übrigen bestehen keine Unterschiede zu den herkömmlichen Motoren, weder im Hinblick auf die Bauart noch auf das Fahrverhalten.

Beispiele

[0018] Mittels eines Prüfmotors mit dem Verdichtungsverhältnis ε = 22 wurde unter praktischen Bedingungen, d.h. jeweils mit voller Luftfüllung, die Cetanzahl (CZ) verschiedener erfindungsgemäßer Dieselkraftstoffe gemessen. Als Bezugskraftstoffe dienten α-Methylnaphthalin (CZ = 0) und Cetan (Hexadecan) (CZ = 100). Die Ergebnisse sind den folgenden Tabellen zu entnehmen.

Ansprüche

1. Verwendung von

a) Polyäthern der allgemeinen Formel I

in der A eine Äthylen- oder 1,2-Propylengruppe bedeutet, R¹ für einen C₁-C₈-Alkylrest und R² für Wasserstoff oder einen C₁-C₄-Alkylrest steht und n einen Wert von 1-5 hat, und/oder

b) Acetalen der allgemeinen Formel II

in der R³ Wasserstoff oder eine C₁-C₁₂-Alkylgruppe und R⁴ für die Methylgruppe oder die Äthyl- .gruppe steht und m einen Wert von 0-5 hat, allein oder in Mischung mit

c) bis zu 45 Vol.-% Äthanol (III) und/oder Methanol (IV) und/oder

d) bis zu 30 Vol.-% Wasser (V) und/oder

e) bis zu 85 Vol.-% von Dieselkraftstoffen auf Mineralölbasis (VI)

als Dieselkraftstoffe.

2. Dieselkraftstoffe, gekennzeichnet durch folgende Zus-ammensetzung:

i) 15-90 Vol.-% eines Polyäthers (I) oder Mischungen solcher Polyäther und/oder 15-90 Vol.-% eines Acetals (II) oder Mischungen solcher Acetale

ii) bis zu 45 Vol.-% Äthanol (III) und/oder Methanol (IV)

iii) bis zu 30 Vol.-% Wasser (V) und

iv) bis zu 85 Vol.-% von Dieselkraftstoffen auf Mineralölbasis (VI).