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Dokumentenidentifikation DE202006019072U1 19.04.2007
Titel Dieselkraftstoffgemisch
Anmelder Körber, Helmut, 06114 Halle, DE
Vertreter Tragsdorf, B., Dipl.-Ing. Pat.-Ing., Pat.-Anw., 06844 Dessau
DE-Aktenzeichen 202006019072
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 19.04.2007
Registration date 15.03.2007
Application date from patent application 15.12.2006
IPC-Hauptklasse C10L 1/19(2006.01)A, F, I, 20061215, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C10L 1/02(2006.01)A, L, I, 20061215, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dieselkraftstoffgemisch, das als Hauptkomponente fossilen Dieselkraftstoff und/oder Biodiesel enthält und an sich übliche Additive.

Hauptbestandteile des mineralischen bzw. fossilen Dieselkraftstoffes (auch Diesel oder Dieselöl genannt) sind vor allem Alkane, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe mit etwa 10 bis 22 Kohlenstoff-Atomen pro Molekül und einem Siedebereich zwischen 170 und 390°C. Dieselkraftstoffe sollen einen möglichst geringen Schwefelgehalt besitzen, da ansonsten die Rußbildung zunimmt und erhöhte Emissionswerte auftreten.

Inhaltsstoffe und Eigenschaften von fossilem Dieselkraftstoff werden durch die Norm DIN EN 590 geregelt. Hier wird auch der Schwefelgehalt begrenzt, der schrittweise bis 2009 auf 10 mg/kg reduziert werden soll, was in bestimmten Ländern bereits erreicht wurde.

In den letzten Jahren hat auch sogenannter Biodiesel eine gewisse Bedeutung als Kraftstoff erlangt. Biodiesel ist ein Gemisch aus Methylestern der Fettsäuren verschiedener Pflanzenöle und Fette. Seine Eigenschaften sind in der DIN EN 14214 festgelegt. Er hat den Vorteil mit fossilem Diesel in jedem Verhältnis mischbar zu sein und erfüllt auch die Forderungen an Diesel bezüglich Entflammbarkeit. Biodiesel besitzt im Vergleich zu fossilem Dieselkraftstoff eine höhere Viskosität, die bei hoch entwickelten Motoren zu Problemen führen kann. Vorteilhaft ist aber die gute Schmierwirkung des Biodiesels für die Einspritzpumpen, die gute Zündwilligkeit und die vergleichsweise rußarme Verbrennung. Ein Problem bereitet jedoch die geringe Flüchtigkeit von Biodiesel, die zu einer Anreicherung im Motorenöl führen kann, was wiederum wegen der geringen thermischen Stabilität des Biodiesels und der hohen Belastung von Motorenölen kürzere Ölwechselfristen erfordert.

Außerdem werden Dieselkraftstoffen in kleinen Mengen Additive, wie Zündbeschleuniger und Mittel zur Verbesserung des Fließverhaltens in der Kälte, zugesetzt. Um beim Einsatz von Dieselkraftstoffen Emissionen wie Ruß, Stickoxide und andere zu reduzieren, werden Dieselmotoren auch unter Zusatz von Wasser zum Kraftstoffgemischen betrieben. In der DE-PS 199 34 689 A1 werden Kraftstoffgemische beschrieben, die mineralisches Dieselöl, Wasser und Emulgatoren sowie gegebenenfalls weitere Additive enthalten. Der im Kraftstoffgemisch enthaltene Wasseranteil trägt nicht zur Energiegewinnung bei.

Bekannt sind auch Zusätze, die zur Verbrennungsenergie beitragen. Als Dieselkraftstoffgemisch ist zum Beispiel ein Gemisch aus fossilem Dieselkraftstoff und Pflanzenöl bekannt (DE 29 30 220 A). Allerdings führen Pflanzenöle wegen ihrer sehr schlechten Flüchtigkeit zu einer erhöhten Rußbildung und zu Ablagerungen im Motorenöl. In der DE 10 2004 011 821 A1 ist eine Treibstoffzusammensetzung aus Dieselöl, trockenem Ethanol und einem Additiv beschrieben. Es handelt sich wegen der Nichtmischbarkeit der Komponenten um Emulsionen, bei denen bekanntlich die für Kraftstoffe erforderliche Lagerstabilität Probleme bereiten dürfte. In der EP 0 641 854 B1 werden Ether des Glycerins als Zusatz zu Dieselkraftstoffen vorgeschlagen. Bekanntlich ist aber die Veretherungsreaktion mit einem hohen synthetischen Aufwand verbunden. Weiterhin muss Glycerin im Kraftstoff wegen Nichtmischbarkeit unbedingt vermieden werden. Dies erfordert komplizierte und aufwendige Reinigungsschritte der Ether.

Gemäß verbindlicher EU-Richtlinie müssen Dieselkraftstoffe einen Anteil von mindestens 2% an Bio-Treibstoff enthalten, der bis 2010 auf 5,75% steigen soll. Dafür stehen bisher nur Fettsäuremethylester zur Verfügung. Bei deren Herstellung fallen pro Tonne Biodiesel ca. 100 kg freies Glycerin an. Glycerin besitzt eine limitierte Marktgröße, die bereits durch bisherige Produktionen abgedeckt wird. Weiterhin sind Fettsäuremethylester eigentlich keine reinen Bio-Treibstoffe, da das Methanol für die Umesterung der Fette/Öle fossilen Ursprungs ist und kein Bio-Produkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine alternative Gemischkomponente für Dieselkraftstoffe bereit zu stellen, die sowohl für fossile Dieselkraftstoffe als auch Biodiesel geeignet ist, sich kostengünstig herstellen lässt und die Anforderungen als reinen Bio-Treibstoff erfüllt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Dieselkraftstoffgemisch als Gemischkomponente Oxalsäurediethylester (Diethyloxalat) enthält.

Diese Gemischkomponente kann fossilem Dieselkraftstoff in Einsatzmengen bis zu 25 Vol.-% zugesetzt werden. Höhere Einsatzmengen wirken sich nachteilig auf die Schmiereigenschaften des Dieselkraftstoffgemisches aus. Bei Biodiesel besteht dieses Problem nicht, vorzugsweise sollte der Anteil dieser Gemischkomponente jedoch nicht über 50 Vol.-% liegen.

Selbstverständlich kann Oxalsäurediethylester auch den bereits bekannten Gemischen aus fossilem Diesel und Biodiesel zugesetzt werden.

Oxalsäurediethylester kann durch Veresterung von Oxalsäure mit Ethanol kostengünstig hergestellt werden, wobei wegen der relativ hohen Dissoziationskonstante der Oxalsäure sogar auf Katalysatoren verzichtet werden kann. Das bei der Veresterung freiwerdende Reaktionswasser kann einfach, z.B. mit einem Schleppmittel, abdestilliert und der Ester durch einfache Wasserwäsche gereinigt werden.

Ethanol und Oxalsäure werden aus Kohlehydraten gewonnen, beispielsweise wird Ethanol durch sehr wirtschaftliche mikrobielle Verfahren auf Basis von Zucker oder Stärke in großen Mengen, produziert. Außer durch mikrobielle Verfahren wird Oxalsäure in großem Maßstab durch Salpetersäureoxidation von Zucker oder Stärke hergestellt. Dabei wird die Salpetersäure zu Stickoxiden reduziert, die wiederum durch spontane Luftoxidation und Wasser in Salpetersäure rückverwandelt werden kann.

In seinen stofflichen Eigenschaften, speziell als Kraftstoffkomponente für Dieselmotoren, ist Oxalsäurediethylester dem herkömmlichen Dieselkraftstoff sehr ähnlich. Vorteilhaft ist sein Flammpunkt von 75°C, der deutlich höher ist als der für mineralischen Dieselkraftstoff geforderte Mindestwert von >55°C. Auch sein sehr niedriger Schmelzpunkt (– 40,6°C) trägt dazu bei, das Kälteverhalten anderer Dieselkraftstoffe zu verbessern. Weiterhin stellt Oxalsäurediethylester ein reines Bioprodukt dar, da sämtliche Kohlenstoff- und Wasserstoffatome biologischen Ursprungs sind.

Im Vergleich zu Biodiesel hat sich überraschend herausgestellt, dass Oxalsäurediethylester noch zusätzliche Vorteile besitzt. Bei einer thermischen Belastung von Oxalsäurediethylester entstehen keine harzartigen Produkte, wie dies bei Biodiesel der Fall ist. Oxalsäurediethylester besitzt eine ausreichende Flüchtigkeit und reichert sich daher nicht im Motorenöl an. Bei einem Zusatz von Oxalsäurediethylester zu fossilem Dieselkraftstoff konnte zudem eine deutliche Emissionsreduzierung festgestellt werden.

Versuche mit einem Testmotor zeigten, daß bei Einsatz eines mineralischen Dieselkraftstoffgemisches mit einem Anteil von 20 Vol.-% an Oxalsäurediethylester als Gemischkomponente die Rußemissionen im Vergleich zu einem Dieselkraftstoff ohne diese Komponente um 50 geringer war. Gleichzeitig stieg der Wirkungsgrad des Motors und die mögliche Leistung nahm bei unverändertem Einspritzsystem nur unwesentlich ab. Offensichtlich wird die geringere Verbrennungswärme des Oxalsäurediethylesters durch die deutlich höhere Dichte und den verbesserten Wirkungsgrad teilweise kompensiert.

Dieser Effekt ist insoweit überraschend, da Oxalsäurediethylester im Vergleich zu herkömmlichem Dieselkraftstoff sehr energiearm ist und in relativ hohen Anteilen als Gemischkomponente enthalten war. Die Versuche zeigten auch, dass eine relativ hohe Einsatzmenge an Oxalsäurediethylester keine nachteiligen Auswirkungen auf die Zündwilligkeit des Kraftstoffgemisches hat. Da Oxalsäurediethylester ausschließlich aus pflanzlichen Produkten besteht, stellt dieser einen Bio-Treibstoff im Sinne der geltenden EU-Richtlinie dar. Durch den Einsatz von Diethyloxalat als weitere Gemischkomponente bzw. Zusatz für Dieselkraftstoffe kann der Anteil an Bio-Kraftstoffen ohne nachteilige Auswirkungen deutlich erhöht werden. Bei einem alternativen Einsatz von Biodiesel würden die vorhandenen Überkapazitäten an Glycerin weiter ansteigen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel erläutert werden:

8 kg eines handelsüblichen, rein mineralischen Dieselkraftstoffs mit einem Heizwert von Hu = 42935 kJ/kg und einer Cetanzahl von 55,2 wurden mit 2 kg Oxalsäurediethylester durch einfaches Rühren vermischt. Das Gemisch hatte einen Heizwert von Hu = 38150 kJ/kg und eine Cetanzahl von 60,1.

Mit dem so gewonnen Kraftstoffgemisch wurde in einem Versuchsstand ein einzylindriger Stationärmotor mit einer Nennleistung von 75 kW bei vier verschiedenen Drehzahlen bis maximal 1500 min–1 nahe Maximallast betrieben. Im Abgas wurden für die vier verschiedenen Betriebszustände folgende Werte bestimmt: die optische Trübung, die gravimetrische Staubemission und die Emissionen an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen.

Außerdem wurde der jeweilige Kraftstoffverbrauch ermittelt.

Anschließend wurde der Motor mit dem mineralischen Kraftstoff ohne Zusatz von Oxalsäurediethylester unter gleichen Bedingungen (Drehzahl und Lastzustand) betrieben. Diese wurden durch eine Veränderung der Kraftstoffdosierung (Einspritzung) eingestellt.

Der Vergleich der ermittelten Messwerte für einen fossilen Dieselkraftstoff mit und ohne Zusatz von Oxalsäurediethylester ergab folgendes:

Bei Einsatz eines Dieselkraftstoffgemisches mit 20 Vol.-% Oxalsäurediethylester verringerte sich die Rauchgastrübung deutlich, um etwa 50%, im Vergleich zu dem zusatzfreien Dieselkraftstoff. Die Werte für die Staubemission sanken um ca. 43%.

Die Emissionswerte für Kohlenmonoxid verringerten sich um 16 bis 22% und die der Kohlenwasserstoffe um 4 bis 29%, in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors.

Aufgrund des geringeren Heizwertes des Diethyloxalates stieg der Kraftstoffverbrauch um ca. 10%. Die sich in den verbesserten Emissionswerten äußernde vollständigere Verbrennung des Kraftstoffs mit Zusatz von Oxalsäurediethylester ergibt auch einen verbesserten Wirkungsgrad des Motors mit einer Einsparung von 4 g/kWh. Während einer Betriebsdauer des Motors von 10 Stunden konnten keine nachteiligen Auswirkung des Zusatzes von Oxalsäurediethylester im Betriebsverhalten des Motors festgestellt werden. Oxalsäurediethylester kann somit problemlos als Gemischkomponente für Dieselkraftstoffe eingesetzt werden.


Anspruch[de]
Dieselkraftstoffgemisch, das als Hauptkomponente fossilen Dieselkraftstoff und/oder Biodiesel enthält und an sich übliche Zusätze, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Gemischkomponente Oxalsäurediethylester (Diethyloxalat) enthält. Dieselkraftstoffgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Hauptkomponente fossilen Dieselkraftstoff und als weitere Gemischkomponente bis zu 25 Vol.-% Oxalsäurediethylester enthält. Dieselkraftstoffgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Hauptkomponente Biodiesel und als weitere Gemischkomponente bis zu 50 Vol.-% Oxalsäurediethylester enthält.






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