Способ и неэтилированный низкоэмиссионный бензин для заправки топливом автомобильного двигателя с пониженной эмиссией
Данное изобретение относится к неэтилированному низкоэмиссионному бензину для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и способу снижения выделений в атмосферу. Неэтилированный низкоэмиссионный бензин для двигателей внутреннего сгорания имеет октановое число (R+M)/2 меньше, чем 86,7, и содержание серы меньше, чем около 40 ч/млн (мас.). Способ снижения выделений в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и окисей азота из двигателя внутреннего сгорания автомобиля включает а) получение неэтилированного низкоэмиссионного бензина, который при сгорании в двигателе производит уменьшенные выделения в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и окисей азота в сравнении с сопоставимым неэтилированным бензином с минимальным октановым числом 87; и b) заправку двигателя указанным неэтилированным низкоэмиссионным бензином. Описан также способ заправки топливом автомобилей при пониженных общих эмиссиях в атмосферу. Изобретение позволяет значительно снизить выделения в атмосферу углеводородов, монооксида углерода и окисей азота. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.
Данное изобретение имеет отношение и поэтому заявляет преимущество даты подачи предварительной заявки США №60/288054, озаглавленной "СПОСОБ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УМЕНЬШЕННЫМИ ОБЩИМИ ЭМИССИЯМИ ОТ МОДИФИЦИРОВАННОГО СПОСОБА НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ В СОЧЕТАНИИ С БЕНЗИНОМ, ПОДХОДЯЩИМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В АВТОМОБИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ", поданной 2 мая 2001 г.; и предварительной заявки США №60/288142, озаглавленной "СПОСОБ ЗАПРАВКИ ТОПЛИВОМ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УМЕНЬШЕННОЙ ОБЩЕЙ ЭМИССИЕЙ ОТ МОДИФИЦИРОВАННОГО СПОСОБА НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ В СОЧЕТАНИИ С БЕНЗИНОМ, ПОДХОДЯЩИМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В АВТОМОБИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ", поданной 2 мая 2001 г.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу снижения выделения в окружающую атмосферу (эмиссии) общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота из двигателя внутреннего сгорания автомобиля при сгорании в нем бензина для обеспечения работы двигателя. В некоторых вариантах воплощения изобретение относится к неэтилированному низкоэмиссионному бензину с октановым числом ниже, чем 86,7, и содержанием серы менее чем 40 ч/млн (в расчете на массу). В других вариантах воплощения изобретение относится к объединенному способу, в котором работа нефтеперерабатывающего завода, производящего неэтилированный низкоэмиссионный бензин, обеспечивается с пониженными эмиссиями, и к системе распределения неэтилированного низкоэмиссионного бензина.
Предпосылки изобретения
В последние годы все большую тревогу вызывали проблемы, связанные с поставками нефти и другого жидкого углеводородного сырья и топлив по всему миру. Также тревогу вызывает проблема выделения в атмосферу нежелательных веществ, образуемых при сгорании топлив, таких как бензин, в двигателях внутреннего сгорания.
Указанные выше проблемы вынудили правительства к требованию использовать реформированные бензины в районах сильной загрязненности окружающей среды, таких как Калифорния. Например, в Калифорнии были введены требования для реформированного бензина "Фазы 2" для Калифорнии. (Раздел 13 C.C.R, Части 2250-2273 (включая изменения к методам испытаний, введенные в действие 27 сентября 2001 г.)). Содержащиеся в этих требованиях спецификации на топлива в данном описании будут называться "Принятые в Калифорнии спецификации на реформированный бензин". Требования стандарта ASTM D4814-01а, принятого 10 ноября 2001 г., включенные в данное описание в качестве ссылки, также широко применяются к бензинам, которые производятся или продаются в США. В других регионах мира также могут действовать принятые правительством федеральные, региональные или местные нормы, аналогичные указанным или другие требования.
Чтобы получить более чисто сгорающие бензины, требуется бульшая очистка, обеспечивающая желаемые свойства бензина. Типично, для производимых в настоящее время бензинов, предназначенных для работы в сравнительно низких местностях, минимальное октановое число составляет 87 для обычных бензинов, и для бензинов высшего сорта минимальное октановое число составляет 92. Указанные октановые числа представляют собой комбинацию октанового числа, определенного исследовательским методом, и октанового числа, определенного моторным методом, деленную на два, т.е. (R+M)/2.
Производство более чисто сгораемых бензинов типично требует получения в процессе нефтепереработки высокооктановых компонентов бензина. Типично, такие высокооктановые компоненты бензина получают на установках алкилирования и реформинга. В некоторых случаях, октановое число можно также, или альтернативно, повысить путем добавления димеров изобутена или изобутена с н-бутеном. Для повышения октанового числа бензинов указанные материалы можно использовать отдельно или в комбинации.
При работе таких установок как установка реформинга или установка алкилирования потребляется много энергии, и требуются значительные количества метана, заводского газа или других источников энергии. Жесткий режим работы установки требует больше энергии. Как результат более жесткого режима переработки некоторые компоненты исходного сырья теряются, становясь непригодными для использования продуктами, и выделение нефтеперерабатывающим заводом веществ в атмосферу может увеличиться. Таким образом, требования использовать для смешивания компоненты с более высоким октановым числом в сочетании с требованием определенного состава реформированного бензина в результате приводят к тому, что для получения определенного количества бензина требуется большее количество энергии и сырой нефти или другого компонента бензина, чем использовали ранее.
В производстве реформированного бензина для получения желаемого количества высокооктановых смешанных компонентов, удаления нежелательных соединений и модификации свойств других потоков смешанных потоков топлива, например, путем изомеризации парафинов С5-ряда и т.д., могут также потребоваться дополнительные стадии очистки, чтобы соответствовать достаточно жестким требованиям перегонки и др. для реформированного бензина. Это также приводит к увеличению расходов на нефтепереработку и увеличению количества сырой нефти, необходимого для получения реформированного бензина, в сравнении с нереформированным бензином.
Хотя считается, что использование реформированного бензина снижает выделения автомобилей в атмосферу, выделения в атмосферу загрязняющих веществ из двигателей, работающих на реформированном бензине, необходимо рассматривать в сочетании с повышенным выделением в атмосферу от нефтеперерабатывающих заводов, производящих такие топлива, особенно это касается выделения диоксида углерода, что в последнее время является объектом внимания в связи с возможным парниковым эффектом.
Краткое описание изобретения
В первом варианте воплощения настоящее изобретение относится к неэтилированному низкоэмиссионному бензину для использования в двигателях внутреннего сгорания, имеющему октановое число (R+M)/2 меньше, чем 86,7, и содержание серы меньше, чем 40 ч/млн (мас.).
В другом варианте воплощения настоящее изобретение относится к неэтилированному низкоэмиссионному бензину для использования в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, имеющему октановое число (R+M)/2 меньше, чем скорректированное октановое число, определенное ниже. Сгорание в автомобильном двигателе производит выделения, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота, в сравнении с сопоставимым неэтилированным бензином с минимальным октановым числом 87, не более чем у неэтилированного бензина с минимальным октановым числом 87. В некоторых вариантах воплощения топливо включает выбранное количество одного или более окислителей, выбранных из группы, состоящей из этанола, метил трет-бутилового эфира, этил трет-бутилового эфира и трет-амилметилового эфира. Сгорание низкоэмиссионного бензина в автомобильном двигателе производит уменьшенное выделение, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота, в сравнении со сгоранием в двигателе сопоставимого неэтилированного бензина с минимальным октановым числом 87. В предпочтительных случаях снижается выделение, по меньшей мере, двух из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота в сравнении со сгоранием сопоставимого неэтилированного бензина с минимальным октановым числом 87 в двигателе.
Следующие варианты воплощения изобретения относятся к способам снижения выделений, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота из двигателя внутреннего сгорания автомобиля, в которых получают неэтилированный низкоэмиссионный бензин с октановым числом (R+M)/2 меньше, чем 86,7, который при сгорании в двигателе производит меньше выделений, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота в сравнении с сопоставимым неэтилированным бензином с минимальным октановым числом 87; и в которых двигатель или парк из, по меньшей мере, 100 автомобилей заправляют неэтилированным низкоэмиссионным бензином.
И еще один вариант воплощения изобретения относится к способу заправки топливом автомобилей с уменьшенными общими выделениями в атмосферу, включающему:
a) заводской процесс нефтепереработки, в котором получают неэтилированный низкоэмиссионный бензин с октановым числом (R+M)/2 меньше, чем 86,7, который при сгорании в двигателе производит меньше выделений, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота в сравнении с сопоставимым неэтилированным бензином с минимальным октановым числом 87, при этом неэтилированный низкоэмиссионный бензин производят на нефтеперерабатывающем заводе из уменьшенного количества сырья и с уменьшенными выделениями в атмосферу в сравнении с нефтеперерабатывающим заводом, производящим бензин с минимальным октановым числом 87; и
b) заправку автомобилей неэтилированным низкоэмиссионным бензином, при этом общие выделения в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота автомобилями и нефтеперерабатывающим заводом, производящим низкоэмиссионный бензин, меньше, чем у нефтеперерабатывающего завода, производящего неэтилированный бензин с минимальным октановым числом 87, и у автомобилей, работающих на неэтилированном бензине с минимальным октановым числом 87.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой график, демонстрирующий выделения в атмосферу монооксида углерода автомобилями и испытываемыми топливами.
Фиг.2 представляет собой график, демонстрирующий выделения в атмосферу общего количества углеводородов автомобилями и испытываемыми топливами.
Фиг.3 демонстрирует выделения в атмосферу оксида азота автомобилями и испытываемыми топливами.
Фиг.4 демонстрирует средние, в расчете на парк автомобилей, выделения в атмосферу общего количества углеводородов, оксида углерода и окисей азота для каждого из испытываемых топлив.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Бензины являются хорошо известными топливами, как описано в патенте США №5288393, выданном 22 февраля 1994 года на имя Jessup et al., как правило, состоящими из смеси углеводородов, кипящих при атмосферном давлении в очень узких температурных пределах, например, от 77°F (25°C) до 437°F (225°C). Бензины типично состоят из смеси ароматических соединений, олефинов и парафинов, хотя некоторые бензины могут также содержать такое добавленное содержащее гетероатом соединение, как спирт (например, этанол) или другие окислители (например, метил трет-бутиловый эфир). Бензины также могут содержать различные присадки, такие как детергенты, противообледенители, деэмульгаторы, ингибиторы коррозии, красители, модификаторы отложений, а также агенты, повышающие октановое число, такие как тетраэтилсвинец, если это допускается законодательством. Типично, неэтилированные бензины имеют концентрацию свинца не более 0,05 грамм свинца на галлон (0,013 грамм свинца на литр). Неэтилированный бензин типично имеет октановое число (R/2+M/2) для обычного бензина, по меньшей мере, 87 и для бензина высшего сорта, по меньшей мере, 92.
Такие бензины обычно используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, используемых для приведения в движение автомобилей и для других целей, где такие двигатели являются подходящими. Такие бензины также можно использовать в других типах двигателей внутреннего сгорания, таких как гомогеннозарядные двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, в которых топливо и воздух инжектируются в виде гомогенной смеси до сжатия. В данной заявке термин "бензины" означает вещества, обычно доступные для потребителей для использования в автомобилях, и не включает вещества, предназначенные для дальнейшей переработки или смешивания в смеси топлив до продажи бензина потребителю.
В настоящее время большинство бензинов, продаваемых в США для использования в автомобильных двигателях, имеют октановое число (R+M)/2, по меньшей мере, 87 для обычных бензинов и, по меньшей мере, 92 для бензинов высшего сорта. Такое содержание октана считается необходимым для предотвращения детонации и самовоспламенения в автомобильных двигателях. Как хорошо известно из уровня техники, содержание октана типично устанавливают, исходя из номинального октанового числа, с учетом пониженного атмосферного давления или климатических изменений. Например, 84,5-октановое топливо для использования в самых высоких районах гористой западной части США, как считают, обеспечивает примерно такую же работу, в том, что касается октана, как и, в остальном подобное, топливо с октановым числом 89 на уровне моря. Климатические изменения могут быть причиной снижения до примерно единицы октанового числа. Когда октановое число определяют как "скорректированное октановое число", в данной заявке это относится к октановому числу 87, пониженному на количество октана, компенсирующим высотные и/или климатические отклонения, для получения бензина, равноценно работающего в различных условиях высоты и климата, в которых его используют. Типично, имеются данные для определенного географического региона в форме таблицы или карты типов, представленных в ASTM D4814-01а, которые обеспечивают понижение октанового числа от номинальных показателей на уровне моря как функции местоположения и/или сезона.
Спецификации и требования к содержанию октана, указанные выше, требуют модификации потоков компонентов бензина, которые имеются на большинстве нефтеперерабатывающих заводов. В частности, для соответствия принятым в Калифорнии спецификациям на реформированный бензин, часто необходимо регулирование содержания олефинов в бензине, регулирование содержания парафинов в бензине, регулирование содержания ароматических соединений в бензине и т.д. Конечно, также необходимо регулирование октанового числа бензина для соответствия требованиям минимального содержания октана, регулирование показателей Т10, Т50 и Т90, а также упругости паров по Рейду и других условий, как хорошо известно из уровня техники.
В соответствии с настоящим изобретением, к удивлению, было обнаружено, что равноценные эксплуатационные характеристики и уменьшенные выделения в атмосферу можно получить с использованием неэтилированного низкоэмиссионного бензина для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, имеющего октановое число (R+M)/2 меньше, чем 86,7, который при сгорании в двигателе внутреннего сгорания автомобиля производит выделения в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота меньше, чем сопоставимый неэтилированный бензин с минимальным октановым числом 87 для двигателей внутреннего сгорания автомобиля. Неэтилированный бензин с минимальным октановым числом 87 так же, как и неэтилированный низкоэмиссионный бензин, желательно должны соответствовать нормативным требованиям, таким как принятые в Калифорнии спецификации на реформированный бензин или ASTM D4814-01a или другие спецификации, обусловленные местоположением завода-изготовителя топлива или использованием топлива. Во многих случаях было обнаружено, что выделения в атмосферу, по меньшей мере, двух из общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота, а в некоторых случаях и всех трех, одинаковы или меньше, чем от сопоставимого неэтилированного бензина с октановым числом 87+.
Ссылка на "сопоставимое" топливо или бензин относится к топливу или бензину, имеющему свойства состава, подобные неэтилированному низкоэмиссионному бензину. Считается, что уменьшенные выделения в атмосферу, достигаемые настоящим изобретением, можно получить с разными составами бензина, но, в целях сравнения, уменьшенные выделения в атмосферу, достигаемые с использованием неэтилированного низкоэмиссионного бензина, наиболее правильно определяются при сравнении с бензином такого же или подобного состава, в котором только октановое число, содержание серы или количество окислителя, или их сочетание, отличаются от сопоставимого топлива в соответствии с настоящим изобретением. Понятно, что для изменения указанных свойств обычно необходимы некоторые изменения в составе сопоставимого бензина, но эти изменения состава будут минимальными. Например, это такие изменения, тип и количество которых может определяться программой составления смеси на конкретном нефтеперерабатывающем заводе, отвечающей потребностям в бензине с более низким октановым числом, как это известно из уровня техники.
Типично, выделения в атмосферу от сгорания неэтилированного низкоэмиссионного бензина, касающиеся общего количества углеводородов и монооксида углерода, являются более низкими в сравнении с выделениями в атмосферу от сгорания неэтилированного бензина с минимальным октановым числом 87. Желательно, когда октановое число неэтилированного низкоэмиссионного бензина составляет от 80 до 86,7. Октановое число может составлять около 86 или ниже и, в некоторых случаях, предпочтительно от 80 до около 83,5.
Неэтилированный низкоэмиссионный бензин может содержать один или несколько окислителей, обычно используемых для включения кислорода в бензин. Подходящие окислители представляют собой этанол, метил трет-бутиловый простой эфир, этил трет-бутиловый простой эфир и трет-амилметиловый постой эфир и т.п. или комбинацию таких окислителей. Типично, количество окислителя, достаточное для обеспечения бензина кислородом, находится в пределах от около 0,1 до около 10 массовых процентов. Предпочтительно, это количество составляет от около 0,3 до около 5,0 массовых процентов и желательно от около 2 до около 5 массовых процентов. Из окислителей предпочтительными являются этанол и метил трет-бутиловый эфир, и наиболее предпочтительным является этанол. Когда используют этанол, его типично добавляют в количестве, равном примерно 0,1-10% от объемного количества бензина. Такие количества могут меняться в зависимости от будущих нормативных требований к бензину и т.п. Полный диапазон значений пониженного октанового числа может быть использован как для бензина, содержащего окислители, так и не содержащего их.
Кроме того, желательно, чтобы неэтилированный низкоэмиссионный бензин содержал менее чем 40 ч/млн (мас.) (частей на миллион, по массе) серы. Предпочтительно, сера присутствует в количестве менее чем 30 ч/млн (мас.), желательно, менее чем 15 ч/млн (мас.), более желательно, менее чем 10 ч/млн (мас.) и наиболее желательно, менее чем 5 ч/млн (мас.).
Неэтилированный низкоэмиссионный бензин можно получать с октановым числом в указанных пределах, и он может содержать окислители в выбранном количестве и иметь низкое содержание серы. Для достижения желаемых результатов в сочетании с низким октановым числом можно использовать либо только окислители, либо только низкое содержание серы. Многие из бензинов по настоящему изобретению находятся в рамках принятых в Калифорнии спецификаций на реформированный бензин, а также соответствуют стандарту ASTM D4814-01а и другим федеральным, государственным и местным нормативным требованиям на бензин. Конкретно, содержание этанола в бензине в соответствии с требованиями может составлять до 10% об. или больше.
Хотя использование неэтилированного низкоэмиссионного бензина по настоящему изобретению в одном автомобиле является эффективным для снижения выделений в атмосферу от отдельного автомобиля, более эффективно, когда бензин используют в качестве топлива для заправки для парка автомобилей. При таком подходе можно снизить выделения в атмосферу от большого количества автомобилей так же, как и от отдельного автомобиля. Под парком автомобилей следует понимать значительное количество автомобилей (например, 100 или более автомобилей), которые могут работать с использованием неэтилированного низкоэмиссионного бензина по настоящему изобретению. Термин "топливо или заправка топливом", как он используется в данном описании, относится к обеспечению автомобилей неэтилированным низкоэмиссионным бензином и сгоранию в них этого топлива для приведения в движение автомобилей.
Кроме того, в определенном районе может быть желательным уменьшение загрязнения окружающей среды, и в этом районе выделения в атмосферу можно снизить путем распределения неэтилированного низкоэмиссионного бензина через множество распределительных сетей к распределительным отверстиям, из которых он может распределяться для парка выбранных автомобилей или в рандомизированно обслуживаемые автомобили потребителей. В таких случаях выделения в атмосферу от автомобилей в этом районе могут быть уменьшены.
Также следует заметить, что выделения в атмосферу от заправки топливом автомобилей являются результатом выделений самим автомобилем, а также выделений в атмосферу от нефтеперерабатывающего завода, на котором производят бензин для заправки автомобилей. В соответствии с настоящим изобретением, нефтеперерабатывающий завод может работать, производя больше бензина в расчете на заданный объем бензинового сырья, что является результатом требований снижения октанового числа бензина. Такая работа нефтеперерабатывающего завода может предполагать изменения в работе, по меньшей мере, одной из установок жидкого каталитического крекинга, реформинга, алкилирования, изомеризационной установки и т.п., как это известно специалистам в данной области. Еще одним результатом такой работы нефтеперерабатывающего завода является то, что нефтеперерабатывающему заводу требуется меньше топлива для нагревательных и других операций, необходимых для получения уменьшенного количества более высокооктановых компонентов бензина. Типично, чем больше снижение уровня октана, тем большее объемное количество бензина получают, исходя из определенного объема исходного сырья, и тем больше уменьшаются выделения в атмосферу от нефтеперерабатывающего завода. Типичные выделения в атмосферу от нефтеперерабатывающего завода представляют собой, прежде всего, диоксид углерода, и в последние годы пристальное внимание было направлено на способы снижения выделений диоксида углерода в атмосферу.
В одном расчетном варианте работы нефтеперерабатывающего завода, полученном с помощью компьютера, приняв за основу, что общий выход бензина составляет 800000 баррелей в день 87-октанового бензина, изменение технологических операций заводского процесса нефтепереработки для получения бензина, имеющего октановое число 86, дает дополнительные 35280 галлонов бензина в день, исходя из того же количества того же сырья, при одновременном снижении на 17000000 фунтов в год выделения в атмосферу диоксида углерода нефтеперерабатывающим заводом и сокращении на более чем 6000000 фунтов в год количества природного газа, необходимого в качестве топлива. Окончательным результатом является существенная экономия необходимых нефтеперерабатывающему заводу легких углеводородов или другого топлива и существенное снижение количества выпускаемого в атмосферу диоксида углерода. Поскольку нефтеперерабатывающий завод работает с пониженными выделениями в атмосферу и производит бензин по настоящему изобретению из уменьшенного количества сырья, достигается значительная эффективность и снижение эмиссий. Также достигается значительное снижение общих выделений в атмосферу в результате производства и использования бензина с более низким октановым числом для автомобильных двигателей. В связи с этим следует отметить, что даже если использование бензина с более низким октановым числом в автомобильном двигателе приводит к такому же количеству выделений в атмосферу, как и использование 87 и более высокооктановых топлив, все равно получают общее снижение выделений в атмосферу в результате повышенной эффективности и сниженных эмиссий от работы нефтеперерабатывающего завода.
Примеры
Были проведены испытания для определения выделения продуктов сгорания с отработавшими газами от трех автомобилей, использующих более низкооктановые (менее чем 86,7) бензины по сравнению с бензинами с минимальным октановым числом 87. Испытываемые бензины представлены в Таблице 1. Эти бензины были получены из потоков продуктов нефтепереработки или компонентов, считающихся эквивалентными потокам продуктов нефтепереработки. Используемые потоки продуктов нефтепереработки представляют собой поток изомератов, тяжелый продукт реформинга и бензино-лигроиновую фракцию каталитического крекинга, тяжелый поток рафината, легкий продукт алкилирования, а также толуол, который используют в качестве заместителя для легкого продукта реформинга, и смесь изогексанов, используемую в качестве заместителя для легкого потока рафината. Легкий продукт реформинга типично представляет собой, прежде всего, поток С7-С8, преимущественно состоящий из толуола, таким образом, этот поток представлен толуолом. Таким же образом, смесь изогексанов считается близким заместителем легкого рафината. Также следует отметить, что содержание олефинов в испытываемых топливах было относительно низким. Это является результатом того, что трудно найти подходящие исходные компоненты бензиновой смеси с низким содержанием серы, которые содержат небольшое количество серы и имеют высокое содержание олефинов. Считается, что низкое содержание олефинов никак не влияет на результаты испытаний и не вызывает их расхождения. Составы испытываемых бензинов были составлены так, чтобы они имели близко сопоставимые октановое число, содержание серы и содержание окислителей. В качестве окислителя для испытываемого топлива использовали этанол и его поставляли как коммерческий продукт сорта, используемого для топлив. Характеристики топлива были ориентированы на соответствие спецификациям Калифорнии на реформированный бензин, за исключением топлива 4, как указано ниже. Термин "топливо" в данном описании используется как синоним для термина "бензин". Топлива 1 и 6 имели стандартное октановое число 87+. Топливо 1 имело сравнительно высокое содержание серы (70 ч/млн (мас.)) и октановое число 87,4, а топливо 6 имело низкое содержание серы (<5) и октановое число 87,2. Содержание серы в низкооктановых топливах 2-5 было снижено до менее чем 5 ч/млн (мас.) в предвидении будущих требований снижения уровня серы. Топливо 4 имело октановое число 83,1, но также имело температуру перегонки 90°F (338°), что превышает спецификации Калифорнии на реформированный бензин, но должно соответствовать требованиям, действующим в других регионах. Смесь топлива 5 получали с достаточным количеством этанола, что давало 2 массовых процента кислорода в топливе. Еще два топлива 7 и 8 были получены и испытаны с использованием разного количества серы, они имели октановое число 85,8 и 85,3, соответственно, и более высокий уровень содержания серы, соответственно, 37 и 72 ч/млн (мас.).
Испытания выделений в атмосферу каждого топлива, выполненные в двух повторах, проводили с использованием Федеральной процедуры испытаний (FTP) на первых шести топливах в трех автомобилях. FTP (Федеральная процедура испытаний), как она определяется в данном описании, относится к Своду Федеральных Законов, том. 40 "Защита окружающей среды", подпункт В, "Правила, регулирующие выделения в атмосферу, для новых легковых автомобилей и новых грузовиков малой грузоподъемности, являющихся моделями 1977 года и следующих; Процедуры испытаний", и включена в данную заявку полностью в качестве ссылки. Используемыми в испытаниях автомобилями были Honda Accord 1998 года, имеющая сертификат Калифорнии для низкоэмиссионных автомобилей (LEV), Dodge Caravan 1999 года, имеющий государственный сертификат для низкоэмиссионных автомобилей (NLEV), и Ford Explorer 2000 года. В Таблице 2 представлены полученные в результате испытаний различных топлив показатели выделений в атмосферу общего количества углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота.
| Таблица 2 Данные эмиссии для автомобилей | ||||||
| Выделения в атмосферу* | ||||||
| Автомобиль | Одометр | Топливо | Общее количество углеводородов | СО | NOх | Дата проведения испытания |
| Ford Explorer | 44991 | 1 | 0,080 | 1,207 | 0,036 | 03/08/2002 |
| Ford Explorer | 45002 | 1 | 0,089 | 1,075 | 0,039 | 03/09/2002 |
| Ford Explorer | 45020 | 2 | 0,088 | 0,962 | 0,038 | 03/10/2002 |
| Ford Explorer | 45030 | 2 | 0,076 | 0,874 | 0,037 | 03/11/2002 |
| Ford Explorer | 44929 | 3 | 0,084 | 1,099 | 0,030 | 03/04/2002 |
| Ford Explorer | 44939 | 3 | 0,077 | 1,005 | 0,029 | 03/05/2002 |
| Ford Explorer | 44961 | 4 | 0,088 | 0,872 | 0,031 | 03/06/2002 |
| Ford Explorer | 44971 | 4 | 0,090 | 0,882 | 0,028 | 03/07/2002 |
| Ford Explorer | 45051 | 5 | 0,088 | 1,042 | 0,036 | 03/20/2002 |
| Ford Explorer | 45061 | 5 | 0,080 | 1,086 | 0,038 | 03/21/2002 |
| Ford Explorer | 45184 | 6 | 0,085 | 1,166 | 0,023 | 04/02/2002 |
| Ford Explorer | 45195 | 6 | 0,091 | 0,959 | 0,023 | 04/03/2002 |
| Honda Accord | 84530 | 1 | 0,097 | 2,177 | 0,126 | 03/10/2002 |
| Honda Accord | 84540 | 1 | 0,101 | 2,197 | 0,119 | 03/11/2002 |
| Honda Accord | 84561 | 2 | 0,071 | 1,693 | 0,082 | 03/12/2002 |
| Honda Accord | 84572 | 2 | 0,077 | 1,653 | 0,079 | 03/13/2002 |
| Honda Accord | 84448 | 3 | 0,086 | 2,305 | 0,101 | 03/05/2002 |
| Honda Accord | 84459 | 3 | 0,083 | 2,095 | 0,090 | 03/06/2002 |
| Honda Accord | 84472 | 4 | 0,089 | 1,467 | 0,090 | 03/07/2002 |
| Honda Accord | 84483 | 4 | 0,086 | 1,555 | 0,087 | 03/08/2002 |
| Honda Accord | 84591 | 5 | 0,070 | 1,390 | 0,108 | 03/20/2002 |
| Honda Accord | 84601 | 5 | 0,065 | 1,289 | 0,106 | 03/21/2002 |
| Honda Accord | 84649 | 6 | 0,079 | 2,122 | 0,067 | 04/02/2002 |
| Honda Accord | 84661 | 6 | 0,079 | 1,969 | 0,070 | 04/03/2002 |
| Honda Accord | 84620 | 7 | 0,088 | 2,186 | 0,076 | 03/29/2002 |
| Honda Accord | 84631 | 7 | 0,093 | 2,118 | 0,073 | 04/01/2002 |
| Honda Accord | 84690 | 8 | 0,081 | 1,830 | 0,099 | 04/17/2002 |
| Honda Accord | 84701 | 8 | 0,076 | 1,715 | 0,100 | 04/18/2002 |
| Dodge Caravan | 65053 | 1 | 0,104 | 0,585 | 0,163 | 03/08/2002 |
| Dodge Caravan | 65064 | 1 | 0,105 | 0,546 | 0,145 | 03/09/2002 |
| Dodge Caravan | 65084 | 2 | 0,110 | 0,814 | 0,147 | 03/10/2002 |
| Dodge Caravan | 65095 | 2 | 0,100 | 0,789 | 0,156 | 03/11/2002 |
| Dodge Caravan | 64990 | 3 | 0,089 | 0,633 | 0,134 | 03/04/2002 |
| Dodge Caravan | 65001 | 3 | 0,086 | 0,649 | 0,156 | 03/05/2002 |
| Dodge Caravan | 65022 | 4 | 0,090 | 0,396 | 0,106 | 03/06/2002 |
| Dodge Caravan | 65032 | 4 | 0,088 | 0,419 | 0,120 | 03/07/2002 |
| Dodge Caravan | 65121 | 5 | 0,092 | 0,515 | 0,135 | 03/20/2002 |
| Dodge Caravan | 65131 | 5 | 0,088 | 0,541 | 0,125 | 03/21/2002 |
| Dodge Caravan | 65150 | 6 | 0,087 | 0,669 | 0,108 | 04/02/2002 |
| Dodge Caravan | 65161 | 6 | 0,093 | 0,683 | 0,113 | 04/03/2002 |
| *Все данные выделений в атмосферу представлены в граммах на милю |
Таблица 3 и Фиг.1, 2 и 3 показывают средние значения полученных результатов для каждой комбинации топливо/автомобиль. Средние выделения в атмосферу парком автомобилей (т.е. усредненные показатели каждой эмиссии от трех автомобилей) представлены на Фиг.4. Кроме того, проводили FTP испытания в двух повторах с использованием топлив 7 и 8 только на автомобиле Honda Accord 1998 года. Результаты испытаний для отдельных автомобилей включены в Таблицу 2, а тенденции с использованием низкооктановых топлив показаны на Фиг.1, 2 и 3.
| Таблица 3 Средние показатели эмиссии, определенные в испытаниях | ||||
| Средние показатели выделений в атмосферу* | ||||
| Автомобиль | Топливо | Общее количество углеводородов | СО | NOх |
| Ford Explorer | 1 | 0,0845 | 1,1410 | 0,0375 |
| Ford Explorer | 2 | 0,0820 | 0,9180 | 0,0375 |
| Ford Explorer | 3 | 0,0805 | 1,0520 | 0,0295 |
| Ford Explorer | 4 | 0,0890 | 0,8770 | 0,0295 |
| Ford Explorer | 5 | 0,0840 | 1,0640 | 0,0370 |
| Ford Explorer | 6 | 0,0880 | 1,0625 | 0,0230 |
| Honda Accord | 1 | 0,0990 | 2,1870 | 0,1225 |
| Honda Accord | 2 | 0,0740 | 1,6730 | 0,0805 |
| Honda Accord | 3 | 0,0845 | 2,2000 | 0,0955 |
| Honda Accord | 4 | 0,0875 | 1,5110 | 0,0885 |
| Honda Accord | 5 | 0,0675 | 1,3395 | 0,1070 |
| Honda Accord | 6 | 0,0790 | 2,0455 | 0,0685 |
| Honda Accord | 7 | 0,0905 | 2,1515 | 0,0745 |
| Honda Accord | 8 | 0,0785 | 1,7725 | 0,0995 |
| Dodge Caravan | 1 | 0,1045 | 0,5655 | 0,1540 |
| Dodge Caravan | 2 | 0,1050 | 0,8015 | 0,1515 |
| Dodge Caravan | 3 | 0,0875 | 0,6410 | 0,1450 |
| Dodge Caravan | 4 | 0,0890 | 0,4075 | 0,1130 |
| Dodge Caravan | 5 | 0,0900 | 0,5280 | 0,1300 |
| Dodge Caravan | 6 | 0,0900 | 0,6760 | 0,1105 |
| *Все данные выделений в атмосферу представлены в граммах на милю |
Средние для парка автомобилей показатели выделения в атмосферу общего количества углеводородов и оксида углерода для всех низкооктановых бензинов с низким содержанием серы (топлива 2-5) были либо ниже, либо незначительно отличались от бензинов с минимальным октановым числом 87 и более низким (менее чем 5 ч/млн (мас.)) или более высоким (70 ч/млн (мас.)) содержанием серы. Это явилось неожиданным, поскольку можно было бы ожидать, что низкооктановый бензин вызовет детонацию, т.е. индуцированное самовоспламенением сгорание. Такое вызванное самовоспламенением сгорание может привести к негомогенности смеси топливо/воздух, что увеличивает выделения в атмосферу оксида углерода и общего количества углеводородов в процессе холодной фазы испытаний и приводит к локальным повышениям температур и давления, что увеличивает NOх. Что касается NOх, бензин с минимальным октановым числом 87 и более низким содержанием серы (топливо 6) имел самый низкий показатель эмиссии, а бензин с минимальным октановым числом 87 и более высоким содержанием серы (топливо 1) имел самый высокий показатель эмиссии, тогда как более низкооктановые бензины имели показатели эмиссии, средние между этими двумя.
Следующие испытания проводили с использованием топлива 5. Это топливо содержало 2% кислорода (в виде этанола), но в остальном было по существу таким же, как и топливо 2. В основном, топливо 5 изготавливали аналогично топливу 2, за исключением того, что добавляли этанол и изомерат удаляли для поддержания постоянного уровня упругости паров. Средние выделения в атмосферу СО у этанольного топлива (топливо 5) были значительно меньше, чем у топлива 2, но выделения в атмосферу общего количества углеводородов и NOх существенно не отличались. В дополнительных испытаниях, проводимых на Honda Accord с использованием топлив с различным содержанием серы, было определено, что конкретно с этим двигателем наблюдается общая тенденция увеличения выделений в атмосферу СО с увеличением октанового числа, уменьшения выделений монооксида углерода с включением этанола, уменьшения выделений монооксида углерода при более высоких температурах перегонки 90%, при сравнительно небольших эффектах серы и ее взаимодействия в зависимости от октанового числа.
Что касается выделений в атмосферу общего количества углеводородов, наблюдалась общая тенденция увеличения выделений в атмосферу общего количества углеводородов с повышением уровня октана. Согласно статистическим данным, оказалось, что существует взаимодействие между уровнями серы и октана. Практически, это можно объяснить разными эффектами серы на низкооктановый бензин и на высокооктановый бензин. Согласно наблюдениям, только низкооктановый бензин, содержащий 37 частей на миллион серы, производит значительно большие выделения в атмосферу общего количества углеводородов, чем топливо с минимальным октановым числом 87, содержащее 5 частей на миллион серы. В результате включения взаимодействия октан/сера в статистический анализ получили подтверждение того, что выделения в атмосферу общего количества углеводородов увеличиваются с повышением октанового числа.
В том, что касается выделений в атмосферу NOx, статистический анализ данных также показал сильное взаимодействие между содержанием октана и серы. Также было сделано заключение, что выделения NOx повышаются с повышением октанового числа. Статистически было обнаружено, что этанол повышает количество выделяемого в атмосферу NOx. Оказалось, что все показатели выделения в атмосферу NOx для низкооктановых топлив находятся между двумя топливами с октановым числом 87, одно из которых имеет высокое содержание серы, а другое имеет низкое содержание серы. Оказалось, что выделения в атмосферу NOx низкооктановыми топливами существенно не отличаются от принятых в Калифорнии спецификаций на бензины, Фазы 2 (топлива 1 и 6).
На Фиг.1 представлены испытанные на различных двигателях выделения в атмосферу монооксида углерода различными топливами. На Фиг.2 представлены выделения в атмосферу общего количества углеводородов, на Фиг.3 представлены выделения в атмосферу окиси азота, и на Фиг.4 представлены средние выделения в атмосферу для парка автомобилей.
При рассмотрении этих данных оказалось, что снижение уровня октана в бензине не оказывает никакого вредного действия, и что снижение уровня октана приводит к снижению эмиссий из двигателей, которые испытывали с испытываемыми топливами. Следовательно, оказывается, что снижение уровня октана в бензине приводит к выгодным результатам, в том что касается снижения эмиссий при сгорании бензина в двигателе внутреннего сгорания автомобилей. Такие топлива обычно легко изготовить в соответствии со всеми федеральными, государственными и местными требованиями США и принятыми в Калифорнии требованиями на бензин, если только октановое число не является регулируемой характеристикой в конкретных государственных или местных спецификациях. Следовательно, такое улучшение показателей эмиссии является легко достигаемым. Хотя наибольшие улучшения достигаются путем снижения октанового числа в сочетании с использованием бензинов с низким содержанием серы, также для уменьшения выделений в атмосферу монооксида углерода и в целях соответствия требованиям желательно включение окислителя. Оказалось также, что этанол уменьшает эмиссии СО при сгорании бензина.
Также, как было указано выше, оказалось, что количество диоксида углерода, выделяемого в атмосферу нефтеперерабатывающим заводом, на котором производят бензин, можно значительно снизить при одновременном увеличении объема бензина, получаемого из определенного количества исходного сырья. Также оказалось, что при производстве бензина с октановым числом ниже 87 можно сэкономить природный газ и другие топлива.
В общем, оказалось, что бензин по настоящему изобретению можно получить при работе нефтеперерабатывающего завода в условиях более низкого выделения в атмосферу и большей эффективности производства, т.к. он производит большее количество бензина из определенного количества исходного сырья при уменьшенных эмиссиях. Было показано, что бензин по настоящему изобретению, при сжигании в двигателе внутреннего сгорания, обеспечивает меньший уровень эмиссий в сравнении с имеющимися в настоящее время стандартными бензинами. Это является удивительным и неожиданным в свете широко распространенной практики, когда в соответствии с требованиями стандартный бензин должен иметь минимальное октановое число 87, а бензин высшего качества должен иметь минимальное октановое число, по меньшей мере, 91 и, более типично, 92.
Настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его воплощения, но необходимо отметить, что описанные варианты воплощения, по сути, являются иллюстративными, а не ограничивающими данное изобретение, и что возможны многочисленные вариации и модификации, не выходящие за рамки данного изобретения.
1. Неэтилированный низкоэмиссионный бензин для двигателей внутреннего сгорания, имеющий октановое число (R+M)/2 меньше чем 86,7 и содержание серы меньше чем около 40 ч/млн, (мас.).
2. Бензин по п.1, в котором октановое число составляет от около 80 до около 86.
3. Бензин по п.1, в котором октановое число составляет от около 80 до около 83,5.
4. Бензин по п.1, в котором содержание серы составляет меньше чем около 10 ч/млн, (мас.).
5. Бензин по п.1, где бензин содержит окислитель, выбранный из группы, состоящей из этанола, метил-трет-бутилового эфира, этил-трет-бутилового эфира и трет-амилметилового эфира, в количестве, достаточном для поддержания содержания кислорода в бензине от около 0,5 до около 10 мас.%.
6. Бензин по п.5, где окислителем является этанол, и топливо содержит от около 0,3 до около 5,0 мас.% кислорода.
7. Бензин по п.1, 3 или 6, в котором содержание серы меньше чем около 5 ч/млн, (мас.).
8. Способ снижения выделений в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов монооксида углерода и окисей азота из двигателя внутреннего сгорания автомобиля, включающий a) получение неэтилированного низкоэмиссионного бензина по любому из пп.1-7, который при сгорании в двигателе производит уменьшенные выделения в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов монооксида углерода и окисей азота в сравнении с сопоставимым неэтилированным бензином с минимальным октановым числом 87; и b) заправку двигателя указанным неэтилированным низкоэмиссионным бензином.
9. Способ по п.8, где неэтилированный низкоэмиссионный бензин имеет октановое число меньше чем скорректированное октановое число.
10. Способ по п.8, где парк из, по меньшей мере, 100 автомобилей, приводимых в действие двигателями внутреннего сгорания, заправляют неэтилированным низкоэмиссионным бензином.
11. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию обеспечения неэтилированным низкоэмиссионным бензином сети распределительных станций для распределения неэтилированного низкоэмиссионного бензина в автомобили потребителей.
12. Способ заправки топливом автомобилей при пониженных общих эмиссиях в атмосферу, включающий
а) заводской процесс нефтепереработки, в котором получают неэтилированный низкоэмиссионный бензин по любому из пп.1-7, который при сгорании в двигателе производит меньше выделений в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов, монооксида углерода и окисей азота в сравнении с сопоставимым неэтилированным бензином с минимальным октановым числом 87, при этом неэтилированный низкоэмиссионный бензин производят на нефтеперерабатывающем заводе из уменьшенного количества исходного сырья и с уменьшенными выделениями в атмосферу в сравнении с нефтеперерабатывающим заводом, производящим бензин с минимальным октановым числом 87; и
b) заправку автомобилей неэтилированным низкоэмиссионным бензином, при этом общие выделения в атмосферу, по меньшей мере, одного из общего количества углеводородов монооксида углерода и окисей азота от сгорания неэтилированного низкоэмиссионного бензина в автомобилях и от нефтеперерабатывающего завода, производящего неэтилированный низкоэмиссионный бензин меньше чем от нефтеперерабатывающего завода, производящего неэтилированный бензин с минимальным октановым числом 87, и от сгорания неэтилированного бензина с минимальным октановым числом 87 в автомобилях.
13. Способ по п.12, где неэтилированный низкоэмиссионный бензин имеет октановое число меньше чем скорректированное октановое число.
14. Способ по п.8 или 12, в котором количество, по меньшей мере, двух из общего количества углеводородов, оксида углерода и окисей азота снижено в сравнении со сгоранием сопоставимого неэтилированного бензина с минимальным октановым числом 87.
