專利名稱：用含醇初級(jí)燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)的制作方法
用含醇初級(jí)燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和系統(tǒng)本發(fā)明涉及運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)(compression ignition engines)的方法,特別涉及用車上(on board)制備的含醚燃料運(yùn)行這些發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明還提供可用于實(shí)施本發(fā)明的方法的系統(tǒng)。壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的最典型實(shí)例是用高辛烷值柴油燃料運(yùn)行的柴油機(jī)。為了降低由柴油燃料的燃燒引起的環(huán)境污染，過(guò)去已作出一些嘗試以將柴油燃料換成具有降低的環(huán)境影響的替代燃料。醚，特別是通過(guò)低級(jí)醇的脫水制成的醚，如二甲醚和二乙醚已表明是環(huán)境影響方面優(yōu)異的柴油燃料。在許多公開文獻(xiàn)，例如美國(guó)專利Nos. 4，892，561 ;5，906，664和7，449，034中描述了低級(jí)醚作為柴油燃料的用途。
盡管其有清潔燃燒特性和在柴油機(jī)中的高效率，醚-基燃料的主要缺點(diǎn)是在車上難以儲(chǔ)存和操作。在環(huán)境條件下，二甲醚是氣體形式。為了將二甲醚燃料轉(zhuǎn)化成其更方便的液體形式，該燃料必須在壓力下儲(chǔ)存和操作。從文獻(xiàn)中獲知乙醇在用于壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)是較差燃料。但是，據(jù)報(bào)道，乙醇/ 二乙醚(DEE)混合物克服這一限制并開啟高效和極清潔的柴油機(jī)運(yùn)行的途徑。但是，有要解決的實(shí)際問(wèn)題。DEE目前在任何銷售網(wǎng)絡(luò)中都不可得并具有相對(duì)嚴(yán)格的安全限制，包括使用加壓燃料罐。總之主張使用在車上轉(zhuǎn)化的乙醇或含乙醇的燃料。可以通過(guò)利用合適催化劑的乙醇脫水進(jìn)行DEE的生產(chǎn)。在車上包括這種系統(tǒng)意味著在噴入發(fā)動(dòng)機(jī)之前蒸發(fā)含乙醇的燃料，進(jìn)行轉(zhuǎn)化，冷凝產(chǎn)物并進(jìn)一步壓縮該混合物(直至600-2400巴)。另外，原料必須在開始轉(zhuǎn)化前預(yù)熱。通過(guò)與熱廢氣的熱交換或通過(guò)電加熱器進(jìn)行預(yù)熱。因此，一些額外加熱系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)在大約200°C下的催化轉(zhuǎn)化所必須的，其對(duì)系統(tǒng)效率具有負(fù)面作用。該非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行還增加必要設(shè)備的復(fù)雜性并造成額外制造成本和額外車輛重量。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在以自熱方式，優(yōu)選在液相中將醇轉(zhuǎn)化成醚時(shí)，可以改進(jìn)用于將初級(jí)醇燃料轉(zhuǎn)化成含醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的已知方法和系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的一般實(shí)施方案是用通過(guò)含醇初級(jí)燃料的車上轉(zhuǎn)化獲得的含醚燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括以下步驟
(a)從燃料罐中取出含醇初級(jí)燃料并將所述初級(jí)燃料加壓至最終發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力；
(b)將加壓的初級(jí)燃料引入催化脫水反應(yīng)器；
(C)在所述反應(yīng)器中通過(guò)與醇脫水催化劑接觸來(lái)將加壓的初級(jí)燃料催化脫水成含醚燃料；和
(d)從所述反應(yīng)器中取出含醚燃料并將所述含醚燃料噴入發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述加壓的初級(jí)燃料在催化脫水之前通過(guò)與含醚燃料間接熱交換并由此在從反應(yīng)器中取出該含醚燃料之前冷卻該含醚燃料來(lái)在反應(yīng)器內(nèi)加熱至反應(yīng)溫度。在權(quán)利要求2至9和下列說(shuō)明書中描述本發(fā)明的方法的進(jìn)一步實(shí)施方案。本發(fā)明還提供用于用含醚燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，其包含壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；
適合儲(chǔ)存初級(jí)含醇燃料的燃料罐；
用于將初級(jí)燃料加壓的高壓泵；
至少一個(gè)脫水反應(yīng)器，其適于接收加壓的初級(jí)燃料并在共用耐壓殼體(commonpressure shell)內(nèi)包含熱交換器和下游催化劑床,該熱交換器適于間接加熱該加壓的初級(jí)燃料和冷卻含醚燃料，該下游催化劑床含有用于將加熱的該加壓初級(jí)燃料轉(zhuǎn)化成含醚燃料的醇脫水催化劑；和
至少一個(gè)將脫水反應(yīng)器出口與用于將含醚燃料噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè) 或多個(gè)燃料噴射器連接的連接管。在權(quán)利要求10至16中和下列說(shuō)明書中描述本發(fā)明的系統(tǒng)的進(jìn)一步實(shí)施方案。通常將本發(fā)明的方法的運(yùn)行條件調(diào)節(jié)至150°C至350°C的催化劑入口溫度和80至2400巴的噴射壓力。由此，醇在脫水催化劑存在下在適當(dāng)反應(yīng)速率下在液相中以絕熱方式轉(zhuǎn)化成醚、水和醇的混合物。根據(jù)本發(fā)明，從初級(jí)含醇燃料到含醚燃料的放熱脫水反應(yīng)中回收所需熱。該初級(jí)含醇燃料在高壓泵中加壓至噴射壓力以使該燃料在進(jìn)入脫水催化劑的入口溫度下保持在液相并提供所形成的含醚燃料的所需發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力。標(biāo)準(zhǔn)熱交換器(即合理地輕的設(shè)備)不能承受燃料回路中的高壓。但是，通過(guò)將熱交換器集成在催化脫水反應(yīng)器內(nèi)，克服這種限制。初級(jí)燃料與來(lái)自催化劑的流出物，即含醚燃料之間的壓差最多為數(shù)巴，這處于例如輕質(zhì)、小型和有效的板式換熱器(其是用于本發(fā)明的優(yōu)選熱交換器)的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于所有形成的醚燃料立刻用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒并避免儲(chǔ)存多余含醚燃料。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)在于，可以在液相中將初級(jí)燃料轉(zhuǎn)化成含醚燃料并且在這種情況下不需要初級(jí)燃料的蒸發(fā)和含醚燃料產(chǎn)物的冷凝。該熱回收能實(shí)現(xiàn)自熱操作。除啟動(dòng)時(shí)外，不另外需要預(yù)熱初級(jí)燃料。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，脫水的含醇初級(jí)燃料中所含的熱可能在不足以供應(yīng)預(yù)熱含醇初級(jí)燃料所必須的溫度的溫度下。在這些條件下，優(yōu)選在上述運(yùn)行方法中包括例如借助安裝在反應(yīng)器內(nèi)的電加熱器或在反應(yīng)器入口上游的發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器另外加熱加壓燃料的進(jìn)一步步驟。因此在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該加壓的液體初級(jí)燃料在引入脫水催化劑中之前經(jīng)過(guò)啟動(dòng)-加熱器定期預(yù)熱。通過(guò)醇根據(jù)下列反應(yīng)催化脫水成其相應(yīng)的醚實(shí)現(xiàn)含醚燃料的形成
20； — .OH - C. H -O-C H+ HO。適用于本發(fā)明的脫水催化劑包括所有固體酸，如氧化鋁、二氧化硅氧化鋁、沸石、鎢酸化氧化物、硫酸化氧化物、氧化鋁磷酸鹽、含磺酸官能團(tuán)的材料，如磺化聚苯乙烯、磺化氟碳聚合物、磺酸官能化的氧化物材料(氧化鋁、SBA-15、二氧化硅)及其混合物。醇脫水催化劑優(yōu)選以固定床方式布置在反應(yīng)器中，以使加壓的初級(jí)燃料從反應(yīng)器入口經(jīng)過(guò)熱交換器并隨后經(jīng)過(guò)催化劑床。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該固定催化劑床布置在反應(yīng)器外壁與居中位于催化劑床內(nèi)的同心空間(concentric space)之間。在另一實(shí)施方案中，該催化劑床與反應(yīng)器內(nèi)壁同心布置并與反應(yīng)器內(nèi)壁隔開。醇脫水是平衡反應(yīng)。因此平衡限制阻止醇100%轉(zhuǎn)化成醚和水。在例如由95 w%乙醇和5 %水構(gòu)成的初級(jí)乙醇燃料的反應(yīng)溫度下，在150至350°C脫水溫度下液相中的平衡組成通常為9-21 w%乙醇、19-22 w% H2O和59-71 %二乙醚。用于壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的具有有用的點(diǎn)火和燃燒特征的醚燃料是例如二乙醚/乙 醇/水混合物和二甲醚/甲醇/水混合物，具有最多20%的甲醇含量和最多20%的水含量。在美國(guó)專利No. 7，449，034中，含有二甲醚、甲醇和最多48%水的柴油燃料已表明是壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的有效燃料。除甲醇和乙醇外，更高級(jí)醇的混合物也是用于本發(fā)明的合適的初級(jí)燃料。另一些合適的含醇初級(jí)燃料是烴與一種或多種醇，如生物柴油和醇如水黃皮油和乙醇(60-40體積％)的混合物，其催化轉(zhuǎn)化成含有 15-20體積％ DEE的生物柴油/DEE/水的混合物。用于本發(fā)明的另一些合適的初級(jí)燃料是汽油和醇的混合物，例如在瑞典的加油站可得的含有85%乙醇的汽油。為了在含醇燃料不可得且發(fā)動(dòng)機(jī)必須用例如常規(guī)柴油燃料運(yùn)行時(shí)使用該系統(tǒng)，可以借助安裝在連接來(lái)自高壓泵或共軌(common rail)的進(jìn)料管與燃料噴射器管的旁通管中的旁通閥繞過(guò)(by-passed)該反應(yīng)器。在控制閥的打開位置，可以將初級(jí)燃料，例如柴油經(jīng)旁通管直接送往發(fā)動(dòng)機(jī)。在下列說(shuō)明書中參照附圖
更詳細(xì)解釋本發(fā)明的上述特征和方面，其中
圖I示意性顯示用在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的方法和系統(tǒng)中的反應(yīng)器的橫截面。該催化脫水反應(yīng)器系統(tǒng)可以根據(jù)車上可用的自由體積由所有汽缸共用的單反應(yīng)器或每個(gè)汽缸一個(gè)的反應(yīng)器的集合構(gòu)成?？梢栽诟邏罕门c催化脫水反應(yīng)器之間布置共軌(未顯示)。在運(yùn)行該反應(yīng)器時(shí)，冷的含醇初級(jí)燃料在100和2000巴，優(yōu)選200-400巴的壓力下從高壓泵(未顯示)送往反應(yīng)器。在這些壓力下，含醇初級(jí)燃料和所形成的含醚燃料都是液體或超臨界的。將含醇初級(jí)燃料引入反應(yīng)器并經(jīng)過(guò)布置在該反應(yīng)器的耐壓殼體內(nèi)的熱交換器。冷的含醇初級(jí)燃料通過(guò)在反應(yīng)器入口部分中的熱交換器中與來(lái)自后繼催化劑床的含醚燃料的間接熱交換加熱至脫水反應(yīng)溫度。例如，在50巴下操作時(shí)，含醇燃料可以在20°C下進(jìn)入熱交換器并加熱至220°C。如果含醇初級(jí)燃料在熱交換器后的溫度太低，在熱交換器下游布置在反應(yīng)器軸周圍的軸向空間內(nèi)的電加熱器將該流體預(yù)熱至充足溫度。預(yù)熱的含醇初級(jí)燃料經(jīng)過(guò)該軸向空間通往催化劑床的入口。在所示實(shí)施方案中，催化劑床布置在反應(yīng)器外壁與該軸向空間之間。通過(guò)經(jīng)過(guò)包含脫水催化劑的催化劑床，將初級(jí)燃料中的醇部分脫水成醚和水。通過(guò)進(jìn)入催化劑床的含醇初級(jí)燃料的入口溫度控制轉(zhuǎn)化速率。該脫水反應(yīng)是放熱的。假定初級(jí)燃料由在220°C下進(jìn)入該床的95%乙醇和5%水構(gòu)成，脫水產(chǎn)物在240°C附近以80%的乙醇至二乙醚和水的轉(zhuǎn)化率離開催化劑。
來(lái)自催化劑床的所得流出物含有熱含醚燃料，其經(jīng)過(guò)與引入的含醇初級(jí)燃料間接熱交換的熱交換器。由此在預(yù)熱冷含醇初級(jí)燃料的同時(shí)冷卻含醚燃料。將含醚燃料從大于240°C冷卻至大約40°C，這相當(dāng)于初級(jí)燃料那邊預(yù)熱200°C (如上提到從20°C到220°C)。該流體與流出物之間的壓差對(duì)應(yīng)于催化床和預(yù)熱器上的壓降。因此其足夠低以允許使用簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)熱交換器。在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，熱含醚燃料由于放熱脫水反應(yīng)而離開催化劑。如上例示，燃料通常比反應(yīng)器入口處的含醇初級(jí)燃料熱10_20°C (取決于初級(jí)燃料的醇含量和該床上的轉(zhuǎn)化率)。溫度差足以充分預(yù)熱含醇初級(jí)燃料以供脫水。熱的含醚燃料由此冷卻并送往發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器(未顯示)。高壓泵或帶有閥的共軌之間的旁通管允許燃料繞過(guò)脫水反應(yīng)器。在用常規(guī)燃料代替含醚燃料運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，打開旁通閥并直接從高壓泵或共軌進(jìn)行燃料噴射以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 此外，可操作旁通閥以使僅一部分含醇初級(jí)燃料經(jīng)過(guò)該反應(yīng)器。其給出用含醇初級(jí)燃料稀釋含醚燃料的選擇，因此根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)調(diào)節(jié)最終燃料的組成。一旦已在汽缸中開始燃燒，閥操作可例如在初次和切換至含醇初級(jí)燃料噴射時(shí)確保在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中噴射含醚燃料。這提供優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的額外自由度。上述說(shuō)明書和附圖完全是示意性的并且不按比例繪制，在附圖中沒有顯示本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的在噴射系統(tǒng)中常規(guī)的部件和裝置。
權(quán)利要求
1.用通過(guò)含醇初級(jí)燃料的車上轉(zhuǎn)化獲得的含醚燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括以下步驟 (a)從燃料罐中取出所述含醇初級(jí)燃料并將所述初級(jí)燃料加壓至最終發(fā)動(dòng)機(jī)噴射壓力； (b)將該加壓的初級(jí)燃料引入催化脫水反應(yīng)器； (c)在所述反應(yīng)器中通過(guò)與醇脫水催化劑接觸來(lái)將該加壓的初級(jí)燃料催化脫水成含醚燃料；和 (d)從所述反應(yīng)器中取出所述含醚燃料并將所述含醚燃料噴入發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述加壓的初級(jí)燃料在所述催化脫水之前通過(guò)與含醚燃料間接熱交換并由此在從反應(yīng)器中取出所述含醚燃料之前冷卻該含醚燃料來(lái)在反應(yīng)器內(nèi)加熱至反應(yīng)溫度。
2.權(quán)利要求I的方法，其中所述脫水催化劑以固定床形式布置在該脫水反應(yīng)器內(nèi)。
3.權(quán)利要求I或2的方法，其中在板式換熱器中進(jìn)行所述間接熱交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)的方法，其中所述含醇初級(jí)燃料含有不同醇的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項(xiàng)的方法，其中所述含醇初級(jí)燃料包含甲醇和/或乙醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項(xiàng)的方法，其中所述含醇初級(jí)燃料包含烴和一種或多種醇的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項(xiàng)的方法，包括使一部分所述加壓的初級(jí)燃料繞過(guò)所述催化脫水的進(jìn)一步步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7任一項(xiàng)的方法，其中所述加壓的含醇燃料在液相中。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，包括在所述間接熱交換之后和在所述催化脫水之前另外加熱所述加壓的初級(jí)燃料的進(jìn)一步步驟。
10.用于用含醚燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，其包含 壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)； 適于儲(chǔ)存初級(jí)含醇燃料的燃料罐； 用于將所述初級(jí)燃料加壓的高壓泵； 至少一個(gè)脫水反應(yīng)器，其適于接收所述加壓的初級(jí)燃料并在共用耐壓殼體內(nèi)包含熱交換器和下游催化劑床，所述熱交換器適于間接加熱該加壓的初級(jí)燃料和冷卻含醚燃料，所述下游催化劑床含有用于將該加熱的加壓初級(jí)燃料轉(zhuǎn)化成該含醚燃料的醇脫水催化劑；和 至少一個(gè)將該脫水反應(yīng)器的出口與用于將該含醚燃料噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)燃料噴射器連接的連接管。
11.權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述催化劑床布置在反應(yīng)器外壁與居中位于該催化劑床內(nèi)的同心空間之間。
12.權(quán)利要求10或11的系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器進(jìn)一步包含布置在所述熱交換器下游的加熱器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述熱交換器是板式換熱器。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13任一項(xiàng)的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含在該高壓泵與該脫水反應(yīng)器入口之間的共軌。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至13任一項(xiàng)的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含在所述高壓泵與所述至少一個(gè)連接管之間的閥控制的旁通管。
16.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含在所述共軌與所述至少一個(gè)連接管之間的閥控制的旁通管。
全文摘要
用通過(guò)含醇初級(jí)燃料的車上轉(zhuǎn)化獲得的含醚燃料運(yùn)行壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方法和用在該方法中的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F02M27/02GK102859144SQ201180017850
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者C·杜維希, P·L·加布里爾森, S-E·米克爾森, T·V·W·詹森斯 申請(qǐng)人:赫多特普索化工設(shè)備公司