ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРИСАДКА К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ Российский патент 2000 года по МПК C10L1/18 

Изобретение относится к нефтепереработкe и эксплуатации дизельных двигателей. Преимущественно изобретение может быть использовано для снижения содержания токсичных компонентов и твердых частиц (сажи) в отработавших газах дизельных двигателей.

Известна присадка к дизельному топливу, способствующая улучшению сгорания и снижению выбросов оксида углерода и углеводородов с отработавшими газами (ОГ) двигателей [патент США 5266082, МКИ C 10 L 1/12]. Присадка состоит на 90% из керосина и содержит различные неорганические окислы металлов и органические компоненты.

Недостатком присадки является ее низкая агрегативная устойчивость, вызванная наличием в ее составе окислов металлов.

Известны в качестве присадок к дизельному топливу соединения общей формулы XMR, где X - лиганд, содержащий не менее одной ненасыщенной связи C-C: олефиновой, ацетиленовой, ароматической, например циклооктаденил; M - металл платиновой группы со степенью окисления +2 или +4; R - бензил-, фенил- или нитробензил [патент США 4892562]. Предпочтение отдается соединениям платины, палладия и радия или их комбинации. Присадка снижает содержание CO на 60% и NO_x на 50%.

Недостатком данной присадки является наличие в ее составе металлов платиновой группы, что делает эти присадки малодоступными для промышленного применения.

В качестве противодымных присадок известны соединения редкоземельных металлов в виде карбонилов, солей алифатических и циклоалифатических кислот в смеси с кислородсодержащими соединениями типа альдегидов, спиртов, кетонов и простых эфиров в концентрации до 1,5% [патенты США 4522631, 4836830]. При добавлении в дизельное топливо 0,083% октаноата церия и 2% н-гексилкарбинола содержание сажи в ОГ уменьшается на 24%.

Недостатком этих присадок является использование редкоземельных металлов, что делает их промышленное использование неперспективным, а также они имеют низкую эффективность по снижению дымности.

Известны антидымные присадки на основе солей бария и их композиции фирмы Lubrizol: LZ-565, LZ-8005, LZ-8288 и др., азербайджанская присадка ИХП-706, отечественные присадки ЭКО-1 и ЭФАП-Б [Данилов А.М. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив.- М.: Химия, 1996, 232 с. ]. Эти присадки снижают дымность на 17-33%, практически не влияют на эмиссию окислов азота, примерно в 2 раза снижают содержание углеводородов в ОГ.

Недостаток присадок этого типа заключается в повышенном нагарообразовании на деталях дизеля и образовании "бороды" сульфата металла на распылителях форсунок, что нарушает их нормальную работу.

Известно применение в качестве присадок пикрата железа, тиофенолятов церия, кобальта, железа, никеля [патент США 4265639].

Недостатком этих присадок является относительно высокая их концентрация в топливе - до 0,1%.

Известно использование эквимолекулярной смеси енолятов железа и церия общей формулы

где R, R¹ и R² - либо атомы водорода, либо алкильный радикал, содержащий от 1 до 22 атомов углерода [патент США 4474580] для снижения дымности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Это техническое решение принято нами за прототип.

Недостатком прототипа является использование в качестве присадки церия, относящегося к редкоземельным элементам, и енолов с длинноцепочными радикалами [до 22 атомов углерода], что значительно удорожает стоимость присадки. Кроме того, присадка незначительно снижает дымность отработавших газов и содержание в них вредных веществ.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности присадки на основе енолята железа по снижению дымности и содержания вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей.

Задача решается за счет того, что в дизельное топливо вводится экологическая присадка для снижения дымности и содержания токсичных компонентов в отработавших газах дизельных двигателей на основе ацетилацетоната железа, которая дополнительно содержит ферроцен, при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Ацетилацетонат железа - 10-90
Ферроцен - До 100
Ацетилацетонат железа является енолятом 2,4-пентадиона

и имеет формулу

т.е. это енолят из прототипа, в котором
R = R² = CH₃, а R¹ = H.

По прямому назначению ацетилацетонат железа используется в качестве реагента в аналитической химии [Химическая энциклопедия. Т.1, 1988, с. 426] либо совместно с тетраэтоксисиланом для очистки рабочих поверхностей камеры сгорания и газовыпускного тракта двигателей внутреннего сгорания от нагаров [патент России 2027742].

Ферроцен представляет собой сэндвичную структуру, образованную двумя молекулами циклопентадиена

Ферроцен по прямому назначению используется для увеличения октанового числа бензинов [Российский химический журнал, 1998, 42, 1-2, с. 176-178].

Возможность использования предложенной смеси для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя не вытекает с очевидностью из известных свойств этих веществ.

В известных нам источниках научно-технической информации использование данной композиции для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания не описано. Следовательно, предложение отвечает критерию "новизна".

Использование в качестве экологической присадки смеси органических соединений железа разной степени окисления и с разными органическими радикалами приводит к положительному эффекту - снижению дымности и токсичности отработавших газов дизельных двигателей. По сравнению с прототипом, содержащим разные металлы с одинаковыми радикалами, предлагается присадка, которая в эквимолекулярном соотношении при сравнительных испытаниях на дизеле КамАЗ-740 с использованием дизельного топлива Л по ГОСТ 305-82, в зависимости от нагрузки на дизель дает снижение содержания оксидов азота на 17-23%, оксида углерода на 33-45%, несгоревших углеводородов на 13-21% и дымности на 67-81%.

Неожиданно обнаруженный эффект синергизма действия ионов железа разной степени окисления при снижении токсичности отработавших газов дизеля не может быть с очевидностью предсказан исходя из свойств индивидуальных веществ.

Можно предположить, что в отличие от прототипа ионы железа разной валентности проявляют свою каталитическую активность на разных стадиях горения топлива и участвуют в разных механизмах окисления, что и приводит к положительному эффекту.

Все вышесказанное позволяет считать, что предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Исследования влияния предлагаемой экологической присадки на содержание токсичных компонентов и сажи в отработавших газах дизеля проводили на экспериментальной установке (фиг. 1), которая состоит из дизеля 8Ч 9,5/10 со штатными системами 1, мерной емкости 3 и топливного расходного бака 8, соединенных между собой через трехходовой кран 2 и с топливной системой дизеля трубопроводами, манометров 4, установленных на впуске и выпуске дизеля, весов 6, термометра для определения температуры отработавших газов 7 в выпускном тракте дизеля, разновесов 5, установленных на весах.

В качестве нагрузочного устройства использовали штатный генератор переменного тока, нагрузка которого менялась от 0 до 100% при помощи проволочных реостатов.

Содержание сажи (C_C) в ОГ дизеля определялось оптическим микропроцессорным дымомером ОМД-21, содержание углеводородов оксида углерода (C_CO) и оксида азота (C_NO) в ОГ измерялось газоанализатором ОП-ТОГАЗ-21, разработанными и серийно выпускаемыми предприятием ОПТЭК, г. Санкт-Петербург.

Во время испытаний двигатель работал на масле МТ-16п по ГОСТ 6360-83 и дизельном топливе Л по ГОСТ 305-82.

Работа установки осуществлялась следующим образом. Устанавливался необходимый режим работы двигателя. Все испытания проводились при прогретом двигателе и без нарушения его заводских регулировок. Опыты проводились при постоянных температурах охлаждающей воды и масла дизеля, которые поддерживались в интервалах 80-95^oC. После 40-45 мин работы дизеля на установившемся режиме, стабилизации температур жидкости системы охлаждения и отходящих газов одновременно замерялись концентрация вредных веществ в отработавших газах и расход топлива. В каждой точке выполнялось по восемь замеров каждого параметра, по которым и определялись средние значения измеряемых величин путем статистической обработки.

При проведении исследований расход топлива измерялся весовым способом. На одну чашку весов 6 устанавливалась мерная емкость 3, а на другую разновесы 5. Соответствующим поворотом пробки трехходового крана мерная емкость 3 заполнялась топливом из бака 8. Для заполнения мерной емкости 3 пробка крана 2 устанавливалась так, чтобы топливо из бака 8 поступало и в емкость 3, и в двигатель. После заполнения мерной емкости топливом поворотом крана 2 устанавливался забор топлива из нее и включается секундомер. После расходования контрольной массы топлива секундомер выключался, и питание топлива переключалось на бак 8.

Контрольная масса топлива для всех опытов выбиралась с учетом его работы в течение 2-3 мин и составляла 0,2 кг.

Топливо с различными концентрациями присадок подготавливалось предварительно. Присадки взвешивались с точностью до 0,01 г, топливо - до 1 г.

Перед началом замеров при работе на топливе с определенной концентрацией присадки из трубопроводов топливной системы вырабатывалось все топливо предыдущего опыта.

В таблице 1 приведены результаты испытаний влияния различных сочетаний компонентов присадки на содержание вредных веществ в отработавших газах. Как следует из таблицы соотношение, выбранное нами, является оптимальным.

На фиг. 2-4 приведено влияние концентрации присадки на снижение содержания вредных веществ в отработавших газах двигателя и удельного расхода топлива в зависимости от концентрации присадки (в % 10^-5 в пересчете на железо), при N_e = const, n = 1500 мин^-1.

Из приведенных графиков видно, что наиболее эффективной является концентрация присадки в пересчете на железо 3-5•10^-5%.

При более низкой концентрации эффект от действия присадки незначительный, а при более высокой - изменения эффективности действия присадки соизмеримы с ростом ее стоимости.

На фиг. 5 и 6 приведены графики, показывающие влияние присадок - ферроцена 1, ацетилацетоната железа 2 и предлагаемой композиции 3 и прототипа (ацетилацетонатов железа и церия в соотношении 1:1) 4 на изменение содержания оксидов азота (фиг. 2) и дымности отработавших газов (фиг. 3). При этом в предлагаемой присадке ферроцен и ацетилацетинат железа взяты в соотношении 1: 1. Концентрации присадок в дизельном топливе равны 5•10^-5% в пересчете на металл. На фиг. 2 и 3 цифрами 1, 2, 3, 4 соответственно отмечены ферроцен, ацетилацетонат железа, предлагаемая присадка и прототип.

Как видно из приведенных графиков, предлагаемая присадка намного эффективнее прототипа и каждого из прототипов, взятых той же концентрации, т. е. представленные данные подтверждают эффективность предлагаемого технического решения.

Изобретение относится к области нефтепереработки и эксплуатации дизельных двигателей и может быть использовано для снижения содержания токсичных компонентов и твердых частиц (сажи) в отработавших газах дизельных двигателей. В качестве экологической присадки используется смесь 10-90% ацетилацетоната железа и до 100% ферроцена. Технический результат: снижается содержание оксидов азота на 17-23%, оксида углерода на 33-45%, несгоревших углеводородов на 13-21% и дымности на 67-81%. 1 табл., 6 ил.

Экологическая присадка к дизельному топливу для снижения дымности и содержания токсичных компонентов в отработавших газах дизельных двигателей на основе ацетилацетоната железа, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ферроцен при их следующем содержании, вес.%:
Ацетилацетонат железа - 10 - 90
Ферроцен - До 100