ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2000 года по МПК C10L1/18 C10L1/28 

Изобретение относится к нефтехимии и эксплуатации двигателей с искровым зажиганием. Преимущественно изобретение может быть использовано для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания и экономия топлива.

Известна топливная композиция [патент России 2074235] на основе бензина с добавлением в него следующих компонентов (%):
Монометиланилин - 0,5 - 2
Анилин - 0,005 - 0,2
2,6-ди-трет-Бутил-4-метилфенол или кубовый остаток его производства - 0,001 - 0,1
Бензин - Остальное
Недостатком композиции является наличие в ней весьма токсичных аминов и ее неприятный запах. Кроме того, дополнительное содержание азота в топливе ведет к росту оксидов азота в отработавших газах.

Известна топливная композиция на основе бензинов [патент США 5558685] содержащая 0,5 - 2,0% смеси диалкилдифениламинов общей формулы RC₆H₄NHC₆H₄R¹, где R и R¹ - алкильные группы C₄ - C₆.

Недостатком композиции является повышение токсичности бензина и содержания оксидов азота в отходящих газах.

Известна топливная композиция на основе бензина [патент России 2099395], содержащая 0,005 - 0,006% присадки, которая состоит из бициклопентадиенила железа (1 - 99,5%) и ароматического амина или углеводородной фракции, выкипающей в пределах 100 - 360^oC, а также моющей присадки.

Недостатком композиции является наличие токсичного ароматического амина.

Известна топливная композиция [патент России 2105041] состава:
Растворимое соединение железа на основе жирных кислот (в пересчете на железо) - 0,003 - 0,03
Камфаны - 0,006 - 0,03
Бензин - Остальное
Недостатком этой топливной композиции является достаточно высокое содержание железа, что может привести к повышенному износу поршневых колец [Лернер М. О. Химические регуляторы горения моторных топлив. - М.: Химия, 1979. - 221 с.].

Известны выпускаемые Ачинским НПЗ бензины по ТУ 38.401.58.100-94, содержащие присадку ФК-4 (альфа-гидроксиизопропилферроцен) в количестве 0,001 - 0,025% [Российский химический журнал, 1998, 42, 1-2, с. 176 - 186].

Эта топливная композиция принята нами за прототип.

Недостатком прототипа является незначительное снижение токсичности отработавших газов и отсутствие экономии топлива.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности топливной композиции на базе железосодержащей присадки по снижению токсичности отработавших газов бензиновых двигателей и экономии топлива.

Задача решается за счет того, что в топливную композицию на базе бензина вводится в качестве железосодержащей присадки ацетилацетонат железа (III) и тетраэтоксисилан в смеси с продуктами его гидролиза - димером, тримером и тетрамером при следующем соотношении компонентов (%):
Ацетилацетонат железа (III) - 5•10⁶ - 2•10^-4
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера - 0,005 - 0,02
Бензин - Остальное
По прямому назначению ацетилацетонат железа используется в качестве реагента в аналитической химии [Химическая энциклопедия, т. 1, 1988, с. 426].

По прямому назначению тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера используется для увеличения температуры плавления ванадиевых отложений в камере сгорания судовых дизелей, работающих на тяжелом топливе, с 300 до 780^oC, нейтрализации соединений ванадия, содержащихся в тяжелых топливах, и выноса соединений ванадия с выхлопных клапанов [Временная инструкция по применению тетраэтоксисилана на судах ПО "Эстрыбпром", Таллин, 1986].

Возможность использования предложенной топливной композиции для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах бензинового двигателя и экономии топлива не вытекает с очевидностью из известных свойств этих веществ.

В известных нам источниках научно-технической информации использование предложенной топливной композиции для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей внутреннего сгорания и экономии топлива не описано. Следовательно предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Использование предложений топливной композиции, содержащей ацетилацетонат железа и тетраэтоксисилан приводит к положительному эффекту - снижению токсичности отработавших газов бензиновых двигателей и экономии топлива. По сравнению с прототипом - бензином Ачинского НПЗ по ТУ 38.401.58.100-94, содержащим ферроценовую присадку ФК-4 в количестве 0,01%, предложенная топливная композиция, содержащая ацетилацетонат железа (III) и тетраэтоксисилан в смеси с продуктами его гидролиза - димером, тримером и тетрамером суммарной концентрации 0,01% при сравнительных испытаниях на автомобиле ЗИЛ-130 на повышенных оборотах на холостом ходу дает снижение содержания оксидов азота на 21%, оксида углерода на 37%, несгоревших углеводородов на 43% и экономию топлива на 2,8%.

Известно, что каталитическую активность в металлорганических соединениях проявляет ион металла, а органический радикал нужен только для растворения металлорганического соединения в топливе [Лернер М.О. Химические регуляторы горения моторных топлив. - М.: Химия, 1979. - с. 221]. Известны синергисты ферроценовых присадок - ароматические амины, карбоновые кислоты, эфиры, оксимы, кетоны и другие азот- и кислородсодержащие соединения [А.М. Данилов. Присадки и добавки. Улучшение экологических] характеристик нефтяных топлив. - М.: Химия, 1996. - 232 с.]. В известной нам научно-технической литературе синергисты ацетилацетоната железа не описаны. Также нам не известны кремнийорганические соединения как синергисты ферроценов или других железоорганических соединений.

В предложенной нами топливной композиции совместное использование ацетилацетоната железа и тетраэтоксисилата приводит к неожиданному синергитическому эффекту, который нельзя предсказать из известных свойств этих соединений и литературных данных. Это явление значительно повышает эффективность предложенной композиции при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей и экономии топлива.

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

Сравнительные испытания предлагаемой топливной композиции, прототипа и товарного бензина А-76 ГОСТ 2084-77 проводили на стенде с двигателем ЗМЗ-66 в три этапа:
- на первом этапе двигатель работал на товарном бензине А-76
- на втором этапе двигатель работал на прототипе - бензине Ачинского НПЗ по ТУ 38.401.58.100-94 с 0,01% присадки ФК-4 и октановым числом 76
- на третьем этапе двигатель работал на предлагаемой топливной композиции состава:
Ацетилацетонат железа (III) - 8,5 • 10^-6
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза димера, тримера и тетрамера - 99,15 • 10^-4
Автомобильный бензин ГОСТ 2084-77 - Остальное
Во время испытаний измеряли расход топлива весовым методом и прибором "ОПТОГАЗ-21" содержание вредных веществ в отработавших газах: оксида углерода, оксидов азота, несгоревших углеводородов.

Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Приведенные в табл.1 данные подтверждают эффективность предложенной топливной композиции для снижения расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах бензинового двигателя.

На стенде с двигателем ЗМЗ 4020011 объемом 2,5 л, оснащенным эталонным карбюратором 151 N 34 и динамометром постоянного тока типа ДС 736 фирмы "Сетин" производства Чехословакии было определено влияние компонентов топливной композиции на ее эффективность при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах.

Во время испытаний двигатель работал на автобензине А-92 ТУ 38.001165-97 и моторном масле 5₃/10Г₁ ТУ 381011080-86.

Во время всех опытов нагрузка на двигатель составляла 42,5 кВт, а число оборотов коленчатого вала 2600 мин^-1.

В отработавших газах инфракрасным газоанализатором "Инфралит-2200" определяли содержание оксида углерода и газоанализатором 123 ФА 01 содержание несгоревших углеводородов.

Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Данные, представленные в табл. 2, свидетельствуют о том, что применение в топливной композиции только ацетилацетоната железа (III) или тетраэтоксисилана с примесью продуктов его гидролиза менее эффективно, чем использование их смеси. Т. е. полученные результаты подтверждают сделанное ранее предположение о неожиданном синергитическом эффекте предлагаемой топливной композиции.

Из приведенной в табл. 2 данных видно, что применение топливной композиции с более низким содержанием ацетилацетоната железа и тетраэтоксисилана мало эффективно, а увеличение их концентрации дает незначительный прирост эффекта снижения содержания вредных веществ в отработавших газах бензинового двигателя, однако существенно увеличивает стоимость топливной композиции.

Эксплуатационные испытания предложенной топливной композиции проводили в АТП N 6 "ПАССАЖИРАВТОТРАНСА" г. Санкт-Петербурга на автобусах ЛиАЗ-677 с двигателем ЗИЛ-375. Автобусы эксплуатировались на бензине А-76 ГОСТ 2084-77 и моторном масле М8В₁ ГОСТ 10541-78.

Все автобусы АТП-6 (а это более 450 машин) в течение двух с половиной месяцев эксплуатировались на предложенной топливной композиции. Топливная композиция готовилась непосредственно в цистернах автозаправочной станции АТП при закачке в них топлива - автомобильного бензина А-76 из автоцистерн. Топливо поставлялось компанией "Балттрейд".

На 20 автобусах перед выходом на линию ежедневно (за день до начала испытаний, во время испытаний и в течение десяти дней после их завершения) сотрудниками ОТК парка замерялось содержание оксида углерода инфракрасным газоанализатором "Инфралит-1100" и газоанализатором ГЛ1112 содержание несгоревших углеводородов.

На всех автомобилях зафиксировано снижение содержания в отработавших газах оксида углерода и несгоревших углеводородов на разные величины (в 2-4 раза) в зависимости от степени износа двигателей. Наблюдаемое снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах двигателей имеет очень большой разброс из-за различного технического состояния двигателей, пробег которых после капитального ремонта колебался от 42 до 460 тысяч километров.

Характер изменения концентрации вредных веществ в отработавших газах свидетельствует о его монотонном падении в первые 3-7 дней испытаний, далее на всем протяжении эксплуатации техники на предложенной топливной композиции концентрация вредных веществ в отработавших газах остается практически неизменной.

После перехода автобусов на работу на штатном бензине А-76 в течение 2 - 4 дней концентрация вредных веществ в отработавших газах остается постоянной, что объясняется наличием в топливных баках остатков предложенной топливной композиции. В дальнейшем топливная композиция полностью расходуется и двигатель начинает работать на штатном топливе, что приводит к росту концентрации вредных веществ в отработавших газах, и их концентрация постепенно выходит на уровень, который был в отработавших газах автобусов до начала испытаний.

Из этих же автобусов были отобраны пробы картерного масла до начала испытаний и после их окончания. Во время испытаний выхода из строя двигателей по причине использования предложенной топливной композиции не зарегистрировано. По результатам анализа картерного масла после пробега автобусами 5 - 6 тысяч км наблюдалось некоторое снижение содержания продуктов износа в нем, что при неизменном расходе масла на долив и угар и отсутствии замены масла указывает на снижение износа двигателей эксплуатируемых на предложенной топливной композиции.

Во время эксплуатационных испытаний были проведены анализы отработавших газов на содержание в них бенз(а)пирена, масляного тумана, аэрозоля и суммарного содержания альдегидов.

Для определения концентрации бенз(а)пирена применялась "Методика измерения массовой концентрации бенз(а)пирена в воздухе рабочей зоны с использованием анализатора "Флюорат-02". Нижний предел обнаружения - 0,00001 мг/м куб. [Физико-химические методы исследования объектов окружающей среды. - Л.: Судостроение, 1979] и газохроматографическим методом [МУ N 4171-86, Выпуск 9].

Определение концентрации суммы альдегидов проводили фотометрическим методом [МУ N 2719-83. Выпуск, 18]. Нижний предел обнаружения акролеина 0,1 мг/м куб. Определение избирательно в присутствии кетонов, формальдегида, окислов азота, бензальдегида, ацетальдегида.

Определение масляного аэрозоля основывалось на образовании эмульсии при разбавлении раствора масла в изопропаноле дистиллированной водой. Предел обнаружения 2,0 мг/м куб. [ТУ на методы определения вредных веществ в воздухе. Выпуск. XI, 1976, М., Рекламинформбюро, ММФ, МУ N 1292-75].

Анализ показал что при применении предложенной топливной композиции содержание бенз(а)пирена снижается на 25%, масляного тумана и аэрозоля на 20% и суммы альдегидов на 7%.

Проведенные длительные эксплуатационные испытания предложенной композиции подтвердили ее эффективность при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей. Эти эксплуатационные испытания позволяют считать, что предложенное техническое решение соответствует критерию "промышленное применение".

Для определения влияния предложенной топливной композиции на расход топлива в АТП-3 "ПАССАЖИРАВТОТРАНСА" г. Санкт-Петербурга было выделено пять автобусов ЛиАЗ-677. Три автобуса работало на городских маршрутах различной протяженности, а два - на пригородных маршрутах различной протяженности. Испытания проводили в два этапа:
- на первом этапе все пять автобусов в течение пяти дней (с понедельника по пятницу) разработали на своих маршрутах на штатном топливе - бензине А-76 ГОСТ 2084-77;
- на втором этапе все пять автобусов работали в течение пяти дней (с понедельника по пятницу) на тех же маршрутах на предложенной топливной композиции.

Перед выходом на маршрут в баки автобусов заливалось топливо до верхнего уровня мерной рейки. После возвращения из рейса с помощью мерных бачков разной емкости топливо доливалось опять до верхнего уровня мерной рейки и фиксировался его дневной расход. Одновременно фиксировался пробег автобусов. Расхождение в пробеге лежало в пределах 0,3 - 0,5 км.

По данным измерений средний расход топлива при применении предложенной топливной композиции по сравнению со штатным топливом - бензином А-76 снизился на 5,2%.

Проведенные испытания подтверждают эффективность предложенной топливной композиции.

Изобретение относится к области экологии, конкретно к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания бензинов. Топливная композиция на базе бензина содержит 5•10^-6 - 2•10^-4% ацетилацетоната железа (III) и 0,005-0,02% тетраэтоксисилана в смеси с продуктами его гидролиза - димером, тримером и тетрамером. Использование ее в качестве горючего приводит к снижению содержания вредных веществ в отработавших газах двигателя: оксида углерода - до 80%, несгоревших углеводородов - до 73%, оксидов азота - до 85%, бенз(а)пирена - на 15-38%. 2 табл.

Топливная композиция на основе бензина, содержащая растворимое соединение железа, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера, а в качестве растворимого соединения железа применяется ацетилацетонат железа (III) при следующем соотношении компонентов, %:
Ацетилацетонат железа (III) - 5 х 10^-6 - 2 х 10^-4
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера - 0,005 - 0,02
Бензин - Остальное