ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРИСАДКА К ТОПЛИВУ Российский патент 2000 года по МПК C10L1/18 C10L1/28 

Изобретение относится к области экологии, конкретно к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Известна композиционная смесь для очистки рабочих поверхностей камеры сгорания и газовыхлопного тракта двигателей внутреннего сгорания от нагаров, содержащая 0,1-1,0% ацетилацетоната металла и до 100% присадки на основе тетраэтоксисилана с примесью продуктов его гидролиза - димера, триера и тетрамера [Патент Российской Федерации 2027742].

Предлагаем применять композиционную смесь по Патенту РФ 2027742 по новому назначению - в качестве экологической присадки к топливу с целью снижения содержания вредных веществ, отрицательно влияющих на окружающую среду и здоровье человека, в продуктах сгорания топлива.

Предложение применять известное вещество по новому назначению подтверждает соответствие предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Композиционная смесь по Патенту РФ 2027742 при сгорании вместе с топливом модифицирует структуру нагаров в камере сгорания и газовыхлопном тракте, снижает их адгезию к металлическим поверхностям и уменьшает температуру выгорания.

Из способности композиционной смеси по Патенту РФ 2027742 модифицировать структуру нагара не следует с очевидностью ее способность снижать содержание вредных веществ в отработавших газах, т.е. из известных свойств композиционной смеси по Патенту РФ 2027742 нельзя сделать однозначный вывод о влиянии композиции на механизм и кинетику сгорания топлива, приводящие к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания топлива. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Исследование влияния предлагаемой экологической присадки на содержание токсичных компонентов и сажи в отработавших газах дизельного двигателя проводили на экспериментальной установке (фиг. 1), состоящей из дизеля 8Ч 9,5/11 со штатными системами 1, мерной емкости 3 и топливного расходного бака 8, соединенными между собой и топливной системой двигателя трехходовым краном 2, манометров 4, установленных на впускном и выпускном коллекторах дизеля, весов 6 и разновесов 5, установленных на весах, и термометра 7 для определения температуры отработавших газов.

В качестве нагрузочного устройства использовался штатный генератор переменного тока, нагрузка которого менялась в интервале 0 - 100% при помощи реостатов.

Содержание сажи в отработавших газах дизеля определялось оптическим дымомером "ОМД-21", содержание несгоревших углеводородов, оксида углерода и оксидов азота газоанализатором "ОПТОГАЗ-21".

Во время испытаний дизель работал на дизельном топливе Л- 0,2-40 ГОСТ 305-82 и моторном масле МТ-16п ГОСТ 6360-83.

Работа установки осуществлялась следующим образом:
- устанавливался заданный режим работы двигателя:
- число оборотов - 1700 оборотов в минуту
- нагрузка - 30 кВт;
- двигатель прогревался в течение 45 минут на испытуемом топливе до стабилизации температуры охлаждающих жидкостей и отходящих газов;
- температура охлаждающих жидкостей - воды и масла - поддерживалась в интервале 90 + 5 градусов Цельсия;
- одновременно замерялись концентрации вредных веществ в отработавших газах и расход топлива;
- расход топлива определяли весовым методом;
- при работе на каждой присадке проводили по десять параллельных измерений каждого параметра и за результат принимали величину, полученную путем статистической обработки замеренных величин.

Для испытаний были приготовлены различные присадки в соответствии с Пат. РФ 2027742. Все приготовленные присадки содержали 1% ацетилацетоната металла квалификации "ч" или "хч" и 99% тетраэтоксисилана с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера по МРТУ 6-09-3074-66.

Ацетилацетонаты металлов взвешивались на аналитических весах марки ВЛДП-100 г ГОСТ 19491 = 74 с точностью до 0,05 мг, а их раствор в тетраэтоксисилане готовился в мерной колбе с коническим шлифом емкостью 100 мл типа 1-а ГОСТ 1770-74.

Присадки вводились в дизельное топливо Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 в концентрации 0,01% с помощью шприцевого дозатора ДШП-5 ТУ 64-1-1146-74.

Испытания проводили в два этапа:
- на первом этапе двигатель работал на чистом дизельном топливе
- на втором этапе - на дизельном топливе с присадками по Пат. РФ 2027742.

Результаты замеров содержания вредных веществ и сажи в отработавших газах дизеля представлены в табл. 1.

Приведенные результаты стендовых испытаний подтверждают эффективность использования композиционной смеси по Пат. РФ 2027742 в качестве экологической присадки для снижения содержания вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Учитывая, что из всех испытанных ацетилацетонатов металлов продукты сгорания ацетилацетоната железа - оксиды железа - наименее токсичны, широко распространены в природе и их попадание в атмосферу не может нанести экологического ущерба, все последующие эксперименты проводили с экологической присадкой следующего состава:
- тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера квалификации "ч" МРТУ 6-09-3074-66 - 99%
- ацетилацетонат железа (III) квалификации "ч" МРТУ 6-09- 2584-68 -1%.

Для определения влияния выбранной нами экологической присадки на снижение содержания вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя нами были проведены стендовые испытания двигателя КамАЗ-740 в соответствии с ГОСТ 14848-81 (СТ СЭВ 765-77). В качестве нагрузочного устройства использовался электрический тормозной стенд фирмы VESTIN марки DS 1036-4N.

Испытания проводили на дизельном топливе 3-0,2-минус 45 ГОСТ 305-82 и моторном масле М10Г2к ГОСТ 8581-78.

Режим работы двигателя:
- мощность 500Н
- частота вращения - 1500 оборотов в минуту.

Испытания проводились в два этапа:
- на первом этапе двигатель работал на чистом дизельном топливе без присадки;
- на втором этапе двигатель работал на том же топливе с 0,01% выбранной нами экологической присадки указанного выше состава.

Эффективность экологической присадки оценивалась по содержанию в продуктах сгорания дизельного топлива:
- бенз(а)пирена;
- суммы альдегидов по акролеину;
- масляного аэрозоля;
- суммарному содержанию оксидов азота;
- оксидов железа;
- диоксида кремния.

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. "Судостроение". Л., 1979 г.] 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.

Оксиды азота определялись фотометрическим методом с применением реактива Грисса-Илосвая. Нижний предел измерения оксида азота (IV) - 1 мг/м куб.; оксида азота (II)- 0,65 мг/м куб. {Методические указания по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле. М., 1990 г.].

Концентрации диоксида кремния устанавливали фотометрическим методом. Нижний предел измерения - 0,25 мг/м куб.

Содержание железа устанавливали полярографическим методом. Нижний предел измерения - 0,05 мг/м куб.[МУ по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле. М.,1990 г.].

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 г., М,,
Рекламинформбюро, ММФ, МУ N 1292-75].

Представленные в табл. 2 результаты подтверждают эффективность действия заявляемой экологической присадки при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя.

Оценка эффективности предложенной экологической присадки в бензинах А-76 и А-92 ГОСТ 2084-77 проводили на роликовом стенде фирмы "Цольнер" RPL 510/22 С M6.8-23/GPM-100.

Испытания проводили на автомобиле ГАЗ-24-10 с двигателем ЗМЗ-24-10 N 010806. Карбюратор К-126Г.

Диагностика системы зажигания и регулировка двигателя на холостом ходу (х. х. ), в том числе на содержание оксида углерода, проводилась в соответствии с ГОСТ 17.2.2.03-87 (n= 700 об/мин; CO_х.х. = 1,5%; 0,35 - 0,4%).

Сравнительные испытания на содержание вредных веществ в отработавших газах автомобиля проводили по Правилам N 83-01 ЕЭК ООН с пуском двигателя из прогретого состояния.

Сравнительные испытания на топливную экономичность в городском цикле проводили по ГОСТ 20306-90.

Определяли время разгона автомобиля на бензинах с присадкой на прямой передаче со скорости 30 км/ч до 100 км/ч.

Для анализа состава отработавших газов фирмы "Пирбург", АМА-224, фирмы "Букман".

Расход топлива измерялся расходомером фирмы "Пирбург".

Сравнительные испытания проводились в два этапа:
- на первом этапе автомобиль испытывали на чистых бензинах А-76 и А-92 без присадки
- на втором этапе в бензины вводили предложенную экологическую присадку в концентрации 0,01%.

Проведенные сравнительные испытания бензинов показали:
- применение экологической присадки к бензинам А-76 и А-92 на автомобиле ГАЗ-24-10 не приводит к ухудшению работы двигателя при регулировании CO_х.х. в пределах ГОСТ 17.2.2.03-87;.

- применении экологической присадки к бензинам А-76 и А-92 при испытании автомобиля ГАЗ-24-10 на токсичность по Правилам N 83-10 с пуском двигателя из прогретого состояния по сравнению с бензинами без присадки приводит к снижению выбросов:
- оксида углерода на 4 - 17,8 %
- несгоревших углеводородов на 13 %
- оксидов азота на 2,8 - 10 %.

- применение экологической присадки снижает содержание CO в отработавших газах на холостом ходу при минимальной частоте вращения на 43,0 -60,0%;
- расход топлива в городском цикле по ГОСТ 20306-90 с применением экологической присадки уменьшается в среднем:
- с бензином А-92 на 3,05 %
- с бензином А-76 на 5,1 %;
- время разгона автомобиля Газ-24-10 на роликовом стенде на прямой передаче со скорости 30 км/ч до скорости 100 км/ч при применении экологической присадки практически на изменяется (в пределах точности измерений).

Приведенные выше результаты испытаний подтверждают эффективность предложенной экологической присадки. Обращаем внимание на тот факт, что помимо снижения содержания вредных веществ в продуктах сгорания топлива, присадка приводит и к снижению расхода топлива, т.е. к сокращению любых выбросов при одинаковой работе двигателя на топливе с присадкой по сравнению с его работой на топливе без присадки.

Для определения влияния выбранной нами экологической присадки на снижение содержания вредных веществ в отработавших газах бензинового двигателя нами были проведаны стендовые испытания двигателя ЗИЛ-5081 в соответствии с ГОСТ 14848-81 (СТ СЭВ 765-77). В качестве нагрузочного устройства использовался электрический тормозной стенд фирмы VESTIN марки DS 1036-4N.

Испытания проводили на бензине А-76 ГОСТ 2084-77 и моторном масле М8В1 ГОСТ 10541-78.

Режим работы двигателя:
- номинальная мощность 26,5 кВт;
- частота вращения - 1800 оборотов в минуту.

Испытания проводились в два этапа:
- на первом этапе двигатель работал на чистом бензине без присадки;
- на втором этапе двигатель работал на том же топливе с 0,01% выбранной нами экологической присадки указанного выше состава.

Эффективность экологической присадки оценивалась по содержанию в продуктах сгорания бензина:
- бенз(а)пирена;
- суммы альдегидов по акролеину;
- масляного аэрозоля;
- суммарному содержанию оксидов азота;
- оксидов железа;
- диоксида кремния.

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. "Судостроение". Л. 1979 г.] 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.

Оксиды азота определялись фотометрическим методом с применением реактива Грисса-Илосвая. Нижний предел измерения оксида азота (1У)-1 мг/м куб.; оксида азота (II)- 0,65 мг/м куб.{Методические указания по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле. М.,1990 г.].

Концентрации диоксида кремния устанавливали фотометрическим методом. Нижний предел измерения - 0,25 мг/м куб.

Содержание железа устанавливали полярографическим методом. Нижний предел измерения - 0,05 мг/м куб.[МУ по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле. М.,1990 г.].

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 г., М., Рекламинформбюро, ММФ, МУ N 1292-75].

Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Представленные в табл. 3 результаты подтверждают эффективность действия заявляемой экологической присадки при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах бензинового двигателя.

Эксплуатационные испытания предложенной экологической присадки проводили на автотранспорте Петербургской топливной компании на дизельных и бензиновых двигателях во время выполнения ими штатной работы.

Замеры суммарного содержания оксидов азота, как наиболее экологически опасной составляющей отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, нормируемой всеми международными и отечественными стандартами на содержание вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, определяли на холостом ходу прогретого двигателя на повышенных оборотах.

Испытания проводили в два этапа:
- на первом этапе автомобили работали на товарном топливе без присадки;
- на втором этапе автомобили работали на топливе той же партии с добавлением 0,01% выбранной нами экологическое присадки.

Замеры суммарного содержания оксидов азота в отработавших газах проводили прибором "Тесто-терм-300".

Марки испытанных автомобилей с бензиновыми двигателями, марки топлива, способы приготовления топливной смеси и результаты испытаний представлены в табл. 4.

Приведенные данные показывают, что применение предложенной экологической присадки позволяет снизить суммарное содержание оксидов азота в отходящих газах разных типов бензиновых двигателей, работающих на различных сортах бензина, на 15-80%.

Испытания дизельных двигателей проводили на зимнем дизельном топливе марки Д3п-15/-25 ТУ 38.101-889-81.

Результаты испытаний и марки испытуемых автомобиля представлены в табл. 5.

Приведенные данные показывают, что применение предложенной экологической присадки позволяет на 26-28% снизить суммарное содержание оксидов азота в отработавших газах дизельных автомобилей.

Испытания предложенной экологической в тяжелом котельном топливе мазуте 100 ГОСТ 10585-75 проводили на паровом котле ДКВР-2,5-13 в котельной "Шуваловский парк" Выборгского филиала ГП "ТЭК С-Петербурга". Котел находился в хорошем эксплуатационном состоянии и эксплуатировался в режимах и нагрузках, определяемых назначением котельной.

Испытания проводились в два этапа:
- на первом этапе котел работал на штатном котельном топливе без присадки;
- на втором этапе в котельное топливо мазут 100 вводилось 0,01% предложенной экологической присадки.

Проведенные испытания показали, что суммарный выброс оксидов азота с продуктами сгорания снижается на 25-30% во всем диапазоне регулирования котла, а КПД котла повышается на 0,5-1% (большие значения - для меньших нагрузок).

Приведенные результаты эксплуатационных испытаний подтверждают соответствие предлагаемого технического решетя критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к экологии, конкретно к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания топлив. Присадка содержит тетраэтоксисилан и 0,1-1,0% ацетилацетонаты переходных металлов в соотношении. Введение ее в топливо в концентрации 0,01% приводит к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания топлива: оксида углерода на 20-85%; несгоревших углеводородов на 15-80%; оксидов азота на 15-55%; дымности на 40-90%; бенз(а)пирена на 15-70%. 5 табл., 1 ил.

Применение композиционной смеси для очистки рабочих поверхностей камеры сгорания и газовыхлопного тракта двигателей внутреннего сгорания от нагаров, содержащей 0,1 - 1,0% ацетилацетоната металла и до 100% присадки на основе тетраэтоксисилана с примесью продуктов его гидролиза - димера, тримера и тетрамера в качестве экологической присадки к топливу.