ПРИСАДКА ДЛЯ БЕНЗИНОВ И ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ И СОДЕРЖАЩАЯ ЕЕ ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2006 года по МПК C10L1/18 C10L1/30 

Предлагаемое изобретение относится к производству и потреблению бензинов и дизельных топлив, присадок и добавок к ним и топливных композиций на их основе, используемых в двигателях внутреннего сгорания, и может быть использовано производителями и потребителями этих топлив, в частности, в связи с необходимостью улучшения эксплуатационных свойств бензинов и дизельных топлив и решения экологических проблем.

Известен ряд твердых и жидких присадок и добавок, способных смешиваться с моторным топливом, в состав которых входят металлоорганические соединения, обладающие в большей или меньшей степени выраженными каталитическими свойствами. Эти присадки и добавки обеспечивают повышение эффективности сгорания топлива и уменьшение выбросов вредных веществ с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания.

Известна многофункциональная присадка к бензину «Экстравит-Ф» [пат. РФ №2064965, опубл. 10.08.96], предназначенная для использования в двигателях внутреннего сгорания и улучшения процесса сгорания бензина и детонационной работы двигателя, обеспечивающая, в частности, снижение содержания СО в выхлопных газах. Присадка содержит 1-3% раствор ферроцена в дихлорэтане. Недостатком известной присадки является ее недостаточно высокая эффективность в отношении снижения токсичности выхлопных газов. Кроме того, ферроцен, входящий в ее состав, приводит к образованию токопроводящего нагара на свечах зажигания, который препятствует нормальному искрообразованию, приводя в итоге к пропуску зажигания, снижает ресурс свечей. Входящий в ее состав дихлорэтан является ядовитым веществом и представляет опасность для здоровья человека как при приготовлении раствора, включающем нагревание и фильтрацию, так и при выхлопе (при разложении дихлорэтана образуется свободный хлор).

Известна добавка к топливу для двигателей внутреннего сгорания [пат. США №4892562, опубл. 9.01.90], включающая растворимые в топливе металлоорганические соединения металлов платиновой группы, находящиеся в растворителе, способном смешиваться с топливом. В качестве растворителя используют октил нитрат, этанол, тетрагидрофуран, метил бутиловый эфир или их смесь. Добавка вводится в количестве, обеспечивающем содержание металла в топливе от 0,01 до 1,0 ppm, и способствует увеличению используемой энергии моторного топлива и уменьшению содержания вредных соединений в выхлопе двигателя. Недостатком известной добавки является высокая стоимость входящих в ее состав соединений, получение которых является технологически сложным, требующим использования продвинутых технологий, и ограниченность ресурсов металлов группы платины. Кроме того, известная добавка не обеспечивает повышение эффективности сгорания бензиновых топлив.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению является присадка, улучшающая экологические свойства бензинов и дизельных топлив, содержащая никелевые соли синтетических жирных кислот общей формулы (C_nH_2n+1COO)₂Ni, где n=10-16 [пат. РФ №2082751, опубл. 27.06.97], и включающая ее топливная композиция, описанная в этом же патенте.

Топливная композиция, включающая известную присадку в количестве 0,5-1,0 мг на 1 кг бензина и 1,0-2,0 мг на 1 кг дизельного топлива, снижает содержание окислов азота, углеводородов и фенолов в выхлопных газах карбюраторных двигателей и окислов азота, углеводородов, фенолов и сажи в выхлопных газах дизельных двигателей.

Недостатком известной присадки для бензинов и дизельных топлив и содержащей ее топливной композиции является недостаточное снижение токсичности и дымности выхлопных газов вследствие того, что известная присадка, входящая в состав топлива, не обеспечивает в достаточной мере полного и равномерного по всему объему рабочего цилиндра двигателя сгорания топлива.

Задачей предлагаемого изобретения является создание присадки для бензинов и дизельных топлив и включающей ее топливной композиции на основе моторного топлива, обеспечивающих расширение ассортимента бензинов и дизельных топлив с улучшенными эксплуатационными свойствами и позволяющих уменьшить токсичность и дымность выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания за счет более равномерного и полного сгорания топлива по всему объему рабочего цилиндра двигателя.

Поставленная задача решается присадкой для бензинов и дизельных топлив, содержащей никелевые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода от 3 до 9 и дополнительно содержащей цинковые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода от 3 до 9 при массовом соотношении Ni:Zn от 1:1,5 до 1:5 в пересчете на металл.

Поставленная задача также решается также топливной композицией на основе автомобильного топлива, преимущественно бензина или дизельного топлива, содержащей присадку, включающую никелевые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода от 3 до 9 и цинковые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода от 3 до 9 при массовом соотношении Ni:Zn от 1:1,5 до 1:5 в пересчете на металл, взятую в количестве, обеспечивающем концентрацию Ni не менее 0,5-1,0 мг и Zn не 1,5-2,5 мг на 1 литр базового топлива.

Никелевые и цинковые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода n=3-9 представляют собой твердые вещества, хорошо растворимые автомобильном топливе (бензин, дизельное топливо), а также в органических растворителях, способных смешиваться с топливом.

Заявляемую присадку получают путем простого смешения одной или нескольких никелевых солей монокарбоновых кислот и одной или нескольких цинковых солей монокарбоновых кислот, в том числе смешанных по аниону, в количестве, обеспечивающем заявляемое соотношение между Ni и Zn. При этом могут быть использованы как готовые коммерческие соли, так и соли, полученные по известным стандартным методикам непосредственно перед использованием.

Топливную композицию получают путем внесения расчетных количеств никелевых и цинковых солей в базовое топливо, что может быть осуществлено несколькими путями.

В одном из способов осуществления изобретения в базовое топливо вносят соответствующее количество предварительно полученной заявляемой присадки, обеспечивающее заявляемое содержание в композиции Ni и Zn в пересчете на металл.

В другом способе осуществления изобретения для приготовления композиции расчетные количества никелевых и цинковых солей поочередно растворяют в топливе при перемешивании.

Для обеспечения равномерного распределения присадки в топливной композиции возможно также ее введение в базовое топливо в виде раствора в одном из органических растворителей, способных смешиваться с топливом, например в этоксиэтаноле, N-бутаноле, бензоле и т.п.

Еще одним из возможных способов осуществления изобретения является использование для получения заявляемой топливной композиции двух раздельных растворов: одного, содержащего расчетное количество никелевых солей монокарбоновых кислот, и другого, содержащего расчетное количество цинковых солей монокарбоновых кислот, в способных смешиваться с топливом органических растворителях.

Для получения топливной композиции в небольших объемах, например, непосредственно в топливном баке автомобиля, ввиду незначительного количества присадки в составе топливной композиции, целесообразным является использование растворов присадки либо растворов расчетных количеств входящих в ее состав никелевых и цинковых солей монокарбоновых кислот в органическом растворителе, способном смешиваться с топливом.

При использовании заявляемой топливной композиции никелевые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода от 3 до 9, входящие в состав заявляемой присадки, при температуре воспламенения топлива разлагаются, преимущественно образуя атомарный никель, обладающий каталитическими свойствами. При этом атомы никеля равномерно распределяются по всему рабочему объему цилиндра в виде атомарного «тумана», не оседая на его стенках и днище поршня.

Металлический Ni обладает высоким сродством к СО, а также является широко используемым катализатором гидрирования. Молекулы СО и Н₂, вступающие во временный контакт с атомарным «туманом» металлического Ni, на какое-то время обездвиживаются, что облегчает их дальнейшее взаимодействие с кислородом, т.е в этом случае процесс сгорания идет быстрее и полнее. Углеводороды топлива при этом более равномерно сгорают по всему объему рабочего цилиндра.

Молекулы цинковых солей монокарбоновых кислот с числом атомов углерода от 3 до 9 в составе заявляемой присадки разлагаются при температуре воспламенения рабочей смеси с преимущественным образованием атомарного цинка, обладающего способностью при температуре «холодного пламени» (500°С) давать импульс к возгоранию окружающим его молекулам, что способствует объемному возгоранию топлива и обеспечивает его равномерное сгорание во всем рабочем объеме.

Кроме того, присутствие указанных цинковых солей монокарбоновых кислот в дизельном топливе обеспечивает снижение температуры самовоспламенения рабочей смеси, что приводит к сокращению периода задержки воспламенения рабочей смеси.

Преимущественное использование никелевых и цинковых солей уксусной, и/или триметилуксусной, и/или фенилуксусной, и/или валериановой, и/или масляной, и/или пропионовой, и/или капроновой, и/или каприловой, и/или пеларгоновой кислот обеспечивает оптимальное достижение поставленной задачи, поскольку разложение этих солей при температуре воспламенения рабочей смеси приводит к образованию максимального количества свободных металлов, обеспечивающего наиболее эффективное «дожигание» топлива.

При использовании заявляемой присадки в составе топливной композиции, несмотря на образование дополнительной энергии за счет более полного сгорания топлива, наблюдается снижение температуры выхлопных газов, что свидетельствует о том, что эта дополнительная энергия преобразуется в полезную работу, а не в теплоту, увеличивая тем самым коэффициент полезного действия двигателя.

Кроме того, проведенные испытания влияния заявляемой топливной композиции, содержащей заявляемую топливную присадку, при использовании различных видов топлива показали увеличение крутящего момента двигателя в среднем на 15-20%, а также экономию топлива на 5-8%, что свидетельствует о повышении мощности двигателя и его кпд.

Таким образом, заявляемые присадка и топливная композиция способствуют оптимизации процесса горения топливной смеси, обеспечивая равномерность этого процесса во всем объеме и полноту сгорания, в результате чего снижается токсичность и дымность выхлопных газов, а также увеличивается коэффициент полезного действия двигателя и его мощность.

Примеры конкретного осуществления изобретения

Пример 1

Для получения присадки 0,88 г никелевой соли пропионовой кислоты (С₃Н₅O₂)₂Ni и 1,11 г никелевой соли триметилуксусной кислоты (C₅H₉O₂)₂Ni смешали с 1,82 г цинковой соли масляной кислоты (C₄H₇O₂)₂Zn и 2,04 г цинковой соли триметилуксусной кислоты (C₅H₉O₂)₂Zn.

Все количество полученной присадки растворили в 500 л бензина марки АИ-92. В 1 литре полученной топливной композиции содержится 1 мг Ni и 2 мг Zn в составе монокарбоновых солей в пересчете на металл.

Пример 2

Для получения присадки смешали 23,88 г смешанной никелевой соли пропионовой и триметилуксусной кислоты и 46,32 г смешанной цинковой соли масляной и триметилуксусной кислоты.

Все количество полученной присадки растворили в 1000 мл моноэтилового эфира этиленгликоля (этилцеллозольва). Весь полученный раствор, содержащий 3000 мг Ni и 6000 мг Zn в пересчете на металл, вносят в емкость с 6000 л бензина марки А-92 (бензовоз). В 1 литре полученной топливной композиции содержится 1 мг Ni и 2 мг Zn в составе монокарбоновых солей в пересчете на металл.

Пример 3

Раствор А. 3,98 г смешанной никелевой соли пропионовой кислоты и триметилуксусной кислоты растворили в 1000 мл бензола, содержащего 8% диметилформамида. Полученный раствор содержит 1 мг/мл Ni в пересчете на металл.

Раствор В. 3,86 г смешанной цинковой соли масляной кислоты и триметилуксусной кислоты растворили в 1000 мл растворителя, содержащего 2 части этоксиэтанола и 1 часть н-бутилового спирта. Полученный раствор содержит 1 мг/мл Zn в пересчете на металл.

В емкость, содержащую 40 л дизтоплива, а именно в бензобак автомобиля, добавили 20 мл раствора А и 100 мл раствора В.

В 1 литре полученной топливной композиции содержится 0,5 мг Ni и 2,5 мг Zn в составе монокарбоновых солей в пересчете на металл.

Пример 4.

Для получения присадки смешали 2,99 г смешанной никелевой соли пеларгоновой кислоты (С₉Н₁₇О₂)₂Ni и фенилуксусной кислоты (C₈H₇O₂)₂Ni с 10,56 г смешанной цинковой соли фенилуксусной кислоты (C₈H₇O₂)₂Zn и каприловой кислоты (C₈H₁₅O₂)₂Zn.

Для получения топливной композиции все количество полученной присадки растворяют в 1000 мл моноэтилового эфира этиленгликоля. Весь полученный раствор, содержащий 500 мг Ni и 2000 мг Zn в пересчете на металл, вносят в емкость с 1000 л бензина АИ-80. Полученная топливная композиция содержит 0,5 мг Ni и 2,0 мг Zn на 1 л топлива в пересчете на металл.

Пример 5.

Раствор А. Для получения раствора смешали 1,58 г никелевой соли пеларгоновой кислоты и 1,41 г никелевой соли фенилуксусной кислоты. Все количество полученной смеси растворили в 500 мл бензола, содержащего 8% диметилформамида. Полученный раствор содержит 1 мг/мл Ni в пересчете на металл.

Раствор В. Для получения раствора смешали 1,29 г цинковой соли фенилуксусной кислоты и 1,35 цинковой соли каприловой кислоты. Все количество полученной смеси растворили в 500 мл растворителя, содержащего 2 части этоксиэтанола и 1 часть н-бутилового спирта. Полученный раствор содержит 1 мг/мл Zn в пересчете на металл.

В емкость, содержащую 40 л бензина АИ-95, а именно в бензобак автомобиля, вносят 40 мл раствора А и 60 мл раствора В.

Полученная топливная композиция содержит в 1 литре 1,0 мг Ni и 1,5 мг Zn в пересчете на металл.

Топливные композиции согласно примерам 1-5 были испытаны на обкаточном стенде марки КС276-04 (для легковых автомобилей) на следующих двигателях отечественного и японского производства: бензин АИ-80 - двигатель ЗМЗ-4025.10, объем 2,5 л; бензин АИ-92 - двигатель 3AU, объем 1,5 л; бензин АИ-95 - двигатель 4S-FE, объем 1,8 л; дизтопливо Л 0,2-40 - двигатель 2LT, объем 2,4 л, устанавливаемых на стенд без каталитических нейтрализаторов.

Одновременно были проведены испытания топливной композиции на основе неэтилированного бензина АИ-92, содержащей известную присадку (прототип) - 1,0 мг никелевой соли каприловой кислоты (C₇H₁₅COO)₂Ni на 1 кг бензина (пример 6), и топливной композиции, содержащей 3,0 мг этой же присадки на 1 кг дизельного топлива Л 0,2-40 (пример 7).

Были определены показатели выхлопа, регулируемые ГОСТом Р52033-2003 (введен с 01.01.04).

При испытании были использованы стандартные приборы контроля, выпускаемые нашей промышленностью:

для бензиновых двигателей:

- газоанализатор «Инфракар М 1.02», выпуск 2004 г. Диапазон измерений СО - 0-7%; СН - 0-3000 ppm (миллионные доли объема, связанные с процентным содержанием приближенной зависимостью 10000 ppm=1%); СО - 0-16%; O₂ - 0-21%; коэффициент избыточности воздуха λ - 0...2 (относительная величина);

для дизельных двигателей:

- газоанализатор ГИАМ-27-02, выпуск 2002 г. Диапазон измерений СО - 0-0,5%; CH - 0-5000 ppm;

- дымометр ДО-1, выпуск 2002 г. Дымность 0-100%.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Результаты испытаний показали отсутствие эффекта от использования известной присадки (прототип) по замеряемым показателям выхлопа, в то время как заявляемая присадка в составе топливной композиции обеспечивает снижение токсичных выбросов бензиновых и дизельных двигателей в 5-16 раз по СО, в 3-4 раза по СН и по дымности выхлопа дизельных двигателей более чем на 50%.

Таким образом, технический результат заявляемого технического решения заключается в уменьшении токсичности и дымности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания за счет более равномерного и полного сгорания топлива по всему объему рабочего цилиндра двигателя, что обеспечивает расширение топливной базы и ассортимента автомобильных топлив с улучшенными эксплуатационными свойствами, в том числе экологическими характеристиками. Кроме того, заявляемое техническое решение дополнительно обеспечивает повышение коэффициента полезного действия и мощности двигателя внутреннего сгорания.

Таблица
Содержание токсичных веществ в выхлопе и дымностьВид топливаСодержание токсичных веществДымность выхлопа,
%СО, %CH, ppmСО₂, %Бензин АИ-921,880013,8-Топливная композиция по примеру 10,32504,0-Топливная композиция по примеру 20,32504,0-Дизтопливо Л 0,2-400,45620-52Топливная композиция по примеру 30,1250-21Бензин АИ-803,095013,0-Топливная композиция по примеру 40,1835013,2-Бензин АИ-951,565014,0-Топливная композиция по примеру 50,215014,3-Топливная композиция по примеру 6 (прототип)1,880013,8-Топливная композиция по примеру 7 (прототип)0,45600-52

Изобретение относится к производству и потреблению бензинов и дизельных топлив, присадок и добавок к ним и топливным композициям, содержащих их смесь. Присадка содержит смесь никелевых и цинковых солей монокарбоновых кислот с числом атомов углерода в молекуле С₃-С₉ при массовом соотношении Ni:Zn от 1:1,5 до 1:5 в пересчете на металл. Описана также топливная композиция на основе автомобильного топлива, содержащая эту присадку, взятую в количестве, обеспечивающем концентрацию Ni 0,5-2,0 мг и Zn 1,5-2,5 мг на 1 л базового топлива. Изобретение направлено на расширение ассортимента бензинов и дизельных топлив с улучшенными потребительскими свойствами и увеличение равномерности и полноты сгорания топлива по всему объему рабочего цилиндра двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Присадка для бензинов и дизельных топлив, содержащая никелевые соли монокарбоновых кислот, отличающаяся тем, что в качестве никелевых солей монокарбоновых кислот она содержит соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода в молекуле С₃-С₉ и дополнительно содержит цинковые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода в молекуле С₃-С₉ при массовом соотношении Ni:Zn от 1:1,5 до 1:5 в пересчете на металл.2. Присадка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве никелевых и цинковых солей монокарбоновых кислот она содержит никелевые и цинковые соли уксусной, и/или триметилуксусной, и/или фенилуксусной, и/или валериановой, и/или масляной, и/или пропионовой, и/или капроновой, и/или каприловой, и/или пеларгоновой кислот.3. Топливная композиция, содержащая автомобильное топливо, преимущественно бензин или дизельное топливо, и присадку, отличающаяся тем, что в качестве присадки она содержит никелевые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода в молекуле С₃-С₉ и цинковые соли монокарбоновых кислот с числом атомов углерода в молекуле С₃-С₉ при массовом соотношении Ni:Zn в составе солей от 1:1,5 до 1:5 в пересчете на металл, взятые в количествах, обеспечивающих концентрацию Ni 0,5-1,0 мг и Zn 1,5-2,5 мг на 1 л автомобильного топлива.4. Топливная композиция по п.3, отличающаяся тем, что в качестве никелевых и цинковых солей монокарбоновых кислот она содержит никелевые и цинковые соли уксусной, и/или триметилуксусной, и/или фенилуксусной, и/или валериановой, и/или масляной, и/или пропионовой, и/или капроновой, и/или каприловой, и/или пеларгоновой кислот.