СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМ СЖИГАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2007 года по МПК C10L1/18 F02M27/02 F02B51/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к использованию присадки к топливу для защиты систем сжигания дизельного топлива и улучшения их работы. Присадка содержит одно или более соединений марганца. Присадка может быть введена в камеру сгорания как часть топлива. Присадка улучшает работу систем сжигания дизельного топлива благодаря, например, повышению износоустойчивости двигателя, срока службы смазочных материалов и экономии топлива.

Описание предшествующего уровня техники

Хорошо известно в автомобильной промышленности или в любой отрасли промышленности, где используется углеводородное топливо, стремление уменьшить объем и количество газов, выделяемых при сгорании топлива, используя для этого различные стратегии. Например, наиболее общепринятым способом уменьшения образующихся при сгорании топлива отходящих газов из двигателей со свечами зажигания является тщательное управление содержанием топливовоздушной смеси и временем ее зажигания. Задержка времени зажигания при наиболее эффективном соотношении между топливом и воздухом в смеси уменьшает выброс углеводородов и окислов азота в атмосферу, а избыточная задержка времени зажигания повышает выход окиси углерода и углеводородов. Увеличение скорости двигателя уменьшает выход углеводородов, но объем образующихся окислов азота увеличивается с повышением нагрузки. Повышение температуры охлаждающего средства уменьшает выделение углеводородов, но приводит к увеличению выхода окислов азота.

Дизельные системы выдвигают целый ряд проблем, связанных с управлением отходящими газами. Стратегии уменьшения дисперсных и газообразных углеводородных выбросов включают в себя оптимизацию инжекции топлива и движения воздуха, эффективное распыление топлива при различных нагрузках, управление временем инжекции топлива, минимизацию паразитных потерь в камерах сгорания, малый объем камеры или сопел в крышке клапана для прямой инжекции, уменьшение подачи смазывающего масла и быстрый подогрев двигателя.

Были созданы новые системы сжигания дизельного топлива с целью улучшения их различных рабочих характеристик и были использованы некоторые новые технологии, которые могут содержать одну или более технологий из числа таких, как усовершенствованные турбонагнетатели, устройства для инжекции топлива, электронное управление двигателем, покрытия с низким коэффициентом трения на поверхностях двигателя и устройства для рециркуляции отходящих газов. Многие из этих устройств и систем в свою очередь приводят к новым требованиям к работе двигателя и к поиску компромиссов между этими требованиями. Например, использование систем для рециркуляция отходящих газов приводит к увеличению количества побочных продуктов сгорания топлива, что означает увеличение содержания сажи в маслах, применяемых в двигателях. Другими словами, компромисс при использовании систем рециркуляции отходящих газов может заключаться в том, что в смазочных маслах для дизельных двигателей можно ожидать более высокого содержания сажи. Другие типы технологий также приводят к сравнительно высокому содержанию сажи в смазочных маслах дизельных двигателей.

Подробное описание

Присадки, используемые в описываемых здесь способах, являются неорганическими или металлоорганическими соединениями, содержащими марганец и растворимыми в топливах. Это топливо затем сжигается в системе сжигания дизельного топлива с образованием побочных продуктов сгорания, включающих в себя и соединение марганца.

Способ улучшения работы системы сжигания дизельного топлива заключается в подаче дизельного топлива, содержащего присадку в виде соединения с марганцем, в камеру сгорания дизельного топлива; сжигании топлива в камере сгорания с образованием по меньшей мере одного побочного продукта сгорания, содержащего соединение с марганцем, которое добавляется в количестве, позволяющем создавать комплексное соединение с по меньшей мере одним побочным продуктом сгорания топлива, при этом система сжигания дизельного топлива содержит смазочное масло с по меньшей мере 3 мас.% сажи, и ее рабочие характеристики улучшаются.

К системам сгорания на дизельном топливе, работа которых улучшается при использовании настоящего изобретения, относятся все двигатели сгорания, работающие на дизельном топливе. Под системами сжигания здесь понимаются любые и все для внутреннего и внешнего сжигания устройства, машины, двигатели, турбины, котлы, установки для сжигания, горелки для выпаривания, стационарные камеры сгорания и тому подобное, которые могут сжигать и в которых может сжигаться дизельное топливо. В одном примере система сжигания дизельного топлива требует использования машинного масла, состав которого позволяет иметь в нем по меньшей мере 3 мас.% сажи. (Состав масел для двигателей с высокой нагрузкой, соответствующий стандарту API CH-4, должен предотвращать износ двигателя при содержании сажи по меньшей мере 3 мас.%). В другом примере состав машинного масла должен обеспечить содержание в нем сажу по меньшей мере около 5 мас.%.

Системы сжигания дизельного топлива создаются с использованием одного или более новых компонентов, что может привести к увеличению уровней содержания сажи в смазочных маслах для двигателей. Эти новые компоненты могут также потребовать увеличения износостойкости двигателей и повышения рабочих характеристик смазочных масел. Такие компоненты для систем сжигания дизельного топлива включают в себя (но не ограничиваются только ими): системы рециркуляции отходящих газов (горячих или охлажденных), турбонагнетатели с изменяемой спиралью/турбонагнетатели с изменяемой геометрией, устройства инжекции топлива с общей рейкой, блочные инжекторы с гидравлическим приводом и электронным управлением, системы для турбонагнетания воздуха после охлаждения, устройства для повышения среднего давления инжектируемого топлива и скорости инжекции топлива, электронные системы управления подачей воздуха и топлива в камеру сгорания двигателя и удаления продуктов сгорания, устройства с изменяемым приводом для клапанов, однородные системы сжатия и зажигания инжектируемого топлива и покрытия с низким коэффициентом трения (например, на основе углерода и из политетрафторэтилена) на поверхностях двигателя.

Каждый из этих новых компонентов для систем сжигания дизельного топлива особо способствует повышению эффективности и рабочих характеристик всей системы. Среди нескольких компромиссов, вызванных их использованием, можно назвать повышение содержания сажи в смазочных маслах двигателей и улучшение рабочих характеристик масел для повышения износостойкости двигателя (новая технология для уменьшения износа двигателя).

Под "дизельным топливом" здесь понимается одно или более топлив, выбранных из группы, состоящей из дизельного топлива, биодизельного топлива, биодизельпроизводного топлива, синтетического дизельного топлива, дизельного топлива, обработанного окислителями для контроля за дисперсными составляющими и их смеси, а также другие продукты, соответствующие определениям стандарта ASTM D975. В одном примере содержание серы в дизельном топливе должно быть меньше 100 ppm (частиц на миллион), а в другом примере содержание серы должно быть меньше 30 ppm.

Металлом, упоминаемым здесь, является элементарный марганец и ион марганца, расходуемые материалы с этим элементом и смеси соединений, содержащих марганец. Такие соединения, содержащие марганец, могут быть неорганическими или органическими. Также экономически эффективно получать, выделять или производить марганец или ионы марганца на месте их использования.

Неорганическими соединениями, содержащими марганец, в этом изобретении могут являться без ограничения, например, фториды, хлориды, бромиды, иодиды, оксиды, нитраты, сульфаты, фосфаты, нитриды, гидриды, гидроокиси, карбонаты и их смеси. Сульфаты и фосфаты марганца могут используются оперативно и в некоторых топливах и установках для их сжигания могут не допустить в побочных продуктах сгорания дополнительного присутствия серы и фосфора. Металлоорганические соединения содержат соединения марганца со спиртами, альдегидами, кетонами, сложными эфирами, ангидридами, сульфонатами, фосфонатами, хелатами, фенолятами, простыми эфирами, нафтанатами, карбоксиловыми кислотами, амидами, ацетилацетонатами и с их смесями как частью лигандовых систем.

В одном примере металлоорганическими соединениями, содержащими марганец, являются соединения типа трикарбонила марганца. Такие соединения предлагаются в патентах США №№ 4568357, 4674447, 5113803, 5599357, 5944858 и в европейском патенте № 466512B1

Подходящими соединениями типа трикарбонила марганца, которые могут быть использованы, являются циклопентадиенил трикарбонил марганца, метилциклопентадиенил трикарбонил марганца, диметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, триметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, тетраметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, пентаметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, этилциклопентадиенил трикарбонил марганца, диэтилциклопентадиенил трикарбонил марганца, пропилциклопентадиенил трикарбонил марганца, изопропилциклопентадиенил трикарбонил марганца, терт-бутилциклопентадиенил трикарбонил марганца, октилциклопентадиенил трикарбонил марганца, додециклопентадиенил трикарбонил марганца, этилметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, инденил трикарбонил марганца и т.п., включая смеси двух или более таких соединений. В одном примере приведены циклопентадиенилы трикарбонилы марганца, которые являются жидкостями при комнатной температуре, такие как метилциклопентадиенил трикарбонил марганца, этилциклопентадиенил трикарбонил марганца, жидкие смеси циклопентадиенила трикарбонила марганца и метилциклопентадиенила трикарбонила марганца, смеси метилциклопентадиенила трикарбонила марганца и этилциклопентадиенила трикарбонила марганца и т.д.

Приготовление таких соединений описано в литературе, например, в патенте США № 2818417, данные о котором здесь полностью указаны.

Когда составляют присадки для использования в способах и системах настоящего изобретения, соединения, содержащие марганец, применяются в количествах, достаточных для улучшения работы систем сжигания дизельного топлива, подобных здесь описанным. Количество или концентрация присадки может быть выбрана на основе конкретных компонентов, введенных в определенную систему для сжигания, и на основе того, как эти компоненты влияют, например, на количество сажи, появляющейся в смазочном масле, используемом для работы системы сжигания топлива. Количество или концентрация присадки может также выбираться на основании концентрации серы в дизельном топливе. Примерные скорости обработки соединения марганца могут превышать 100 мг/л, быть до 50 мг/л, и в одном примере быть от 5 до 30 мг/л.

Раскрытая здесь сажа приводит к уменьшению общей массы образовавшейся сажи. Однако, кроме того, эта присадка повышает качество частиц сажи по меньшей мере в отношении их воздействия на смазочные масла дизельного двигателя. Присадки, содержащие марганец, уменьшают величину отношения между элементарным углеродом (ЭУ) и растворимой органической фракцией (РОФ). Это отношение ЭУ к РОФ, как полагают, влияет на твердость частиц сажи и тем самым на прочность пленки. Уменьшение отношения ЭУ к РОФ, по-видимому, повышает качество смазки, содержащей сажу. Влияние свойств сажи на образование пленок на границе раздела и тем самым на способность смазки, содержащей сажу, предотвращать износ, было описано в SAE 2002-01-2793 (Devlin et al, " Film formation Properties of Polymers in the Presence of Abrasive Contaminants"). В этой статье износ дизельных двигателей, работающих с высокими нагрузками, скоррелирован с образованием пленок на границе раздела, присутствие которых определяются с помощью высокочастотной взаимодействующей установки (ВЧВУ).

Описанная здесь присадка повышает качество частиц сажи, как показывает измерение толщины пленки на границе раздела в первом сравнительном исследовании. С помощью ВЧВУ были испытаны смазочные масла, содержащие различные количества сажи, образовавшейся при использовании присадки, содержащей марганец, и без этой присадки. Скорость обработки присадки, содержащей марганец, в этих испытаниях была 10 мг-Mn/литр. Были получены следующие результаты:

Таблица 1.
Влияние сажи в пленке на границе раздела на свойство смазок (1)Смазка+3% сажи, образовавшейся из топлива без ММТ+3% сажи, образовавшейся из топлива с ММТ+6% сажи, образовавшейся из топлива без ММТ+6% сажи,
образовавшейся из топлива
с ММТБазовое группы II масло+ZDDP41
+/-1569
+/-83
+/-233
+/-3Базовое группы II масло+ функциональный олефиновый сополимер с низким молекулярным весом (2)37
+/-571
+/-221
+/-555
+/-4Базовое группы II масло + функциональный олефиновый сополимер с высоким молекулярным весом (3)42
+/-475
+/-437
+/-379
+/-5

1. Эти жидкости были исследованы в связи с тем, что присадки в них были выбраны такие, которые образуют пленки на границе раздела (см. 2003-01-2793). Чем выше результат испытаний, тем лучше способность жидкости образовать пленку на границе раздела в присутствии сажи.

2. См. патент США № 5075383.

3. См. патент США № 6107257.

Во втором сравнительном испытании смазочные масла, содержащие равные количества сажи, но при различных скоростях обработки присадки, содержащей марганец, были испытаны посредством ВЧВУ. Содержание золы в тестовых образцах было 6 мас.%.

Таблица 2.
Влияние сажи, образованной топливами, содержащими различные количества Mn, на свойства смазок в образованной пленке на границе раздела (1)Смазка+6% сажи, образовавшейся из топлива без ММТ+6% сажи, образовавшейся из топлива, содержащего 3 мг-Mn/л +6% сажи, образовавшейся из топлива, содержащего 10 мг-Mn/л+6% сажи, образовавшейся из топлива, содержащего 20 мг-Mn/лБазовое группы II масло+ ZDDP4
+/-239
+/-239
+/-542
+/-10Базовое группы II масло+ функциональный олефиновый сополимер с низким молекулярным весом (2)30
+/-162
+/-860
+/-268
+/-1Базовое группы II масло + функциональный олефиновый сополимер с низким молекулярным весом (3)12
+/-471
+/-359
+/-368
+/-1

1. Эти жидкости исследовались в связи с тем, что присадки в них были выбраны такие, которые образуют пленки на границе раздела (см. 2003-01-2793). Чем выше результат испытаний, тем лучше способность жидкости образовать пленку на границе раздела в присутствии сажи.

2. См. патент США № 5075383.

3. См. патент США № 6107257.

Как можно видеть из таблиц, толщина пленки увеличивалась в каждом случае, когда использовалась присадка ММТ. Поэтому работа двигателей на дизельном топливе с присадкой улучшается при меньшем расходе топлива, более низком трении (повышается износостойкость) и при повышении срока службы смазочных масел (удлиняется промежуток времени между заменами масла).

Термин "комплекс" или "комплексообразование" используется здесь для описания комбинации или реакции соединения, содержащего марганец, с побочными продуктами сгорания топлива, такими как токсичные вещества, сажа и другие дисперсные вещества. Комбинация содержит ковалентные или ионные реакции или другую связь соединения металла с побочным продуктом сгорания топлива. Термин "побочный продукт сгорания" также обозначает, но не только, дисперсные вещества, сажу, несгоревшую сажу, несгоревшие углеводороды, частично сгоревшие углеводороды, сгоревшие углеводороды, окислы азота и серы, и любые другие газы, пары, частицы или соединения, которые образуются при сгорании топлива.

Также дается ссылка на термин "улучшенная" в контексте работы систем сжигания дизельного топлива. Термин "улучшенная" означает улучшение в работе системы сжигания дизельного топлива по отношению к работе аналогичной системы, в которой не сжигается топливо с соединением марганца. Улучшенная работа включает в себя, но не ограничивается только увеличением срока службы смазочных масел для дизельного двигателя и уменьшением износа двигателя и расхода топлива.

Следует учитывать, что реактивы и компоненты, упомянутые в описании или в формуле изобретения, своими химическими названиями в единственном или множественном числе идентифицированы как существующие до вступления в контакт с другим веществом, обозначенным своим химическим названием или химическим типом (например, базовое топливо, растворитель и т.д.). Важно не то, какие химические изменения, превращения и/или реакции происходят в полученной смеси, растворе или в реакционной среде, а то, что эти изменения, превращения и/или реакции являются естественным результатом сведения вместе заданных реактивов и/или компонентов в условиях, которые раскрыты в описании. Таким образом, реактивы и компоненты идентифицированы в качестве ингредиентов, соединяемых между собой или для проведения заданной химической реакции (например, для получения металлоорганического соединения) или для образования заданной композиции (например, присадочного концентрата или смеси топлива с присадкой). Также считается, что присадочные компоненты могут быть добавлены к базовым топливам или подмешаны к ним по отдельности и/или в качестве компонентов, они могут быть использованы при получении заранее приготовленных присадочных комбинаций и/или субкомбинаций. Поэтому даже если формула изобретения может называть вещества, компоненты и/или ингредиенты в настоящем времени ("содержит", "является" и т.д.), но это вещество, компонент или ингредиент называется так, как он назывался непосредственно перед тем, как впервые его смешали с одним или более других веществ, компонентов и/или ингредиентов в соответствии с настоящим описанием. Тот факт, что вещество, компонент или ингредиент мог утратить свое исходное состояние из-за химической реакции или превращения в результате операций смешения или непосредственно после этого, таким образом не имеет никакого значения для точного понимания и оценки этого описания и формулы изобретения.

Во многих местах описания даются ссылки на целый ряд патентов США, на опубликованные иностранные заявки об изобретениях и на опубликованные технические статьи. Все такие указанные документы введены в это описание.

Данное изобретение на практике может быть существенно изменено. Поэтому предшествующее описание не предназначено для ограничения и не должно пониматься как ограничивающее изобретение конкретными примерами, приведенными выше. То, что подлежит охвату, изложено в пунктах формулы изобретения, и их эквиваленты разрешены законом.

Настоящее изобретение относится к использованию присадки к топливу для защиты систем сжигания дизельных двигателей и улучшения их работы. Способ заключается в улучшении, по меньшей мере, одного из следующих показателей в системе сжигания дизельного топлива: износоустойчивости двигателя, экономии топлива и образования пленки на границе смазочного масла с двигателем. Способ включает подачу дизельного топлива, содержащего присадку с соединением марганца, в камеру сгорания дизельного топлива в системе сжигания дизельного топлива, сжигание топлива в камере сгорания с получением, по меньшей мере одного побочного продукта, содержащего соединение с марганцем, подачу соединения, содержащего марганец, в количестве, достаточном для образования комплексного соединения по меньшей мере с одним побочным продуктом сгорания, причем соединение, содержащее марганец, включает в себя приблизительно от 5 до 30 мг марганца/л топлива. При этом машинное масло содержит, по меньшей мере, 3% мас. сажи. Система сжигания дизельного топлива состоит из одного или более компонентов: системы рециркуляции отходящих газов, горячих или охлажденных, турбонагнетателей с изменяемой спиралью или турбонагнетателей изменяемой геометрии, системы инжекции топлива с общей рейкой, электронно-управляемые блочные инжекторы с гидравлическим приводом, турбонагнетаемые и постохлаждаемые топливовоздушные системы, системы с повышенным средним давлением при инжекции топлива и с повышенной скоростью инжекции, системы электронного управления топливовоздушной смесью, топливом и отходящими побочными продуктами в двигателе, системы с изменяемым приводом клапанов, системы с однородным сжатием при зажигании, и покрытия с низким коэффициентом трения на поверхностях двигателя. Работа системы сжигания дизельного топлива улучшается благодаря повышению качества смазочного масла, содержащего частицы сажи в качестве побочного продукта от сгорания топлива. 11 з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ улучшения, по меньшей мере, одного из следующих показателей в системе сжигания дизельного топлива: износоустойчивости двигателя, экономии топлива и образования пленки на границе смазочного масла с двигателем, содержащий подачу дизельного топлива, содержащего присадку с соединением марганца, в камеру сгорания дизельного топлива в системе сжигания дизельного топлива, сжигание топлива в камере сгорания с получением, по меньшей мере одного побочного продукта, содержащего соединение с марганцем; причем соединение, содержащее марганец, включает в себя приблизительно от 5 до 30 мг марганца/л топлива, в котором машинное масло содержит, по меньшей мере, 3 мас.% сажи, при этом система сжигания дизельного топлива состоит из одного или более компонентов: системы рециркуляции отходящих газов, горячих или охлажденных, турбонагнетателей с изменяемой спиралью или турбонагнетателей изменяемой геометрии, системы инжекции топлива с общей рейкой, электронно-управляемые блочные инжекторы с гидравлическим приводом, турбонагнетаемые и постохлаждаемые топливовоздушные системы, системы с повышенным средним давлением при инжекции топлива и с повышенной скоростью инжекции, системы электронного управления топливовоздушной смесью, топливом и отходящими побочными продуктами в двигателе, системы с изменяемым приводом клапанов, системы с однородным сжатием при зажигании и покрытия с низким коэффициентом трения на поверхностях двигателя, что способствует улучшению работы системы сжигания дизельного топлива.2. Способ по п.1, в котором дизельное топливо выбирают из группы, состоящей из дизельного топлива, биодизельного топлива, топлива, полученного из биодизельного топлива, синтетического дизельного топлива и их смесей.3. Способ по п.1, в котором дизельное топливо содержит менее чем около 30 ppm серы.4. Способ по п.1, в котором соединение, содержащее марганец, является неорганическим соединением марганца.5. Способ по п.4, в котором неорганическое соединение марганца выбирают из группы, состоящей из фторидов, хлоридов, бромидов, иодидов, оксидов, нитратов, сульфатов, фосфатов, нитридов, гидридов, гидратов окисей, карбонатов и их смесей.6. Способ по п.1, в котором соединение, содержащее марганец, является металлоорганическим соединением.7. Способ по п.6, в котором металлоорганическое соединение выбирают из группы, состоящей из спиртов, альдегидов, кетонов, сложных эфиров, ангидридов, сульфонатов, фосфонатов, хелатов, фенатов, простых эфиров, нафтенатов, карбоксиловых кислот, амидов, ацетилацетонатов и их смесей.8. Способ по п.6, в котором металлоорганическое соединение содержит метилциклопентадиенил трикарбонил марганца.9. Способ по п.1, в котором соединение, содержащее марганец, выбирают из следующей группы: циклопентадиенил трикарбонил марганца, метилциклопентадиенил трикарбонил марганца, диметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, триметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, тетраметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, пентаметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, этилциклопентадиенил трикарбонил марганца, диэтилциклопентадиенил трикарбонил марганца, пропилциклопентадиенил трикарбонил марганца, изопропилциклопентадиенил трикарбонил марганца, терт-бутилциклопентадиенил трикарбонил марганца, октилциклопентадиенил трикарбонил марганца, додециклопентадиенил трикарбонил марганца, этилметилциклопентадиенил трикарбонил марганца, инденил трикарбонил марганца и тому подобное, включая смеси двух или более таких соединений.10. Способ по п.1, в котором побочный продукт от сгорания выбирают из группы, состоящей из дисперсных веществ, сажи, несгоревшей сажи, несгоревших углеводородов, частично сгоревших углеводородов, сгоревших углеводородов, окислов азота и серы.11. Способ по п.1, в котором масло в двигателе имеет состав, позволяющий предотвращать износ при содержании в нем по меньшей мере 3 мас.% сажи, как определено в соответствии со стандартом API СН-4 на испытания двигателя.12. Способ по п.1, в котором масло для двигателя содержит по меньшей мере 6 мас.% сажи.