Топливная композиция для дизельных двигателей внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК C10L1/08 C10L1/02 C10L1/19 

Изобретение относится к составу топливной композиции, предназначенной для применения в дизельных двигателях внутреннего сгорания, и может быть использовано в отраслях промышленности, сельского хозяйства, строительства, транспорта, где применяется наземная техника с дизельными двигателями.

Хорошо известно, что топлива для дизельных двигателей внутреннего сгорания должны отвечать требованиям ГОСТ 305-2013 по плотности и цетановому числу [1 - ГОСТ 305-2013. Топливо дизельное. Технические условия].

Плотность характеризует удельную энергоемкость дизельного топлива - потенциальный запас химической энергии (тепловой), заключенной в единице массы или объема топлива при стандартных условиях. Плотность дизельного топлива влияет на мощностные, экономические, экологические и показатели надежности самого дизеля. Например, плотность дизельного топлива утяжеленного состава ведет к снижению максимального давления цикла, росту удельного эффективного расхода топлива и дымности отработавших газов [2 - Химмотология горюче-смазочных материалов / А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин. - СПб.: Изд-во НПИКЦ, 2007, С. 104, 112-118].

Цетановое число - основной показатель воспламеняемости дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработавших газов. Чем выше цетацовое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с допустимой жесткостью, ухудшается его экономичность и увеличивается дымность отработавших газов [3 - Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации / А.Н. Карташевич, Г.М. Кухаренок, А.В. Гордеенко, Д.С. Разинкевич. - Мн.: Изд. ООО «Красико-Принт», 2005, С. 20].

Таким образом, топлива, применяемые в дизельных двигателях должны отвечать требованиям ГОСТ 305-2013 по плотности (при температуре 15°С для летнего дизельного топлива не более 863,4 кг/м³) и цетановому числу (не менее 45 ед.) для экономичной и надежной работы дизеля.

Известно, что растительные масла (рапсовое, рыжиковое, соевое, сафлоровое, подсолнечное, льняное, редечное, горчичное, сурепное, свербиговое и др.) используются в качестве биодобавки к нефтяному дизельному топливу. Растительные масла обладают повышенной плотностью, величина которой находится в пределах 900-930 кг/м³, а также пониженным цетановым числом (например, у рапсового масла цетановое число равно 36 ед.) [4 - Сравнительная оценка свойств растительных масел, используемых в качестве биодобавки к нефтяному дизельному топливу / Ю.В. Уханова, А.А. Воскресенский, А.П. Уханов // Нива Поволжья. - 2017. - №2 (43). - С. 98-105]. Например, при добавлении 50% рапсового масла в дизельное топливо с плотностью 826 кг/м³ в смесовом топливе (50% дизельное топливо + 50% рапсовое масло) увеличивается плотность до 872 кг/м³, что не соответствует ГОСТ 305-2013 на дизельное топливо и требует доработки в части компонентного состава топливной композиции для применения в дизельных двигателях внутреннего сгорания [5 - Биодиты - альтернативный вид моторного топлива для тракторных дизелей / А.П. Уханов, В.А. Рачкин, Д.А. Уханов, В.А. Иванов // Нива Поволжья. - 2009. - №2 (11). - С. 71-76].

Перед авторами стояла задача - разработать топливную композицию с растительным маслом для дизельных двигателей, которая отвечала бы требованиям ГОСТ 305-2013 по плотности и цетановому числу.

Известна топливная композиция, содержащая дизельное топливо и метиловый эфир рапсового масла в соотношении 1:2,5 соответственно [6 - Патент РФ №2393209, СПС 3/04].

Недостатком является сложность технологии получения метилового эфира рапсового масла, приводящая к увеличению себестоимости целевого продукта, а также повышенные кинематическая вязкость и плотность топливной композиции, приводящие к снижению ее эффективности.

Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является топливная композиция, содержащая дизельное топливо, рапсовое масло, уменьшающую кинематическую вязкость присадку - суперантигель HG3427, при следующих соотношениях компонентов, % масс.: рапсовое масло - 5-45, суперантигель HG3427 - 3-5, дизельное топливо - до 100 [7 - Патент РФ №2642080, C10L 1/08, C10L 1/10 - прототип].

Недостатком композиции - прототипа является высокая кинематическая вязкость топливной композиции, которая влияет на нормальную подачу топлива к насосу, что приводит к перебоям его работы. Например, при добавлении в композицию 45% рапсового масла и 3% присадки суперантигель HG3427 кинематическая вязкость составила 19,08072 мм²/с, что выше нормы ГОСТ 305-2013.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, является расширение номенклатуры дизельных топлив с одновременным сохранением требований ГОСТ 305-2013 по плотности и цетановому числу, а также снижением расхода нефтяного топлива за счет использования возобновляемых продуктов, полученных из альтернативных (не нефтяных) источников сырья.

Указанный технический результат достигается тем, что топливная композиция для дизельных двигателей внутреннего сгорания, содержащая основу и рапсовое масло, согласно изобретению, дополнительно содержит этилгексилнитрат, а в качестве основы авиационный керосин, при следующем соотношении компонентов, % масс: рапсовое масло - 3-60, этилгексилнитрат - 0,3, авиационный керосин до 100.

В предлагаемой топливной композиции:

Рапсовое масло (3-60%) применяется в промышленности для производства биодизеля для замены части нефтяного компонента альтернативным топливом на основе возобновляемого растительного сырья. Рапсовое масло представляет собой смесь моно-, ди- и триацилглицеринов, которые содержат в своем составе молекулы высших алифатических кислот, т.е. высокомолекулярных кислородсодержащих соединений с углеводородным основанием, связанных с молекулой глицерина. Объем производства в России рапсового масла в 2021 году составил 684,5 тыс.тонн. В качестве замены нефтяному топливу могут применяться и другие растительные масла, такие как рыжиковое, соевое, сафлоровое, подсолнечное, льняное, редечное, горчичное, сурепное, свербиговое и др.

Этилгексилнитрат (0,3%) - цетаноповышающая присадка, которая позволяет сохранить цетановое число топливной композиции в допустимых стандартом пределах и, таким образом, компенсировать высокое содержание рапсового масла в композиции.

Авиационный керосин (до 100%) является основой горючей фазы и заменителем дизельного топлива. Авиационный керосин - жидкое нефтяное топливо для применения в авиационных двигателях газотурбинных. Представляет собой углеводородную фракцию светло-желтого цвета, с меньше плотностью и кинематической вязкостью, чем у дизельного топлива, что позволит снизить кинематическую вязкость и плотность топливной композиции [8 - ГОСТ 10227-86. Топлива для реактивных двигателей. Технические условия]. По способу получения авиационный керосин делят на прямогонный и гидрогенизированный. Прямогонные авиационные керосины (ТС-1, Т-1, Т-1С и Т-2) получают непосредственно из отогнанных фракций нефти без их глубокой переработки, технология производства гидрогенизированных топлив (РТ, Т-8 В, Т-6) включает гидроочистку (РТ), гидроочистку или гидрокрекинг (Т-8В), гидрокрекинг или глубокое гидрирование (Т-6) [9 - Энциклопедия химмотологии / Н.Н. Гришин, В.В. Середа. - М.: Издательство «Перо», 2016, С. 202-205].

Для обоснования количественного состава топливной композиции были приготовлены образцы (таблица 1), которые прошли испытания по лабораторным методам для подтверждения физико-химических и эксплуатационных свойств (таблица 2).

Как видно из результатов испытаний, представленных в таблице 2, что приготовленные образцы №1-№8 соответствуют ГОСТ 305-2013 по плотности и цетановому числу.

Для подтверждения возможности достижения технического результата были проведены испытания для каждого образца топливной композиции на полноразмерном двигателе в стендовых условиях, в процессе которых определяли эффективную мощность и удельный эффективный расход топлива.

Образцы топливной композиции готовились раздельно путем перемешивания в отдельных емкостях. Полученные образцы топливной композиции раздельно подвергались испытаниям с целью определения эффективности сгорания. Испытания проводили на моторном стенде с использованием рядного четырехцилиндрового автомобильного дизеля Д-245.12С при работе на исследуемых образцах топливной композиции №1-№8, а также на летнем дизельном топливе и авиационном керосине в условиях внешней скоростной характеристики, снимаемой в диапазоне частот вращения коленчатого вала от минимальной (1000 мин^-1) до номинальной частоты (2400 мин^-1) через каждые 200 мин^-1.

Результаты определения эффективной мощности дизеля при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин * на испытуемых образцах топлив представлены в таблице 3.

Анализ таблицы 3 показывает, что при увеличении содержания в топливной композиции рапсового масла повышается эффективная мощность двигателя. При работе двигателя на образцах №4-№8 эффективная мощность двигателя выше, чем при работе двигателя на авиационном керосине. Если сравнивать работу двигателя на летнем дизельном топливе с работой на образцах №1-№7, то можно увидеть, что произошло снижение мощности, а на образце №8 мощность увеличилась на 1,5%. Наибольшее снижение мощности произошло при работе двигателя на образце №1 на 17,4%. Снижение концентрации цетаноповышающей присадки до 0,2% (образец №1) приводит к увеличению удельного эффективного расхода топлива на 2,5% по сравнению с работой двигателя на летнем дизельном топливе, что позволяет сделать вывод об эффективности образцов №2-№8 (таблица 1), которые не только соответствуют по плотности и цетановому числу, но и по эффективной мощности и удельному эффективному расходу топлива. Следовательно, заявленная топливная композиция может быть использована в дизельном двигателе внутреннего сгорания.

Таким образом достигается технический результат, заключающийся в расширении номенклатуры дизельных топлив с одновременным сохранением требований ГОСТ 305-2013 по плотности и цетановому числу, а также снижением расхода нефтяного топлива за счет использования возобновляемых продуктов, полученных из альтернативных (не нефтяных) источников сырья.

Заявленная топливная композиция в представленной совокупности существующих признаков авторами не выявлена из источников информации и является новой, а, учитывая наличие в промышленности используемых компонентов топливной композиции в Российской Федерации, является промышленно применимой.

Изобретение может быть использовано для работы наземной техники с дизельными двигателями. Топливная композиция для дизельных двигателей внутреннего сгорания содержит основу – авиационный керосин, рапсовое масло и этилгексилнитрат при следующем соотношении компонентов, мас.%: рапсовое масло 3-60, этилгексилнитрат 0,3, авиационный керосин до 100. Изобретение позволяет расширить номенклатуру дизельных топлив, отвечающих требованиям по плотности и цетановому числу, а также по эффективной мощности и удельному эффективному расходу топлива. 3 табл.

Топливная композиция для дизельных двигателей внутреннего сгорания, содержащая основу и рапсовое масло, отличающаяся тем, что дополнительно содержит этилгексилнитрат, а в качестве основы авиационный керосин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Рапсовое масло 3-60 Этилгексилнитрат 0,3 основа: Авиационный керосин до 100