Патент на изобретение №2299232

(54) СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам оптимизации горения жидких углеводородных топлив, предназначенных для использования в двигателях внутреннего сгорания (карбюраторных, дизельных, роторно-поршневых и т.п.) путем добавления к топливу присадок в виде натуральных и синтетических органических веществ, в частности производных фуллеренов. Способ оптимизации горения жидких углеводородных топлив ведут путем добавления чистого углерода в концентрации 0,01-0,1 мас.% в растворе органических растворителей. Раствор чистого углерода дополнительно смешивают с форсирующей добавкой в объемном соотношении 1:1, добавляют в эту смесь ингибитор окисления алюминиевых сплавов в количестве 0,007-0,008 мас.% Изобретение оптимизирует горение упомянутых топлив, в частности, двигателей внутреннего сгорания карбюраторного, дизельного, роторно-поршневого и т.п. типа.

Изобретение относится к способам оптимизации горения жидких углеводородных топлив, предназначенных для использования в двигателях внутреннего сгорания (карбюраторных, дизельных, роторно-поршневых и т.п.), путем добавления к топливу присадок в виде натуральных и синтетических органических веществ, в частности производных фуллеренов.

Известен способ оптимизации горения жидких углеводородных топлив (см. патент США №2003033748, М. кл. C10L 1/10, C10L 1/182, C10L1/18, C10L 1/32, C10L 10/02, C10L 10/00, опубл. 20.02.2003 г.), при котором к упомянутому топливу для оптимизации его горения и снижения степени дымности выхлопных газов добавляют присадку, содержащую один или более растворимых в воде спиртов, имеющих в своем составе от 1 до 18 атомов углерода в безводном состоянии или от 0,5 до 36% – в водном растворе, или жирные кислоты структуры R-(C=O)-OH, имеющие от 10 до 24 атомов углерода.

Это обеспечивает улучшение чистоты и уменьшение вязкости топлива за счет уменьшения углеродистых отложений на стенках камеры сгорания двигателей.

Однако использование таких добавок приводит к вымыванию смазочных веществ из топливной аппаратуры, что усиливает трение деталей двигателей внутреннего сгорания и приводит к ускорению износа двигателя.

Известен способ оптимизации углеводородного топлива для реактивных, турбореактивных, корабельных двигателей, двигателей для реакторов, используемого для приведения в движение самолетов, ракет (см. патент США №5611824, М. кл. C10L 1/00, C10L 7/02, C10L 7/00, опубл. 18.03.1997 г.), в котором в углеводородное топливо вводят присадки в виде сухих фуллеренов или производных фуллеренов С60 и С70 с трехмерной структурой молекулы или их смеси для увеличения плотности углеводородного топлива, что обеспечивает увеличение соотношения энергия-объем в реактивных двигателях. При этом известно, что фуллерены являются чистыми углеродами, имеют большое теплосодержание, и соответственно, большую энергоемкость и относительно высокую плотность (1,5-1,8 г/мм). Причем фуллерены или производные фуллеренов, как правило, сухие, поэтому легко смешиваются с суспензиями углеводородных топлив. Кроме того, фуллерены могут быть легко модифицированы для регулирования окисляемости, что, в результате, приведет к сокращению времени горения в реактивных двигателях.

В данном патенте предлагается три варианта присадок, использующих фуллерены: 1) фуллерены с прикрепленными легко окисляемыми группами, примерами которых могут служить группы алкена, ацетилена, спирта, амина, гидрозина, меркаптана, сульфида или альдегида; 2) фуллерены с прикрепленными окисляющими группами, такими как нитро, нитраты, азиды, хлораты, перхлораты или пероксиды; 3) фуллерены с прикрепленными углеводородными группами или их производными, примерами группы этого типа являются прямая или разветвленная цепь углеводородов, а также цепи, включающие азот, кислород или атомы серы.

В рассматриваемом способе предлагается:

а) в топливо на углеводородной основе в количестве от 75 до 50 весовых процентов вводить сухие фуллерены высокой плотности в количестве от 25 до 50 весовых процентов;

б) в топливо на углеводородной основе вводить дополнительно 2 весовых процента гелевой реологической добавки этиловой целлюлозы и смесь фуллеренов С60 и С70 в соотношении: топливо с реологической добавкой – 85 весовых процентов, смесь фуллеренов – 15 весовых процентов или топлива с реологической добавкой – 55 весовых процентов, смесь фуллеренов С60 и С70 – 45 весовых процентов.

Использование в данном патенте фуллеренов в предложенном сочетании с углеводородным топливом в связи с относительной летучестью фуллеренов, низкой молекулярной массой, высокой плотностью приводит к созданию более энергетического топлива для сжигания.

Однако заявленные концентрации фуллеренов или смеси фуллеренов, добавляемые к топливу, используемому в реактивных, турбореактивных и т.п.двигателях, неприемлемы для использования в двигателях внутреннего сгорания, поскольку могут привести к быстрому износу и разрушению их материальных частей, выполняемых из материалов, содержащих в основе алюминий.

Известен способ идентификации жидких углеводородных топлив путем ввода в них присадки в виде различных фуллеренов или их смеси в концентрации от 0,01 до 100 ppm в органическом растворителе, например в толуоле (см. патент США №5234475, М. кл. C10L 1/10, опубл. 10.08.1993 г.).

Однако введение фуллеренов или их смесей в углеводородные топлива используется только для их модификации с целью распознавания вида топлива и не решает задачи оптимизации горения углеводородных топлив.

Задачей изобретения является обеспечение возможности оптимизации горения углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания, таких как карбюраторные, дизельные, роторно-поршневые.

Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом способе оптимизации горения жидких углеводородных топлив путем добавления чистого углерода в концентрации 0,01-0,1 вес.% в растворе органических растворителей, отличающемся тем, что раствор чистого углерода дополнительно смешивают с форсирующей добавкой в объемном соотношении 1:1, добавляют в эту смесь ингибитор окисления алюминиевых сплавов в количестве от 0,007 до 0,008 вес.%.

Обеспечение решения поставленной задачи указанными выше отличительными признаками можно пояснить следующим образом.

При растворении чистого углерода в виде любых сухих фуллеренов, например: С60, С70, С74, С76, С78, С82, С84 или их смеси в растворе органических растворителей с указанной выше концентрацией чистого углерода получаем оптимальное количество производных фуллеренов, которые обладают большей летучестью, что способствует их легкому смешиванию с углеводородным топливом, а следовательно, ускоряет процесс его сгорания, (см.: 1. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Будтов В.П. и др. Фуллерены: структура, физико-химические и нелинейно-оптические свойства. Оптический журн., 1997 г., т.64, №12, с.3-37; 2. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Григорьев В.А., Данилов О.Б., Крисько А.В., Пономарев А.Н., Соснов Е.Н. Фотолюминесценция синглентного кислорода в фуллеренсодержащих растворах и суспензиях фуллероидов. Оптический журн., 2001 г., т.68, №7, с.76-79; З. Л.Б.Пиотровский, И.М.Белоусова, О.Б.Данилов, О.И.Киселев. Фуллерены: фотодинамические процессы и новые подходы… СПб., изд. «Роза мира», 2005 г., с.30-38) В результате уменьшается время нахождения топлива в зоне сгорания двигателя.

В качестве растворов органических растворителей могут быть использованы любые растворители, в частности ароматические соединения в виде бензола и его гомологов, например: метилбензола (толуола), этилбензола, ксилола, кумола, а также неароматические соединения – предпочтительнее галогенопроизводные углеводороды, например полигалогеналкилы: дихлорметан, трихлорметан, тетрохлорметан (четыреххлористый углерод), а также спирты, эфиры и т.п., подобранные оптимально для различных видов углеводородного топлива (бензинов, дизельного топлива). Их применение известно (см. 1. А.М.Данилов “Применение присадок в топливах”, М., изд. “Мир”, 2005 г., с.68-69; 2. Ю.Варнатц, У.Маас, Р.Диббл “Горение – физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ”, М., изд. “Физматлит” с.252-256, 279-320).

В данном способе оптимизации горения жидких углеводородных топлив могут быть использованы также различные форсирующие добавки в виде нитросоединений или оксигенатов и др. Смешивание полученного раствора с указанными форсирующими добавками в заявляемом соотношении обеспечивает более полное сгорания топлива, что приводит к увеличению степени сжатия двигателя внутреннего сгорания за счет улучшения качества топлива, т.е. повышения октанового (или цетанового) числа, т.к. увеличивается антидетонационная стойкость топлива. А это, в свою очередь, повышает КПД даигателя и его удельную мощность.

(см. 1. А.М.Данилов “Применение присадок в топливах”, М., изд. “МИР”, 2005 г., с.68-72; 2. Ю.Варнатц, У.Маас, Р.Диббл “Горение – физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ”, М., изд. “Физматлит”, 2006 г., с.297-320).

Добавление в вышеуказанную смесь различных ингибиторов окисления сплавов, например, марок: “807А”, “BP-G”, МТ-3″, “Фриктол”, ПАФ-4″, “Экомин”, “ХЦА”, “НДА” и др. в заявляемом количестве оптимальным образом противодействует процессу коррозии металлических частей топливной аппаратуры.

Использование указанных количеств упомянутых активных веществ является необходимым условием при их взаимодействии на атомарном уровне для возникновения торможения образования ударных волн при детонационном сгорании топлива, а следовательно, для увеличения полноты его сгорания в двигателях внутреннего сгорания. При этом на трущихся и взаимодействующих частях цилиндрического стакана и поршня, перемещаемого внутри него, образуется тонкая сервовитная пленка на атомарном уровне. Ее образование является результатом холодного ионно-плазменного процесса, лежащего в основе химического взаимодействия ионов кремния и других природных минералов, имеющихся в составе углеводородного топлива, смеси данной присадки и атомов металлов материала камеры сгорания. Причем подтверждением происходящего холодного ионно-плазменного процесса при использовании чистого углерода присадки является отсутствие роста температуры при увеличении числа оборотов двигателя в мин. при работе двигателя внутреннего сгорания – температура сохраняется в пределах от 80 до 90°C.

При этом по данным экспериментов, проведенных на стенде с двигателем внутреннего сгорания автомобиля ГАЗ 402, и последующих расчетов уменьшение нижнего предела вышеупомянутых концентраций компонентов присадок ведет к постепенному разрушению (через 7 месяцев) материала двигателя, а увеличение верхнего предела вышеупомянутых концентраций компонентов присадок ведет к снижению экологических и экономических показателей жидкого углеводородного топлива.

Таким образом, в возможных примерах осуществления предлагаемого способа могут быть использованы различные комбинации компонентов, представляющих нанокомплекс присадки, а именно:

1) растворяли в ароматических (гомологах бензола) и неароматических (галогенопроизводных углеводородах) органических растворителях:

а) сухие фуллерены С70 в толуоле в концентрации 0,01 вес.%;

б) сухие фуллерены С74 в бензоле в концентрации 0,025 вес.%;

в) сухие фуллерены: смесь С74 и 84 в толуоле и этаноле в концентрации 0,05 вес.%;

г) сухие фуллерены: смесь С60 и С74 в четыреххлористом углероде в концентрации 0,75 вес.%;

д) сухие фуллерены: смесь С76 и С84 в толуоле и изопропаноле в концентрации 0,1 вес.%.

2) к органическому раствору, полученного по каждому 1а), б), в), г), д) пунктам, добавляли форсирующую добавку в соотношении 1:1, содержащую окислительные группы:

а) алкена, ацетилена, спирта (метанола, этанола), амина, альдегида, кетона, эфира и др. в соотношении 1:1; или

б) нитро (нитропропан, нитробензола), нитраты, пероксиды и др. в соотношении 1:1; или

в) углеводороды с прямой или разветвленной цепью, содержащие кислород, азот, серу, в том же соотношении 1:1.

3) к полученной по каждому пункту 2а), б). в) смеси добавляли определенным образом подобранный ингибитор окисления алюминиевых сплавов, а именно предпочтительные марки на основе маслорастворимых молибденоорганических соединений (дитридецилдитиокарбонат молибдена, октоат молибдена): импортные присадки – марки «BP-G» с его концентрацией в смеси – 0,007 вес.%; марки «807А» с его концентрацией в смеси 0,075 вес.%; отечественные присадки – «Фриктол»(раствор диалкиларилдитиофосфат молибдена в индустриальном масле), «ПАФ-4», «Экомин» с концентрацией в смеси – 0,008%.

Хорошими защитными свойствами характеризуются так же ингибиторы в виде антиоксидантов: «Агидол-12» (раствор в толуоле смеси фенолов), «ФЧ-16» (смесь моно -и двухатомных фенолов) и др., а также деактиваторов металлов: «Агидол-11» (активный компонент – N,N-биссалицилиденпропилендиамин), «ДМ-38» (активный компонент – продукт реакции эквимолярных количеств циклогексанона, этилендиамина и салицилового альдегида) и др. В связи с тем, что растворы фуллеренов сами являются сильными антиоксидантами, концентрации вышеуказанных веществ оптимальны в тех же тысячных долях процента.

Вышеприведенное подробное описание представлено главным образом с целью упростить понимание сущности изобретения и не направлено на ограничение его объема, причем очевидна возможность внесения модификаций, не выходящих за сущность и объем изобретения и формулы изобретения. Таким образом, объем настоящего изобретения не ограничен настоящими примерами, приведенными выше. В противоположность этому все они включены в объем прилагаемой формулы изобретения.

Наиболее предпочтительные примеры использования данного изобретения продемонстрированы следующими результатами эксплуатационных испытаний.

Пример 1. В топливный бак карбюраторного двигателя внутреннего сгорания специально подготовленного автомобиля ЗИЛ-130 заливается точно отмеренное количество бензина А76 с присадкой определенного состава в следующем количественном соотношении:

10 кг раствора бензола с концентрацией фуллерена С70 1 мас.% смешивают с 10 кг форсирующей добавки в виде нитробензола (1:1), добавляя бензин А76 до 100 кг (концентрация чистого углерода 0,1%), затем в полученную смесь прибавляют ингибитор окисления сплавов в виде присадки марки «807А» в количестве 0,007 мас.%.

Пример 2. В топливный бак дизельного двигателя внутреннего сгорания грузового автомобиля «мерседес-бенс» заливается дизельное топливо ДЛ с присадкой определенного состава в следующем количественном соотношении:

10 кг раствора толуола с концентрацией смеси фуллеренов С60, С74 1 мас.% смешивают с 10 кг форсирующей добавки в виде метанола (1:1), добавляя топливо ДЛ до 200 кг (концентрация чистого углерода 0,05%), затем в полученную смесь прибавляют ингибитор окисления сплавов в виде присадки «Фриктол» в количестве 0,08 мас.%.

При проведении всех испытаний показания термометра и манометра автомобилей оставались постоянными, а именно: давление Р=2кг/см², температура Т=80-90°С при оборотах двигателя более 3000 об/мин.

Результаты проведения испытаний для установления экологических и экономических показателей углеводородных топлив (бензин А76 и дизтопливо ДЛ) при внесении в них полученных в вышеприведенных примерах присадок с указанными концентрациями веществ в них приведены ниже.

Экологические показатели

Экспресс-анализатором ГИАМ-29 проводились замеры содержания газов СО и СН в выхлопных газах перечисленных выше автомобилей при работе двигателя внутреннего сгорания на более 2500 об/мин при введении в них бензина А76 с присадками или дизельного топлива ДЛ с присадками, соответственно полученных по п.п.1, 2, 3 (примеры 1, 2).

По показаниям прибора было установлено, что количество СО составило в среднем от 0,24 единицы до 0, количество СН составило в среднем от 304 единиц до 0, что свидетельствует о более полном сгорании топлива, в результате увеличивается КПД двигателя, т.е. обеспечивается оптимизация горения топлива при использовании присадок, изготовленных по п.п.1, 2, 3.

Параллельно проводились контрольные испытания относительно предельно допустимых концентраций (ПДК) СО и СН в выхлопных газах упомянутых выше автомобилей при использовании бензина А76 и дизельного топлива ДЛ без упомянутых присадок. Было установлено, что на средних оборотах работы двигателя внутреннего сгорания содержание токсичных газов выше или в пределах ПДК, а именно: СО=1,5-2,5 единиц, и СН=1000-3000 единиц, (ПДК СО – не более 1,5 ед. и ПДК СН – не более 1000 ед.); на малых оборотах содержание токсичных газов: СО=3,0-5,0 единиц, а СН=3000-4000 ед. (ПДК СО – не более 3,0 ед., а ПДК СН – не более 3000 ед.).

Экономические показатели

В топливный бак специально подготовленных автомобилей с бензином А76 и дизельным топливом ДЛ вносили присадки, полученные по п.п.1, 2, 3, и после пробега автомобиля в городском режиме при помощи расходомера измеряли расход топлива в л/км. Параллельно проводили контрольные замеры с тем же бензином А76 и дизельным топливом ДЛ без присадок.

Исследования показали экономию топлива при использовании присадок в среднем – 10-20%.

Формула изобретения

Способ оптимизации горения жидких углеводородных топлив путем добавления чистого углерода в концентрации 0,01-0,1 мас.% в растворе органических растворителей, отличающийся тем, что раствор чистого углерода дополнительно смешивают с форсирующей добавкой в объемном соотношении 1:1, добавляют в эту смесь ингибитор окисления алюминиевых сплавов в количестве 0,007-0,008 мас.%.

QB4A – Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Анисимова Зоя Витальевна

Вид лицензии*: ИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Центр нанотехнологий “ЦНОТА”

Договор № РД0028219 зарегистрирован 25.10.2007

Извещение опубликовано: 10.12.2007 БИ: 34/2007

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.04.2008

Извещение опубликовано: 20.05.2009 БИ: 14/2009

NF4A – Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.05.2009

Извещение опубликовано: 20.05.2009 БИ: 14/2009