Патент на изобретение №2159795

(54) ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области экологии, конкретно к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания дизельных топлив. Топливная композиция на базе дизельного топлива содержит 510^-6 – 210^-4% тетраэтоксисилана и 0,005 – 0,02% ацетилацетоната железа (III). Использование ее в качестве горючего приводит к снижению содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля: оксида углерода до 80%, несгоревших углеводородов до 70%, оксидов азота до 55%, дымности до 85%, бенз(а)пирена на 15 – 50%. 3 табл.

Изобретение относится к нефтехимии и эксплуатации дизельных двигателей. Преимущественно изобретение может быть использовано для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания и экономии топлива.

Известна топливная композиция [Патент России 2107713] на основе дизельных фракций, содержащая 1 10^-5 – 1 10^-3% ионола или дипроксамина.

Недостатком композиции является незначительное снижение содержания вредных веществ в отработавших газах.

Известна топливная композиция на основе дизельного топлива [Патент США 5595576] , содержащая с целью снижения содержания вредных веществ в отработавших газах металлический селен в концентрации не более 2 10^-4.

Недостатком композиции является повышение токсичности дизельного топлива из-за введения в него токсичного селена и большие технические сложности с диспергированием металлического селена в топливе.

Известна топливная композиция для дизельных двигателей [Заявка России 94003151] , которая включает 0,1-0,7% присадки, представляющей собой смесь продуктов взаимодействия алкилфенола с гидроксидом бария и диоксидом углерода и высокомолекулярного основания Манниха, модифицированного бором, полученного путем взаимодействия продукта алкилирования фенола полибутеленом с молекулярной массой 2000-2500, формальдегида и полиалкениламина с молекулярной массой 150-200, с последующей обработкой продукта взаимодействия борной кислотой, и ферроценилдиметилкарбинола при следующем соотношении компонентов, %:
Продукт взаимодействия алкилфенола с гидроксидом бария и диоксидом углерода – 50-90
Основание Манниха, модифицированное бором – 10-50
Ферроценилдиметилкарбинол – 0,1-5 (на сумму первых двух компонентов)
Недостатками этой топливной композиции являются:
– достаточно высокое содержание железа, что может привести к повышенному износу поршневых колец [М.О.Лернер. Химические регуляторы горения моторных топлив. М., Химия, 1979 г.- 221 с.; З.А. Саблина, А.А.Гуреев. Присадки к моторным топливам. М. Химия. 1977. с.256.];
– наличие в составе присадки токсичных бария и азотсодержащих соединений;
– сложность синтеза отдельных составляющих присадки.

Известны выпускаемые Ачинским НПЗ дизельные топлива по ТУ 38.401.58.155-96, содержащие не более 0,3% присадки Ангарад-2401 по ТУ
38.401.58,158-96, изготовляемой на основе растворимого в топливе железосодержащего соединения – ферроцена [Российский химический журнал, 1998, 42.1-2, с. 176-186].

Эта топливная композиция принята нами за прототип.

Недостатками прототипа являются: – незначительное снижение содержания оксида углерода в отработавших газах;
– некоторое повышение содержания несгоревших углеводородов в отработавших газах;
– высокая концентрация железа, что может привести к повышенному износу поршневых колец [М.О.Лернер.- Химические регуляторы горения моторных топлив. М. Химия, 1979 г.- 221 с.; З.А. Саблина, А.А.Гуреев.- Присадки к моторным топливам. М. Химия. 1977. С.256.];
– отсутствие экономии топлива.

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности топливной композиции на базе железосодержащей присадки по снижению токсичности отработавших газов дизельных двигателей и экономии топлива.

Задача решается за счет того, что в топливную композицию на базе дизельного топлива вводится в качестве железосодержащей присадки ацетилацетонат железа (III) и тетраэтоксисилан в смеси с продуктами его гидролиза – димером, тримером и тетрамером при следующем соотношении компонентов, %:
Ацетилацетонат железа (III) – 510^-6 – 210^-4
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза – димера, тримера и тетрамера – – 0,005 – 0,02
Дизельное топливо – Остальное
По прямому назначению ацетилацетонат железа используется в качестве реагента в аналитической химии [Химическая энциклопедия. T.1, 1988 г., С. 426].

По прямому назначению тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза – димера, тримера и тетрамера используется для увеличения температуры плавления ванадиевых отложений в камере сгорания судовых дизелей, работающих на тяжелом топливе, с 300 до 780^oC, нейтрализации соединений ванадия, содержащихся в тяжелых топливах, и выноса соединений ванадия с выхлопных клапанов [Временная инструкция по применению тетраэтоксисилана на судах ПО “Эстрыбпром”, Таллин, 1986 г.].

Возможность использования предложенной топливной композиции для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя и экономии топлива не вытекает с очевидностью из известных свойств этих веществ.

В известных нам источниках научно-технической информации использование предложенной топливной композиции для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей внутреннего сгорания и экономии топлива не описано. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию “новизна”.

Использование предложенной топливной композиции, содержащей ацетилацетонат железа и тетраэтоксисилан, приводит к положительному эффекту – снижению токсичности отработавших газов дизельных двигателей и экономии топлива. По сравнению с прототипом дизельным топливом Ачинского НПЗ по ТУ 38.401.58.155-96, содержащим ферроценовую присадку АНГАРАД -2041 в количестве 0,25%, предложенная топливная композиция, содержащая ацетилацетонат железа (III) и тетраэтоксисилан в смеси с продуктами его гидролиза – димером, тримером и тетрамером суммарной концентрации 0,01% при сравнительных испытаниях на автомобиле МАЗ-500А на повышенных оборотах на холостом ходу, дает снижение содержания оксидов азота на 19%, дымности до 31% и экономию топлива на 2,5%.

Известно, что каталитическую активность в металлорганических соединениях проявляет ион металла, а органический радикал нужен только для растворения металлорганического соединения в топливе [М.О.Лернер.- Химические регуляторы горения моторных топлив. М., Химия, 1979 г.-с.221; Стабилизаторы и модификаторы нефтяных дистиллятных топлив., М. Химия. 1990. -с. 192]. Известны синергисты ферроценовых присадок – ароматические амины, карбоновые кислоты, эфиры, оксимы, кетоны и другие азот- и кислородсодержащие соединения [А.М. Данилов.- Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив. – М., Химия. 1996 г. – 232 с.; З.А.Саблина, А.А.Гуреев.- Присадки к моторным топливам. , М., Химия. 1977.-с. 256]. В известной нам научно-технической литературе синергисты ацетилацетоната железа не описаны. Так же нам не известны кремнийорганические соединения как синергисты ферроценов или других железоорганических соединений.

В предложенной нами топливной композиции совместное использование ацетилацетоната железа и тетраэтоксисилана приводит к неожиданному синергетическому эффекту, который нельзя предсказать из известных свойств этих соединений и литературных данных. Это явление значительно повышает эффективность предложенной композиции при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах дизелей и экономии топлива.

Все вышеизложенное позволяет считать, что предложенное техническое решение соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Сравнительные испытания предлагаемой топливной композиции, прототипа и товарного дизельного топлива ГОСТ 305-82 проводили на стенде с двигателем КамАЗ-740 в три этапа:
– на первом этапе двигатель работал на товарном дизельном топливе
– на втором этапе двигатель работал на прототипе – дизельном топливе Ачинского НПЗ по ТУ 38.401.58.155-96 с 0,3% присадки АНГАРАД-2401
– на третьем этапе двигатель работал на предлагаемой топливной композиции состава:
Ацетилацетонат железа (III) – 8,5 10^-6
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза – димера, тримера и тетрамера – 99,15 10^-4
Дизельное топливо ГОСТ 305-82 – Остальное
Во время испытаний измеряли расход топлива весовым методом, прибором “ОПТОГАЗ -21” содержание оксидов азота и оптическим микропроцессорным дымомером ОМД-1 дымность отработавших газов.

Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Приведенные в таблице данные подтверждают эффективность предложенной топливной композиции для снижения расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля.

На стенде с двигателем 8410,5/10 и генератором переменного тока в качестве нагрузочного устройства было определено влияние компонентов топливной композиции на ее эффективности при снижении дымности отработавших газов.

Во время испытаний двигатель работал на дизельном топливе Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 и моторном масле М16В₂ по ТУ 38101235-74.

Во время всех опытов нагрузка на двигатель составляла 32,5 кВт, а число оборотов коленчатого вала 1500 мин^-1.

Дымность отработавших газов замерялась оптическим микропроцессорным дымомером ОМД-21.

Результаты испытаний представлены в табл.2.

Данные, представленные в табл. 2, свидетельствуют о том, что применение в топливной композиции только ацетилацетоната железа (III) или тетраэтоксисилана с примесью продуктов его гидролиза менее эффективно, чем использование их смеси. Т. е. полученные результаты подтверждают сделанное ранее предположение о неожиданном синергетическом эффекте предлагаемой топливной композиции.

Из приведенных в табл. 2 данных видно, что применение топливной композиции с более низким содержанием ацетилацетоната железа и тетраэтоксисилана малоэффективно, а увеличение их концентрации дает незначительный прирост эффекта снижения содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля, однако существенно увеличивает стоимость топливной композиции.

Влияние предложенной топливной композиции на снижение эмиссии вредных веществ и экономию топлива проверяли на безнагрузочном обкаточном стенде АТП-1 на двигателе РАБА-МАН.

Испытания проводили в два этапа:
– на первом этапе двигатель работал на штатном дизельном топливе
– на втором этапе двигатель работал на предложенной топливной композиции, приготовленной на дизельном топливе той же партии.

При испытаниях использовалась топливная композиция состава,%:
Ацетилацетонат железа (III) – 9,5 10^-6
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза – димера, тримера и тетрамера – 99,05 10^-4
Дизельное топливо ГОСТ 305-82 – Остальное
Двигатель работал на холостом ходу. При этом измеряли:
– расходомером ARGO часовой расход топлива;
– анализатором TESTO-33 температуру отработавших газов и содержание в них оксида и диоксида азота;
– дымомером КИД-2 дымность отработавших газов.

В результате испытаний установлено, что применение предложенной топливной композиции позволяет снизить по сравнению со товарным дизтопливом:
– часовой расход топлива на 10%;
– дымность на 55%;
– содержание оксида азота на 12%;
– содержание диоксида азота на 6%;
– температуру отработавших газов на 1,5%.

В этом же автопарке расходомером ARGO определяли часовой расход топлива одного и того же технически исправного автобуса Икарус-250 при его эксплуатации на одних и тех же городском и междугородном маршрутах при работе на товарном дизельном топливе по ГОСТ 305-82 и на предложенной топливной композиции, которая приготовлялась непосредственно в топливном баке автобуса.

По данным измерений средний расход топлива при применении предложенной топливной композиции по сравнению со штатным дизельным топливом снизился на 5,25% при эксплуатации на городском маршруте и на 2,85% на междугородном маршруте.

Проверку влияния предложенной топливной композиции на износ дизельного двигателя проводили на моторном стенде с двигателем 2Ч 8,5/11, производства завода “Дагдизель”.

Индикаторные показатели двигателя определялись в конце этапов работы индикаторно-вычислительным комплексом ЭВК – 1 на базе ЭВМ IBM – 486 по сигналам давления в цилиндре двигателя и синхроимпульса положения коленчатого вала.

Физико-химические и спектральные показатели смазочного масла определялись для проб масла, отобранных через 10 часов эксперимента, с помощью Лаборатории Анализа масел и фотоэлектрического спектрометра МФС -7.

Скорость изнашивания втулок цилиндров определялась методом ИРАБ (искусственных радиоактивных баз). С этой целью две втулки были активированы вставками с кобальтом 60 в точке перекладки верхних компрессионных колец. Снижение активности втулок за единовременную наработку с учетом взаимовлияния самораспада рассчитывались на ПЭВМ при помощи специально созданной программы.

Кроме того, изнашивание цилиндропоршневой группы контролировалось за этап (приработка, работа на штатном топливе, работа на предложенной топливной композиции) методами:
– нарезания лунок на втулках прибором УПОИ (8 лунок на поясе метки ИРАБ)
– нарезание лунок на кольцах прибором УПОИ (7 лунок на наружной поверхности)
– микрометрированием колец прибором ИЗВ – 1 по высоте и ширине кольца
– взвешиванием колец на аналитических весах ВЛР.

Эмиссия отработавших газов контролировалась в конце этапа работы на штатном топливе и конце этапа работы на предложенной топливной композиции газоанализатором ГАТУ.

Шатунные вкладыши контролировались в конце первого и второго этапов внешним осмотром и взвешиванием на аналитических весах.

Расход масла на угар определялся по маслоуказателю через 10 ч работы.

Эксперимент включал приработку колец и втулок цилиндров до установившейся скорости изнашивания втулок цилиндров (30 ч на 50% нагрузке): первый этап – работа двигателя на штатном дизельном топливе Л-0,2-65 по ГОСТ 305-82 (50 ч на нагрузке 100%), второй этап – работа двигателя на предложенной топливной композиции (50 ч на нагрузке 100%).

В результате испытаний установлено, что при работе дизеля на предложенной топливной композиции происходит снижение:
– содержания в отработавших газах оксида углерода на 30%
оксидов азота на 25%
несгоревших углеводородов на 100%;
– удельного эффективного расхода топлива на 5-7%;
– износа рабочих втулок цилиндров на 70%
поршневых колец в 1,5-3 раза;
– максимального давления и “жесткости” работы двигателя, что свидетельствует о снижении механического и теплового напряжения работы двигателя.

Эксплуатационные испытания предложенной топливной композиции проводили в АТП N 1 “ПАССАЖИРАВТОТРАНСА” г. Санкт-Петербурга на автобусах Икарус-250 с двигателем РАБА-МАН. Автобусы эксплуатировались на дизельном топливе Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 и моторном масле М10Г_2кГОСТ 8581-78.

Все автобусы АТП-1 (более 500 машин) в течение двух с половиной месяцев эксплуатировались на предложенной топливной композиции. Топливная композиция готовилась непосредственно в емкостях автозаправочной станции АТП при закачке в них дизельного топлива из автоцистерн. Топливо поставлялось компанией “Балттрейд”.

На 17 автобусах перед выходом на линию ежедневно (за день до начала испытаний, во время испытаний и в течение десяти дней после их завершения) сотрудниками ОТК парка замерялось содержание оксида углерода инфракрасным газоанализатором “Инфралит-1100”, газоанализатором ГЛ1112 содержание несгоревших углеводородов и дымомером КИД-2 N 5103 дымность отработавших газов. Результаты замеров представлены в табл. 3
Характер изменения концентрации вредных веществ и дымности в отработавших газах свидетельствует о его монотонном падении в первые 3 – 7 дней испытаний. Далее на всем протяжении эксплуатации техники на предложенной топливной композиции концентрация вредных веществ в отработавших газах остается практически неизменной.

После перехода автобусов на работу на штатном дизтопливе в течение 2 – 3 дней концентрация вредных веществ и дымность в отработавших газах остается постоянной, что объясняется наличием в топливных баках остатков предложенной топливной композиции. В дальнейшем топливная композиция полностью расходуется и двигатель начинает работать на штатном топливе, что приводит к росту концентрации вредных веществ и дымности в отработавших газах и их концентрация постепенно выходит на уровень, который был в отработавших газах автобусов до начала испытаний.

По данным топливной группы АТП-1 за время испытаний автобусов на предложенной топливной композиции экономия топлива составила в среднем 15%.

Из этих же автобусов были отобраны пробы картерного масла до начала испытаний и после их окончания. Во время испытаний выхода из строя двигателей по причине использования предложенной топливной композиции не зарегистрировано. По результатам анализа картерного масла после пробега автобусами 5 – 7 тысяч км наблюдалось некоторое снижение содержания продуктов износа в нем, что при неизменном расходе масла на долив и угар и отсутствии замены масла указывает на снижение износа двигателей, эксплуатируемых на предложенной топливной композиции.

Во время эксплуатационных испытаний были проведены анализы отработавших газов на содержание в них бенз(а)пирена, масляного тумана, аэрозоля и суммарного содержания альдегидов.

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.

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].

Анализ показал, что при применении предложенной топливной композиции содержание бенз(а)пирена снижается на 33%, масляного тумана и аэрозоля на 89% и суммы альдегидов на 13%.

Проведенные длительные эксплуатационные испытания предложенной композиции подтвердили ее эффективность при снижении содержания вредных веществ в отработавших газах дизелей. Эти эксплуатационные испытания позволяют считать, что предложенное техническое решение соответствует критерию “промышленное применение”.

Формула изобретения

Топливная композиция на основе дизельного топлива, содержащая растворимое соединение железа, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тетраэтоксилан с примесью продуктов его гидролиза – димера, тримера и тетрамера, а в качестве растворимого соединения железа применяется ацетилацетонат железа (III) при следующем соотношении компонентов, %:
Ацетилацетонат железа (III) – 5 10^-6 – 2 10^-4
Тетраэтоксисилан с примесью продуктов его гидролиза – димера, тримера и тетрамера – 0,005 – 0,02
Дизельное топливо – Остальное

РИСУНКИ

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

Дата прекращения действия патента: 10.12.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 22-2003

Извещение опубликовано: 10.08.2003

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.05.2005 БИ: 14/2005

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за
поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.12.2008

Дата публикации: 10.05.2011