Способ оптимизации горения жидких углеводородных топлив - RU2299232C1

Описание

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.

(см. 1. Ф.М.Данилов "Применение присадок в топливах", М., изд. "Мир", 2005 г., с.138-140, 219-229; 2. Патент РФ № 2171830, опубл. 10.08.2001 г.; 3. Интернет сайты: http://www.tmkgroup.ru, http://www.tnk-bp.ru).

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%.

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.

Формула