ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ

Изобретение относится к области экологии, конкретно к снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания дизельных топлив. Топливная композиция на базе дизельного топлива содержит 5•10^-6 - 2•10^-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.

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

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) - 5•10^-6 - 2•10^-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".