Состав топлива

Состав топлива

Реферат

 

Изобретение относится к химической промышленности. Предложены составы топлива на основе реактивного, турбинного, дизельного, мазутного и бензинового топлив. Составы содержат базовое топливо, по меньшей мере одно горючее СПС-соединение, содержащее кислород, и по крайней мере одно соединение металла или элемента, включая соединения, являющиеся его неорганическими и органическими производными в количествах, улучшающих сгорание. Технический результат - получение состава металлсодержащего топлива с улучшенной структурой сгорания, обеспечивающей увеличенную скорость горения и пониженную температуру сжигания. 13 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к горючим соединениям, предназначенным для реактивной турбинной, дизельной, бензиновой и других систем сгорания. Более конкретно оно относится к уникальному способу сжигания в паровой фазе, в котором применение композиций топлива и соединений металлов с высокой теплотой энтальпии позволяет улучшить сгорание, снизить температуру сжигания, повысить тепловую эффективность, экономичность топлива и уменьшить вредные выделения.

Известно включение в углеводородное топливо соединений металлов, в том числе различных органомарганцевых соединений, в качестве антидетонаторов (например, метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил - ММТ и др.), см. патенты США 2818417, 2839552 и 3127351. Применение органомарганцевых соединений в более тяжелом топливе, в частности в угольном и дизельном, а также в авиационном топливе для реактивных двигателей, также известно и, как предполагается, позволяет уменьшить дым и выбросы твердых частиц. См. патенты США 3927992, 4240802, 4207078, 4240801.

Несмотря на то что органомарганцевые соединения являются антидетонаторами и обладают другими достоинствами, их применение в углеводородном топливе создает целый ряд других экологических и практических проблем. Так, топливо на металлической основе при сжигании образует оксиды металлов. В случае органомарганцевых соединений соответствующие металлические частицы при сжигании в углеводородном топливе образуют вредные тяжелые оксиды марганца (Mn₃O₄ и Мn₂О₃), которые покрывают детали двигателя, системы сжигания, турбины, выхлопные поверхности, катализаторы выделения/выхлопа и т.д., вызывая, например, раннюю усталость, отказы, чрезмерный износ, специфические выделения металлов, выделения углеводородов с длительным сроком разложения и т.д. См. патенты США 3585012, 3442631, 3718444, а также мой патент ЕРО N 0235280.

Вредное осаждение металлических компонентов хорошо известно и ранее представляло собой практическую проблему в их использовании. Так, например, осаждение оксида марганца на реактивные двигатели, турбины и т.д. в течение длительного времени было главным препятствием для использования марганца. В связи с прочностью осажденных соединений марганца были разработаны различные способы специально для удаления таких оксидов с реактивных двигателей. См. патенты США 3556846, 3442631, 3526545, 3506488. К сожалению, из-за неспособности решить эту задачу применение металлов в данной области было практически остановлено, а альтернативные варианты ограничены очень низкой концентрацией металла.

Патент США 4600408 (выданный в 1986 году) описывает один из алкилфенилкарбонатов в качестве антидетонатора. В патенте 4600408 отмечается упомянутая выше проблема органомарганцевого оксида и описывается состав, который не должен содержать органомарганцевых соединений.

Поскольку специалисты в данной области давно оставили надежды фундаментально решить вопрос о возможности сжигания металлических компонентов и в течение определенного времени указывали на недопустимость наличия марганца в бензине, не содержащем тетраэтилсвинца, у практиков давно пропало желание отделять ММТ от применяемых свинцовых добавок. См., например, европейскую патентную заявку 91306278.2, которая относится к "Несимметричным диалкилкарбонатным топливным добавкам" и признает эту реальность, описывая тетраэтилсвинец, тетраметилсвинец и циклопентадиенилтрикарбонилмарганец в общем контексте, не предполагая использовать их независимо один от другого.

Заявитель открыл новый класс соединений для высокоэнергетического низкотемпературного сжигания и способов их использования, при этом была найдена новая форма сжигания, называемая далее сжиганием в паровой фазе.

Суть изобретения заявителя заключается в открытии источника фундаментальной проблемы, касающейся традиционного способа сжигания и используемых для этого соединений, а именно недостаточное по сравнению с идеальным сгорание происходит из-за отсутствия одновременной оптимизации скорости горения при сжигании и температуры.

Путем эффективного повышения скорости горения топлива при снижении температуры сжигания заявитель не только регулирует или предотвращает образование наиболее вредных выделений, но и высвобождает теплотворную способность топлива. Введенные металлические компоненты (см. ниже) становятся основным фактором в новом чистом "высокоэнергетическом" классе низкотемпературного реактивного и иного топлива и в процессе сжигания, который ранее ограничивал использование металлов только в качестве добавок или агентов.

По существу, заявитель открыл уникальную форму сжигания, а также относящиеся к ней способы и составы. Различные способы и составы в значительной степени включают определенные химические и/или механические структуры/субструктуры, которые одновременно 1) повышают скорость горения и 2) уменьшают температуру сжигания, при этом имеет место высокая скорость высвобождения величины, которая может быть известна как свободная энергия с сопутствующим снижением вредных выделений, повышением мощности, экономичности топлива, пробега и т.д.

Переходные и щелочные металлы, щелочноземельные металлы, галогены, элементы группы IIIA и их смеси (называемые далее "металлами" или "металлическими компонентами") являются ядром изобретения заявителя, которое относится к сжиганию в паровой фазе.

Такое сжигание представляет собой давно ожидаемое решение не только усовершенствования неоптимального сжигания топлива при отсутствии металлов, но также и давно ожидаемое решение проблемы оксидов металлов. Оба они являются единым решением одной и той же проблемы и представляют собой основу изобретения, к которой заявитель добавляет множество составов и способов.

Чистое топливо содержит только соединения со структурой повышенного сгорания ("СПС") и металлические компоненты и называется далее топливом СПС. Топливо СПС может сочетаться с традиционными видами топлива или топливными добавками. Такая комбинация называется далее СПС/дополнительное топливо.

Другие виды чистого топлива и способы включают средства достижения пониженной скрытой теплоты парообразования ("СТП") и/или повышенной скорости горения при наличии соединений СПС, способствующих удовлетворению указанного требования, или без них. Такие виды топлива называются "модифицированным топливом" или дополнительным топливом. К модифицированныму топливу относятся отдельные виды топлива, которые модифицированы в соответствии с задачей изобретения заявителя. Эти виды топлива имеют улучшенную СТП и/или скорость горения ("СГ"). Улучшение этих параметров обеспечивается путем изменения состава соединений, включая модификацию компонентов и температуры перегонки. Однако модифицированное топливо обычно не содержит СПС и/или металлических добавок.

Дополнительное топливо обычно представляет собой традиционные виды топлива, которые могут быть модифицированы или не модифицированы перед добавлением в топливо СПС.

Составы и способы, использующие топливо СПС, СПС/дополнительное топливо или только модифицированное дополнительное топливо, а также описание чертежей и фигур 1-8 приведены в представленных международных заявках PCT/US95/02691 и PCT/US95/06758 и во всех отношениях являются их неотъемлемыми частями.

Изобретение заявителя относится к редкой форме сжигания, известной как сжигание в паровой фазе.

Единство изобретения заявителя основано на этом открытии и решении фундаментальной проблемы сжигания. Одно это изобретение охватывает множество видов топлива и систем сжигания, вытекающих из того же самого открытия. См. поданные мной международные заявки на изобретение PCT/US95/02691, заявлена 2 марта 1995 года, и PCT/US95/06758, заявлена 31 мая 1995 года, приведенные здесь в качестве ссылки.

Изобретение заявителя относится к топливу как содержащему, так и не содержащему металлы. Однако при значительно улучшенных заявителем условиях сжигания применение переходных и щелочных металлов, щелочноземельных металлов, галогенов, элементов группы IIIA и их смеси (называемых далее "металлическими компонентами") настоятельно рекомендуется, поскольку металлы становятся важным и сильнодействующим фактором в процессе сжигания, а не просто топливной добавкой.

Заявитель в общем случае ссылается далее на тепловой коэффициент полезного действия как в его химическом, так и механическом аспекте, т.е. на эффективность процесса сжигания и количество полезной или "чистой" произведенной работы, иными словами, на свободную энергию.

Заявитель открыл радикально увеличенный тепловой к.п.д. и/или эффективность сжигания (что обеспечивает, в частности, увеличение дальности полета, экономии топлива, рабочего потенциала, надежности, подъемной силы, полноты сгорания и т. д.) по сравнению с обычными или реструктурированными видами топлива.

При этом обеспечивается соответствие промышленным стандартам, включая стандарты ASTM, которые относятся к опубликованным стандартам Американского общества испытаний и материалов, 1916 Race St., Филадельфия, Pa. 19103.

Изобретение заявителя относится к повышению 1) скорости горения неэтилированного топлива, содержащего металл, по отношению к традиционным видам топлива путем а) увеличения ламинарной скорости горения (за счет химического состава СПС, модификации процесса дистилляции и/или реструктурирования), б) увеличения турбулентной скорости (химическими или механическими средствами) и/или 2) снижению температуры сжигания химическими средствами, например, за счет повышения теплоты парообразования топлива и т.д. или механическими средствами (например, усовершенствованными системами охлаждения или снижением температуры в камере подачи воздуха).

Таким образом, простота, лежащая в основе изобретения заявителя, позволяет унифицировать множество взаимосвязанных химических и механических элементов, связанных с повышением СТП и СГ.

ХИМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА Изобретение заявителя включает открытие класса химических соединений, которые увеличивают СТП и СГ. Последнее происходит, когда в процессе горения выделяются некоторые свободные радикалы.

Эти соединения называются далее соединениями со структурой повышенного сгорания или соединениями СПС.

СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ Заявитель открыл, что определенные молекулярные силы, возникающие при сжигании, являются ответственными за быструю диффузию тепла и образование реактивных центров в несгоревших газах. Эти силы ответственны за увеличение скорости горения.

Определенные молекулярные свободные радикалы, не ограниченные Н, Н₂, О, О₂, СО, F₂, F₃, F, N, B₂, Bе, BO, B, BF, AL, ALO, СН₃, NН₃, СН, С₂Н₂, С₂Н₅, Li, ONH, NH, NO, NН₂, ОСН₃ (метоксирадикалы), ОСН, ОСН₂ и ОН (гидроксильные радикалы) предполагаются ответственными за такой результат. Дополнительные структуры СПС включают С1, ОСОО, СООН, С₂Н₅OOС, СН₃СО, ОСН₂О, ОСНСО и СОNН₂.

Один из вариантов реализации данного изобретения заключается в том, что указанные радикалы свободно образуются на ранних стадиях процесса сжигания (предпочтительно после зажигания и до полного сгорания, т.е. несгоревшие пары после воспламенения); при этом указанные радикалы в общем случае являются нестабильными и диссоциированными и имеют один или несколько свободных или неиспользованных валентных электронов, которые могут вступать в химическую связь. Чрезвычайно желательно, чтобы они действовали как активные центры в основной цепной реакции горения, в особенности, если горение происходит с участием металлических частиц.

Предпочтительное сжигание обеспечивает выход значительного количества диссоциированных свободных радикалов (например, ОН, СН, СН, NH и т.д.), и/или нестабильных молекул, и/или атомов, которые впоследствии реассоциируют и диссоциируют в процессе сжигания. Это приводит к более длительному сжиганию, способоствующему повышению скорости выхлопа и/или увеличению эффективной рабочей текучей среды. Увеличение скорости выхлопа по сравнению с традиционными составами/способами составляет 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 и более процентов.

Увеличенные скорости выхлопа, достигнутые заявителем, представляют собой значительное отклонение от получаемых ранее значений и являются следствием совместного действия свободных радикалов заявителя с высокой кинетической энергией и металлического компонента. При условиях, определенных заявителем, указанная комбинация приводит к яркому горению в паровой фазе (см. ниже).

Заявитель установил, что для решения этой задачи важным фактором является теплота образования указанных свободных радикалов. В общем случае более низкая теплота образования является предпочтительной. Приемлемые значения теплоты образования указанных свободных радикалов обычно составляют менее 150, 125, 100, 90, 80, 75, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 2 ккал/моль^-1. Из них желательными являются значения теплоты образования, меньшие чем 50 ккал/моль^-1, или отрицательные. Значения теплоты вне этого диапазона также приемлемы. Желательные значения теплоты образования свободных радикалов включают 34 (СН₃), 26 (С₂H₅), 9,3 (ОН), 2,0 (СН₃О) ккал/моль^-1.

Таким образом, предпочтительными являются соединения СПС, которые дают значительную часть радикалов СН₃, СО, ОН и/или СН₃О в процентах по массе в парах предкамерного горения. Предпочтительные структуры радикалов ОН, O, СН₃ и СН₃О, предалагемые заявителем, характерны для метанола, диметилкарбоната ("ДМК") и ме-тилальных соединений СПС (см. ниже).

К реакционноспособным свободным радикалам с высокой кинетической энергией относятся такие радикалы, которые обеспечивают скорость горения, превышающую 47, 48, 49, 50, 51, 52, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 90 или более см/с (ламинарное пламя бунзеновской горелки). Как указано, скорость горения измеряют в см/с в ламинарном бунзеновском пламени.

Благодаря диффузии газов, образующихся до сжигания перед воспламенением или после него и содержащих указанные реакционноспособные кинетические свободные радикалы, импульс/вязкость несгоревшего газа повышается до уровня, максимально близкого к вязкости сгоревшего газа. Это в свою очередь уменьшает вязкостное сопротивление между сгоревшим и несгоревшим газом. Устранение или снижение этого сопротивления значительно повышает скорость горения. Таким образом, диффундирование реакционноспособных свободных радикалов перед фронтом пламени осуществляют путем создания пара предкамерного горения после воспламенения, который является функцией вида топлива и системы сжигания.

Скорость распространения пламени относительно несгоревшего газа в практически образующихся топливно-воздушных остаточных газовых смесях является фундаментальным параметром, который оказывает непосредственное влияние на полезные цели изобретения. При этом максимизация элементарных реакций, в которых участвуют свободные радикалы и которые имеют место в несгоревших газовых парах и/или пламени, и регулирование массы и коэффициента термодиффузии различных газообразных частиц, содержащих указанные радикалы (например, с улучшенной структурой горения), с целью увеличения скорости горения, является четко выраженной реализацией данного изобретения.

Пример 1 Композиция, содержащая свободные радикалы с высокой кинетической энергией в паро/газообразном состоянии, включающая: по меньшей мере один диссоциированный радикал, выбранный из группы, включающей Н, Н₂, О, O₂, СО, F, F₂, F₃, N, В, Be, ВО, В₂, BF, AL ALO, СН₃, NН₃, СН, С₂Н₂, С₂Н₅, Li, ONH, ON, NH, NН₂, ОСН₃, ОСН, ОСН₂, ОН, Cl, CN и/или факультативно - группу, включающую ОСОО, СООН, С₂H₅OOС, СН₃СО, ОСН₂О или CONH₂ и их смесь, При этом теплота образования выбранного радикала составляет менее 628, 523, 419, 377, 335, 314, 293, 251, 209, 167, 126, 84, 42, 21, 8 КДж/моль^-1 (150, 125, 100, 90, 80, 75, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 5, 2 ккал/моль^-1) или является отрицательной, предпочтительно менее 209, 167, 126, 84, 42, 21, 8 КДж/моль^-1 (50, 40, 30, 20, 10, 5, 2 ккал/моль^-1), и факультативно его скорость превышает 47, 48, 49, 50, 51, 52, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 90 или более см/с, более предпочтительно превышает 60, 65 или 70 см/с, и факультативно имеющий по меньшей мере один свободный или неиспользованный валентный электрон, при этом указанный радикал отличается тем, что является активным центром основной цепной реакции горения и может диссоциировать и реассоциировать в процессе горения.

Пример 2 Газообразный топливный пар предкамерного горения ("топливный пар") или способ, в котором кинетические свободные радикалы из примера 1 составляют 2, 5, 8, 10, 12, 15, 17, 20, 25, 30, 40, 50, 60 или более % мас., а предпочтительно более 20% топливного пара предкамерного горения.

Пример 3 Газообразный несгоревший топливный пар предкамерного горения или способ 1, в котором указанный пар снижает вязкостное сопротивление между сгоревшим и несгоревшим газами и факультативно снижает температуру сжигания, при этом указанный пар отличается тем, что увеличивает время горения за счет последовательной реассоциации/диссоциации указанных радикалов до окончательного окисления/сжигания и увеличивает скорости сгоревшего/несгоревшего газов; если указанный пар содержит переходный металл, щелочной металл, щелочноземельный металл, галоген, элемент группы IIIA или их смесь, присходит яркое горение в паровой фазе с образованием частиц оксидов субмикронного размера, при этом скорости выхлопа сгоревших газов повышаются по сравнению со сгоревшими газами традиционного топливного пара, в котором отсутствуют указанные свободные радикалы или металлы.

СОЕДИНЕНИЯ СПС Соединения СПС могут быть твердыми, жидкими, газообразными или смешанными и могут использоваться в различных топливных системах. Жидкие соединения СПС должны растворяться в топливе и предназначены для всех систем с любым состоянием топлива. Твердые соединения СПС обычно применяют в топливных системах с твердым топливом, однако с помощью соответствующих средств их можно вводить в системы с жидким или газообразным топливом.

Соединения СПС можно выбрать из группы, включающей спирты, амины, амиды, оксалаты, сложные эфиры, эфиры двухосновных кислот, гликоли, простые эфиры, альдегиды, кетоны, гликоли, гликолевые эфиры, пероксиды, фонолы, карбоновые кислоты, уксусные кислоты, щавелевые кислоты, борные кислоты, пероксиды, гидропероксиды, сложные эфиры, ортоэфиры, альдегидные кислоты, кетоновые кислоты, оксикислоты, ортокислоты, ангидриды, ацетаты, ацетилы, ортобораты, муравьиные кислоты, нитраты, двойные нитраты, карбонаты, бикарбонаты, нитроэфиры и т.п.

Неограничивающие примеры включают водород, монооксид углерода, метилендиметиловый эфир (известный также как метилаль, диметоксиметан), диметиловый эфир угольной кислоты (известный также как диметилкарбонат, "ДМК"), диэтилкарбонат, метилтретичнобутиловый эфир (МТБЭ), этилтретичнобутиловый эфир (ЭТБЭ), метилтретичноамиловый эфир (МТАЭ), метанол, этанол, пропанол, третичный бутиловый спирт, диметиловый эфир, другие низшие спирты от С₃ до С₆, диметиловый эфир диэтиленгликоля, диэтиловый эфир диэтиленгликоля, диэтиловый эфир диметилового эфира, иэопропиловый эфир, диизопропиловый эфир (ДИПЭ), нитрометан, нитроэтан, нитропропан, закись азота, оксид азота, диоксид азота, озон, вода, газовые гидраты (метангидрат), пероксид водорода, гидропероксиды, кислород и аналогичные соединения. Заявитель полагает, что существует множество других соединений, не идентифицированных до настоящего времени, которые выполняют функцию СПС.

Соединения СПС включают соединения, содержащие карбоэтокси, карбометокси, карбонил, карбонилдиокси, карбокси, этоксалил, глиоксилил, метокси, метилендиокси, гликолил, и/или гидроксильные компоненты, и/или радикалы.

Особенно желательными являются соединения СПС, содержащие дойные связи С=О или C=N. Неограничивающие примеры включают оксалаты, карбонаты, ацетилацетоны, диметилглиоксимы, этилендиаминтетрауксусные кислоты и т.п.

Дополнительные неограничивающие примеры вероятных соединений СПС включают этилен, пропилен, третбутилкумилпероксид, бутилен, 1,2-бутадиен, 1,3-бутадиен, ацетиленовые углеводороды, включающие ацетилен, аллилен, бутин-1, пентин-1, гексин-1; замещенные гидразины, включая метилгидразин, симметричный диметилгидразин, несимметричный диметилгидразин, гидразин; этан, пропан, бутан, диборан, тетраборан, пентаборан, гексаборан, декаборан, борогидрид алюминия, борогидрид бериллия, борогидрид лития, нитрат аммония, нитрат калия, азотную кислоту, азид аммония, перхлорат аммония, перхлорат лития, перхлорат калия, триоксид азота, диоксид азота, азотистоводородную кислоту, дициан, цианистоводородную кислоту, моноэтиланил, ацетилен, борогидрид алюминия, аммиак, анилин, бензол, бутилмеркатптан, диборан, диметиламин, диэтилентриамин, этанол, этиламин, этилендиамин, этиленоксид, этилендиамин, этилнитрат, диметилсульфид, фурфуриловый спирт, гептен, гидразин, водород, изоэтилнитрат, изопропиловый спирт, литий, гидрид лития, метан, метилаль, нетанол, метилнитрат, метиламин, метилацетилен, метилвинилацетилен, моноэтиланилин, нитрометан, нитропропан, нитроглицерин, н-октан, пропан, пропиленоксид, н-пропилнитрат, о-толуидин, триэтиламин, триметиламин, триметилтритиофосфид, скипидар, несимметричный диметилгидразин, ксилидин, 2,3-ксилидин, борогидрид лития, монометилгидразин, пентаборан и т.п.

Другие кандидаты соединений СПС включают дитретбутилпероксид, алкилпероксиды, алкилгидропероксиды, ацетилгидропероксиды. Неограничивающие примеры пероксидов включают третбутилкумилпе-роксид, ди(третамил)пероксид, третбутилгидропероксид, ди(третбутил)пероксид, третамилгидропероксид, ацетил третбутилгидропероксид ((СН₃)₃СООН), циклогексил(ацетил)гидропероксид, этил(ацетил )гидропероксид (С₂Н₅ООН), диацетилпероксид, диэтилпероксид, диметилпероксид, метилгидропероксид (СН₃ООН), ацетилбензоилпероксид, ацетилпероксид, муравьиную кислоту, н,н-диметилмуравьиную кислоту, формамид, метилформиат, алкилнитраты (включая этил-гексилнитрат и изопропилнитрат), 2,5-диметил-2,3- ди(трет-бутилперокси)гексан, ОНС (СН₂)₄СНО; СН₃СНОНСНОНСН₃; (СН₃)₃ССНОНСН₃; СН₂СН₂С(СН₃)(ОН)СН₃; (СН₃)₂СООН; (СН₃)₃СООН; CH₃NО₂; CH₃CCCOH; (CH₃)CCH₂COH; HOCH₂СН₂ОСН₂СН₂ОН; HOCH₂СН₂ОН; ОСН₂СНСНО; (СН₃)₃ССНО; (СН₃)₃ССН(ОН)СН₃; С₅Н₄O₂; НO₂ССН₂СН₂СO₂С₂Н₂; С₃H₇СОСС₂Н; C₅H₈O₂, СН₃СОСНО, этионовую кислоту, метилгликолат, глиоксиловую кислоту, фенилглиоксиловую кислоту, диэтиленгликолевые эфиры, метилформиат, изоамилформиат, 1,2-этандиол, диметиловый эфир 1,2-этандиола, этиленнитрит, этиленнитрат, этиленацетат, этиловый эфир муравьиной кислоты, муравьиную кислоту, глиоксаль, глицериновую кислоту, тетраэтоксиметан, триэтоксиметан, триметоксиметан, щавелевую кислоту, сложный эфир щавелевой кислоты, диметиловый эфир щавелевой кислоты, дипропиловый эфир щавелевой кислоты; фенолы, включая 2-метоксифенол, 3-этокситолуол; ацетилацетон, ангидриды уксусной кислоты, этилацетат, метилацетат, метандиолдиацетат, амилацетат, ацетонилацетат, этановую кислоту, 2,4-пентадион, метандиолдиацетат, этилацетат, пропановую кислоту, этиленоксид, пропиленоксид, нитрат аммония, диазоттетроксид и т.п.

Заявитель полагает, что соединения, которые содержат сильные хелатирующие агенты или становятся таковыми при горении, также являются желательными кандидатами СПС.

Соединения, имеющие следующую структуру и выполняющие функцию СПС, являются желательными: R-OO, R-OO-R, R-COOOCO-R, R-COO-COO-R, R-CO-R, R-COO-R, Н₃СО-R, CO₂-R или R-CO-R, где любое R может быть нулевой или отсутствующей структурой. Само по себе R может быть различным, одинаковым или множественным. R может быть 2(R), 3(R), 4(R), где R может означать водородный, карбэтокси, карбометокси, карбонилдиокси, карбокси, карбил, этоксалил, этокси, этилендиокси, гликолил, глиоксилил, гидрокси, метокси, метил, этил, пропил, бутил, пентил, метилендиокси, ацетонил, ацетокси, ацетил, алкилокси, бензокси или бензоильный радикал.

Очевидно, что различные соединения СПС в различных системах будут вызывать разную реакцию. Так, например, ожидается, что у спиртов будут наблюдаться более низкие температуры горения и выхлопа, чем у эфиров, вследствие разницы в скрытой теплоте парообразования. Ожидается также, что низшие спирты и карбонаты разлагаются в процессе горения с более высокой скоростью по сравнению с некоторыми простыми эфирами.

Заявителем установлена желательность положительной или слабо отрицательной теплоты образования соединения СПС, содержащего указанные реактивные кинетические свободные радикалы. Приемлемые отрицательные значения теплоты образования соединений СПС включают меньшие или примерно равные -837, -754, -670, -628, -607, -544, -502, -419 кДж/моль (-200, -180, -160, -150, -145, -130, -120, -100 ккал/моль), более предпочтительно меньшие чем примерно -377, -335, -314, -293, -272 кДж/моль (-90, -80, -75, -70, -65 ккал/моль) и наиболее предпочтительно меньшие чем примерно -251, -230, -209, -188, -167, -147, -126, -84, -42 кДж/моль (-60, -55, -50, - 45, -40, -35, -30, -20, -10 ккал/моль) или положительные значения. Чем ближе к положительному значению или чем выше положительное значение, тем более предпочтительно.

Для снижения температуры горения желательно, чтобы указанная паровая структура и/или соединение СПС сами имели высокую скрытую теплоту парообразования (энтальпию парообразования), в особенности равные или большие 28,0 Дж/кмоль^-1, в точке кипения соединений. Другие энтальпии испарения (в точке кипения) являются равными или большими чем 21, 22, 23, 24, 26, 27, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 40, 42, 43, 45, 47 Дж/кмоль^-1 или более высокими. В общем случае - чем выше, тем лучше.

Более высокая скрытая теплота парообразования дополнительно увеличивает объемный коэффициент полезного действия за счет охлаждения подводимой загрузки, поскольку топливо испаряется и должно повышать плотность энергии.

Кроме того, особенно желательно, чтобы указанная паровая структура или соединение СПС сами имели высокую скорость горения. Как правило, при сжигании на воздухе скорость горения (как функция собственного строения компонентов, измеряемая в ламинарном бунзеновском пламени) должна быть равной или большей чем 40, 43, 45, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 см/с.

Соединения СПС в паровом состоянии, которые легко разлагаются и/или диссоциируют при высокой температуре с образованием значительного количества кинетических свободных радикалов при сжатии, зажигании, после зажигания, во время предкамерного горения или при сгорании, являются желательными. Предпочтительно после зажигания. Желательно также, чтобы разложение проходило при пониженном, нормальном или повышенном давлении относительно нормального давлении сжатия.

Чрезвычайно желательно, чтобы диссоциация воздействовала на быстро диффундирующие несгоревшие пары, содержащие указанные свободные радикалы перед фронтом пламени, в котором горят и соединения металла, при этом происходит горение в паровой фазе.

Предпочтительная температура кипения соединений СПС должна быть ниже 350^oC, 325^oC, 300^oC, 275^oC, 250^oC, 225^oC, 200^oC, 175^oC, 170^oC, 160^oC, 150^oC, 140^oC, 130^oC, 120^oC, 110^oC, 105^oC и 100^oC. Предпочтительная скрытая теплота парообразования соединений СПС при 16^oC (60^oF) должна быть равной или большей 174, 233, 256, 279, 302, 314, 326, 337, 349, 361, 372, 384, 395, 419, 442, 465, 488, 512, 535, 558, 582, 628, 675, 698, 756, 814, 872, 930, 989, 1047, 1105, 1163 кДж/кг (75, 100, 110, 120, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 150, 160, 165, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 270, 290, 300, 325, 350, 375, 400, 425, 450, 475, 500 британских тепловых единиц (БТЕ)/фунт) или более. В общем случае предпочтительно, чтобы скрытая теплота парообразования соединений СПС была по меньшей мере равной или более предпочтительно большей на 0,5%, 1,0% 1,5%, 2,0%, 2,5%, 5,0%, 7,5%, 10%, 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%, чем у любого немодифицированного основного или дополнительного топлива, к которому может быть добавлено соответствующее соединение. Обычно, чем выше это различие, тем лучше. Заявитель установил, что, чем выше относительная разность теплоты парообразования, тем больше можно охладить подаваемую загрузку топлива и тем больше повысить объемный к.п.д.

При этом скорость горения соединений СПС может измеряться отдельно или в присутствии предпочтительного соединения металла. Скорость горения соединений СПС в присутствии соединения металла в общем случае предполагается большей, чем в его отсутствие.

В общем случае ламинарная скорость распространения пламени должна превышать 30, 32, 34, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 44, 45, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55 см/с. Чем выше, тем лучше. Предпочтительно, чтобы скорость распространения пламени любого соединения СПС, измеренная в ламинарном бунзеновском пламени, была по меньшей мере выше на 0,05% - 1,0%, 1,0% - 3,0%, 2,0% -4,0%, 3,0% - 6,0%, 5,0% - 10,0%, 7,0% - 20,0%, 8,0% - 30,0%, 10,0% - 40,0%, 15,0% - 60,0%, 30,0% - 200,0%, 50,0% - 300,0% или более, чем у основного или дополнительного топлива, к которому может быть добавлено соответствующее соединение СПС.

Предпочтительно, чтобы соединения СПС быстро разлагались при температуре, которая немного или умеренно превышает температуру воспламенения, но является более низкой, чем температура горения. Допускается разложение при более высоких или даже более низких температурах, включая температуры ниже температуры воспламенения. Однако в случае бензинового топлива температур ниже температуры воспламенения следует избегать. В случае турбореактивного топлива, которое может действовать как поглотитель тепла, желательна тепловая устойчивость как в жидкой, так и в паровой фазе до 165^oC, 205^oC, 220^oC, 260^oC, 280^oC, 300^oC, 320^oC, 350^oC или более.

Предпочтительно, чтобы не полностью сгоревшие соединения СПС быстро разлагались при выделении в атмосферу после сжигания. Предпочтительное разложение должно иметь период полураспада менее 20, 15, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 дня и более предпочтительно - период полураспада менее 24, 22, 20, 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6, 4, 2 часов или еще меньше. Наиболее предпочтительные периоды полураспада составляют менее 1,0, 0,5, 0,25 часа или еще меньше.

Предпочтительно, чтобы соединения СПС были термостабильными при нормальной обращении и рабочих температурах в жидком или парообразном состоянии примерно до 66^oС, 121^oC, 149^oC, 177^oC, 204^oС, 232^oC, 260^oC, 288^oC, 316^oС, 343^oC, 371^oC (150^oF, 250^oF, 300^oF, 350^oF, 400^oF, 450^oF, 500^oF, 550^oF, 600^oF, 650^oF, 700^oF), но легко разлагались в парообразном состоянии при температурах, несколько превышающих указанные выше, или в пределах от 149^oС до 593^oC, от 204^oС до 538^oС, от 260^oС до 482^oC, от 343^oC до 427^oC(от 300^oF до 1100^oF, от 400^oF до 1000^oF, от 500^oF до 900^oF, от 650^oF до 800^oF), более предпочтительно от 288^oС до 492^oC (от 550^oF до 900^oF). Однако разложение может происходить и при температурах, отличных от указанных диапазонов, и/или, например, во время впрыска, сжатия, перед воспламенением, после воспламенения и/или при горении. Оптимальная температура разложения будет варьировать в зависимости от условий и зависит от вида топлива и применяемой системы сжигания.

Предпочтительные соединения СПС имеют относительно простую молекулярную структуру. Предпочтительные характеристики топливных цепных органических соединений СПС заявителя имеют ограниченное количество атомов углерода в цепи, предпочтительно 6, 5, 4, 3 или менее. Более предпочтительно 3, 2 или 1 атом углерода. В общем случае чем меньше длина углеродной цепи, тем более предпочтительным является соединение СПС.

Для жидкого топлива приемлемыми являются соединения СПС, имеющие температуру вспышки примерно -101^oС, -93^oС, -84^oC, -82^oС, -29^oC, -32^oC, -23^oC, -18^oC, 4^oС, 10^oС, 77^oС, 138^oС (-150^oF, -135^oF, -120^oF, -115^oF, -20^oF, -25^oF, -10^oF, O^oF, 40^oF, 50^oF, 170^oF, 280^oF), выше или ниже. Для топлива, предназначенного для реактивной авиации, и других аналогичных видов топлива желательна температура вспышки более 30^oC, 38^oС, 40^oС, 60^oC, 70^oС, 80^oС, 90^oС, 100^oC, 105^oC, 110^oС, 120^oС, 130^oC и выше.

Предпочтительными являются соединения СПС, которые не вызывают неблагоприятного повышения давления пара и не снижают температуру воспламенения дополнительного топлива при температуре окружающей среды или при рабочих температурах. Приемлемое давление паровой смеси составляет от 3,5 до 352 кПа (от 0,5 до 50 фунт/кв.дюйм). Более желательным давлением паровой смеси является диапазон от 3,5 до 84, от 3,5 до 70, от 3,5 до 63, от 3,5 до 56, от 3,5 до 49, от 3,5 до 42, от 3,5 до 35 кПа или от 3,5 до 21, от 3,5 до 11, от 3,5 до 7 кПа, от 0,35 до 3,5 кПа или менее (от 0,5 до 15,0, от 0,5 до 12,0, от 0,5 до 10,0, от 0,5 до 9,0, от 0,5 до 8,0, от 0,5 до 7,0, от 0,5 до 6,0, или от 0,5 до 5,0 фунт/кв. дюйм, или от 0,5 до 3,0, от 0,5 до 1,5, от 0,5 до 1,0 фунт/кв. дюйм, от 0,05 до 0,5 или менее). Индивидуальные величины давления пара включают 3,5, 7, 11, 14, 21, 25, 28, 32, 35, 38, 39, 40, 41, 43, 44, 46, 48, 49, 50, 51, 54, 57, 58 кПа (0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,5, 5,0, 5,4, 5,6, 5,7, 5,9, 6,1, 6,3, 6,6, 6,8, 6,9, 7,1, 7,2, 7,5, 7,6, 7,7, 8,1, 8,3 фунт/кв.дюйм). Давление смеси паров менее 281, 246, 211, 176, 155, 141, 127, 112, 105, 98, 95, 91, 90, 88, 87, 86, 84, 83, 81, 79, 77, 76, 74, 72, 70, 69, 67, 66, 65, 64, 63, 62, 60, 58, 57, 56, 55, 54, 53, 52, 51, 50, 49, 48, 47, 46, 45, 44, 43, 42, 41, 40, 39, 38, 37, 36, 35, 34, 33, 32, 31, 30, 29, 28, 27, 26, 25, 23, 22, 21, 20, 18, 15, 14, 13, 12, 11, 10,5, 9,8, 9,1, 8,4, 7,7, 7,0, 6,3, 5,6, 4,9, 3,5, 1,4 кПа (40, 35, 30, 25, 22, 20, 18, 16, 15, 14, 13,5, 13,0, 12,8, 12,5, 12,4, 12,2, 12,0, 11,8, 11,5, 11,2, 11,0, 10,8, 10,5, 10,2, 10,0, 9,8, 9,5, 9,4, 9,2, 9,1, 9,0, 8,8, 8,5, 8,3, 8,2, 8,1, 8,0, 7,9, 7,8, 7,7, 7,6, 7,5, 7,4, 7,3, 7,2, 7,1, 7,0, 6,9, 6,8, 6,7, 6,6, 6,5, 6,4, 6,3, 6,2, 6.1, 6,0, 5,9, 5,8, 5,7, 5,6, 5,4, 5,3, 5,2, 5.1, 5,0 4,9, 4,8, 4,7, 4,6, 4,5, 4,4, 4,3, 4,2, 4.1, 4,0 3,9, 3,8, 3,7, 3,5, 3,3, 3,2, 3.1, 3,0 2,9, 2,8, 2,5, 2,2, 2,0 1,9, 1,8, 1,7, 1,6, 1,5, 1,4, 1,3, 1,2, 1.1, 1,0 0,9, 0,8, 0,7, 0,5, 0,2 фунт/кв.дюйн) является приемлемым.

Давление пара и температуру вспышки можно снижать или регулировать с помощью дополнительного растворителя и/или соли описанным ниже способом.

Пример 4 Соединение СПС, содержащее: углеродную цепь с максимальной длиной 5, 4, 3, 2 или 1 атом углерода; отрицательная теплота образования -377, -251 кДж/моль (-90, -60 ккал/моль) или менее, включая положительную теплоту образования; точка плавления - менее 20, 10, 5, 0, -10, -20, -30, -50^oC или ниже; температура кипения - более 25, 30, 40, 42, 43, 44, 60, 80, 90, 100, 110, 120, 140^oC или выше, скорость распространения ламинарного бунзеновского пламени выше 40, 45, 48, 50, 55, 60, 65 или 70 см/с; скрытая теплота парообразования выше 186, 209, 233, 279, 302, 309, 326, 333, 337, 344, 349, 354, 361, 372, 384, 395, 407, 419, 430, 442, 454, 465, 477, 488, 500, 512, 535, 547, 558, 582, 698, 884, 930, 1047, 1163 кДж/кг (80, 90, 100, 120, 130, 133, 140, 143, 145, 148, 150, 152, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195, 200, 205, 210, 215, 220, 230, 240, 250, 300, 380, 400, 450, 500 БТЕ/фунт) при 16^oС (60^oF); термически стабильное в жидком или парообразном состоянии до 93^oC, 121^oС, 149^oC, 177^oC, 204^oC, 232^oC, 246^oC, 260^oC, 288^oC, 316^oC, 343^oС, 371^oC, 399^oC (200^oF, 250^oF, 300^oF, 350^oF, 400^oF, 450^oF, 475^oF, 500^oF, 550^oF, 600^oF, 650^oF, 700^oF, 750^oF), после чего происходит быстрое разложение на свободные радикалы с высокой кинетической энергией, включая по меньшей мере один или несколько свободных радикалов, выбранных из группы, включающей Н, H₂, О, О₂, CO, F, F₂, F₃, N, В, Be, ВО, В₂, BF, Al, AlO, СН₃, NН₃, СН, С₂Н₂, С₂Н₅, Li, ONH, NH, NН₂, ОСН₃, ОСН, ОСН₂, ОН и их смеси.

Прииер 5 Пример 4, в котором соединение СПС растворимо в топливе и, возможно, имеет массовое содержание кислорода, приблизительно равное 1%, 3%, 5%,