Состав топлива

Состав топлива

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горючим соединениям, предназначенным для двигателей внутреннего сгорания. Более конкретно оно относится к способу эксплуатации бензиновых и дизельных двигателей с использованием в составе топлива присадки, обеспечивающей создание в цилиндре дополнительного электростатического давления, что позволяет повысить тепловой коэффициент полезного действия и снизить токсичность отработавших газов.

Известно включение в состав углеводородного топлива различных металлоорганических соединений (см. патенты US №2818417, класс 556-47 (260-429), опубликован 31.12.57 г., US №2839552, класс 556-47 (260-429), опубликован 17.06.58 г., RU №2066341, класс C 10 L 1/18, опубликован 10.09.96 г.). Применение металлорганических соединений позволяет повысить полноту сгорания и снизить токсичность отработавших газов за счет каталитического ускорения реакции горения.

Однако включение металлорганических соединений в состав топлива создает целый ряд проблем, а именно увеличивает износ двигателя за счет образования твердых продуктов сгорания, кроме того, оказывает вредное действие на свечи зажигания и каталитические фильтры.

Известно включение в состав углеводородного топлива смеси из органических и элементоорганических соединений, содержащих металлы, кремний или галогены (см. патенты: RU №2182163, класс C 10 L 1/02, 1/10, 1/14, 10/02, опубликован 10.05.2002 г., RU №2057787, класс C 10 L 1/18, 1/22, 1/28, опубликован 10.04.96 г.), что позволяет улучшить сгорание топлива, повысить тепловую эффективность и снизить токсичность выбросов.

Однако присутствие в топливе металлов или кремния способствует повышению износа двигателя и сокращению срока службы каталитических фильтров, а наличие галогенов усиливает коррозию металлических частей.

Известен состав топлива, не содержащий металлы и галогены (см. патент US №5906665А, класс 44-459 (C 10 L 1/16), опубликован 24.09.96 г.), в котором для повышения эффективности сгорания добавлен ультравысокомолекулярный полиизобутилен.

При термическом крекинге полиизобутилена, сопровождающем горение топлива, образуются асфальтоподобные вещества, из-за чего резко увеличивается нагарообразование в камере сгорания, приводящее к снижению эффективности работы двигателя, появлению калильного зажигания и ускорению износа поршневой группы. Кроме того, присутствие в топливе полиизобутилена приводит к накоплению отложений в топливной аппаратуре, что также вызывает нарушение работы двигателя.

Кроме того, в перечисленных выше составах топлива эффект повышения теплового коэффициента полезного действия двигателя достигается только за счет увеличения полноты сгорания и не связан с ионными процессами в цилиндре, поскольку для значимого влияния на эти процессы, соединения в составе топлива должны обладать существенной способностью образовывать вокруг заряженных частиц газа устойчивую ионную атмосферу. Показателем такой способности является поляризуемость молекул соединения во внешнем электрическом поле центрального иона. Мерой поляризуемости является молярная рефракция - функция показателя преломления вещества, его молекулярной массы и плотности, не зависящая от агрегатного состояния и температуры. Молярная рефракция, Rm, м³/моль, определяется по формуле:

Rm=(n²-1)/(n²+1) M/ρ,

где n - показатель преломления;

М - молекулярная масса, кг/моль;

ρ - плотность, кг/м³.

Молярные рефракции известных присадок имеют значения сравнительно невысокие, не превышающие 3·10^-5 м³/моль, поэтому такие присадки практически не влияют на ионные процессы при горении топлива и не создают за счет этих процессов прироста теплового коэффициента полезного действия двигателя.

Заявители обнаружили у ряда органических веществ с высокой поляризуемостью, характеризующейся значениями молярной рефракции, не меньшими 5·10^-5 м³/моль, свойства, которые в процессе горения топлива обеспечивают быстрое накопление избытка отрицательных ионов в камере сгорания за счет их диффузии от внутренней поверхности цилиндра в его объем, что приводит к созданию электростатического давления взаимно отталкивающихся одноименных зарядов на рабочую поверхность поршня. Появление такого электростатического давления обусловлено превращением части тепловой энергии молекул продуктов сгорания в потенциальную энергию ионов в электростатическом поле объемного заряда. При увеличении рабочего объема за счет движения поршня эта потенциальная энергия полностью превращается в полезную работу. Таким образом, суммарная доля теплоты, превращаемая в работу при наличии электростатической составляющей энергии, больше, чем в адиабатическом процессе расширения, который происходит в отсутствие ионной диффузии. Добавление в топливо органических веществ с указанными свойствами в виде присадки обеспечивает повышение теплового коэффициента полезного действия двигателя и уменьшение токсичности отработавших газов за счет понижения рабочей температуры в цилиндре. Кроме того, отсутствие в продуктах сгорания твердых частиц и галогенов в сочетании с пониженной температурой горения способствует уменьшению износа двигателя и продлению срока службы каталитических фильтров.

Суть изобретения заявителей заключается в решении фундаментальной проблемы, касающейся низкой эффективности термодинамического цикла, реализуемого в двигателе внутреннего сгорания. Органические вещества с обнаруженными свойствами, введенные в виде присадки в смесь жидких углеводородов, за счет высокой поляризуемости, характеризуемой значениями молярной рефракции, не меньшими 5·10^-5 м³/моль, способны создавать устойчивые сольватные оболочки вокруг отрицательных ионов, образующихся преимущественно в процессе горения при столкновении свободных радикалов с внутренней металлической поверхностью камеры сгорания. Это способствует диффузии ионов от внутренней поверхности цилиндра в его объем и накоплению избыточного объемного отрицательного заряда, создающего значительное электростатическое давление за счет взаимного отталкивания одноименно заряженных ионов. Таким образом, на стадии процесса горения существенная часть тепловой энергии горения топлива запасается в форме потенциальной электрической энергии сближенных одноименных зарядов. На стадии расширения рабочего газа эта потенциальная энергия полностью преобразуется в механическую работу. Такой термодинамический цикл характеризуется более высоким коэффициентом полезного действия и пониженной температурой рабочего газа, что обеспечивает снижение тепловых потерь и препятствует образованию многих вредных примесей.

По настоящему изобретению предлагается состав топлива на основе смеси жидких углеводородов, включающий небольшое количество присадки, растворимой в топливе, содержащей органическое соединение, имеющее значение молярной рефракции не менее 5·10^-5 м³/моль.

Смеси жидких углеводородов включают бензины и дизельные топлива и могут состоять преимущественно из углеводородов или могут содержать дополнительные компоненты, такие как спирты или эфиры. Топлива могут также включать одну или несколько добавок, таких как антидетонационные присадки, антистатики, антиоксиданты, ингибиторы коррозии, цетанповышающие и другие известные добавки.

Присадка представляет собой соединение, имеющее следующую формулу:

где R₁ - замещенный или незамещенный арильный, алкильный или алкенильный радикал;

R₂ - водород, арильный или алкильный радикал;

Х - замещенная или незамещенная аминогруппа, замещенный или незамещенный арильный, алкильный или алкенильный радикал.

Примерами указанных соединений могут являться дибензальацетон (значение молярной рефракции равно 7.29·10^-5 м³/моль), N-фениламид салициловой кислоты (значение молярной рефракции равно 6.04·10^-5 м³/моль), N,N'-диметил-N,N'-дифенилмочевина (значение молярной рефракции равно 7.22·10^-5 м³/моль), N,N'-дифенил-N,N'-диэтилмочевина (значение молярной рефракции равно 8.15·10^-5 м³/моль) или N,N'-диизопропил-N,N'-дифенилмочевина (значение молярной рефракции равно 9.08·10^-5 м³/моль). Могут использоваться и другие соединения, удовлетворяющие вышеуказанным требованиям.

Предпочтительным является состав топлива, в котором присадка содержится в концентрации от 0,01 до 2 мас.%.

Присадку в смесь жидких углеводородов можно ввести любым известным способом. Обычно ее вводят в виде концентрата, содержащего присадку и жидкий носитель, совместимый с топливом, причем присадка диспергируется в жидком носителе. Такие концентраты содержат предпочтительно от 5 до 50 мас.% присадки, предпочтительно в виде раствора в нефтепродукте. В качестве жидких носителей можно использовать органические растворители, включающие углеводородные растворители, например, нефтяные фракции, ароматические углеводороды, парафиновые углеводороды. Жидкий носитель должен выбираться с учетом его совместимости с присадкой и топливом.

Предпочтительно, чтобы жидкое углеводородное топливо представляло собой бензин или дизельное топливо.

Сравнительные испытания предлагаемого состава топлива и товарных марок бензина и дизельного топлива показали существенные эксплуатационные преимущества заявленного состава топлива, которые заключаются в снижении количества вредных выбросов и повышению теплового коэффициента полезного действия двигателя (таблица 1), а также уменьшении износа двигателя в 1,5...2,0 раза, отсутствии вредного влияния на свечи зажигания и продлении срока службы каталитических фильтров на 20...40%.

1. Состав топлива на основе смеси жидких углеводородов, включающий небольшое количество присадки, растворимой в топливе, представляющей собой органическое соединение общей формулы:

или

где R₁ - замещенный или незамещенный арильный, алкильный или алкенильный радикал;

R₂ - водород, арильный или алкильный радикал;

Х - замещенная или незамещенная аминогруппа, замещенный или незамещенный арильный, алкильный или алкенильный радикал, и имеющее значение молярной рефракции (Rm) не менее 5,0·10^-5 м³/мoль.

2. Состав топлива по п.1, отличающийся тем, что присадка содержится в концентрации 0,01-2 мас.%.

3. Состав топлива по п.1, отличающийся тем, что смесью жидких углеводородов является бензин или дизельное топливо.