Способ снижения выбросов твердых частиц

Способ снижения выбросов твердых частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к смазочным маслам, в частности к применению смазочных масел с низким содержанием серы для снижения выбросов твердых частиц для дизельного двигателя, снабженного улавливателем твердых частиц.

Дизельные двигатели обычно используются в автомобилях индивидуального пользования и автомобилях для коммерческих перевозок, в особенности в таких автомобилях для коммерческих перевозок, таких как автобусы и грузовые автомобили. Известно, что выбросы дизельных двигателей могут содержать оксиды углерода, оксиды азота, оксиды серы, углеводороды и твердые частицы. Необходимо снижать эти выбросы в целом или по отдельности. Хотя часть выбросов образуется из топлива, которое сгорает в двигателе, смазочное масло, которое применяется для смазки двигателя, также может приводить к выбросам из выхлопной трубы, например, за счет прямого выброса продуктов сгорания масла или за счет влияния на рабочие характеристики улавливателя.

В частности, считается, что выбросы твердых частиц из двигателя по меньшей мере частично зависят от содержания серы в топливе. Поэтому в дополнение к тому преимуществу, что низкое содержание серы благоприятно для устройств дополнительной обработки, в последние годы наблюдается тенденция к снижению содержания серы в топливах для двигателей внутреннего сгорания.

Несмотря на тенденцию к применению малосернистых топлив, в связи с введением все более строгого контроля за выбросами твердых частиц во многих регионах мира, например, в ЕС (Европейский Союз) и США, таких как предельно допустимые нормы выбросов твердых частиц в городах таких штатов, как Калифорния, и в штатах северо-востока США, может быть введено требование по установке улавливателей твердых частиц на дизельных двигателях.

Показано, что улавливатели твердых частиц эффективны для улавливания твердых частиц, образующихся при сгорании. Во время сгорания и в особенности в присутствии катализатора окисления в каталитических улавливателях твердых частиц часть серы, содержащейся в топливе, образует сульфаты. При наличии улавливателя твердых частиц большая их часть должна оставаться в улавливателе твердых частиц. Однако при некоторых условиях эксплуатации, когда температура улавливателя повышается, происходит выброс этого вещества и наряду с выбросами летучих веществ, которые теперь проходят прямо через улавливатель, оно может конденсироваться после улавливателя, что приводит к образованию большого количества зародышеобразующих частиц.

Эти чрезвычайно мелкие зародышеобразующие частицы обычно обладают диаметром, равным 30 нм или менее, таким как находящийся в диапазоне от 1 до 30 нм включительно, например в диапазоне от более 3 до 30 нм включительно. Хотя более крупные углеродистые частицы (накапливающиеся частицы) образуют большую часть выбросов твердых частиц, а зародышеобразующие частицы составляют относительно небольшую по массе часть выбросов твердых частиц, обнаружено, что эти зародышеобразующие частицы могут вносить значительный вклад в полное количество твердых частиц, содержащихся в выбросах.

Поэтому необходимо снизить количество этих зародышеобразующих частиц в выбросах.

Согласно изобретению мы неожиданно обнаружили, что концентрацию зародышеобразующих частиц в выбросах дизельных двигателей, попадающих в улавливатель твердых частиц, можно значительно снизить путем применения смазочного масла для двигателя, обладающего низким содержанием серы (малосернистого смазочного масла), в комбинации с топливом, обладающим низким содержанием серы (малосернистым топливом).

Таким образом, настоящее изобретение относится к применению смазочного масла для двигателя, обладающего низким содержанием серы, в комбинации с топливом, обладающим низким содержанием серы, для снижения выброса зародышеобразующих частиц дизельным двигателем, снабженным улавливателем твердых частиц.

Согласно изобретению обнаружено, что применение малосернистого смазочного масла вместе с малосернистым топливом, предлагаемое в настоящем изобретении, значительно снижает выбросы зародышеобразующих частиц по сравнению со случаем применения обычного смазочного масла вместе с малосернистым топливом.

Согласно изобретению неожиданно обнаружено, что снижение выбросов зародышеобразующих частиц значительно больше, чем можно было бы ожидать на основании снижения содержания серы только в смазочном масле.

Таким образом, другой вариант выполнения настоящего изобретения относится к способу снижения количества зародышеобразующих частиц в выбросах дизельного двигателя, снабженного улавливателем твердых частиц, и этот способ включает применение смазочного масла для двигателя, обладающего низким содержанием серы, в комбинации с топливом, обладающим низким содержанием серы.

Настоящее изобретение особенно полезно, когда улавливатель твердых частиц является каталитическим улавливателем твердых частиц, который включает и катализатор окисления, и фильтр. Примером такого улавливателя является непрерывно регенерирующийся улавливатель (CRT^{TRADE MARK}). При сгорании топлива большая часть всей содержащейся серы превращается в диоксид серы и относительно небольшое количество, обычно 1-2%, превращается в сульфаты. Эти сульфаты могут действовать как предшественники образования твердых частиц. В присутствии фильтра твердых частиц, но при отсутствии катализатора окисления газ, образовавшийся при сгорании топлива (и смазочного масла), попадает на фильтр, который улавливает по меньшей мере часть твердых частиц, образовавшихся из газа. Однако уловленные частицы могут быстро заблокировать фильтр и для выжигания твердых частиц (в виде СО₂) необходима высокая температура, которая обычно не достигается в улавливателе. Газ сначала соприкасается с катализатором окисления, где, например, компоненты, такие как содержащийся в газе диоксид серы, окисляются до сульфатов. Затем окисленный газ попадает на фильтр, который может улавливать твердые частицы. В непрерывно регенерирующемся улавливателе по меньшей мере часть захваченных твердых частиц выжигается из фильтра посредством реакции с продуктами окисления, образовавшимися на катализаторе, такими как диоксид азота (который образуется при окислении частиц NO_x, содержащихся в газах, выделяющихся при горении). Эти реакции протекают при более низких температурах, чем те, которые в противном случае были бы необходимы для выжигания твердых частиц, и при температурах, которые могут быть достигнуты в улавливателях, установленных на дизельных двигателях, и, следовательно, улавливатель непрерывно регенерируется. Однако сульфаты не выжигаются, а при высоких температурах повторно улетучиваются, что создает возможность их повторного образования в виде твердых частиц после прохождения улавливателя.

Дизельным двигателем может быть любой подходящий дизельный двигатель, но предпочтителен дизельный двигатель тяжелого режима работы.

Предпочтительно, чтобы малосернистое топливо обладало содержанием серы, равным менее 100 част./млн (по массе), таким как менее 50 мас.част./млн. Более предпочтительно, чтобы содержание серы в топливе составляло менее 20 мас.част./млн, а наиболее предпочтительно - 10 мас.част./млн или менее.

Предпочтительно, чтобы малосернистое смазочное масло обладало содержанием серы, равным менее 0,4% (по массе), таким как менее 0,3%. Более предпочтительно, чтобы содержание серы в смазочном масле составляло менее 0,2%, а наиболее предпочтительно - менее 0,15%.

Известной присадкой для смазочных масел для дизельных двигателей является диалкилдитиофосфат цинка (ЦДДФ). Он применяется в качестве противоизносной, антиоксидантной и ингибирующей коррозию присадки. Однако эта присадка содержит серу. Поэтому согласно другому объекту настоящего изобретения смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ, составляющим не более 0,8 мас.%, предпочтительно - не более 0,4 мас.%, а наиболее предпочтительно, если оно в основном не содержит ЦДДФ.

Смазочное масло может содержать одну или большее количество противоизносных присадок, которые, по меньшей мере частично, можно применять для замены ЦДДФ, такие как противоизносные присадки, выбранные из группы, включающей (а) соединения, содержащие молибден, такие как дитиокарбамат молибдена (МОДТК), дитиофосфат молибдена и амины молибдена, (б) модификаторы трения на органический основе, такие как олеамиды, кислоты, амины, спирты, фосфатные сложные эфиры и глицеринмоноолеаты, и (в) моющие средства салицилатного типа, такие как салицилат кальция и салицилат магния.

Смазочное масло может содержать одну или большее количество антиоксидантных присадок, которые, по меньшей мере частично, можно применять для замены ЦДДФ. Предпочтительно, чтобы не менее чем одна антиоксидантная присадка могла быть выбрана из группы, включающей ароматические амины и фенольные соединения, такие как стерически затрудненные фенолы.

Смазочное масло может содержать одну или большее количество ингибирующих коррозию присадок, которые, по меньшей мере частично, можно применять для замены ЦДДФ. Предпочтительно, чтобы ингибирующие коррозию присадки могли быть выбраны из числа обычных не содержащих серы моющих присадок.

Смазочное масло может содержать одну или большее количество других присадок, которые могут быть известны специалисту в данной области техники в качестве присадок к смазочным маслам. Такие присадки могут включать одну или большее количество противопенных присадок, средств улучшения индекса вязкости и диспергирующих средств.

Настоящее изобретение будет проиллюстрировано приведенными ниже примерами и чертежами, на которых представлено следующее:

На фиг.1 приведены данные по выбросам твердых частиц в пересчете на массу (в г/кВт·ч) в соответствии со стандартным испытанием ЕСЕ Reg.49 (далее также используется обозначение R49) для комбинаций мало- и высокосернистых топлив (МСТ и ВСТ) и мало- и высокосернистых смазочных масел (МСМ и ВСМ) в присутствии и при отсутствии CRT.

На фиг.2 приведены данные по полным выбросам твердых частиц (количество частиц/кВт·ч) для комбинаций мало- и высокосернистых топлив и мало- и высокосернистых смазочных масел, измеренные с помощью сканирующего прибора по определению распределения частиц по размерам по подвижности (РЧРП) и с помощью прибора для мониторинга сверхмелкодисперсных твердых частиц (МСЧ).

Примеры

Испытания проведены на дизельном двигателе тяжелого режима (ТР) работы (дизельный двигатель объемом 11 л (21 цилиндр) с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, снабженном электронным оборудованием для впрыска топлива). Испытаны 2 разных топлива. Топливо 1 представляло собой малосернистое топливо, содержащее 0 мас.част./млн серы и соответствующее спецификациям EN-590. Топливо 2 представляло собой высокосернистое топливо и было приготовлено путем прибавления серы к образцу топлива 1 при содержании серы, равном 50 мас.част./млн.

Испытаны 2 смазочных масла. Первым являлось обычное смазочное масло, содержащее 0,75 мас.% серы производства фирмы Castrol, в настоящем изобретении обозначенное как "высокосернистое". Вторым являлось низкосернистое смазочное масло на синтетической основе SAE 5W-30, содержащее 0,14 мас.% серы, в котором содержание ЦДДФ было сниженным по сравнению с обычным смазочным маслом, так что содержание ЦДДФ составляло 0,38 мас.%, и в качестве дополнительной противоизносной присадки использовался олеамид.

Испытания проведены с применением и без применения непрерывно регенерирующегося улавливателя (CRT) производства фирмы Johnson Matthey.

Измерения размеров частиц выполняли с помощью сканирующего прибора по определению распределения частиц по размерам по подвижности TSI 3071 (РЧРП) (сканирование в диапазоне 7-320 нм) и с помощью прибора для мониторинга сверхмелкодисперсных твердых частиц (МСЧ) (проводился подсчет полного количества частиц размером > 3 нм).

Испытания проведены в условиях испытания ЕСЕ Reg.49. Для двигателей, изготовленных до 2000 г., это является стандартным для Европы испытанием на соответствие требованиям для дизельных двигателей тяжелого режима работы.

Цикл испытания R49 требует испытания двигателя в 13 стационарных режимах при различных условиях скорость/нагрузка. В каждом режиме измеряли выбросы и данные объединяли в соответствии с процедурой регулирования с целью получения одного результата для цикла. Для исследования выбросов частиц в стандартном способе проведения испытания измеряется масса частиц, образовавшихся при каждом режиме. Поэтому результаты представляют собой суммарную полную массу частиц, образовавшихся в пересчете на 1 кВт·ч мощности.

В приведенных примерах полное количество твердых частиц в выбросе измеряли с помощью стандартного сканирующего прибора по определению распределения частиц по размерам по подвижности TSI 3071 (РЧРП) (сканирование в диапазоне 7-320 нм) и с помощью прибора для мониторинга сверхмелкодисперсных твердых частиц (МСЧ) (проводился подсчет полного количества частиц размером >3 нм).

Затем эти результаты объединяли и получали объединенное значение выброса твердых частиц для режимов цикла R49 в виде количества частиц в пересчете на 1 кВт·ч. Объединение проводили таким же образом, как для процедуры регулирования при определении массы выбросов твердых частиц в испытании R49.

Для сопоставления на фиг.1 приведены данные по выбросам твердых частиц в пересчете на массу (в г/кВт·ч) в соответствии со стандартным испытанием ЕСЕ Reg.49 для комбинаций мало- и высокосернистых топлив (МСТ и ВСТ) и мало- и высокосернистых смазочных масел (МСМ и ВСМ) в присутствии и при отсутствии CRT.

Можно видеть, что при отсутствии CRT выбросы, представленные в виде массы частиц, являются приблизительно одинаковыми. Значительных изменений массы выброса при отсутствии улавливателя ожидать не следует, поскольку лишь небольшая доля серы, находящейся в топливе, выбрасывается в виде твердых частиц и изменения содержания серы будут оказывать лишь небольшое влияние на регулируемые выбросы. Однако в присутствии CRT вследствие наличия катализатора окисления полная масса образовавшихся твердых частиц в большей степени зависит от содержания серы в смазочном масле и топливе и уменьшается при снижении содержания серы в смазочном масле и топливе.

На фиг.2 приведены данные по полным выбросам твердых частиц для топлив, обладающих содержанием серы, равным 10 мас.част./млн и 50 мас.част./млн при применении двух смазочных масел, полученные с помощью РЧРП и МСЧ. Два столбца для каждого набора соответствуют повторению экспериментов и свидетельствуют о хорошей воспроизводимости результатов.

Заштрихованные столбцы представляют собой результаты измерений с помощью РЧРП, а незаштрихованные - измерений с помощью МСЧ, различия между заштрихованными и незаштрихованные столбцами обусловлены мелкими твердыми частицами, которые обнаруживаются с помощью МСЧ (но не с помощью РЧРП), т.е. зародышеобразующими частицами диаметром от 3 до 7 нм.

Можно видеть, что при применении топлива, содержащего 50 мас.част./млн серы, и высокосернистого смазочного масла практически все накапливающиеся частицы удаляются из выбросов вследствие наличия улавливателя (CRT), но выбрасывается большее количество зародышеобразующих частиц, чем в испытании при отсутствии CRT. Это увеличение, по меньшей мере частично, обусловлено реакцией диоксида серы на катализаторе окисления в CRT с образованием сульфатов, которые выбрасываются из CRT при условиях некоторых режимов испытания R49.

В случае низкосернистого топлива с высокосернистым смазочным маслом можно видеть, что при отсутствии улавливателя полные выбросы твердых частиц очень близки к выбросам в случае высокосернистого топлива, как это можно было ожидать на основании сопоставления с фиг.1. И в данном случае это обусловлено тем фактом, что при отсутствии улавливателя лишь небольшая доля серы, содержащейся в топливе, выбрасывается в виде твердых частиц. При наличии улавливателя практически все накапливающиеся частицы удаляются из выбросов, как это наблюдается для высокосернистого топлива. В этом случае полное количество образующихся зародышеобразующих частиц снижается по сравнению со случаем применения высокосернистого топлива.

В случае низкосернистого смазочного масла с низкосернистым топливом, как и ожидалось, выбросы при отсутствии CRT также близки к выбросам, наблюдавшимся в экспериментах с высокосернистым смазочным маслом и с низкосернистым и высокосернистым топливом соответственно. Однако применение низкосернистого смазочного масла с низкосернистым топливом в присутствии CRT приводит к полным выбросам твердых частиц, которые очень намного меньше, чем ожидалось на основании снижения содержания серы.

В особенности применение низкосернистого смазочного масла в комбинации с низкосернистым дизельным топливом приводит к снижению выброса зародышеобразующих частиц из дизельного двигателя, снабженного улавливателем твердых частиц.

1. Применение смазочного масла, обладающего содержанием серы менее 0,4% (по массе), в комбинации с топливом, обладающим низким содержанием серы менее 50 част./млн., для снижения количества зародышеобразующих частиц в выбросах дизельного двигателя, снабженного каталитическим улавливателем твердых частиц, являющимся непрерывно регенерирующимся улавливателем, включающим и катализатор окисления, и фильтр.

2. Применение по п.1, в котором дизельным двигателем является дизельный двигатель тяжелого режима работы.

3. Применение по п.1, в котором зародышеобразующие частицы обладают диаметром 30 нм или менее.

4. Применение по п.3, в котором зародышеобразующие частицы обладают диаметром от 1 до 30 нм включительно.

5. Применение по п.4, в котором зародышеобразующие частицы обладают диаметром от 3 до 30 нм включительно.

6. Применение по п.1, в котором содержание серы в топливе составляет менее 20 част./млн.

7. Применение по п.6, в котором содержание серы в топливе составляет 10 част./млн. или менее.

8. Применение по п.3, в котором содержание серы в топливе составляет менее 20 част./млн.

9. Применение по п.8, в котором содержание серы в топливе составляет 10 част./млн. или менее.

10. Применение по п.4, в котором содержание серы в топливе составляет менее 20 част./млн.

11. Применение по п.10, в котором содержание серы в топливе составляет 10 част./млн. и менее.

12. Применение по любому из пп.1-11, в котором малосернистое смазочное масло обладает содержанием серы (по массе) менее 0,3%.

13. Применение по п.12, в котором смазочное масло обладает содержанием серы (по массе) менее 0,2%.

14. Применение по п.13, в котором смазочное масло обладает содержанием серы (по массе) менее 0,15%.

15. Применение по любому из пп.1-11, в котором смазочное масло обладает содержанием диалкилдитиофосфата цинка (ЦДДФ) не более 0,8 мас.%.

16. Применение по п.15, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

17. Применение по любому из пп.1-11, в котором смазочное масло в основном не содержит ЦДДФ.

18. Применение по п.12, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

19. Применение по п.18, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

20. Применение по п.13, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

21. Применение по п.20, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

22. Применение по п.14, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

23. Применение по п.22, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

24. Применение по любому из пп.1-11, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество противоизносных присадок, которые по меньшей мере частично можно применять для замены ЦДДФ, выбранных из группы, включающей (а) соединения, содержащие молибден, такие, как дитиокарбамат молибдена (МОДТК), дитиофосфат молибдена и амины молибдена, (б) модификаторы трения на органический основе, такие как олеамиды, кислоты, амины, спирты, фосфатные сложные эфиры и глицеринмоноолеаты, и (в) моющие присадки салицилатного типа, такие, как салицилат кальция и салицилат магния.

25. Применение по любому из пп.1-11, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество антиокислительных присадок, которые по меньшей мере частично можно применять для замены ЦДДФ, выбранных из группы, включающей ароматические амины и фенольные соединения, такие, как стерически затрудненные фенолы.

26. Применение по любому из пп.1-11, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество ингибирующих коррозию присадок, которые по меньшей мере частично можно применять для замены ЦДДФ, выбранных из числа не содержащих серы моющих присадок.

27. Применение по любому из пп.1-11, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество других присадок, выбранных из группы, включающей одну или большее количество противопенных присадок, присадок для улучшения индекса вязкости и диспергирующих присадок.

28. Способ снижения количества зародышеобразующих частиц в выбросах дизельного двигателя, снабженного каталитическим улавливателем твердых частиц, который является непрерывно регенерирующимся улавливателем, включающим и катализатор окисления, и фильтр, включающий применение смазочного масла для двигателя, обладающего содержанием серы менее 0,4% (по массе), в комбинации с топливом, обладающим низким содержанием серы менее 50 част./млн.

29. Способ по п.28, в котором дизельным двигателем является дизельный двигатель тяжелого режима работы.

30. Способ по п.28, в котором зародышеобразующие частицы обладают диаметром 30 нм или менее.

31. Способ по п.30, в котором зародышеобразующие частицы обладают диаметром от 1 до 30 нм включительно.

32. Способ по п.31, в котором зародышеобразующие частицы обладают диаметром от 3 до 30 нм включительно.

33. Способ по п.28, в котором содержание серы в топливе составляет менее 20 част./млн.

34. Способ по п.33, в котором содержание серы в топливе составляет 10 част./млн. или менее.

35. Способ по п.30, в котором содержание серы в топливе составляет менее 20 част./млн.

36. Способ по п.35, в котором содержание серы в топливе составляет 10 част./млн. или менее.

37. Способ по п.31, в котором содержание серы в топливе составляет менее 20 част./млн.

38. Способ по п.37, в котором содержание серы в топливе составляет 10 част./млн. или менее.

39. Способ по любому из пп.28-38, в котором малосернистое смазочное масло обладает содержанием серы (по массе) менее 0,3%.

40. Способ по п.39, в котором смазочное масло обладает содержанием серы (по массе) менее 0,2%.

41. Способ по п.40, в котором смазочное масло обладает содержанием серы (по массе) менее 0,15%.

42. Способ по любому из пп.28-38, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

43. Способ по п.42, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

44. Способ по любому из пп.28-38, в котором смазочное масло в основном не содержит ЦДДФ.

45. Способ по п.39, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

46. Способ по п.45, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

47. Способ по п.40, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

48. Способ по п.47, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

49. Способ по п.41, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,8 мас.%.

50. Способ по п.49, в котором смазочное масло обладает содержанием ЦДДФ не более 0,4 мас.%.

51. Способ по любому из пп.28-38, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество противоизносных присадок, которые по меньшей мере частично можно применять для замены ЦДДФ, выбранных из группы, включающей (а) соединения, содержащие молибден, такие, как дитиокарбамат молибдена (МОДТК), дитиофосфат молибдена и амины молибдена, (б) модификаторы трения на органической основе, такие, как олеамиды, кислоты, амины, спирты, фосфатные сложные эфиры и глицеринмоноолеаты, и (в) моющие присадки салицилатного типа, такие, как салицилат кальция и салицилат магния.

52. Способ по любому из пп.28-38, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество антиокислительных присадок, которые по меньшей мере частично можно применять для замены ЦДДФ, выбранных из группы, включающей ароматические амины и фенольные соединения, такие, как стрерически затрудненные фенолы.

53. Способ по любому из пп.28-38, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество ингибирующих коррозию присадок, которые по меньшей мере частично можно применять для замены ЦДДФ, выбранных из числа не содержащих серы моющих присадок.

54. Способ по любому из пп.28-38, в котором смазочное масло содержит одну или большее количество других присадок, выбранных из группы, включающей одну или большее количество противопенных присадок, присадок для улучшения индекса вязкости и диспергирующих присадок.