Топливная композиция

Изобретение относится к жидким углеводородным топливам с присадками, в частности водно-топливным эмульсиям, и может найти применение на дизельных двигателях, работающих в условиях повышенной пожароопасности. Топливная композиция содержит летнее дизельное топливо, 1-20% воды 0,227-4,505% диэтаноамида олеиновой кислоты, 0,066-1,314% диэтаноламинового мыла олеиновой кислоты, 0,053-1,060% диэтаноламина, 0,084-1,664% моноэфира олеиновой кислоты и диэтаноламина, 0,104-2,056% моноэфира аминоспирта и олеиновой кислоты. Предлагаемая топливная композиции не требует при ее применении модификации топливной системы дизельного двигателя. Повышает пожаробезопасность объекта за счет высокой стабильности топливной композиции. Кроме того, в отработавших газах (ОГ) снижается концентрация окислов азота и углерода соответственно на 30% и 15%, уменьшается дымность ОГ в 3 раза, при этом оценочные показатели склонности дизельных топлив к закоксовыванию форсунок в два раза ниже, чем у товарного летнего дизельного топлива по ГОСТ 305-82. Изобретение позволит повысит пожаробезопасность автомобильного транспорта эксплуатируемого в системе МЧС, особенно при тушении пожаров, улучшить экологические характеристики выхлопа дизельного двигателя, снизит образование отложений на деталях форсунок дизельного двигателя, тем самым повысит срок его службы и даже сократит удельный расход углеводородного топлива на 4-5% (за счет улучшения процесса горения стабильной микроэмульсии). 3 табл.

 

Изобретение относится к жидким углеводородным топливам с присадками, в частности к пожаробезопасным водно-топливным микроэмульсиям, и может найти применение на дизельных двигателях, работающих в условиях повышенной пожароопасности.

Использование водно-топливных эмульсий (ВТЭ) в двигателях внутреннего сгорания имеет большое практическое значение. Например, обратные водно-топливные эмульсии, а именно, когда дисперсионной средой является углеводородное топливо, а дисперсной фаза - вода, позволяют уменьшить расход углеводородного топлива, снизить токсичность отработавших газов, уменьшить теплонапряженность двигателя.

Уже известны топливные композиции, содержащие углеводородное топливо, воду и поверхностно-активные вещества, так называемые эмульгаторы (1. В.М.Иванов. "Топливные эмульсии", М. Из-во АН СССР, 1962 г., с.10-15).

Известна топливная композиция на основе дизельного топлива, включающая в качестве эмульгатора очищенный алкилированный сульфонат (2. Патент Франции №2359198, С 10 L 1/10, публ.1978 г.).

Однако эта топливная композиция эффективна только при высоком содержании эмульгатора - 10-33 мас.%, что экономически не выгодно, а так как данный эмульгатор относится к зольным веществам, то при его применении резко увеличивается нагарообразование в двигателе, тем самым сокращается срок его службы.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению и взятой за прототип является композиция на основе дизельного топлива, содержащая воду, диэтаноламид олеиновой кислоты (60%), диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты (8-14%), диэтаноламин (16-24%) и олеиновую кислоту (0-7,5) (3. Патент США №4173455, С 10 L 1/18, публ.1979 г. - прототип).

Несмотря на то, что в известной композиции использовано относительно небольшое количество эмульгатора (8% на 10% воды), стабильность эмульсии недостаточна (6 месяцев).

Кроме того, известная топливная композиция пожароопасна из-за небольшого содержания воды и недостаточной ее физической стабильности, особенно при повышенных температурах порядка 50-80°С, которые бывают в системе топливоподачи при работе двигателя, зависящей от эмульгирующей способности предлагаемого эмульгатора.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение стабильности композиции и пожаробезопасности при одновременном снижении содержания вредных выбросов в атмосферу.

Указанный технический результат достигается тем, что известная топливная композиция на основе летнего дизельного топлива с добавлением воды и эмульгатора, содержащего диэтаноамид олеиновой кислоты, диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты и диэтаноламин, согласно изобретению дополнительно содержит моноэфир олеиновой кислоты и диэтаноламина, моноэфир аминоспирта и олеиновой кислоты при следующем соотношении компонентов в мас.%:

Диэтаноламид олеиновой кислоты	0,227-4,505
Диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты	0,066-1,314
Диэтаноламин	0,053-1,060
Моноэфир олеиновой кислоты и диэтаноламина	0,084-1,664
Моноэфир аминоспирта и олеиновой кислоты	0,104-2,056
Вода	1,0-20,0
Дизельное топливо летнее	остальное до 100

Все использованные компоненты направлены на повышение эффективности топливной композиции.

Вещества, используемые в прототипе, выпускаются промышленностью США, тогда как наша промышленность не выпускает диэтаноламид олеиновой кислоты, диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты, но располагает исходными продуктами, необходимыми для их производства (олеиновой кислотой и диэтаноламином).

Фактически суть изобретения сводится к получению нового эмульгатора и топливной композиции, содержащей этот эмульгатор.

Фактически эмульгатор, состоящий из диэтаноламида олеиновой кислоты, диэтаноламинового мыло олеиновой кислоты, диэтаноламина, моноэфира олеиновой кислоты и диэтаноламина, моноэфира аминоспирта и олеиновой кислоты, получили в результате синтеза олеиновой кислоты (ТУ 9145-172-7431297-94 "Олеиновая кислота. Технические условия" и диэтаноламина (ТУ 6-09-2652-86 "Диэтаноламин. Технические условия"), проводимого при определенных соотношениях названных компонентов и режимных параметров. Конечный продукт синтеза - уже готовая смесь (эмульгатор, названный "Амикром М") контролируется по кислотному числу по ГОСТ 5985-59 "Нефтепродукты. Метод определения кислотности и кислотного числа" значение которого должны находиться в пределах 20,0-23,0 мгКОН/г, и по аминному числу в пределах 75,0-95,0 мг HCl/г по ТУ 0257-066-001-1489-98 п.4.3. "Амирком М" Технические условия".

Диэтаноламид олеиновой кислоты является основным поверхностно-активным компонентом эмульгатора, обеспечивающим дробление капель.

Диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты регулирует оптимальный гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) эмульгатора.

Диэтаноламин облегчает получение микроэмульсии.

Моноэфир олеиновой кислоты и диэтаноламина улучшает стабильность эмульсии, сокращает расход эмульгатора.

Моноэфир аминоспирта и олеиновой кислоты улучшает термостабильность эмульсии.

Для обоснования количественного состава топливной композиции были приготовлены образцы, состав которых представлен в таблице 1.

Эмульгатор получали для каждого образца топливной композиции (табл.1) в процессе синтеза при конкретных условиях.

Таблица 1 Компонентный состав топливных композиций
Компоненты топливной композиции	Содержание компонентов, мас.% в композиции
По прототипу	Образцы
		№1	№2	№3	№4	№5	№6
	1	2	3	4	5	6	7
1	Диэтаноламид олеиновой кислоты	4,600	0,113	0,227	3,400	4,505	4,730
2	Диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты	0,840	0,033	0,066	0,992	1,314	1,380
3	Диэтаноламин	1,440	0,023	0,053	0,800	1,060	1,113
4	Олеиновая кислота	1,120	-	-	-	-	-
5	Моноэфир олеиновой кислоты и диэтаноламина	-	0,042	0,084	1,256	1,664	1,747
6	Моноэфир аминоспирта и олеиновой кислоты	-	0,053	0,104	1,552	2,056	2,159
7	Вода	10,000-	0,500	1,000	15,000	20,000	21,000
8	Дизельное топливо	До 100-	99,686	98,466	77,000	69,401	66,871

Представленные в табл.1 образцы прошли лабораторные испытания. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты испытаний топливных композиций
			Композиции
	Показатели	Требования ТУ 38.40130-88	По прототипу	Образцы
			№1	№2	№3	№4	№5	№6
	1	2	3	4	5	6	7	8
1	Внешний вид	Однородная прозрачная или с опалесценцией жидкость	Однородная с опалесценцией жидкость	Однородная с опалесценцией жидкость	Однородная с опалесценцией жидкость	Однородная прозрачная жидкость	Однородная прозрачная жидкость	Однородная с опалесценцией жидкость
2	Стабильность, мес.	Не менее 6	6	6	12	12	12	8
3	Цетановое число	Не менее 35	40	45	45	42	35	28
4	Кинематическая вязкость при 20°С, мм/с.	Не более 25,0	7,4	4,5	6,0	11,2	25,0	30,1
4	Предельная температура фильтруемости, С.	Не выше минус 3	0	Минус 10	Минус 10	Минус 5	Минус 3	0
5	Вероятность воспламенения, %		75	100	100	0	0	0
6	Вероятность вспышки, %		100	100	95	50	45	40

Исследования приготовленных композиций проводились следующими лабораторными методами: стабильность по междуведомственному методу, входящему в ТУ 38.40130-88, цетановое число по ГОСТ 3122 "Топливо дизельное. Метод определения цетановых чисел по совпадению вспышек", кинематическая вязкость по ГОСТ 33 "Нефтепродукты. Метод определения кинематической вязкости", предельная температура фильтруемости по ГОСТ 22254 "Топливо дизельное. Метод определения предельной температуры фильтруемости" и вероятность воспламенения и вспышки по методам, входящим в "Комплекс методов оценки пожарной опасности горючесмазочных материалов и специальных жидкостей", в полигонных условиях при прямом воздействии стандартных средств поражения на топливные баки, заполненные топливными композициями.

Согласно требованиям ТУ 38.40130-88 "Дизельное топливо летнее пожаробезопасное (ПБД-Л)" норме на показатель "Цетановое число" не менее 35 удовлетворяют примеры 1-5, норме на кинематическую вязкость при 20°С не более 25,0 мм²/с удовлетворяют примеры 1-5, норме на предельную температуру фильтруемости не выше минус 3°С удовлетворяют примеры 2-5. По оценке показателей вероятности воспламенения и вспышки лучшими характеристиками обладает пример 4.

Таким образом, указанные образцы №3, №4 и №5 практически по всем показателям соответствуют требованиям ТУ 38.40130-88 "Дизельное топливо летнее пожаробезопасное (ПБД-Л)".

Еще одним важным критерием качества заявляемых водно-топливных эмульсий, является их стабильность. Стабильность определяют в статических, динамических условиях, а также при различных температурах окружающего воздуха, выбираемых в соответствии с условиями применения данной топливной композиции.

По образцу 4 (оптимальный вариант) была приготовлена опытная партия в автотопливомаслозаправщике АТМЗ-5-4320 объемом 5000 литров.

Топливные композиции приготавливаются путем смешения компонентов в конкретной емкости (топливозаправщике, резервуаре, бочке, канистре и т.д.).

Температура компонентов перед приготовлением должна быть не ниже 10°С. Для приготовления композиции в емкость закачивается необходимое количество дизельного летнего топлива (рассчитанное исходя из объема используемой емкости), затем в него добавляют рассчитанное количество эмульгатора (согласно изобретению) и перемешивают в течение 10 минут насосом, включенном "на кольцо" (если композиция приготавливается в бочке, то простым перекатыванием).

В полученную смесь при включенном насосе добавляют необходимое количество воды (в нашем случае из системы водоснабжения г. Москвы) и продолжают перемешивание в течение времени, необходимого для перекачки всего объема резервуара, в котором происходит перемешивание используемым насосом (если это бочка или канистра, то после добавления воды перекатывание емкости осуществляется в течение 20 минут).

Критерием окончания перемешивания служит внешний вид отбираемой пробы, которая должна быть прозрачной или с опалесценцией жидкостью.

Внешний вид получаемой эмульсии является главным критерием ее качества (стабильности), т.к. прозрачность полученной жидкости свидетельствует о том, что размер частиц дисперсной фазы менее 1 мкм. Эмульсии с таким размером частиц дисперсной фазы относятся к микроэмульсиям, которые являются термодинамически стабильными системами (Миттел К. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. - М. Изд. Мир, 1980. - 597 с., ил).

Опытная партия прошла испытания в сравнении с топливом - прототипом и топливом по ГОСТ 305-82, широко применяемым в практике, также в сравнении с показателями оценки стабильности эмульгированого топлива по патенту России №2167920, С 10 L 1/32.

Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты сравнительных испытаний
	Показатели	Образцы композиций топлива
		№1 (прототип) Патент США №4173455	№4 Опытная партия	Дизельное летнее топливо ГОСТ 305-82
1	2	3	4	5
1	Стабильность: склонность к расслоению в динамических условиях при перемешивании со скоростью 100 мин-1 при температуре 20°С, мес	6	12	-
2	Стабильность: склонность к расслоению в статических условий при хранении при температуре
	0°С	-	6	-
	20°С	6	12	-
	40°С	-	6	-
	мес.
3	Склонность к расслоению в статических условиях при резком изменении температуры: Число циклов охлаждения (0°С в течение 12 часов) и нагревания (40°С в течение 12 часов)	3	Более 10	-
4	Цетановое число	40	42	45
5	Кинематическая вязкость при 20°С, мм/с.	7,4	11,2	4,5
6	Предельная температура фильтруемости, °С.	0	Минус 5	Минус 5
7	Вероятность воспламенения,%	75	0	100
8	Вероятность вспышки,%	100	50	100
9	Коэффициент закоксовывания форсунок:
	- в сборе с иглой;	Не приведены	1,9	4,1
	- сопловых отверстий.	в описании прототипа	2,3	4,6
10	Изменение),% отн (+рост, - снижение):	Не приведены в описании прототипа
	- удельного расхода топлива		-1,1	+1,0
11	Дымность отработавших газов (ОГ),%	Не приведены в описании прототипа	10	33

Из табл.3 видно, что заявляемая композиция находится на уровне и даже значительно превосходит образцы, взятые для сравнения, по таким показателям, как стабильность (строки 1-3), вероятность воспламенения и вспышки (строки 7, 8), коэффициент закоксовывания (строка 9), дымность ОГ (строка 11), а также позволяет уменьшить удельный расход топлива (строка 10).

Предлагаемая топливная композиция не требует при ее применении модификации топливной системы дизельного двигателя, так как размер дисперсной фазы позволяет прокачиваться ее через все фильтры топливной системы, одновременно повышается пожаробезопасность объекта за счет повышения стабильности топливной композиции.

Кроме того, в отработавших газах (ОГ) снижается концентрация окислов азота и углерода соответственно на 30% и 15%, уменьшается дымность ОГ в 3 раза и оценочные показатели склонности предлагаемой топливной композиции к закоксовыванию форсунок в два раза ниже, чем у товарного летнего дизельного топлива по ГОСТ 305-82 (табл.3 строки 9, 10, 11).

Несмотря на то, что в заявленной композиции используемый эмульгатор получают в процессе синтеза, в целом топливная композиция проста в изготовлении (не требует мощных механических и др. перемешивающих устройств), эффективна (см. табл.2, 3) и готова к применению на автомобильном транспорте, эксплуатирующем дизельные двигатели.

Изобретение позволит повысит пожаробезопасность автомобильного транспорта эксплуатируемого в системе МЧС, особенно при тушении пожаров, улучшить экологические характеристики выхлопа дизельного двигателя, снизит образование отложений на деталях форсунок дизельного двигателя, тем самым повысит срок его службы и даже сократит удельный расход углеводородного топлива на 4-5% (за счет улучшения процесса горения стабильной микроэмульсии).

Топливная композиция, на основе дизельного летнего топлива с добавлением воды и эмульгатора, содержащего диэтаноамид олеиновой кислоты, диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты и диэтаноламин, отличающаяся тем, что дополнительно содержит моноэфир олеиновой кислоты и диэтаноламина, моноэфир аминоспирта и олеиновой кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Диэтаноламид олеиновой кислоты	0,227-4,505
Диэтаноламиновое мыло олеиновой кислоты	0,066-1,314
Диэтаноламин	0,053-1,060
Моноэфир олеиновой кислоты и диэтаноламина	0,084-1,664
Моноэфир аминоспирта и олеиновой кислоты	0,104-2,056
Вода	1,0-20,0
Дизельное топливо летнее	Остальное до 100