СПОСОБ СМАЗЫВАНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ БИОТОПЛИВО
METHOD OF LUBRICATING DIESEL ENGINES USING BIOFUEL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к смазывающим композициям для использования в дизельных двигателях, в которых применяется биотопливо.
Уровень техники
2
В последние годы, в качестве вклада в содержание CO в земной атмосфере, предприняты усилия в направлении большей доли использования топлив, произведенных из растений и полученных с использованием технологии переработки биомассы. Однако по составу биотопливо необязательно аналогично существующим ископаемым топливам и таким образом можно ожидать, что возникнут различные проблемы при использовании биотоплива. Были проведены различные исследования технологии с целью преодоления проблем смазывающих масел, применяемых в двигателях внутреннего сгорания.
В случае спиртовых топлив, которые главным образом применяются в области бензиновых двигателей, нельзя избежать смешения с водой, и детали двигателя подвергаются более значительному износу, чем при использовании бензина. Поэтому были предложены решения таких проблем. Например, смотрите выложенный патент Японии 5-70786 (1993).
Биотопливо для использования в дизельных двигателях, применяемое в автомобилях, в некоторых случаях получают путем этерификации метанолом растительных масел, причем в качестве исходного материала используют главным образом рапсовое масло или подсолнечное масло в таких европейских странах, как Франция, Германия и Италия, и главным образом соевое масло в качестве сырья в США. Во многих случаях эти топлива используют, добавляя приблизительно 20% в дизельное топливо.
При использовании биодизельных топлив существует несколько особенностей, которые следует иметь в виду. В связи с этими особенностями требуется простое улучшение показателей топлива в связи с тем, что биотоплива обладают довольно высокой вязкостью и температурой застывания и что они склонны к окислению, поскольку, будучи произведенными из растительных масел, они имеют большое содержание ненасыщенных жирных кислот. Кроме того, биодизельные топлива могут конкурировать непосредственно со съедобными растительными маслами, и они не настолько глубоко исследованы как вышеупомянутые спиртовые топлива в качестве альтернативы бензину, и практически отсутствуют какие-либо попытки улучшения смазывающих масел в связи с использованием биодизельных топлив.
По причине использования в вышеупомянутых дизельных двигателях смеси биодизельного топлива с дизельным топливом наблюдается явление, при котором несгоревшая часть биодизельного топлива смешивается со смазывающим маслом, стимулируя старение масла. Это создает проблемы стабильного использования смазывающих масел в течение длительного периода.
Авторы изобретения обнаружили, что можно ингибировать старение, и в частности ухудшение моющей способности смазывающего масла, даже после смешивания с биодизельным топливом за счет введения антиоксидантов различного типа - фенольного антиоксиданта и антиоксиданта на основе амина - в композицию смазывающего масла.
С этой целью в настоящем изобретении разработана смазывающая композиция для использования в дизельных двигателях, которая совместима с биотопливом, причем эта смазывающая композиция содержит базовое масло, относящееся к группе III и/или группе II категорий базовых масел API, от 0,5 до 5 мас.% фенольного антиоксиданта и от 0,5 до 5 мас.% антиоксиданта на основе амина, причем суммарное содержание антиоксидантов составляет, по меньшей мере, 2 мас.%.
Согласно настоящему изобретению можно ингибировать быстрое ухудшение моющей способности и ускоренное старение смазывающего масла, даже после смешивания биодизельного топлива со смазывающим маслом, путем совместного использования антиоксидантов различного типа - фенольного антиоксиданта и антиоксиданта на основе амина, и таким образом можно стабильно использовать смазывающее масло в течение длительного периода.
Легкие нефтяные топлива и биодизельные масла, применяемые в дизельных двигателях автомобилей, как уже было упомянуто, имеют очевидные различия, и согласно статье "New biomass liquid fuels for the 21st century" (Новые виды жидкого топлива из биомассы для 21 века, опубликованной в Kagaku Kogyo Nippo [The Chemical Daily] 25 апреля 2002 г., описание которой включено в описание как ссылка) эти отличия обобщены в приведенной ниже таблице 1.
Таблица 1
Биодизельное масло
Дизельное топливо
Температура застывания (°C)
-5,5
-11,5
Кинетическая вязкость (мм<sup>2</sup>/с)
5,6
3,0
Температура вспышки (°C)
135~145
88
Содержание серы (%)
0,0001
0,2
Углерод (%)
77,1~77,9
87,2
Биодизельное масло
Дизельное топливо
Водород (%)
11,7~11,8
12,8
Кислород (%)
11,1~11,2
0
Как видно из таблицы 1, среди характеристик биодизельных масел, которые значительно отличаются от показателей дизельного топлива, отмечается содержание атомов кислорода. Кроме того, можно полагать, что поскольку биодизельные масла содержат двойные связи, находившиеся в ненасыщенных жирных кислотах, сам процесс сгорания также отличается.
Кроме того, можно отметить, что в единицах физических свойств температура вспышки масел выше, чем у дизельного топлива, которое легче испаряется. При подаче топлива в двигатель процесс горения может прекращаться на элементарной стадии процесса полного сгорания, и непревращенная часть топлива часто может смешиваться со смазывающим маслом, или сами несгоревшие компоненты будут смешиваться со смазывающим маслом, что приводит к образованию шлама в смазывающем масле и ускорению старения смазывающего масла за счет окисления.
С учетом этих факторов, смазывающие масла будут характеризоваться как используемые в более жестких условиях, даже когда подвергаются воздействию высоких температур, по сравнению с использованием одного дизельного топлива в качестве топлива.
В качестве базовых масел настоящего изобретения можно использовать любое подходящее минеральное масло или синтетическое масло, и обычно можно использовать базовые масла, индивидуально или в смесях, которые относятся к группе III и группе II категорий базовых масел API (Американского нефтяного института).
Эти базовые масла группы III и группы II содержат, например, парафиновые минеральные масла, полученные с высокой степенью гидроочистки фракций смазывающего масла, полученных при атмосферной перегонке сырой нефти, базовые масла, очищенные с помощью процесса Isodewax, в котором осуществляется депарафинизация и замена воска, полученного в процессе депарафинизации на изопарафины, базовые масла, очищенные с помощью процесса изомеризации парафинов фирмы Mobil, и так называемые базовые масла процесса GTL (газ в жидкость), подвергнутые депарафинизации растворителем или каталитической депарафинизации после синтеза Фишера-Тропша. Кроме того, базовые масла включает в себя те, что могут быть обозначены как "синтетические масла" в соответствии с постановлением отделения NAD (National Advertising Division), которое ответственно за рассмотрение рекламы в Америке.
Фенольные антиоксиданты и антиоксиданты на основе аминов смешиваются вместе с этими базовыми маслами
В качестве примеров таких фенольных антиоксидантов могут быть упомянуты 2,6-ди-трет-бутилфенол, 2,6-ди-трет-бутил-п-крезол, 2,6-ди-трет-бутил-4-этилфенол, 2,2'-метилен-бис(4-метил-6-трет-бутилфенол), 2,2'-метилен-бис(4-этил-6-трет-бутилфенол), 4,4'-бис(2,6-ди-трет-бутилфенол), 4,4'-тио-бис(6-трет-бутил-о-крезол), и алкилспиртовые эфиры 3-(4-гидрокси-3,5-ди-трет-бутилфенил)пропионовой кислоты, такие как эфир 6-метилгептилового спирта и 3-(4-гидрокси-3,5-ди-трет-бутилфенил)пропионовой кислоты.
Кроме того, в качестве примеров таких антиоксидантов на основе аминов могут быть упомянуты дифениламин, п,п'-диоктилдифениламины, п,п'-динонилдифениламины, р,р'-дидодецилдифениламины, фенил-α-нафтиламины, п-октилфенил-α-нафтиламины, п-нонилфенил-α-нафтиламины и п-додецилфенил-α-нафтиламины и их смеси.
Одним предпочтительным примером вышеупомянутых дифениламинов является дифениламин, который представляет собой продукт реакции N-фенилбензоламина и 2,4,4-триметилпентена.
Количество вышеупомянутого фенольного антиоксиданта составляет от 0,5 до 5,0 мас.%, в расчете на суммарное количество композиции смазывающего масла, и предпочтительно от 0,5 до 2 мас.%.
Количество вышеупомянутого антиоксиданта на основе амина составляет от 0,5 до 5,0 мас.% в расчете на суммарное количество композиции смазывающего масла и предпочтительно от 0,5 до 2 мас.%.
Для обоих вышеупомянутых фенольных антиоксидантов и антиоксидантов на основе амина, если их количество меньше, чем 0,5 мас.%, то окислительная стабильность снижается, что нежелательно, а если их количество превышает 5 мас.%, то снижается моющая способность в отношении поршня, что часто нежелательно.
Фенольные антиоксиданты и антиоксиданты на основе аминов применяются в соответствующих вышеупомянутых количествах, однако дополнительно требуется, чтобы суммарное количество этих двух антиоксидантов одновременно не было меньше, чем 2 мас.%. Если суммарное количество двух антиоксидантов меньше указанного, то ожидаемый эффект не будет достигнут.
Кроме того, в эту композицию смазывающего масла, если потребуется, можно добавлять соответствующие диспергирующие агенты, противозадирные присадки, моющие присадки, агенты, улучшающие индекс вязкости и другие присадки.
В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ эксплуатации дизельного двигателя, который включает смазывание дизельного двигателя смазывающей композицией согласно настоящему изобретению и применение биотоплива, предпочтительно произведенного из рапсового масла, в качестве топлива.
Примеры
Биодизельное топливо (БДТ) представляет собой метиловый эфир, произведенный из рапсового масла, который имел характеристики, показанные в таблице 2.
Таблица 2
Показатель
Метод испытания
Единицы
Численное значение показателя
Плотность: вибрационный метод (15°C)
JIS K-2249
г/см<sup>3</sup>
0,883
Температура вспышки: метод РМСС
JIS K-2265
°C
155
Кинетическая вязкость: 30°C
JIS K-2283
мм<sup>2</sup>/с
5,51
Цетановое число
JIS K-2280
53,0
При получении композиций по примерам осуществления изобретения и сравнительных примеров были использованы следующие исходные материалы.
(1) Базовое масло: минеральное масло, принадлежащее группе III API.
(2) Фенольный антиоксидант: эфир 6-метилгептилового спирта и 3-(4-гидрокси-3,5-ди-трет-бутилфенил)пропионовой кислоты.
(3) Антиоксидант на основе амина: дифениламин, который представляет собой продукт реакции N-фенилбензоламина и 2,4,4-триметилпентена.
(4) Пакет присадок: присадки, содержащие диспергатор, дитиофосфат Zn и моющую присадку.
Примеры 1-4, сравнительные примеры 1-6
С использованием вышеупомянутых исходных материалов были получены композиции смазывающих масел примеров 1-4 и сравнительных примеров 1-6, состав которых приведен в таблицах 3 и 4.
Вышеупомянутый сравнительный пример 6 представляет собой композицию с маслом для дизельного двигателя сгорания JASO (стенд реализации стандартных моторных масел) уровня DH-2 для использования в автомобилях.
Количество каждого компонента добавляемого в смесь во всех случаях указано в процентах по массе.
Испытания
С целью демонстрации характеристик композиций смазывающих масел примеров 1-4 и сравнительных примеров 1-6, были проведены испытания с горячей трубкой (в соответствии с JPI-5S-55-99; стандартным испытанием, разработанным в Японском нефтяном институте для определения отложений при высокой температуре) при 280°C в условиях под нагрузкой, причем на 100 мас.% каждой композиции смазывающего масла добавляют 5 мас.% биодизельного топлива.
Оценки в испытании с горячей трубкой составляют от 0 до 10 с долями по 0,5, причем оценка 7 и выше соответствует прохождению испытания.
Результаты испытаний
Результаты показаны в таблицах 3 и 4.
Таблица 3
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Базовое масло
86
85
85,5
82
Фенольный антиоксидант
1,0
1,5
1,5
2,0
Антиоксидант на основе амина
1,0
1,5
1,0
4,0
Пакет присадок
12
12
12
12
Всего
100
100
100
100
Добавка БДТ
5
5
5
5
Оценка в испытании с горячей трубкой
7,0
7,0
7,0
7,5
Таблица 4
Соединение примера
1
2
3
4
5
6
Базовое масло
88
85,5
84,5
85,5
86,5
88
Фенольный антиоксидант
2,5
0,5
Антиоксидант на основе амина
2,5
3,5
1,0
Пакет присадок
12
12
12
12
12
12
Всего
100
100
100
100
100
100
Добавка БДТ
5
5
5
5
5
Оценка в испытании с горячей трубкой
1,0
2,0
5,0
3,0
2,5
7,0
Оценивание
При совместном использовании фенольного антиоксиданта и антиоксиданта на основе амина, как продемонстрировано в примерах 1-4, причем количество каждого из них составляет не меньше чем 1 мас.%, и суммарное количество составляет не меньше чем 2 мас.%, во всех случаях в испытании с горячей трубкой получена оценка 7 или выше, и очевидно, что эти композиции смазывающих масел не обладают склонностью к старению после добавления биотоплива.
В случае сравнительного примера 1 антиоксиданты не были добавлены и в испытании с горячей трубкой получена плохая оценка 1,0. В сравнительном примере 2 используют 2,5 мас.% одного антиоксиданта на основе амина, и хотя его суммарное количество превышает 2 масс.%, в испытании с горячей трубкой получена плохая оценка 2,0. В сравнительном примере 3 добавлено больше антиоксиданта на основе амина, чем в сравнительном примере 2, но в испытании с горячей трубкой оценка увеличилась только до 5,0. В сравнительном примере 4 используют 2,5 мас.% только фенольного антиоксиданта, и хотя его суммарное количество превышает 2 масс.%, в испытании с горячей трубкой получена плохая оценка 3,0. В сравнительном примере 5 используют оба антиоксиданта вместе, однако их суммарное количество составляет менее 2 мас.%, и поэтому в испытании с горячей трубкой получена плохая оценка 2,5. Таким образом, ни в одном из сравнительных примеров 1-5 не получен удовлетворительный эффект.
В сравнительном примере 6 нет добавки биотоплива и даже, несмотря на отсутствие фенольного антиоксиданта или антиоксиданта на основе амина, в испытании с горячей трубкой оценка составляет 7,0 и можно увидеть, что достигнут удовлетворительный эффект.