СИСТЕМА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
DIESEL ENGINE SYSTEM

Настоящее изобретение касается системы дизельного двигателя, содержащей дизельный двигатель, снабженный блоком цилиндров со смазочным маслом, воздухозаборник, компрессор воздуха, турбину вытекающего потока и вторичное охлаждающее устройство.
В документе US-A-6102013 описаны дизельные двигатели, содержащие блок цилиндров, смазочное масло, воздухозаборник, компрессор воздуха, турбину вытекающего потока и вторичное охлаждающее устройство. Проблема со смазочными маслами заключается в том, что масло может вырываться из блока цилиндров с так называемыми прорвавшимися газами. Вместо того чтобы выпускать этот прорвавшийся газ в атмосферу, предпочтительно рециркулировать эту смесь из газов/смазки в двигатель. В некоторых двигателях эта рециркуляция осуществляется путем нагнетания прорвавшихся газов в систему воздухозаборника двигателя, так что смазка сгорает в поршневых камерах. Хотя рециркуляция прорвавшихся газов решает проблему выбросов, она порождает свои проблемы. В системе воздухозаборника могут формироваться отложения. Если, например, отложения образуются в компрессоре, легко понять, что нормальное функционирование такого компрессора будет нарушено, и он даже может сломаться. Если, например, между компрессором и блоком цилиндров будет расположено устройство охлаждения воздуха, то также может происходить загрязнение этого устройства охлаждения воздуха.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему дизельного двигателя, в которой будет исключено формирование отложений или, по меньшей мере, оно будет дополнительно уменьшено по сравнению с существующими системами дизельных двигателей.
Эта цель достигается в следующей системе дизельного двигателя. Система дизельного двигателя содержит дизельный двигатель, включающий блок цилиндров со смазочным маслом, воздухозаборник, компрессор воздуха, турбину вытекающего потока, вторичное охлаждающее устройство и систему рециркуляции прорвавшегося газа, снабженную средством, предназначенным для рециркуляции прорвавшегося газа в воздухозаборник, при этом смазочное масло содержит изопарафиновое базовое масло, в котором содержание насыщенных углеводородов составляет более 99% по весу и индекс вязкости которого превышает 120, систему пакетов присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики, и присадку - модификатор вязкости.
Заявители обнаружили, что, когда смазочное масло используется в соответствии с настоящим изобретением, наблюдается уменьшение значений так называемого теста отложений компании MTU.
-6
2
-6
2
-6
2
-6
2
-6
2
Предпочтительно, чтобы кинематическая вязкость смазочного масла при 100°С находилась в пределах от 9,3 сСт (9,3·10 м/с) до 16,3 сСт (16,3·10 м/с). Предпочтительно, чтобы смазочное масло содержало смесь из двух изопарафиновых базовых масел, в каждом из которых содержание насыщенных углеводородов составляет более 99% по весу, а индекс вязкости превышает 120, предпочтительно составляет от 120 до 150. Предпочтительно, чтобы кинематическая вязкость первого базового масла при 100°С находилась в пределах от 3 сСт (3-10 м/с) до 6 сСт (6·10 м/с). Предпочтительно, чтобы во втором изопарафиновом базовом масле содержание насыщенных углеводородов составляло более 99% по весу, индекс вязкости превышал 135, а кинематическая вязкость при 100°С превышала 7 сСт (7·10 м/с).
Более предпочтительно, чтобы первое изопарафиновое базовое масло содержало парафиновые соединения и менее 15% по весу нафтеновых соединений, причем общая формула нафтеновых соединений следующая:
5
6
алкил-[С или С-кольцо]
и процент углерода в ответвлениях указанных изопарафинов и алкильной группе указанного нафтенового соединения, вычисленный относительно всего углерода в соединении и измеренный с помощью ЯМР, составлял от 12 до 18%.
Более предпочтительно, чтобы второе изопарафиновое базовое масло содержало парафиновые соединения и менее 15% по весу нафтеновых соединений, причем общая формула нафтеновых соединений следующая:
5
6
алкил-[С или С-кольцо]
и процент углерода в ответвлениях указанных изопарафинов и алкильной группе указанного нафтенового соединения, вычисленный относительно всего углерода в соединении и измеренный с помощью ЯМР, составлял от 12 до 20%.
Отношение весов первого и второго базовых масел будет зависеть от желаемой марки смазочного масла и вязкостных свойств исходных базовых масел. В общем, основная часть, соответственно более 50% по весу от состава масла, будет состоять из второго базового масла.
Упомянутые выше изопарафиновые базовые масла известны и описаны, например, в документах ЕР-А-1029029, US-A-2004/0043910, US-A-2004/0067856, US-A-2004/0077505, WO-A-02064710 и WO-A-02070631. Авторы заявки обнаружили, что базовые масла, которые хорошо подходят для описанного выше состава масла, могут быть получены в ходе процесса, включающего стадию гидроизомеризации и стадию каталитической депарафинизации или сочетание указанных стадий для сырья, полученного после осуществления процесса Фишера-Тропша. Примеры подходящих процессов приведены в упомянутых выше патентных публикациях.
Присадка - модификатор вязкости может быть стандартной, такой как сополимеры олефина или гидрогенизированный изопрен или сополимеры гидрогенизированного изопрена. Примером служит Infineum SV-151, который является сополимером гидрогенизированного изопрена-стирола и поставляется компанией Infineum Additives, Milton Hill, U.K. Предпочтительно, чтобы присадка - модификатор вязкости присутствовала в составе масла в количестве от 6 до 16% по весу, более предпочтительно от 6 до 10% по весу. Заявители обнаружили, что при использовании описанных выше базовых масел, требуется меньшее количество присадки - модификатора вязкости, чем в случае, когда для получения таких же вязкостных свойств результирующего состава масла используются известные из предшествующего уровня техники базовые масла группы III на минеральной основе.
Система пакетов присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики, и присутствующих в смазочном масле, содержит диспергирующие присадки, моющие присадки, противозадирные/противоизносные присадки, антиоксиданты, присадки, понижающие температуру застывания, деэмульгаторы, антикоррозийные присадки, антистатики, антифрикционные присадки. Конкретные примеры таких присадок описаны, например, в энциклопедии Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, третье издание, том 14, страницы 477-526.
В качестве противоизносных присадок подходит цинкдиалкилдитиофосфат. В качестве диспергирующей присадки подходит беззольная диспергирующая присадка, например полибутиленсукцинимидполиамины или диспергирующие присадки типа основания Манниха. Целесообразно, чтобы моющая присадка являлась высокощелочной металлосодержащей моющей присадкой, например фосфонатом, сульфонатом, фенолятом или салицилатом, как описано в упоминавшемся ранее общем руководстве. В качестве антиоксиданта подходит затрудненное фенольное или аминное соединение, например алкилированные или сополимеризованные со стиролом дифениламины или затрудненные фенолы, полученные из ионола. Примерами подходящих противовспенивающих присадок являются полидиметилсилоксаны и полиэтиленгликолевые эфиры и сложные эфиры.
Содержание пакета присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики, в смазочном масле предпочтительно составляет от 4 до 20% по весу и более предпочтительно от 10 до 16% по весу.
Пакеты присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики, имеются в наличии у многих поставщиков и обычно имеют следующий состав, содержащий:
диспергирующие присадки - от 40 до 70% по весу;
высокощелочные плюс невысокощелочные моющие присадки - от 15 до 50% по весу;
разбавляющее масло - от 30 до 50% по весу;
противоизносные присадки - от 3 до 8% по весу.
Предпочтительно, чтобы динамическая вязкость смазочного масла при -25°С составляла от 6500 до <7000 мПа·с (сР), а значение при испытании на малом ротационном вискозиметре составляло менее 60000 мПа·с (сР) при -30°С. В контексте настоящего изобретения необходимо использовать следующие методы испытаний. Кинематическая вязкость при 100°С определяется по методу ASTM D 445, кинематическая вязкость при 40°С определяется по методу ASTM D 445, индекс вязкости определяется по методу ASTM D 2270, параметр VDCCS @ -25°С соответствует динамической вязкости при -25 градусах по шкале Цельсия и измеряется в соответствии с методом ASTM D 5293, параметр MRV (сР @ -40°С) соответствует результату теста на малом ротационном вискозиметре и измеряется в соответствии с методом ASTM D 4684, температуру потери текучести определяют в соответствии с методом ASTM D 97, летучесть по Ноаку (Noack) определяется по методу ASTM D 5800.
Настоящее изобретение дополнительно относится к использованию описанного выше смазочного масла, содержащего изопарафиновое базовое масло, в котором содержание насыщенных углеводородов составляет более 99% по весу и индекс вязкости которого превышает 120, систему пакетов присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики, и присадку - модификатор вязкости для уменьшения отложений в системе дизельного двигателя, содержащей дизельный двигатель, снабженный блоком цилиндров со смазочным маслом, воздухозаборник, компрессор воздуха, турбину вытекающего потока, вторичное охлаждающее устройство и систему рециркуляции прорвавшегося газа, содержащую средство для рециркуляции прорвавшегося газа в воздухозаборник.
Настоящее изобретение дополнительно относится к процессу функционирования системы дизельного двигателя, содержащей дизельный двигатель, снабженный блоком цилиндров со смазочным маслом, воздухозаборник, компрессор воздуха, турбину вытекающего потока, вторичное охлаждающее устройство и систему рециркуляции прорвавшегося газа, содержащей средством, предназначенным для рециркуляции прорвавшегося газа в воздухозаборник, причем смазочное масло содержит изопарафиновое базовое масло, в котором содержание насыщенных углеводородов составляет более 99% по весу и индекс вязкости которого превышает 120, систему пакетов присадок, улучшающих эксплуатационные характеристики, и присадку - модификатор вязкости.
На чертеже показана предпочтительная система дизельного двигателя, соответствующая настоящему изобретению. Система содержит воздухозаборник (1), фильтр (2) воздухозаборника, компрессор (3) воздуха, трубопровод (4) для сжатого воздуха, вторичное охлаждающее устройство (5), впускной коллектор (7), блок (8) цилиндров, снабженный цилиндрами (9) и смазочным маслом (10), присутствующим в блоке (8) цилиндров. Трубки (11) соединяют цилиндры (9) с турбиной (14) вытекающего потока. Через трубки (11) проходят выхлопные газы. Как показано, турбина (14) вытекающего потока работает на одной оси с компрессором (3) воздуха. Выхлопные газы проходят глушитель (15) выхлопа, соединенный с выхлопной трубой (16).
Система дизельного двигателя снабжена средством (12), предназначенным для рециркуляции части выхлопных газов в цилиндры. В такой системе присутствуют клапан (13) управления потоком выхлопных газов и охлаждающее устройство (17) рециркуляционных выхлопных газов. Кроме того, предусмотрено средство (18) транспортировки, предназначенное для направления прорвавшихся газов в поток воздуха, непосредственно перед компрессором (3) воздуха.
Далее изобретение проиллюстрировано примерами, которые не ограничивают изобретение.
Пример 1: подготовка базовых масел и определение характеристик
Из гидроизомеризованного парафина после процесса Фишера-Тропша выделяются светлые фракции, свойства которых приведены в таблице 1. Содержание парафина составляло менее 20% по весу, что определяли с помощью процесса депарафинизации растворителем при температуре депарафинизации, составляющей - 20°С.
Таблица 1
Сырье для каталитической депарафинизации
Точка застывания
°С
+45
Плотность при 70°С
0,7960
Температура начала кипения
°С
362
Температура перегонки % по массе согласно TBP-GLC (истинная температура кипения, определяемая по методу газожидкостной хроматографии)
5
°C
401
10
°C
412
50
°C
462
70
°C
487
90
°С
519
95
°С
531
Температура выкипания
°С
573
-6
2
Упомянутый выше дистиллят, также называемый парафинистый рафинат, вводили в контакт с катализатором депарафинизации, состоящим из 0,7% по весу платины, 25% по весу ZSM-12 и связующего из диоксида кремния. Депарафинизация проводилась при следующих условиях: водород под давлением 40 бар (4 МПа), температура в реакционной камере равна 312°С, объемная скорость WHSV равна 1 кг/л·ч и скорость подачи газообразного водорода 500 нл/кг сырья. Вытекающий поток подвергался перегонке, и была получена фракция, кипящая при температуре выше 390°С со свойствами базового масла, приведенными в таблице 2. Далее часть первого базового масла была подвергнута дальнейшей перегонке с целью выделения фракции, кипящей при температуре выше 460°С (температура отсечения) для получения второго изопарафинового базового масла из таблицы 2. Оставшееся масло, кипящее при температуре менее 460°С, имело кинематическую вязкость при 100°С 4 сСт (4·10 м/с).
Таблица 2
Первое базовое масло
Второе базовое масло
Кинематическая вязкость при 100°С
5,143
7,77
Индекс вязкости
144
148
Температура застывания
-24
-24
Содержание насыщенных углеводородов (% по весу)
99.6
99.2
% по весу нафтеновых соединений
5,8
8,5
% углерода в ответвлениях
13,5
13,8
Измерение % по весу нафтеновых соединений
Содержание нафтеновых соединений было получено с использованием метода атомно-абсорбционной спектрометрии (AAC), описанного подробно на страницах 27 и 28 документа WO-A-2005/000999.
Измерение процента углерода в ответвлениях
13
3
n
1
2
3+
Это свойство измерялось с использованием ЯМР С. Первичные данные брались из под спектра группы СН, полученного с использованием хорошо известной последовательности импульсов метода GASPE (метод спинового эха с мультиплетной расфазировкой), как описано в "Quantitative estimation of CH group abundance in fossil fuel materials using 13-C NMR methods" (D.J.Cookson, B.E.Smith, Fuel (1983), том 62, страница 986) и в "Improved methods for assignment of multiplicities in 13-C NMR spectroscopy with applications to the analysis of mixtures" (D.J.Cookson and B.E.Smith, Organic Magnetic Resonance, том 16, <2>, 1981, страница 111). Цель состоит в том, чтобы получить численные отношения ответвлений C (метил), С (этил) и С(3 и более атомов углерода) в образце, чтобы можно было в количественной форме выразить общее количество углерода в ответвлениях.
3
3
3
3
Отправной точкой является GASPE-подспектр СН, который получается добавлением ССЭ (стандартное спиновое эхо) спектра к 1/J GASPE (метод спинового эха с мультиплетной расфазировкой). При этом получается спектр, который содержит только пики СН и СН. Далее мы определяем СН группы как сигналы при низкой частоте 25 миллионных долей химического сдвига (по сравнению с TMS). Далее этот подспектр интегрируется для получения численных значений сигналов различных СН групп.
3
Многие СН сигналы могут быть идентифицированы, но в некоторых случаях установление такого соответствия сложнее и необходимо сделать некоторые предположения, как отмечено ниже.
Вычисление содержания метильных ответвлений
Некоторые сигналы могут соответствовать метильным ответвлениям.
Между 19 и 21 миллионных долей существует некоторое количество различимых и сильных сигналов, которые можно идентифицировать как метильные ответвления следующего общего вида:
где R - алкильная группа.
Также наблюдаются различимые и сильные сигналы в области от 22 до 24 миллионных долей, которые можно однозначно идентифицировать как изопропиловые концевые группы следующей общей структуры:
3
Здесь, например, мы можем классифицировать одну из СН групп как конец основной цепи, а другую - как ответвление. Следовательно, при вычислении содержания метильных ответвлений интенсивность указанных сигналов должна быть уменьшена в два раза.
В области от 15 до 19 миллионных долей существует также несколько слабых сигналов. Вполне возможно, что эта область будет содержать сигналы, принадлежащие изопропиловой группе с дополнительным ответвлением в 3 положении:
В этом примере также при вычислении содержания метильных ответвлений общее значение этих сигналов также необходимо уменьшить в два раза. Однако существует мало других доказательств для этих структур и область также будет содержать структуры с метильными ответвлениями, расположенными рядом с другими ответвлениями, то есть
и
3
Из-за этой неопределенности, мы решили предположить, что большинство этих сигналов соответствуют метильным ответвлениям, расположенным рядом с другими ответвлениями, и использовать общее значение, не деля его. Если на самом деле существует значительное количество изопропиловых групп с дополнительным ответвлением в 3-положении, то это означает, что наше вычисление завысит содержание метильных ответвлений. Тем не менее важно заметить, что сигналы в этой области слабы по сравнению с другими сигналами СН групп и, следовательно, различие в содержании метильных ответвлений будет небольшим.
Также в спектре в области от 8 до 8,5 миллионных долей наблюдались некоторые очень слабые сигналы. Единственным нашим возможным предположением для этих сигналов является предположение о 3,3-диметилзамещенных структурах:
3
В этом случае наблюдаемый сигнал соответствует концевой СН группе, но существует два соответствующих метильных ответвления. Следовательно, общее значение этих сигналов необходимо увеличить в два раза (сигналы для двух метильных ответвлений не считаются независимо).
Общая наша оценка содержания метильных ответвлений основана на следующей формуле:
Общее значение для области от 19 до 20 миллионных долей +
+ (Общее значение для области от 22 до 25 миллионных долей)/2 +
+ Общее значение для области от 15 до 19 миллионных долей +
+ (Общее значение для области от 7,0 до 9 миллионных долей)∗2.
Вычисление содержания этильных ответвлений
Этот случай несколько проще вычисления содержания метильных ответвлений. Можно наблюдать два различимых сравнительно сильных сигнала. При 11,5 частях на миллион сигнал может соответствовать 3-метилзамещенной структуре.
3
В этом примере СН группа может быть классифицирована как окончание основной цепи и ее можно проигнорировать как часть содержания этильных ответвлений. (Соответствующий сигнал для метильного ответвления наблюдался при 19,3 миллионных долей и, следовательно, уже был включен в содержание метильных ответвлений).
Сигнал при 10,9 миллионных долей можно идентифицировать как метил боковой цепи общего вида:
и, следовательно, его значение можно непосредственно использовать для вычисления содержания этильных ответвлений.
В этом случае небольшой проблемой является то, что концевые группы изопентила:
3
будут давать сигнал в той же области, и так как одну из СН групп необходимо классифицировать как окончание основной цепи, общее значение необходимо разделить на два. Однако доказательство из приписываний других пиков для описанной выше структуры предполагает, что содержание изопентила очень невелико. Следовательно, мы предполагаем, что им можно пренебречь и непосредственно использовать общее значение этого сигнала без изменения. Возможно, что если фактически имеет место значительное содержание изопентила, то содержание этильных ответвлений будет завышено.
Общая наша оценка содержания этильных ответвлений основана исключительно на интервале от 10 до 11,2 миллионных долей.
3+
Вычисление содержания ответвлений С групп
3
3
Этот случай является наиболее сложным для вычисления, и оценка не может быть получена только на основе данных ЯМР. Проблема состоит в трудности различения сигнала от СН групп для этих более длинных ответвлений и сигналов СН групп, оканчивающих основную цепь. Сигналы, которые наблюдаются для этих углеродов, находятся в области от 14 до 15 миллионных долей.
3
Более слабый сигнал при 14,7 миллионных долей может быть от ответвлений С.
Тем не менее у нас нет надежных данных для подтверждения этого.
Второй слабый сигнал при 14,5 миллионных долей может быть отнесен к 4-метилструктурам, то есть
3
и, следовательно, соответствует СН группе, оканчивающей основную цепь.
3
Главный сигнал в этой области находится при 14,1 миллионных долей и стремится быть одним из наиболее интенсивных сигналов в спектре. Он может быть отнесен к любой СН группе без ответвления в пределах 4 атомов углерода, то есть
или
- как легко видеть, по этому сигналу невозможно различить окончание основной цепи и более длинные ответвления.
3
3
3
Из-за этой трудности наш подход заключается в том, чтобы вычислять теоретическое содержание СН групп, оканчивающих основную цепь. Это осуществляется с использованием упомянутых выше данных ААС. Например, для этих структур ААС дает долю молекул Z2 наряду со средним числом атомов углерода. Молекулой Z2 называется линейный или разветвленный углеводород и в любом случае по определению содержит две концевые СН группы. Зная «Z» содержание и среднее число атомов углерода, благодаря Z2 структурам мы можем вычислить теоретическое содержание концевых СН групп основной цепи. Аналогично мы имеем долю и среднее число атомов углерода для Z0 или меньших структур (то есть Z0, Z-2, Z-4 и так далее). В изопарафиновом базовом масле содержание ароматических и олефиновых углеводородов очень мало, так что можно предположить, что Z0 или меньшие структуры являются циклическими, например, имеют следующий вид:
и так далее.
3
3
Следовательно, мы предположим, что эти структуры содержат одну концевую СН группу основной цепи. Конечно, возможно, что Z0 или меньшие структуры будут другими, а не теми, которые упомянуты выше, например, с кольцом на каждом конце цепи или с кольцом в середине цепи. Тем не менее так мы не можем различить такие структуры и нам кажется, что их наличие менее вероятно по сравнению с упомянутыми выше, мы считаем, что наше предположение об одной концевой СН группе на молекулу является наилучшим из возможных.
3
3
3
3
На основе этой информации можно вычислить, какое в образце должно быть общее теоретическое содержание концевых СН групп. Если мы вычтем из этого значения известные содержания концевых СН групп, то есть половину значения для изопропила, значение 3-метилзамещенных структур и значение для 3,3-диметилзамещенных структур, то получим значение для сигналов в области 14 миллионных долей, которые принадлежат оканчивающим цепь СН группам, то есть разница будет значением для С+ответвлений.
3+
Следовательно, для С ответвлений вычисления проводим следующим образом: Общее значение для области от 14 до 15 миллионных долей -
3
- ((теоретическое значение для концевых СН групп) -
- (общее значения для области от 11,2 до 11,8 миллионных долей) -
- (общее значения для области от 22 до 25 миллионных долей)/2 -
- общее значения для области от 7 до 9 миллионных долей)).
Ясно, что при вычислении соотношения типов ответвлений необходимо сделать некоторые предположения. Заявители считают, что описанный выше способ является наилучшим возможным способом, который мы можем предложить.
Пример 2
Состав смазочного масла 10W40 получается с использованием базовых масел из таблицы 2, при этом окончательный состав содержит 3% по весу первого базового масла, 67,9% по весу второго базового масла, 8,9% по весу серийно выпускаемой присадки - модификатора вязкости и 20,2% по весу стандартного пакета присадок, не содержащего модификатора вязкости.
Этот состав масла был подвергнут тесту отложений компании MTU, стандартный метод испытания (DIN 51535), соответствует части описания MTL 5044 (январь 2004) MTU моторных масел для дизельных двигателей. Значение теста отложений компании MTU составило 105 мг отложений.
Сравнительный эксперимент
Состав смазочного масла 10W40 с такой же кинематической вязкостью при 100°С, как в примере 1, был получен с использованием двух базовых масел на минеральной основе. Окончательный состав содержит 24,5% по весу XHVI-5 и 43,9% по весу XHVI-8.
Дополнительно масло содержит 11,4% по весу присадки - модификатора вязкости и 20,2% по весу стандартного пакета присадок, не содержащего модификатора вязкости.
Этот состав масла был подвергнут тесту отложений компании MTU из примера 1 и значение указанного теста составило 141 мг отложений.
Меньшее значение теста компании MTU для примера 1 по сравнению с рассматриваемым экспериментом является существенным показателем того, что меньше отложений будет образовываться в системе воздухозаборника или в возможно присутствующем устройстве охлаждения воздуха.