СОСТАВ ТОПЛИВА И СПОСОБ СОСТАВЛЕНИЯ РЕЦЕПТУРЫ ДЛЯ СОСТАВА ТОПЛИВА В ЦЕЛЯХ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫБРОСОВ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В РЕАЛЬНОМ ЕЗДОВОМ ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ЦИКЛЕ
FUEL COMPOSITION AND METHOD OF FORMULATING FUEL COMPOSITION TO REDUCE REAL-WORLD DRIVING CYCLE PARTICULATE EMISSIONS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка основана на приоритете патентной заявки США с регистрационным номером 14/516,627, озаглавленной «FUEL COMPOSITION AND METHOD OF FORMULATING A FUEL COMPOSITION TO REDUCE REAL-WORLD DRIVING CYCLE PARTICULATE EMISSIONS», поданной 17 октября 2014 года, содержание которой во всей своей полноте посредством ссылки включается в настоящий документ.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Областью настоящего изобретения являются топлива для двигателей внутреннего сгорания и способы составления их рецептуры. Говоря конкретно, изобретение направлено на топлива, которые при сгорании производят меньше выбросов дисперсных частиц в сопоставлении со сравнительными топливами, характеризующимися относительно повышенным уровнем содержания ароматических соединений.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Стандарты по выбросам для автотранспортных средств в общем случае тщательно рассматриваются во всем мире в регламентирующих группах, занимающихся охраной окружающей среды. Стандарты устанавливают на все более и более низкие различные типы выбросов. Говоря конкретно, значительно понижаются предельные значения выбросов дисперсных частиц для автотранспортных средств. Сюда включаются предельные значения выбросов дисперсных частиц из бензиновых двигателей/двигателей с искровым зажиганием, а также для других технологий двигателей.
Для двигателей с искровым зажиганием пониженные предельные значения выбросов дисперсных частиц отчасти разрешаются в результате улучшения конструкции аппаратуры автотранспортного средства. Внимание уделяется технологии впрыска топлива для улучшения сгорания. Например, при отсутствии оптимизирования закоксовывание форсунки может привести к неблагоприятному распылению топлива и увеличенным выбросам дисперсных частиц. Поэтому в целях уменьшения выбросов дисперсных частиц развивается технология улучшения эксплуатационных характеристик аппаратуры.
Выбросы, такие как выбросы дисперсных частиц, измеряют в традиционных испытаниях для ездового испытательного цикла; однако, данные традиционные испытания не воспроизводят в достаточной степени условия реальной езды. Поэтому результаты традиционных испытаний не могут быть представительными в отношении выбросов для автотранспортных средств во время реальной езды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с этим, одна цель настоящего изобретения заключается в уменьшении выбросов дисперсных частиц в реальном ездовом испытательном цикле в результате улучшения состава топлива. Как это было обнаружено, с выбросами дисперсных частиц тесно соотносится уровень содержания ароматических соединений в топливе. То есть, относительно повышенный уровень содержания ароматических соединений в топливе приводит к относительно повышенным выбросам дисперсных частиц. При понижении уровня содержания ароматических соединений и замещении данного ароматического содержимого улучшающей октановое число присадкой, характеризующейся пониженным или нулевым уровнем содержания ароматических соединений, такой как металлоорганическая присадка, улучшающая октановое число, положительный результат заключается в уменьшенных выбросах дисперсных частиц без принесения в жертву для этого октанового числа и эффективности использования топлива.
В одном примере способ уменьшения выброса дисперсных частиц из двигателя внутреннего сгорания начинается с получения базового топлива, характеризующегося уровнем содержания ароматических соединений, составляющим, по меньшей мере, приблизительно 10% (об.). Далее способ включает добавление к базовому топливу определенного количества присадки, улучшающей октановое число, для получения рецептуры топлива, где смесь из присадки, улучшающей октановое число, и базового топлива характеризуется уровнем содержания ароматических соединений, который является более низким, чем уровень содержания ароматических соединений в базовом топливе при отсутствии присадки, улучшающей октановое число. Выбросы дисперсных частиц от сгорания рецептуры топлива согласно измерению при использовании совокупного числа частиц (ЧЧ) уменьшаются в сопоставлении с выбросами дисперсных частиц от сгорания базового топлива.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет собой график, иллюстрирующий исследовательское октановое число (ИОЧ), моторное октановое число (МОЧ) и уровень содержания ароматических соединений для трех сравнительных рецептур топлива - базового топлива, топлива, которое содержит присадку, улучшающую октановое число, и риформатного топлива.
Фигура 2 представляет собой график, который иллюстрирует кривые перегонки для трех топлив, продемонстрированных также и на фигуре 1.
Фигура 3 представляет собой график, который отображает числа выбросов дисперсных частиц (ЧЧ) (как для твердых веществ, так и для летучих веществ) во время подциклов ездовых испытательных циклов Common ARTEMIS Driving Cycles (CADC) -езда по городу, езда по сельской местности и езда М150 (езда по магистральной дороге при 150 км/час).
Фигура 4 представляет собой график, который иллюстрирует нестационарные интенсивности выбросов дисперсных частиц и монооксида углерода (СО) в рабочих условиях при высокой скорости-высокой нагрузке.
Фигура 5 представляет собой график, который иллюстрирует нестационарные интенсивности выбросов дисперсных частиц и воздушно-топливное отношение (ВТО) в рабочих условиях при высокой скорости-высокой нагрузке.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целях смешивания топлив для удовлетворения специфических требований к октановому числу могут быть использованы компоненты смеси с различными октановыми числами. Детально подобранные компоненты в товарном топливе, в конечном счете, определяют физические и химические свойства топлива, а поэтому и выбросы в выхлопных газах для автотранспортных средств, получающиеся в результате сгорания топлива. Раскрыт способ уменьшения выбросов дисперсных частиц в реальном ездовом испытательном цикле в результате использования присадок, улучшающих октановое число, например, таких как улучшающие октановое число присадки, включающие метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, при этом топливо одновременно может удовлетворять требования к октановому числу при понижении уровня содержания ароматических соединений в топливной смеси.
Новые и развивающиеся требования к составу топлива во множестве случаев могут приводить в результате к получению товарного топлива, характеризующегося высоким уровнем содержания ароматических соединений. Добавление ароматических соединений требуется в целях придания топливу необходимого октанового числа, которое нужно для заданных технических характеристик. Данные глубоко переработанные топлива могут включать, по меньшей мере, 10% ароматического содержимого или, в альтернативном варианте, по меньшей мере, 25% или, кроме того еще в альтернативном варианте, по меньшей мере, 35% ароматического содержимого. Данный относительно высокий уровень содержания ароматических соединений обеспечивает удовлетворение требований к октановому числу. Однако, как это было установлено, данный уровень содержания ароматических соединений представляет собой источник существенных выбросов дисперсных частиц.
Современные требования к переработке также включают все большее уменьшение количества серы в получающемся в результате топливе. Данные топлива могут содержать менее, чем 50 ч./млн. серы или, в альтернативном варианте, менее, чем 15 ч./млн. серы или, кроме того еще в альтернативном варианте, менее, чем 10 ч./млн. серы. Один результат, получающийся при стремлении к осуществлению данного десульфурирования топлива в различных способах гидрирования, заключается в потере октанового числа получающимся в результате переработанным топливом. Данная потеря октанового числа должна быть компенсирована в результате добавления других компонентов смеси, характеризующихся относительно повышенными октановыми числами. Данные компоненты включают идентифицированные прежде компоненты, характеризующиеся высоким уровнем содержания ароматических соединений.
Еще один побочный эффект от современных способов переработки заключается в физическом изменении получающихся в результате фракций топлива в отношении их кривых перегонки. Широко известные фракции перегонки топлива обозначаются как Т10, Т50 и Т90. Фракция Т90 обычно отражает летучесть относительно тяжелых соединений в топливе. Чем более высоким будет число для фракции Т90, тем более трудным будет испарение данной фракции топлива. Как полагают, это уменьшает легкость полного сгорания и приводит к повышенным выбросам дисперсных частиц и образованию отложений. Для фракций топлива и базовых топлив, описанных в настоящем документе, фракция Т90 соответствует, по меньшей мере, приблизительно 140°С. Данное значение для фракции Т90 является относительно более высоким в сопоставлении с типичными историческими числами для фракции Т90 топлив, которые не подвергают переработке, какими они являются в настоящее время.
В рабочих условиях при высокой скорости-высокой нагрузке, таких как резкое ускорение для случая Motorway 150 (езда по магистральной дороге при 150 км/час) ездового испытательного цикла Common ARTEMIS Driving Cycle (CADC), может иметь место неполное сгорание вследствие обогащения топлива в целях соответствия требуемой мощности и/или защите катализатора. Данный тип характеристики езды более часто наблюдается при реальном использовании, чем в традиционном регламентированном испытательном цикле (таком как ездовой испытательный цикл New European Driving Cycle (NEDC)), и вклад в выбросы является более высоким и в большей степени представляющим реальный кадастр выбросов. В зависимости от состава топлива и легкости его окисления может быть оказано большое воздействие на выбросы дисперсных частиц для автотранспортных средств. Данные очень высокие скачки выбросов дисперсных частиц подтверждаются совпадением со скачками выбросов СО в данных специфических рабочих режимах. Смешивание топлива с металлоорганической присадкой, улучшающей октановое число, вместо повышения уровня содержания ароматических или олефиновых соединений может значительно уменьшить выбросы дисперсных частиц.
1
5
Под термином «топлива» в настоящем документе подразумеваются одно или несколько топлив, подходящих для использования при работе систем сгорания и включающих бензины, неэтилированные автомобильные и авиационные бензины и так называемые реформулированные бензины, которые обычно содержат как углеводороды, соответствующие интервалу кипения бензина, так и растворимые в топливе оксигенированные компоненты смеси, такие как спирты, простые эфиры и другие подходящие для использования кислородсодержащие органические соединения. Оксигенаты, подходящие для использования, включают метанол, этанол, изопропанол, трет-бутанол, смешанные С-С спирты, метил-трет-бутиловый простой эфир, трет-амилметиловый простой эфир, этил-трет-бутиловый простой эфир и смешанные простые эфиры. Оксигенаты в случае использования таковых могут присутствовать в базовом топливе в количестве, доходящем вплоть до приблизительно 90% (об.), а предпочтительно только вплоть до приблизительно 25% (об.).
Как это обсуждается в настоящем документе, присадки, улучшающие октановое число, в общем случае включают как металлоорганические присадки, улучшающие октановое число, так и другие присадки, улучшающие октановое число. Данные другие присадки, улучшающие октановое число, включают простые эфиры и ароматические амины.
Для целей использования в настоящем документе важной является демонстрация присадкой, улучшающей октановое число, и любыми жидкими носителями, смешанными с присадкой, улучшающей октановое число, пониженного или нулевого уровня содержания ароматических соединений. Важной является необходимость содержания данными присадками, улучшающими октановое число, менее, чем 20% ароматического содержимого или, в альтернативном варианте, менее, чем 10% ароматического содержимого или, кроме того еще в альтернативном варианте, менее, чем 5% ароматического содержимого.
Одна группа металлоорганических присадок, улучшающих октановое число, может содержать марганец. Примерами марганецсодержащих металлоорганических соединений являются марганецтрикарбонильные соединения.
Подходящие для использования марганецтрикарбонильные соединения, которые могут быть использованы, включают циклопентадиенилмарганецтрикарбонил, метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, диметилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, триметилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, тетраметилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, пентаметилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, этилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, диэтилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, пропилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, изопропилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, трет-бутилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, октилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, додецилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, этилметилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, инденилмарганецтрикарбонил и тому подобное, в том числе смеси из двух и более таких соединений. В одном примере ими являются циклопентадиенилмарганецтрикарбонильные соединения, которые являются жидкими при комнатной температуре, такие как метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, этилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил, жидкие смеси из циклопентадиенилмарганецтрикарбонила и метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонила, смеси из метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонила и этилциклопентадиенилмарганецтрикарбонила и тому подобное.
Количество или концентрация марганецсодержащего соединения в топливе могут быть выбраны на основании множества факторов, включающих специфические признаки конкретного топлива. Степень обработки для марганецсодержащего соединения может превышать 100 мг марганца/литр, доходить вплоть до приблизительно 50 мг/литр, находиться в диапазоне от приблизительно 1 до приблизительно 30 мг/литр или, кроме того еще, от приблизительно 5 до приблизительно 20 мг/литр.
Еще одним примером группы металлоорганических присадок, улучшающих октановое число, является группа, которая содержит железо. Данные железосодержащие соединения включают ферроцен. Степень обработки для данных железосодержащих соединений подобна степени обработки для вышеупомянутых марганецсодержащих соединений.
Нитратные присадки, улучшающие октановое число, (зачастую также известные под наименованием присадок, улучшающих воспламенение) включают сложные эфиры, полученные из азотной кислоты и замещенных или незамещенных алифатических или циклоалифатических спиртов, которые могут быть одноатомными или многоатомными. Органические нитраты могут быть замещенными или незамещенными алкиловыми или циклоалкиловыми нитратами, содержащими вплоть до приблизительно десяти атомов углерода, например, от двух до десяти атомов углерода. Алкильная группа может быть либо линейной, либо разветвленной (или смесью из линейных и разветвленных алкильных групп). Конкретные примеры нитратных соединений, подходящих для использования в качестве нитратных присадок для интенсификации сгорания, включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: метилнитрат, этилнитрат, н-пропилнитрат, изопропилнитрат, аллилнитрат, н-бутилнитрат, изобутилнитрат, втор-бутилнитрат, трет-бутилнитрат, н-амилнитрат, изоамилнитрат, 2-амилнитрат, 3-амилнитрат, трет-амилнитрат, н-гексилнитрат, н-гептилнитрат, втор-гептилнитрат, н-октилнитрат, 2-этилгексилнитрат, втор-октилнитрат, н-нонилнитрат, н-децилнитрат, циклопентилнитрат, циклогексилнитрат, метилциклогексилнитрат, изопропилциклогексилнитрат и тому подобное. Также подходящими для использования являются сложные эфиры, полученные из азотной кислоты и алкоксизамещенных алифатических спиртов, такие как 2-этоксиэтилнитрат, 2-(2-этоксиэтокси)этилнитрат, 1-метоксипропил-2-нитрат и 4-этоксибутилнитрат, а также диолнитраты, такие как 1,6-гексаметилендинитрат, и тому подобное. Например, также включаются алкилнитраты и -динитраты, содержащие от пяти до десяти атомов углерода, а, говоря наиболее конкретно, смеси из первичных амилнитратов, смеси из первичных гексилнитратов и октилнитраты, такие как 2-этилгексилнитрат.
Пример
Данный пример в следующем далее изложении приводится для трех смешиваемых и испытываемых топлив. Топливо № 1 представляет собой базовое топливо. Не являющиеся базовыми топливами смеси содержат 80% базового топлива и 20% комбинации из продукта HSR (тяжелый бензин прямой перегонки), риформата или алкилатов, а товарные топливные смеси маркируются в соответствии с демонстрацией в таблице 1. Все три топлива характеризуются эквивалентными исследовательским октановым числом (ИОЧ) и моторным октановым числом (МОЧ), но уровень содержания ароматических соединений варьируется при переходе от одного топлива к другому (фигура 1). Топливо № 3 характеризуется наивысшим уровнем содержания ароматических соединений (41,91% (об.)), за ним следует базовое топливо (32,83% (об.)), и наинизший соответствующий уровень содержания относится к топливу № 2 (28,39% (об.)), то есть, топливу, содержащему соединение ММТ (метилциклопентадиенилмарганецтрикарбонил). Кривые перегонки на фигуре 2 указывают на то, что топливо № 2 характеризуется существенно более высокими значениями для фракций Т50 и Т90 по отношению к другим топливам.
Таблица 1. Матрица смешивания топлива
<b>ПОТОК </b>
<b>Базовое топливо </b>
<b>HSR </b><b><i>MMT </i></b>
<b>Риформат </b>
<b>Бензин от компании СОР </b>
100,0%
80,0%
80,0%
<b>HSR </b>
0,0%
9,7%
5,7%
<b>Риформат </b>
0,0%
0,0%
14,3%
<b>Изооктан </b>
0,0%
10,3%
0,0%
<b></b><b><i>MMT </i></b><b>(мг/л) </b>
0,0
18,0
0,0
<b>Идентификатор топлива </b>
№ 1
№ 2
№ 3
Фигура 3 демонстрирует выбросы дисперсных частиц (совокупное число частиц как для твердых веществ, так и для летучих веществ, ЧЧ) для ездового испытательного цикла Common ARTEMIS Driving Cycle. Очевидно то, что выбросы дисперсных частиц являются намного большими в фазе 3 (часть с ездой по магистральной дороге), при превышении приблизительно на два порядка величины в сопоставлении с тем, что имеет место в других двух фазах. В фазе 3 топливо № 2 - топливо, которое смешивают с соединением ММТ - производит наименьшие выбросы совокупных дисперсных частиц - на 23% меньше, чем базовое топливо и на 10% меньше, чем риформатное топливо. Необходимо отметить то, что выбросы дисперсных частиц, приведенные в данном случае, имеют форму совокупных частиц, что означает принятие в расчет при измерении не только твердых веществ, но также и летучих веществ. Это обуславливается тем, что летучие вещества могут стать преобладающими в интенсивностях выбросов совокупных дисперсных частиц в условиях езды ездового испытательного цикла CADC. Удаление летучих веществ в данных условиях может стать источником значительной необъективности в отношении измерения и характеризации выбросов.
Скачки выбросов СО на фигуре 4 и смещения отношения ВТО на фигуре 5 согласованно демонстрируют то, что работа автотранспортного средства в условиях при высокой скорости-высокой нагрузке может приводить к достижению обогащения для двигателя. Очень большие выбросы дисперсных частиц в данных условиях представляют собой объединенный эффект от обогащения для двигателя и неполного сгорания. Данный очень чувствительный режим может быть очень критичным при борьбе с выбросами дисперсных частиц из автотранспортного средства, поскольку его вклад является очень значительным в сопоставлении с другими рабочими условиями.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «октановое число» относится к уровню объемного процентного содержания изооктана в смеси из изооктана (2,2,4-триметилпентана - изомера октана) и нормального гептана, которая обладала бы теми же самыми противодетонационными свойствами (то есть, стойкостью к самовозгоранию или антидетонацией), что и рассматриваемое топливо.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «исследовательское октановое число (ИОЧ)» относится к моделированным характеристикам топлива при работе двигателя в условиях малой жесткости. В соответствии с использованием в настоящем документе термин «моторное октановое число (МОЧ)» относится к моделированным характеристикам топлива при работе двигателя в более жестких условиях (чем число ИОЧ), которую могут повлечь за собой высокая скорость или высокая нагрузка.
Оба числа измеряют при использовании стандартизованного одноцилиндрового двигателя с переменной степенью сжатия. Для чисел как ИОЧ, так и МОЧ двигатель работает при постоянной скорости (об./мин), а степень сжатия увеличивают вплоть до начала детонации. Для числа ИОЧ скорость двигателя задают равной 600 об./мин, а для числа МОЧ скорость двигателя задают равной 900 об./мин. Также для числа МОЧ топливо предварительно нагревают и для создания дополнительного напряжения в отношении антидетонационной стойкости топлива используют переменную установку опережения зажигания.
В соответствии с использованием в настоящем документе термин «ароматический» используют для описания органической молекулы, содержащей сопряженную планарную кольцевую систему с делокализованными электронами. Термин «ароматическое кольцо» в соответствии с использованием в настоящем документе может описывать моноциклическое кольцо, полициклическое кольцо или гетероциклическое кольцо. Кроме того, термин «ароматическое кольцо» может соответствовать описанию в отношении соединенных, но неконденсированных ароматических колец. Моноциклические кольца также могут быть описаны как арены или ароматические углеводороды. Примеры моноциклического кольца включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: бензол, циклопентен и циклопентадиен. Полициклические кольца также могут быть описаны как полиароматические углеводороды, полициклические ароматические углеводороды или полиядерные ароматические углеводороды. Полициклические кольца содержат конденсированные ароматические кольца, где моноциклические кольца имеют общие соединительные связи. Примеры полициклических колец включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: нафталин, антрацен, тетрацен или пентацен. Гетероциклические кольца также могут быть описаны как гетероарены. Гетероциклические кольца содержат неуглеродные атомы кольца, где, по меньшей мере, один атом углерода ароматического кольца замещают гетероатомом, таким как нижеследующее, но без ограничения только этим: кислород, азот или сера. Примеры гетероциклических колец выключают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: фуран, пиридин, бензофуран, изобензофуран, пиррол, индол, изоиндол, тиофен, бензотиофен, бензо[c]тиофен, имидазол, бензимидазол, пурин, пиразол, индазол, оксазол, бензоксазол, изоксазол, бензизоксазол, тиазол, бензотиазол, хинолин, изохинолин, пиразин, хиноксалин, акридин, пиримидин, хиназолин, пиридазин или циннолин.
Другие варианты осуществления настоящего раскрытия изобретения станут очевидными для специалистов в соответствующей области техники исходя из рассмотрения описания изобретения и практики раскрытия изобретения, раскрытых в настоящем документе. В соответствии с использованием по всему объему описания изобретения и формулы изобретения термины «один» и/или «некий» могут относиться к одному или более, чем одному. Если только не будет указано на другое, то все числа, выражающие количества ингредиентов, свойства, такие как молекулярная масса, процент, отношение, условия проведения реакции и тому подобное, и использующиеся в описании изобретения и формуле изобретения, должны пониматься как во всех случаях модифицированные термином «приблизительно». В соответствии с этим, если только не будет указано на противоположное, численные параметры, представленные в описании изобретения и формуле изобретения, будут представлять собой приближения, которые могут варьироваться в зависимости от желательных свойств, требуемых для получения в настоящем раскрытии изобретения. В самом крайнем случае и не в попытке ограничения применения доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый численный параметр должен, по меньшей мере, восприниматься в свете числа приведенных значащих численных разрядов и при использовании обычных методик округления. Несмотря на то, что численные диапазоны и параметры, представляющие широкий объем раскрытия изобретения, являются приближениями, численные значения, представленные в конкретных примерах, приводятся по возможности наиболее точно. Однако, любое численное значение по самой своей природе включает определенные погрешности, необходимым образом получающиеся в результате наличия среднеквадратического отклонения, обнаруживаемого при его измерениях в соответствующих испытаниях. Как это имеется в виду, описание изобретения и примеры должны рассматриваться только в качестве типичных иллюстраций, при этом на подлинные объем и сущность раскрытия изобретения указывается в следующей далее формуле изобретения.