" CARBURANT POUR MOTEUR DIESEL ET PROCEDE POUR FAIRE FONCTIONNER
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La présente invention concerne et a pour
objet principal le fonctionnement efficace et économique de moteurs Diesel à l'aide d'un carburant double.
L'objet précité ainsi que d'autres objets de l'invention sont réalisés par le procédé suivant l'invention qui comprend les stades consistant à introduire un hydrocarbure combustible gazeux, de préférence du propane, dans la chambre de combustion d'un moteur Diesel avant le cycle d'allumage, de façon à former un mélange de ce carburant avec de l'air, à comprimer ce mélange par la course de compression jusqu'à un point situé à 2-10[deg.] avant le point mort supérieur, puis à injecter en ce point une charge pilote de carburant Diesel dans la chambre de combustion, de façon à amorcer la combustion de la charge de carburant totale, le rapport du carburant gazeux au carburant Diesel dans la charge de carburant totale étant
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restant étant fourni par le carburant Diesel, le rapport des volumes du carburant, gazeux au carburant Diesel étant, de préférence, compris entre 6:1 et 30:1 environ, le carburant Diesel étant caractérisé par le fait qu'il contient soit (A) de 1 à 10 g environ par gallon d'un métal ayant un poids atomique de 25 à 28, sous forme d'un composé contenant du carbone, soluble dans les hy-
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tricarbonyle, dont l'atome de métal est coordonné à la partie organique de la molécule par une pluralité de liaisons métal-carbone, soit (B) de 1 à 10 g environ par gallon de plomb sous forme d'un composé alcoyl-plomb, dans <EMI ID=5.1>
de carbone, et de 0,05 à environ 3 g par gallon d'un métal ayant un poids atomique de 25 à 28, sous forme d'un composé contenant du carbone, soluble dans les hydrocarbures, de préférence un cyclopentadiényl-manganèse-tricarbonyle, dont l'atome de métal est coordonné à la partie organique de la molécule par une pluralité de liaisons métal-carbone. Un mode d'exécution préféré de ce procédé consiste à utiliser des carburants Diesel qui possèdent un nombre de cétane net (c'est-à-dire, en l'absence du ou des composée métalliques précités) d'au moins 40 environ. Ceci assure une capacité d'allumage adéquate de la charge Diesel dans toutes les conditions opératoires.
Lors de l'exécution du procédé suivant la présente invention, il est préférable de faire fonctionner
le moteur dans des conditions telles que le mélange de carburant gazeux dans l'air, pendant la période de compression , soit relativement pauvre. De manière générale,
dans des conditions de charge, des rapports pondéraux air-carburant gazeux d'environ 35: 1 à environ 23:1 peuvent être utilisés avec succès. Les variations qui peuvent se produire dans ces rapports dépendent du carburant gazeux particulier utilisé, de ses tendances à l'auto-allumage, etc...
La présente invention est applicable au fonctionnement des moteurs Diesel à deux temps et à quatre temps. Dans les moteurs Diesel à deux temps, le carburant gazeux est introduit dans la chambre de combustion, lorsque l'opération de balayage est terminée. En d'autres termes, le carburant gazeux est introduit lorsque le piston a recouvert les orifices d'entrée au cours de sa course ascendante et lorsque les soupapes ou orifices d'échappement ont été fermés. Pendant et après cette introduction, le piston continue sa course ascendante , de manière à comprimer le mélange air-carburant gazeux. Lorsque le pis ton atteint un point situé 2 à 10 degrés avant le point mort supérieur, l'injection pilote du carburant Diesel précité est effectuée et l'allumage par compression est amorcé.
Dans les moteurs à quatre temps, le carburant gazeux peut être fourni au collecteur d'entrée d'air ou
bien il peut être introduit par une soupape dans la chambre de combustion, comme dans le cas du moteur à deux temps.
Il ressort de ce qui précède que l'invention
a également trait à un carburant Diesel convenant spécia-
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burant consistant essentiellement en un carburant Diesel
(c'est-à-dire un hydrocarbure combustible liquide dont
le point d'ébullition est compris dans la gamme des températures d'ébullition des carburants Diesel, soit entre 300 et 725[deg.]F environ) contenant soit (A ) de 1 à 10 g environ par gallon d'un métal ayant un poids atomique de 25 à 28 sous forme d'un composé décrit plus haut , soit (B) de
1 à 10 g environ par gallon de plomb sous forme d'un composé plomb-alcoyle, dans lequel chaque groupe alcoyle comporte jusqu'à 8 atomes de carbone, et de 0,05 à 3 g environ par gallon d'un métal ayant un poids atomique de
25 à 28, sous forme d'un composé coordonné du type décrit plus haut. Comme exemplesde composés de métaux dont les poids atomiques sont compris entre 25 et 28, on peu-_ citer les carbonyles métalliques simples, tels que fer carbonyle, (Fe(CO)5); nickel carbonyle, (Ni(CO)4); cobalt
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les dérivés simples de cyclopentadiène, tels que le fer, dicyclopentadiényle, le nickel dicyclopentadiényle, le manganèse dicyclopentadiényle, ainsi que des composés analo.
gues dans lesquels un ou les deux noyaux cyclopentadiéniques sont substitués par des radicaux alcoyle, les composé, métalliques cyclopentadiényliques mixtes , par exemple les composés particulièrement préférés que sont le cyclopentadiényl-manganèse-tricarbonyle, le méthylcyclopentadiényl-manganèse tricarbonyle, etc...; ainsi que les composés
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le butadiène-fer-tricarbonyle, etc...
Comme exemples de composés plomb-alcoyle, on
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plomb-tétraisopropyle, le plomb-tétrapropyle, le plombtétrabutyle, le plomb-tétraamyle, le plomb-tétraoctyle, le p�omb-diméthyldiéthyle, le plomb-hexyltriéthyle, le plomb-méthyltriéthyle et analogues.
Dans les formes d'exécution où l'on fait usage à la fois d'un composé plomb-alcoyle, et d'un composé métallique, dans lequel le métal a un poids atomique de
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qui corstituent les composas préféras, sont tellement puissants et coopèrent tellement favorablement avec le plomb-alcoyle, pendant le processus d'allumage par com-
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même à de faibles concentrations, par exemple à des concentrations de 0,05 à 1 g environ de manganèse par gallon. Les meilleurs résultats avec les autres composés de manganèse, de fer, de cobalt et de nickel sont obtenus, lorsque leurs concentrations sont comprises entre environ 1 et 3 g de métal par gallon.
Un grand nombre d'avantages très importants ressortent de la mise en pratique de la présente invention. Les carburants gazeux utilisés conformément à l'invention, par exemple le gaz naturel, le butane, le propane (LPG)
<EMI ID=12.1> les moteurs Diesel fonctionnent, lors de la mise en oeuvre de la présente invention, avec une grande efficacité et
à un coût extrêmement modique. Un autre avantage réside dans le fait qu'il suffit d'apporter de légères modifications mécaniques auxmoteuis Diesel courants pour faire en
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sente invention. En fait, les détails des systèmes de carburant doubles ont été expérimentés dans la pratique réelle. Le matériel nécessaire pour transformer aisément les moteurs Diesel fonctionnant de la manière courante
en moteurs Diesel à carburant double est sur le marché.
En raison du fait que les modifications nécessitées par la présente invention sont très légères, le moteur peut être aisément retransformé, à bas prix, en un moteur fonctionnant, de la manière classique, avec un seul carburant, si une telle reconversion était désirée. Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait que
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leurs, l'injection de la charge-pilote de carburant Diesel assure une répartition relativement étendue du ou
des composés métalliques dans la chambre de combustion
où des effets bénéfiques profonds sont exercés sur le processus de combustion.
l'avantage qui est sans doute le plus important, de tous réside dans le fait que la combustion est très uniforme et est excessivement efficace, lorsqu'on fait usage des carburants doubles suivant la présente invention. Ceci signifie que le moteur Diesel fournit
sance
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ailleurs, les inconvénients mécaniques normalement associés aux violentes détonations de la charge hétérogène de carburant sont éliminées. Tous ces bénéfices techniques très importants sont directement liés à l'interaction étonnam-ment favorable entre le ou les composés métalliques (ou Leurs produits de décomposition), le carburant Diesel et le carburant gazeux pendant la fraction de seconde qui sépare l'injection de la charge-pilote et l'achèvement de l'allumage par compression.
La présente invention est illustré par les exemples suivants dans lesquels toutes les parties et les pourcentages sont en poids, sauf indication contraire.
EXEMPLE I.-
Un moteur Diesel pour chemins de fer du type V
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chevaux à 800 tours par minute est utilisé dans les présentes démonstrations. Son alésage et sa course sont de 8,5 pouces x 10 pouces et le déplacement du piston est de 467 pouces cubiques par cylindre. Le moteur est équipé de ventilateurs du type Roots, pour fournir l'air de balayage et de combustion aux cylindres, par des orifices qui sont découverts par les pistons, lorsque ceux-ci approchent du point mort inférieur. Les gaz d'échappement et l'air de balayage s'échappent par quatre soupapes à, culbuteur' dans chaque tête de cylindre. Ce moteur est modifié
de la façon suivante pour pouvoir fonctionner conformément à la présente invention. Le taux de compression est réduit de 16:1 à 13,5:1. Le moteur est équipé d'un collecteur
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d'entrée de gaz dans chaque tête de cylindres. Ce collecteur est relié, à son tour, à un réservoir contenant du propane sensiblement pur maintenu sous une pression de
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fluctuations de température. Les moyens de connexion entre le réservoir et le collecteur d'entrée de gaz sont réglés de façon que l'alimentation du moteur en propane soit maintenue à 25-30 livres par pouce carré, ce qui est suffisant pour provoquer une circulation par les soupapes <EMI ID=19.1>
me de commande àcames classique. De même, le gicleur d'injection de carburant est monté centralement dans la tête du cylindre et il projette le carburant vers le bas dans la chambre de combustion, La forme de cett�chambre est telle qu'elle présente une cavité d'un diamètre de 4 pouces et d'une profondeur d'environ 2 pouces. Le ?icleur présente 6 trods d'un diamètre de 0,011 pouce.
En service, la soupape d'entrée de gaz commence à s'ouvrir à 51 degrés après le point mort inférieur, c'est à-dire juste après la fermeture des orifices. La soupape
à gaz se ferme à 115 degrés après le point mort inférieur.
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l'injection du carburant Diesel à quatre degrés avant
le point mort supérieur. Dans cet exemple particulier, ? de la charge de carburant totale sont constitués par le carburant Diesel ainsi injecté. On constate que, lorsque le carburant Diesel est un carburant classique exempt de matière d'addition d'un nombre de cétane de 45, l'énergie
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obtenue lorsque on opère seulement avec un carburant Diesel de la manière habituelle.
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invention est préparé en mélangeant au carburant Diesel
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tricarbonyle par gallon. Ceci équivaut à une teneur en manganèse de 2,5 g par gallon. Lorsque ce carburant est utilisé dans le système d'alimentation à double carburant, l'augmentation de puissance du moteur est améliorée
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EXEMPLE II.-
On procède de la manière décrite dans l'exemple I, en utilisant un carburant Diesel à nombre de cétane de 65 dans l'essai témoin. On constate que la puissance maximum du moteur Diesel est sensiblement moindre que �
celle obtenue avec le carburant Diesel seul (c'est-à-dire lorsqu'on n'emploie pas de propane). Toutefois, lorsque ce carburant Diesel de base est additionné de dicyclopentadiényl-fer , de façon qu'il contiennen 10 g de fer par gallon, des résultats entièrement opposés sont obtenus. Ainsi, la puissance maximum du moteur Diesel est virtuellement équivalente à celle obtenue, lorsque le moteur est actionné par le carburant à indice de cétane de 65 seulement.
EXEMPLE III.-
On répète le mode opératoire de l'exemple I avec les exceptions suivantes : au lieu de propane sens'_blement pur, on utilise comme carburant gazeux un mélange
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le carburant Diesel a un indice de cétane de 55. Le carburant Diesel suivant la présente invention est formé par le carburant Diesel en question contenant 5 g de nickel par gallon sous forme de nickel carbonyle. Ce carburant est injecté à 10[deg.] avant le point mort supérieur. Des améliorations substantielles sont réalisées dans la puissance du moteur par l'emploi du carburant Diesel contenant du nickel avec le mélange propane-butane.
EXEMPLE IV.-
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si ce n'est qu'on fait usage d'un carburant Diesel à nombre de cétane de 60 comme témoin, ainsi que du même carburant de base auquel on a ajouté 1 g de manganèse par gallon,
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Les avantages susdécrits de la présente invention sont réalisés en utilisant ce carburant Diesel contenant du manganèse conjointement avec du propane.
EXEMPLE V.-
On opère comme dans l'exemple I, si ce n'est que l'on emploie, comme carburant gazeux, du gaz naturel introduit dans le moteur à une pression de 45 livres anglaises par pouce carré, tandis que le carburant Diesel
a un nombre de cétane net de 35 et contient 7 g de fer par gallon, sous forme de fer pentacarbonyle. Tout comme précédemment, la puissance développée par le moteur Diesel est sensiblement améliorée par l'emploi conjoint de ce carburant contenant du fer avec le carburant gazeux.
EXEMPLE VI.-
On opère de la manière décrite dans l'exemple I, en utilisant un carburant Diesel d'un nombre de cétane de
55. Dans un cas, ce carburant est utilisé tel quel. Dans un autre cas, il est traité avec du butadiène-fer-tricarbonyle en une proportion de 4 g de fer par gallon. Avec ce dernier aarburant Diesel et avec du propane, la puissance développée par le moteur est sensiblement accrue.
EXEMPLE VII.-
On opère de la manière décrite dans l'exemple
I, si ce n'est qu'on utilise, comme carburant Diesel suivant la présente invention, un carburant contenant 3 g de nickel par gallon, sous forme de dicyclopentadiénylnickel, ce carburant étant injecté à 2[deg.] avant le point mort supérieur. Une bonne amélioration dans la puissance débitée par le moteur est obtenue en employant ce carburant contenant du nickel conjointement avec le carburant gazeux.
EXEMPLE VIII.-
Dans ces démonstrations, le carburant Diesel utilisé de la manière décrite dans l'exemple I a un nombre de cétane de 28. Le carburant Diesel suivant la présente invention est obtenu en ajoutant du cobalt-carbonyle à ce carburant en une concentration de 8 g de cobalt par gallon. La puissance débitée par le moteur, lorsqu'on utilise ce carburant contenant du cobalt avec du propane, est sensiblement supérieure à la puissance débitée lorsqu'on utilise le carburant exempt de cobalt.
Il ressort des exemples précédents que de grande
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lote de carburant Diesel contient de 1 à 10 g environ de manganèse, de fer, de cobalt ou de nickel par gallon sous forme d'un composé carboné métallique, dans lequel l'atome de métal est coordonné à la partie organique de la molécule par une série de liaisons métal-carbone.
EXEMPLE IX.-
Un carburant Diesel suivant la présente invention est préparé en mélangeant à un carburant Diesel de base 6 g de plomb par gallon sous forme de plomb-tétraéthyle et 0,5 g de manganèse par gallon, sous forme de méthylcyclopentadiényl-manganèse-tricarbonyle. Lorsque ce carburant est utilisé dans la méthode d'alimentation à double carburant de l'exemple I, l'augmentation de
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EXEMPLE X.-
On opère de la manière décrite dans l'exemple IX, en utilisant un carburant Diesel d'un nombre de cétane de 65 dans l'essai témoin. On constate que la puissance maximum débitée par le moteur Diesel est sensiblement inférieure à celle obtenue lorsque le moteur est uniquement alimenté par le carburant Diesel (c'est-à-dire lorsqu'on n'utilise pas de propane). Toutefois, lorsque ce carburant Diesel est additionné de plomb-tétraméthyle et de dicyclopentadiényl-fer à des concentrations de 3 g de fer par gallon, des résultats entièrement opposés sont obtenus. Ainsi, la puissance maximum débitée par le moteur Diesel est virtuellement équivalente à celle obtenue lorsque le moteur fonctionne avec un seul carburant, à savoir avec le carburant Diesel d'un nombre de cétane de 65.
EXEMPLE XI.-
On opère de la manière décrite dans l'exemple IX, si ce n'est qu'on applique les changements suivants. Au lieu de propane sensiblement pur, on utilise, comme
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de butane, tandis que, dansles deux cas, le carburant Diesel a un nombre de cétane de 55. Le carburant Diesel suivant la présente invention, obtenu à partir du carburant Diesel d'un indice ou nombre de cétane de 55, contient 1
g de plomb par gallon sous forme de plomb-tétraoctyle et
3 g de nickel par gallon sous forme de nickel-carbonyle.
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supérieur. Une amélioration substantielle est réalisée dans l'énergie ou la puissance débitée par le moteur , lorsqu'on emploie le carburant contenant du nickel et du plomb conjointement avec le mélange de propane et de buta ne.
EXEMPLE XII.-
On opère de la manière décrite dans l'exemple
IX, sauf que l'on emploie un carburant Diesel d'un nombre
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burant Diesel auquel on a ajouté 0,05 g de manganèse par gallon sous forme de cyclopentadiényl-manganèse-tricar-
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méthyltriéthyle. Les avantages susdécrits de la présente invention sont réalisés en utilisant ce carburant Diesel contenant du manganèse et du plomb conjointement avec
le propane.
EXEMPLE XIII.-
On opère comme dans l'exemple IX, si ce n'est que le carburant gazeux utilisé est du gaz naturel introduit dans le moteur à une pression de 45 livres anglaises par pouce carré, le carburant Diesel ayant un nombre de cétane
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contenant 1,5 g de fer par gallon sous forme de fer-pentacarbonyle et 1,5 g de plomb par gallon sous forme de plomb-tétrabutyle. Comme précédemment, la puissance débitée par le moteur Diesel est sensiblement améliorée par l'utilisation conjointe de ce carburant contenant du plomb et du fer et du carburant gazeux.
EXEMPLE XIV.-
On opère comme dans l'exemple IX si ce n'est qu'on emploie un carburant Diesel d'un nombre de cétane de 55. Dans un cas, ce carburant est utilisé comme tel. Dans un autre cas, il est traité avec du butadiène-fertricarbonyle en une concentration de 3 g de fer par gallon et avec du plomb-tétraéthyle en une concentration
de 1 g de plomb par gallon.Avec ce dernier carburant Die-
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moteur est sensiblement accrue.
EXEMPLE XV.-
On opère de la manière décrite dans l'exemple IX, si ce n'est que le carburant Diesel suivant l'invention contient 10 g de plomb par gallon sous forme de plomb-diéthyldioctyle et 2 g de nickel par gallon sous forme de dicyclopentadiényl-nickel, ce carburant étant injecté à 2[deg.] avant le point mort supérieur. Une bonne amélioration dans la puissance débitée par le moteur
est obtenue en utilisant ce carburant contenant du nickel et du plomb conjointement avec le carburant gazeux.
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Dans ce cas, le carburant Diesel utilisé de la manière décrite dans l'exemple IX a un nombre de cétane 2 8. Le carburant Diesel suivant la présente invention est obtenu en ajoutant à ce carburant du plomb-tétraéthyle et
du cobalt-carbones, de façon que le carburant contienne
2 g de plomb et 1 g de cobalt par gallon. La puissance débitée par le moteur alimenté par du propane et par le carburant contenant du plomb et du cobalt est sensiblement supérieure à celle obtenue lorsqu'on enmploie le carburant de base seul.
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trent que de grands avantages sont réalisés par la présente invention, lorsque la charge pilote de carburant Diesel contient de 1 à 10 g environ de plomb par gallon sous forme de plomb-alcoyle) et de 0,05 à 3 g environ
de manganèse, de fer, de cobalt ou de nickel par gallon, sous forme d'un composé contenant du carbone, dans lequel l'atome de métal est coordonné à la partie organique de la molécule par une pluralité de liaisons métal-carbone. Ces derniers composés se caractérisent, par ailleurs, par le fait qu'ils contiennent des groupes carbonyle et/�u des groupes cyclopentadiényle.Une série de ces groupes sont attachés à Interne métallique central par les liaisons métal-carbone coordonnées. Une autre particularité de nombre de ces composés réside dans le fait qu'en vertu
de cette coordination, l'atome de métal central réalise la configuration électronique du gaz inerte qu'est le krypton,dont le poids atomique est de 36. Ceci se comprend aisément si l'on note que chaque radical cyclo-
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dis que chaque groupe carbonyle fournit deux électrons. Comme exemples typiques de ces composés, on peut citer les suivants : di-(éthylcyclopentadiényl)-nickel, di-
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nyl-fer, di-(isopropyl)-cyclopentadiényl)-mangénèse, fertétracarbonyle, fer pentacarbonyle, cobalt carbonyle, manganèse pentacarbonyle (c'est-à-dire dimanganèse décacarbonyle), butadiène-fer-tricarbonyle, etc..Des composés
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indényl-manganèse-tricarbonyle, phénylcyclopentadiénylmanganèse-tricarbonyle, méthylisopropyl'cyclopentadiényl-
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parce que il sont extrêmement puissants pour promouvoir le débit maximum de puissance pour lequel le moteur Diesel a été conçu, lorsqu'il est utilisé de la manière conforme à la présente invention. Ces composés sont également préférés à cause de leurs élégantes propriétés d'inductibilité et à cause de leur solubilité extrêmement élevée dans divers types de carburants Diesel. Ainsi, en général, les composés métalliques utilisés conformément à la présente invention ont la caractéristique supplémentaire de contenir de 4 à 17 atomes de carbone environ dans leur molécule.
Des procédés pour la préparation des composés métalliques précités sont décrits dans la littérature. Ainsi, un mode de préparation du manganèse-pentacarbonyle est décrit dans le brevet américain 2.622.247. �a préparation des autres carbonyles métalliques simples est
très connue dans la technique chimique. Pour la préparation des composés cyclopentadiényl-métalliques simples,
on peut se référer à l'ouvrage de Rochow et al, "The Chemistry of Organometallic Compounds", John Wiley and Sons, Inc., New York, 1957. La préparation des composés cyclopentadiényl-carbonyles mixtes, notamment celle des <EMI ID=42.1>
tricarbonyles, est décrite dans les brevets africains
2.818.416 et 2.818.417. Les fer-tricarbonyles oléfiniquement coordonnés sont préparés de la manière décrite par Reihlen et al, Ann. 482,161.
Lorsqu'ils sont utilisés en l'absence d'un composé du type plomb-alcoyle, les carburants Diesel peuvent contenir avantageusement de 1 à 10 g environ de métal
par gallon, sous forme des composés métalliques susmentionnés. Bien que des quantités plus élevées puissent être utilisées, par exemple jusqu'à environ 15 g de métal par gallon, ces quantités plus élevées sont moins préférables, parce quelles réduisent la modicité du coût du fonctionnement du moteur Diesel. L'activité des cyclopentadiénylmanganèse-tricarbonyles, qui sont les composés préférés, est telle que des concentrations en manganèse allant de 1
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Avec les autres composés décrits ci-dessus, des résultats optima nécessitent généralement l'emploi de concentrations en métaux d'environ 4 à 10 g par gallon.
Lorsqu'on utilise en combinaison un composé du type plomb-alcoyle et un composé d'un métal ayant un poids
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tal des carburants Diesel sont comprises entre environ 1
et environ 13 g de métal au total par gallon. Bien que
des quantités plus élevées puissent être utilisées, par exemple jusqu'à environ 15 g de métal total par gallon,
ces quantités plus élevées sont moins préférables, parce qu'elles réduisent la modicité du coût de fonctionnement
du moteur Diesel. L'activité des cyclopentadiényl-manganè- :
se-tricarbonyles, qui constituent les composés préférés, est tellement grande que des concentrations en manganèse, ;
allant d'environ 0,05 à environ 1 g par gallon de carburant Diesel contenant 1 à 10 g de plomb donnent d'excellents résultats. Des résultats optima avec les autres composés de manganèse, de fer, de cobalt et de nickel décrits plus haut requièrent généralement l'emploi de concentrations en métal de 1 à 3g environ par gallon, en présence de plomb.
Les carburants Diesel de base utilisés pour fabriquer les carburants Diesel spéciaux à utiliser conformément à la présente invention peuvent provenir d'une grande variété de sources. Au surplus, on peut faire usage de carburants Diesel de provenance directe, de produits catalytiquement craqués, d'huiles pour brûleur n[deg.] 2, d'huiles résiduelles légères, etc... Il est bien connu
que ces carburants Diesel ont un point d'ébullition compris entre environ 300 et environ 700[deg.]F, avec des fractions intermédiaires bouillant à des températures com prises entre ces limites. On sait également que les points d'ébullition initiaux et les points d'ébullition finaux des carburants Diesel varient dans une certaine mesure, selon la qualité du carburant Diesel, selon sa source, selon son mode de fabrication et selon sa composition.
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présente invention peuvent également contenir d'autres matières d'addition, notamment des agents de stabilisation; des agents de compatibilité et de stabilité; des agents améliorant le nombre de cétane, tels que les nitra-
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tels que tricrésyl-phosphate, triméthyl-phosphate, diméthyl-phényl-phosphate, diméthyltolyl-phosphate, diméthyl-
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hibiteurs de corrosion; des désactivateurs de métaux; des colorants, etc... Les quantités de ces matières d'ad- <EMI ID=48.1>
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REVENDICATIONS.-
1.- Carburant Diesel caractérisé en ce qu'il contient soit (A) de 1 à environ 10 g par gallon d'un
métal ayant un poids atomique de 25 à 28, sous forme d'un composé contenant du carbone, soluble dans les hydrocarbures et dont l'atome de métal est coordonné à la partie organique de la molécule par une pluralité de liaisons métal-carbone, soit (B) de 1 à 10 g environ de plomb par gallon sous forme d'un composé de plomb-alcoyle, dans lequel chaque groupe alcoyle comporte jusqu'à 8 atomes de carbone, et de 0,05 à environ 3 g par gallon d'un métal ayant
un poids atomique de 25 à 2 8, sous forme d'un composé contenant du carbone, soluble dans les hydrocarbures,
de préférence un cyclopentadiényl-manganèse -tricarbonyle, dont l'atome de métal est coordonné à la partie organique de la molécule par une pluralité de liaisons métalcarbone.
"FUEL FOR DIESEL ENGINES AND METHOD FOR OPERATING
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The present invention relates to and has for
main object the efficient and economical operation of diesel engines using dual fuel.
The aforementioned object as well as other objects of the invention are achieved by the process according to the invention which comprises the stages consisting in introducing a gaseous combustible hydrocarbon, preferably propane, into the combustion chamber of a diesel engine before the ignition cycle, so as to form a mixture of this fuel with air, to compress this mixture by the compression stroke to a point located at 2-10 [deg.] before the upper dead center , then injecting at this point a pilot charge of diesel fuel into the combustion chamber, so as to initiate combustion of the total fuel charge, the ratio of gaseous fuel to diesel fuel in the total fuel charge being
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remaining being supplied by the diesel fuel, the ratio of the volumes of the gaseous fuel to the diesel fuel preferably being between 6: 1 and 30: 1 approximately, the diesel fuel being characterized by the fact that it contains either (A ) about 1 to 10 g per gallon of a metal having an atomic weight of 25 to 28, as a carbon-containing compound soluble in hy-
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tricarbonyl, the metal atom of which is coordinated with the organic part of the molecule by a plurality of metal-carbon bonds, i.e. (B) from 1 to 10 g approximately per gallon of lead in the form of an alkyl-lead compound, in <EMI ID = 5.1>
of carbon, and from 0.05 to about 3 g per gallon of a metal having an atomic weight of 25 to 28, as a carbon-containing compound soluble in hydrocarbons, preferably cyclopentadienyl-manganese-tricarbonyl , whose metal atom is coordinated with the organic part of the molecule by a plurality of metal-carbon bonds. A preferred embodiment of this process is to use diesel fuels which have a net cetane number (i.e., in the absence of the above metal compound (s)) of at least about 40. This ensures adequate ignition capacity of the diesel charge under all operating conditions.
When carrying out the method according to the present invention, it is preferable to operate
the engine under conditions such that the mixture of gaseous fuel in air, during the compression period, is relatively lean. Generally,
under load conditions, air-fuel gas weight ratios of about 35: 1 to about 23: 1 can be used successfully. The variations that can occur in these ratios depend on the particular gaseous fuel used, its tendencies to self-ignition, etc.
The present invention is applicable to the operation of two-stroke and four-stroke diesel engines. In two-stroke diesel engines, gaseous fuel is introduced into the combustion chamber when the sweeping operation is completed. In other words, the gaseous fuel is introduced when the piston has covered the inlet ports during its upstroke and when the valves or exhaust ports have been closed. During and after this introduction, the piston continues its upward stroke, so as to compress the gaseous air-fuel mixture. When the udder reaches a point 2 to 10 degrees before the upper dead center, the pilot injection of the aforementioned diesel fuel is carried out and the compression ignition is initiated.
In four-stroke engines, gaseous fuel can be supplied to the air inlet manifold or
well it can be introduced through a valve into the combustion chamber, as in the case of the two-stroke engine.
It follows from the foregoing that the invention
also relates to a diesel fuel which is specially suitable
<EMI ID = 6.1>
fuel consisting essentially of diesel fuel
(i.e. a liquid fuel hydrocarbon whose
the boiling point is within the range of boiling temperatures of diesel fuels, either between 300 and 725 [deg.] F approximately) containing either (A) from 1 to 10 g approximately per gallon of a metal having a atomic weight from 25 to 28 in the form of a compound described above, namely (B) of
About 1 to 10 g per gallon of lead as a lead-alkyl compound, in which each alkyl group has up to 8 carbon atoms, and about 0.05 to 3 g per gallon of a metal having a atomic weight of
25 to 28, in the form of a coordinated compound of the type described above. As examples of compounds of metals whose atomic weights are between 25 and 28, there may be mentioned simple metal carbonyls, such as carbonyl iron, (Fe (CO) 5); nickel carbonyl, (Ni (CO) 4); cobalt
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simple derivatives of cyclopentadiene, such as iron, dicyclopentadienyl, nickel dicyclopentadienyl, manganese dicyclopentadienyl, as well as analogous compounds.
gues in which one or both cyclopentadienic rings are substituted by alkyl radicals, mixed cyclopentadienyl compounds, metals, for example the particularly preferred compounds which are cyclopentadienyl-manganese-tricarbonyl, methylcyclopentadienyl-manganese tricarbonyl, etc ...; as well as the compounds
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butadiene-iron-tricarbonyl, etc ...
As examples of lead-alkyl compounds, we
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lead-tetraisopropyl, lead-tetrapropyl, lead-tetrabutyl, lead-tetraamyl, lead-tetraoctyl, p-omb-dimethyldiethyl, lead-hexyltriethyl, lead-methyltriethyl and the like.
In the embodiments in which both a lead-alkyl compound and a metallic compound are used, in which the metal has an atomic weight of
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which constitute the preferred compounds, are so powerful and cooperate so favorably with lead-alkyl, during the ignition process by ignition.
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even at low concentrations, for example at concentrations of about 0.05 to 1 g of manganese per gallon. The best results with the other compounds of manganese, iron, cobalt and nickel are obtained when their concentrations are between about 1 and 3 g of metal per gallon.
A large number of very important advantages will emerge from the practice of the present invention. Gaseous fuels used in accordance with the invention, for example natural gas, butane, propane (LPG)
<EMI ID = 12.1> Diesel engines operate, when implementing the present invention, with great efficiency and
at an extremely low cost. Another advantage lies in the fact that it suffices to make slight mechanical modifications to common diesel engines to make
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feels invention. In fact, the details of dual fuel systems have been experienced in actual practice. The equipment needed to easily convert Diesel engines operating in the usual way
in dual fuel diesel engines is on the market.
Due to the fact that the modifications necessitated by the present invention are very slight, the engine can be easily retransformed, at low cost, to an engine operating, in the conventional manner, on a single fuel, if such a conversion was desired. Another advantage of the present invention lies in the fact that
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their, the injection of the diesel fuel pilot charge ensures a relatively wide distribution of the or
metal compounds in the combustion chamber
where profound beneficial effects are exerted on the combustion process.
the advantage which is arguably the most important of all is that the combustion is very uniform and is excessively efficient when using the dual fuels according to the present invention. This means that the diesel engine provides
session
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elsewhere, the mechanical drawbacks normally associated with violent detonations of the heterogeneous fuel charge are eliminated. All these very important technical benefits are directly linked to the surprisingly favorable interaction between the metal compound (s) (or their decomposition products), the diesel fuel and the gaseous fuel during the fraction of a second that separates the injection from the pilot charge and compression ignition completion.
The present invention is illustrated by the following examples in which all parts and percentages are by weight, unless otherwise indicated.
EXAMPLE I.-
V-type railway diesel engine
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horsepower at 800 rpm is used in these demonstrations. Its bore and stroke are 8.5 inches x 10 inches and the piston displacement is 467 cubic inches per cylinder. The engine is fitted with Roots type fans, to supply the scavenging and combustion air to the cylinders, through orifices which are uncovered by the pistons, when they approach lower dead center. Exhaust gases and purging air escape through four rocker arm valves in each cylinder head. This engine is modified
as follows in order to be able to operate in accordance with the present invention. The compression ratio is reduced from 16: 1 to 13.5: 1. The engine is equipped with a manifold
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gas inlet in each cylinder head. This manifold is connected, in turn, to a tank containing substantially pure propane maintained under a pressure of
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temperature fluctuations. The means of connection between the tank and the gas inlet manifold are adjusted so that the supply of propane to the engine is maintained at 25-30 pounds per square inch, which is sufficient to cause circulation through the valves. EMI ID = 19.1>
classic cam control me. Likewise, the fuel injection nozzle is mounted centrally in the cylinder head and it projects the fuel downwards into the combustion chamber, The shape of this chamber is such that it has a cavity of a diameter of 4 inches and a depth of about 2 inches. The flower has 6 trods with a diameter of 0.011 inch.
In service, the gas inlet valve begins to open 51 degrees after lower dead center, that is, just after the orifices are closed. The valve
gas valve closes at 115 degrees after bottom dead center.
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Diesel fuel injection four degrees before
the top dead center. In this particular example,? of the total fuel charge are made up of the diesel fuel injected in this way. It is found that when the diesel fuel is a conventional fuel free of additive material of a cetane number of 45, the energy
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obtained when operating only with diesel fuel in the usual way.
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invention is prepared by mixing with diesel fuel
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tricarbonyl per gallon. This equates to a manganese content of 2.5g per gallon. When this fuel is used in the dual fuel supply system, the increase in engine power is improved
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EXAMPLE II.-
The procedure is as described in Example I, using a diesel fuel with a cetane number of 65 in the control test. It can be seen that the maximum power of the Diesel engine is significantly less than �
that obtained with diesel fuel alone (that is to say when propane is not used). However, when this base diesel fuel is added with dicyclopentadienyl-iron so that it contains 10 g of iron per gallon, entirely opposite results are obtained. Thus, the maximum power of the diesel engine is virtually equivalent to that obtained, when the engine is powered by fuel with cetane number of 65 only.
EXAMPLE III.-
The procedure of Example I is repeated with the following exceptions: instead of substantially pure propane, a gaseous fuel mixture is used.
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the diesel fuel has a cetane number of 55. The diesel fuel according to the present invention is formed by the diesel fuel in question containing 5 g of nickel per gallon in the form of carbonyl nickel. This fuel is injected at 10 [deg.] Before top dead center. Substantial improvements are made in engine power through the use of diesel fuel containing nickel with the propane-butane mixture.
EXAMPLE IV.-
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except that a diesel fuel with a cetane number of 60 is used as a control, as well as the same base fuel to which 1 g of manganese per gallon has been added,
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The above-described advantages of the present invention are achieved by using this diesel fuel containing manganese together with propane.
EXAMPLE V.-
The procedure is as in Example I, except that natural gas introduced into the engine at a pressure of 45 English pounds per square inch is used as gaseous fuel, while diesel fuel
has a net cetane number of 35 and contains 7g of iron per gallon, as pentacarbonyl iron. As before, the power developed by the diesel engine is significantly improved by the joint use of this fuel containing iron with the gaseous fuel.
EXAMPLE VI.-
The procedure is as described in Example I, using a diesel fuel with a cetane number of
55. In one case, this fuel is used as is. In another case, it is treated with butadiene-iron-tricarbonyl at a rate of 4 g of iron per gallon. With the latter diesel fuel and with propane, the power developed by the engine is significantly increased.
EXAMPLE VII.-
The procedure is as described in the example
I, except that a fuel containing 3 g of nickel per gallon, in the form of dicyclopentadienylnickel, is used as the diesel fuel according to the present invention, this fuel being injected at 2 [deg.] Before the upper dead center . A good improvement in the power delivered by the engine is obtained by using this fuel containing nickel together with the gaseous fuel.
EXAMPLE VIII.-
In these demonstrations, the diesel fuel used in the manner described in Example I has a cetane number of 28. The diesel fuel according to the present invention is obtained by adding cobalt-carbonyl to this fuel in a concentration of 8 g of cobalt per gallon. The power delivered by the engine when using this cobalt-containing fuel with propane is significantly greater than the power delivered when using the cobalt-free fuel.
It emerges from the preceding examples that great
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Diesel fuel batch contains about 1 to 10 g of manganese, iron, cobalt or nickel per gallon as a metallic carbon compound, in which the metal atom is coordinated with the organic part of the molecule by a series of metal-carbon bonds.
EXAMPLE IX.-
A diesel fuel according to the present invention is prepared by mixing with a base diesel fuel 6 g of lead per gallon in the form of lead-tetraethyl and 0.5 g of manganese per gallon in the form of methylcyclopentadienyl-manganese-tricarbonyl. When this fuel is used in the dual fuel feed method of Example I, the increase in
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EXAMPLE X.-
The procedure is as described in Example IX, using a diesel fuel with a cetane number of 65 in the control test. It can be seen that the maximum power delivered by the diesel engine is appreciably less than that obtained when the engine is only supplied with diesel fuel (that is to say when propane is not used). However, when this diesel fuel is added with lead-tetramethyl and dicyclopentadienyl-iron at concentrations of 3 g of iron per gallon, entirely opposite results are obtained. Thus, the maximum power delivered by the Diesel engine is virtually equivalent to that obtained when the engine operates with a single fuel, namely with diesel fuel with a cetane number of 65.
EXAMPLE XI.-
The procedure is as described in Example IX, except that the following changes are applied. Instead of substantially pure propane, we use, as
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of butane, while, in both cases, the diesel fuel has a cetane number of 55. The diesel fuel according to the present invention, obtained from diesel fuel with a cetane number or number of 55, contains 1
g of lead per gallon as lead-tetraoctyl and
3 g of nickel per gallon as nickel carbonyl.
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superior. A substantial improvement is made in the energy or power delivered by the engine, when the fuel containing nickel and lead is employed in conjunction with the mixture of propane and butan.
EXAMPLE XII.-
The procedure is as described in the example
IX, except that a diesel fuel of a number
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burant Diesel to which 0.05 g of manganese per gallon was added in the form of cyclopentadienyl-manganese-tricar-
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methyltriethyl. The above-described advantages of the present invention are realized by using this diesel fuel containing manganese and lead together with
propane.
EXAMPLE XIII.-
The procedure is as in Example IX, except that the gaseous fuel used is natural gas introduced into the engine at a pressure of 45 English pounds per square inch, the diesel fuel having a cetane number
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containing 1.5 g of iron per gallon as iron-pentacarbonyl and 1.5 g of lead per gallon as lead-tetrabutyl. As before, the power delivered by the diesel engine is appreciably improved by the joint use of this fuel containing lead and iron and of gaseous fuel.
EXAMPLE XIV.-
The procedure is as in Example IX except that a diesel fuel with a cetane number of 55 is used. In one case, this fuel is used as such. In another case, it is treated with butadiene-fertricarbonyl in a concentration of 3 g of iron per gallon and with lead-tetraethyl in a concentration
of 1 g of lead per gallon.With the latter fuel Die-
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engine is significantly increased.
EXAMPLE XV.-
The procedure is as described in Example IX, except that the diesel fuel according to the invention contains 10 g of lead per gallon in the form of lead-diethyldioctyl and 2 g of nickel per gallon in the form of dicyclopentadienyl. nickel, this fuel being injected at 2 [deg.] before upper dead center. A good improvement in the power delivered by the engine
is obtained by using this fuel containing nickel and lead together with the gaseous fuel.
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In this case, the diesel fuel used in the manner described in Example IX has a cetane number of 2 8. The diesel fuel according to the present invention is obtained by adding lead-tetraethyl to this fuel and
cobalt-carbons, so that the fuel contains
2g of lead and 1g of cobalt per gallon. The power output by the engine powered by propane and fuel containing lead and cobalt is significantly greater than that obtained when using the base fuel alone.
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It is found that great advantages are realized by the present invention when the pilot charge of diesel fuel contains about 1 to 10 g of lead per gallon as lead-alkyl) and about 0.05 to 3 g.
of manganese, iron, cobalt or nickel per gallon, as a carbon-containing compound, in which the metal atom is coordinated with the organic part of the molecule by a plurality of metal-carbon bonds. These latter compounds are further characterized by the fact that they contain carbonyl groups and / � u cyclopentadienyl groups. A series of these groups are attached to the central metal internal by the coordinated metal-carbon bonds. Another peculiarity of many of these compounds is that by virtue of
from this coordination, the central metal atom achieves the electronic configuration of the inert gas that is krypton, whose atomic weight is 36. This is easily understood if we note that each cyclo- radical
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say that each carbonyl group provides two electrons. As typical examples of these compounds, the following may be mentioned: di- (ethylcyclopentadienyl) -nickel, di-
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nyl-iron, di- (isopropyl) -cyclopentadienyl) -mangenesis, fertetracarbonyl, pentacarbonyl iron, cobalt carbonyl, pentacarbonyl manganese (i.e. decacarbonyl dimanganese), butadiene-iron-tricarbonyl, etc.
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indenyl-manganese-tricarbonyl, phenylcyclopentadienylmanganese-tricarbonyl, methylisopropyl'cyclopentadienyl-
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because they are extremely powerful in promoting the maximum output of power for which the diesel engine has been designed, when used in the manner according to the present invention. These compounds are also preferred because of their elegant inducibility properties and because of their extremely high solubility in various types of diesel fuels. Thus, in general, the metal compounds used in accordance with the present invention have the additional characteristic of containing from about 4 to 17 carbon atoms in their molecule.
Processes for the preparation of the above metal compounds are described in the literature. Thus, a method of preparing manganese-pentacarbonyl is described in US Patent 2,622,247. � The preparation of other simple metal carbonyls is
well known in the chemical art. For the preparation of simple cyclopentadienyl-metal compounds,
reference may be made to the work by Rochow et al, "The Chemistry of Organometallic Compounds", John Wiley and Sons, Inc., New York, 1957. The preparation of the mixed cyclopentadienyl-carbonyl compounds, in particular that of <EMI ID = 42.1>
tricarbonyls, is described in African patents
2,818,416 and 2,818,417. The olefinically coordinated iron-tricarbonyls are prepared as described by Reihlen et al, Ann. 482,161.
When used in the absence of a lead-alkyl type compound, diesel fuels may advantageously contain from about 1 to 10 g of metal.
per gallon, as the aforementioned metal compounds. Although higher amounts can be used, for example up to about 15 g of metal per gallon, these higher amounts are less preferable because they reduce the low cost of running the diesel engine. The activity of cyclopentadienylmanganese-tricarbonyls, which are the preferred compounds, is such that manganese concentrations ranging from 1
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With the other compounds described above, optimum results generally require the use of metal concentrations of about 4 to 10 g per gallon.
When a lead-alkyl type compound and a compound of a metal having a weight are used in combination
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tal diesel fuels are between about 1
and about 13 g of metal in total per gallon. Although
higher amounts can be used, for example up to about 15g of total metal per gallon,
these higher amounts are less preferable, because they reduce the low cost of operation
of the diesel engine. The activity of cyclopentadienyl-mangane:
se-tricarbonyls, which are the preferred compounds, is so high that manganese concentrations,;
ranging from about 0.05 to about 1 g per gallon of diesel fuel containing 1 to 10 g of lead give excellent results. Optimum results with the other manganese, iron, cobalt and nickel compounds described above generally require the use of metal concentrations of about 1 to 3 g per gallon in the presence of lead.
The basic diesel fuels used to make the special diesel fuels for use in accordance with the present invention can be obtained from a wide variety of sources. In addition, it is possible to use diesel fuels of direct origin, catalytically cracked products, oils for burner n [deg.] 2, light residual oils, etc. It is well known
that these diesel fuels have a boiling point of between about 300 and about 700 [deg.] F, with intermediate fractions boiling at temperatures between these limits. It is also known that the initial boiling points and the final boiling points of diesel fuels vary to a certain extent, depending on the quality of the diesel fuel, its source, its method of manufacture and its composition.
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the present invention may also contain other addition materials, in particular stabilizing agents; compatibility and stability agents; cetane number improvers, such as nitrates
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such as tricresyl-phosphate, trimethyl-phosphate, dimethyl-phenyl-phosphate, dimethyltolyl-phosphate, dimethyl-
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corrosion inhibitors; metal deactivators; dyes, etc. The quantities of these substances of ad- <EMI ID = 48.1>
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CLAIMS.-
1.- Diesel fuel characterized in that it contains either (A) from 1 to about 10 g per gallon of a
metal having an atomic weight of 25 to 28, in the form of a carbon-containing compound, soluble in hydrocarbons and whose metal atom is coordinated with the organic part of the molecule by a plurality of metal-carbon bonds, namely (B) from about 1 to 10 g of lead per gallon as a lead-alkyl compound, in which each alkyl group has up to 8 carbon atoms, and from 0.05 to about 3 g per gallon of 'a metal having
an atomic weight of 25 to 28, as a carbon-soluble compound soluble in hydrocarbons,
preferably a cyclopentadienyl-manganese -tricarbonyl, the metal atom of which is coordinated with the organic part of the molecule by a plurality of metalcarbon bonds.