CN102666813A - 用于减少内燃机中的摩擦的组合物和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含可燃性燃料、有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺、和清洁剂包的燃料组合物，以及一种通过向发动机中加入所述燃料组合物来减少内燃机中的摩擦量的方法。

Description

用于减少内燃机中的摩擦的组合物和方法

本申请要求2009年12月21日提交的美国临时申请No.61/288,463的权益，所述申请的全文通过参考清楚地结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及摩擦改良剂，更具体地，本发明涉及一种新的燃料组合物和用于减少内燃机中的摩擦的方法。

背景技术

过去二十年的许多焦点是集中在控制火花点火内燃机燃料引导系统中的沉积物形成的燃料添加剂上。在努力维持或实现发动机清洁的过程中，这些沉积物控制添加剂被配制成有效控制燃料喷射器、进气阀、和燃烧室上的碳质沉积物。

因为在过去十年中原油消耗量和燃料成本稳步上升，消费者对运输工具燃料经济表现出不断增长的兴趣并更加强调提高运输工具燃料经济的重要性。特别是，消费者对于能够提供减少的发动机损耗、较低的排放、和提高的燃料经济的添加剂存在强烈的兴趣。遗憾的是，沉积物控制添加剂在用于商品化燃料的典型浓度下提供非常少的减少摩擦的性能。因此，不期望额外的燃料经济效益超过并高于通过发动机内的沉积物控制而实现的燃料经济效益。

在此相同时期中，在以更好的燃料经济和更多的产能（特别是更大的马力和加速度）为目标的发动机设计上存在很多进展。常规的喷嘴燃料喷射（PFI）是在汽油发动机中使用的主要燃料供给技术。PFI发动机将汽油连同进气一起喷射入进气口以形成燃烧用的均匀混合物。这样做是试图优化燃料的燃烧并提供改进的发动机性能。此外，已开发了很多其它发动机管理控制技术以进一步优化燃烧过程用于提高PFI发动机的燃料经济。

最近，已开发了汽油直接喷射（GDI）发动机以提供提高的燃料经济，同时保持或产生更多的发动机输出能量。与进气分开，GDI发动机直接将汽油喷射入燃烧室，这使得发动机管理系统根据荷载条件更好地优化燃烧过程。PFI和GDI两种发动机均需要燃料添加剂来控制喷嘴、进气阀、和燃烧室中的沉积物。此外，尤其在GDI发动机中，通过减少汽缸套和活塞环界面、气阀机构和燃料泵之间的摩擦可实现燃料经济的进一步提高。因此，在石油工业中需要开发解决PFI和GDI发动机的发动机沉积物和减少摩擦要求的燃料和燃料添加剂包。

因为传统上使用润滑剂使发动机摩擦最小化以及发动机在汽缸套和活塞环界面处出现估计25至50%的摩擦损失这一事实，润滑剂工业是第一个把焦点集中在减少发动机摩擦和提高燃料经济上的。通过降低机油粘度已经实现了燃料经济的提高。然而，在发动机努力工作（高荷载和高温）的条件下，例如急加速或上坡，较低粘度的油可产生非常薄的润滑剂膜，所述膜可增加金属与金属接触的可能性并导致磨损和较高的摩擦，即较低的燃料经济。为了在这些边界层条件下帮助减少这种接触并提高发动机润滑性，已使用了无机和有机两种摩擦改良剂，但是由于催化转化器的磷失活，GF-4机油规格已降低了所允许的无机摩擦改良剂水平。这迫使润滑剂工业更严重依赖于有机摩擦改良剂。

有机摩擦改良剂是能影响汽缸套和活塞环界面在这些剧烈的发动机操作条件下所遭受的边界层条件的化合物。这些类型的摩擦改良剂是表面活性的并且通过金属表面与摩擦改良剂的极性端相互作用形成单层而在发动机的金属表面上生成保护涂层。然后可建立摩擦改良剂的后续层以在边界层中提供减少摩擦，并帮助防止两表面和它们的粗糙处相互接触。然而，克服摩擦设计缺陷的挑战在于鉴定一种能影响边界层特性而不导致不期望的效应、例如进气阀沉积物和机油增稠的摩擦改良剂。

在可燃性燃料中应用有机摩擦改良剂已经进行了一段时间，但收效甚微。一般来说，通常加入到可燃性燃料中的摩擦改良剂添加剂和清洁剂是在火花点火发动机内的燃烧过程期间可能不完全燃烧的较高分子量的化合物。结果，一些添加剂与存在于燃烧气缸中的润滑油膜相互作用。这种相互作用使得一些添加剂变成与润滑剂混合。当补充了润滑油膜时，它变成与来自润滑剂主存储器的新鲜润滑剂混合，并且一些吸收的添加剂迁移通过活塞环并进入油盘。结果，存在添加剂从燃料到润滑剂的缓慢转移。取决于传动周期，从燃料转移至润滑剂的添加剂的量可高达约30%。基于对于汽油而言所预期的典型摩擦改良剂添加剂的浓度，经过5,000英里润滑油换油间隔，这种转移水平可导致润滑剂中的摩擦改良剂浓度高达约0.5wt%。因此，向可燃性燃料中加入有机摩擦改良剂可直接影响燃烧室内汽缸套和活塞环的摩擦作用并且还可积累在润滑剂中以改进机油所接触的发动机传动机构的其它部分（例如，气阀机构、凸轮轴、轴承等）的摩擦特性。摩擦改良剂的这种转移是本领域中已知的，并例如教导在WO 01/72390A2中，WO 01/72390A2描述了一个传输机制，产生自燃料的摩擦改良剂通过所述传输机制可转移到汽缸套/活塞环界面并且可积累在润滑油槽中，由此导致整个发动机的润滑性提高。

因此，希望提供一种新的燃料组合物，所述组合物包含可燃性燃料、清洁剂包、和对金属表面具有强亲和力但是并未强到留下沉积物的摩擦改良剂。还希望提供一种减少内燃机中的摩擦量的方法，所述方法是通过向发动机中加入所述新的燃料组合物以积极影响发动机的汽缸套和活塞环界面以及传动机构的摩擦，并导致较低的排放、较高的燃料经济、和增加的净马力而实现的。

发明内容

根据本发明，所述燃料组合物包含可燃性燃料、有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺、和清洁剂包。

在另一方面，本发明提供了一种燃料添加剂组合物，所述组合物包含有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺和清洁剂包。

本发明还提供了一种减少内燃机中的摩擦量的方法，所述方法包括向发动机中加入包含可燃性燃料、有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺、和清洁剂包的燃料组合物的步骤。

本发明的方法通过向发动机中加入本发明的燃料组合物并由此导致较低的排放、较高的燃料经济、和增加的净马力来有效减少内燃机中的摩擦量。

发明详述

本发明涉及一种新的燃料组合物和用于减少内燃机中的摩擦量的方法。根据本发明，所述燃料组合物包含可燃性燃料、有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺、和清洁剂包。所述燃料组合物被加入到内燃机中以有效减少发动机中的摩擦量。

根据本发明，可使用的可燃性燃料包括汽油和柴油燃料，优选的燃料为汽油。汽油包含在25℃至225℃范围内沸腾的C₄-C₁₂烃的掺合物，并且满足国际汽油规格，例如ASTM D-4814和EN228。这些汽油掺合物通常含有正常和支链的链烷烃、烯烃、芳烃、和环烷烃的混合物，以及适用于火花点火汽油发动机的其它含液态烃的成分，例如常规的醇和醚。

汽油可通过常规精炼和掺合法，例如直馏蒸馏、加氢裂化、流体催化裂化、热裂化、和各种重整技术衍生自石油原油。

可在本发明实践中用作摩擦改良剂的C₆至C₃₀脂族胺包括饱和脂肪酸胺、不饱和脂肪酸胺、及其混合物。优选的C₆至C₃₀脂族胺包括但不限于辛胺、癸胺、十二烷胺、十四烷胺、十六烷胺、十六烯胺、十八烷胺、十八烯胺、及其混合物。牛油脂肪胺是特别优选的C₆至C₃₀脂族胺，氢化牛油脂肪胺是最优选的。合适的氢化牛油脂肪胺的实例为购自阿克苏诺贝尔表面化学公司（Akzo Nobel Surface ChemistryLLC）的

HTD。

所述燃料组合物优选含有在约1ppm至约2000ppm（百万分之）范围内的有效减少摩擦的量的C₆至C₃₀脂族胺。更优选地，存在于燃料组合物中的C₆至C₃₀脂族胺的量在约5ppm至约1000ppm的范围内，最优选约10ppm至约500ppm。

可用在本发明实践中的清洁剂包为本领域技术人员公知并可商购的。合适的商品化清洁剂包包括但不限于购自巴斯夫公司（BASF A.G.）的和

包、购自雅富顿化学公司（Afton ChemicalCorporation）的

包、和购自雪佛龙奥伦耐有限责任公司（ChevronOronite Company LLC）的包。

所述清洁剂包通常包含至少一种沉积物控制添加剂、腐蚀抑制剂、载体流体、和溶剂。一些可商购的清洁剂包不含有腐蚀抑制剂并可用于本发明的实践，但是，包含腐蚀抑制剂是优选的。清洁剂包中各成分的合适的量将依据所寻求的特定发动机性能效益而变化并可由本领域技术人员容易地确定。

所述清洁剂包通常含有至少一种高分子量含氮的沉积物控制添加剂。这种沉积物控制添加剂的实例包括聚亚烷基胺、聚亚烷基琥珀酰亚胺、曼尼希碱（Mannich bases）、和聚醚胺。用于本发明的优选的沉积物控制添加剂为聚异丁烯（PIB）胺。合适的PIB-胺的实例是在美国专利No.4,832,702中教导的，所述专利的公开内容通过参考结合于此。

可用在本发明实践中的腐蚀抑制剂包括但不限于长链有机酸的单体、二聚体、和三聚体，以及各种酯、酰亚胺、噻二唑、和三唑。

可用于清洁剂包的载体流体优选与可燃性燃料相容并且具有使清洁剂包的成分溶解或分散的能力。常规的载体流体的实例包括矿物油和合成油，例如聚-α烯烃低聚物、聚醚、聚醚胺、和长链烷醇的羧酸酯。

存在各种可在本发明实践中用作溶剂的醇和芳烃。合适的溶剂的实例包括二甲苯、甲苯、四氢呋喃、异丙醇、异丁基甲醇、和正丁醇；以及石油烃溶剂，例如石脑油等。

根据本发明，所述燃料组合物可包含另一摩擦改良剂。发现当使用某些摩擦改良剂的组合时，达到了比在单独使用任一种摩擦改良剂时更大的摩擦系数减少量。特别是，在将甘油单烷基醚、更优选甘油单油基醚与氢化牛油脂肪胺组合时，这两种摩擦改良剂的相互作用导致显著提高的润滑性。

所述燃料组合物优选含有在约1ppm至约1000ppm范围内的有效减少摩擦的量的甘油单烷基醚。更优选地，存在于燃料组合物中的甘油单烷基醚的量在约5ppm至约500ppm范围内，约10ppm至约250ppm是最优选的。

所述燃料组合物可通过任何常规方法加入到内燃机中，并可用于燃烧液体燃料的内燃机，特别是包含汽化PFI和GDI的火花点火汽油发动机中，以及用于含有压缩点火发动机、例如柴油发动机的运输工具中。当在内燃机中实现所述燃料组合物的燃烧时，发动机中的摩擦量有效减少，由此导致较低的排放、较高的燃料经济、和增加的净马力。

在本发明的另一方面中，提供了一种燃料添加剂组合物，所述组合物含有有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺和清洁剂包。可用在燃料添加剂组合物中的所有合适的成分及它们各自的量与上面就燃料组合物而言所描述的那些相同。所述燃料添加剂可以本发明所涉及的领域中的普通技术人员通常已知的任何常规方式与可燃性燃料组合并在其后加入到内燃机中以有效地减少发动机中的摩擦量。

实施例

以下实施例旨在说明本发明并教导普通技术人员如何制造和使用本发明。这些实施例并不旨在以任何方式限制本发明或其保护。

实施例1

使用

仪器来测定一些摩擦改良剂添加剂的性能。在一组恒定条件下，所述SRV仪器测量由球在盘上振荡而产生的润滑剂的摩擦系数和磨痕。使用掺入了各种可商购的有机摩擦改良剂添加剂的商品化的Castrol

5W30（GF-4）机油进行SRV往复试验。

所测试的有机摩擦改良剂添加剂是得自奥伦耐化学公司（OroniteChemical Company）的甘油单油酸酯（GMO）、得自禾大化学（CrodaChemicals）的油酰胺（

O）、得自美国艾迪科（Adeka USA）的甘油单油基醚（FM-618C）、和得自阿克苏诺贝尔表面化学公司（AkzoNobel Surface Chemistry LLC）的氢化牛油脂肪胺（Armeen HTD）。通过将0.5克有机摩擦改良剂与99.5克Castrol GTX 5W30机油混合来制备试验样品。

SRV仪器使用钢球作为上部试件和钢盘作为下部试件。将油样品置于盘上，从顶部对球施加负荷，随着球向盘贴紧，所述球平行于盘振动。测量施加在盘上的横向负荷以计算摩擦系数。摩擦系数被认为是对于特定温度而言的数据的平均值。SRV试验条件为50N负荷、50Hz振荡、1mm冲程、和1小时持续时间。将初始温度设为80℃用于测试的第一个30分钟，然后快速上升至120℃用于最后30分钟。该程序在汽缸套和活塞环之间预期会遇到的温度下为所述添加剂的减少摩擦的效应的温度依赖性提供了一些指示。测试结果显示在下面的表1中。

表1

SRV结果的比较

表1中的数据说明了Armeen HTD（氢化牛油脂肪胺）相对于其它已知的摩擦改良剂添加剂的优异性能。这些数据显示在120℃下，相对于满足GF-4规格的商品化的Castrol GTX机油的摩擦系数，通过使用Armeen HTD添加剂能够使摩擦系数降低约16%。摩擦系数值显著低于GMO添加剂的值（在两种温度下）并显示超过Crodamide O添加剂的高温数据的改进。GMO和Crodamide O两种添加剂都是众所周知的摩擦改良剂化学制剂并被广泛用于机动运输工具的润滑剂中。

尽管Armeen HTD摩擦改良剂的效应是在机油中测量的，但本领域技术人员应该理解，在可燃性燃料中加入摩擦改良剂经过运输工具的典型换油间隔后将导致摩擦改良剂在机油中累积。因此，在机油中测试摩擦改良剂是更昂贵且复杂的发动机试验的可靠的替代方案。

因此，本发明的组合物和方法通过产生提高的润滑性可有效减少内燃机（特别是，汽缸套和活塞环界面以及传动机构）中的摩擦量。降低的摩擦又可导致较低的排放、较高的燃料经济、和净马力的增加。

实施例2

根据标准ASTM D6201程序的修改版，在Ford 2.3L发动机测力计进气阀沉积物（IVD）清理试验台上执行进气阀沉积物测量。在发动机中安装干净的阀，然后按照科学研究协作委员会（CRC）的传动周期，使包含如由US EPA要求的最低量的清洁剂添加剂（即最小添加剂浓度或LAC）的零售汽油运行50小时。拆卸发动机，测量阀重量，然后重新组装以按照CRC传动周期使用100小时试验来测定试验燃料的清理性能。含有PIB-胺、腐蚀抑制剂、载体流体、溶剂、和染料的参比清洁剂包（345ppmv）以及与Armeen HTD组合的清洁剂包的IVD清理性能结果显示在下面的表2中。

表2

IVD清理结果的比较

表2中所示的结果证明，与单独的清洁剂包相比，清洁剂包和Armeen HTD摩擦改良剂的组合提供了显著更好的IVD控制和清洁剂清理。因此，Armeen HTD添加剂是期望的摩擦改良剂，因为它具有对金属表面的强亲和力，但是不留下沉积物。

实施例3

在该实施例中执行在上述实施例1中执行的添加了摩擦改良剂的Castrol GTX 5W30机油的相同SRV试验，以测定添加剂即FM-618C和Armeen HTD的组合的性能。通过将0.2克有机摩擦改良剂与99.8克Castrol GTX 5W30机油混合来制备其它试验样品。来自实施例1的和来自在该实施例中测试FM-618C和Armeen HTD摩擦改良剂添加剂的组合的所有摩擦系数结果显示在下面的表3中。

表3

SRV结果的比较

表3中的数据证明甘油单油基醚（FM-618C）和氢化牛油脂肪胺（Armeen HTD）的组合提供了比单独任一种添加剂更大的摩擦系数减少量。数据还显示在所测试的两种温度下，FM-618C和Armeen HTD的组合提供了最低的摩擦系数值，并且所述值低于GMO或CrodamideO任一个的值，而GMO和Crodamide O是众所周知的摩擦改良剂化学制剂。此外，这种提高与简单的相加效应相反，因为FM-618C添加剂的摩擦系数值高于Armeen HTD添加剂的摩擦系数值，而这两种摩擦改良剂添加剂的组合导致一组较低的摩擦系数值。

因此，本发明的组合物和方法通过经由燃料加入的两种不同摩擦改良剂化学制剂的协同作用而在内燃机中提高润滑性并帮助减少摩擦量。这种协同行为有效地降低了内燃机的汽缸套和活塞环界面以及传动机构中的摩擦量。较低的摩擦又可导致较低的排放、较高的燃料经济和净马力增加。

尽管结合优选的或示例性的实施方式对本发明作了上述说明，但这些实施方式并不旨在穷举或限制本发明。相反，如由所附权利要求所确定的，本发明旨在覆盖包括在其精神和范围内的全部可选方案、修改、和等价物。

Claims (27)

1.一种燃料组合物，其包含：

a.可燃性燃料；

b.有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺；和

c.清洁剂包。

2.权利要求1的组合物，其中所述可燃性燃料选自汽油和柴油燃料。

3.权利要求1的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺选自饱和脂肪酸胺、不饱和脂肪酸胺、及其混合物。

4.权利要求3的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺选自辛胺、癸胺、十二烷胺、十四烷胺、十六烷胺、十六烯胺、十八烷胺、十八烯胺、及其混合物。

5.权利要求4的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺是牛油脂肪胺。

6.权利要求5的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺是氢化牛油脂肪胺。

7.权利要求1的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺的量在约1ppm至约2000ppm的范围内。

8.权利要求1的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺的量在约5ppm至约1000ppm的范围内。

9.权利要求1的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺的量在约10ppm至约500ppm的范围内。

10.权利要求1的组合物，其中所述清洁剂包包含：

a.至少一种沉积物控制添加剂；

b.腐蚀抑制剂；

c.载体流体；和

d.溶剂。

11.权利要求1的组合物，其还包含有效减少摩擦的量的至少一种甘油单烷基醚。

12.权利要求11的组合物，其中所述甘油单烷基醚是甘油单油基醚。

13.权利要求11的组合物，其中所述甘油单烷基醚的量在约1ppm至约1000ppm的范围内。

14.权利要求11的组合物，其中所述甘油单烷基醚的量在约5ppm至约500ppm的范围内。

15.权利要求11的组合物，其中所述甘油单烷基醚的量在约10ppm至约250ppm的范围内。

16.一种燃料添加剂组合物，其包含：

a.有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺，和

b.清洁剂包。

17.权利要求16的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺是氢化牛油脂肪胺。

18.权利要求16的组合物，其中所述C₆至C₃₀脂族胺的量在约1ppm至约2000ppm的范围内。

19.权利要求16的组合物，其中所述清洁剂包包含：

a.至少一种沉积物控制添加剂；

b.腐蚀抑制剂；

c.载体流体；和

d.溶剂。

20.权利要求16的组合物，其还包含有效减少摩擦的量的至少一种甘油单油基醚。

21.权利要求20的组合物，其中所述甘油单油基醚的量在约1ppm至约1000ppm的范围内。

22.一种减少内燃机中的摩擦量的方法，其包括向发动机中加入包含可燃性燃料、有效减少摩擦的量的至少一种C₆至C₃₀脂族胺、和清洁剂包的燃料组合物的步骤。

23.权利要求22的方法，其中所述C₆至C₃₀脂族胺是氢化牛油脂肪胺。

24.权利要求22的方法，其中所述C₆至C₃₀脂族胺的量在约1ppm至约2000ppm的范围内。

25.权利要求22的方法，其中所述清洁剂包包含：

a.至少一种沉积物控制添加剂；

b.腐蚀抑制剂；

c.载体流体；和

d.溶剂。

26.权利要求22的方法，其还包含有效减少摩擦的量的至少一种甘油单油基醚。

27.权利要求26的方法，其中所述甘油单油基醚的量在约1ppm至约1000ppm的范围内。