CN1251607A - 燃烧催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃烧催化剂组合物,它在混入液烃基燃料时可减少燃料燃烧体系中的沉积物,抑制燃料体系中的腐蚀,并有利于更有效地氧化燃料。该燃烧催化剂组合物包含表面活性/乳化剂、润滑油和直链液体饱和烃。

Description

燃烧催化剂
技术领域
本发明总体上涉及燃料添加剂组合物，具体地讲涉及燃烧催化剂组合物，它在混入液烃基燃料时可减少内燃机中的沉积物，抑制燃料体系中的腐蚀，并有利于更有效地氧化燃料以提高燃料的里程数和减少废气排放。
本发明的背景
目前使用燃料添加剂来改善汽油和柴油的性能，因为烃组分本身具有某些不足，但加入少量添加剂比改变这些燃料的组成更为有效。在燃料添加剂领域中，研究开发的主要目标是为了提供包含沉积物控制添加剂的燃料。通过有效控制或抑制内燃机进料体系，如化油器、阀等中的沉积物形成，可以提高燃料的效率。但这必须是在不产生燃烧室沉积物的情况下才行，因为这些沉积物会产生有害的废气排放，从而破坏催化转化器和环境。
内燃机燃烧室中的沉积物会增加烟雾和废气排放。烟雾主要来自发动机内的两个来源：第一，未燃烧或部分氧化的燃料；第二，通过燃料(未与氧反应)的热分解而形成的未燃烧碳。因此，对燃料效率来说，必需在点燃时形成化学上合适且均匀的燃料和空气的混合物。但这只有当能够防止燃料和碳沉积物抑制空气和燃料流入燃烧室时才能实现。
除了发动机中的非所需沉积物，烃基燃料中的水可降低燃料的氧化并引起燃料体系的堵塞。水可由热燃料在储罐或管道中冷却时水分凝结而产生。此外，酸性或碱性水会从炼油厂的各种工艺中被不经意地带出。在车辆的燃料体系中，能引起腐蚀的游离水会造成各种严重问题。不仅汽车燃料罐会发生泄漏，而且锈颗粒会堵塞燃料管、过滤器、燃料喷嘴和临界化油器孔，如油嘴。此外，燃料中的水可抑制燃料的点燃和/或完全氧化。因此，需要向烃基燃料中加入一种腐蚀抑制剂。
因此，需要改进燃料添加剂组合物以抑制燃料体系中的腐蚀、减少不完全燃烧沉积物、减少废气排放、并提高燃料的燃烧效率。
本发明概述
本发明提供了一组用于与可燃烧液烃基燃料混合的燃烧催化剂组合物，用来提高燃料的燃烧和效率、抑制腐蚀、减少废气排放和减少碳在发动机中的沉积。此外，该燃烧催化剂组合物稳定且可与烃基燃料混溶，同时不会对燃料性能或燃料储存稳定性产生任何不受欢迎的副作用。还有，本发明的燃烧催化剂组合物可在炼油厂、在分配中心或在销售点与燃料大量混合。车辆的操作人员也可将该组合物与车辆气罐中的燃料进行混合。
就本发明而言，以下出现在说明书和权利要求书中的术语和词语是具有以下含义的：
“燃烧催化剂”或其变型是指能够提高原燃料的燃烧作用的燃料添加剂，它可促进燃料的完全氧化，减少沉积物的形成和废气排放，和/或提高燃料燃烧体系如内燃机的总体操作效率。
“直链液体饱和烃”是指具有通式CnH2n+2的烷烃或烷烃混合物，其中n为14-17，但排除环烷烃、芳烃和不饱和烃。
“润滑油”是指能够降低固体之间摩擦的油产品，它在室温下为液体且选自植物油、合成油、矿物油及其混合物，所述矿物油的特征在于基本上无色，闪点至少约220-260℃，倾点约-15℃至-22℃，密度约0.83-0.90千克/升，但排除以上定义的“直链液体饱和烃”。
“内燃机”是指通过火花或压缩而点燃燃料的发动机，它包括(但不限于)Otto发动机或汽油发动机、柴油机或煤油机、燃气轮机、分层进料和Wankel型发动机。
与汽油、柴油和其它液烃基燃料混溶的本发明燃烧催化剂组合物包含表面活性/乳化剂、润滑油和直链液体饱和烃的调和混合物。一般来说，该组合物中各组分的比例应足以使其在与烃基燃料混合并燃烧时达到燃烧催化效果。
更具体地说，该燃料混溶性燃烧催化剂组合物包含脱水山梨醇的脂肪酸酯的混合物，或脱水山梨醇脂肪酸酯、矿物油和直链液体饱和烃的混合物。
本发明的进一步的目的是提供一种燃料混合物，其特征在于一种组合物，它包含脱水山梨醇脂肪酸酯的混合物、或脱水山梨醇脂肪酸酯、矿物油、直链液体饱和烃和烃基燃料的混合物。
本发明的进一步的目的是提供一种在燃烧液烃基燃料时，改善燃料燃烧作用并减少发动机中不完全燃烧沉积物的方法，包括：
a)提供一种燃料混溶性燃烧催化剂组合物，包括：
(i)将脱水山梨醇脂肪酸酯或脱水山梨醇脂肪酸酯的混合物、润滑油和直链液体饱和烃或直链液体饱和烃混合物进行混合；
b)将步骤(a)的燃烧催化剂组合物加入发动机中的液烃基燃料中，其中燃烧催化剂组合物与液烃基燃料的比率为约1∶200-1∶2000；然后
c)运转该发动机。
优选实施方案的描述
本发明的燃烧催化剂组合物包含表面活性/乳化剂、润滑油和直链液体饱和烃的混合物。已经发现，这种燃烧催化剂组合物的各组分具有提高内燃机操作性能和效率的特性和作用。此外，这种燃烧催化剂组合物可用作其它烃基燃料的添加剂，例如可与用于中心加热装置和热水器的#2燃料加热油、或煤油基燃料(包括喷气燃料)进行混合，以提高燃料的氧化作用并减少碳堆积和/或烟雾。
在本发明中，加入燃烧催化剂组合物中的表面活性/乳化剂同时具有表面活性性能和乳化剂性能。表面活性性能可防止树胶或清漆状物质在临界燃料操作组件，如燃料喷射体系的部件、化油器和类似物上堆积。
表面活性/乳化剂的乳化性能可将水分子分散在烃燃料中，并保护临界燃料操作组件不生锈和腐蚀。乳化剂通过将水分子保留在悬浮液中并将它们分散在燃料中而形成两种不混溶液体的稳定混合物，从而降低了水分子的凝聚速率。因此，暂时的水分和水颗粒就通过分散在燃料中的体系而不沉积。水分通过该体系的这种运动可降低燃料体系中腐蚀或锈堆积的可能性。
选择适用于本发明的表面活性/乳化剂的一般准则是基于HLB法。在该方法中，HLB值表示该试剂的乳化性能。该值与分子的亲水部分和亲脂部分之间的平衡有关。优选的油溶性的乳化剂可形成W/O乳液，且HLB值低。在用于本发明的W/O乳化中，推荐HLB值的范围为3-6，HLB值更优选约4-5。
将表面活性/乳化剂加入本发明燃烧催化剂组合物中还可减少在燃料操作体系中的沉积物堆积。在发动机不用时，高沸点燃料组分如烯烃和芳烃与废气中和通过空气净化器进入到曲轴箱中的烟中的污染物，会一起聚集在刚好位于节流阀下方的化油器内壁上。由于影响空气流动和改变空气/燃料比率，所得沉积物会造成怠速运转、频繁失速、性能不好并增加燃料消耗。因此，表面活性/乳化剂还可通过包覆燃料进料体系的金属表面而减少在该表面上的沉积。
还已发现，由于表面活性/乳化剂的亲脂和亲水基团的极性，用于本发明的表面活性/乳化剂还可赋予烃基燃料以有用的抗静电性能。许多挥发性有机液体组合物如烃基燃料具有低导电率，因此往往在燃料的表面上产生静电电荷。在处理或运输过程中，这些电荷会产生火花并可能点燃燃料或产生爆炸。因此应该理解，本发明的表面活性/乳化剂足以提高烃基燃料的电导率并有助于控制静电产生。
因此，能够降低腐蚀、减少燃料体系沉积物和/或具有抗静电性能的表面活性/乳化剂都可用于本发明。优选地，在本发明中可以使用具有以下通式的脱水山梨醇的非离子脂肪酸酯和/或混合脂肪酸的脱水山梨醇酯：
Figure A9880384200091
其中RCO-为脂肪酸基团，包括(但不限于)油酸、硬脂酸、月桂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸、蓖麻油酸和/或其混合物。在结构式(I)中，有用的脱水山梨醇酯的优选代表包括脱水山梨醇的单油酸酯、单硬脂酸酯、单棕榈酸酯和单月桂酸酯及其混合物。更优选使用这样一种脱水山梨醇单油酸酯，其特征在于，其酸值约5.5-7.5毫克，羟基值约193-209，皂化值约149-160毫克，且HLB值约4-5。特别优选的脱水山梨醇单油酸酯在市售中可从Croda Inc.，East Yorkshire，England买到，其商标为Crill 4TM。
一般来说，油溶性非离子表面活性/乳化剂的使用量应足以抑制腐蚀、提高导电率和/或在燃料燃烧时防止沉积物生成。脱水山梨醇酯的量通常为燃料添加剂组合物总重的约3-9％。除非另有所指，本发明所用的份数和百分数都是以重量计的。更具体地说，脱水山梨醇酯在加入量为约4-7％时最有效。
本发明的燃烧催化剂组合物还包含一种润滑油，它具有几个作用，包括(但不限于)减少在燃料中的发泡和/或减少燃料操作组件(如，入口阀、喷射器、多支管等)中的沉积物。
向液烃基燃料中加入表面活性剂可在一定程度上造成燃料发泡，而且这种发泡可通过加入润滑油来降低。发泡不仅是油罐加油时的问题，而且发动机中的泡沫会由于燃料混合物在体系中的不连续性而造成性能不好。最有效的防沫剂在纯净态下表面张力非常低，这样它们能够自然沿着现有膜扩散，从而抑制泡沫形成。在本发明中，已经发现，加入润滑油可降低燃料中的发泡。
此外，润滑油可用作溶剂，以有助于清洗掉在汽油发动机燃料进料体系(包括化油器、多支管、喷射器)中和进气阀下面形成的沉积物。形成这些沉积物的机理并不完全清楚，但据信是由于几个不同的原因，包括增加了氧饱和燃料的使用，烯烃和裂化原料的含量较高，喷射器的间歇喷射和阀旋转不当。多孔沉积物可作为海绵状堆积物以吸收燃料，这使得空气/燃料比率太低，从而导致发动机运行不良。沉积物可在阀口周围形成，并影响例如阀的关闭。此外，粘稠的沉积物有时会到达阀杆并粘住阀。燃料喷射器上的沉积物可堵塞喷射器，带来燃料流速不稳并降低雾化，从而导致废气排放较高。已经发现，挥发不太快的高沸点润滑油可溶解进入燃烧室中的能形成沉积物的粘稠化合物。
此外，本发明的燃烧催化剂组合物可用于燃油炉、燃油热水加热器、喷射发动机、发电机和类似物，以帮助减少燃料管、油烧嘴燃料喷射器和类似物中的粘稠沉积物。
本发明可以使用多种有效的润滑油以控制进入体系中的沉积物，并帮助保持车辆性能、燃料效率和降低废气排放。这些包括矿物油、所谓的合成油、植物油和其混合物。优选精制矿物油，其特征在于基本上无色，闪点至少约220-260℃，倾点约-15℃至-22℃，密度约0.83-0.90千克/升，更优选的是，闪点至少为238℃，倾点约-18℃且密度约0.8645千克/升。
一般来说，润滑油的用量要足以减少内燃机进料体系中的沉积物和/或减少燃料中的发泡。更具体地说，约35-52％，优选约45-50％的量可达到良好的效果。
本发明还提出，加入由通式CnH2n+2表示的直链液体饱和烃，其中n为14-17。已经发现，加入直链液体饱和烃可通过降低柴油型燃料的成蜡和/或减少内燃机燃烧室中的沉积物来提高燃料的流动性。
中间馏分石油燃料，如柴油燃料可包含链烷烃蜡，它在低温下往往沉淀成大晶体并形成凝胶结构，造成燃料变得太稠。溶液中产生的蜡结构往往形成一种可防止燃料流动的咬合结构。在本发明中，已经发现，直链液体饱和烃可抑制这些蜡结构的生长，从而提高了燃料的流动性，尤其是在低操作温度下。
向燃烧催化剂组合物中加入直链液体饱和烃还可减少归因于不完全燃烧沉积物的废气排放以及烟雾形成。几种不同的由燃料形成的含碳沉积物可沉积在燃烧室中的表面上，包括(但不限于)在压缩点燃发动机中的喷射器和火花点燃发动机中的火花活塞的表面上沉积。
在柴油发动机中，沉积物可在喷射器和汽缸中同时形成。漆状沉积物可沉积在喷射器体上，造成燃料流动降低或喷射器卡住。在汽油发动机中，除了活塞头和汽缸头，沉积物可在火花活塞表面上形成。这些沉积物可抑制空气和/或燃料的流动，从而阻碍了两者的化学计量混合。这些由燃料产生的沉积物通常称作喷射器或活塞污垢，会增加烟雾和废气排放。
烟雾在内燃机中的形成比较复杂，主要归因于当过量燃料被喷射到燃烧室时发生的反应。烟雾主要包括不同尺寸的碳颗粒或聚集体、以及相关的凝结燃料。通过本发明的直链液体饱和烃来降低废气排放和烟雾的一个可能机制是由于减少了在燃烧室中的碳基颗粒物。仅作为理论而非限定，本发明人认为，主要具有十四烷烃碳主链的直链液体饱和烃主要是通过防止颗粒物的聚集和溶解已形成的沉积物而发挥作用。由于空气/燃料混合物的化学计量较精确，这些作用通过提高燃料的流动性和效率而产生更清洁的燃烧。
具有通式CnH2n+2，其中n为14-17的任何直链液体饱和烃或直链液体饱和烃混合物都可用于本发明。优选使用十四烷烃。如果烃链中的碳原子数超过14，那么任何额外碳原子的甲基支化都是优选的。最优选的是，至少94％的直链液体饱和烃应该为十四烷烃，余下的所有直链液体饱和烃都具有甲基支化的十四烷烃碳主链。这些化合物的特征在于，沸点为约230-280℃，最低闪点约115-175℃，且平均分子量约198克/摩尔。
有利的是，直链液体饱和烃在燃烧催化剂组合物中的用量要足以提高燃料的流动性并减少加有燃料的设备中的沉积物。优选的是，大多数直链液体饱和烃的量为基于燃烧催化剂组合物总重的约35-52％，更优选约45-50％。
燃烧催化剂组合物还可包含其它通用的燃料添加剂，如生物杀伤剂和/或染料。
如上所述，烃燃料在储罐，如炼油厂、分配槽车、甚至小燃料罐中储藏时，含有少量或痕量的水分。某些种类的细菌会存在于水中，其营养来自烃相和水中的痕量元素。铅在汽油中的一个有益副作用是其抗菌性能，即，它可防止微生物生长。但在使用无铅汽油时，不仅汽油，而且中间馏出物如柴油燃料中也需要加入生物杀伤剂。燃料罐中的微生物活性可引起燃料变色，且悬浮物在从燃料中抽出时会堵塞过滤器。许多市售生物杀伤剂都可用于本发明，包括钠化合物、硼化合物、胺和亚胺。因此，使用有效量的抗菌化合物来处理可极大地减少微生物在罐壁和罐水底的生长。抗菌化合物的用量优选为痕量，其范围为基于燃烧催化剂组合物总重的约0.02-0.05％。
只要不产生任何不利影响或降低燃料添加剂组合物的效力，可向燃料添加剂组合物中加入染料。加入燃料中的染料可将燃料相互区别，而且可用作标记，在逃税、盗窃、燃料掺杂案件中提供证据，或用于确定漏处。其用量必须非常低，因为重要的是，如果在加油时发生溅出，燃料不会污染浅色车辆。染料可以是任何颜色，包括红色、橙色、蓝色或绿色。任何染料化合物都可使用，包括偶氮、三苯基甲烷、酞、醌型和靛系染料，其量为基于燃料添加剂组合物总重的约0.1-0.5％。因此，不仅溶于燃烧催化剂组合物而且还溶于液烃基燃料的任何绿色染料都可用于本发明。
本发明燃烧催化剂组合物的一个特别优选配方在表1中给出。
                           表1
      添加剂                        ％重量
表面活性/乳化剂                      6.00
    矿物油                          46.90
 C14-C17饱和烃                    46.90
绿色偶氮染料                         0.20
在几个不同的卡车中，测试新燃烧催化剂组合物在内燃机中的适用性。道路测试的结果汇总如下。实施例1
第1部分.燃烧催化剂组合物的制备
混合前，燃烧催化剂组合物各组分的温度为约20-28℃。该组合物是通过以下步骤来配制的：
a)将47重量份直链液体饱和烃与6重量份脱水山梨醇单油酸酯(表面活性/乳化剂)混合。该饱和烃组分为C14-C17碳链，其中至少94％的烃为十四烷烃，余下的包括具有C14主链和短链甲基的直链饱和烃。脱水山梨醇单油酸酯从Croda Inc.，East Yorkshire，England购买，其商标为Crill 4TM。
b)然后将47重量份矿物油加入(a)部分的混合物中。该矿物油的特征在于它是一种白色矿物油，其闪点至少为238℃，倾点为-18℃，密度为0.8645千克/升。
第2部分.现场发动机试验
进行试验是为了确定第1部分的燃烧催化剂是否能够改进燃料的燃烧从而减少燃料消耗。试验是在城市操作条件下，在93 Mercedes-Benz卡车上进行8个月。在试验的头4个月中，车辆是在没有向燃料中加入燃烧催化剂组合物的情况下驾驶的。在随后的4个月中，将燃烧催化剂组合物在每次补给燃料时加入卡车的柴油燃料中，形成燃烧催化剂/燃料比率为约1∶1000的燃料混合物。
8个月试验的结果在下表中给出。
                                      表2
车辆的类型  车辆的数目 燃料类型  添加剂/燃料比率  操作条件  处理的燃料/月
Mercedes卡车    93   柴油    1∶1000    城市     65000升
                     4个月试验的燃料添加剂试验报告
未处理燃料  第1个月  第2个月  第3个月  第4个月  4个月平均
燃料消耗平均升数/100公里   27.5   26.25    28.2     28     27.5
处理的燃料  第5个月  第6个月  第7个月  第8个月  4个月平均
燃料消耗平均升数/100公里   25.25    23     23     23     23.5
试验表明，通过使用本发明的燃烧催化剂组合物，可平均降低燃料消耗14.5％。

Claims (21)

1.一种燃烧催化剂，其特征在于一种燃料混溶性组合物，该组合物包含表面活性/乳化剂、润滑油和直链液体饱和烃的混合物。
2.根据权利要求1的燃烧催化剂组合物，其特征在于，各组分所存在的比例范围使其在与烃基燃料混合并氧化时足以达到燃烧催化效果。
3.根据权利要求1的燃烧催化剂组合物，其特征在于，至少94％的所述直链液体饱和烃具有通式C14H30。
4.根据权利要求1的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述表面活性/乳化剂包括一种具有以下通式的脱水山梨醇酯：其中RCO-为脂肪酸基团。
5.根据权利要求4的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述脂肪酸基团选自油酸、硬脂酸、月桂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸、蓖麻油酸及其混合物。
6.根据权利要求3的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述表面活性/乳化剂为脱水山梨醇单油酸酯。
7.根据权利要求1的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述润滑油选自矿物油、合成油、植物油及其混合物。
8.根据权利要求6的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述润滑油为矿物油。
9.根据权利要求8的燃烧催化剂组合物，其特征在于具有约4-7％重量的所述脱水山梨醇单油酸酯；约35-52％重量的所述矿物油；和约35-52％重量的所述直链液体饱和烃。
10.根据权利要求9的燃烧催化剂组合物，其特征在于，它还包含约0.1-0.5％的烃基燃料可溶性染料。
11.根据权利要求1的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述表面活性/乳化剂的酸值为约5.5-7.5毫克，羟基值为约193-209，皂化值为约149-160毫克，且HLB值为约4.1-4.5。
12.根据权利要求8的燃烧催化剂组合物，其特征在于，所述矿物油的最低闪点为约238℃，倾点为约-18℃，20℃下的密度为约0.8645千克/升，且40℃下的粘度为约68.73cSt。
13.根据权利要求4的燃烧催化剂组合物，其特征在于，由结构式(I)所示的脱水山梨醇酯选自脱水山梨醇的单油酸酯、单硬脂酸酯、单棕榈酸酯和单月桂酸酯及其混合物。
14.一种燃料混合物，其特征在于一种包含权利要求1所述燃烧催化剂和烃基燃料的组合物。
15.根据权利要求14的燃料混合物，其特征在于，所述烃基燃料选自汽油、柴油、燃料油、加热油、液体煤和航空燃料。
16.根据权利要求14的燃料混合物，其特征在于，其中燃烧催化剂与烃基燃料的比率为约1∶200-1∶2000。
17.一种燃料混合物，其特征在于一种包含权利要求9所述燃烧催化剂和烃基燃料的组合物。
18.一种在发动机中燃烧液烃基燃料时改善燃料的燃烧作用和/或减少发动机中燃烧区域的碳沉积物的方法，其特征在于以下步骤，包括：
a)提供一种燃料混溶性燃烧催化剂组合物，其中包含：
(i)脱水山梨醇的脂肪酸酯、润滑油和直链液体饱和烃；
b)将所述燃烧催化剂组合物加入所述在发动机中的所述液烃基燃料中，其中燃烧催化剂组合物与液烃基燃料的比率为约1∶200-1∶2000；然后
c)运转该发动机。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，所述燃烧催化剂组合物具有约5-7％重量的所述脱水山梨醇脂肪酸酯；约45-50％重量的所述矿物油；和约45-50％重量的所述直链液体饱和烃。
20.根据权利要求18的方法，其特征在于，燃烧催化剂组合物还包含其量足以减少燃料配给体系中的微生物的抗菌剂。
21.根据权利要求18的方法，其特征在于，所述液烃基燃料选自汽油、柴油、燃料油、加热油、液体煤和航空燃料。
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