JP4004362B2 - 直接噴射ガソリンエンジン用燃料組成物 - Google Patents
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Description
[発明の分野]
本発明は、新規な火花点火燃料(spark−ignition fuel)組成物、そして直接噴射ガソリン(direct injection gasoline)(DIG)エンジンにおける付着物を制御、即ち減少させるか或は除去しかつ煤の生成量を減少させる方法に関する。より詳細には、本発明は、火花点火燃料と燃料可溶付着物制御添加剤(deposit control additive)(これは特定のアミン化合物もしくはその誘導体を含んで成る)を含んで成る燃料組成物そしてこの燃料組成物をDIGエンジンで用いることで注入器の詰まりの度合を低下させることに関する。
【0002】
[発明の背景]
火花点火内燃機関の燃料導入系に生じる付着物を制御(防止または減少)する添加剤に関する研究がかなりの度合で長年に亘って捧げられてきている。特に、燃料注入器の付着物、吸気弁の付着物および燃焼室の付着物を有効に制御し得る添加剤が本分野で焦点を当ててかなりの度合で行われた研究活動を占めており、そのような努力が成されたにも拘らず、さらなる向上が望まれている。
【0003】
最近では、直接噴射ガソリン(DIG)技術が急な開発曲線上にある、と言うのは、これは燃料経済性と動力を向上させる高い可能性を有するからである。環境的には、燃料経済性の利点は二酸化炭素の排出量がより低くなること、即ち起こり得る地球温暖化の一因になり得る温室ガスの量がより低くなることに直接解釈される。
【0004】
通常の多口噴射(multi−port injection)(MPI)エンジンでは、ガソリンを取り入れ口に注入してガソリンと空気の均一な予備混合物を生成させるが、直接噴射ガソリンエンジンでは、ディーゼルエンジンの場合のようにガソリンを燃焼室に直接注入し、その結果として、燃焼室全体では高度に希薄ではあるが点火プラグの近くでは燃料を化学量論的量より多い量で含有する層状(stratified)燃料混合物が生成し得る。そのような層状燃料混合物の生成により、全体として高度に希薄な混合物を用いて燃焼を達成することが可能になり、それによって、燃料の消費がディーゼルのそれに近づくと言った向上がもたらされる。
【0005】
注入の時期を調節して負荷の状態に合致させる。燃料の効率がディーゼルエンジンのそれよりも高くなるようにするには燃料を調節してガソリンと空気の顕著に希薄な混合物の燃焼が起こるようにする。また、多口注入エンジンの場合の圧縮比(compression ratio)が約10.5であるのに比較して圧縮比を約12.0にすると体積効率(volumetric efficiency)および応答が通常のMPIエンジンの性能を超える所まで高くなる。
【0006】
DIG技術を用いて解決すべき技術的問題は数多く存在し、それらの1つは、世界的市場で用いられているいろいろなガソリン燃料を用いた時の注入器性能である。DIG注入器は燃焼室内に位置することから、これはポート燃料注入器(port fuel injectors)(PFI)が備わっている通常の火花点火エンジンの環境に比べてはるかに苛酷な環境にさらされる。このようなより苛酷な環境によって燃料の劣化および酸化が加速される可能性があり、その結果として、付着物が増加する可能性がある。
【0007】
DIG技術は匹敵する通常の多口注入に比べて二酸化炭素排出量を約1/3少なくする可能性を持っている。これは、均一様式(homogeneous mode)で運転した時に燃料消費が10−15%向上しそして希薄層状様式(lean stratified mode)で運転した時には35%に及ぶ向上が達成される。燃料経済性の利点はまた消費者が化石エネルギーを保存しかつ節約することにもつながる。加うるに、DIGオペレーションプラットフォーム(operation platform)は、同じ燃料を相当するMPI構造配置で燃焼させた場合に比べて動力を10%に及んで向上させるに役立つ。
【0008】
現世代(current generation)のDIG技術は付着物に関する問題に直面している。関心が持たれている分野には燃料レイル(fuel rails)、注入器、燃焼室(CCD)、クランクケース煤ローディング(soot loadings)および吸気弁(IVD)が含まれる。
【0009】
DIGエンジンにおける燃料関連付着物が現在関心が持たれている問題である、と言うのは、現在ではそのような技術が日本およびヨーロッパで商業的な技術になっているからである。燃料注入器の性能がそのような問題の中心にある、と言うのは、DIG燃焼装置の燃料経済性と動力に関する利点が実現されかつ排気放出量が最小限であることは燃料スプレーに一貫性があることに大きく依存しているからである。スプレー様式に一貫性があると結果として起こる燃焼および排気の後処理装置のより正確な電子制御が可能になる。
【0010】
石油産業では、MPIおよびDIG両方のエンジンで用いるに適した燃料、即ちMPIエンジンの場合にはIVD制御に有効な燃料、ならびにDIGエンジンの場合には適切な注入器付着物制御に有効な燃料を製造することを望んでいる。ある添加剤がMPIエンジンにおける吸気弁付着物を減少または制御するに有効であるとしても、DIGエンジンにおける注入器付着物を制御または減少させるにはほとんど又は全く効果を示さないか或は悪影響を与えることさえあり得る。同様に、ある添加剤がDIGエンジンにおける注入器付着物の制御または減少に有効であるとしても、MPIエンジンにおける吸気弁付着物の制御または減少でほとんどか或は全く効果を示さないか或は悪影響を与えることさえあり得る。本発明の目的は、DIGエンジンで有効な注入器付着物制御を示す燃料組成物を提供すること、ならびにMPIおよびDIG両方のエンジンで有効な付着物制御を示す燃料組成物を提供することにある。
【0011】
アミンおよびアミン誘導体化合物を含有する燃料組成物を教示している文献は存在し、例えば米国特許第5,643,951号、5,725,612号および6,176,886号などが存在する。しかしながら、これらの文献のいずれも本発明のアミン化合物および誘導体を含有する燃料組成物を直接噴射ガソリンエンジンで用いることも前記化合物がそのようなエンジンにおける付着物に影響を与えることも全く教示されていない。
【0012】
[発明の要約]
本発明は、(a)火花点火内燃機関用燃料および(b)燃料可溶付着物制御添加剤(fuel−soluble deposit control additive)を含んで成る燃料組成物に向けたものである。本発明は、更に、直接噴射ガソリンエンジンにおける付着物を制御する方法にも向けたものである。別の態様では、本発明の組成物をアフターマーケット(aftermarket)または「トップ処理(top treat)」組成物として提供する。
【0013】
[発明の詳細な記述]
付着物制御添加剤
本発明の付着物制御添加剤は、式(I):
【0014】
【化10】
【0015】
[式中、R1およびR2は、独立して、C1-4アルキルであり、R3は、式CmH2m(ここで、mは2から6の整数である)で表される基であり、R4およびR5は、各々独立して、(i)
【0016】
【化11】
【0017】
(ここで、R6は、水素およびC1-4アルキルから成る群から選択され、そしてR7は、水素およびC1-30アルキルから成る群から選択される)または(ii)
【0018】
【化12】
【0019】
(ここで、R8は、線状、分枝もしくは環状の飽和もしくは不飽和C7-23ヒドロカルビル基である)であるか、或は(iii)R4およびR5は、これらが結合している窒素原子と一緒になってさらなるヘテロ原子が組み込まれていてもよい環状環を形成している]
で示すことができる。
【0020】
好適な注入器付着物制御添加剤b)には、1)第一級もしくは第二級アミノ基を1つと第三級アミノ基を1つ有する脂肪族ジアミン(この場合、R4およびR5は各々独立して水素およびC1-4アルキルから選択される)、2)置換トリアジン(この場合、R4およびR5は、それらが結合している窒素原子と一緒になって環状環を形成している)、3)低分子量のマンニッヒ縮合生成物(この場合、R4またはR5の少なくとも1つが式:
【0021】
【化13】
【0022】
で表される)、および4)アミド(この場合、R4またはR5の少なくとも1つが式:
【0023】
【化14】
【0024】
で表される)が含まれる。
【0025】
代表的な脂肪族ジアミンには、N,N−ジヒドロカルビルアルキレンジアミン、例えばN,N−ジメチル−1,3−プロパンジアミン[またN,N−ジメチルアミノプロピルアミン(DMAPA)とも呼ばれる](この場合、R1=R2=−CH3、R3=−C3H6−およびR4=R5=H)、およびN,N,N’−トリメチル−1,3−プロパンジアミン(この場合、R1=R2=−CH3、R3=−C3H6−、R4=HおよびR5=−CH3)が含まれる。
【0026】
ヘテロ環材料、好適には置換トリアジンの調製は、この上に記述した第一級ジアミン、即ちR4とR5が各々水素であるジアミンとホルムアルデヒドもしくはホルムアルデヒド源(例えばパラホルムアルデヒド)を本技術分野で知られている条件下で適切な比率で反応させることによりトリアジン環を製造することができる。本発明のそのようなヘテロ環含有付着物制御添加剤を生成させる時、上述した脂肪族第一級ジアミンと他の第一級アミンの混合物を用いてもよいが、しかしながら、この上に記述した如き脂肪族ジアミンをただ1種類のアミンとして用いて置換トリアジンを製造する方が好適である。本発明の適切な置換トリアジンは式:
【0027】
【化15】
【0028】
[式中、R1、R2およびR3は、この上で定義した通りである]
で示される。特に好適な置換トリアジンは、3−ジメチルアミノプロピルアミンをただ1つのアミンとして用いて製造された置換トリアジンであり、そのようにして生成させた生成物は主に1,3,5−トリス[3−(ジメチルアミノ)プロピル]ヘキサヒドロ−1,3,5−トリアジンを含んで成る。そのような化合物の調製は文献、例えば米国特許第2,675,382号、5,162,049号、5,215,547号、5,746,783号および5,830,243号(これらの開示はその全体が本明細書に組み入れられる)に記述されている。
【0029】
本発明の付着物制御添加剤として用いるに適した代表的な低分子量マンニッヒ縮合生成物の調製は、第一級もしくは第二級アミノ基を1つと第三級アミノ基を1つ有する脂肪族ジアミンとアルデヒドと低分子量のアルキルで置換されているヒドロキシ芳香族化合物を適切なマンニッヒ反応条件下で反応させることにより実施可能である。
【0030】
本発明のマンニッヒ反応生成物の調製で用いられる低分子量アルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物およびアルデヒドは、この上に示した制限に従うような公知で本技術分野で用いられている如何なる化合物であってもよい。
【0031】
本低分子量マンニッヒ縮合生成物を生成させる時に使用可能なアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物の調製は、ヒドロキシ芳香族化合物、例えばフェノールまたはクレゾールなどをアルキル化することにより実施可能である。このヒドロキシ芳香族化合物に一アルキル置換もしくは二アルキル置換することもできる。このヒドロキシ芳香族化合物のアルキル置換は典型的にはアルキル化用触媒の存在下で約50から約200℃の範囲の温度で実施する。フリーデルクラフツアルキル化を促進する目的で一般に酸性触媒を用いる。商業的生産で用いられる典型的な触媒には硫酸、BF3、アルミニウムフェノキサイド、メタンスルホン酸、カチオン交換樹脂、酸性粘土および変性ゼオライトが含まれる。
【0032】
前記ヒドロキシ芳香族化合物における低分子量のアルキル置換基は、炭素原子数が9から30、好適には炭素原子数が12から18のアルキル置換基である。このような低分子量のアルキル置換基には、C9からC30の範囲の単一の炭素数留分(carbon number fraction)を有するアルファ−オレフィンまたはC9からC30の範囲の炭素数留分の混合物を有するアルファ−オレフィンが含まれる。このようなアルファ−オレフィンを異性化して内部二重結合を含むオレフィンを生成させることができ、これを前記ヒドロキシ芳香族化合物のアルキル化に使用することができる。また、1−オレフィンのオリゴマーも低分子量アルキル置換基として用いるに有用である。好適なオレフィンオリゴマーには、プロピレンの三量体(C9)およびプロピレンの四量体(C12)が含まれる。この低分子量のマンニッヒ縮合生成物の調製は低分子量のアルキルで置換されているフェノールもしくはクレゾールから製造可能であり、好適である。
【0033】
このアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物の好適な形態は、パラ位が置換されているモノアルキルフェノールまたはパラ位が置換されているモノアルキルクレゾールの形態である。しかしながら、このマンニッヒ縮合反応では容易に反応し得る如何なるアルキルフェノールもアルキルクレゾールも使用可能である。
【0034】
この低分子量のマンニッヒ縮合生成物の調製で用いるに適した代表的なアルデヒドには脂肪族アルデヒド類、例えばホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、バレルアルデヒド、カプロアルデヒド、ヘプトアルデヒド、ステアルアルデヒドなどが含まれる。使用可能な芳香族アルデヒド類にはベンズアルデヒドおよびサリチルアルデヒドが含まれる。本明細書で用いるに適した例示的複素環式アルデヒド類はフルフラルおよびチオフェンアルデヒドなどである。また、ホルムアルデヒドをもたらす反応体、例えばパラホルムアルデヒドなど、またはホルムアルデヒドの水溶液、例えばホルマリンなども本発明で用いるに有用である。ホルムアルデヒドまたはホルマリンが最も好適である。
【0035】
前記低分子量アルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物とアミンとアルデヒドの間の縮合反応は約40から約200℃の範囲の温度で実施可能である。この反応はバルクで(希釈剤も溶媒も使用しない)または溶媒もしくは希釈剤中で実施可能である。反応過程中に水が生成するが、これは共沸蒸留で除去可能である。典型的には、アルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物とアミンとアルデヒドをそれぞれ1.0:0.5−2.0:0.5−3.0のモル比で反応させることにより前記マンニッヒ添加剤を生成させる。
【0036】
本発明の付着物制御添加剤には、また、この上に記述した脂肪族ジアミンとモノカルボン酸の反応で得られるアミド(この場合、R4またはR5の少なくとも1つは式:
【0037】
【化16】
【0038】
で表され、そしてR8は、線状、分枝もしくは環状の飽和もしくは不飽和のC7-23ヒドロカルビル基である)も含まれる。適切な酸にはオクチル酸(2−ethylhexanoic acid)、カプリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、トール油酸、リノール酸、オレイン酸、ナフテン酸、ならびにそれらの異性体および混合物も含まれる。好適な態様で前記反応生成物を生成させる時に用いる酸は、不飽和を低い度合で含有、好適には不飽和を全く含有しない酸であり、その結果として、本発明の反応生成物が示すヨウ素価は150以下である。本分野の技術者が理解するであろうように、ヨウ素価は不飽和の尺度である。この反応生成物が示すヨウ素価は、好適には125以下、より好適には75以下、更により好適には25以下、最も好適には5以下である。本発明の反応生成物はDIGエンジンで注入器付着物を有効に制御するが、反応生成物が示すヨウ素価が低い時には、これをMPIエンジンで用いられるか或は用いられる可能性がある燃料で用いる方が好適である。
【0039】
本発明のアミド系付着物制御添加剤は、モノカルボン酸と前記ジアミンをアミドが生成するのに適した条件下で反応させることにより調製される。このモノカルボン酸と前記ジアミンの間の縮合反応は典型的には40から250℃の範囲の温度で行うことができる。この反応はバルクで(希釈剤も溶媒も使用しない)または溶媒もしくは希釈剤、例えば炭化水素溶媒中で実施可能である。この反応過程中に水が生成するが、これは共沸蒸留で除去可能である。好適な態様では、モノカルボン酸とジアミンのモル比はモノカルボン酸がジアミン1モル当たり0.8から1.2の範囲、好適には1である。
【0040】
この上に記述した反応生成物を燃料組成物に好適には付着物を制御(減少または除去を包含)するに充分な量で添加する。例えば、この反応生成物を燃料に好適には前記反応生成物を含有する前記燃料を用いて直接噴射ガソリンエンジンを作動させた時の注入器付着物の体積が前記反応生成物が入っていない以外は同じ燃料を用いて同じ様式で前記エンジンを作動させた時の注入器付着物の体積よりも小さい体積に減少させるのに有効な比率で添加する。経済的には、添加剤を所望目的に有効な最小量で用いるのが望ましい。本発明の反応生成物は典型的には添加剤(additive)が燃料1000バレル当たり0.1から15、好適には0.3から10、より好適には0.5から7、最も好適には0.5から5ポンドを与えるに充分な量で存在する。
【0041】
本発明の燃料組成物は、この上に記述した注入器付着物制御添加剤に加えて、補足的添加剤を含有することもできる。前記補足的添加剤には、分散剤/清浄剤、抗酸化剤、担体流体(carrier fluids)、金属不活性化剤、染料、マーカー、腐食抑制剤、殺生物剤、帯電防止添加剤、抗力低下剤(dragreducing agents)、抗乳化剤、乳化剤、デハザーズ(dehazers)、着氷防止添加剤、アンチノック添加剤(antiknock addtivies)、アンチバルブシートリセッション添加剤(anti−valve−seat recession addtivies)、界面活性剤、滑性添加剤および燃焼向上剤が含まれる。
【0042】
本発明の燃料組成物は高分子量のアミン系清浄剤(amine detergents)を含有することができ、典型的には含有する。このアミン系清浄剤には、MPIエンジンの吸気弁付着物を制御する目的で燃料中において使用することが本技術分野で良く知られているアミン系清浄剤が含まれる。本発明で用いるに適したアミン系清浄剤には、ヒドロカルビルこはく酸系アシル化剤(hydrocarbyl succinic acylating agents)の窒素含有誘導体、マンニッヒ縮合生成物、ヒドロカルビルアミンおよびポリエーテルアミンが含まれる。このようなアミン系清浄剤を用いる場合、これを典型的には吸気弁付着物を制御するに充分な量で存在させ、典型的には添加剤を燃料1000バレル体積当たり5から100ポンド重量の量で存在させる。
【0043】
本発明で用いるに適したヒドロカルビルこはく酸系アシル化剤の窒素含有誘導体には、ヒドロカルビルスクシンイミド、スクシンアミド、スクシンイミド−アミドおよびスクシンイミド−エステルが含まれる。このヒドロカルビルこはく酸系アシル化剤の窒素含有誘導体の調製を典型的にはヒドロカルビル置換こはく酸系アシル化剤とポリアミンの反応で行う。
【0044】
ヒドロカルビル置換こはく酸系アシル化剤には、ヒドロカルビル置換こはく酸、無水ヒドロカルビル置換こはく酸、ヒドロカルビル置換こはく酸ハライド(特に酸フルオライドおよび酸クロライド)、およびヒドロカルビル置換こはく酸と低級アルコール(例えば炭素原子数が7以下の低級アルコール)のエステル、即ちカルボキシル系(carboxylic)アシル化剤として機能し得るヒドロカルビル置換化合物が含まれる。これらの化合物の中でヒドロカルビル置換こはく酸および無水ヒドロカルビル置換こはく酸、そして前記酸と無水物の混合物が一般に好適であり、特に無水ヒドロカルビル置換こはく酸が好適である。
【0045】
前記清浄剤の製造で用いるに適したアシル化剤は好適には適切な分子量を有するポリオレフィン(塩素を伴うか或は伴わない)と無水マレイン酸の反応により製造される。しかしながら、同様なカルボキシル系反応体、例えばマレイン酸、フマル酸、リンゴ酸、酒石酸、イタコン酸、無水イタコン酸、シトラコン酸、無水シトラコン酸、メサコン酸、無水エチルマレイン酸、無水ジメチルマレイン酸、エチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、ヘキシルマレイン酸など(相当する酸ハライドおよび低級脂肪族エステルを包含)を用いることも可能である。
【0046】
例えば、無水ヒドロカルビル置換こはく酸の調製は、例えば米国特許第3,361,673号および3,676,089号などに記述されているように、ポリオレフィンと無水マレイン酸を熱で反応させることにより実施可能である。別法として、例えば米国特許第3,172,892号などに記述されているように、塩素置換ポリオレフィンと無水マレイン酸を反応させることでそのような無水置換こはく酸を生成させることも可能である。無水ヒドロカルビル置換こはく酸のさらなる考察を例えば米国特許第4,234,435号、5,620,486号および5,393,309号などに見ることができる。
【0047】
無水マレイン酸とオレフィンのモル比は幅広く多様であり得る。これは例えば5:1から1:5に及んで多様であり得、より好適な範囲は3:1から1:3であり、好適には無水マレイン酸を化学量論的過剰量、例えば無水マレイン酸をオレフィン1モル当たり1.1−5モル用いる。得られた反応混合物から未反応の無水マレイン酸は蒸発させることができる。
【0048】
通常の還元条件、例えば接触水添などを用いて無水ポリアルケニルこはく酸を無水ポリアルキルこはく酸に転化させることもできる。接触水添で用いる好適な触媒は炭素に担持されているパラジウムである。同様な還元条件を用いて同様にポリアルケニルスクシンイミドをポリアルキルスクシンイミドに転化させることも可能である。
【0049】
本発明で使用する無水こはく酸におけるヒドロカルビル置換基は、一般に、モノ−オレフィン、特に1−モノ−オレフィン、例えばエチレン、プロピレン、ブチレンなどの重合体または共重合体であるポリオレフィンに由来する置換基である。使用するモノ−オレフィンの炭素原子数は好適には2から約24、より好適な炭素原子数は約3から12である。より好適なモノ−オレフィンにはプロピレン、ブチレン、特にイソブチレン、1−オクテンおよび1−デセンが含まれる。そのようなモノ−オレフィンから生成するポリオレフィンにはポリプロピレン、ポリブテン、ポリイソブテン、そして1−オクテンと1−デセンから生成するポリアルファオレフィンが含まれる。
【0050】
特に好適なポリアルキルもしくはポリアルケニル置換基は、ポリイソブテンに由来する置換基である。本発明のスクシンイミド−酸を生成させる時に用いるに適したポリイソブテンには、より高い反応性を示すメチルビニリデン異性体含有量が少なくとも約20%、好適には少なくとも50%、より好適には少なくとも70%のポリイソブテンが含まれる。適切なポリイソブテンにはBF3触媒を用いて製造したポリイソブテンが含まれる。メチルビニリデン異性体が組成物全体の高いパーセントを占めるようなポリイソブテンの調製が米国特許第4,152,499号および4,605,808号に記述されている。
【0051】
ヒドロカルビルスクシンイミドは、無水ヒドロカルビル置換こはく酸、酸−エステルまたは低級アルキルエステルを第一級アミン基を少なくとも1つ含むアミンと反応させることにより得られる。代表的な例が米国特許第3,172,892号、3,202,678号、3,219,666号、3,272,746号、3,254,025号、3,216,936号、4,234,435号および5,575,823号に示されている。この無水アルケニルこはく酸の調製はオレフィンと無水マレイン酸の混合物を約180−220℃に加熱することにより容易に実施可能である。前記オレフィンは好適には低級モノオレフィン、例えばエチレン、プロピレン、イソブテンなどの重合体または共重合体である。より好適なアルケニル基源は分子量が5000以上に及ぶポリイソブテンからである。更により好適な態様におけるアルケニルは、分子量が約500−2000、最も好適には約700−1500のポリイソブテン基である。
【0052】
前記ヒドロカルビル−スクシンイミドを生成させる目的で無水アルケニルこはく酸と反応させることができるアミンには、反応してイミド基を生成し得る第一級アミン基を少なくとも1つ有する如何なるアミンも含まれる。代表的な数例はメチルアミン、2−エチルヘキシルアミン、n−ドデシルアミン、ステアリルアミン、N,N−ジメチル−プロパンジアミン、N−(3−アミノプロピル)モルホリン、N−ドデシルプロパンジアミン、N−アミノプロピルピペラジン、エタノールアミン、N−エタノールエチレンジアミンなどである。好適なアミンにはアルキレンポリアミン、例えばプロピレンジアミン、ジプロピレントリアミン、ジ−(1,2−ブチレン)−トリアミン、テトラ−(1,2−プロピレン)ペンタアミンなどが含まれる。
【0053】
最も好適なアミンは、式H2N(CH2CH2NH)nH[式中、nは1から10の整数である]で表されるエチレンポリアミンである。このようなエチレンポリアミンにはエチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタアミン、ペンタエチレンヘキサアミンなど[これらの混合物(この場合のnはこの混合物の平均値である)を包含]が含まれる。これらのエチレンポリアミンは各末端部に第一級アミン基を有し、モノ−アルケニルスクシンイミドおよびビス−アルケニルスクシンイミドを生成し得る。従って、本発明で使用するのに特に好適なヒドロカルビルスクシンイミドは、ポリエチレンポリアミン、例えばトリエチレンテトラミンまたはテトラエチレンペンタミンなどと炭化水素置換カルボン酸もしくは無水物(これはポリオレフィン、好適には分子量が500から2000、特に700から1500のポリイソブテンと不飽和ポリカルボン酸もしくは無水物、例えば無水マレイン酸などの反応で調製される)の反応生成物である。
【0054】
本発明で用いるに適したマンニッヒ塩基清浄剤(Mannich base detergents)には、高分子量のアルキルで置換されているヒドロキシ芳香族化合物とアルデヒドとアミンの反応生成物が含まれる。本発明のマンニッヒ反応生成物を製造する時に用いるアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物とアルデヒドとアミンは、この上に示した制限に従い、本技術分野で知られていて用いられるような化合物のいかなるものであってもよい。
【0055】
前記ヒドロキシ芳香族化合物のベンゼン環における高分子量のアルキル置換基は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で測定した時の数平均分子量(Mn)が約500から約3000、好適には約700から約2100のポリオレフィンに由来する置換基である。また、使用するポリオレフィンはGPCで測定した時に約1から約4(好適には約1から約2)の範囲の多分散性(重量平均分子量/数平均分子量)を示すのが好適である。
【0056】
このヒドロキシ芳香族化合物のアルキル化は典型的にはアルキル化用触媒の存在下で約0から約200℃、好適には0から100℃の範囲の温度で実施する。フリーデルクラフツアルキル化を促進する目的で一般に酸性触媒を用いる。商業的生産で使用される典型的な触媒には硫酸、BF3、アルミニウムフェノキサイド、メタンスルホン酸、カチオン交換樹脂、酸性粘土および変性ゼオライトが含まれる。
【0057】
そのような高分子量のアルキルで置換されたヒドロキシ芳香族化合物を生成させるのに適したポリオレフィンにはポリプロピレン、ポリブテン、ポリイソブチレン、ブチレンおよび/またはブチレンとプロピレンの共重合体、ブチレンおよび/またはイソブチレンおよび/またはプロピレンとこれらと共に共重合し得る1種以上のモノオレフィン系共重合用単量体(例えばエチレン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−デセンなど)の共重合体[この共重合体の分子はブチレンおよび/またはイソブチレンおよび/またはプロピレン単位を少なくとも50重量%含有する]が含まれる。プロピレンまたは前記ブテン類と共に重合される共重合用単量体は脂肪族であってもよく、そしてまた共重合用単量体は非脂肪族群、例えばスチレン、o−メチルスチレン、p−メチルスチレン、ジビニルベンゼンなどを含有することも可能である。このように、如何なる場合でも、得られた重合体および共重合体(前記高分子量のアルキルで置換されているヒドロキシ芳香族化合物を生成させる時に用いられる)は、実質的に脂肪族の炭化水素重合体である。
【0058】
ポリブチレンが好適である。本明細書で特に明記しない限り、一般的な意味で、「純粋」または「実質的に純粋」な1−ブテンまたはイソブテンから製造された重合体、および1−ブテンと2−ブテンとイソブテンの中の2種または3種全部の混合物から製造された重合体を包含させる目的で用語「ポリブチレン」を用いる。また、市販グレードの前記重合体は他のオレフィン類も含有し得るが、その量は問題になるほどの量でない。また、末端ビニリデン基を有する重合体分子を比較的高い割合で含有するいわゆる高反応性ポリイソブテン類も長鎖アルキル置換フェノール反応体の製造で用いるに適する。適切な高反応性ポリイソブテン類には、より高い反応性を示すメチルビニリデン異性体の含有量が少なくとも約20%、好適には少なくとも50%、より好適には少なくとも70%のポリイソブテンが含まれる。適切なポリイソブテンにはBF3触媒を用いて製造されたポリイソブテンが含まれる。メチルビニリデン異性体が組成物全体の高いパーセントを占めるようなポリイソブテンの調製は米国特許第4,152,499号および4,605,808号に記述されている。
【0059】
前記マンニッヒ清浄剤は高分子量のアルキルフェノールもしくはアルキルクレゾールから製造することができる。しかしながら、他のフェノール化合物も使用可能であり、これらには、とりわけ、レゾルシノール、ヒドロキノン、カテコール、ヒドロキシジフェニル、ベンジルフェノール、フェネチルフェノール、ナフトール、トリルナフトールなどの高分子量アルキル置換誘導体が含まれる。このマンニッヒ清浄剤の調製では、ポリアルキルフェノールおよびポリアルキルクレゾール反応体、例えばポリプロピルフェノール、ポリブチルフェノール、ポリプロピルクレゾールおよびポリブチルクレゾールなど(これらのアルキル基は約500から約2100の数平均分子量を有する)が好適であるが、最も好適なアルキル基は、約700から約1300の範囲の数平均分子量を有するポリイソブチレンに由来するポリブチル基である。
【0060】
この高分子量アルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物の好適な形態は、パラ位が置換されているモノアルキルフェノールまたはパラ位が置換されているモノアルキルオルソ−クレゾールの形態である。しかしながら、このマンニッヒ縮合反応では容易に反応し得る如何なるヒドロキシ芳香族化合物も使用可能である。このように、環アルキル置換基を1つのみ有するヒドロキシ芳香族化合物または環アルキル置換基を2つ以上有するヒドロキシ芳香族化合物から製造されたマンニッヒ生成物が本発明で用いるに適する。そのような長鎖アルキル置換基は残存不飽和をある程度含んでいてもよいが、一般的には、実質的に飽和のアルキル基である。
【0061】
代表的なアミン反応体には、これらに限定するものでないが、適切に反応し得る第一級もしくは第二級アミノ基を分子中に少なくとも1つ有するアルキレンポリアミン類が含まれる。このポリアミンに他の置換基、例えばヒドロキシル、シアノ、アミドなどが存在していてもよい。好適な態様におけるアルキレンポリアミンはポリエチレンポリアミンである。適切なアルキレンポリアミン反応体には、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、そして式H2N−(A−NH−)nH[式中、Aは、二価のエチレンもしくはプロピレンであり、そしてnは、1から10、好適には1から4の整数である]で表されるアルキレンポリアミンに相当する窒素含有量を有するようなアミン混合物が含まれる。このようなアルキレンポリアミン類はアンモニアとジハロアルカン、例えばジクロロアルカンなどの反応により入手可能である。
【0062】
このアミンは、また、分子中に第一級もしくは第二級アミノ基を1つと第三級アミノ基を少なくとも1つ有する脂肪族ジアミンであってもよい。適切なポリアミン類の例には、N,N,N”,N”−テトラアルキルジアルキレントリアミン類(末端の第三級アミノ基を2つと中心の第二級アミノ基を1つ有する)、N,N,N’,N”−テトラアルキルトリアルキレンテトラミン類(末端の第三級アミノ基を1つと内部の第三級アミノ基を2つと末端の第一級アミノ基を1つ有する)、N,N,N’,N”,N”’−ペンタアルキルトリアルキレンテトラミン類(末端の第三級アミノ基を1つと内部の第三級アミノ基を2つと末端の第二級アミノ基を1つ有する)、N,N−ジヒドロキシアルキル−アルファ,オメガ−アルキレンジアミン類(末端の第三級アミノ基を1つと末端の第一級アミノ基を1つ有する)、N,N,N’−トリヒドロキシアルキル−アルファ,オメガ−アルキレンジアミン類(末端の第三級アミノ基を1つと末端の第二級アミノ基を1つ有する)、トリス(ジアルキルアミノアルキル)アミノアルキルメタン類(末端の第三級アミノ基を3つと末端の第一級アミノ基を1つ有する)および同様な化合物が含まれ、ここで、前記アルキル基は同一もしくは異なっており、そして各々が含む炭素原子の数は典型的に約12以下であり、好適には各々が含む炭素原子の数は1から4である。このようなアルキル基は、最も好適にはメチルおよび/またはエチル基である。好適なポリアミン反応体は、N,N−ジアルキル−アルファ,オメガ−アルキレンジアミン、例えばアルキレン基の炭素原子数が3から約6でアルキル基(これらは、最も好適には同じであるが、異なっていてもよい)の各々の炭素原子数が1から約12のN,N−ジアルキル−アルファ,オメガ−アルキレンジアミンである。N,N−ジメチル−1,3−プロパンジアミンおよびN−メチルピペラジンが最も好適である。
【0063】
マンニッヒ縮合反応に関与し得る反応性第一級もしくは第二級アミノ基を1つ有しそしてマンニッヒ縮合反応に明らかな度合では何ら直接関与し得ない立体障害性アミノ基を少なくとも1つ有するポリアミン類の例には、N−(t−ブチル)−1,3−プロパンジアミン、N−ネオペンチル−1,3−プロパンジアミン、N−(t−ブチル)−1−メチル−1,2−エタンジアミン、N−(t−ブチル)−1−メチル−1,3−プロパンジアミンおよび3,5−ジ(t−ブチル)アミノエチルピペラジンが含まれる。
【0064】
前記マンニッヒ塩基生成物の調製で用いるに適した代表的なアルデヒドには脂肪族アルデヒド類、例えばホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、バレルアルデヒド、カプロアルデヒド、ヘプトアルデヒド、ステアルアルデヒドなどが含まれる。使用可能な芳香族アルデヒド類にはベンズアルデヒドおよびサリチルアルデヒドが含まれる。本明細書で用いる適した例示複素環式アルデヒド類はフルフラルおよびチオフェンアルデヒドなどである。また、ホルムアルデヒドをもたらす反応体、例えばパラホルムアルデヒドなど、またはホルムアルデヒドの水溶液、例えばホルマリンなども有用である。ホルムアルデヒドまたはホルマリンが最も好適である。
【0065】
前記アルキルフェノールと指定アミン1種または2種以上とアルデヒドの間の縮合反応は典型的に約40から約200℃の範囲の温度で実施可能である。この反応はバルクで(希釈剤も溶媒も用いないで)または溶媒もしくは希釈剤中で実施可能である。反応過程中に水が生成するが、これは共沸蒸留で除去可能である。典型的には、アルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物とアミンとアルデヒドをそれぞれ1.0:0.5−2.0:1.0−3.0のモル比で反応させることによりマンニッヒ反応生成物を生成させる。
【0066】
本発明で用いるに適したマンニッヒ塩基清浄剤には、米国特許第4,231,759号、5,514,190号、5,634,951号、5,697,988号、5,725,612号および5,876,468号(これらの開示は引用することによって本明細書に組み入れられる)に教示されている清浄剤が含まれる。
【0067】
ヒドロカルビルアミン清浄剤は公知工程技術で製造される公知材料である。1つの一般的な方法は、長鎖脂肪族炭化水素、例えばエチレン、プロピレン、ブチレン、イソブテンの重合体、または、例えばエチレンとプロピレンの共重合体、ブチレンとイソブチレンの共重合体などをハロゲン化した後に得られたハロゲン置換炭化水素をポリアミンと反応させることを伴う。望まれるならば、その生成物を適当量の酸で処理することにより、それらの生成物の少なくともいくらかをアミン塩に転化させることも可能である。このハロゲン化ルートで生成した生成物はしばしば残存ハロゲン、例えば塩素などを少量含有する。適切な脂肪族ポリアミンを製造する別の方法は、ポリオレフィン、例えばポリイソブテンなどに制御した酸化(例えば空気または過酸化物による)を行った後にその酸化したポリオレフィンをポリアミンと反応させることを伴う。そのような脂肪族ポリアミン清浄剤/分散剤の調製に適した合成の詳細に関しては、例えば米国特許第3,438,757号、3,454,555号、3,485,601号、3,565,804号、3,573,010号、3,574,576号、3,671,511号、3,746,520号、3,756,793号、3,844,958号、3,852,258号、3,864,098号、3,876,704号、3,884,647号、3,898,056号、3,950,426号、3,960,515号、4,022,589号、4,039,300号、4,128,403号、4,166,726号、4,168,242号、5,034,471号、5,086,115号、5,112,364号および5,124,484号、そしてヨーロッパ特許出願公開第384,086号などを参照のこと。前記資料各々の開示は引用することによって本明細書に組み入れられる。前記ヒドロカルビルアミン清浄剤が有する長鎖置換基1種または2種以上がアルキルもしくはアルケニル基(残存ハロゲン置換基を少量伴うか或は伴わない)の形態で有する炭素原子の数は最も好適には平均で50から350である。ポリ−アルファ−オレフィンから導かれる適切な分子量を有するホモ重合体または共重合体(例えばプロペンのホモ重合体、ブテンのホモ重合体、C3アルファ−オレフィンとC4アルファ−オレフィンの共重合体など)に由来するアルケニル置換基が適切である。このような置換基は最も好適には数平均分子量(ゲル浸透クロマトグラフィーで測定した時の)が500から2000、好適には600から1800、最も好適には700から1600の範囲のポリイソブテンから生成したポリイソブテニル基である。
【0068】
本発明の清浄剤として用いるに適したポリエーテルアミンは、同じ分子内にアミン官能性とポリエーテル官能性の両方を包含する「単一分子」添加剤である。そのポリエーテルバックボーンはプロピレンオキサイド、エチレンオキサイド、ブチレンオキサイドまたはこれらの混合物が基になったポリエーテルバックボーンであってもよい。良好な燃料可溶性を与えようとする時にはプロピレンオキサイドもしくはブチレンオキサイドまたはこれらの混合物が最も好適である。このようなポリエーテルアミンはモノアミン、ジアミンまたはトリアミンであってもよい。市販ポリエーテルアミンの例はHuntsman Chemical社から商標JeffaminesTMの下で入手可能なポリエーテルアミン、そしてChevron Chemical Companyから入手可能なポリ(オキシアルキレン)カルバメートである。このようなポリエーテルアミンの分子量は典型的には500から3000の範囲であろう。他の適切なポリエーテルアミンは米国特許第4,191,537号、4,236,020号、4,288,612号、5,089,029号、5,112,364号、5,322,529号、5,514,190号および5,522,906号に教示されている化合物である。
【0069】
本発明の燃料組成物を調合する時、本注入器付着物制御添加剤(他の添加剤を伴うか或は伴わない)を付着物(注入器の付着物を包含)を減少させるか或は除去しそして/または煤の生成を制御するに充分な量で用いる。従って、本燃料に本注入器付着物制御添加剤を少量ではあるがエンジンの付着物、特に燃料注入器の付着物の生成を予防するか或は減少させるような比率で含有させる。一般的に言って、本発明の燃料組成物に注入器付着物制御添加剤を添加剤が燃料1000バレル体積当たり約0.1−100、好適には0.3−10、より好適には0.5−5ポンド重量を与えるに充分な量で含有させる。
【0070】
本発明の燃料組成物を調合する時に用いる基礎燃料には、直接噴射ガソリンエンジンの作動で用いるに適した如何なる基礎燃料も含まれ、例えば鉛含有または無鉛モーターガソリン、およびいわゆる改質ガソリン(reformulated gasolines)[これは典型的にガソリン沸騰範囲の炭化水素と燃料に可溶な酸素化ブレンド剤(oxygenated blending agents)(「酸素化合物(oxygenates)」)、例えばアルコール、エーテルおよび他の適切な酸素含有有機化合物などの両方を含有する]などが含まれる。この燃料は好適にはガソリン沸騰範囲で沸騰する炭化水素の混合物である。この燃料を直鎖もしくは分枝鎖パラフィン、シクロパラフィン、オレフィン、芳香族炭化水素またはこれらの任意混合物で構成させてもよい。ガソリンは直留ナフサ、重合体ガソリン、天然ガソリンまたは約80から約450度Fの範囲で沸騰する接触改質原料(catalytically reformed stocks)から誘導可能である。このガソリンのオクタンレベルは重要でなく、本発明の実施では通常の如何なるガソリンも使用可能である。
【0071】
本発明で用いるに適した酸素化合物にはメタノール、エタノール、イソプロパノール、t−ブタノール、混合C1からC5アルコール、メチルt−ブチルエーテル、t−アミルメチルエーテル、エチルt−ブチルエーテルおよび混合エーテルが含まれる。酸素化合物を用いる場合、これを前記基礎燃料に通常は約30体積%未満の量、好適には燃料全体に含まれる酸素の含有量が約0.5から約5体積パーセントの範囲になるような量で存在させる。
【0072】
好適な態様では、前記清浄剤は好適には液状担体、即ち誘導助剤(induction aid)と共に用いる。このような担体はいろいろな種類の担体であってもよく、例えば液状のポリ−α−オレフィンオリゴマー類、鉱油、液状のポリ(オキシアルキレン)化合物、液状のアルコール類もしくはポリオール類、ポリアルケン類、液状のエステル類、および同様な液状担体などであってもよい。このような担体2種以上の混合物も使用可能である。
【0073】
好適な液状担体には、1)粘度指数(viscosity index)が約120未満の鉱油もしくは鉱油ブレンド物、2)1種以上のポリ−α−オレフィンオリゴマー類、3)約500から約3000の範囲の平均分子量を有する1種以上のポリ(オキシアルキレン)化合物、4)ポリアルケン類、5)ポリアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物、または6)これらの混合物が含まれる。使用可能な鉱油担体流体には、パラフィン系、ナフテン系およびアスファルト系油が含まれ、これらはいろいろな石油原油から誘導可能であり、そしてこれらは適切な如何なる様式で処理されたものであってもよい。例えば、この鉱油は溶媒抽出された油または水素化処理された油であってもよい。また、再生鉱油も使用可能である。水素化処理された油が最も好適である。好適に用いられる鉱油は40℃で約1600SUS未満の粘度、より好適には40℃で約300から1500SUSの範囲の粘度を示す。パラフィン系鉱油は、最も好適には、40℃で約475SUSから約700SUSの範囲の粘度を示す。最も良好な結果を得ようとする時には、この鉱油が約100未満、より好適には約70未満、最も好適には約30から約60の範囲の粘度指数を有するのが非常に望ましい。
【0074】
担体流体として用いるに適したポリ−α−オレフィン類(PAO)は、水素化処理および未水素化処理ポリ−α−オレフィンオリゴマー類、即ち水素化処理されたか或は水素化処理されていない生成物(主に、α−オレフィン単量体の三量体、四量体および五量体)であり、ここで、この単量体が含む炭素原子の数は6から12、一般に8から12、最も好適には約10である。これらの合成は、「Hydrocarbon Processing」、1982年2月、75頁以降、そして米国特許第3,763,244号、3,780,128号、4,172,855号、4,218,330号および4,950,822号に概略が示されている。通常の方法は、本質的に、短鎖線状アルファオレフィン(適切にはエチレンの接触処理で得られた)の接触オリゴマー化(catalytic oligomerization)を行うことを含んで成る。担体として用いるポリ−α−オレフィン類は、通常、2から20センチストークス(cSt)の範囲の粘度を示す(100℃で測定)。このポリ−α−オレフィンが100℃で示す粘度は、好適には少なくとも8cSt、最も好適には約10cStである。
【0075】
本発明で用いるにとりわけ好適な担体流体であるポリ(オキシアルキレン)化合物は、下記の式
RA−(RB−O)n−RC
[式中、RAは、典型的に、水素、アルコキシ、シクロアルコキシ、ヒドロキシ、アミノ、ヒドロカルビル(例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、アルキルアリール、アラルキルなど)、アミノ置換ヒドロカルビル、またはヒドロキシ置換ヒドロカルビル基であり、RBは、炭素原子数が2−10(好適には炭素原子数が2−4)のアルキレン基であり、RCは、典型的に、水素、アルコキシ、シクロアルコキシ、ヒドロキシ、アミノ、ヒドロカルビル(例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、アルキルアリール、アラルキルなど)、アミノ置換ヒドロカルビル、またはヒドロキシ置換ヒドロカルビル基であり、そしてnは、1から500の整数、好適には3から120の範囲の整数であり、これは、アルキレンオキシ基の繰り返し数(通常は平均数)を表す]
で示される燃料可溶化合物である。−RB−O−基を複数有する化合物の場合、RBは同一もしくは異なるアルキレン基であってもよく、そして異なる場合、ランダムにか或はブロック状態で配列していてもよい。好適なポリ(オキシアルキレン)化合物は、アルコールと1種以上のアルキレンオキサイド、好適には1種のアルキレンオキサイド、より好適にはプロピレンオキサイドまたはブチレンオキサイドの反応で生成した繰り返し単位で構成されているモノオール類である。
【0076】
担体流体として用いるポリ(オキシアルキレン)化合物の平均分子量は好適には約500から約3000、より好適には約750から約2500、最も好適には約1000以上から約2000の範囲である。
【0077】
ポリ(オキシアルキレン)化合物の1つの有用なサブグループには、ヒドロカルビル末端を有するポリ(オキシアルキレン)モノオール類、例えば米国特許第4,877,416号のコラム6の20行からコラム7の14行に書かれている1節に示されている如きモノオール類が含まれ、その1節に引用されている文献、前記1節および前記引用文献は引用することによって本明細書に完全に組み入れられる。
【0078】
ポリ(オキシアルキレン)化合物の好適なサブグループには、未希釈状態において40℃で少なくとも約70センチストークス(cSt)の粘度を示しそして100℃で少なくとも約13cStの粘度を示すガソリン可溶液体であるアルキルポリ(オキシアルキレン)モノオールの1種またはそれらの混合物が含まれる。このような化合物の中で、炭素原子数が少なくとも約8、より好適には炭素原子数が約10から約18の範囲のアルカノールの1種またはそれらの混合物にプロポキシル化により生成したモノオール類が特に好適である。
【0079】
本発明の実施で用いるポリ(オキシアルキレン)担体は、好適には、その未希釈状態において40℃で少なくとも約60cSt(より好適には40℃で少なくとも約70cSt)の粘度を示しそして100℃で少なくとも約11cSt(より好適には100℃で少なくとも約13cSt)の粘度を示す。加うるに、本発明の実施で用いるポリ(オキシアルキレン)化合物は、好適には、その未希釈状態において40℃で約400cSt以下の粘度を示しそして100℃で約50cSt以下の粘度を示す。これらが示す粘度は、より好適には、40℃で約300cSt以下でありそして100℃で約40cSt以下である。
【0080】
好適なポリ(オキシアルキレン)化合物には、また、アルコールもしくはポリアルコールをアルキレンオキサイド、例えばプロピレンオキサイドおよび/またはブチレンオキサイドなどと反応(エチレンオキサイドの使用有り無しで)させることにより生成した繰り返し単位で構成されていてこの上に示した粘度要求を満足させるポリ(オキシアルキレン)グリコール化合物およびそのモノエーテル誘導体、特に分子中のオキシアルキレン基の少なくとも80モル%が1,2−プロピレンオキサイドに由来する生成物が含まれる。このようなポリ(オキシアルキレン)化合物の調製に関する詳細に関しては、例えばKirk−Othmer著「Encyclopedia of Chemical Technology」、第3版、18巻、633−645頁(John Wiley & Sonsが著作権を1982年に取得)およびそこに引用されている文献(前記Kirk−Othmerの百科事典の抜粋およびそこに引用されている文献は引用することによって完全に本明細書に組み入れられる)などが参考になる。このような手順はまた米国特許第2,425,755号、2,425,845号、2,448,664号および2,457,139号にも記述されており、これらもまた引用することによって本明細書に完全に組み入れられる。
【0081】
このようなポリ(オキシアルキレン)化合物を用いる場合、本発明に従い、このポリ(オキシアルキレン)化合物がガソリンに溶解するようにそれに分枝オキシアルキレン単位(例えばメチルジメチレンオキシ単位および/またはエチルジメチレンオキシ単位)を充分な数で含有させる。
【0082】
本発明で用いるに適したポリ(オキシアルキレン)化合物には、米国特許第5,514,190号、5,634,951号、5,697,988号、5,725,612号、5,814,111号および5,873,917号(これらの開示は引用することによって本明細書に組み入れられる)に教示されている化合物が含まれる。
【0083】
本発明で担体流体として用いるに適したポリアルケン類にはポリプロペンおよびポリブテンが含まれる。本発明のポリアルケンが示す分子量分布(Mw/Mn)は好適には4未満である。好適な態様におけるポリアルケンが示すMWDは1.4以下である。好適なポリブテンが示す数平均分子量(Mn)はゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で測定して約500から約2000、好適には600から約1000である。本発明で用いるに適したポリアルケンが米国特許第6,048,373号に教示されている。
【0084】
本発明で担体流体として用いるに適したポリアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物には、米国特許第3,849,085号、4,231,759号、4,238,628号、5,300,701号、5,755,835号および5,873,917号(これらの開示は引用することによって本明細書に組み入れられる)に教示されている如き本技術分野で公知の化合物が含まれる。
【0085】
このような担体流体をアミン系清浄剤と組み合わせて用いる場合、清浄剤と担体流体1種または2種以上の比率(重量/重量)は典型的には1:0.1から1:3の範囲である。
【0086】
本発明の好適な燃料を調合する時に用いる添加剤は前記基礎燃料に個別またはいろいろな副次的組み合わせでブレンド可能である。しかしながら、添加剤濃縮物を用いて前記成分の全部を同時にブレンドする方が好適である、と言うのは、材料の組み合わせを添加剤濃縮物の形態にすると、相互に相溶すると言った利点が得られるからである。また、濃縮物を用いるとブレンド時間が短縮されかつブレンドに際しての誤りが起こる可能性が低下する。
【0087】
本発明の好適な態様は、直接噴射ガソリンエンジンにおける注入器付着物を制御する方法を包含し、この方法は、燃焼取り入れチャージ(combustion intake charge)が備わっている直接噴射ガソリンエンジンにa)火花点火燃料およびb)本明細書に記述する如き燃料可溶注入器付着物制御添加剤を含んで成る火花点火燃料組成物を導入することを含んで成る。
【0088】
更に、前記燃料可溶添加剤(b)はアフターマーケット添加剤として用いられる濃縮物の形態または自動車または燃料貯蔵施設において燃料に添加されるトップ処理の形態でも供給可能である。
【0089】
本発明の別の好適な態様は、この上に記述した燃料可溶添加剤(b)を含有させた燃料組成物を包含する。
【0090】
【実施例】
本発明の実施および利点を以下の実施例で示すが、本実施例は説明の目的で示すものであり、限定の目的で示すものでない。
【0091】
本発明の添加剤系が直接噴射ガソリンエンジンにおける付着物を減少させるに有効であることを示す目的で、均一直接噴射様式で作動するように改造した1982年型Nissan Z22e(2.2リットル)デュアルスパークプラグ四気筒エンジンを用い、注入器付着物の生成を加速するため0.8の燃料豊富ラムダ(fuel rich lambda)で作動させて試験を実施した。この試験に関する詳細はAradi,A.A.、Imoehl,B、Avery,N.L.、Well,P.P.およびGrosser,R.W.:「The Effect of Fuel Composition and Engine Operating Parameters on Injector Deposits in a High−Pressure Direct Injection Gasoline(DIG)Research Engine」、SAE Technical Paper 1999−01−3690(1999)に挙げられている。
【0092】
このエンジンの改造は、排気側のスパークプラグをプレプロダクション高圧コモンレイルダイレクトインジェクター(pre−production high−pressure common rail direct injector)に置き換え、OEMスパークおよび燃料系を取り除きそして高圧燃料系および万能エンジンコントローラーを取り付けることを含む。表1に、そのように改造した試験エンジンの仕様を要約する。この種類の研究作業で燃焼が均一に起こるようにするにはフラットトップピストン(flat−top piston)および通常のガソリン火花点火燃焼室デザインで充分であることを確認した。注入器への付着を促進する目的で、高先端温度(high tip temperature)に有利なように注入器をエンジンの熱い(即ち排気)側に位置させた。
【0093】
このように特別に開発された定常状態のエンジン試験を用いて注入器への付着物生成速度を評価した。注入器の先端温度をエンジン作動マップ範囲(map range)全体に亘ってマッピング(mapping)することによって、各試験点に関するエンジン作動条件を決定した。この注入器の先端部に熱電対を付けると言った変更を行った。鍵となるパラメーターは流入空気および燃料の温度、エンジンの速度およびエンジンの負荷であった。その後、流入する空気温度および燃料温度がそれぞれ35℃および32℃になるように調節した。
【0094】
【表1】
【0095】
流入空気/燃料温度およびエンジン負荷を一定にし、エンジンの速度を1500、2000、2500および3000rpmにして、先端温度を一定に保った。しかしながら、エンジンの速度を一定にすると負荷に伴って先端温度が高くなる。5種類の負荷点200、300、400、500および600mg/行程空気チャージ(stroke air charge)に関して、各負荷毎にそれぞれ120、140、157、173および184℃の先端温度上昇を観察した。
【0096】
このエンジンでは先端温度が173℃の時が注入器付着物の生成に最適な条件であることをこの上に示した研究で確かめた。表2に、本発明の添加剤の評価を実施する時に用いた鍵となる試験条件を挙げる。
【0097】
【表2】
【0098】
この試験を3期間に分割した、即ちエンジンウォームアップ、運転者補助期間および試験期間に分割した。エンジンダイナモメーターコントローラーを用いてエンジンの速度を調節しそして標準的自動空気流量計を密封型ループコントロールシステムにおけるフィードバックとして用いてエンジンのスロットルを操作することで空気チャージを調節した。エンジンの燃料供給を2つの様式で調節した。ウォームアップ中には、標準的空気質量流量方策(mass airflowstrategy)および排気ガスセンサーを用いて注入器のパルス幅を制御することで、空気/燃料混合物が化学量論的混合物になるように調節した。運転者相互作用(operator interaction)期間中には、各シリンダーの排気口に位置させたワイドレンジラムダセンサー(wide−range lambda sensors)を用いて各注入器毎にパルス幅を手動で設定した。体積流量メーターを用いて燃料の流量を測定しそして温度補正密度値(temperature−corrected density value)を用いて質量流量を計算した。
【0099】
各燃料について500mg/行程の負荷条件下で実験を行った。6時間の試験期間に亘って、速度を固定した時の全エンジン燃料流量(total engine fuel flow)、空気チャージ(吸気行程当たりの空気の質量)および各シリンダーからのラムダシグナルを測定することにより、注入器付着物の生成を追跡した。
【0100】
注入器から注入器への変動を最小限にする目的で、全ての試験で同じ組の注入器を特定のエンジン負荷で用いることに加えて各注入器を常に同じシリンダーの中に位置させた。
【0101】
試験を行う本発明の添加剤および比較添加剤の調製を下記の如く行った。
付着物制御添加剤1
蒸留装置が備わっているフラスコに3−ジメチルアミノプロピルアミンを16.2グラムおよびヘプタンを60グラム添加した。このフラスコに撹拌しながら37%のホルムアルデヒド水溶液12.8グラムをゆっくり加えた。この混合物を真空下で80℃に加熱することによりヘプタンと水を除去した。得られた生成物は無色透明であった。この生成物はIRおよびNMR分光測定で主に1,3,5−トリス[3−ジメチルアミノ)プロピル]ヘキサヒドロ−1,3,5−トリアジンであると同定し、これは構:
【0102】
【化17】
【0103】
で表される。
付着物制御添加剤2
蒸留装置が備わっているフラスコにリノレイルアミンを62.64グラム、3−ジメチルアミノプロピルアミンを49.03グラムおよびヘプタンを48グラム添加した。このフラスコに撹拌しながら37%のホルムアルデヒド水溶液65.60グラムをゆっくり加えた。この混合物を真空下で90℃に加熱することによりヘプタンと水を除去した。得られた生成物は透明で若干黄色であった。この生成物は式:
【0104】
【化18】
【0105】
で表される置換トリアジンを主に含有すると考えている。
付着物制御添加剤3
500mlの丸底フラスコにイソプロパノールを50ml入れて、これにp−クレゾール(50.3g、0.465モル)および37%のホルムアルデヒド水溶液を37.7g(0.465モル)溶解させた。この溶液に47.5g(0.465モル)のN,N−ジメチルアミノプロピルアミン(DMAPA)を50mlのイソプロパノールに入れて加えた。次に、得られた溶液を2時間還流させた。得られた溶液を冷却した後、減圧下で蒸発させて生成物を98.7g得た。生成した生成物は主に下記の式:
【0106】
【化19】
【0107】
で表されるp−クレゾール/DMAPAマンニッヒであると考えている。
付着物制御添加剤4
式:
【0108】
【化20】
【0109】
で表されるN,N−ジメチルアミノプロピルアミン(DMAPA)
付着物制御添加剤5
反応フラスコにキシレンを入れて、これにトール油脂肪酸を288.12グラム(1.006モル)およびDMAPAを103.52グラム(1.012モル)加えた。このフラスコにDean−Starkトラップを取り付けた。この混合物を加熱して還流させ(約150℃)、反応中に生成した水を前記トラップ内に集めた。この反応で水が約1.0モル生成した後、キシレン溶媒を真空蒸留で除去した。得られた生成物は粘性のある暗褐色液体である。この生成した生成物は主に下記の式:
【0110】
【化21】
【0111】
[式中、Rは、トール油脂肪酸の残基である]
で表されるアミドであると考えている。
比較付着物制御添加剤1(C.1)
蒸留装置が備わっているフラスコにAkzo Nobelから入手したArmeen(商標)CD[ココアルキル(主にC14)アミン]を21.05グラムおよびヘプタンを60グラム加えた。このフラスコに撹拌を行いながら37%のホルムアルデヒド水溶液8.36グラムをゆっくり加えた。この混合物を真空下で90℃に加熱することによりヘプタンと水を除去した。得られた生成物は無色透明であった。この生成した生成物は主に下記の式:
【0112】
【化22】
【0113】
で表されるココアルキルアミントリアジンであると考えている。
【0114】
ガソリン燃料組成物にこの上に記述したエンジン試験を受けさせ、それによって、これらの組成物が注入器付着物の生成を最小限にするに実質的に有効であるか否かを確定的に実証した。前記試験で用いた燃料は、T90(℃)が160でオレフィン含有量が1.2%で硫黄含有量が20ppmのHowell EEE燃料であった。表3に、用いた注入器付着物制御添加剤、流量損失パーセント、そして流量損失を基礎燃料と比較した時の改善度を挙げる。
【0115】
【表3】
【0116】
本発明の添加剤を含有する燃料を用いて注入器を作動させた時にそれが示した流量損失の減少量から明らかなように、本発明の燃料組成物(実験2、4、6、8および10)の方が基礎燃料よりもまた本発明の誘導体でない誘導体を加えた基礎燃料(実験14)よりも有意に低下した注入器付着物体積を示すことは明らかである。
【0117】
本発明の添加剤が汚れた注入器を浄化する能力を有することを以下の実施例で実証する。添加剤を添加していない燃料(この上に記述した如き)を用いてNissan DIGエンジンを12時間作動させた。次に、汚れた注入器が乱されないようにしながら、添加剤を添加した基礎燃料を用いて前記エンジンを12時間作動させた。この試験の汚れ(dirty−up)段階および浄化(clean−up)段階の両方とも条件を同じにした。表4に、注入器に関する浄化の結果を回復した流量パーセントで示す。
【0118】
【表4】
【0119】
本発明の添加剤は用量が非常に低くても注入器付着物を有意に減少させかつ注入器への流量を回復させることはこの上に示した表4から明らかである。
【0120】
本明細書または本明細書の請求の範囲のいずこにおいても化学名を用いて反応体および成分を言及する場合、この言及が単数であるか或は複数であるかに拘らず、それらが別の物質[化学名または化学タイプで言及する](例えば基礎燃料、溶媒など)に接触する前にそれらが存在するとして同定されると理解されるべきである。得られる混合物または溶液または反応媒体中でどんな化学変化、変換および/または反応(もしあれば)が起ころうとも問題でない、と言うのは、そのような変化、変換および/または反応は特定の反応体および/または成分を本開示に従って要求する条件下で一緒にする結果として自然に起こる事であるからである。従って、反応体および成分を所望の化学反応(例えばマンニッヒ縮合反応)を実施する時にか或は所望の組成物(例えば添加剤濃縮物または添加剤が添加されている燃料ブレンド物)を生成させる時に一緒にすべき材料として識別する。また、添加剤成分を本質的に個別および/または前以て生成させておく添加剤組み合わせおよび/または副次的組み合わせを生じさせる時に用いる成分として基礎燃料に添加またはブレンドするか或は一緒にしてもよいことも理解されるであろう。従って、本明細書に示す請求の範囲で物質、成分および/または材料を現在時制(「含んで成る」、「である」など)で言及することがあり得るかもしれないが、そのような言及は、本開示に従ってそれを他の1種以上の物質、成分および/または材料に最初にブレンドまたは混合する直ぐ前の時間にそれが存在していたように当該物質、成分または材料を指すものである。従って、このような物質、成分または材料はそのようなブレンドもしくは混合操作過程中に起こる化学反応または変換を通してそれの元々の同定を失う可能性があることは本開示および本請求の範囲の正確な理解および評価にとって全く重要でない。
【0121】
用語「燃料可溶」または「ガソリン可溶」を本明細書で用いる場合、これは、当該物質が使用の為選択した20℃の基礎燃料に当該物質がこれの意図した機能を果たし得るに必要な少なくとも最低濃度に到達するに充分なほど溶解すべきであることを意味する。この物質は好適には前記基礎燃料中でそれよりも実質的に高い溶解度を示すであろう。しかしながら、この物質は前記基礎燃料に全ての比率で溶解する必要はない。
【0122】
本明細書の全体に亘って数多くの場所で米国特許の番号を言及してきた。そのような引用した資料は全部あたかも本明細書に詳細に挙げるように明らかに本開示に完全に組み込まれる。
【0123】
本発明は本発明の実施においてかなりの変形を受け易い。従って、この上に行った説明は本発明を本明細書の上に示した特別な例示に限定することを意図するものでなくかつ限定として解釈されるべきでない。むしろ、保護することを意図する事項は本請求の範囲に挙げる如き事項および法の問題として許されるその均当物である。
【0124】
本発明の特徴および態様は以下の通りである。
1. 直接噴射ガソリンエンジンにおける注入器付着物を制御する方法であって、燃焼取り入れチャージが備わっている直接噴射ガソリンエンジンにa)火花点火燃料およびb)式(I):
【0125】
【化23】
【0126】
[式中、R1およびR2は、独立して、C1-4アルキルであり、R3は、式CmH2m(ここで、mは2から6の整数である)で表される基であり、R4およびR5は、各々独立して、(i)水素、(ii)C1-4アルキル、(iii)
【0127】
【化24】
【0128】
(ここで、R6は、水素およびC1-4アルキルから成る群から選択され、そしてR7は、水素およびC1-30アルキルから成る群から選択される)または(iv)
【0129】
【化25】
【0130】
(ここで、R8は、線状、分枝もしくは環状の飽和もしくは不飽和C7-23ヒドロカルビル基である)であるか、或は(v)R4およびR5は、それらが結合している窒素原子と一緒になってさらなるヘテロ原子が組み込まれていてもよい環状環を形成している]
で表される燃料可溶化合物を含んで成る火花点火燃料組成物を導入することを含んで成る方法。
2. 前記火花点火燃料組成物が前記燃料可溶化合物(b)をこの燃料可溶化合物(b)を注入器付着物制御量で含有する火花点火燃料を用いて直接噴射ガソリンエンジンを作動させた時の注入器付着物の体積が燃料可溶化合物(b)が入っていない以外は同じ火花点火燃料を用いて同じ様式で前記直接噴射ガソリンエンジンを作動させた時の注入器付着物の体積より小さい体積に減少させるに有効な比率で含んで成る第1項記載の方法。
3. 前記火花点火燃料がガソリンを含んで成る第1項記載の方法。
4. 前記火花点火燃料がガソリン沸騰範囲の炭化水素と燃料可溶酸素化合物のブレンド物を含んで成る第1項記載の方法。
5. 前記燃料可溶化合物(b)が式:
【0131】
【化26】
【0132】
[式中、R4およびR5の中の少なくとも一方が水素でありそしてもう一方が水素およびC1-4アルキルから成る群から選択される]
で表される脂肪族ジアミンを含んで成る第1項記載の方法。
6. 前記脂肪族ジアミンが3−ジメチルアミノプロピルアミンを含んで成る第5項記載の方法。
7. 前記燃料可溶化合物(b)が式:
【0133】
【化27】
【0134】
[式中、R4およびR5は、これらが結合している窒素原子と一緒になってさらなるヘテロ原子が組み込まれていてもよい環状環を形成している]
で表される化合物を含んで成る第1項記載の方法。
8. 前記燃料可溶化合物(b)が1,3,5−トリス[3−(ジメチルアミノ)プロピル]ヘキサヒドロ−1,3,5−トリアジンを含んで成る第7項記載の方法。
9. 前記燃料可溶化合物(b)が式:
【0135】
【化28】
【0136】
で表される化合物を含んで成る第1項記載の方法。
10. 前記燃料可溶化合物(b)が化合物(b)が燃料1000バレル体積当たり0.1−15ポンド重量を与えるに充分な量で存在する第1項記載の方法。
11. 前記燃料可溶化合物(b)が、燃料1000バレル体積当たり0.3−10ポンド重量を与えるに充分な量で存在する第10項記載の方法。
12. 前記燃料組成物が更に少なくとも1種のアミン系清浄剤も含んで成る第1項記載の方法。
13. 前記アミン系清浄剤がヒドロカルビルこはく酸系アシル化剤の窒素含有誘導体、高分子量のマンニッヒ縮合生成物、ヒドロカルビルアミンおよびポリエーテルアミンから成る群から選択される少なくとも一員を含んで成る第12項記載の方法。
14. 前記燃料組成物が更に1)約120未満の粘度指数を示す鉱油もしくは鉱油ブレンド物、2)1種以上のポリ−α−オレフィンオリゴマー、3)約500から約3000の範囲の平均分子量を有する1種以上のポリ(オキシアルキレン)化合物、4)1種以上のポリアルケン、5)1種以上のポリアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物および6)これらの混合物から成る群から選択される担体流体も含んで成る第1項記載の方法。
15. 前記担体流体が少なくとも1種のポリ(オキシアルキレン)化合物を含んで成る第14項記載の方法。
16. 前記燃料組成物が更に抗酸化剤、担体流体、金属不活性化剤、染料、マーカー、腐食抑制剤、殺生物剤、帯電防止添加剤、抗力低下剤、抗乳化剤、乳化剤、デハザーズ、着氷防止添加剤、アンチノック添加剤、アンチバルブシートリセッション添加剤、界面活性剤、滑性添加剤および燃焼向上剤から成る群から選択される少なくとも1種の添加剤も含んで成る第1項記載の方法。
17. 燃料組成物であって、a)火花点火燃料、b)式(I):
【0137】
【化29】
【0138】
[式中、R1およびR2は、独立して、C1-4アルキルであり、R3は、式CmH2m(ここで、mは2から6の整数である)で表される基であり、R4およびR5は、各々独立して、(i)水素、(ii)C1-4アルキル、(iii)
【0139】
【化30】
【0140】
(ここで、R6は、水素およびC1-4アルキルから成る群から選択され、そしてR7は、水素およびC1-30アルキルから成る群から選択される)または(iv)
【0141】
【化31】
【0142】
(ここで、R8は、線状、分枝もしくは環状の飽和もしくは不飽和C7-23ヒドロカルビル基である)であるか、或は(v)R4およびR5は、それらが結合している窒素原子と一緒になってさらなるヘテロ原子が組み込まれていてもよい環状環を形成している]
で表される燃料可溶化合物およびc)アミン系清浄剤を含んで成る燃料組成物。
18. 前記燃料可溶化合物(b)が化合物(b)を燃料1000バレル体積当たり0.1−15ポンド重量与えるに充分な量で存在している第17項記載の燃料組成物。
19. 前記燃料可溶化合物(b)が化合物(b)を燃料1000バレル体積当たり0.3−10ポンド重量与えるに充分な量で存在している第18項記載の燃料組成物。
20. 前記アミン系清浄剤がヒドロカルビルこはく酸系アシル化剤の窒素含有誘導体、高分子量のマンニッヒ縮合生成物、ヒドロカルビルアミンおよびポリエーテルアミンから成る群から選択される少なくとも一員を含んで成る第17項記載の燃料組成物。
21. 前記燃料組成物が更に1)約120未満の粘度指数を示す鉱油もしくは鉱油ブレンド物、2)1種以上のポリ−α−オレフィンオリゴマー、3)約500から約3000の範囲の平均分子量を有する1種以上のポリ(オキシアルキレン)化合物、4)1種以上のポリアルケン、5)1種以上のポリアルキル置換ヒドロキシ芳香族化合物および6)これらの混合物から成る群から選択される担体流体も含んで成る第17項記載の燃料組成物。
22. 前記担体流体が少なくとも1種のポリ(オキシアルキレン)化合物を含んで成る第21項記載の燃料組成物。
23. 前記燃料組成物が更に抗酸化剤、担体流体、金属不活性化剤、染料、マーカー、腐食抑制剤、殺生物剤、帯電防止添加剤、抗力低下剤、抗乳化剤、乳化剤、デハザーズ、着氷防止添加剤、アンチノック添加剤、アンチバルブシートリセッション添加剤、滑性添加剤、界面活性剤および燃焼向上剤から成る群から選択される少なくとも1種の添加剤も含んで成る第17項記載の燃料組成物。
24. 直接噴射ガソリンエンジンにおける付着物を制御する方法であって、b)式(I):
【0143】
【化32】
【0144】
[式中、R1およびR2は、独立して、C1-4アルキルであり、R3は、式CmH2m(ここで、mは2から6の整数である)で表される基であり、R4およびR5は、各々独立して、(i)水素、(ii)C1-4アルキル、(iii)
【0145】
【化33】
【0146】
(ここで、R6は、水素およびC1-4アルキルから成る群から選択され、そしてR7は、水素およびC1-30アルキルから成る群から選択される)または(iv)
【0147】
【化34】
【0148】
(ここで、R8は、線状、分枝もしくは環状の飽和もしくは不飽和C7-23ヒドロカルビル基である)であるか、或は(v)R4およびR5は、それらが結合している窒素原子と一緒になってさらなるヘテロ原子が組み込まれていてもよい環状環を形成している]
で表される燃料可溶化合物を含んで成る燃料可溶化合物を火花点火燃料に添加しそしてb)を含有する前記燃料を用いて直接噴射ガソリンエンジンを作動させることを含んで成る方法。
Claims (3)
- 直接噴射ガソリンエンジンにおける注入器付着物を制御する方法であって、燃焼取り入れチャージが備わっている直接噴射ガソリンエンジンにa)火花点火燃料およびb)式(I):
で表される燃料可溶化合物を含んで成る火花点火燃料組成物を導入することを含んで成る方法。 - 燃料組成物であって、a)火花点火燃料、b)式(I):
で表される燃料可溶化合物を含んで成る燃料組成物。 - 直接噴射ガソリンエンジンにおける付着物を制御する方法であって、b)式(I):
で表される燃料可溶化合物を含んで成る燃料可溶化合物を火花点火燃料に添加しそしてb)を含有する前記燃料を用いて直接噴射ガソリンエンジンを作動させることを含んで成る方法。
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