RU2195992C1 - Фильтрующий материал для жидких топлив и фильтр на его основе - Google Patents

Abstract

Материал фильтра содержит по меньшей мере один пористый слой компонента на основе титана и по меньшей мере один слой компонента на основе меди, имеющего по сравнению с титаном больший нормальный электродный потенциал. Для придания фильтрам способности активизировать подаваемое на сжигание топливо всем компонентам материала и соответственно частям активной зоны фильтра придана электронная проводимость, а их слои пространственно обособлены и лишь частью поверхности введены в гальванический контакт, при этом слой компонента на основе меди также выполнен пористым и имеет средний размер пор и суммарную пористость больше среднего размера пор и общей пористости в слое компонента на основе титана. В корпусе фильтра слой компонента на основе меди расположен первым. Изобретение позволяет снизить токсичность выхлопа автомобиля. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится:
к качественному и количественному составу и физическим характеристикам пористых композиционных фильтрующих материалов (далее - ФМ) на основе титана и меди (с добавками, при необходимости, цинка, свинца, никеля и некоторых других металлов) и/или таких соединений и сплавов этих металлов, которые обладают электронной проводимостью, и
к конструкции топливных фильтров с такими ФМ.

Эти материалы и фильтры предназначены для физико-химической активации и попутной очистки от механических примесей жидких преимущественно углеводородных по химическому составу топлив непосредственно в трактах питания карбюраторных, дизельных и иных двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) или теплоэнергетических установок типа паровых или водогрейных котлов, промышленных печей и т.п.

Уровень техники
Указанные тепловые машины и теплоэнергетические установки служат источниками не только энергии, но и токсичных выбросов, из которых наиболее опасны СО, СН, NO_x, сажа и соединения тяжелых металлов. Поэтому к ФМ и фильтрам наряду с очевидным и ныне легко выполнимым требованием эффективного отделения тонкодисперсных механических примесей от жидких топлив предъявляют и дополнительные требования. К важнейшим из них относится пригодность ФМ и фильтров для физико-химической активации топлива с целью:
снижения концентрации токсичных компонентов в выбрасываемых в атмосферу отработавших газообразных продуктах сгорания,
повышения кпд ДВС и иных теплоэнергетических установок с соответствующим снижением удельного расхода топлива и
снижения удельных затрат жидкого топлива в расчете на условную единицу (например, 100 км) пробега транспортного средства или на единицу теплопроизводительности.

Общеизвестны попытки решения этих задач разнообразными по технической сущности и эффективности средствами.

Так, для снижения выбросов тяжелых металлов (особенно свинца) применяют дорогие высокооктановые бензины, ибо такая антидетонационная присадка, как тетраэтилсвинец (ТЭС), в ряде стран запрещена.

Для снижения токсичности выхлопа по СО, СН, саже и в меньшей степени по NО_х в выхлопных трактах ДВС устанавливают дорогие и громоздкие конверторы-дожигатели СО, СН и сажи до СО₂ и Н₂О с использованием обычно платины и/или палладия как катализаторов. Эти конверторы заметно повышают сопротивление выхлопного тракта со снижением выходной мощности ДВС и увеличением удельного расхода топлива.

Поэтому естественны попытки улучшения состава отработавших газов не перед выхлопом, а еще в процессах горения топлив.

Для этого обычно используют диспергируемые в топливных смесях присадки, способные рассредоточенно катализировать горение с выравниванием температурного поля в объеме камер сгорания с уменьшением образования NО_х, СО, СН и сажи.

Однако попытки решить проблемы повышения эффективности горения и снижения токсичности таким путем нередко способны привести к нежелательным результатам.

Например, из Международной публикации WO 96/40844 (PCT/US 96/09653) известны присадки, которые могут содержать:
по меньшей мере одно выбранное из обширной группы органическое или неорганическое соединение или смесь соединений со скрытой теплотой парообразования не менее 21 кДж/моль и скоростью ламинарного Бунзеновского пламени не менее 40 см/с; и
несвинцовый металл или элемент (включая его органические или неорганические соединения), который выбран из группы, состоящей из щелочных и щелочноземельных металлов, алюминия, бора, брома, висмута, хрома, кобальта, меди, галлия, германия, йода, железа, индия, молибдена, никеля, ниобия, фосфора, палладия, олова, цинка, рения, кремния, ванадия, скандия, иттрия, лантаноидов и актиноидов, титана, циркония, гафния, тантала, вольфрама, рутения, осмия, родия, иридия, гадолиния, платины, серебра, золота, кадмия, ртути, туллия, мышьяка, сурьмы, селена, теллура, полония, или их смесей.

Даже беглого взгляда на этот список достаточно, чтобы усомниться в возможности снижения токсичности выхлопа присадкой радиоактивных актиноидов или высокотоксичных кадмия и мышьяка, в сравнении с которыми ТЭС выглядит экологически невинным. Присадки же в виде невозвратно расходуемых платины, золота, редких лантаноидов и даже палладия или иридия вряд ли окажутся доступными для широкого применения из-за цены.

Поэтому реальный список изготовляемых с использованием металлов экологически приемлемых регуляторов горения жидких топлив в камерах сгорания ДВС и в топках иных теплоэнергетических установок обычно ограничен латуне- или бронзообразующими элементами: медью, цинком, оловом - и некоторыми другими, например марганцем (патент RU 1838656). Кстати, эти вполне доступные не экзотичные и минимально токсичные металлы упомянуты и в цитированной Международной публикации.

Следовательно, реальная проблема регулирования горения жидких топлив для снижения токсичности отработавших газов и попутной компенсации износа ДВС с целью снижения удельного расхода топлива состоит не в том, какие присадки по соображениям доступности и экологической безопасности следует вводить в поток подаваемого на сжигание жидкого топлива, а в том, чтобы создать как наиболее эффективные средства их введения.

На роль таких средств были предложены топливные фильтры-реакторы, предусматривающие подачу жидкого топлива на сжигание через камеры термокаталитической (патенты RU 1799429, 1801175 и 1801176) или магнитной (патент RU 2028491) обработки, заполненные цельными, т. е. с малой удельной поверхностью, гранулами меди, олова и др. металлов, которые служат донорами ионов-регуляторов горения.

Хотя нагрев в присутствии катализаторов или воздействие магнитным полем с определенной напряженностью и могут вызвать ионизацию и незначительное растворение многих металлов в топливе при взаимодействии с присутствующими в нем следовыми количествами воды и кислот, сложные и громоздкие фильтры-реакторы энергетически невыгодны и практически неудобны (особенно на автомобилях).

Также сомнительно, чтобы за короткое время пребывания в карбюраторе с бронзированными стенками смесительной камеры (патент США 4715326) удалось ввести в бензин достаточное количество ионов меди, олова и других ингредиентов избранной бронзы, не говоря уже об их введении таким путем в керосин, дизельное топливо или мазут, смешиваемые с воздухом без карбюраторов.

Поэтому предпочтительны такие ФМ и фильтры на их основе, которые обеспечивают активацию жидкого топлива не требующими внешнего энергообеспечения и регулирования средствами и по желанию позволяют вводить ионы металлов-регуляторов горения в поток топлива, взаимодействующего с развитой поверхностью фильтра.

Примеры таких наиболее близких к предлагаемым по технической сущности ФМ и фильтров известны из а.с. СССР 1586747.

ФМ для жидких топлив содержит пористый слой компонента с электронной проводимостью на основе титана, в частности в виде спеченной пластины или стакана, с размером сквозных пор 100-200 мкм, и компонент с ионной проводимостью на основе металла, имеющего по сравнению с титаном больший нормальный электродный потенциал. Этим металлом служит медь в виде микропленок ее подходящей соли, которые сформированы пропиткой спеченного титанового блока раствором такой соли и сушкой пропитанной заготовки до постоянной массы.

Соответственно фильтр для жидких топлив имеет корпус с входным и выходным отверстиями и расположенную внутри него сменную активную часть (насадку), изготовленную из описанного слоистого ФМ.

Как показала практика применения таких ФМ и фильтров, жидкое топливо вымывает соль меди из пор и уносит ее в цилиндры ДВС или камеры сгорания (топки) иных теплоэнергетических установок. Диспергированные в топливе ионы Cu⁺⁺ катализируют горение и способствуют некоторому выравниванию температурного поля в цилиндрах или камерах сгорания со слабо выраженным эффектом снижения содержания примесей СО и NО_х в отработавших газах и появлением на поверхностях гильз цилиндров незначительных отложений меди, которые были заметны лишь тогда, когда использованные фильтры заменяли свежими до полного смыва соли меди и когда такие фильтры применяли достаточно долго (обычно более 2-3 месяцев).

Однако ресурс описанных ФМ и фильтров по грязеемкости оказался существенно выше ресурса по "ионоотдаче", которая при использовании заметно обводненного топлива могла произойти за несколько часов. Далее, экранирование и "сглаживание" солью меди поверхности пор в слое титана, обладающего чрезвычайно высокой способностью к образованию гидридов, практически исключает механохимическое воздействие на молекулы жидкого топлива при его прокачке через фильтр под повышенным давлением и их возможную при иных условиях активацию перед смешиванием с окислителем (воздухом) и сжиганием. И, наконец, состав известного ФМ и конструкция фильтра на его основе не предусматривают компенсацию износа деталей цилиндро-поршневой группы (далее - ЦПГ) карбюраторных и дизельных ДВС, ибо даже при постоянном использовании описанных ФМ и фильтров толщина отложений меди оказывалась недостаточной.

Сущность изобретения
В связи с изложенным в основу изобретения положена задача:
во-первых, изменением состава и структуры создать такой фильтрующий материал для жидких (в особенности, моторных) топлив, который простейшим способом одновременно обеспечивал бы их активацию для улучшения горения с понижением токсичности выхлопа и способствовал бы уменьшению износа деталей ЦПГ или камер сгорания в ДВС, и,
во-вторых, усовершенствованием взаиморасположения деталей, по меньшей мере часть которых состоит из указанного фильтрующего материала, создать такой фильтр, который был бы пригоден для активирующей обработки жидких топлив в широком диапазоне их химических составов и вязкости.

Поставленная задача в первой части решена тем, что в ФМ для жидких топлив, содержащем по меньшей мере один пористый слой компонента на основе титана и по меньшей мере один слой компонента на основе меди, имеющего по сравнению с титаном больший нормальный электродный потенциал, согласно изобретению все компоненты обладают электронной проводимостью, а их слои пространственно обособлены и лишь частью поверхности введены в гальванический контакт между собой, при этом слой компонента на основе меди также выполнен пористым и имеет средний размер пор и общую пористость больше, чем в слое компонента на основе титана.

Обособление слоев компонентов с сохранением между ними гальванического контакта и использование неокисленного в начальный момент материала на основе меди в виде пористого тела наряду с очевидным эффектом увеличения грязеемкости позволило получить неочевидный эффект электрохимической коррозии меди в обводненных вследствие обычной конденсации влаги жидких топливах на уровне, достаточном для "текущего ремонта" деталей ЦПГ ДВС (особенно - гильз цилиндров) вследствие отложения на них микропленок восстановленных при сгорании топлива атомов меди и/или других металлов. При этом неожиданно было обнаружено, что использование этилированных бензинов способствует формированию микропленки свинцовистой латуни с практически полным прекращением выброса свинца с отработавшими газами, и что при сжигании обычных жидких топлив для ДВС и теплоэнергетических установок наблюдается заметное снижение токсичности выхлопа.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что как компонент на основе титана использован материал с порами размером 80-200 мкм при общей пористости 35-60%, выбранный из группы, состоящей из титана, карбида титана, нитрида титана и карбонитрида титана, а как компонент на основе меди - материал с порами размером 100-300 мкм при общей пористости 50-80%, выбранный из группы, состоящей из меди, латуни и бронзы.

При использовании компонентов с указанными отличиями отмеченный выше неочевидный эффект усиливается и допускает оптимизацию в некоторых аспектах. Например, для сжигания неэтилированных бензинов и особенно дизельных топлив как компонент на основе меди предпочтительна свинцовистая латунь, отложения которой снижают трение между поршневыми кольцами и гильзами цилиндров в ДВС с высокой степенью сжатия. Использование же металлоподобных по электрофизическим свойствам нитрида, карбида и карбонитрида титана позволяет снизить расход титана на изготовление фильтров.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что для усиления электрохимической коррозии меди в состав фильтрующего материала введен третий пористый слой, состоящий из цинка и имеющий поры размером 100-300 мкм при общей пористости 50-80%.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что указанный третий слой цинка расположен в гальванической цепи между слоями на основе титана и меди.

Поставленная задача решена также тем, что в фильтре для жидких топлив, имеющем корпус с отверстиями для ввода и вывода фильтруемого топлива и активную зону в виде насадки из слоистого фильтрующего материала, включающую по меньшей мере один пористый слой компонента на основе титана и по меньшей мере один слой компонента на основе меди, имеющего по сравнению с титаном больший нормальный электродный потенциал, согласно изобретению все компоненты насадки обладают электронной проводимостью, их слои пространственно обособлены и лишь частью поверхности введены в гальванический контакт между собой, при этом слой компонента на основе меди расположен первым по ходу топлива сквозь фильтр, также выполнен пористым и имеет средний размер пор и общую пористость больше, чем в слое компонента на основе титана.

Такой фильтр общедоступен по качеству и по цене, пригоден не только для очистки от механических примесей, но и для физико-химической активации жидкого топлива с целью повышения полноты сгорания и снижения токсичности выхлопа, удобен для монтажа и прост в обслуживании (включая замену) и способен отдавать в топливо компоненты, которые компенсируют износ ЦПГ и тем самым повышают моторесурс ДВС и снижают токсичность продуктов сгорания и удельные затраты жидкого топлива.

При этом расположение более пористого слоя на основе меди на входе в корпус фильтра позволяет собирать именно на этот частично расходуемый (и допускающий отдельную замену) слой основную массу дисперсных механических примесей к жидкому топливу и тем самым продлевать срок эксплуатации слоя на основе титана.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что слой компонента на основе титана заземлен или гальванически подключен на массу объекта, оборудованного ДВС. При этом необходимая для электрохимической коррозии слоя на основе меди разность потенциалов поддерживается постоянно, что создает предпосылки для накопления в топливе, которое остается в фильтре при неработающем ДВС, ионов меди и сопутствующих ей металлов.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что слой компонента на основе титана имеет вид осесимметричного стакана, а слой компонента на основе меди имеет вид (обычно плоской) шайбы, плотно вставленной в этот стакан и гальванически контактирующей с ним по периметру. Это облегчает соединение и разделение частей соответственно при сборке или частичной замене. Специалистам ясно, что для упрощения изготовления стакан можно выполнять или в виде тела вращения, в особенности с цилиндрической или конической боковой стенкой, или в виде призмы или усеченной пирамиды с одинаковыми гранями.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что перед слоем компонента на основе меди со стороны входного отверстия в корпусе расположен фильтр очистки топлива от грубых механических примесей в виде пористого слоя нержавеющей стали с размером пор 150-300 мкм и общей пористостью не менее 50%. Такую деталь легко очищать от осадка обратной прокачкой или продувкой, что позволяет продлить срок эксплуатации фильтра в целом.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что между пористыми слоями компонентов на основе титана и меди расположен пористый слой из цинка с порами размером 100-300 мкм при общей пористости 50-80%.

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что между слоем на основе титана и по меньшей мере одним другим слоем дополнительно размещен источник латунеобразующих металлов в виде насыпного слоя таблеток, которые состоят из смеси по меньшей мере одного соединения меди с ионной связью и по меньшей мере одного соединения цинка с ионной связью, взятым из расчета 0,03-0,70 моля цинка на один моль меди, и по меньшей мере одного органического вещества, которое обеспечивает растворение указанных солей металлов в углеводородах топлива.

Такая расходуемая и легко заменяемая при срабатывании деталь фильтра способна растворяться в обычно присутствующей в углеводородных (и тем более - спиртовых) топливах незначительной примеси воды. Это позволяет вводить в каждый очередной заряд свежей топливной смеси существенно большее, чем при электрохимической коррозии компонента на основе меди, количество ионов латунеобразующих химических элементов (при обычном расходе солей 0,5-2,0 г/т топлива). Далее в каждом рабочем цикле ДВС внутри цилиндров вследствие восстановления ионов металлов при взаимодействии с жидким топливом возникает смесь нейтральных атомов меди и цинка. Совместно откладываясь на охлаждаемых гильзах цилиндров практически на всей поверхности их контакта с поршнями, эта смесь весьма быстро формирует (и далее "автоматически" поддерживает по толщине) компенсирующую износ микропленку латуни.

Особо следует отметить, что при использовании этилированного бензина подавляющая часть свинца входит в состав образующейся латуни, повышая ее антифрикционные свойства. Такой эффективно саморегулирующийся "текущий ремонт" гильз цилиндров непосредственно во время работы ДВС благоприятно сказывается на степени сжатия с соответствующим ростом удельной мощности и снижением удельного расхода топлива, которые тем более заметны, чем дольше используют предложенную "деталь".

Поскольку соли попадают в топливо непосредственно перед смешиванием с воздухом (и, если предусмотрено, с добавкой газового топлива), они равномерно диспергируются во всем объеме свежих зарядов топливной смеси. Поэтому ионы указанных металлов перед восстановлением и осаждением в виде атомов успевают оказать каталитическое действие при горении. Тем самым в камерах сгорания еще более, чем при одной лишь активирующей фильтрации, выравнивается температурное поле, что дополнительно подавляет образование NО_х при пиковых температурах и облегчает сгорание углерода топлива до нетоксичного СO₂ со снижением токсичности выхлопа в целом.

Здесь и далее термин "моль" означает применительно к латунеобразующим металлам количество соответствующего металла в килограммах, численно равное его атомной массе, а применительно к ингредиентам типа оксихинолина и т.п. - количество соответствующего вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе. При этом все мольные соотношения заданы для чистых металлов без учета анионной, катионной или оксидной формы, в которой они присутствуют в фильтре согласно изобретению, и без учета гидратной воды, если она присутствует в соединениях металлов.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что указанное органическое вещество выбрано из группы, которая состоит из оксихинолина, купферона, неокупферона и произвольного комплексона из множества аминополикарбоновых кислот, которые привлекательны как по эффективности, так и по доступности на рынке.

Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что таблетки дополнительно содержат по меньшей мере одно соединение олова с ионной или ковалентной связью, при этом на один моль меди приходится 0,16-0,40 моля олова. Соли олова, как и соли меди и цинка, растворимы в воде, а оксид олова в присутствии воды и следов кислот в топливе также легко переходит в растворимую форму и дополнительно регулирует состав и свойства латуни, оседающей на изнашиваемых деталях ЦПГ ДВС.

Восьмое дополнительное отличие состоит в том, что указанные таблетки дополнительно содержат по меньшей мере одно соединение с ионной связью, включающее металл, выбранный из группы, состоящей из свинца, молибдена, вольфрама, ванадия, никеля, серебра и циркония, при этом на моль меди приходится 0,008-0,010 моля свинца, и/или 0,010-0,32 моля молибдена, и/или 0,010-0,22 моля вольфрама, и/или 0,020-0,50 моля ванадия, и/или 0,004-0,40 моля никеля, и/или 0,004-0,115 моля серебра, и/или 0,005-0,40 моля циркония. Эти добавки позволяют еще точнее подбирать необходимый для конкретных условий состав осаждающейся латуни и, что особенно важно, обеспечивать селективный катализ в процессах горения разных по химическому составу и назначению топлив.

Естественно, что при выборе конкретных форм осуществления изобретательского замысла возможны произвольные комбинации указанных дополнительных отличий с основными решениями поставленной задачи и что описанные ниже предпочтительные примеры ФМ и фильтров никоим образом не ограничивают объем изобретения.

Краткое описание чертежа
На приложенном чертеже в продольном разрезе схематично (при условно удаленном корпусе) изображены структура слоистого ФМ материала и общий вид активной зоны фильтра для жидких топлив согласно изобретению.

Раскрытие изобретения
Далее сущность изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж поясняется рекомендациями по выбору исходных материалов, описанием способа изготовления и конкретными примерами ФМ, рекомендациями по их применению и результатами испытаний.

На чертеже показаны следующие обладающие электронной проводимостью компоненты ФМ, пригодные как детали фильтров для очистки и активации жидких топлив:
твердый пористый слой 1 компонента на основе титана,
твердый пористый слой 2 компонента на основе меди,
твердый пористый слой 3 цинка (по желанию),
твердый пористый слой 4 нержавеющей стали (по желанию) и
насыпной слой 5 гранул композиционной присадки к жидким топливам (по желанию).

Кроме того, (только как деталь фильтров) показан заземляющий электрод 6, подключенный к слою 1.

При этом слои 1 и 2 служат обязательными компонентами, а слой 3 - факультативным компонентом ФМ согласно изобретению. С учетом же геометрических форм и взаиморасположения относительно направления потока фильтруемого топлива все слои 1-5 могут служить деталями активной зоны фильтров согласно изобретению.

Как компонент ФМ слой 1 состоит, как было указано, либо из чистого титана (например: в виде спеченного в вакууме или инертном газе титанового порошка с подходящей дисперсностью, или в виде уплотненного "войлока" из рубленой титановой проволоки подходящего диаметра), либо из обладающих электронной проводимостью нитрида, карбида или карбонитрида титана. Этот слой имеет поры со средними размерами предпочтительно 80-200 мкм при общей пористости 35-60%.

Как компонент ФМ слой 2 обычно состоит либо из меди, либо из подходящей, в частности свинцовистой, латуни, либо из подходящей бронзы и должен иметь поры со средними размерами 100-300 мкм и общую пористость 50-80%, что больше, чем в слое 1.

Слой 2 служит не только средством механической фильтрации, но и донором ионов, поскольку он имеет существенно больший нормальный электродный потенциал, чем слой 1 на основе титана. Поэтому обычные в жидких топливах примеси воды и следовые количества кислот способствуют частичной электрохимической коррозии слоя 2. Чистую медь как материал слоя 2 предпочтительно применять при фильтрации этилированных бензинов, поскольку при их сгорании в ДВС создаются условия для получения и отложения на деталях ЦПГ свинцовистого латунеподобного материала. Латунь же и бронза как материалы для изготовления слоя 2 предпочтительны при фильтрации неэтилированных бензинов, дизельных и авиационных топлив.

Как компонент ФМ слой 3 состоит из пористого цинка со средними размерами пор 100-300 мкм и общей пористостью 50-80%. Цинк легко корродируется на фоне титана и в присутствии меди и потому при сжигании произвольных топливных смесей способен ускорять формирование микропленок латуни на деталях ЦПГ ДВС.

В любом сочетании слоев ФМ (1 и 2, или 1, 2 и 3) при условии их гальванического контакта по части поверхности при сжигании профильтрованных топлив наряду с некоторой компенсацией износа деталей ЦПГ или камер сгорания произвольных ДВС достигается и заметное снижение токсичности выхлопа.

В конструкции фильтра слой 1 имеет, в частности, вид цилиндрического стакана, хотя не исключены иные предпочтительно осесимметричные формы, например коническая, пирамидальная, призматическая и пр. Возможно также использование слоя 1 в виде шайбы, механически закрепленной в непоказанном корпусе фильтра (но частью поверхности введенной в гальванический контакт по меньшей мере со слоем 2 или слоями 2 и 3).

В конструкции фильтра слои 2, 3 и 4 имеют, в частности, вид шайб постоянной толщины, которые (каждая по своему периметру, то есть частью поверхности) введены в гальванический контакт с боковой стенкой цилиндрического стакана (слоя 1). Понятно, что не исключено придание слоям 2, 3 и 4 иных конструктивных форм, например: шайб переменной толщины, подобных по форме двояковыпуклым, двояковогнутым, плосковыпуклым или плосковогнутым линзам; выпуклых или вогнутых тел с постоянной толщиной; тел в виде ступенчатых предпочтительно осесимметричных вкладышей и т.д. Выбор таких форм ограничен лишь требованиями удобства монтажа и замены указанных слоев. Кроме того, между некоторыми или всеми последовательно расположенными в аксиальном направлении слоями 2, 3 и 4 возможны зазоры, служащие накопителями отфильтрованных из жидких топлив механических примесей.

Слой 4 как относительно самостоятельная деталь-фильтр грубой очистки с размером пор 150-300 мкм и общей пористостью не менее 50% предпочтительно изготовлять в виде уплотненного "войлока" из подходящей по диаметру, в частности рубленой, проволоки и располагать в корпусе фильтра первым по потоку фильтруемого топлива.

Насыпной слой 5 как расходуемую деталь фильтра предпочтительно располагать в зазоре между придонной частью пористого стакана, в виде которого в фильтре присутствует слой 1 на основе титана, и пористым слоем 2 на основе меди, либо между слоями 1 и 3, если в составе фильтра имеется цинк. Однако при фильтрации жидких топлив с минимальным количеством механических примесей слой 5 можно располагать и между слоями 4 и 2.

Наряду с указанными активными частями в фильтре могут быть использованы и другие, не показанные на чертеже инертные части, например вставки в виде одного или нескольких слоев полиамидной или базальтовой ткани для фиксации таблеток в слое 5.

Для экспериментальной проверки осуществимости и эффективности изобретения были изготовлены и испытаны разнообразные по составу ФМ и разные по конструкции фильтры. Однако ниже приведены данные лишь о наиболее простых из них, поскольку даже в этих случаях осуществления изобретательского замысла удалось наглядно подтвердить достижимость вышеуказанных эффектов "текущего ремонта" деталей ЦПГ ДВС со снижением удельного расхода топлива и токсичности выхлопа. При этом:
фильтры, далее обозначенные как Ф1, Ф2 и Ф3, были изготовлены из материалов, перечень слоев и состав которых в порядке расположения по потоку фильтруемого топлива (с указанием размеров пор и общей пористости), даны в таблице 1, и солевые гранулы для слоя 5 были изготовлены из активных ингредиентов, взятых в соотношениях, соответствующих некоторым из значений из таблицы 2, и в конкретных мольных количествах, которые указаны далее в конкретных примерах.

Для изготовления пористых слоев титана, латуни, меди и цинка использовали хорошо известные специалистам по порошковой металлургии технологические процессы спекания соответствующих порошков в подходящей защитной атмосфере. Слой титана был изготовлен в виде цилиндрического стакана диаметром 70 и высотой 60 мм с толщиной стенки 6,0 мм, а слои латуни, меди и цинка имели вид плоских шайб диаметром 58 и толщиной 10 мм, вставляемых с легким натягом в полость стаканов из пористого титана с зазорами между слоями 5-6 мм и зазором между последним слоем и донышком стакана до 20 мм. Этот последний зазор служил для размещения солевых таблеток диаметром примерно 10 и толщиной около 5 мм и фиксирующего их инертного материала в виде полиамидного волокна.

Для изготовления таблеток расходуемого материала слоя 5 использовали формиаты, ацетаты, оксалаты и тартраты меди, цинка, олова и свинца. Могут быть взяты и иные соли этих металлов с неорганическими (например: нитрат- или хлорид-) и органическими (например: пропионат-, бутират- и т.д.) анионами. Молибден, вольфрам и ванадий предпочтительно вводить в виде анионов MoO₄ ^-, WO₄ ^- и VO₃ ^-, входящих в состав общеизвестных солей натрия, калия или аммония, что, естественно, не ограничивает возможный выбор. Никель и серебро могут быть введены предпочтительно в виде нитратов, а никель как таковой - также в виде сульфатов или водорастворимых солей низших моно- или дикарбоновых кислот. Цирконий предпочтительно вводить в присадки в виде гидрата его оксихлорида. И, наконец, 8-оксихинолин, купферон (аммонийная соль N-нитрозофенилгидроксиламина), неокупферон (аммонийная соль N-нитрозонафтилгидроксиламина) и произвольный комплексон из множества аминополикарбоновых кислот могут быть введены порознь или совместно в количестве, которое достаточно для образования растворимых в углеводородах комплексных соединений с соответствующими ионами латунеобразующих металлов.

Естественно, что наряду с указанными ингредиентами могут быть использованы и другие широко доступные соединения, которые в фильтрах согласно изобретению способны выполнить функции некоторых из указанных ингредиентов.

Так, в качестве "внутреннего" источника влаги, взаимодействующей с солями латунеобразующих металлов и облегчающей их диспергирование в осушенных топливах, взамен гидрата оксихлорида циркония или наряду с ним могут быть использованы сегнетова соль, (тетрагидрат тартрата натрия-калия), или алюмокалиевые, аммонийванадиевые или иные квасцы с 12-24 молекулами гидратной воды.

И, наконец, наряду с указанными активными веществами-источниками латунеобразующих металлов и, при необходимости, вспомогательными веществами, способствующими диспергированию активных веществ в жидком топливе, для формования устойчивых при хранении таблеток или гранул из активных (и вспомогательных) веществ могут быть использованы растворимые в воде и/или в жидких углеводородах горючие связующие, например: метил- или карбоксиметилцеллюлоза, поливиниловый спирт и т.п.

Материал слоя 5 изготовляли следующим способом:
а) в пределах указанных в таблице 2 примерных соотношений ингредиентов выбирали конкретную рецептуру основы композиционного источника латунеобразующих металлов в виде списка потребных ионов, учитывая, в частности, следующие факторы и рекомендации:
- наличие антидетонаторов в жидком углеводородном топливе (например, в присадки к этилированным бензинам нежелательно вводить свинец, присутствие которого целесообразно в присадках к неэтилированным бензинам и особенно к дизельным топливам),
- износ ДВС перед началом использования фильтра (чем он выше, что можно оценить по данным измерения компрессии или мощности в сравнении с их заданными для данного ДВС величинами, тем желательнее применять многокомпонентные присадки, а для новых ДВС достаточно простейшего сочетания ионных соединений меди и цинка и, возможно, соединений олова),
- обводненность топлива (с соответствующим применением по меньшей мере одного комплексообразователя и/или "внутреннего" источника гидратной воды для присадок в безводные топлива) и
- температуру вспышки t_всп и температуры выкипания t₁₀, t₅₀ и t₁₀₀ соответственно 10, 50 и 100% топлива (обычно с использованием тем большего количества металлосодержащих ингредиентов и тем более высокой их концентрации в слое 5, чем плотнее топливо в ряду "бензин - керосин - дизельное топливо - мазут" и чем выше указанные температуры);
б) из числа доступных на рынке выбирали конкретные соединения, содержащие выбранные на стадии (а) ионы и с учетом выбранных мольных соотношений расчетами по обычной для химиков методике определяли требуемое количество выбранных соединений (включая, при необходимости, комплексообразователь или гидратированное соединение);
в) дозировали требуемые количества определенных на стадиях (а, б) соединений;
г) измельчали дозы выбранных соединений и тщательно их перемешивали и
д) формовали из полученной смеси (с использованием при необходимости связующих) таблетки или гранулы.

После сборки активной зоны фильтров в виде описанных наборов слоев фильтрующих материалов в пористом стакане (слое 1) компонента на основе титана заполненные стаканы фиксировали во внешних корпусах, имевших средства для включения в магистрали питания ДВС, включали в такие магистрали и испытывали.

Пример 1а. Активная зона фильтров имела состав Ф1 по таблице 1. При этом латунь слоя 2 содержала медь и цинк в мольном соотношении [Cu]:[Zn]=1:0,4. Фильтры использовали для очистки от механических примесей и активации естественно обводненного этилированного бензина с октановым числом 76 в тракте питания 4-цилиндровых карбюраторных двигателей 6 малолитражных легковых автомобилей с начальным пробегом 5000-6000 км.

После пробега 600 км компрессия по цилиндрам ДВС всех автомобилей выравнялась и возросла в среднем на 3,0% в сравнении с исходной, расход топлива на 100 км пробега в городском режиме снизился на 3%, выброс свинца с выхлопными газами практически прекратился, а содержание СО, СН и NO_х в них в сравнении с исходным снизилось соответственно на 20, 45 и 16%.

Пример 1б. На тех же автомобилях продолжили испытания с включением в активную зону фильтров Ф1 таблеток из смеси ацетата меди, диоксида олова, молибдата, вольфрамата и ванадата аммония, нитрата никеля, гидратированного оксихлорида циркония и трилона Б в мольном соотношении
[Cu]:[Sn]:[Mo]:[W]:[V]:[Ni]:[Zr]:[трилон Б]= 1/0,25/0,15/0,15/0,25/0,20/0,25/0,03.

Уже через 150 км дополнительного пробега компрессия по цилиндрам ДВС всех автомобилей дополнительно возросла в среднем на 4,0% и в сравнении с исходными снизились на 6% расход топлива на 100 км пробега в городском режиме и на 95, 70 и 35% содержание соответственно СО, СН и NO_х. Выброс свинца с выхлопными газами не выявлен.

Пример 2а. Активная зона фильтров имела состав Ф2 по таблице 1. Фильтры использовали для очистки от механических примесей и активации естественно обводненного неэтилированного бензина с октановым числом 95 в тракте питания карбюраторных двигателей четырех легковых автомобилей-такси типа "ВОЛГА" с начальным пробегом около 25000 км.

После пробега 400 км компрессия по цилиндрам ДВС всех автомобилей выравнялась и возросла в среднем на 3,5% в сравнении с исходной, расход топлива на 100 км пробега в городском режиме снизился на 4%, а содержание СО, СН и NO_х в них в сравнении с исходным снизилось соответственно на 26, 48 и 17%.

Пример 2б. На тех же автомобилях продолжили испытания с включением в активную зону фильтров Ф2 таблеток из смеси медного купороса CuSO₄•5H₂O, ацетатов цинка и свинца, молибдата, вольфрамата и ванадата аммония, нитратов никеля и серебра и гидратированного оксихлорида циркония с добавкой купферона при мольном соотношении
[Cu]:[Zn]:[Рb]:[Мо]:[W]:[V]:[Ni]:[Ag]:[Zr]:[купферон]= 1,0/0,70/0,100/0,32/0,22/0,50/0,40/0,115/0,40/0,70
После дополнительного пробега 200 км компрессия по цилиндрам ДВС всех автомобилей дополнительно возросла в среднем на 2,50% и в сравнении с исходными снизились на 6,5% расход топлива на 100 км пробега в городском режиме и соответственно на 92, 72 и 32% содержание СО, СН и NO_х.

Пример 3а. Активная зона фильтров имела состав Ф3 по таблице 1. Фильтры использовали для очистки от механических примесей и активации обычного, то есть естественно обводненного зимнего дизельного топлива в тракте питания 8-цилиндровых дизельных двигателей двух грузовых автомобилей грузоподъемностью до 8 т с начальным пробегом около 35000 км. Перед испытаниями сажа в выхлопе наблюдалась невооруженным глазом при трогании с места, движении на подъем и работе с максимальной нагрузкой, а содержание СО, СН и NO_х в выхлопных газах в среднем на 15% превышало допустимые нормы. После пробега с присадкой около 900 км компрессия по цилиндрам обоих дизелей практически выравнялась и возросла в среднем на 8,5% в сравнении с исходной, расход топлива на 100 км пробега в городском режиме снизился на 6%, сажа в выхлопе была едва заметна лишь при движении на подъем с максимальной нагрузкой, а содержание СО, СН и NO_х в выхлопных газах в сравнении с исходным снизилось соответственно на 45, 32 и 15%.

Пример 3б. На тех же автомобилях, но при использовании обезвоженного зимнего дизельного топлива, продолжили испытания с включением в активную зону фильтров Ф3 таблеток из смеси медного купороса, формиата свинца, молибдата и вольфрамата аммония, аммонийванадиевых квасцов, нитрата никеля и оксихинолина в мольном соотношении
[Cu]:[Sn]:[Pb]:[Mo]:[W]:[V]:[Ni]:[оксихинолин]= 1,0/0,50/0,100/0,32/0,22/0,50/0,40/0,40/0,70
После дополнительного пробега 500 км в сравнении с исходными компрессия по цилиндрам повысилась в среднем на 15,5%, расход топлива на 100 км в городском режиме снизился на 11%, сажа в выхлопе исчезла на всех режимах при любой нагрузке, содержание СО, СН и NО_х в выхлопных газах снизилось соответственно на 59, 70 и 24%.

Промышленная применимость
Фильтрующий материал и фильтр для жидких топлив согласно изобретению в сравнении с каталитическими конверторами для дожигания выхлопных газов могут служить альтернативным средством снижения токсичности выхлопа столь массового загрязнителя окружающей среды, как автомобили, и, кроме того, обеспечивать достижение этого же эффекта при сжигании жидких топлив в других теплоэнергетических установках, где упомянутые конверторы не используют.

Применительно же к поршневым ДВС изобретение дает принципиально важное средство компенсации износа деталей ЦПГ непосредственно во время работы двигателей, что позволяет снизить удельный расход топлива и повысить удельную мощность ДВС.

Claims (13)

1. Фильтрующий материал для жидких топлив, содержащий по меньшей мере один пористый слой компонента на основе титана и по меньшей мере один слой компонента на основе меди, имеющего по сравнению с титаном больший нормальный электродный потенциал, отличающийся тем, что все компоненты обладают электронной проводимостью, а их слои пространственно обособлены и лишь частью поверхности введены в гальванический контакт, при этом слой компонента на основе меди также выполнен пористым и имеет средний размер пор и общую пористость больше среднего размера пор и общей пористости в слое компонента на основе титана.

2. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве компонента на основе титана использован материал, имеющий размер пор 80-200 мкм при общей пористости 35-60% и выбранный из группы, состоящей из титана, карбида титана, нитрида титана и карбонитрида титана, а в качестве компонента на основе меди использован материал, имеющий размер пор 100-300 мкм при общей пористости 50-80%, выбранный из группы, состоящей из меди, латуни и бронзы.

3. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что в его состав введен третий пористый слой, который состоит из цинка и имеет размер пор 100-300 мкм при общей пористости 50-80%.

4. Фильтрующий материал по п. 3, отличающийся тем, что указанный третий слой цинка расположен в гальванической цепи между слоями на основе титана и меди.

5. Фильтр для очистки и активации жидких топлив, имеющий корпус с отверстиями для ввода и вывода фильтруемого топлива и активную зону в виде насадки из слоистого фильтрующего материала, включающую по меньшей мере один пористый слой компонента на основе титана и по меньшей мере один слой компонента на основе меди, имеющего по сравнению с титаном больший нормальный электродный потенциал, отличающийся тем, что все компоненты насадки обладают электронной проводимостью, их слои пространственно обособлены и лишь частью поверхности введены в гальванический контакт между собой, при этом слой компонента на основе меди расположен первым по ходу топлива сквозь фильтр, также выполнен пористым и имеет средний размер пор и общую пористость больше среднего размера пор и общей пористости слоя компонента на основе титана.

6. Фильтр по п. 5, отличающийся тем, что слой компонента на основе титана заземлен или гальванически подключен на массу объекта, снабженного ДВС.

7. Фильтр по п. 5, отличающийся тем, что слой компонента на основе титана имеет вид осесимметричного стакана, а слой компонента на основе меди имеет вид шайбы, плотно вставленной в этот стакан и гальванически контактирующей с ним по периметру.

8. Фильтр по п. 7, отличающийся тем, что перед слоем компонента на основе меди со стороны входного отверстия в корпусе расположен фильтр очистки жидкого топлива от грубых механических примесей в виде пористого слоя нержавеющей стали с размером пор 150-300 мкм и общей пористостью не менее 50%.

9. Фильтр по п. 7, отличающийся тем, что между пористыми слоями компонентов на основе титана и меди расположен пористый слой из цинка с порами размером 100-300 мкм при общей пористости 50-80%.

10. Фильтр по п. 7, отличающийся тем, что между слоем компонента на основе титана и по меньшей мере одним другим слоем дополнительно размещен источник латунеобразующих металлов в виде насыпного слоя таблеток, которые состоят из смеси по меньшей мере одного соединения меди с ионной связью и по меньшей мере одного соединения цинка с ионной связью, взятым из расчета 0,03-0,70 моля цинка на один моль меди, и по меньшей мере одного органического вещества, которое обеспечивает растворение указанных солей металлов в углеводородах топлива.

11. Фильтр по п. 10, отличающийся тем, что указанное органическое вещество выбрано из группы, которая состоит из оксихинолина, купферона, неокупферона и произвольного комплексона из множества аминополикарбоновых кислот.

12. Фильтр по п. 11, отличающийся тем, что таблетки дополнительно содержат по меньшей мере одно соединение олова с ионной или ковалентной связью, при этом на один моль меди приходится 0,16-0,40 моля олова.

13. Фильтр по п. 11, отличающийся тем, что таблетки дополнительно содержат по меньшей мере одно соединение с ионной связью, включающее металл, выбранный из группы, состоящей из свинца, молибдена, вольфрама, ванадия, никеля, серебра и циркония, при этом на 1 моль меди приходится 0,008-0,010 моля свинца, и/или 0,010-0,32 моля молибдена, и/или 0,010-0,22 моля вольфрама, и/или 0,020-0,50 моля ванадия, и/или 0,004-0,40 моля никеля, и/или 0,004-0,115 моля серебра, и/или 0,005-0,40 моля циркония.

Images