燃燒催化劑的製作方法
2023-09-23 20:15:30 2
專利名稱：燃燒催化劑的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及燃料添加劑組合物，具體地講涉及燃燒催化劑組合物，它在混入液烴基燃料時可減少內燃機中的沉積物，抑制燃料體系中的腐蝕，並有利於更有效地氧化燃料以提高燃料的裡程數和減少廢氣排放。
本發明的背景目前使用燃料添加劑來改善汽油和柴油的性能，因為烴組分本身具有某些不足，但加入少量添加劑比改變這些燃料的組成更為有效。在燃料添加劑領域中，研究開發的主要目標是為了提供包含沉積物控制添加劑的燃料。通過有效控制或抑制內燃機進料體系，如化油器、閥等中的沉積物形成，可以提高燃料的效率。但這必須是在不產生燃燒室沉積物的情況下才行，因為這些沉積物會產生有害的廢氣排放，從而破壞催化轉化器和環境。
內燃機燃燒室中的沉積物會增加煙霧和廢氣排放。煙霧主要來自發動機內的兩個來源第一，未燃燒或部分氧化的燃料；第二，通過燃料(未與氧反應)的熱分解而形成的未燃燒碳。因此，對燃料效率來說，必需在點燃時形成化學上合適且均勻的燃料和空氣的混合物。但這隻有當能夠防止燃料和碳沉積物抑制空氣和燃料流入燃燒室時才能實現。
除了發動機中的非所需沉積物，烴基燃料中的水可降低燃料的氧化並引起燃料體系的堵塞。水可由熱燃料在儲罐或管道中冷卻時水分凝結而產生。此外，酸性或鹼性水會從煉油廠的各種工藝中被不經意地帶出。在車輛的燃料體系中，能引起腐蝕的游離水會造成各種嚴重問題。不僅汽車燃料罐會發生洩漏，而且鏽顆粒會堵塞燃料管、過濾器、燃料噴嘴和臨界化油器孔，如油嘴。此外，燃料中的水可抑制燃料的點燃和/或完全氧化。因此，需要向烴基燃料中加入一種腐蝕抑制劑。
因此，需要改進燃料添加劑組合物以抑制燃料體系中的腐蝕、減少不完全燃燒沉積物、減少廢氣排放、並提高燃料的燃燒效率。
本發明概述本發明提供了一組用於與可燃燒液烴基燃料混合的燃燒催化劑組合物，用來提高燃料的燃燒和效率、抑制腐蝕、減少廢氣排放和減少碳在發動機中的沉積。此外，該燃燒催化劑組合物穩定且可與烴基燃料混溶，同時不會對燃料性能或燃料儲存穩定性產生任何不受歡迎的副作用。還有，本發明的燃燒催化劑組合物可在煉油廠、在分配中心或在銷售點與燃料大量混合。車輛的操作人員也可將該組合物與車輛氣罐中的燃料進行混合。
就本發明而言，以下出現在說明書和權利要求書中的術語和詞語是具有以下含義的「燃燒催化劑」或其變型是指能夠提高原燃料的燃燒作用的燃料添加劑，它可促進燃料的完全氧化，減少沉積物的形成和廢氣排放，和/或提高燃料燃燒體系如內燃機的總體操作效率。
「直鏈液體飽和烴」是指具有通式CnH2n+2的烷烴或烷烴混合物，其中n為14-17，但排除環烷烴、芳烴和不飽和烴。
「潤滑油」是指能夠降低固體之間摩擦的油產品，它在室溫下為液體且選自植物油、合成油、礦物油及其混合物，所述礦物油的特徵在於基本上無色，閃點至少約220-260℃，傾點約-15℃至-22℃，密度約0.83-0.90千克/升，但排除以上定義的「直鏈液體飽和烴」。
「內燃機」是指通過火花或壓縮而點燃燃料的發動機，它包括(但不限於)Otto發動機或汽油發動機、柴油機或煤油機、燃氣輪機、分層進料和Wankel型發動機。
與汽油、柴油和其它液烴基燃料混溶的本發明燃燒催化劑組合物包含表面活性/乳化劑、潤滑油和直鏈液體飽和烴的調和混合物。一般來說，該組合物中各組分的比例應足以使其在與烴基燃料混合併燃燒時達到燃燒催化效果。
更具體地說，該燃料混溶性燃燒催化劑組合物包含脫水山梨醇的脂肪酸酯的混合物，或脫水山梨醇脂肪酸酯、礦物油和直鏈液體飽和烴的混合物。
本發明的進一步的目的是提供一種燃料混合物，其特徵在於一種組合物，它包含脫水山梨醇脂肪酸酯的混合物、或脫水山梨醇脂肪酸酯、礦物油、直鏈液體飽和烴和烴基燃料的混合物。
本發明的進一步的目的是提供一種在燃燒液烴基燃料時，改善燃料燃燒作用並減少發動機中不完全燃燒沉積物的方法，包括a)提供一種燃料混溶性燃燒催化劑組合物，包括(i)將脫水山梨醇脂肪酸酯或脫水山梨醇脂肪酸酯的混合物、潤滑油和直鏈液體飽和烴或直鏈液體飽和烴混合物進行混合；b)將步驟(a)的燃燒催化劑組合物加入發動機中的液烴基燃料中，其中燃燒催化劑組合物與液烴基燃料的比率為約1∶200-1∶2000；然後c)運轉該發動機。
優選實施方案的描述本發明的燃燒催化劑組合物包含表面活性/乳化劑、潤滑油和直鏈液體飽和烴的混合物。已經發現，這種燃燒催化劑組合物的各組分具有提高內燃機操作性能和效率的特性和作用。此外，這種燃燒催化劑組合物可用作其它烴基燃料的添加劑，例如可與用於中心加熱裝置和熱水器的#2燃料加熱油、或煤油基燃料(包括噴氣燃料)進行混合，以提高燃料的氧化作用並減少碳堆積和/或煙霧。
在本發明中，加入燃燒催化劑組合物中的表面活性/乳化劑同時具有表面活性性能和乳化劑性能。表面活性性能可防止樹膠或清漆狀物質在臨界燃料操作組件，如燃料噴射體系的部件、化油器和類似物上堆積。
表面活性/乳化劑的乳化性能可將水分子分散在烴燃料中，並保護臨界燃料操作組件不生鏽和腐蝕。乳化劑通過將水分子保留在懸浮液中並將它們分散在燃料中而形成兩種不混溶液體的穩定混合物，從而降低了水分子的凝聚速率。因此，暫時的水分和水顆粒就通過分散在燃料中的體系而不沉積。水分通過該體系的這種運動可降低燃料體系中腐蝕或鏽堆積的可能性。
選擇適用於本發明的表面活性/乳化劑的一般準則是基於HLB法。在該方法中，HLB值表示該試劑的乳化性能。該值與分子的親水部分和親脂部分之間的平衡有關。優選的油溶性的乳化劑可形成W/O乳液，且HLB值低。在用於本發明的W/O乳化中，推薦HLB值的範圍為3-6，HLB值更優選約4-5。
將表面活性/乳化劑加入本發明燃燒催化劑組合物中還可減少在燃料操作體系中的沉積物堆積。在發動機不用時，高沸點燃料組分如烯烴和芳烴與廢氣中和通過空氣淨化器進入到曲軸箱中的煙中的汙染物，會一起聚集在剛好位於節流閥下方的化油器內壁上。由於影響空氣流動和改變空氣/燃料比率，所得沉積物會造成怠速運轉、頻繁失速、性能不好並增加燃料消耗。因此，表面活性/乳化劑還可通過包覆燃料進料體系的金屬表面而減少在該表面上的沉積。
還已發現，由於表面活性/乳化劑的親脂和親水基團的極性，用於本發明的表面活性/乳化劑還可賦予烴基燃料以有用的抗靜電性能。許多揮發性有機液體組合物如烴基燃料具有低導電率，因此往往在燃料的表面上產生靜電電荷。在處理或運輸過程中，這些電荷會產生火花並可能點燃燃料或產生爆炸。因此應該理解，本發明的表面活性/乳化劑足以提高烴基燃料的電導率並有助於控制靜電產生。
因此，能夠降低腐蝕、減少燃料體系沉積物和/或具有抗靜電性能的表面活性/乳化劑都可用於本發明。優選地，在本發明中可以使用具有以下通式的脫水山梨醇的非離子脂肪酸酯和/或混合脂肪酸的脫水山梨醇酯
其中RCO-為脂肪酸基團，包括(但不限於)油酸、硬脂酸、月桂酸、棕櫚酸、肉豆蔻酸、蓖麻油酸和/或其混合物。在結構式(I)中，有用的脫水山梨醇酯的優選代表包括脫水山梨醇的單油酸酯、單硬脂酸酯、單棕櫚酸酯和單月桂酸酯及其混合物。更優選使用這樣一種脫水山梨醇單油酸酯，其特徵在於，其酸值約5.5-7.5毫克，羥基值約193-209，皂化值約149-160毫克，且HLB值約4-5。特別優選的脫水山梨醇單油酸酯在市售中可從Croda Inc.，East Yorkshire，England買到，其商標為Crill 4TM。
一般來說，油溶性非離子表面活性/乳化劑的使用量應足以抑制腐蝕、提高導電率和/或在燃料燃燒時防止沉積物生成。脫水山梨醇酯的量通常為燃料添加劑組合物總重的約3-9％。除非另有所指，本發明所用的份數和百分數都是以重量計的。更具體地說，脫水山梨醇酯在加入量為約4-7％時最有效。
本發明的燃燒催化劑組合物還包含一種潤滑油，它具有幾個作用，包括(但不限於)減少在燃料中的發泡和/或減少燃料操作組件(如，入口閥、噴射器、多支管等)中的沉積物。
向液烴基燃料中加入表面活性劑可在一定程度上造成燃料發泡，而且這種發泡可通過加入潤滑油來降低。發泡不僅是油罐加油時的問題，而且發動機中的泡沫會由於燃料混合物在體系中的不連續性而造成性能不好。最有效的防沫劑在純淨態下表面張力非常低，這樣它們能夠自然沿著現有膜擴散，從而抑制泡沫形成。在本發明中，已經發現，加入潤滑油可降低燃料中的發泡。
此外，潤滑油可用作溶劑，以有助於清洗掉在汽油發動機燃料進料體系(包括化油器、多支管、噴射器)中和進氣閥下面形成的沉積物。形成這些沉積物的機理並不完全清楚，但據信是由於幾個不同的原因，包括增加了氧飽和燃料的使用，烯烴和裂化原料的含量較高，噴射器的間歇噴射和閥旋轉不當。多孔沉積物可作為海綿狀堆積物以吸收燃料，這使得空氣/燃料比率太低，從而導致發動機運行不良。沉積物可在閥口周圍形成，並影響例如閥的關閉。此外，粘稠的沉積物有時會到達閥杆並粘住閥。燃料噴射器上的沉積物可堵塞噴射器，帶來燃料流速不穩並降低霧化，從而導致廢氣排放較高。已經發現，揮發不太快的高沸點潤滑油可溶解進入燃燒室中的能形成沉積物的粘稠化合物。
此外，本發明的燃燒催化劑組合物可用於燃油爐、燃油熱水加熱器、噴射發動機、發電機和類似物，以幫助減少燃料管、油燒嘴燃料噴射器和類似物中的粘稠沉積物。
本發明可以使用多種有效的潤滑油以控制進入體系中的沉積物，並幫助保持車輛性能、燃料效率和降低廢氣排放。這些包括礦物油、所謂的合成油、植物油和其混合物。優選精製礦物油，其特徵在於基本上無色，閃點至少約220-260℃，傾點約-15℃至-22℃，密度約0.83-0.90千克/升，更優選的是，閃點至少為238℃，傾點約-18℃且密度約0.8645千克/升。
一般來說，潤滑油的用量要足以減少內燃機進料體系中的沉積物和/或減少燃料中的發泡。更具體地說，約35-52％，優選約45-50％的量可達到良好的效果。
本發明還提出，加入由通式CnH2n+2表示的直鏈液體飽和烴，其中n為14-17。已經發現，加入直鏈液體飽和烴可通過降低柴油型燃料的成蠟和/或減少內燃機燃燒室中的沉積物來提高燃料的流動性。
中間餾分石油燃料，如柴油燃料可包含鏈烷烴蠟，它在低溫下往往沉澱成大晶體並形成凝膠結構，造成燃料變得太稠。溶液中產生的蠟結構往往形成一種可防止燃料流動的咬合結構。在本發明中，已經發現，直鏈液體飽和烴可抑制這些蠟結構的生長，從而提高了燃料的流動性，尤其是在低操作溫度下。
向燃燒催化劑組合物中加入直鏈液體飽和烴還可減少歸因於不完全燃燒沉積物的廢氣排放以及煙霧形成。幾種不同的由燃料形成的含碳沉積物可沉積在燃燒室中的表面上，包括(但不限於)在壓縮點燃發動機中的噴射器和火花點燃發動機中的火花活塞的表面上沉積。
在柴油發動機中，沉積物可在噴射器和汽缸中同時形成。漆狀沉積物可沉積在噴射器體上，造成燃料流動降低或噴射器卡住。在汽油發動機中，除了活塞頭和汽缸頭，沉積物可在火花活塞表面上形成。這些沉積物可抑制空氣和/或燃料的流動，從而阻礙了兩者的化學計量混合。這些由燃料產生的沉積物通常稱作噴射器或活塞汙垢，會增加煙霧和廢氣排放。
煙霧在內燃機中的形成比較複雜，主要歸因於當過量燃料被噴射到燃燒室時發生的反應。煙霧主要包括不同尺寸的碳顆粒或聚集體、以及相關的凝結燃料。通過本發明的直鏈液體飽和烴來降低廢氣排放和煙霧的一個可能機制是由於減少了在燃燒室中的碳基顆粒物。僅作為理論而非限定，本發明人認為，主要具有十四烷烴碳主鏈的直鏈液體飽和烴主要是通過防止顆粒物的聚集和溶解已形成的沉積物而發揮作用。由於空氣/燃料混合物的化學計量較精確，這些作用通過提高燃料的流動性和效率而產生更清潔的燃燒。
具有通式CnH2n+2，其中n為14-17的任何直鏈液體飽和烴或直鏈液體飽和烴混合物都可用於本發明。優選使用十四烷烴。如果烴鏈中的碳原子數超過14，那麼任何額外碳原子的甲基支化都是優選的。最優選的是，至少94％的直鏈液體飽和烴應該為十四烷烴，餘下的所有直鏈液體飽和烴都具有甲基支化的十四烷烴碳主鏈。這些化合物的特徵在於，沸點為約230-280℃，最低閃點約115-175℃，且平均分子量約198克/摩爾。
有利的是，直鏈液體飽和烴在燃燒催化劑組合物中的用量要足以提高燃料的流動性並減少加有燃料的設備中的沉積物。優選的是，大多數直鏈液體飽和烴的量為基於燃燒催化劑組合物總重的約35-52％，更優選約45-50％。
燃燒催化劑組合物還可包含其它通用的燃料添加劑，如生物殺傷劑和/或染料。
如上所述，烴燃料在儲罐，如煉油廠、分配槽車、甚至小燃料罐中儲藏時，含有少量或痕量的水分。某些種類的細菌會存在於水中，其營養來自烴相和水中的痕量元素。鉛在汽油中的一個有益副作用是其抗菌性能，即，它可防止微生物生長。但在使用無鉛汽油時，不僅汽油，而且中間餾出物如柴油燃料中也需要加入生物殺傷劑。燃料罐中的微生物活性可引起燃料變色，且懸浮物在從燃料中抽出時會堵塞過濾器。許多市售生物殺傷劑都可用於本發明，包括鈉化合物、硼化合物、胺和亞胺。因此，使用有效量的抗菌化合物來處理可極大地減少微生物在罐壁和罐水底的生長。抗菌化合物的用量優選為痕量，其範圍為基於燃燒催化劑組合物總重的約0.02-0.05％。
只要不產生任何不利影響或降低燃料添加劑組合物的效力，可向燃料添加劑組合物中加入染料。加入燃料中的染料可將燃料相互區別，而且可用作標記，在逃稅、盜竊、燃料摻雜案件中提供證據，或用於確定漏處。其用量必須非常低，因為重要的是，如果在加油時發生濺出，燃料不會汙染淺色車輛。染料可以是任何顏色，包括紅色、橙色、藍色或綠色。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，其量為基於燃料添加劑組合物總重的約0.1-0.5％。因此，不僅溶於燃燒催化劑組合物而且還溶於液烴基燃料的任何綠色染料都可用於本發明。
本發明燃燒催化劑組合物的一個特別優選配方在表1中給出。
表1添加劑％重量表面活性/乳化劑 6.00礦物油 46.90C14-C17飽和烴46.90綠色偶氮染料 0.20在幾個不同的卡車中，測試新燃燒催化劑組合物在內燃機中的適用性。道路測試的結果匯總如下。實施例1第1部分.燃燒催化劑組合物的製備混合前，燃燒催化劑組合物各組分的溫度為約20-28℃。該組合物是通過以下步驟來配製的a)將47重量份直鏈液體飽和烴與6重量份脫水山梨醇單油酸酯(表面活性/乳化劑)混合。該飽和烴組分為C14-C17碳鏈，其中至少94％的烴為十四烷烴，餘下的包括具有C14主鏈和短鏈甲基的直鏈飽和烴。脫水山梨醇單油酸酯從Croda Inc.，East Yorkshire，England購買，其商標為Crill 4TM。
b)然後將47重量份礦物油加入(a)部分的混合物中。該礦物油的特徵在於它是一種白色礦物油，其閃點至少為238℃，傾點為-18℃，密度為0.8645千克/升。
第2部分.現場發動機試驗進行試驗是為了確定第1部分的燃燒催化劑是否能夠改進燃料的燃燒從而減少燃料消耗。試驗是在城市操作條件下，在93 Mercedes-Benz卡車上進行8個月。在試驗的頭4個月中，車輛是在沒有向燃料中加入燃燒催化劑組合物的情況下駕駛的。在隨後的4個月中，將燃燒催化劑組合物在每次補給燃料時加入卡車的柴油燃料中，形成燃燒催化劑/燃料比率為約1∶1000的燃料混合物。
8個月試驗的結果在下表中給出。
表
試驗表明，通過使用本發明的燃燒催化劑組合物，可平均降低燃料消耗14.5％。
權利要求
1.一種燃燒催化劑，其特徵在於一種燃料混溶性組合物，該組合物包含表面活性/乳化劑、潤滑油和直鏈液體飽和烴的混合物。
2.根據權利要求1的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，各組分所存在的比例範圍使其在與烴基燃料混合併氧化時足以達到燃燒催化效果。
3.根據權利要求1的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，至少94％的所述直鏈液體飽和烴具有通式C14H30。
4.根據權利要求1的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述表面活性/乳化劑包括一種具有以下通式的脫水山梨醇酯
其中RCO-為脂肪酸基團。
5.根據權利要求4的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述脂肪酸基團選自油酸、硬脂酸、月桂酸、棕櫚酸、肉豆蔻酸、蓖麻油酸及其混合物。
6.根據權利要求3的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述表面活性/乳化劑為脫水山梨醇單油酸酯。
7.根據權利要求1的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述潤滑油選自礦物油、合成油、植物油及其混合物。
8.根據權利要求6的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述潤滑油為礦物油。
9.根據權利要求8的燃燒催化劑組合物，其特徵在於具有約4-7％重量的所述脫水山梨醇單油酸酯；約35-52％重量的所述礦物油；和約35-52％重量的所述直鏈液體飽和烴。
10.根據權利要求9的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，它還包含約0.1-0.5％的烴基燃料可溶性染料。
11.根據權利要求1的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述表面活性/乳化劑的酸值為約5.5-7.5毫克，羥基值為約193-209，皂化值為約149-160毫克，且HLB值為約4.1-4.5。
12.根據權利要求8的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，所述礦物油的最低閃點為約238℃，傾點為約-18℃，20℃下的密度為約0.8645千克/升，且40℃下的粘度為約68.73cSt。
13.根據權利要求4的燃燒催化劑組合物，其特徵在於，由結構式(I)所示的脫水山梨醇酯選自脫水山梨醇的單油酸酯、單硬脂酸酯、單棕櫚酸酯和單月桂酸酯及其混合物。
14.一種燃料混合物，其特徵在於一種包含權利要求1所述燃燒催化劑和烴基燃料的組合物。
15.根據權利要求14的燃料混合物，其特徵在於，所述烴基燃料選自汽油、柴油、燃料油、加熱油、液體煤和航空燃料。
16.根據權利要求14的燃料混合物，其特徵在於，其中燃燒催化劑與烴基燃料的比率為約1∶200-1∶2000。
17.一種燃料混合物，其特徵在於一種包含權利要求9所述燃燒催化劑和烴基燃料的組合物。
18.一種在發動機中燃燒液烴基燃料時改善燃料的燃燒作用和/或減少發動機中燃燒區域的碳沉積物的方法，其特徵在於以下步驟，包括a)提供一種燃料混溶性燃燒催化劑組合物，其中包含(i)脫水山梨醇的脂肪酸酯、潤滑油和直鏈液體飽和烴；b)將所述燃燒催化劑組合物加入所述在發動機中的所述液烴基燃料中，其中燃燒催化劑組合物與液烴基燃料的比率為約1∶200-1∶2000；然後c)運轉該發動機。
19.根據權利要求18的方法，其特徵在於，所述燃燒催化劑組合物具有約5-7％重量的所述脫水山梨醇脂肪酸酯；約45-50％重量的所述礦物油；和約45-50％重量的所述直鏈液體飽和烴。
20.根據權利要求18的方法，其特徵在於，燃燒催化劑組合物還包含其量足以減少燃料配給體系中的微生物的抗菌劑。
21.根據權利要求18的方法，其特徵在於，所述液烴基燃料選自汽油、柴油、燃料油、加熱油、液體煤和航空燃料。
全文摘要
本發明涉及燃燒催化劑組合物,它在混入液烴基燃料時可減少燃料燃燒體系中的沉積物,抑制燃料體系中的腐蝕,並有利於更有效地氧化燃料。該燃燒催化劑組合物包含表面活性/乳化劑、潤滑油和直鏈液體飽和烴。
文檔編號C10L10/08GK1251607SQ98803842
公開日2000年4月26日 申請日期1998年4月8日 優先權日1997年4月11日
發明者約翰·戴維·威利斯－紐 申請人:燃燒技術公司