Паливна композиція для двигунів внутрішнього згоряння з іскровим підпалом

Корисна модель відноситься до галузі палив, що застосовуються у двигунах внутрішнього згоряння з іскровим підпалом. На сьогодні головними різновидами моторного палива є дизельне паливо (солярка) та бензин (рідка суміш вуглеводнів), що виробляються з нафти, поклади якої обмежені. Двигуни з іскровим підпалом використовують бензин, пара якого в суміші з повітрям утворює паливну суміш, детонаційна стійкість якої до стиснення в циліндрі характеризується октановим числом. Чим вищий цей показник, тим вища детонаційна стійкість і тим вищу ступінь стискання може мати двигун. На сьогодні переважна більшість двигунів автомобілів, що використовують в якості пального бензин, розраховані на використання палива з октановим числом від 80-85 до 95-98 одиниць (за дослідницьким методом). Задля досягнення таких показників у бензині, що виробляється з нафти, існує громіздка та енергоємна вторинна переробка нафти. Навіть за умов високого ступеню розвитку нафтохімічної промисловості досягнення високих показників октанових чисел є складною проблемою, яка частково вирішується шляхом використання високооктанових добавок. З другого боку, за умов дефіциту нафти, розробка нових видів альтернативного палива, що використовує в якості головного складника етиловий спирт, який виробляється з відновлювальної рослинної сировини, наштовхується на великі труднощі. Параметри етилового спирту настільки відрізняються від аналогічних параметрів бензинів, що для палив з його високим вмістом (наприклад, Е85) потрібна розробка спеціального двигуна. Відома паливна композиція [патент DE 3033220, МПК C10L1/18, опубл.1.04.1980], у якій для створення стійкої суміші бензину (рідкої суміші вуглеводнів) з 10-40% нижчих спиртів використовується пропіленгліколь моноолеат у суміші із спиртами (по 10-15% ізобутилового та ізопропилового спиртів) і кетонами (4% ацетона). При цьому автори патенту використовують 10-30% канцерогенних ароматичних вуглеводнів та 10-30% токсичного метанолу, що сьогодні неприпустимо через високий вміст канцерогенних конденсованих ароматичних вуглеводнів та токсичного формальдегіду у відпрацьованих газах. Всі компоненти даної паливної композиції є продуктами хімічної промисловості, що використовує нафту та природний газ у якості сировини, тобто така паливна композиція не відноситься до альтернативних - таких, що виробляються з відновлювальної сировини. Відома паливна композиція [патент US3822119, US кл. 44/451, опубл.2.07.1974], де до бензину додається 540% суміші синтетичних вищих спиртів C4-C8 та до 25% води, що забезпечує зниження токсичності відпрацьованих газів. Однак і таке паливо не можна віднести до альтернативного, оскільки основним компонентом палива залишається бензин. Відома паливна композиція [патент RU2044033, MTIKC10L1/18, опубл.20.09.1995], де бензин компаундують 520% відходів виробництва ізопропилового спирту, а саме сумішшю 70-80% діізопропилового ефіру, 10-15% ізопропилового спирту, 8-10% продуктів полімеризації пропілену та до 3% води. Як і у вищеописаної паливної композиції, основним компонентом цього палива залишається бензин. Крім того, пропілен, що є вихідною речовиною для виробництва ізопропилового спирту, одержують шляхом крекінгу або піролізу нафтопродуктів. Відома паливна композиція [патент ЕР0064253, МПК С10L1/02, опубл.27.04.1982], у якій для підвищення октанового числа бензину використовують прості ефіри (метил-трет-бутиловий, ізопропіл-трет-бутиловий, вторбутил-трет-бутиловий) у кількості 5-40% та спирти (метиловий - до 15%, ізопропиловий - до 20%, вторбутиловий - до 20%, трет-бутиловий - до 85%), окрім етилового спирту. Всі вищезгадані компоненти є синтетичними продуктами хімічної промисловості. Таким чином, оскільки основним компонентом у всіх розглянутих вище відомих паливах залишається бензин, жодне із них не можна віднести до категорії альтернативних, тобто таких, що більше як на 50% виробляються з відновлювальної (рослинної) сировини. Використані спирти та ефіри є синтетичними продуктами, вихідною сировиною для синтезу яких залишається нафта та природний газ. Найбільш близькою до запропонованої паливної композиції є паливна композиція для двигунів внутрішнього згоряння [патент на корисну модель UA13086], що містить 50-90об.% абсолютованого етилового спирту, 515об.% простого ефіру та 10-30об.% суміші вуглеводнів. У якості простого ефіру може використовуватись будьякий простий ефір: трет-С4-С5O С1-С2, тобто метил-трет-бутиловий, етил-трет-бутиловий, етил-трет-аміловий та інші, а як суміш вуглеводнів використовується стабільний газовий бензин або бензин прямої перегонки з будьяким октановим числом. Така паливна композиція розроблялась для використання на звичайних двигунах внутрішнього згоряння великого об'єму (3 літра і вище) без їх модифікації. Вона відноситься до альтернативних видів моторного палива, оскільки більше 50% її складає етиловий спирт, що виробляється з відновлювальної рослинної сировини. Надзвичайно високе, як для бензинів, октанове число даної паливної композиції - 130-132 по даних холодно-плазменого методу - не є перешкодою, оскільки температура згоряння суміші нижче за температуру згоряння бензину (360°С у вихідному колекторі двигуна, що працює на даному паливі в порівнянні з 500-550°С на бензині). Головним недоліком є втрата потужності двигуна при роботі на паливі з високим вмістом етилового спирту за рахунок низької теплоти згоряння та відносно високої теплоти випаровування його як головного компоненту, яка істотно впливає на динаміку розгону автомобіля, особливо оснащеного двигуном малого об'єму. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення потужності двигуна при роботі на паливній композиції, яка містить більш ніж 50об.% етилового спирту, за рахунок як більш повного згоряння палива, так і за рахунок скорочення часу згоряння, що дозволяє використовувати вказане альтернативне паливо в звичайних двигунах внутрішнього згоряння з іскровим підпалом без будь-яких їх модифікацій. Поставлена задача вирішується тим, що паливна композиція для двигунів внутрішнього згоряння з іскровим підпалом, що містить 50-90об.% абсолютованого етилового спирту, 10-30об.% рідкої суміші вуглеводнів і 515об.% простого ефіру, згідно корисної моделі, додатково містить до 1об.% промотору згоряння. При цьому за одним з варіантів в якості промотора згоряння можуть використовуватися циклогексилнітрат або 2етилгексилнітрат. За другим варіантом в якості промотора згоряння використовуються нітрити спиртів С 4-С6. За третім варіантом в якості промотора згоряння використовується суміш циклогексилнітрату або 2етилгексилнітрату із нітритами спиртів С 4-С6. Відомо, що нітропохідні вуглеводнів є ефективними промоторами для дизельного пального, де вони використовуються як добавки у малих кількостях, для підвищення цетанового числа дизельного палива. Але оскільки механізм впливу промоторів спалаху, що застосовуються для підвищення цетанового числа дизельного палива шляхом зниження границі займання паливної суміші при стисканні, і механізм впливу промоторів згоряння, що пропонуються для застосування в моторних паливах з високим вмістом етилового спирту, суттєво відрізняються, промотори спалаху не можуть бути ефективними у висооктановому моторному паливі, що виготовляється на основі відновлювальної сировини. Крім того, відомо використання суміші нітрометану, нітроетану та нітропропанів в кількості до 15-20%, яке пропонувалось для моторних палив із високим вмістом ароматичних вуглеводнів [US 2004|0148849, US 6319294 В1]. Нітропохідні вуглеводнів мають високі теплоти згоряння, і застосування їх як компонентів у великих кількостях суттєво збільшує теплоту згоряння палива, що призводить до зростання потужності двигуна при роботі на цьому паливі. Однак за такої кількості нітропохідних в паливі слід віднести їх не до добавок, якими, по суті, являються промотори, а до компонентів палива. Встановлено, що добавка 2-нітропропану в кількості до 2об.% у вищевказану альтернативну паливну композицію, з високим вмістом етилового спирту, неефективна, тобто нітропропан не може використовуватись як промотор згоряння для такого палива. В запропонованій паливній композиції за рахунок використання добавок - до 1об% промоторів згоряння, види яких встановлено експериментальнo, забезпечується більш повне згоряння палива і скорочується час згоряння, що дозволяє ліквідувати головний недолік палива із вмістом етилового спирту більше 50%, і, як наслідок, підвищити потужність двигуна при роботі на цьому паливі. Експериментальнo встановлено, що існують промотори згоряння такі, що майже не впливають на октанове число, і такі, що знижують октанове число палива на основі етилового спирту. Існування промоторів згоряння, які не впливають на октанове число, підтверджує те, що механізм впливу промоторів спалаху для дизельного пального і механізм впливу промоторів згоряння у високооктановому паливі суттєво відрізняються. Потужність двигуна при роботі на паливі, промотованому або першим типом промотора, або другим типом промотора, або їх сумішшю зростає до певної межі, що може навіть перевищувати потужність при роботі на бензині. Малі концентрації промоторів згоряння, а саме менше 1об.%, у яких вони застосовуються в наведеній паливній композиції, не можуть суттєво вплинути на теплоту згоряння паливної композиції в цілому, але сприяють підвищенню повноти згоряння палива, скороченню часу згоряння палива, і, як наслідок, підвищенню потужності двигуна. Як було вказано вище, запропоновані промотори спалаху поділяються на два типи: такі, що майже не впливають на октанове число палива на основі етилового спирту (див. п.2 формули винаходу - перший тип), і такі, які понижують октанове число (див. п.3 формули винаходу - другий тип). До першого типу промоторів (п.2 формули винаходу), що підвищують потужність двигуна при роботі на паливі з їх додаванням, але вплив яких на значення октанового числа невеликий, відносяться висококиплячі нітрати (складні ефіри азотної кислоти та спиртів С6-C8) або діалкілпероксиди, температура кипіння яких виходить за верхню межу інтервалу кипіння основних компонентів палива. Якщо речовина розкладається раніше кипіння, по температурі перегонки у вакуумі оцінюють, якою була би температура кипіння при тиску 1атм. Наприклад, циклогексилнітрат має температуру кипіння 80°С при 20мм.рт.ст., що відповідає приблизно 180°С при 760мм.рт.ст. До другого типу промоторів (п.3 формули винаходу), що знижують октанове число при збільшенні потужності відносяться нітрити (складні ефіри азотистої кислоти) спиртів С3-С6, при умові, що температура кипіння знаходиться всередині інтервалу кипіння палива. Наприклад, амілнітрит має температуру кипіння 104°С, а основні компоненти паливної композиції киплять в інтервалі від 54°С (метил-трет-бутиловий ефір) до 150°С (кінець кипіння бензину). Використання суміші промоторів першого і другого типу дозволяє підбирати необхідні параметри палива в залежності від поставлених вимог. Запропоновану паливну композицію виготовляють шляхом прямого змішування. Послідовність додавання компонентів не має значення. Нижче наведені приклади композицій, що виготовлялись згідно запропонованого рішення. Варіанти різного складу композиції, у якій використовувалися промотори першого типу, що мало впливають на октанове число палива (п.2 формули винаходу), наведені у прикладах №№1-2. Приклад 1: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.67об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.91об.% бензин газовий стабільний 29.82об.% циклогексилнітрат 0.60об.% Октанове число за моторним методом 91.2. Октанове число вихідної суміші, що містить 55об.% етилового спирту, 15об.% МТБЕ (метил-трет-бутиловий ефір) та 30об.% газового стабільного бензину за моторним методом перевищує 100 одиниць. Приклад 2: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.46об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.85об.% бензин газовий стабільний 29.70об.% 2-етилгексилнітрат 0.99об.% Октанове число за моторним методом 90.7. Октанове число вихідної суміші, що містить 55об.% етилового спирту, 15об.% МТБЕ та 30об.% газового стабільного бензину за моторним методом перевищує 100 одиниць. Таким чином, додавання циклогексилнітрату або 2-етилгексилнітрату в межах 1% майже не знижує октанове число палива, залишаючи його не нижчим 100 одиниць за дослідницьким методом, але потужність двигуна при роботі на промотованому паливі значно зростає і досягає оптимальної приблизно при концентрації 0.5-0.6об%. Залежність октанового числа за моторним методом від концентрації та властивостей промотора другого типу (п.3 формули винаходу) можна прослідкувати на прикладах: Приклад 3: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.78об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.94об.% бензин газовий стабільний 29.88об.% амілнітрит 0.40об.% Октанове число за моторним методом 87.7. Октанове число вихідної суміші, що містить 55об.% етилового спирту, 15об.% МТБЕ та 30об.% газового стабільного бензину за моторним методом перевищує 100 одиниць. Приклад 4: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.67об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.91об.% бензин газовий стабільний 29.82об.% ізоамілнітрит 0.60об.% Октанове число за моторним методом 85.6. Октанове число вихідної суміші, що містить 55об.% етилового спирту, 15об.% МТБЕ та 30об.% газового стабільного бензину за моторним методом перевищує 100 одиниць. Приклад 5: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.56об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.88об.% бензин газовий стабільний 29.76об.% бутилнітрит 0.80об.% Октанове число за моторним методом 84.3. Октанове число вихідної суміші, що містить 55об.% етилового спирту, 15об.% МТБЕ та 30об.% газового стабільного бензину за моторним методом перевищує 100 одиниць. Застосування суміші промоторів згоряння обох типів дозволяє корегувати октанове число та потужність двигуна при роботі на альтернативному спиртовмісному паливі в широких межах, досягаючи показників якомога ближчих до аналогічних показників згоряння товарних бензинів. Нижче наведені приклади запропонованих паливних композицій, у яких у якості промотора згоряння використовуються суміші промоторів першого і другого типів. Приклад 6: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.56об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.88об.% бензин газовий стабільний 29.76об.% циклогексилнітрат 0.40об.% ізоамілнітрит 0.40об.% Октанове число за моторним методом 86.2, що за дослідницьким методом становить приблизно 95-96 одиниць і відповідає показникам бензину А95. Приклад 7: абсолютований етиловий спирт (0.2% води) 54.61об.% метил-трет-бутиловий ефір 14.90об.% бензин газовий стабільний 29.79об.% циклогексилнітрат 0.50об.% бутилнітрат 0.20об.% Октанове число за моторним методом 90.1, що відповідає показникам бензину А98. Вміст СО знижується до 0.2% на холостому ходу та до 1.5% в режимі розгону при одночасному зростанні вмісту СO2 до 14-18%, що прямо вказує на зростання повноти згоряння палива. Аналогічний показник для бензину -1.5-2% СО на холостому ходу та 6-8% СО в режимі розгону. За умов низької температури згоряння вміст NО, в порівнянні з роботою на бензині, також знижується у 3 -10 разів.