保持涡轮加压发动机的环路干净和减少这种发动机排出的碳的方法.pdf

本发明涉及保持涡轮加压发动机的环路干净和减少这种发动机碳的排出的方法。
    本发明尤其涉及以烯土元素为主要成份的反应物的利用，以改善配有涡轮压气机的内燃发动机的功能。

    燃烧碳氢燃料特别是在柴油发动机内燃烧柴油时，在燃烧产物中含碳产物或含碳氢的产物会形成碳粒，在说明书后面将其称之为“炭黑”，这些炭黑无论对环境还是对高级哺乳动物的健康都是有害的。

    另外，这些炭黑污染和阻塞涡轮压气机的环路。炭黑的积聚可影响发动机-涡轮压气机机组的正常工作。

    长期以来，人们寻求减少炭黑的排出的方法，这种寻求应考虑避免增加一氧化碳和/或被认为是有毒的气体和致变物例如氮的氧化物的排出。

    为了减少碳的排出，已提出许多解决方案。给所述的空气发动机装一个排气过滤器，以滤出所形成的颗粒。

    以前，在法国专利No2359199中，提出添加铈的乙酰乙酸盐，来减少低速柴油发动机的颗粒的排出，但效果不大明显。最近，欧洲专利申请n°0193369提出在碳氢燃料中以氧化物的形式添加氧，以改善这个系统。同样，对于空气发动机，炭黑排出的减少是有限的，只下降14%。

    技术、经济和立法的发展极大地改变了这个问题。越来越频繁的要求高性能高速的发动机，利用的功率超过最大功率的一半以及对发动机所用燃料的改变，这些都改变了问题的实质，使问题变得更难解决。事实上，当使用不同的更加精制的汽油导致使用被认为是产生煤烟的燃烧的芳香族的燃料时，使发动机发挥出更高的功率会产生大量炭黑。

    因此，为了大量减少炭黑的产生，在排气通道上安装颗粒过滤器，通过燃烧炭黑使这种过滤器再生。

    涡轮加压发动机所产生的问题是复杂的，这是由于排气环路可被炭黑产物阻塞，达到防害发动机工作的程度，炭黑排出减少约为10%不能解决这种问题。

    另外，在实际操作中，配有“涡轮”的内燃机特别是柴油机，在足够长的时间内，实际上不排出为了使颗粒单独地很好燃烧所需的温度相当高的排出气体。换言之，颗粒的点火温度达不到。

    落在涡轮压气机零件上的颗粒大部分温度较低，因为它们和与外部空气接触的壁接触，因此被冷却。换言之，如果停留的时间长，反而温度低不足以使颗粒点火，这就导致这方面的专家认为，用于空气柴油发动机的任何燃烧方法不能转用于涡轮加压内燃发动机，特别是柴油发动机。

    在这方面，在本发明之前甚至做了实验，但没有成功。

    因此，本发明的目的是提供一种避免碳颗粒积聚在涡轮压气机的环路中的方法。

    本发明的另一个目的是提供一种即使在柴油发动机配有涡轮压气机时可以除去微粒的方法。

    本发明的又一个目的是提供一种使更细的微粒氧化及减少这个系统排出的没有全部烧完的炭黑的量。

    在下面将变得显然的这些和其它目的，通过配有涡轮压气机的内然发动机的处理方法得以实现，按照这种方法，将含有至少一种稀土元素的化合物供给所说的配有涡轮压气机地内然发动机。

    把稀土元素加入发动机可特别采用的方法是，或直接加入燃烧室，或通过含有至少一种稀土元素化合物的燃料，或把这两种方法结合起来。这样，一方面可以以含有一种或几种稀土元素的碳氢燃料的形式间接地将稀土元素加入燃烧室，另一方面通过运输稀土元素的炭黑随着或不随着运输炭黑的排出气体一起进行循环将稀土元素送入燃烧室。

    实际上，为了作意外的补充，应指出添加铈或所有其它稀土元素可避免大部分碳沉积在涡轮压气机内和零件上，便于机器的使用和运行。与已有技术的教导相反，即使发动机输出大部分扭矩，涡轮也是干净的。超过最大负荷的一半，最好超过最大负荷的三分之二，可确保涡轮压气机的环路干净。

    本发明特别适于转速超过1000转/分的发动机，超过1250转/分较好，优选为1800转/分。

    按照本发明，功率或转速是否总是所期望的值不是必要的，不过有时希望它们中的一个是所期望的。如所指出的，运行时期望这个值或这些值至少为5%，为10%较好，为20%最好。

    为了作意外的补充，当把加有以稀土元素为主要成份的化合物的碳氢燃料供给涡轮加压的发动机时，在柴油发动机的涡轮压气机中占优势的状态是，例如得到碳颗粒的燃烧，一般地说，这会污染所说的涡轮加压发动机的排出管线。

    当内然发动机是配有涡轮压气机的柴油发动机时，在发动机的运行作了许多改进时，结果是特别令人信服的。

    现在还找不到对这种现象的肯定的解释。

    优选的稀土元素是铈，钕和和它们的混合物。

    不过，现在最好的结果是利用铈所得到的结果。

    在对发动机排气的催化作用方面，优选采用这些金属的氧化物，如Ⅳ价的铈的氧化物或Ⅲ价的其它稀土金属的氧化物。

    可以采用稀土元素的混合物，但在这种情况下铈和/或最好是多数成份。

    通常，通过将稀土元素的衍生物例如它们的盐或它们的溶胶加入碳氢燃料中，从而将稀土元素加入炭黑中。

    应强调指出的是，将一种或几种稀土元素加入燃料中所采用的形式对在炭黑中存在的结晶和结块的大小不是没有影响，炭黑中的稀土元素结晶和结块的大小影响稀土元素的催化能力（参看1992.11.25提交的名称为“四价铈的氢化物的晶块，减少燃烧残留物的方法及其应用”的法国专利申请No92/14158）。

    另外，在选择作为催化剂的这种元素时，某些化合物特别是Ⅲ价铈盐的寿命在有机介质中常常是低的且在催化效果方面产生不良结果。所以当需要采用铈时，按欧洲专利申请No93/304760.7和申请公开No0575189所述或选用它的溶胶或选用它的盐。另一种解决方案是把即时配制的不稳定产物加入汽油油箱中或加入补充所说的合成的稳定剂的容器中。

    可方便地确定加入发动机内的稀土元素的量，使得炭黑中稀土元素的含量（所含的全部金属）达到1000ppm至30%的水平，至少为5000ppm较好，至少5%更好些，至多25%是较好的，至多10%更好些。在欧洲专利申请No93/304760.7的循环中，满意的值平均是5%至10%。

    为了取得效果，应根据所用碳氢燃料的特性调节加入的稀土元素，以便获得上述的炭黑中的稀土含量。通常加入的稀土元素（所含的全部金属）就含碳燃料（例如汽油）而言至少为20ppm，至少为50ppm好些，至少为100ppm更好。当通过碳氢燃料加入稀土元素时，加入的量与碳氢燃料的稀土元素含量相符。

    燃料中的稀土元素的含量由于成本的原因最好不超过500ppm。

    成形的铈的氧化物的粒度测定例如d₈₀至多等于10000（1000微毫米），d₈₀等于5000（500微毫米）较好。

    粒度测定d₂₀大于200（20微毫米），d₂₀等于500（50微毫米）较好。

    因此，按照本发明可制订出以稀土元素为主要成份的组合物的新用途。

    在涡轮压气机的下游有没有过滤器的情况下都可利用本发明。

    本发明特别适用于高速柴油发动机（与低速内燃机比较），这些发动机的主要用途在于陆上运输，例如载重卡车（载重汽车、大客车）和大型车辆。关于高速柴油发动机，指的是在其转速至少等于1500转/分时达到最大功率的发动机，在转速至少等于1800转/分时达到最大功率更好。

    最好的结果是采用其全部成份的95%是在常压和至少160℃下蒸馏出的汽油作燃料而获得的，其全部成份的95%是在常压和180℃时蒸馏出的汽油较好;在常压和400℃的温度下其全部成份的95%是易挥发的，在常压和360℃温度下其全部成份的95%是易挥发的好些。

    在遵守上述蒸馏条件的情况下，采用含芳族成份高的汽油比采用含肪族成份高的汽油所得到的结果好。

    在使用条件（特别是发动机的环境温度）下所述的组成常常是液态的稀土元素化合物，采用溶胶形式溶解在含碳氢的稀释剂中，特别是溶解在燃料中，其中包括汽油。

    因此本发明特别适用于两种碳氢燃烧，它们的芳族含量很高[芳族衍生物的含量至少为1/5，含量为1/3更好]，因为本发明可以采用这些如果没有本发明会导致很紊乱的沉淀的碳氢燃料。

    另外，现在述及所说的石蜡碳氢燃料（即所说的混合物），石蜡含量至少为30%，效果更加明显。正在研究这些碳氢燃料，以符合更加严格的新标准。对于这种组成，希望芳族（全部）的含量至多为1/5，为1/10较好，为1/20更好。

    下面描述本发明的非限制性实例。

    实例

    测试两种发电机

    所用的发动机：

    下面规格的Cummins发动机。

    1.发动机的规格

     汽缸工作容积升8.3汽缸的数目-6个成列最大功率下的转速转／分2200最大功率KW（马力）209（280）最大扭矩下的转速转／分1300最大扭矩Nm（磅-英尺）1060（780）最大有效平均压力巴16增压涡轮压气机

    结合扭矩/功率曲线（图2）

    2.发动机“A”的运行状况：

    采用（C₈H₁₆O₂）₂（C₈H₁₅O₂）₂CeO作燃料（汽油中含100ppm的Ce）在110%的名义最大转速和110%的名义满负荷下运转1000小时。

    排气温度约520℃

    排气管线上无颗粒过滤器

    所用的汽油的2种样品的分析写在附录中。

    3.发动机“B”的运行状况：

    采用（C₁₈H₁₆O₂）₂（C₈H₁₅O₂）₂CeO作燃料，具有颗粒过滤器，运转2000小时，其中：

    在110%的名义最大转速和110%的名义满负荷下运转500小时（汽油中含100ppm的Ce）。在过滤器所产生的反压力下，排气温度在535℃和650℃之间。

    采用含100ppm的Ce的上述汽油在附图（图1）所示的两种状态下循环运转280小时。

    采用含100ppm的Ce的上述汽油在1310转/分的转速和190磅-英尺的扭矩下运转120小时。在过滤器所产生的反压力下，排气温度在260℃和320℃之间。

    采用含25ppm的Ce的上述汽油，在1310转/分的转速和190磅-英尺的扭矩下运转270小时。在过滤器所产生的反压力下，排气温度在260℃和340℃之间。

    采用含10ppm的Ce的上述汽油，在1310转/分的转速和190磅-英尺的扭矩下运转830小时。在过滤器所产生的反压力下，排气温度在260℃和340℃之间。

    在两种情况下，正如发动机A和发动机B的照片所示，沉淀是白色，在没有本发明的稀土元素的情况下沉淀是黑色的。与通常的大量沉淀的黑色炭黑相比是十分明显的。

    在测试发动机A时检验两种汽油，它们的分析结果如下：

    测试  EM-1649F  EM-1649A-F

    利用荧光X测试的硫  0.039  0.039

    (采用ASTMD4294的XRF)

    %(重)

    蒸馏,D86,°F  379  369

    初沸点(IBP:初沸点)

    10%  442  435

    50%  511  511

    90%  599  599

    终沸点(FBP:终沸点)  644  644

    密度(美国石油工业比重)  34.39  34.17

    ASTMD4052

    芳族含量[%(单位重量)]  34.22  32.54

    ASTMD5186