ES2236255T3 - Aditivo de combustible. - Google Patents

Aditivo de combustible.

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ES2236255T3 ES01945486T ES01945486T ES2236255T3 ES 2236255 T3 ES2236255 T3 ES 2236255T3 ES 01945486 T ES01945486 T ES 01945486T ES 01945486 T ES01945486 T ES 01945486T ES 2236255 T3 ES2236255 T3 ES 2236255T3
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Abstract

Método para mejorar la eficacia con la que el combustible se quema en un equipo de combustión del combustible y/o método para reducir las emisiones producidas por un combustible que se quema en un aparato de combustión de combustible, caracterizado porque dicho método comprende la dispersión de una cantidad de al menos un óxido de lantánido particulado en el combustible y porque el óxido de lantánido está revestido de anhídrido carboxílico de alquilo.

Description

Aditivo para combustible.
La presente invención se refiere a un método para mejorar la eficacia de los procesos de combustión y/o reducir las emisiones perjudiciales. Asimismo, la presente invención se refiere a un aditivo líquido para combustibles adecuado para dispersar un óxido de lantánido (tierra rara) en un combustible.
Se sabe que los compuestos de lantánidos y, en especial, los compuestos organometálicos del cerio, son aditivos útiles para el combustible, puesto que precisamente ayudan a la combustión. Se cree que estos compuestos se absorben en los asfaltenos que están siempre presentes en el aceite de combustible. Durante el proceso de combustión, se forman óxidos de metal y, debido al efecto catalítico que tienen los óxidos de tierra rara en la combustión de asfaltenos, reducen la cantidad de componentes no quemados que se liberan durante la combustión. Así, los aditivos lantánidos organometálicos del combustible permiten mejorar la combustión y reducir las emisiones perjudiciales.
Diversos documentos de la técnica anterior describen el uso de compuestos de lantánidos como aditivos para combustibles. Por ejemplo, la patente francesa 2.172.797 describe sales ácidas orgánicas preparadas de tierras raras, sobre todo del cerio, que resultan útiles como ayudas para la combustión. El uso de sales ácidas orgánicas de compuestos de tierra rara se hizo necesario cuando se descubrió que estos compuestos son solubles en los combustibles.
La patente 4.264.335 describe el uso del 2-etilhexanoato de cerio para suprimir los requisitos de octano de un motor de combustión interna accionado con gasolina. El 2-etilhexanoato de cerio resultó ser más soluble en la gasolina que el octanoato de cerio.
La patente US 5.240.896 describe el uso de un material cerámico que contiene un óxido de tierra rara. El material de cerámica es insoluble en el combustible. Se dice que la combustión del combustible líquido se acelera en contacto con la cerámica sólida.
La patente europea 0485551 describe un dispositivo que transporta partículas secas de un óxido de tierra rara directamente a la cámara de combustión de un motor de combustión interna a través del sistema de admisión de aire.
Por lo general, los aditivos descritos en la técnica anterior emplean sales ácidas orgánicas de óxidos de tierra rara en la cámara de combustión. Así, los óxidos de tierra rara son los compuestos catalíticos activos.
Las sales ácidas orgánicas de lantánidos, tales como el cerio, suelen ser líquidos altamente viscosos o sólidos con punto de fusión muy bajo. Estos compuestos son inherentemente difíciles de introducir en el combustible de forma cómoda. Además, tales materiales presentan una fabricación muy cara y son difíciles de manejar.
Aunque los óxidos de lantánido pueden comprarse en grandes cantidades a un coste relativamente bajo, estos compuestos no se consideran adecuados para su uso en combustibles para motores de combustión interna. En general es deseable evitar tener material particulado disperso en el sistema de combustible y en la cámara de combustión de un motor de combustión de interna. Se sabe que los materiales en partículas bloquean los filtros de combustible y también actúan como agentes abrasivos que tienen efectos dañinos en los pistones y en la cámara de combustión del motor. El óxido de cerio es un agente abrasivo particularmente bien conocido.
Uno de los objetivos de la presente invención consiste en proporcionar un método para mejorar la eficacia de la combustión de, por ejemplo, un motor de combustión interna, que es menos costoso y más conveniente que los métodos que se describen en la técnica anterior.
Correspondientemente, la presente invención ofrece un método para mejorar la eficacia con la que el combustible se quema en un equipo de combustión del combustible y/o un método para reducir las emisiones producidas por un combustible que se quema en un equipo de combustión de combustible, en donde dicho método comprende la dispersión de una cantidad de al menos un óxido de lantánido particulado en el combustible y en donde el óxido de lantánido está revestido de anhídrido carboxílico de alquilo.
Cuando se emplea el método de la presente invención, el equipo de combustión de combustible puede ser, por ejemplo, una caldera, un horno, un motor de reacción o un motor de combustión interna. Un combustible que contiene una dispersión del óxido de lantánido como el descrito antes se suministra a la cámara de combustión de un motor de combustión interna, o bien a la cámara de combustión o al cabezal de boquilla de una unidad quemadora. Preferiblemente, el equipo de combustión de combustible es un motor de combustión interna. El motor de combustión interna puede ser de cualquier tipo que incluya motores de encendido por chispas y motores de encendido por compresión. De manera similar, el combustible puede ser de cualquier tipo, incluida la gasolina (con y sin plomo), el diesel y el gas licuado de petróleo (LPG, por sus siglas en inglés).
Cuando se utiliza el método de la presente invención, particularmente en un motor de combustión interna, la cantidad de combustibles perjudiciales se reduce. Estos combustibles incluyen, por ejemplo, CO, CO_{2}, hidrocarbonos (HCs) y NO_{x}. La reducción en la cantidad de combustibles dañinos puede eliminar la necesidad de tener un convertidor catalítico en algunos vehículos. Además, la reducción en la cantidad de combustibles dañinos que se pude obtener si se aplica el método de la presente invención puede traducirse un coste significativamente más bajo que cuando se emplea un convertidor catalítico, que requiere metales preciosos como el rodio, el platino y el paladio.
Además, el método de la presente invención mejora la eficacia de la combustión de, por ejemplo, un motor de combustión interna (en adelante, "motor"). Correspondientemente, el motor presentará beneficios tales como la menor acumulación de carbón en los inyectores y cámaras de combustión, el aumento en la potencia y el par motor, la reducción en el desgaste del motor, la reducción en el consumo de combustible y la reducción en el número de fallos de encendido que se producen en la mayor parte de los motores. Otros beneficios adicionales incluyen la disminución en el consumo de aceite de lubricación y un aumento en la vida útil del mismo. De haberlo, la vida del convertidor catalítico también se alarga, puesto que la cantidad de hidrocarbonos no quemados que entran en el catalizador es más reducida y porque el catalizador se recarga a través de los depósitos de óxido de lantánido.
Una ventaja importante de la presente invención consiste en que puede aplicarse a los vehículos ya existentes, incluidos los que tienen un motor con combustible sin plomo. Por otro lado, los vehículos que no pueden utilizar combustible sin plomo debido a la presencia de asientos de válvula podrán utilizar este combustible sin plomo si emplean el método de la presente invención. Por ejemplo, la inclusión de óxido de cerio en el combustible conferirá a éste las mismas propiedades protectoras que el plomo tetraetilo para impedir el retroceso del asiento de la válvula. Además, el óxido de cerio puede suprimir los requisitos de octano de un motor, por lo que constituye un agente mejorador de octano.
Tal como se utiliza aquí, el término "lantánido" incluye cualquiera de los elementos de tierra rara, es decir, cualquier elemento cuyo número atómico oscile entre 58 y 71, incluidos también el escandio, el itrio y el lantano.
Preferiblemente, el óxido de lantano comprende un lantánido seleccionado del cerio, lantano, neodimio y praseodimio. Preferiblemente, el óxido de lantánido es CeO_{2}.
Como se utiliza aquí, el término "dispersión" se refiere a la suspensión persistente o a la emulsión de partículas sólidas en un medio líquido o una solución de un sólido disuelto en un medio líquido. El término "dispersión" no incluye un líquido que comprenda partículas sólidas que se dispersan inicialmente, pero después se sedimentan.
La naturaleza en partículas del óxido de lantánido facilita su dispersión en el combustible. Las partículas del óxido de lantánido añadidas al combustible son partículas discretas y no agregados. Por lo tanto, el término "tamaño de partícula" tal como se utiliza aquí se refiere al tamaño primario de partícula. Preferiblemente, el tamaño medio de partícula del óxido de lantánido oscila entre 1 nm y 100 micrones. Más preferiblemente, el tamaño medio de partícula oscila entre 1 nm y 5 micrones, más preferiblemente entre 1 m, y 0,5 micrones, más preferiblemente entre 1 nm y 50 nm y más preferiblemente entre 1 nm y 10 nm.
El tamaño de partícula del óxido de lantánido afecta al grado en el que el compuesto se dispersa en el combustible. En general, se prefiere un tamaño medio de partícula pequeño (inferior a 5 micrones), puesto que las partículas pequeñas se dispersan normalmente con mucha más facilidad en los combustibles que las partículas grandes.
Las partículas de óxido de lantánido pueden producirse mediante métodos conocidos en la técnica, como es la molienda mecánica. El molino puede impartir una vibración de alta frecuencia y baja amplitud al óxido de lantánido, puesto que está molido. Otros métodos adecuados conocidos en la técnica incluyen la condensación de vapor, la síntesis por combustión, la síntesis termoquímica, el procedimiento sol-gel y la precipitación química. Los métodos preferidos para producir partículas de óxido de lantánido son el procedimiento químico mecánico (consulte US 6.203.768) y la síntesis con vapor de plasma (consulte 5.874.684. US 5.514.349 y US 5.460.701).
Preferiblemente, las partículas suelen tener forma esferoide.
El tamaño de partícula del óxido de lantánido puede medirse con cualquier método útil, como puede ser el análisis de difracción por láser o la espectrometría ultrasónica.
La cantidad de óxido de lantánido requerido dependerá del área de superficie total de las partículas de óxido de lantánido y también de la capacidad del depósito de combustible. Correspondientemente, cuanto menor sea el tamaño de partícula, menor será también la cantidad de óxido de lantánido requerido, puesto que las partículas más pequeñas tienen una mayor proporción entre área de superficie y volumen y presentan capacidades catalíticas mejoradas gracias a la alta tensión de sus átomos de superficie, que los hace extremadamente reactivos. Preferiblemente, las partículas de óxido de lantánido tienen un área de superficie de al menos 20 m^{2}/g, más preferiblemente de al menos 50 m^{2}/g, y más preferiblemente de al menos 80 m^{2}/g. Preferiblemente, la cantidad de óxido de lantánido añadida al combustible debe ser tal que su concentración oscile entre 0,1 y 400 ppm. Más preferiblemente, la concentración del óxido de lantánido oscila entre 0,1 y 100 ppm, más preferiblemente entre 1 y 50 ppm y más preferiblemente entre 1 y 10 ppm.
Se ha visto que las partículas de óxido de cerio producidas por la síntesis con vapor de plasma retienen su alta área de superficie a altas temperaturas. Por alta temperatura se entiende la típica temperatura de combustión de un motor de combustión interna. Por lo general, el área de superficie tiende a disminuir a altas temperaturas en la mayor parte de las partículas. No obstante, otra ventaja de la presente invención consiste en que las partículas del óxido de cerio producidas por la síntesis con vapor de plasma o con el procedimiento químico mecánico no pierden el área de superficie a altas temperaturas, lo que permite utilizarlas a concentraciones que oscilen entre 1 y 10 ppm.
El óxido de lantánido está revestido con un anhídrido carboxílico de alquilo que hace que la superficie del compuesto lantánido se vuelva lipofílica. El revestimiento lipofílico contribuye a la dispersión de los óxidos de lantánido en combustibles y también ayuda a prevenir la aglomeración de las partículas. En algunos casos, el revestimiento lipofílico permite una solubilización completa del óxido de lantánido en el combustible. El revestimiento lipofílico también impide que las partículas de óxido de lantánido reaccionen con el combustible durante su almacenamiento en el depósito de combustible. La reacción del óxido de lantánido y del combustible durante su almacenamiento no es en absoluto deseable, puesto que deja depósitos sólidos en el combustible.
Las partículas pueden estar recubiertas mediante cualquier método adecuado de revestimiento de la técnica. En las patentes US 5.993.967 y US 6.033.781 se describen métodos de revestimiento adecuados.
El anhídrido carboxílico de alquilo actúa como agente tensioactivo. La parte lipofóbica de la molécula se incorpora en la partícula del óxido de lantánido, por lo que deja que la parte lipofílica de la molécula interactúe con el combustible.
En la presente invención, las partículas de óxido de lantánido recubiertas que están dispersas en el combustible se descomponen inmediatamente después de entrar en la cámara de combustión de un motor de combustión interna. El recubrimiento lipofílico se descompone rápidamente en la cámara de combustión, con lo que se garantiza que la actividad catalítica del óxido no se vea dañada.
En el método de la presente invención pueden añadirse otros materiales al combustible aparte del óxido de lantánido. Estos otros materiales deben dispersarse en el combustible, pero sin interferir con el proceso de combustión o bloquear los filtros. Entre los materiales adecuados cabe incluir cualquier ayuda de combustión alternativa de las que se conocen en la técnica. Como ejemplos de ayudas de combustión alternativas cabe citar los compuestos de manganeso, hierro, cobalto, níquel, bario, estroncio, calcio y litio. Estas ayudas para la combustión se describen en las patentes US 6.096.104 y 4.568.360, cuyo contenido se incorpora aquí mediante las referencias correspondiente.
Además, en el método de la presente invención también pueden añadirse al combustible compuestos tales como fragancias. Como ejemplos de fragancias adecuadas cabe citar el aceite de jazmín, de vainilla o de eucalipto.
Preferiblemente, el combustible debe ser adecuado para su uso en un motor de combustión interna. Ejemplos de tales combustibles son la gasolina, el diesel o el gas licuado de petróleo (LPG, por sus siglas en inglés).
Tal como se utiliza aquí, el término "alquilo" se refiere a un radical hidrocarbilo ramificado o no, cíclico o acíclico, saturado o insaturado (por ejemplo, alquenilo o alquinilo).
En otra realización de la presente invención se proporciona un aditivo líquido para el combustible que resulta adecuado para la dispersión de al menos un óxido de lantánido en el combustible, el cual comprende una dispersión en un medio líquido orgánico de al menos un óxido de lantánido recubierto como el que hemos descrito antes. El óxido de lantánido está recubierto con una capa de anhídrido carboxílico de alquilo como el que hemos descrito antes. El aditivo líquido del combustible puede mezclarse en los suministros en grandes cantidades de combustibles o proporcionarse en forma de un líquido de disolución instantánea que se añade al depósito de combustible del vehículo. El aditivo líquido también puede incluir agentes tensioactivos estabilizadores, tales como los agentes tensioactivos con HLB. Preferiblemente el HLB del agente tensioactivo es 7 o menos, más preferiblemente 4 o menos. Ejemplos de agentes tensioactivos con HLB bajo son los ácidos carboxílicos de alquilo, los anhídridos y los ésteres que tienen al menos un grupo alquilo C_{10}-C_{30}, como el anhídrido dodecenilsuccínico (DDSA), el ácido esteárico, el ácido oleico, el tristearato de sorbitano y el monostearato de glicerol. Otros ejemplos de agentes tensioactivos con HLB son los ácidos carboxílicos de hidroxialquilo y ésteres que tienen al menos un grupo hidroxialquilo C_{10}-C_{30}, como Lubrizol® OS11211.
Correspondientemente, el óxido de lantánido puede encontrarse en forma de polvo suelto o de aditivo líquido para combustible. Estos pueden dispensarse en los combustibles de forma manual (por ejemplo, mediante la adición del depósito de combustible en el momento de repostar), o con la ayuda de un dispositivo de dosificación eléctrico o mecánico adecuado que se puede utilizar para introducir automáticamente la dosis apropiada de óxido de lantánido en el combustible.
Las realizaciones específicas de la presente invención se describirán a continuación mediante ejemplos.
Ejemplo 1
Se añadió óxido de cerio recubierto con DDSA a un combustible diesel a una concentración de 4 ppm. El tamaño medio de partícula del óxido de cerio antes del recubrimiento era de 10 nm. Este tamaño de partícula da un área de superficie de aproximadamente 80 m^{2} por gramo si se mide con un método de adsorción de nitrógeno estándar. Las partículas se crearon mediante síntesis con vapor de plasma. El combustible se utilizó en un motor diesel estático acoplado a un dinamómetro y a un equipo de emisión de humos. Después de añadir el combustible dosificado, se observó el aumento del par motor y de la potencia. Además, la opacidad del humo se redujo a cero entre 1.000 y 2.000 rpm. Entre 2.000 y 2.500 rpm, el humo se redujo en un 30%.
Ejemplo 2
Se añadió óxido de cerio recubierto con DDSA a un combustible de un Jaguar S de 1998 tipo 3.0 a una concentración de 4 ppm. El tamaño de partícula del óxido de cerio antes del recubrimiento era de 5 nm. Este tamaño de partícula da un área de superficie de aproximadamente 150 m^{2} por gramo si se mide con un método de adsorción de nitrógeno estándar. Las partículas se crearon mediante síntesis con vapor de plasma. La economía media del combustible aumento de 27,1 mpg a 30,5 mpg después de añadir el óxido de erio al combustible.
Los ejemplos citados antes demuestran claramente que la adición de un óxido de lantánido según la presente invención al combustible de los vehículos mejora su rendimiento y, además, reduce el autoencendido y las emisiones. Además, no se observaron obstrucciones en los filtros ni un desgaste excesivo del pistón.
Por supuesto, debe entenderse que la presente invención se ha descrito sólo a partir de ejemplos y que pueden incluirse modificaciones de los detalles dentro del ámbito de la invención, tal como se define en la reivindicaciones.

Claims (10)

1. Método para mejorar la eficacia con la que el combustible se quema en un equipo de combustión del combustible y/o método para reducir las emisiones producidas por un combustible que se quema en un aparato de combustión de combustible, caracterizado porque dicho método comprende la dispersión de una cantidad de al menos un óxido de lantánido particulado en el combustible y porque el óxido de lantánido está revestido de anhídrido carboxílico de alquilo.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un óxido de lantánido comprende un lantánido seleccionado del grupo que consta de cerio, lantano, neodimio y praseodimio.
3. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque al menos un óxido de lantánido es CeO_{2}.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos un óxido de lantánido tiene un tamaño de partícula que oscila entre 1 y 50 nm.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos un óxido de lantánido se crea mediante la síntesis con vapor de plasma o con un procedimiento químico mecánico.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el óxido de lantánido está recubierto de anhídrido dodecenilsuccínico.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el equipo de combustión de combustible es un motor de combustión interna.
8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque la concentración del óxido de lantánido en el combustible oscila entre 1 y 10 ppm.
9. Aditivo líquido para el combustible que resulta adecuado para la dispersión de al menos un óxido de lantánido en el combustible, caracterizado porque comprende una dispersión en un medio líquido orgánico de al menos un óxido de lantánido como el definido en las reivindicaciones 1 a 6.
10. Combustible para un motor de combustión interna, caracterizado porque dicho combustible tiene disperso en él al menos un óxido de lantánido como el descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
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