PL177895B1

PL177895B1 - Paliwo do silników spalinowych

Info

Publication number: PL177895B1
Application number: PL94310675A
Authority: PL
Inventors: Walter Thunker; Gabriele Lohmann; Arnim Marschewski; Tage Ib Nielsen; Christian Lützen
Original assignee: Dampskibsselskabet Af 1912; Pluto Chem Betriebe; Svendborg Dampskibs As
Priority date: 1993-03-20
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 2000-01-31
Also published as: FI954422L; KR100274093B1; EP0689577B1; EP0689577A1; BR9405903A; NO953659L; JP3599337B2; NO953659D0; IS1813B; DE59401861D1; FI954422A0; CA2156747C; WO1994021755A3; CN1119455A; AU677388B2; JPH08508763A; GR3023491T3; IS4140A; DE4309066A1; WO1994021755A2

Abstract

1. Paliwo do silników spalinowych o gestosci od 0,9 do 1,01 kg/cm3 , znamienne tym, ze ferrocen i/lub pochodne ferrocenu w ilosciach od 1 do 100 ppm, zwlaszcza od 5 do 50 ppm, zwykle zas od 10 do 30 ppm, do za silania silników wysokopreznych o liczbie obrotów od 900 do 50, zwykle od 200 do 50 obr/min. PL

Description

Przedmiotem wynalazkujest zastosowanie ferrocenu i/lub ferrocenujako dodatku do cięższych paliw silnikowych, przeznaczonych do silników wysokoprężnych.

Ferrocen i jego pochodne są znane z literatury. Ferrocen i sposób jego wytwarzania zostały po raz pierwszy opisane w Nature 168 (1951), strona 1039. Od tego czasu ferrocen i jego pochodne, a także odpowiednie sposoby wytwarzania stały się przedmiotem licznych patentów, np. US 2 630 756, US 2 769 828, US 2 834 796, US 2 898 360, US 3 035 968, US 3 238158 i US 3 437 634.

Wiadomo również z literatury patentowej, że ferrocen może mieć korzystny wpływ na procesy spalania,. DE 3418 648 poza wieloma innymi związkami wymienia także ferrocenjako dodatek, który można stosować w celu optymalizacji spalania oleju opałowego, tzn. w celu ułatwienia transportu oleju opałowego przez palnik i całkowitego spalania oleju opałowego.

W US 4 389 220 opisano sposób kondycjonowania silnika wysokoprężnego. W tym celu do paliwa silnikowego dodano 20 do 30 ppm ferrocenu. Powinno to spowodować usunięcie zawierających węgiel nalotów w komorze spalania i zapobiec powstawaniu nowych. Jednocześnie stwierdzono, że użycie tych środków zmniejsza zużycie paliwa na przejechanym odcinku nawet o 5%. Pod pojęciem paliwa silnikowego rozumie się tutaj paliwo, które jest znane jako „No. 2 fuel oil” według ASTM. Tego rodzaju paliwo stanowi produkt średniej destylacji procesów rafinacj i oleju ziemnego i jest dostępne na stacjach paliwowych pod nazwą „Diesel”. Na paliwie tym pracują przeważnie czterosuwowe silniki Diesla w pojazdach samochodowych, np. samochodach osobowych, autobusach, samochodach ciężarowych. Wspomniane paliwo odpowiada DIN 51601, agatunkowo jest zbliżone do oleju opałowego EL. Jest to zatem gatunek paliwa lekkiego lub średniego.

Duże silniki o niskiej liczbie obrotów, jakie stosuje się np. na statkach lub w wytwornicach prądu, pracują na paliwach cięższych. Występujący tutaj problem polega na tym, że działanie dołączonych do silnika urządzeń może być zakłócane przez obecność nalotów, zawierających węgiel. Tego rodzaju urządzenia to przede wszystkim turbozespoły ładujące oraz wymienniki ciepła. Niepożądane sąjednak również naloty na zaworach, pierścieniach tłoków oraz w komorze spalania, ponieważ mogąone prowadzić do zmniejszenia mocy silnika i/lub do wzrostu zużycia odnośnych części.

Zadaniem wynalazku jest zminimalizowanie ilości wspomnianych nalotów, ewentualnie ułatwienie ich usuwania. Zadanie to zostało zgodnie z wynalazkiem rozwiązane poprzez zastosowanie ferrocenu i/lub pochodnych ferrocenu jako dodatku do cięższego paliwa silnikowego w silnikach wysokoprężnych.

177 895

Właśnie w przypadku zasilania takich dużych silników cięższymi paliwami dodatek ferrocenu okazał się wyjątkowo korzystny. Dotyczy to, zwłaszcza stosunkowo dużych silników, a zatem silników o mocy od 400 do 100 000, zwykle 15 000 do 50 000, zwłaszcza ponad 30 000 kW. Im cięższe jest paliwo, tym wcześniej z reguły występująproblemy związane ze wspomnianymi nalotami. W paliwach tych dodatek ferrocenu okazał się wyjątkowo skuteczny. Jest to tym bardziej zaskakujące, że wiadomo było, iż ferrocen jest bardzo skuteczny w przypadku procesów spalania lekkiego oleju opałowego, natomiast mniej skuteczny w przypadku ciężkiego oleju opałowego.

Zgodnie z wynalazkiem zastosowanie jest szczególnie korzystne, zwłaszcza w przypadku gatunków paliw, znanych jako olej opałowy Marine, gatunek „Bunker C”, olej napędowy Marine, ewentualnie destylowany olej napędowy Marine. Jak łatwo domyśleć się na podstawie nazw powyższych gatunków paliw, są one najczęściej stosowane do silników okrętowych.

Brane pod uwagę paliwa to np. pozostałości z atmosferycznej destylacji oleju surowego, produkty destylacji próżniowej lub katalicznego procesu krakowania. Gęstość tych paliw leży zwykle w przedziale między 0,9 i 1,0 kg/dm³. Dokładniejsząklasyfikację tych paliw można przeprowadzić w oparciu o ISO 82 17. Paliwa sątam podzielone na dwie klasy, tzw. destylowane paliwa okrętowe (Marine Destyllate Fuels) i tzw. ciężkie redukaty (Heavy Residual Fuels). Pierwsza grupa otrzymuje oznaczenie DM, druga RM. Niektóre typy zostały przykładowo podane niżej wraz z ich najważniejszymi własnościami, jak gęstość, lepkość, zawartość siarki i pozostałość węgla.

Tabela

	DMB	DMC	RMA 10	RMG35	RMH45
Gęstość kg/dm³	0,90	0,92	0,95	0,991	1,010
Max. lepkość kinematyczna cST w 40°C	11,0	14,0
w 100°C	-	-	10	35	45
Max. pozostałość węgla % wag.	0,25	2,5	12	18	22
Max. zawartość siarki % wag.	2,0	2,0	3,5	5,0	5,0

Wszystkie typy DM i RM można stosować w sensie niniejszego wynalazku jako paliwa.

Wiele silników dużych statków oceanicznych to silniki dwusuwowe. W ich przypadku wynalazek nabiera szczególnego znaczenia. Dotyczy to, zwłaszcza silników o niskiej liczbie obrotów od 900 do 50, zwykle od 200 do 50 obrotów/min, zwłaszcza zaś nie przekraczającej 100 obrotów/min. Zgodny z wynalazkiem dodatek pozwala jednak osiągnąć dobre wyniki również w przypadku silników o wyższej liczbie obrotów, a także silników czterosuwowych.

Dobre rezultaty osiągnięto stosując dodatek ferrocenu w ilości od 1 do 100 ppm. Przy ilości mniejszej niż 1 ppm efekty nie są na tyle wyraźne, by można było mówić o znacznej poprawie w stosunku do paliwa bez domieszki. Przy zawartości dodatku powyżej 100 ppm osiąga się granicę, po przekroczeniu której dalsze zwiększanie ilości dodatku nie powoduje znaczących zmian. Z reguły zaleca się przedział od 5 do 50 ppm. Przedział optymalny zawiera się w granicach od 10 do 30 ppm. Dodawanie środka może przebiegać np. w ten sposób, że rozpuszcza się go w części paliwa, po czym roztwór ten doprowadza do głównego strumienia paliwa przy pomocy np. pompy dozującej.

Zamiast ferrocenu można przynajmniej częściowo stosowaćjego pochodne. Pochodne ferrocenu to takie związki, w których w podstawowej cząsteczce ferrocenu najednym lub obu pierścieniach dwucyklopentadienylowych znajdują się inne podstawniki. Jako przykłady można wymienić ferrocen etylowy, ferrocen butylowy, ferrocen acetylowy i 2,2-bis-etyloferrocenylopropan.

177 895

Wynalazek pozwala znacznie zmniejszyć ilość nalotów, pochodzących zarówno z używanego cięższego paliwa, jak też z oleju do smarowania.

Naloty zakłócają po części w istotny sposób działanie podłączonych do silnika urządzeń, j ak turbozespoły ląduj ące i wymienniki ciepła, a także takich części silnika, j ak zawory i pierścienie tłoków. Usunięcie nalotów wymaga często poważnych nakładów. Tak np. w dużych statkach oceanicznych w celu oczyszczenia dołączonych do silnika turbozespołów ładuj ących w strumieniu gazów wylotowych wdmuchuje się zwykle rozdrobnione łupiny orzechów lub ryż. Ten tzw. „softblasting” powoduje usunięcie większej części nalotów z wirników i pierścienia dyszowego. Procedura ta jest wykonywana przeważne codziennie, a w razie potrzeby nawet dwa razy dziennie, jeżeli silnik pracuje na pełnym obciążeniu. Najczęściej jednak ten sposób czyszczenia nie jest wystarczający. Dlatego też dodatkowo raz w miesiącu lub w razie potrzeby częściej stosuje się mycie wodą. Ponieważ mycie to jest wykonywane przy zmniejszonym obciążeniu silnika, oznacza ona dla statku stratę czasu. W czasie mycia w strumień gazów wylotowych przed pierścieniem dyszowym i wirnikami wprowadza się przez dyszę wodę. To mycie wodą oznacza znaczne obciążenie turbozespołu ładującego, przede wszystkim w wyniku szoku termicznego. W związku z tym mycie wodąpróbuje się ograniczyć do minimum. Czas takiego mycia wynosi zwykle 2 do 3 godzin, przy czym ustala się go prostu na podstawie czystości wody po procesach płukania. Po upływie 1do 2 godzin wodajest zwykle nadal silnie zabrudzona. Zgodnie z wynalazkiem zastosowanie paliwa domieszkowanego ferrocenem czyni z reguły zbędnym zarówno „softblasting”, jak też mycie wodą. Chroni to wspomniane urządzenie bez konieczności ograniczania ich funkcjonowania, a także pozwala zmniejszyć czaso- i pracochłonność.

Zakłócenie działania turbezespołów ładujących na skutek obecności nalotów może doprowadzić do wystąpienia poważnych problemów. Obniża się sprawność turbozespołów ładujących, a zatem całej maszyny, co pociąga za sobą wzrost zużycia paliwa. Naloty mogą doprowadzić do zmniejszenia liczby obrotów, a w przypadkach skrajnych nawet do zatrzymania jednego lub kilku wirników turbozespołu ładującego. W maszynach o kilku turbozespołach ładujących wirniki są zasilane gazami wylotowymi ze wspólnego „odbiornika spalin”, który pobiera gazy wylotowe z kilku cylindrów. Jeżeli gaz będzie rozdzielany nierównomiernie wskutek różnic w oporach przepływu, wynikających z kolei z obecności nalotów, wówczas może wystąpić spadek liczby obrotów, wahania w liczbie obrotów, różnice w liczbie obrotów między połączonymi ze sobą turbozespołami ładującymi, a nawet zatrzymanie turbozespołów. Te spowodowane obecnością nalotów problemy mogą prowadzić do przedwczesnego zmęczenia, a w skrajnych przypadkach nawet do pęknięcia materiału. W przypadku bardzo grubych warstw nalotów może to nastąpić nawet w mniejszych maszynach, które nie są wyposażone w kilka turbozespołów ładujących. Nierównomierna liczba obrotów, tj. nierównomierny chód maszyny może prowadzić do wystąpienia silnych wibracji, które już po krótkim czasie mogą spowodować uszkodzenie łożysk i innych części maszyny.

Nierównomierne warstwy nalotów na wirnikach nie musząwprawdzie prowadzić do obniżenia liczby obrotów, ewentualnie do wystąpienia różnic w liczbach obrotów między turbozespołami ładuj ącymi,jednak nierówny obrót może być przyczynąniepożądanych wibracji, które z kolei pociągają za sobą bardziej intensywne zużycie.

Również w podłączonych do silnika wymiennikach ciepła bez zgodnego z wynalazkiem domieszkowania stwierdza się, że na powierzchniach wymienników ciepłą tworzą się naloty, które zależnie od grubości ich warstwy w mniejszym lub większym stopniu zakłócają wymianę ciepłą. Również te, zawierające głównie sadzę, naloty należy od czasu do czasu usunąć, stosując mycie wodą ewentualnie z dodatkami czyszczącymi, jak np. roztworem CuCl₂. Zgodnie z wynalazkiem zastosowanie paliw domieszkowanych ferrocenem bardzo skutecznie osłabia tworzenie się nalotów. Jeżeli po pewnym czasie, znacznie dłuższym w porównaniu z dotychczasowym stanem techniki, konieczne okaże się jednak mycie wodą (np. w suchym doku), wówczas okazuje się nieoczekiwanie, że naloty, utworzone w czasie pracy na domieszkowanym zgodnie z wynalazkiem paliwie, dają się znacznie łatwiej usunąć. Można to prawdopodobnie wytłumaczyć odmiennym składem chemicznym nalotów. Stwierdzono, że charakteryzują się one w porównaniu

177 895 z paliwem niedomieszkowanym wyżs:zązawartościąpopiołu, niższymi wartościami opałowymi i niższą zawartością węgla. Można przypuszczać, że naloty te są mniej hydrofobowe, ponieważ zawierają mniejsze ilości składników olejowych lub olejopodobnych.

Takie mycie wodą wymienników ciepła, ewentualnie bojlerów przeprowadza się z reguły przynajmniej raz na dwa lata, gdy statek znajduje się w suchym doku w celu przeprowadzenia określonych przepisami prac konserwacyjnych i dokonania kontroli. Między każdymi dwoma pobytami w suchym doku koniecznych jest jednak 5 do 6 myć. Zastosowanie niniejszego wynalazku pozwala z nich zrezygnować.

Rysunek pokazuje w sposób schematyczny drogę spalin silnika okrętowego wspomnianej wielkości. Widoczny jest blok silnika 1 z 10 cylindrami 2. gazy wylotowe z każdych trzech lub czterech cylindrów są zbierane w tzw. „odbiorniku spalin” 3,4,5 i kierowane do turbozespołów ładujących 6, 7, 8. Wychodzące z turbozespołów lądujących strumienie spalin są zbierane w przewodzie spalinowym 9, po czym przepływają przez tzw. „bojler spalinowy” 10, w którym znajdująsię wymienniki ciepła 11,12,13, przy pomocy których można wytwarzać parę wysoko-, średnio- i niskociśnieniową. Spaliny opuszczają układ przez komin 14.

Wynalazek przetestowano z zadowalającym wynikiem na kontenerowcu, osiągając przy tym podane niżej wyniki.

Dane techniczne statku:

60.000 BRT

Dane techniczne maszyny:

Moc:

Pojemność skokowa:

Liczba obrotów:

Liczba obrotów turbozespołu ładującego: Zużycie:

33,000 kW cylindrów a 1,6 m³ max. 90 obr/min ok. 10 000 obr/min ok. 6 ΐ/h przy pełnym obciążeniu

Po zakończeniu fazy rozruchu turbozespoły ładujące maszyny tego statku zostały gruntownie oczyszczone przy pomocy „softblasting” i mycia wodą. Około 3 miesiące później, bez przeprowadzania w tym okresie dodatkowych czyszczeń, wykonano mycie wodą. Mycie to nie było wprawdzie konieczne ze względów technicznych, ponieważ zespoły turboładujące pracowały w sposób zadowalający, wykonano je jednak w celu uzyskania informacji odnośnie stopnia zanieczyszczenia (ilości nalotów). Podczas, gdy w ramach dotychczasowego stanu techniki raz dziennie należało przeprowadzić „sofiblasting”, a raz na miesiąc mycie wodą w trakcie którego po upływie ok. 1 do 2 godzin woda była silnie zabrudzona, to w tym przypadku zrezygnowano na prawie 3 miesiące (85 dni) zjakichkolwiek operacji czyszczenia, a mimo to użyta do mycia woda była od początku czysta. Nasuwa to wniosek, że we wspomnianym przedziale czasowym nie powstały praktycznie żadne naloty. Nawet w miejscach, które nie są dostępne dla typowych metod czyszczenia, nie pojawiała się warstwa zanieczyszczeń lub też była ona wyraźnie cieńsza.

W wymiennikach ciepła można było stwierdzić naocznie, że wytworzyła się znacznie mniejsza ilość nalotów. Powstałe naloty można było usunąć przy pomocy mycia wodą o wiele łatwiej i szybciej niż dotychczas.

Również na podstawie oględzin pierścieni tłoków i zaworów nie stwierdzono obecności nalotów.

ΠΊ 895

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Paliwo do silników spalinowych o gęstości od 0,9 do 1,01 kg/cm³, znamienne tym, że ferrocen i/lub pochodne ferrocenu w ilościach od 1do 100 ppm, zwłaszcza od 5 do 50 ppm, zwykle zaś od 10 do 30 ppm, do zasilania silników wysokoprężnych o liczbie obrotów od 900 do 50, zwykle od 200 do 50 obr/min.
2. Paliwo według zastrz. 1, znamienne tym, że stosuje się je do silników, których całkowita moc,wynosi od 400 do 100 000, zwykle od 15 000 do 50 000 kW.
3. Paliwo według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że silniki sąsilnikami dwusuwowymi.
4. Paliwo według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że silniki sąsilnikami czterosuwowymi.