DE1645889B - Motorbrennstoffmischung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß sich bei den zur Zeit hergestellten Verbrennungsmotoren wesentliche und nachteilige Ablagerungen auf den Ansaugventilen und um die Ansaugeschlitze und Auspuffschlitze der Motoren bilden. Dies trifft insbesondere für Motoren mit obenliegenden Ventilen zu. Durch diese Niederschläge wird ein einwandfreies Funktionieren des Brennstoff-Ansaugsystems stark behindert. Beim Aufbau solcher Ablagerungen erleidet der Motor einen wesentlichen Energieverlust, der Leerlauf ist unruhig, und es können sogar die Ventile durchbrennen. Bei größeren Ablagerungen können sogar Teile davon abbrechen und in die Verbrennungskammer eingesogen werden, wo sie /u weiteren mechanischen Schädigungen des Motors fuhren können.

Die Ursache und die Natur dieser Ablagerungen sind gründlich untersucht worden. Diese Ablagerungen setzen sich zusammen aus den Nebenprodukten des verbrannten Brennstoffs und aus Schmieröl-Alterungsprodukten. Die Untersuchungen haben ergeben, daß die im Schmieröl enthaltenen Mittel zur Verbesserung des Viskositätsindexes als Bindemittel für die Ablagerungen wirken und daß bestimmte Arten der Mittel zur Verbesserung des Viskositätsinc-xes sich nachteiliger auswirken als die anderen Mittel. Viskositätsindex-Verbesserungsmittel vom Polymethacrylattyp bilden eine Materialklasse, die anscheinend wesentlich zum Aufbau der Ablagerungen beiträgt.

Die Schmieröl-Alterung führt in folgender Weise zu Ablagerungen im Ansaug-Verteiler. Ein durch Funken gezündeter Verbrennungsmotor enthält einen Schmieröltank im Kurbelgehäuse. Wenn der Motor in Betrieb ist, wird der größere Teil des im Kurbelgehäuse befindlichen Öls auf die arbeitenden Motorteile gespritzt und auf die Zylinderwände. Ein Teil des Öls jedoch wird zu den oberen Teilen des Motors gepumpt, um die darin arbeitenden Teile zu schmieren. Bei einem Motor mit obenliegendem Ventil wird ein geringer ölstrom zu dem oberen Teil des Motors gepumpt und konstant über beide Ansaug- und Auslaßventilhälse geführt, um sicherzustellen, daß sie konstant in ihren Führungen während des Betriebs geschmiert werden. Die ölbcrieselung über den Ansaugvcntilhals und den nndcrcn Teilen des Vcntilkopfcs wird anscheinend unter den dort herrschenden Temperaturen pyrolysicrt. und dadurch werden Ablagerungen gebildet und aufgebaut, wobei die Mittel für die Viskositätsvcrbcsscrungcn als Bindemittel wirken.

Dieses besondere Problem entsteh! nicht beim Auslaß-fvianifold oder um die Auspuffventilc. Dies beruht zum Teil darauf, daß sich auf den AiispiilTvcntilcn weniger öl befindet und vielleicht auf die hohen Temperaturen, die im Auslaßvcrteilcr bestehen und eine Bildung von Ablagerungen verhindern oder eventuell »ich bildende Ablagerungen wegbrennen.

Überraschenderweise konnte festgestellt werden. daß durch die Auflösung einer geringen Menge bestimmter Polyolefinpolymere und deren entsprechenden hydrierten Derivate die Entfernung solcher Ablagerungen oder die Verhinderung der Bildung solcher fio Ablagerungen auf den Ansaugvcntilen und den Schlitzen eines durch Funken gezündeten Viertakt-Verbrennungsmotors in wirksamer Weise erreicht werden können.

Die Erfindung betrifft eine Motorbrennstoffmi- ^fi5 schung, bestehend aus einer Kohlenwasserstoffmischung im Benzinsiedebereich und etwa 0.01 bis 0,20 Volumprozent eines Polyolclinpolymcrs oder eines entsprechenden hydrierten Polymers mit einen Molekulargewicht im Bereich von 500 bis 3500.

Diese Motorbrennstoffmischung hat sich als beson ders vorteilhaft erwiesen. Das Molekulargewicht win mittels eines Osmometers gemessen.

Die in der erfindungsgemäßen Motorbrennstofi mischung enthaltenen Olefinpolymeren wurden au: Monoolefinen und Diolefinen hergestellt oder siiu Copolymere von beiden und besitzen ein durchschnitt liches Molekulargewicht im Bereic .on etwa 500 hi: 3500. Mischungen von Olefinpolynuren, deren durch schnitiliches Molekulargewicht innerhalb des obei angegebener, Bereiches liegt, sind ebenfalls wirksam Zur Herstellung der Olefinpolymeren können bei spielsweise folgende Olefine verwendet werden: Athy Ien. Propylen."~Butylen. Isobutylen. Amy.cn. Hexylen Butadien und Isopren. Im allgemeinen werden du Olefinpolymeren aus Olefinmonomeren hergestellt die aus unaesättigten Kohlenwasserstoffen mit zws bis sechs Kohlenstoffatomen bestehen. Die aus Pro pylen und Butylen hergestellten Olefinpolymeren wer den bevorzugt verwendet. Es können auch Olefinpolv meren verwendet werden, die durch Kracken vor Olefinpolymeren oder Kopolymeren mit höherer Molekulargewichten zu einem Polymeren in dem ober angesehenen Molekulargewichtsbereich hergestel¹.! wurden. Derivate der oben angegebenen Polymeren die durch Sättigen der Polymeren durch Hydrierung erhalten werden, können ebenfalls in vorteilhaftei Weise verwendet werden. Die Bezeichnung »Polymeren« bc/ieht sich auf Olefinpolymeren und derer entsprechenden hydrierten Derivate.

Der in der Vlotorbrennstoffmischung nach der Erfinduns verwendete Grimdbrcnnstoff besteht aus cinei Mischung von Kohlenwasserstoffen, die im Benzinsictebereich sieden. Dieser Grundbrennstoff kann au> get dkcttigcn oder vcrzweigtkettigen Paraffinen. Cycloparaffincn. Olefinen, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Mischungen davon bestehen. Dieser Grundbrennstoff kann aus durch direkte Destillation aus rohem I rdöl gewonnenem Schwerbenzin, au? PoKmerbcn/in. aus natürlichem Benzin oder aui katalytisch gekrackten oder thermisch gekrackten Kohlenwasserstoffen oder katalytisch reformierten Chargen bestehen. Die Zusammensetzung des Grundbrennstoffes ist nicht kritisch. Auch '<ie Oktanhöhc des Grundbrennstoffcs hat keinerlei Bedeutung für die M< torbrennstoffmiscluing nach der Erfindung. Jeder herkömmliche (mindbrcnnstoff kann für die Motorbrennstoffmischung nach der Erfindung verwendet werden. Der Grimdbrcnnstoff kann jeden normalerweise in Motorbrennstoffe verwendeten Zusatz enthalten. Der Grimdbrcnnstoff kann ein Antiklopfmittel, beispielsweise eine- Tetraalkyl-Bleivcrbindung. wie Tetraäthylblei Tctramcthylblei. Tetrabutylblci oder Mischungen davon u.dgl.. enthalten. Die im Handel erhältliche und für Kraftfahrzeuge verwendete Tetraäthylbleimischung enthält eine Äthylenchlorid-Äthy-Icnbromid-Mischung als Spülmittel zur Entfernung vein Blei aus der Verbrennungskammer in Form eines flüchtigen Bleihalogcnids. Der Motorbrennstoff kann ebenfalls einen der herkömmlichen Antieiszusätzc. Korrosionsinhibitoren, Farbstoffe oder Schmieröle für den oberen Zylinder enthalten.

Die Motorbrennstoffmischung nach der Erfindung wird durch Vermischen einer geeigneten Menge des oben beschriebenen Polymeren oder eines Derivats davon mit dem Grundbrcnnstoff hergestellt. Die

Menge des zum Motorbrennsloff zugegebenen Zusatzes ist kritisch. Der Zusatz wird im allgemeinen in einem Bereich von etwa 0,01 bis 0,20 Volumprozent verwendet. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn der Zusatz in Mengen von 0,05 bis 0.15 Volumprozent zu der Brennstolfmischung zugegeben wird. Die bevorzugte Zusatzkonzentration liegt hei etwa 0,06 bis 0.12 Volumprozent.

Das Molekulargewicht des Polymeren oder des Polymerderivats ist ebenfalls bei der Herstellung einer to wirksamen Motorbrennstoffmischung nach der Erfindung kritisch. Vorteilhafte Motorbrennstoffmischungen nach der Erfindung erfordern Polymere oder hydrierte Polymerderivate mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht im Bereich von 500 bis 3500. Diese ι j Molekulargewichte werden nach der Osmometer-Mcthode bestimmt. Es werden vorteilhafte Motorbreiinstoffmischungen nach der Erfindung erhalten. wenn Polymere und Polymerderivate mit einem Molekulargewicht im Bereich von 650 bis 2600 verwendet -° werden. Besonders bevorzugt werden Polymere mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht beispielsweise im Bereich von 500 bis 995.

Zur Bestimmung des Ablagerungs-Verhinderungstiffektes der Motorbrennstoffmischungen nach der ¹S Erfindung wurden zwei Versuche durchgeführt. Ein Versuch ist der Chassis-Dynamometer-Test unter Verwendung eines Buick-Wildcat-Motors. Der zweite Versuch ist ein Induktions-System-Ablagerungstest unter Verwandt.¹V! eines Buiek-Wildcat-Wagcns vom Baujahr 1964. Das Funktionieren dieser Versuche beruht auf die Bewertung der Ablagerungen am Ansausventil und den Schlit?.en.

Der Chassis-Dynamometer-Test wird unter Verwendung eines Buick-425-ClD-V-8-Motors (Baujahr 1964) durchgerührt, der mit einem PCV-Ventil (Positive Crankcase Ventilation) ausgerüstet ist und auf einem Dynamometer-Teststand mit einer Ausrüstung zur Kontrolle der Geschwindigkeit, der Belastung und der Motortemperaturen aufgebaut ist. Dieser Versuch erfordert annähernd 1325 1 Brennstoff und 15 1 Schmiermittel für jeden Lauf.

Vor jedem Lauf werden die Zylinderköpfe vollständig überholt und neue Ansaugventile eingebaut. Besondere Sorgfalt muß darauf verwendet werden, daß das Ansaugventil zu Ventilführungsspiel zwischen 0,0089 bis 0.0114 cm gehalten wird. Außerdem müssen die Ventilsitzweiten zwischen 1,191 und 1.984 mm gehalten werden. Der Motorblock wird entsprechend der im Buick-Service-Manual 1964 beschriebenen Verfahren vollständig überholt, wenn der »blo'.v-by« oder der Ölverbrauch zu hoch werden.

Der Motor wurde mit 3.8 1 öl versetzt und 15 Minuten lang bei 1500 Umdrehungen je Minute ausgeglichen. Nach Ablassen des Öls wurden neue 3,8 1 öl zugegeben und mit dem Versuch begonnen. Der Motor wurde in einem 4-Stufen-6-Stunden-Lauf für insgesamt 16 Läufe oder 96 Stunden betrieben:

Silitc

2 3 4

I .iiif/eit

0 bir, I

1 bis 4

4 bis 5

5 bis 6

Stunden

Betrieb 1 eerkiufitufe

SiraBen-

Bezieh

Leerlauf

Straßenbelastung schwere Belastung Rest

Schwere
Uclastunusstufc

Geschwindigkeit U min i 1000 +15 ! 2250 - 15 | 2250 ± 15

Belastung. Brenn-hp 0 ! 3D t 1.5 j 75! 1.5

I.uft-Brennstorr-Verhältnis 1 1.5 -fc 0.5 ^! 12.2 - 0.4 | 12.2")

Fimkenvorschub'). BTI >C 30 ^: 40 ' 34

Auslaßriickdruck. in I Ig 0.2") 1.0 ± 0.1 i 3.5")

Ansaugluftteniperaliir. C 60 ι I . 60 ± 1 ] 6OiI

Mantel-Außentemperatur. C 93 -1- I ; 93+1 | 93+!

KurbclüehaUNC-nitenipenitur. C ^; 93") Il3 ^ ! i 113 -K I

''I T>pi»chc Werte, nicht kontrolliert

Ί Annähernde Werte f-'unkenvorschiihstelliini: l· BTIK bei WKl Γ nun.

Nach Beendigung eines Versuches wurden die 50 methoden entsprachen den oben beschriebenen Ver-Zylindcrköpfc und Ventile entfernt und die Ventile fahren für den Chassis-Dynamomctcr-Tcsl. Die Anvisuell auf das Ausmaß der Ablagerung auf der Ventil- Säugventile und Schlitze wurden ebenfalls nach der tulpcnobcrflächc untersucht und bewertet. Die Ablage- oben angcgcber.cn Vo-teil-Bcwcrtungsxkale eingestuft, rungon am Ansaugventil werden entsprechend einer Zwei Grundbrennstoffe wurden bei den folgenden Vortcil-Bcwcrtungsskala. die die Bewertungsstufen I 55 Beispielen verwendet. Als Grundbrcnnstoff A wurde bis IO enthält, bewertet. Die Bewcrtungsstufc 10 bc- ein typisches Superbcnzin verwendet, das 3 cm³ Tctradcutetcir. vollständig sauberes Ventil. Die Bewertungs- äthylblei je 3.785 !enthielt. Dieses Benzin bestand aus stufe I wird bei besonders starken Ablagerungen am 27% Aromaten. 15.5% Olefine und 57.5% alip'nati-Ventil verwendet. Die Ablagerungen um die ÖITnungs- sehe Kohlenwasserstoffe (bestimmt nach der FEA-schlitzc werden mit T = Spuren.L = Leicht.M = Mit- fto Analyse). Dieses Benzin hatte einen ASTM anfdngtel und H = Stark bewertet. liehen Destillationssiedepunkt von 3!°C₍ einen End-

Der Induktionssystem-Ablagerungstest wurde unter punkt von 198 'C und eine Forschungs-Oktanzahl von Verwendung eines Buick-»Wildcat«-Wagens vom Bau- 101,0.

jähr 1964 durchgeführt, der einen 425-ClD-V-8-Moior Der GrutiidbrennstofT B war dem Grundbrenn-

besaß. Alle Versuche wurden unter den Bedingungen ft₅ stoffA ähnlich, enthielt jedoch 0,5 Volumprozent

einer waagerechten Straße bei 112 km/h und über einer Mischung aus einem Korrosionsinhibitor in

einen Zeitraum von 56 Stunden (6270 km) durchge- Mineralöl,

fuhrt. Die Überholung des Motors und die Spül- In den oben beschriebenen Versuchen ergaben die

Hontroll-Brennstoffe, d. h. der Grundbrennstoff A und rung uuf 7,0 oder höher ist eine besonders wesentliche

der Grundbrennstoff B ohne irgendwelche Zusätze, Verbesserung.

Ablagerungen am Ventil entsprechend den Bewer- In den Tabellen Ia und Ib sind die Ergebnisse der

tungsstufen 5,9 bis 6,1. Eine Verbesserung der Bewer- Brennstoffuntersuchungen angegeben, die nach dem

tungsstufe auf 6,4 ist eine wesentliche Verbesserung in 5 Induktionssystem-Ablagerungstest durchgerührt wur-

der Bewertung der Ablagerungen, und eine Verbesse- den.

Tabelle Ia
Induktionssystem-Ablagerungstesi

Zusatz, Molgewicht

Versuche I bis 4 Polypropen 8Ü0

Versuche 5 bis 7 Polypropen 975

Versuch 8

Polypropen 1120

Versuch 9

Polypropen 897

Versuche 10, 11
Polypropen 1150

Versuch 12

Polypropen 1370

Versuch 13

Polypropen 2560

Versuch 14

Polybuten 300 :

Versuch 15

Polybuten 730

Versuche 16, 18

Polybuten 1100

Versuch 19

Polybuten 1900

Versuch 20

Hydriertes Polybuten 1100 .

Polybuten-1 800

Versuch 22

I : l-Cj-Q-Copolymer 1010

Versuch 23

CVCrÄlhylen-ßutylen-Co'iolyrner 810

Kontrollversuch
kein Zusatz

Sehlitzbeacrtiini!

5,9

0.05%	Schlilz- bewertung	Griitulbrennstoff B Konzentration 0.075%	Schliiz- bewertung	0.1
Venlil- beu ortung	M	Ventil bewertung	T-L	Venlil- bewertung
6,4	L-M	7,9		8,3
7.6			T-L	9.1
		8,5	L
	L	8,2	T
7:4		8,0	L
		8,2	M
		7,7	H
		5,4	M
		7.4	L	7,6
		7.8	L
		8,2
		7,9

Schlit/-bewertunu

T-L

Ί 645 889

Tabelle Ib Induktionssystem-Ablagerungslest

/.usat/. Moliewiclit

Versuche I bis 4 Polypropen S(X) . . . Versuche 5 bis 7 Polypropen 975 .. .

Versuch 8
Polypropen ! 120 . .

Versuch 9
Polypropen 897 ...

Versuch H). Il

Polypropen 11 50 . . Versuch 12

Polypropen I 370 . .

Versuch 13
Polypropen 2560 . .

Versuch 14
Polybuten 300 ... Versuch 1 5
Polybuten 730 Versuche 16. 1* Polybuten 1 KMi Versuch 19
Polybuten 1900 . ..

Cirutulbrennstoff Λ Konzentration

Vcnlil-

Schliche WLT-liine

O.I (I"η

Ventil- : Schlitzbett er- he« er-

8.6 j T-L

9.0

S.7

9.3

TL

	Cirundhrennstoff Λ	I	VcMiI-	hydriertes Poly- ,	Schlif-	0.10%	I zu 1 C,-(>	5.9	H	Schlitz
		bewer-	buten 1100	bewer-	Venlil-	Copolymer K)IO		bewer-
/usalz. Molgewicht	Konzentration	lung	Versuch 21	Ιιιημ	bewer-		tung
		Polybuten-1 800 . .		lung	Versuch 23
				M-H
Versuch 20		8,0
	Versuch 22
CrC4-Äthylen-
Butvlen-Copoly- ; ;
mer'xiO !
Kontrollversuch ; i
kein Zusatz ...

Aus den erhaltenen Ergebnissen ist die besondere Wirksamkeit von Brennstoffen, die Polyolefine und hydrierte Polyolefine in den angegebenen Konzen trationcn und angegebenen Molekulargewichtsbe reichen enthalten, zu ersehen. Man kann ebenfalls du Nachteile feststellen, die auftreten, wenn Motorbrenn stoffe verwendet werden, die ein Polypropylen mi einem niedrigen Molekulargewicht enthalten.

In Tabelle II sind die Ergebnisse der Untersuchun gen zusammengefaßt, die mit Brennstoffmischungci nach der Erfindung gemäß dem Chassis-Dynamo meter-Test durcheefUhrt wurden.

Tabelle Il Chassis-D vnamomcter-Test

Moleewich!

Versuch 24

Pol\ propen 1 1 20

Versuche 25. 26

Poh propen 1150

Versuch 2~

Poh buten 1100

Versuch 2X

Mischung von O.03"5°o 800 M. W. Polypropen und 0.0375"η 1370 M.W. Polypropen 1085

Kontrollvcisuch

kein Zusatz

Ventil-

Sehlit/-0.075%

\enulbewenunu

lirimdbrcnnstoffB Konzentration

Ventilhe'vcriuiv

7.8
7.9

6.1

Schlit/-hcwcrtunc

T-L

109 549-

1806

Die großen Vorteile der Brennstoffmischungen nach der Erfindung sind auf Grund der hohen Bewertungsstufen klar zu erkennen.

Es ist bekannt, daß Polymere zu Benzin in bestimmten Mengen und in bestimmten Molekulargewichtsbereichen zugegeben werden, um das Benzin zu verdicken und seinen Fluß durch den Vergaser zu reduzieren. Nach der USA.-Patentschrift 2 049 062 wird die kinematische Viskosität eines Benzins um 4% er-Jjöht, wenn Polymere mit Molekulargewichten von 1000 bis 270 000 zugegeben werden. Die kinematische Viskosität des Grundbrennstoffs wird kaum erhöht, (kenn die Polymerzusätze zu der neuen Brennstoff-Inischung nach der Erfindung zugegeben werden. Die lOlymermenge, die die Viskosität eines Grundbrenn-Itoffes um weniger als 1 % erhöht, ist im wesentlichen Unwirksam in bezug auf die Verdickung eines Motorbrennstoffes.

Die Viskositätsuntersuchungen wurden mit zwei Grundbrennstoffen und mit neuen Brennstoffen nach tier Erfindung durchgeführt, die aus diesen Grundbrennstoffen hergestellt worden waren. Die kinematische Viskosität wurde in Stokes bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefaßt.

Tabelle III

Wirksamkeit eines Polypropylen-Polymeren

mit dem Molekulargewicht 800

auf die Benzinviskosität

BrennstofTzusammenset7Ung

Grundbrennstoff A

GrundbrennstofTA + 0,05%

800 M. W.

Polypropylen
Grundbrenr.stoff A - 0,1%

800 M. W.

Polypropylen

Grundbrennstoff A + 0.2%
800 M. W.
Polypropylen

Viskosität 25 C	Stokes 38 C
0,589	0,529
0,591	0,528
0,593	O.53Ü
0,593	0,529

Hrennsloffnisarnmensetzung	Viskosität 25 C	Stokes 38 C
"undbrennstoff B	0,599
Grundbrennstoff B 4- 0.05%
800 M. W.
Polypropylen	0,598	—
Grundbrennstofi'B 4- 0,075%
800 M. W.
Polypropylen	0.602	—
GrundbrennstofT B + 0,1%
800 M. W.
Polypropylen	0,601
Grundbrennstoff B + 0,2%
800 M. W.
Polypropylen	0,601

Aus Tabelle III ist zu ersehen, daß die Viskosität nur in wenigen Fällen ansteigt, und dort wo sie ansteigt, im wesentlichen unter 1% und meistens unter 0,5% liegt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   l.Motorbrermstoffmischung. bestehend auseiner Kohlenwasserstoffmischung im Benzinsiedebereich und etwa 0,01 bis 0,20 Volumprozent eines oder mehrerer Olefinpolymeren mit einem Molekulargewicht im Bereich von 500 bis 3500 oder eines entsprechenden hydrierten Polymeren mit einem Molekulargewicht im Bereich von 500 bis 3500.
2. 2. Motorbrennstoffmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Olefinpolymere aus einem Polymerisat eines C₂-C₆-ungesättigten Kohlenwasserstoffes besteht.
3. 3. Motorbrennstoffmischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Olefinpolymere aus einem Polymerisat von Äthylen, Propylen. Butylen. Amylen, Hexylen. Isopren oder Butadien besteht.
4. 4. Motorbrennstoffmischung nach Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Olefinpolymere ein Copolymerisat von C₂-C₆-ungesättigter Kohlenwasserstoffen ist.

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