DE1645889C - Motorbrennstoffmischung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß sich bei den zur Zeit hergestellten Verbrennungsmotoren wesentliche und nachteilige Ablagerungen auf den Ansaugvenlilcn und um die Ansaugeschlitze und Auspuffschlitze der Motoren bilden. Dies trifft insbesondere für Motoren mit oben- S liegenden 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 zu weiteren mechanischen Schädigungen des Motors führen können. >5

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 Viskositätsindexes 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 Ansaugventilhals und den anderen Teilen des Ventilkopfes wird anscheinend unter den dort herrschenden Temperaturen pyrolysiert. und dadurch werden Ablagerungen gebildet und aufgebaut, wobei die Mittel für die Viskositätsverbcsserungen als Bindemittel wirken.

Dieses besondere Problem entsteht nicht beim Auslaß-Manifold oder um die Auspuffventile. Dies beruht zum Teil darauf, daß sich auf den Auspufivcntilcn weniger öl befindet und vielleicht auf die hohen Temperaturen, die im Auslaßvertcilcr bestehen und eine Bildung von Ablagerungen verhindern oder eventuell sich bildende Ablagerungen wegbrennen.

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

Die Erfindung betrifft eine Motorbrennstoffmi- f>5 schung. bestehend aus einer Kohlenwasserstoffmischung im Benzinsiedebereich und etwa 0.01 bis 0,20 Volumprozent eines Poiyolefinpolymers 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 Motorbrennstoff mischung enthaltenen Olefinpolymeren wurden au: Monoolefinen und Diolefinen hergestellt oder sine Copolymere von beiden und besitzen ein durchschnitt liches Molekulargewicht im Bereich von etwa 500 bis 3500. Mischungen von Olefinpolymeren, deren durchschnittliches Molekulargewicht innerhalb des oben angegebenen Bereiches liegt, sind ebenfalls wirksam. Zur Herstellung der Olefinpolymeren können beispielsweise folgende Olefine verwendet \· erden: Äthylen, Propylen, Butylen, Isobutylen, Amylen, Hexylen. Butadien und Isopren. Im allgemeinen werden die Olefinpolymeren aus Olefinmonomeren hergestellt, die aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit zwei bis sechs Kohlenstoffatomen bestehen. Die aus Propylen und Butylen hergestellten Olefinpolymeren werden bevorzugt verwendet. Es können auch Olefinpolymeren verwendet werden, die durch Kracken von Olefinpolymeren oder Copoiymeren mit höheren Molekulargewichten zu einem Polymeren in dem oben angegebenen Molekulargcwichtsbereich hergestellt wurden. Derivate der oben angegebenen Polymeren, die durch Sättigen der Polymeren durch Hydrierung erhalten werden, können ebenfalls in vorteilhafter Weise verwendet werden. Die Bezeichnung »Polymeren« bezieht sich auf Olefinpolymeren und deren entsprechenden hydrierten Derivate.

Der in der Motorbrennstoffmischung nach der Erfindung verwendete Grundbrennstoff besteht aus einer Mischung von Kohlenwasserstoffen, die im Benzinsiedebcrcich sieden. Dieser Grundbrennstoffkann aus gcradkettigcn oder verzweigtkettigen Paraffinen. Cycloparaffinen. Olefinen, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Mischungen davon bestehen. Dieser Grundbrennstoff kann aus durch direkte Destillation aus rohem Erdöl gewonnenem Schwerbenzin, aus Polymerbenzin, aus natürlichem Benzin oder aus katalytisch gekrackten oder thermisch gekrackten Kohlenwasserstoffen oder katalytisch reformierten Chargen bestehen. Die Zusammensetzung des Grundbrennstoffes ist nicht kritisch. Auch die Oktanhöhc des Grundbrennstoffes hat keinerlei Bedeutung für die Motorbrcnnstoffmischung nach der Erfindung. Jeder herkömmliche Grundbrennstoff kann für die Motorbrennstoffmischung nach der Erfindung verwendet werden. Der GrundbrcnnstofT kann jeden normalerweise in Motorbrennstoffe verwendeten Zusatz enthalten. Der Grundbrennstoffkann ein Antiklopfmittel, beispielsweise eine Tctraalkyl-Bleivcrbindung. wie Tetraäthylblei, Tetramcthylblci. Tctrabutylblci 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 von Blei aus der Verbrennungskammer in Form eines flüchtigen Bleihalogenide. 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 Grundbrennstoff hergestellt. Die

Menge des zum Motorhrenn.stoff zugegebenen Zusatzes ist kritisch. Der Zusatz wird im allgemeinen in einem Bereich von etwa (1,01 bis 0,20 Volumprozent verwendet. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn der Zusatz in Mengen von 0,05 bis s 0,15 Volumprozent zu der Brennstoffmischung zugegeben wird. Die bevorzugte Zusalzkonzentration liegt bei etwa 0,06 bis 0,12 Volumprozent.

Das Molekulargewicht des Polymeren oder des Polymerderivats ist ebenfalls bei der Herstellung einer wirksamen Motorbrenn.stoffmischung nach der Erfindung kritisch. Vorteilhafte Motorbrcnnstoffmischuncen nach der Erfindung erfordern Polymere ader hydrierte Polymerderivate mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht im Bereich von 500 bis 3500. Diese i.s Molekulargewichte werden nach der Osmometer-Methode bestimmt. Es werden vorteilhafte Motorlirennstoffmischungen nach der Erfindung erhalten, ivenn Polymere und Polymerderivate mit einem Molekulargewicht im Bereich von 650 bis 2600 verwendet ™ tverdcn. Besonders bevorzugt werden Polymere mit einem relativ niedrigen Molekulargewicht beispielsweise im Bereich von 500 bis 995.

Zur Bestimmung des Ablagcrungs-Verhinderungstffektes der Motorbrennstoffmischungen nach der fiiTindung wurden zwei Versuche durchgeführt. Ein Versuch ist der Chassis-Dynamometer-Test unter Verwendung eines Buick-Wildcat-Motors. Der zweite Versuch ist ein Induktions-Sys.em-Ablagerungstest unter Verwendung eines Bnick-Wildcat-Wagcns vom yo Haujahr 1964. Das Funktionieren dieser Versuche beruht auf die Bewertung der Ablagerungen am Ansaugventil und den Schlitzen.

Der Chassis-Dynamometer-Test wird unter Verwendung eines Buick-425-ClD-V-R-Motors (Baujahr 1964) durchgeR'ihrt, der mit einem PCV-Ventil (Positive Crankcase Ventilation) ausgerüstet ist und auf einem Dynamonieter-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, iiesondere 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 1.084 mm gehalten werden. Der Motorblock wird entsprechend der im Buick-Service-Manual 1964 beschriebenen Verfahren vollständig überholt, wenn der »blow-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-Stundcn-Lauf für insgesamt 16 Läufe oder 96 Stunden betrieben:

Stufe

I.iiuf/cil

0 bis I

1 bis 4

4 bis 5

5 bis 6

—ν

Stunden

Hut rieh

Leerlauf

Straßenbelastung schwere Belastung Rest

HeI rieh

l.ecrliiiifstufe

SlrauenhelaslungssUifc

Schwere

(lesdiwindigkeit U min j 1000 ± 15 2250 ±15 j 2250 t 15

Belastung. Brenn-hp 0 30 ± 1.5 I 75 ι 1.5

I ul'l-Brennstoff-Verhällnis 1 1.5 ± 0.5 ! 12.2 ± 0.4 j Ι2.2"ι

i imkenvorschub"). BTDC i 30 ! 40 j 34

Auslaßrückdruck, in Hg i 0.2") ! 1.0 t O.I S 3.5")

Ansaiigliifttempcralur. C j 6(1 ί I 60 .t- I j 60 : 1

Mantel-Außentemperatur. C '■ 93 t I 93 * I i 93 : I

Kurbclgehäusc-Öltenipetatiir. C j 93") ! 113 t I ! 113 ; 1

Ί T\pischc Werte, nicht kontrolliert

Ί Annähernde Werte l^:iinkcn\orM.hiihslclliini! (■,' HIDC hei WKIl; mjn.

Nach Beendigung eines Versuches wurden die so methoden entsprachen den oben beschriebenen Vcr-

/vlindcrköpfc und Ventile entfernt und die Ventile fahren Tür den Chassis-Dynamomcter-Test. Die An-

visucll auf das Ausmaß der Ablagerung auf der Ventil- saugvcntilc und Schlitze wurden ebenfalls nach der

tulpcnobcrfliiche untersucht und bewertet. Die Ablage- oben angegebenen Vorteil-Bcwertungsskale eingestuft.

Hingen am Ansaugventil werden entsprechend einer Zwei Grundbrennstoffe wurden bei den lolgcndcn

Vorteil-Bewertungsskala, die die Bewertungsstufen 1 ss Beispielen verwendet. Als Grundbrennstofl'A wurde

bis 10 enthält, bewertet. Die Bewertungsstufe 10 bc- ein typisches Supcrbenzin verwendet, das 3 cm^J Tetra-

dcutct ein vollständig sauberes Ventil. Die Bewcrtungs- ülhylblei je 3.785 I enthielt. Dieses Benzin bestand aus

stufe 1 wird bei besonders starken Ablagerungen am 27% Aromaten, 15,5% Olefine und 57.5% aliphati-

Vcntil verwendet. Die Ablagerungen um die öffniings- sehe Kohlenwasserstoffe (bestimmt nach der FEA-

schlitze werden mit T= Spuren, L= Leicht, /Vf = Mit- 60 Analyse). Dieses Benzin hatte einen ASTM anfäng-

tel und H = Stark bewertet. liehen Destillationssiedepunkt von 31 "C, einen End-

Der Induktionssystem-Ablagerungstest wurde unter punkt von 198"C und eine Forschungs-Oktanzahl von Verwendungeines Buick-»WiIdcat«-Wagens vom Bau- 101,0. Jahr 1964 durchgeführt, der einen 425-CID-V-8-Motor Der Grundbrennstoff B war dem Orundbretin-

besaß. Alle Versuche wurden unter den Bedingungen 65 stoff A 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,

tül'.n. Die Überholung des Motors und die Spül- In den oben beschriebenen Versuchen ergaben die

645

Kontroll-Brennstoffe, d. h. der Grundbrennstoff A und rung auf 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 durchgeführt wur-

der Bewertung der Ablagerungen, und eine Verbesse- den.

Tabelle Ia
Induktionssystem-Ablagerungstest

Zusatz, Molgewicht

Versuche I bis 4 Polypropen 800.

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 19(K)

Versuch 20

Hydriertes Polybuten 1100

Polybuten-1 800

Versuch 22

I : I-CVQ-Copolymcr 1010

Versuch 23

Cj-Q-Ätliylen-Buiyi.-ii-Copolymer 810

Kontrollvcrsiich kein Zusatz ..

Schlitzhcwertung

Vcnti;-hewcrlung

5.9

	(irundhrennstofr B Konzentralion	Schlitz- b .-renting
i%	0.075%	T-L
Schliiz- Jcwertung	Ventil- bewerlung
M	7,9	T-L
L-M		L
	8,5	T
	8,2	L
L	8,0	M
	8.2	Il
	7.7	M
	5.4	L
	7.4	L
	7,8
	8.2

η. ίο" ι·

Veniilbcwcruini!

ε,3

9,1

7.6

Schiit/-hewcrtung

Λ/

7,9 T-L

7 Tabelle Ib

Induktionssystem-Ablagerungstest

	GrundbrennslofTA	Ventil-	.Schlitz	0.1	0%
	Konzentration	bewer-	bewer	Venttl-	Schlitz
Zusatz. Molgewicht		lung	tung	bewer-	bewer
			lung	tung
			8,6	T-L
Versuche 1 bis 4
Polypropen 800 ...			9,0	T-L
Versuche 5 bis 7
Polypropen 975 ...
Versuch 8
Polypropen 1120 ..
Versuch 9
Polypropen 897 ...
Versuch 10, 11
Polypropen 1150 ..
Versuch 12
Polypropen 1370 ..
Versuch 13
Polypropen 2560 ..
Versuch 14
Polybuten 300			7,5	H
Versuch 15
Polybuten 730			8,7	M-H
Versuche 16, 18
Polybuten 1100 ...		9,3	M
Versuch 19
Polybuten 1900 ...

	Ventil-	(jrundbrennston Λ	0.l0°o	Schill/
	bcwer-		Ventil-	bcttcr-
ZiISiIlZ. Molgewicht	tung	Konzentration	bcwcr-	Iu ng
			lung
		Schlitz-
		hcwer-		M-h
Versuch 20		tung	8,0
hydriertes Poly
buten 1100
Versuch 21
Polybuten-1 800 ..
Versuch 22
I zu 1 C3-C4-
C'opolymer 1010
Versuch 23
C2-C4-Äthylen-
Butylen-Copoly-	5.9
mer 810
Kontri/ilversuch
kein Zusatz ....
	H

Aus den erhaltenen Ergebnissen ist die besondere Wirksamkeit von Brennstoffen, die Polyolefine und hydrierte Polyolefine in den angegebenen Konzentrationen und angegebenen Molekulargewichtsbereichen enthalten, zu ersehen. Man kann ebenfalls die Nachteile feststellen, die auftreten, wenn Motorbrennstoffe verwendet werden, die ein Polypropylen mit einem niedrigen Molekulargewicht enthalten.

In Tabelle II sind die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefaßt, die mit Brennstoffmischungen nach der Erfindung gemäß dem Chassis-Dynamometer-Test durchgeführt wurden.

Tabelle II Chassis-Dynamometer-Test

Zusatz. Molgewicht

Versuch 24

Polypropen 1120

Versuche 25. 26 Polypropen i 150

Versuch 27

Polybuten 1100

Versuch 28

Mischung von 0,0375% 800 M. W. Polypropen und 0.0375% 1370 M. W. Polypropen 1085

Kontrollversuch

kein Zusatz

Ventilhewertung

6.1

Schlitzbewertung

Grundbrennstoff B Konzentralion

0.075%

Ventilbewertung

Schiitzbeweriune

7.8

7.2

0.10%

Ventilbewertune

7.8

7.9

7.1

Schlilzbewertuns

T-L

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

Es ist bekannt, daß Polymere zu Benzin in bestimmten Mengen und in bestimmten Molekulargewichtsbereichfcf. 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% erhöht, wenn Polymere mit Molekulargewichten von 2000 bis 270 000 zugegeben werden. Die kinematische Viskosität des Grundbrennstoffs wird kaum erhöht, wenn die Polymerzusätze zu der neuen Brennstoffmischung nach der Erfindung zugegeben werden. Die Polymermenge, die die Viskosität eines Grundbrennstoffes 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 der 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

Brennstoff/usammensctzung	Viskosität 25 C	Stokes .18 C	0.601
'undbrennstoff B	0.599
Grundbrennstoff B + 0.05%
800 M. W.
Polypropylen	0.598
Grundbrennstoff B + 0.075%
800 M. W.
Polypropylen	0.602
Grundbrennstoff B + 0.1%
800 M. W.
Polypropylen	0.601	--
Grundbrennstoff B + 0.2%
800 M. W.
, Polypropylen

Brennstoflzusammenset7ung	Viskosität 25 C	Stokes 38 C	35	0.529
Grundbrennstoff A . ...	0.589
Grundbrennstoff A + 0.05%		0.528 4C
800 M. W.
Polypropylen	0.591
Grundbrennstoff A - 0.1%		0.530
800 M. W.
Polypropylen	0,593
Grundbrennstoff A + 0.2%		0.529
800 M. W.
Polypropylen	0.593

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)

Patentansprüche:

1. Motorbrennstoffmischung, bestehend aus einer 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. Motorbrennstoffmischung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Olefinpolymere aus einem Polymerisat eines C₂-C₆-ungesättigten Kohlenwasserstoffes besteht.

3. Motorbrennstoffmischung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Olefinpolymere aus einem Polymerisat von Äthylen. Propylen. Butylen. Amylen. Hexylen. Isopren oder Butadien besteht.

4. Motorbrennstoffmischung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Olefinpolymere ein Copolymerisat von C₂-C₆-ungesättigten Kohlenwasserstoffen ist.