专利名称：具有改进的性能的柴油发动机的制作方法
技术领域：
本申请涉及具有改进的性能的柴油发动机。另外，本发明描述了聚合物用于改进包含生物柴油燃料的润滑剂的低温性能的用途。
背景技术：
燃料现今大部分由化石源获得。然而，这些资源是有限的，以致正在寻求代替物。因此，对可以用于制备燃料的可再生原材料越来越有兴趣。非常令人感兴趣的代替物尤其是生物柴油燃料。术语“生物柴油”在很多情况下理解为是指脂肪酸酯，通常脂肪酸甲基酯(FAME)的混合物，其中脂肪酸部分的链长度为12-24个碳原子，具有0-3个双键。碳数越高和存在越少双键，则FAME的熔点越高。典型的原材料是植物油(即甘油酯)例如菜籽油(芥花籽油(canola oil))、向日葵油、大豆油、棕榈油、椰子油和，在个别的情况下，甚至是用过的植物油。生物柴油的另一种典型的源是动物脂肪。通过酯交换，通常用甲醇在碱性催化下，将原材料转化成相应的FAME。然而，它们的应用伴有许多不足和限制，如果它们要变成矿物油基柴油的可行的备选物，则这些不足和限制必须加以解决。考虑到正在衰退的生态质量和正在降低的世界原油储备量，使用纯生物柴油已经是许多国家的重要的目标。然而，许多问题(从不同燃烧特性到密封材料腐蚀)已经报道为使用生物柴油作为化石柴油代替物的障碍。另一个主要的障碍是柴油机颗粒过滤器的再生。再生是从过滤器除去积累的烟灰的过程。取决于车辆的应用，颗粒过滤器的温度可能太低而不能使由颗粒过滤器过滤的颗粒燃烧。如果车辆在短拖运距离上使用，则这种问题通常发生，导致烟灰在颗粒过滤器中的积累。通常，计算机监视一个或多个测量背压和/或温度的传感器，并基于预先程序化的设定点，该计算机决定何时激活再生 循环。运行该循环太频繁，同时保持废气系统中的背压低将使用额外的燃料。未足够迅速地运行再生循环增加了发动机损坏和/或不受控制的再生(由积累的烟灰过量引起)和可能的DPF失效的风险。品质再生软件对于活性DPF系统的长寿命是必需的。为了再生，可以将附加燃料注入发动机中以提高废气温度。此种再生类型不需要工程努力并因此是较廉价的。然而，此种循环可能导致油稀释。另一方面，可以使用蒸发器。然而，此种设备是昂贵的并可能引起失效。因此，大多数小汽车安装有能够将燃料注入发动机以提高废气温度的发动机控制单元。上面所提及的问题取决于客车的使用类型。在非常短程循环上使用小汽车导致非常关键的问题，该问题导致短时间的润滑剂改变。另外，所述问题对具有高度复杂的排放控制系统的发动机和用于燃料节约的其它技术途径是更加关键的。发动机越复杂，发动机对润滑剂衰退越敏感，例如基于过度的生物柴油含量。润滑剂衰退，特别是高生物柴油含量和不足够的低温性能对发动机的各种性能具有有害的影响。这些对于具有生物柴油相容性的发动机是特别关键的。不足够的低温性能通常可能引起与发动机的冷起动和冷运转特性有关的问题。除此之外，发动机的寿命和燃料消耗受润滑剂的不足够的低温性能不利地影响。迄今已有许多尝试通过工程技术和新设施改进发动机冷起动和冷运转特性。然而，这些选项与基于高成本的缺点和通常仅最新近的汽车能从这样的改进受益的事实相联系。因此，改进发动机的冷起动和冷运转特性、寿命和燃料消耗的另外的机会将会是有帮助的。
发明内容
鉴于现有技术，本发明的目的因此是提供不限于新发动机设计且可以应用于现有的生物柴油发动机的解决方案。特别是应该改进生物柴油发动机的冷起动和冷运转特性。另外，寿命和燃料消耗的改进是本发明另一个目的。这些改进应该在没有环境缺陷的情况下达到。本发明另一个目的是提供用于润滑油的添加剂，其提供生物柴油发动机的改进的冷起动和冷运转特性。除此之外，所述添加剂应该改进生物柴油发动机的寿命和燃料消耗。另外，所述添加剂应该可按简单且廉价的方式制备，特别是应该使用可商购的组分。在这方面，它们应该可按工业规模制备，而为此目的无需新设备或复杂结构的设备。本发明的另一个目标是提供在润滑剂中带来许多希望性能的添加剂。这可以使不同添加剂的数目最小化。另外，添加剂不应该对燃料消耗或润滑剂的环境相容性显示任何不利影响。此外，该添加剂应该改进包含高数量生物柴油的润滑油的特征。这些目的以及没有明确指明但是可以从在此通过引入方式讨论的上下文立即推导或辨别出的其它目的通过具有权利要求1所有特征的发动机达到。对本发明发动机的合适的改进在引用权利要求1的权利要求中进行保护。本发明因此提供设计用于生物柴油相容性的发动机，包括颗粒过滤器、能够将燃料注入发动机以便提高废气温度的发动机控制单元和润滑剂组合物，其特征在于所述润滑剂组合物包含至少一种含酯基的聚合物。因此可以按不可预见的方式提供具有改进的冷起动和冷运转特性的设计用于生物柴油相容性的发动机。除此之外，本发明的发动机显示提高的寿命和降低的燃料消耗。除此之外，本发明发动机能够实现延长的换油间隔。因此，所述发动机基于以特定里程为基础的较低量的发动机油提供在经济方面的显著改进。本发明的发动机为了使颗粒过滤器再生不需要复杂设计。另外，再生不使发动机的运转特性衰退。此外，本发明给出的解决方案不限于新的发动机设计并可以应用于具有能够将燃料注入发动机以提高废气温度的合适发动机控制单元的现有的生物柴油发动机。另外，本发明的发动机可以具有非常高的压缩，而没有与生物柴油发动机的冷起动和冷运转特性和寿命和燃料消耗有关的有害影响。另外，为了获得能够解决上述 问题的润滑剂而使用的添加剂可以按简单且廉价的方式制备，并可以尤其使用可商购的组分。同时，制备能以工业规模进行，而为此目的无需新设备或复杂结构的设备。
另外，用于根据本发明的用途的聚合物显示尤其有利的性能分布。例如，聚合物可以经配置以致令人惊奇地剪切稳定，以致润滑剂具有非常长的使用寿命。另外，根据本发明用途的添加剂可以在润滑剂中带来许多希望的性能。例如，可以制备具有突出低温性能或粘度性能的润滑剂，该润滑剂包含本发明的含酯基的聚合物。这允许使不同添加剂的数目最小化。另外，本发明含酯基的聚合物与许多添加剂相容。这允许根据各种各样不同的要求调节润滑剂。另外，用于用途的添加剂不对燃料消耗或润滑剂的环境相容性显示任何不利影响。令人惊奇地，本发明含酯基的聚合物改进包含高数量的生物柴油的润滑剂的低温性能。除此之外，可以通过使用本发明聚合物的特殊实施方案改进所述润滑剂的分散能力。考虑这些方面，一些生物柴油燃料包含高数量的对氧化敏感的烯属不饱和键。这些氧化产物仅仅可溶于发动机油并可能引起严重问题。没有生物柴油含量的发动机油中形成的颗粒和淤渣具有不同性能并，另外，没有生物柴油含量的发动机油产生较低量的此类杂质。这些杂质是发动机油变化的原因之一。另外，本发明发动机基于本发明发动机油的中和当生物柴油燃料退化时形成的酸的能力而包括更低腐蚀。本发明提供为生物柴油相容性设计的新型发动机。这些发动机通常是生物柴油车辆的一部分。生物柴油车辆通常可以使用生物柴油和石油基柴油的混合物。优选的生物柴油发动机能够在燃烧室中随着燃料喷射而燃烧任何比例的所得共混物并根据通过电子传感器检测的实际共混物而自动地调节火花定时。生物柴油车辆 包括颗粒过滤器。柴油机颗粒过滤器(有时称作DPF)是设计用来从柴油发动机的废气中除去柴油机颗粒物质或烟灰的设备。壁流柴油机颗粒过滤器通常除去85%或更多烟灰，并有时(重负荷条件)可以达到接近于100%的烟灰除去效率。配备有功能过滤器的柴油动力车辆不将从它的废气管排放可见的烟雾。优选地，颗粒过滤器具有30%_60%，更优选40%_50%的孔隙率。孔隙率是孔隙体积与颗粒过滤器的总体积之比。优选地,颗粒过滤器由无机材料,例如娃酸盐、钛酸盐,特别是Tialite (Al2Ti05)、碳化物、陶瓷或金属材料构成。根据优选的实施方案，颗粒过滤器是壁流过滤器。更优选，颗粒过滤器除去颗粒的至少70%，特别是至少85%，更优选至少95%。优选地，可以使用堇青石壁流过滤器、碳化硅壁流过滤器、陶瓷纤维过滤器、金属纤维穿流过滤器。优选地，过滤器可以由堇青石构成。堇青石是本领域中已知的特殊陶瓷材料。堇青石过滤器提供优异的过滤效率并且是廉价的。根据另一个方面，过滤器可以由碳化硅(SiC)构成。纤维性陶瓷过滤器由混合在一起形成多孔介质的若干不同类型的陶瓷纤维制成。纤维性过滤器具有产生更低背压的优于壁流设计的优点。
一些核由金属纤维制成，一般而言，将所述纤维〃纺织〃成整体料。这样的核具有以下优点:电流可以穿过该整体料以便为了再生目的而加热该核，从而允许该过滤器在低废气温度和/或低废气流量下再生。颗粒过滤器可以具有能够降低例如烟灰的燃烧温度的涂层。颗粒过滤器的其它信息和规格在Engine Bench and Vehicle Durability
Test of Si bonded SiC Particulate Filters:A.SchafβΓ -Sindlinger 等人，
SAE2004-01-0952中被提到。为了公开目的引入该文献供参考。另外，本发明发动机可以包含催化剂以除去废气的NOx及其它有害组分。除此之外，发动机包括能够将燃料注入发动机以提高废气温度的发动机控制单
J Li ο根据非常优选的实施方案，发动机可以基于用于将燃料注入燃烧室的共轨系统(common rail system)。术语〃共轨〃是指如下事实:所有燃料喷射器由公共燃料轨(rail)供应，该公共燃料轨只不过是其中燃料以高压储存的蓄压器。这种燃料储器由高压泵供应，该高压泵提供高达且大于2，500巴的高压。该燃料储器为多个燃料喷射器提供燃料。这简化高压泵的用途，因为它仅必须维持处于目标值的指令压力(机械或电子控制)。燃料喷射器通常是ECU控制的。当电激活燃料喷射器时，机械或液压地打开液压阀(由喷嘴和活塞构成)并将燃料按所需压力喷入气缸。因为燃料压力能量远程储存并且以电力驱动喷射器，所以注射压力在注射开始时和结束时非常接近蓄压器(轨)中的压力，从而产生平方(square)注射速率。如果蓄压器、泵和管道设备尺寸适当，注射压力和速率对于多个注射事件中的每一个将是相同的。 优选地，可以在每个燃烧循环期间通过多个注射步骤注射柴油燃料，以致预先注入气缸以在递送主燃料进料之前温热燃烧室。可以用以螺线管操作的针形阀达到令人惊讶的改进。另外，对于改进的发动机控制，可以使用压电喷射器。优选地，共轨系统中的燃料压力包括至少800巴，特别是至少1，000巴，更优选至少1，500巴，最优选至少1，800巴。尽管存在允许生物柴油发动机基于石油基柴油和生物柴油的任何混合物(从纯汽油至100%生物柴油(B100))运转的技术，但是北美和欧洲生物柴油车辆经优化以基于80%矿物柴油与20%生物柴油的最大共混物(称作B20燃料)运转。设置生物柴油含量方面的这种限制以避免在寒冷气候期间(温度低于11°C (52° F))的冷起动问题。优选地，本发明的发动机设计用于包含至少5体积％，特别是至少10体积％，尤其是20体积％，更特别是至少50体积％，更优选至少80体积％的生物柴油，例如FAME的燃料。另外，本发明的发动机优选设计用于包含至少5体积％，特别是至少10体积％，尤其是20体积％，更特别是至少50体积％，更优选至少80体积％的矿物柴油的燃料。优选地，发动机包括至少12，更优选至少16的压缩。根据优选的实施方案，压缩优选是最多26，更优选最多23。根据本发明一个特殊方面，发动机可以包括燃料喷射泵。可以通过包括多阀门技术的发动机达到不可预见的优点。
另外，本发明的发动机可以包括废气再循环。该废气再循环优选可以被冷却。优选地，发动机包括用于优化燃料喷射和火花定时的发动机管理。此外，发动机可以优选包括涡轮增压器和/或增压器。根据本发明的一个优选的实施方案，发动机可以包括可变几何涡轮增压器(VGT )。本发明的优选的发动机满足废气排放标准Euro5,更优选DirectiveN0.715/2007/EC中定义的EUR06的要求。所述发动机还可以满足其它要求以便遵循国家或地区标准例如美国的TIER II。本发明柴油发动机的如上所述的特定组分的其它信息和规格在HandbuchDieselmotoren:MolIenhauer, TschokCj Springer Verlag;2007 和 Otto—undDieselmotoren:Grohe, Ru β ; Vogel Buch Verlag; 2007 中被提到。为了公开目的引入该文
献供参考。本发明发动机包含润滑剂组合物，该润滑剂组合物包括至少一种含酯基的聚合物。本发明描述了优选具有高油溶性的聚合物。术语"油溶性"是指可在没有宏观相形成的情况下制备基础油和含酯基的聚合物的混合物，该混合物具有至少0.1重量％，优选至少0.5重量％所述聚合物。所述聚合物可以按分散和/或溶解形式存在于这种混合物中。可以将所述聚合物添加到新鲜油和/或老化油中。另外，可以将所述聚合物添加到生物柴油中并且可以通过油的稀释导入润滑油中。油溶性特别取决于亲脂性侧链的比例和基础油。这种性能是本领域技术人员已知的并且可以容易地经由亲脂性单体的比例对特定基础油进行调节。特别感兴趣的 尤其是包含酯基的聚合物，优选聚(甲基)丙烯酸烷基酯，并优选具有 2000-2000000g/mol，特别是 7500-1000000g/mol，更优选 10000-600000g/mol，最优选15000-80000g/mol 的重均分子量 Mw。数均分子量Mn优选可以是2000-1000000g/mol，特别是5000-800000g/mol，更优选 7500-500000g/mol，最优选 10000-80000g/mol。根据本发明一个特殊实施方案，含酯基的聚合物，优选聚(甲基)丙烯酸烷基酯可以具有 2000-1000000g/mol，特别是 20000-800000g/mol，更优选 40000-500000g/mol，最优选60000-250000g/mol的重均分子量札。根据本发明另一个方面，含酯基的聚合物，优选聚(甲基)丙烯酸烷基酯可以具有2000-100000g/mol，特别是 4000-60000g/mol，最优选 5000-30000g/mol 的数均分子量 Mn。具有高分子量的聚合物特别可用作粘度指数改进剂。具有低分子量的聚合物特别可用作倾点下降剂和流动改进剂。不希望受以下描述的任何限制，包含酯基的聚合物优选显示1-15，更优选
1.1-10,特别优选1.2-5的由重均分子量与数均分子量的比例Mw/Mn给出的多分散性。可以通过凝胶渗透色谱(GPC)测定多分散性。所述包含酯基的聚合物可以具有各种结构。例如，聚合物可以作为具有相应的极性和非极性链段的二嵌段、三嵌段、多嵌段、梳形和/或星形共聚物存在。另外，所述聚合物特别可以作为接枝共聚物存在。含酯基的聚合物在本发明上下文中被理解为是指可通过使包含具有至少一个酯基的烯属不饱和化合物(它们在下文中称作酯单体)的单体组合物聚合获得的聚合物。酯单体本身是已知的。它们特别包括可以具有不同醇基的(甲基)丙烯酸酯、马来酸酯和富马酸酯。术语“(甲基)丙烯酸酯”包括甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯以及两者的混合物。这些单体是广泛已知的。因此，这些聚合物含有酯基作为侧链的一部分。所述包含酯基的聚合物可以单独使用或作为具有例如不同分子量、不同重复单元组成和/或不同含酯基单体的聚合物的混合物使用。例如，一些聚合物可以具有倾点下降剂的性能，而其它聚合物是粘度指数改进剂。优选地，可以使用包含一种或多种倾点下降剂和一种或多种粘度指数改进剂的混合物。所述包含酯基的聚合物优选包含至少40重量％,更优选至少60重量％,特别优选至少80重量％，最优选至少90重量％衍生自酯单体的重复单元。根据本发明一个优选的实施方案，含酯基的聚合物可以包括聚(甲基)丙烯酸烷基酯(PAMA)、聚富马酸烷基酯和/或聚马来酸烷基酯。更优选，所述含酯基的聚合物是(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物。制造聚(甲基)丙烯酸烷基酯(PAMA)、聚富马酸烷基酯和/或聚马来酸烷基酯的酯单体是本身已知的。它们特别包括可以具有不同醇部分的(甲基)丙烯酸酯、马来酸酯和富马酸酯。表述“(甲基)丙烯酸酯”包括甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯，以及这两者的混合物。这些单体是广泛已知的。在这方面，烷基部分可以是直链、环状或支链的。烷基部分也可以具有已知的取代基。术语“重复单元”是本技术领域中公知的。本发明含酯基的聚合物优选可以利用单体的自由基聚合获得，其中ATRP、RAFT和NMP的受控自由基方法技术(将稍后对其进行阐明)被认为属于本发明范围中的自由基方法，但绝不希望这将施加限制。在这些方法中，双键打开以形成共价键。因此，重复单元由所使用的单体获得。含酯基的聚合物优选含有衍生自醇部分中含7-4000个碳原子的酯单体的重复单元。优选地，所述聚合物包含至少40重量％,特别是至少60重量％,更优选至少80重量％的衍生自醇部分含7-4000个碳原子，优选7-300个碳原子，更优选7-30个碳原子的酯单体
的重复单元。根据一个优选的实施方案，所述聚合物可以包含衍生自醇部分含16-4000个碳原子，优选16-300个碳原子，更优选16-30个碳原子的酯单体的重复单元，和衍生自醇部分含7-15个碳原子的酯单体的重复单元。所述含酯基的聚合物可以含有5-100重量％，特别是20-98重量％，更优选30_60重量％的衍生自醇部分含7-15个碳原子的酯单体的重复单元。在一个特别的方面中，所述含酯基的聚合物可以含有0-90重量％，优选5-80重量％，更优选40-70重量％的衍生自醇部分含16-4000，优选16-30个碳原子的酯单体的重复单元。优选地，所述聚合物可以包含衍生自醇部分中含23-4000个碳原子，优选23-400个碳原子，更优选23-300个碳原子的酯单体的重复单元。另外，所述含酯基的聚合物可以含有0.1-60重量％，特别是0.5-40重量％，优选
1-30重量％，更优选2-20重量％的衍生自醇部分中含1-6个碳原子的酯单体的重复单元。
根据一个优选的实施方案，所述聚合物可以包含衍生自醇部分中含23-4000个碳原子，优选23-400个碳原子，更优选23-300个碳原子的酯单体的重复单元，和衍生自醇部分中含1-6个碳原子的酯单体的重复单元。所述含酯基的聚合物优选包含至少40重量％，更优选至少60重量％，特别优选至少80重量％，非常尤其是至少95重量％的衍生自酯单体的重复单元。可用于获得本发明含酯基的聚合物的混合物可以含有0-40重量％，特别是0.1-30重量％，更优选0.5-20重量％的一种或多种以下式(I)的烯属不饱和酯化合物
权利要求
1.设计用于生物柴油相容性的发动机，包括颗粒过滤器、能够将燃料注入发动机以便提高废气温度的发动机控制单元和润滑剂组合物，其特征在于所述润滑剂组合物包含至少一种含酯基的聚合物。
2.根据权利要求1的发动机，其特征在于所述发动机满足废气排放标准EUR05的要求。
3.根据权利要求1或2的发动机，其特征在于所述发动机包括共轨系统。
4.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述发动机包括废气再循环。
5.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述颗粒过滤器是壁流过滤器。
6.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物是(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物。
7.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述润滑剂包含至少两种含酯基的聚合物的混合物。
8.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述润滑剂包含(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物和乙烯-乙酸乙烯酯聚合物。
9.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述润滑剂包含含酯基的聚合物和烯烃类聚合物。
10.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物是具有分散性基团的(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物。
11.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物是具有衍生自含23-4000个碳原子的(甲基)丙烯酸酯的单元的(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物。
12.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物是具有非极性的(甲基)丙烯酸烷基酯聚合物作为接枝基础物和具有分散性单体作为接枝层的接枝共聚物。
13.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物具有10000-600000g/mol的重均分子量。
14.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物可通过将包含以下组分的单体组合物聚合获得: a)基于用于制备所述聚合物的单体组合物的重量计0-40重量％的一种或多种下式(I)的烯属不饱和酯化合物
15.根据上述权利要求中至少`一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物包含衍生自在醇部分含7-15个碳原子的酯单体的单元和衍生自在醇部分含16-4000个碳的酯单体的单元，其中衍生自在醇部分中含7-15个碳原子的酯单体的单元与衍生自在醇部分中含16-4000个碳原子的酯单体的单元的重量比在3:1-1.1:1的范围内。
16.根据权利要求15的发动机，其特征在于所述聚合物的极性嵌段所述分散性重复单元衍生自一种或多种杂环乙烯基化合物和/或以下式(IV)的烯属不饱和极性酯化合物
17.根据权利要求15或16中至少一项的发动机，其特征在于所述疏水性嵌段和所述极性嵌段的重量比在100:1-1:1的范围内。
18.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述含酯基的聚合物是包含含酯基的单元的嵌段和烯烃类嵌段的嵌段共聚物。
19.根据上述权利要求中至少一项的发动机，其特征在于所述润滑剂组合物包含至少一种添加剂。
20.根据权利要求19的发动机，其特征在于所述添加剂是粘度指数改进剂、倾点改进齐U、分散剂、清净剂、消泡剂、腐蚀抑制剂、抗氧化剂、抗磨添加剂、极压添加剂和/或摩擦改进剂。
21.根据权利要求20的发动机，其特征在于所述抗磨添加剂和/或极压添加剂选自含磷化合物、含硫和磷的化合物、含硫和氮的化合物、含元素硫的硫化合物和H2S硫化的烃、硫化的甘油酯和脂肪酸酯、过碱性磺酸盐、含氯化合物、石墨或二硫化钥。
22.含酯基的聚合物在根据权利要求1-21中至少一项的发动机中用于改进含生物柴油的润滑剂的低温性能的用途。
全文摘要
本发明描述了设计用于生物柴油相容性的发动机，包括颗粒过滤器、能够将燃料注入发动机以便提高废气温度的发动机控制单元和润滑剂组合物，其特征在于所述润滑剂组合物包含至少一种含酯基的聚合物。
文档编号C10M145/02GK103201362SQ201180052418
公开日2013年7月10日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年10月29日
发明者M·阿利伯特, T.巴特尔斯, J·库埃特, A·达丁, D·H·德宁, B·赫斯, M·米勒, C·D·G·内沃, G·雷恩纳, T·斯多尔, C·温希尔兹 申请人:赢创油品添加剂有限公司