Многофункциональная комплексная присадка к топливам
MULTIFUNCTIONAL COMPLEX ADDITIVE TO PETROL

Описываемое предлагаемое изобретение относится к области нефтехимии и нефтепереработки, в частности к получению экологических топлив с пониженным содержанием вредных веществ в продуктах сгорания топлив.
Присадка может использоваться для получения автомобильных, судовых, турбинных, реактивных, печных, котельных и биотоплив с улучшенными экологическими и экономическими характеристиками.
Присадки являются расходуемыми материалами, которые предназначены для:
- повышения устойчивости топливных смесей на основе бензина к детонации;
- улучшения воспламеняемости дизельных топлив;
x
x
- улучшения условий сгорания зарядов топливных смесей, с целью снижения токсичности отработавших газов по таким компонентам, как СО, СН и NO, SO, бенз(α)пирена- для всех видов топлив и по саже - для дизельных, печных топлив и керосина;
- снижения удельных затрат топлива в расчете на условную единицу (например, 100 км) пробега транспортного средства или на единицу мощности или теплопроизводительности;
- компенсации износа деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и в особенности гильз цилиндров с соответствующим повышением степени сжатия (компрессии) свежих зарядов топливных смесей и снижением удельных затрат топлива на единицу пробега транспортного средства или на единицу мощности.
Срочная и массовая потребность в таких экологических многофункциональных присадках обусловлена:
- необходимостью резкого сокращения объемов выбросов токсичных веществ в атмосферу;
- необходимостью увеличения ресурса работающих ДВС, котлов и турбин и сокращения затрат на их эксплуатацию, ремонт или замену;
- возрастающим дефицитом нефти, которая является невозобновляемым природным ресурсом, запасы которой закончатся в этом столетии;
- необходимостью сокращения удельного расхода нефтепродуктов, которые используют на транспорте и в других областях техники (например, для производства электроэнергии дизель-генераторами и турбинами, для сжатия газов компрессорами, для отопления жилых помещений зимой и т.д.);
- очевидной необходимостью снижения затрат на охрану окружающей среды.
-2
Уже известны присадки дисперсии 0,05% борной кислоты в углеводородное топливо [Пат. 6645262 США] и суспензии борной кислоты в привитом сополимере на основе силанов [Пат. 6368389 США]. Присадки улучшают экологические свойства топлив, особенно дизельных с содержанием серы менее 3*10%.
Недостатком данных присадок является сложность и энергоемкость получения, сложность введения их в топливо и стабилизации полученной коллоидной топливной композиции.
Известно также добавление к дизельному топливу 0,0001-0,0025% железа в форме растворимой или диспергирующейся в топливе нейтральной или сверхосновной соли кислотного органического соединения (оксид, гидроксид, карбонат, нафтенат, салицилат, фенолят железа), причем 50-99 мол. % железа находятся в трехвалентном состоянии [Заявка 1344811 ЕПВ]. Эта присадка способствует улавливанию твердых частиц, содержащихся в отработанных газах.
Недостатком присадки является ограниченность ее применения - только в дизельных двигателях оборудованных сажевыми фильтрами.
-6
-5
Известна также антитымная присадка к дизельному топливу содержащая ультрадисперсные частицы гидроксида железе (III) с концентрацией в топливе 1,0*10 - 2,5*10% [Заявка 2002129279/04, Россия].
Недостатком данного изобретения является высокая сложность и энергоемкость получения и введения присадки в дизельное топливо и стабилизации полученной коллоидной топливной композиции.
Известен также модификатор жидких топлив - бензина, керосина, легкого и тяжелого нефтяного топлива, повышающий эффективность горения и снижающий содержание вредных веществ в отработавших газах, представляющий собой соль двух- и трехвалентного железа в спиртовом или нефтяном растворителе, совместимом с топливом [Заявка 1310545 ЕПВ].
Недостатком этого технического решения является сложность получения достаточно концентрированных растворов солей железа в спиртовых или нефтяных растворителях и большое разбавление топлива растворителями при введение в него слабо концентрированных растворов присадки.
Известна также присадка к углеводородному топливу содержащая 0,8-90% смеси солей лития α-алкилзамещенных карборновых кислот и 10-99,2% ацетона [Пат. 2203927 Россия]. Присадка предназначена для снижения угарного газа на холостом ходу.
Недостатком этой присадки является использование низкокипящего ацетона, что приводит к росту давления насыщенных паров (ДНП) (ЕН 13016-1-2001) и индекса паровой пробки (ИПП). Это в свою очередь может вызвать отказ работы двигателя в теплое время года. Кроме того, использование солей α-алкилзамещенных карборновых кислот ведет к росту отложений на впускных клапанах и в камере сгорания.
Известна также присадка, содержащая смесь никелевых и цинковых солей монокарбоновых кислот с числом атомов углерода в молекуле С3-С9 при массовом соотношении Ni-Zn от 1:1,5 до 1:5 в пересчете на металл [Пат. 2270231 Россия]. Присадка увеличивает равномерность и полноту сгорания топлива по всему объему рабочего цилиндра двигателя.
Недостатком присадки является низкая растворимость в углеводородных топливах и повышенное нагарообразование на впускных клапанах и в камере сгорания.
Уже известна композиционная присадка для жидких топлив, содержащая одно соединение меди с ионной связью и одно соединение цинка с ионной связью при мольном соотношении Cu:Zn 1:0,03-0,70. Дополнительно присадка содержит органическое вещество, которое обеспечивает растворение солей металлов в углеводородах топлива, соединение с ионной связью, которое включает металл, выбранный из группы, состоящей из олова, свинца, молибдена, вольфрама, ванадия, никеля, серебра и циркония [Пат 64799 Украина, Пат. 2203927 Россия].
Недостатком присадки является ее полная нерастворимость в углеводородных топливах. Присадка вводится в топливную систему двигателя в виде таблетки, что требует конструктивной переделки топливной системы двигателя. Присадка растворяется в растворенной воде присутствующей в углеводородном топливе, а не в самом топливе.
2
Известна также присадка, содержащая олигосилоксан разветвленного строения молекул с кинематической вязкостью 150-400 мм/с, диоктилфталат и бутанол-1 [Пат. 2202599 Россия]. Присадка снижает количество нагара в камере сгорания и склонность топлива к лаконагарообразованию.
Недостатком присадки является высокая стоимость используемого олигосилоксана и повышенные отложения на впускных клапанах, т.к. промотор горения - диоктилфталат начинает действовать только при высоких температурах в камере сгорания, а высоковязкий олигосилоксан очень плохо испаряется и плохо горит, увеличивая тем самым количество сажи.
Также известна присадка полученная диспергированием в топливе продуктов осажденных щелочью из отработанных растворов травления печатных плат и стали [Пат. 2259388, Россия].
Недостатком данной присадки является непостоянство ее состава, что приводит к большому разбросу результатов ее воздействия на процесс сгорания топлива, трудность диспергирования осадка и введения самой присадки в топливо. Кроме того возникают проблемы с седиментационной устойчивостью топлива при его хранении и очистке центробежными устройствами.
Кроме того, известна многофункциональная присадка к топливу на основе соединений меди, циркония и алюминия, дополнительно содержащая олово, молибден, цинк, никель, натрий вольфрамовокислый, калий натриевокислый, дитизон и серебро [Пат. 2202599, Россия].
Недостатком этого технического решения является наличие в составе присадки неорганических соединений с ярковыраженными ионными связями, что делает весьма сложным ее растворение в уголеводородных топливах.
Известна присадка представляющая собой смесь 0,1-1,0% ацетилацетоната металла и 99,0-99,9% тетраэтоксисилана с примесью продуктов его гидролиза - димера, тимера и тетрамера [Пат. 207742, 2159794 Россия].
Недостатком присадки является наличие в составе продуктов гидролиза тетраэтоксисилана переменного состава, что приводит к повышенному отложению осадков на впускных клапанах, снижает эффективность подавления дымообразования и приводит к росту температуры в камере сгорания. Кроме того, непостоянство состава ингредиентов присадки приводит к большому разбросу результатов ее действия.
В качестве прототипа выбрана присадка [Патент 2427612 Россия] представляющая собой смесь индивидуальных эфиров ортокремневой кислоты с растворимыми в топливе соединениями бора, товарными моющими присадками и оксигенатами при следующем соотношении компонентов (% масс.):
эфиры ортокремневой кислоты
0,1-50
эфиры борной кислоты
0,1-50
моющая присадка
0,001-45
оксигенаты
до 100
Недостатком прототипа является наличие в составе только выносителей металла - эфиров ортокремневой и борной кислот [Данилов A.М. Применение присадок в топливах для автомобилей. Справочник. М.: Химия, 2000 г.] и моющих присадок, создающих повышенные нагары в камере сгорания [Елена Никитина, Дмитрий Павлов. ГСМ "Моющие присадки для автомобильных бензинов: история и современность" // Автоперевозчик 2009, №9 (108); К.Б. Рудяк, С.В. Котов, B.А. Тыщенко, Н.С. Котова, Г.В. Тимофеева, В.Н. Фомин, А.В. Тарасов. Получение моющих присадок к бензинам. // Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть»], что приводит к изменению конструкционных размеров камеры сгорания и нарушения заданных параметров горения топлива.
Задачей изобретения являются:
- снижение содержания вредных веществ в отработавших газах;
- повышение полноты сгорания топлива и снижение удельного расхода топлива;
- снижение отложений на впускных и выпускных клапанах, снижение нагаров в камере сгорания;
- снижение износа цилиндропоршневой группы двигателей;
- сниженеие температуры отработавших газов с целью уменьшения образования термических оксидов азота;
- стабилизация рабочих параметров присадки.
Поставленная задача достигается тем, что в состав присадки-прототипа, содержащей ацетилацетонат металла и тетраэтоксисилан (этиловый эфир ортокремневой кислоты), дополнительно вводят растворимые в топливе соединения металлов, оксигенаты, нитрилы, амины, ароматические углеводороды и углеводородное топливо при следующем соотношении компонентов (% вес.):
- эфир ортокремневой кислоты
0,1-70
- ацетилацетонат металла
0,001-5,0
- растворимое в топливе соединение металла
0-2,0
- оксигенаты
0-30.
- нитрилы
0-10
- амины
0-45
- ароматические углеводороды
0-10
- углеводородное топливо
до 100
Применение в присадке растворимых в топливе соединений металлов позволяет вводить в каждый очередной заряд свежей топливной смеси микроколичества ионов химических элементов. В каждом рабочем цикле ДВС в камере сгорания происходит восстановление ионов металлов вследствие их химического взаимодействия с моторным топливом и возникает смесь нейтральных атомов металла, откладывающихся на гильзах цилиндров и формирующих (и дальше "автоматически" поддерживающих по толщине) микропленку компенсирующую износ. [1. Поляков А.А., Гаркунов Д.Н., Крагельский И.В. ДАН СССР, 1970, т. 191, №4, с. 821-823; 2. Избирательный перенос в тяжелонагруженных узлах трения / Под ред. Д.Н. Гаркунова. - М.: Машиностроение, 1982. - 207 с.; 3. Трение, изнашивание и смазка / Справочник в 2-х кн. / Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. - Машиностроение, 1978; 4. Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. - М.: Машиностроение, 1978. - .211 с.; 5. Хайнаке Г. Трибохимия. - М.: Мир, 1987. - 584 с.].
Такой "текущий ремонт" гильз цилиндров непосредственно во время работы ДВС благоприятно сказывается на степени сжатия с соответствующим возрастанием удельной мощности и снижением удельного расхода топлива, что тем заметнее, чем дольше используют присадку.
x
2
st
Поскольку присадку вводят в жидкое топливо, ионы указанных металлов, до восстановления и осаждения в атомарной форме, успевают проявить каталитическую активность при инициировании и протекании сгорания во всем объеме каждого из таких зарядов. Таким образом, в камерах сгорания выравнивается температурное поле, что снижает количество термических NO, которые обычно образуются при пиковых температурах, и обеспечивает сгорание углеводородов топлива до нетоксичного СО и воды с соответствующим снижением токсичности выхлопа в целом [1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов. / Лукин В.Н. и др. / - М.: Высшая школа, 1995. - 369 с.; 2. Николаенко А.В., Шкрабак В.В. Энергетические установки и машины. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004. - 438 с.; 3. Маслов В.В. // Судостроение, 1995, №8-9, с. 18-22; 4. Hilder G., Zeilingtr K., Woschni G. 21 International CIMAC Congress on Combustion engines, Geneva, Switzerland, 1995, D 67.].
Практически полное сгорание топлива приводит к снижению его удельного расхода за счет недожога, отсутствие смолистых веществ и сажевых частиц в отработавших газах снижает количество нагаров и отложений в камере сгорания и газо-выхлопном тракте и уменьшает дымность выхлопа [Теоретические основы химмотологии. / под ред. Браткова А.А. / - М.: химия, 1985. - 320 с.; Данилов А.М. Введение в химмотологию. - М.: Техника, 2003. - 464 с.].
Первое дополнительное отличие состоит в том, что в качестве эфиров ортокремневой кислоты используются тетра - метокси-, этокси-, пропокси-, бутокси-, пентокси-, фенокси- и о-крезилокси-силаны. Это значительно расширяет сырьевую базу присадки. Кроме того, указанные соединения выпускаются современной промышленность без примесей продуктов гидролиза - ди-, три- и тетрамеров, что увеличивает стабильность присадки при хранении и стабильность действия присадки при ее применении и снижает количество отложений на впускных клапанах.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что в качестве ацетилацетонатов металлов присадка содержит ацетилацетонаты ванадия, железа, кадмия, марганца, меди, серебра, молибдена, вольфрама, никеля, хрома, калия, лития, натрия, кальция, магния, рубидия, цезия, бария, стронция. Переходные металлы, содержащиеся в ацетилацетонатах, являются не только хорошими катализаторами процессов крекинга, деструкции, изомеризации и дегидрирования [Каталитические свойства веществ. Справочник. / под. ред. Ройтера В.А. / - Киев, Наукова думка, 1968. - 1464 с.], но и катализаторами процессов окисления в газовой фазе [Каталитические свойства веществ. Справочник, т. 4. - Киев, Наукова думка, 1977. - 296 с.]. А металлы первой и второй групп, содержащиеся в ацетилацетонатах, являются мощными катализаторами процессов газификации [Michae J. Veraa, Alexis Т. Bell. Fuel, b. 57, №1, s. 194-200].
30
Третье дополнительное отличие состоит в том, что в присадку дополнительно в качестве растворимых в топливе соединениий металла вводят бис(гексаметиленететраамины), этилендиаминтетраацетаты, фенантралины, пирокатехины, ацетилацетон(п-толуолсульфонаты) и соли жирных и ненасыщенных карбоновых кислот до С, ацетелениды, циклопентадиенильные, бензольные и карбонильные соединения переходных металлов. Это с одной стороны значительно расширяет сырьевую базу присадки, а с другой позволяет варьировать концентрацию и соотношение как одного металла разной валентности, так и различных металлов. Металлы служат переносчиками кислорода в зону горения за счет изменения своего валентного состояния в окислах [Васильева Л.С. Автомобильные эксплуатационные материалы. Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1968. - 279 с.]. Это в свою очередь позволяет оптимизировать состав присадки в зависимости от типа топлива и двигателя или теплоагрегата.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка дополнительно содержит оксигенаты: одно и многоатомные спирты, альдегиды, кетоны, оксикетоны, ацетали, простые и сложные эфиры, циклические эфиры, диэфиры и эпоксиды. Присутствие оксигенатов в присадке гомогенизирует и стабилизирует ее, облегчает растворение металлорганических соединений, препятствует гидролизу эфиров ортокремневой кислоты.
Введение в топливо присадки содержащей оксигенаты улучшает полноту сгорания топлива и снижает содержание вредных веществ в отработавших газах [Данилов А.М. Применение присадок в топливах. - М.: Мир, 2005. - 288 с.].
Оксигенаты способствуют связыванию содержащейся в топливе воды и равномерному ее распределению по всему объему топлива и топливному заряду в камере сгорания, что значительно улучшает условия его сгорания [Этиловый спирт в моторном топливе / под ред. Макарова В.В. /. М.: ООО «РАУ-Университет», 2005. - 184 с.]. Кроме того оксигенаты вымывают из топливной системы и топливного бака низкотемпературные отложения, предотвращая старение топлива и рост его коррозионной активности [1. Шехтер Ю.Н. и др. Рабочее-консервационные смазочные материалы. - М.: Химия, 1979. - 256 с. 2. Баранник В.П., Каренина М.А. О причине защитного действия органических ингибиторов коррозии. Ученые записки ОЗПИ. т. IV, 1957].
12
st
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка дополнительно содержит ароматические и алифатические нитрилы до С. Введение нитрилов способствует нормализации процессов горения, особенно в двигателях с воспламенением от сжатия, тормозит распространение цепных реакций и подавляет образование оксидов азота за счет протекания окислительно-восстановительных реакций между атомами азота нитрилов и оксидов азота [Vollenweider J., Geist М., Schaub М. 21 International CIMAC Congress on Combustion engines, Geneva, Switzerland, 1995, D 69].
st
Шестое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка дополнительно содержит амины различного строения: моно- и полиалкиламины, ароматические амины, в том числе с заместителями в ядре, нафтиламины, циклические амины, полибутенамины и амины полигликолей. Наличие аминов в присадке увеличивает ее способность растворять лаки и нагары, скопившиеся во впускной системе двигателей и предотвращать их осаждение, особенно для современных двигателей с рециркуляцией отработавших газов [Данилов А.М. Применение присадок в топливах. - М.: Мир, 2005. - 288 с.], тормозит распространение цепных реакций и подавляет образование оксидов азота за счет протекания окислительно-восстановительных реакций между атомами азота аминов и оксидов азота [Vollenweider J., Geist М., Schaub М. 21 International CIMAC Congress on Combustion engines, Geneva, Switzerland, 1995, D 69].
12
Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка дополнительно содержит бензол и его гомологи до С. Присутствие ароматических соединений в присадке гомогенизирует и стабилизирует ее, облегчает растворение металлорганических соединений, способствует размягчению и удалению лаков и нагаров, скопившиеся во впускной системе двигателей, улучшает совместимость присадки с различными видами топлив.
Восьмое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка дополнительно содержит четыре кислородсодержащие функциональные группы, которые вводятся любой комбинацией двух и более различных соединений, содержащих указанные группы. Введение в состав присадки оксигенатов, содержащих различные функциональные группы способствует равномерности процесса горения и предотвращает взрывное нарастание давления в камере сгорания, т.к. оксигенаты с различными кислородсодержащими функциональными группами имеют различную термическую стойкость и начинают разлагаться при разных температурах, обеспечивая равномерное и постоянное поступление радикалов в зону горения [1. Ингольд К. Теоретические основы органической химии. - М.: Мир, 1973. - 1056 с.; 2. Райд К. Курс физической органической химии. - М.: Мир, 1972. - 576 с.; 3. Карапетьянц М.Х.
Химическая термодинамика. - М-Л.: ГХИ. - 612 с.], с другой стороны способствует размягчению и удалению лаков и нагаров, скопившиеся во впускной системе двигателей.
Девятое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка дополнительно содержит соединения минимум одного металла переменной валентности в различном валентном состоянии. Металлы переменной валентности служат с одной стороны переносчиками кислорода из зоны горения с его избытком в зону горения с его дефицитом, с другой стороны являются поставщиками свободных радикалов - инициаторов горения [Лернер М.О. Химические регуляторы горения моторных топлив. - М.: Химия, 1979. - 221 с.]. Кроме того ионы металлов являются плазмообразующими и регулируют процессы бездетанационного горения топлива [Скобелев В.Н., Сердюк В.В., Ашкинази Л.А. Сборник трудов III Международной научно-практической конференции "Новые топлива с присадками", Санкт-Петербург, 2004, с. 123-134.].
Десятое дополнительное отличие состоит в том, что предлагаемая присадка в качестве дополнительного сорастворителя содержит углеводородное топливо. Причем желательно то топливо, в котором в дальнейшем будет использоваться присадка. Топливо необходимо для поддержания динамического равновесия в растворе присадки [1. Пригожий И.Р. Молекулярная теория растворов. - М.: Металлургия, 1990. - 360 с.; 2. Фиалков Ю.Я., Житомирский А.Н., Тарасенко Ю.А. Физическая химия неводных растворов. - Л.: Химия, 1973. - 376 с.] и для предотвращения возможного выпадения присадки в осадок при введении ее в топливо.
Способ приготовления заявляемых многофункциональных экологических присадок согласно изобретению состоит в следующем:
1. - в указанных в сущности изобретения и далее в таблице №1(см. в конце описантя) пределах соотношений ингредиентов выбирают конкретную рецептуру присадки;
2. - в лабораторных условиях на аналитических весах взвешивают необходимые количества инградиентов присадки;
3. - в техгорлую круглодонную колбу снабженную мешалкой, холодильником, термометром и загрузочной воронкой при работающей мешалке загружают поочередно все жидкие компоненты, кроме топлива;
4. - поочередно загружают твердые компоненты, причем каждый последующий компонент загружают только после полного растворения предыдущего (растворение компонентов контролируют визуально);
5. - после полного растворения твердых компонентов присадки загружают топливо и перемешивают присадку в течение 5-10 минут;
6. - останавливают мешалку и через бумажный фильтр отфильтровывают полученную присадку в тару для хранения и дальнейшего использования.
Примечание: фильтрация присадки обязательна, т.к. в процессе получения твердых компонентов присадки и ее приготовления в раствор могут попасть механические примеси, присутствие которых в топливе может привести к повышенному износу или выходу из строя двигателя.
Такой способ приготовления присадки технологичен и легко может быть осуществлен на любом химическом или нефтехимическом предприятии, т.к. технологическая схема получения присадки состоит из набора стандартных аппаратов химического и нефтехимического синтеза.
В качестве примера конкретного осуществления процесса приготовления присадки приводим технологию получения образца №5 для проведения эксплуатационных испытаний автобусов ЛиАЗ:
В трехгорлую круглодонную колбу объемом 1,0 литр, снабженную пропеллерной мешалкой, термометром, шариковым холодильником и загрузочной воронкой помещали 500 г этилового эфира ортокремневой кислоты. Включали мешалку и при температуре 22,3°С последовательно загружали 50 г этилацетата, 50 г изо-бутанола, 50 г метилбензилкетона, 30 г ацетальдегида, 70 г пиридина и 50 г кумола. Смесь перемешивали примерно 5 минут. Добавляли 2 г ацетилацетоната молибдена и перемешивали примерно 10 минут до его полного растворения. После этого добавляли 10 г ацетилацетоната железа и перемешивали примерно 10 минут до его полного растворения. После чего добавляли 5 г пирокатехината железа и перемешивали примерно 15 минут до его полного растворения. Такая последовательность добавления твердых компонентов выбрана из-за сильного окрашивания раствора. После полного растворения твердых компонентов присадки добавляли 183 г бензина А-76 и перемешивали раствор присадки еще в течении 5-7 минут. Раствор фильтровали через бумажный фильтр «синяя лента» в стеклянную бутыль из темного стекла с плотно закрывающейся пробкой.
Для экспериментальной проверки осуществимости и эффективности изобретения были изготовлены и испытаны варианты многофункциональной экологической присадки, которые содержали активные ингредиенты в заявленных пределах (см. таблицу №1 в конце описания).
Наилучшие примеры осуществления изобретательского замысла приведены ниже:
Испытания топливных бензиновых композиций проводили на испытательном стенде с двигателем ВАЗ-2108. Стенд оснащен системами, обеспечивающими его функционирование при всех режимах испытаний, а также контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, позволяющей контролировать и регистрировать все необходимые для работы и проведения исследований параметры двигателя и его систем (системы топливоподачи, охлаждения и т.д.).
Для испытания двигатель ВАЗ-2108 смонтирован на стенде, в состав которого входят следующие системы и оборудование:
- тормозное устройство;
- пульт дистанционного управления двигателем с приборами контроля за его работой;
- устройство для соединения двигателя с тормозом;
- система водяного охлаждения двигателя;
- смазочная система двигателя;
- топливная система с устройством для замера расхода топлива;
- система воздухоснабжения;
- система выпуска отработавших газов.
Стенд для испытания топливных композиций оборудован электротормозной установкой производства МЭЗ ВСЕТИН (ЧССР), состоящий из:
- балансирного динамометра DS 926-4 V с весами, датчиком вращающего момента, фотоэлектрическим датчиком скорости вращения и вентилятором для независимого охлаждения;
- преобразователя Леонарда DP 1126-4 (мотор-генератора);
- распределительного шкафа 4 RN 2088 со сдвоенным тормозным возбуждающим устройством и регулятором динамометра для регулирования скорости вращения и вращающего момента;
-1
- пульта с аппаратурой управления, указателем скорости вращения (вольтметра градуированного в мин, класс точности 1.5) и амперметра в цепи якорей.
Балансирный динамометр оборудован дополнительным устройством, в состав которого входят приборы для цифрового измерения вращающего момента и скорости вращения. Балансирный динамометр DS 926-4 V постоянного тока, предназначен для определения вращающего момента и мощности. Динамометр может работать в обоих направлениях вращения. Весы динамометра снабжены круглым циферблатом со шкалой, освещаемой разрядной трубкой. Шкала весов проградуирована в ньютонометрах.
-1
Управление двигателем, электротормозной установкой и контроль работы систем установки осуществляется с дистанционного пульта управления. На пульте управления имеется регулятор для настройки требуемой величины скорости вращения и вращающего момента, приборы для аналогового измерения числа оборотов и тока в цепи якорей, переключатели для выбора направления вращения динамометра и остальная аппаратура, необходимая для работы динамометра и сигнализации. Поддержание постоянства требуемой скорости вращения осуществляется путем введения обратной связи по скорости, причем в качестве звена обратной связи применяется фотоэлектрический датчик числа оборотов, расположенный на передней стороне динамометра и составляющий его часть. Требуемое значение скорости вращения и вращающего момента можно плавно настроить при помощи общего элемента - потенциометра с точностью настройки числа оборотов порядка 10 мин. Постоянство требуемой скорости вращения можно поддерживать с точностью 0,5% по отношению к максимальной скорости вращения. Постоянство требуемого вращающего момента можно поддерживать с точностью 1,0% по отношению к номинальному вращающему моменту.
Двигатель соединен с электротормозной установкой при помощи карданного вала, обеспечивающего компенсацию несоосностей валов двигателя и тормоза.
Система охлаждения двигателя открытого типа, включающая в себя: рубашку охлаждения двигателя; центробежный насос с приводом от коленчатого вала; расширительный бачок-смеситель, трубопроводы подвода и отвода воды. Контроль за тепловым состоянием двигателя осуществляется с помощью штатного датчика температуры охлаждающей жидкости, установленной в головке блока цилиндров двигателя, информация от которого выводится на штатный указатель температуры на панели дистанционного управления двигателем. Кроме того, применен дополнительный обдув двигателя воздухом с помощью промышленного вентилятора, имитирующий охлаждение двигателя набегающим потоком воздуха при движении автомобиля.
Для смазывания двигателя используется штатная масляная система двигателя.
Топливная система включает в себя: топливный бак; автоматизированный расходомер топлива Д-1, позволяющий определять расход топлива с точностью 0,5%; соединительные трубопроводы; топливоподкачивающий насос; карбюратор; механизм управления карбюратором. Управление открытием дроссельной заслонкой карбюратора вынесено на пульт дистанционного управления двигателем.
Система выпуска отработавших газов представляет собой трубопровод большого диаметра, обеспечивающий малые потери давления на выпуске, а также включает вытяжную систему вентиляции испытательного бокса.
Испытания топливных композиций проводили на вышеописанном стенде в соответствии с требованиями ГОСТ 14846.
Результаты испытаний приведены ниже.
Для определения способности присадки снижать отложения на впускной системе двигателя проводили испытания по квалификационному «Методу оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в карбюраторе, на впускных клапанах и в камере сгорания» на установке НАМИ-1М.
Сущность метода заключается в испытании бензинов на установке НАМИ-1М, основу которой составляет одноцилиндровый отсек двигателя ЗИЛ-130, работающий циклами по 5 мин со сменой 4-х различных режимов в течение одного цикла, и последующей оценки отложений в карбюраторе, на впускном клапане и в камере сгорания. В целях ужесточения условий образования отложений двигатель работает на обогащенной топливовоздушной смеси и с частичной рециркуляцией отработавших газов.
Режимы испытаний представлены ниже:
Длительность испытаний - 18 часов.
По окончании испытаний производится оценка отложений в карбюраторе, на впускном клапане и в камере сгорания.
Степень загрязнения карбюратора оценивается визуально по балльной шкале в соответствии с методикой «CRC 219 Permiter Centre Parkinay Atlanta, Georgia 30346, HAS».
Оценка отложений на впускном клапане и в камере сгорания производится по весу в мг/час испытаний.
Результаты испытаний приведены в табл. 7:
Способность присадки снижать отложения на впускной системе двигателя проверяли по тесту на поддержание чистоты впускной системы СЕС F-05-A-93.
Тест предназначен для оценки качества бензина по поддержанию чистоты впускной системы с помощью моющих присадок по стандартной методике. Испытания проводятся на двигателе Daimler Chrysler М102Е, работающем на тестируемом бензине в течение 60-ти часов по определенному стандартом СЕС циклу. Вес отложений на впускных клапанах (IVD) определяется для каждого клапана. При этом в качестве итогового результата приводится среднее значение показателя для клапанов - IVD (мг/клапан). Дополнительно замеряли количество отложений в камере сгорания - на поверхности крышки цилиндра, а также на поверхности поршня и уплотнении поршня - совместно характеризующие суммарные отложения в камере сгорания (TCD).
Оценка отложений на впускном клапане и в камере сгорания производится по весу в мг/час испытаний.
Результаты испытаний приведены в табл. 8:
Способность присадки снижать отложения на впускной системе двигателя проверяли по тесту на поддержание чистоты впускной системы СЕС F-05-A-93.
Тест предназначен для оценки качества бензина по поддержанию чистоты впускной системы с помощью моющих присадок по стандартной методике. Испытания проводятся на двигателе Daimler Chrysler М102Е, работающем на тестируемом бензине в течение 60-ти часов по определенному стандартом СЕС циклу. Вес отложений на впускных клапанах (IVD) определяется для каждого клапана. При этом в качестве итогового результата приводится среднее значение показателя для клапанов - IVD (мг/клапан). Дополнительно замеряли количество отложений в камере сгорания - на поверхности крышки цилиндра, а также на поверхности поршня и уплотнении поршня - совместно характеризующие суммарные отложения в камере сгорания (TCD).
Известно, что на результаты данного теста оказывают влияние многие параметры, поэтому испытания проводились последовательно на одном и том же двигателе непосредственно одно за другим, сохраняя все параметры и регулировки двигателя неизменными.
Известно, что на результаты данного теста оказывают влияние многие параметры, поэтому испытания проводились последовательно на одном и том же двигателе непосредственно одно за другим, сохраняя все параметры и регулировки двигателя неизменными.
Моторные испытания предлагаемой многофункциональной экологической присадки к топливу проводили на дизельном топливе ДЛ по ГОСТ 305 на испытательном стенде, оборудованном двигателем КАМАЗ-740.10 в соответствии с требованиями ГОСТ 14846.
Стенд оснащен системами, обеспечивающими его функционирование при всех режимах испытаний, а также контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, позволяющей контролировать и регистрировать все необходимые для работы и проведения исследования параметры двигателя и его систем (системы топливоподачи, охлаждения и т.д.).
Стенд оснащен следующими системами и оборудованием:
- тормозное устройство;
- пульт дистанционного управления двигателем с приборами контроля за его работой;
- устройство для соединения двигателя с тормозом;
- система водяного охлаждения двигателя;
- смазочная система двигателя;
- топливная система с устройством для замера расхода топлива;
- система воздухоснабжения с устройством для замера воздуха;
- система выпуска отработавших газов.
Стенд для испытания двигателя оборудован гидротормозом MAW.
Управление двигателем и контроль работы систем установки осуществляется с дистанционного пульта управления.
Двигатель соединен с тормозной установкой при помощи эластичной муфты, обеспечивающего компенсацию несоосностей валов двигателя и тормоза.
Измерение частоты вращения коленчатого вала осуществлялось с помощью штатного тахометра.
Система охлаждения двигателя открытого типа включает в себя:
- рубашку охлаждения двигателя;
- центробежный насос с приводом от коленчатого вала;
- смеситель,
- трубопроводы подвода и отвода воды.
Контроль за тепловым состоянием двигателя осуществляется с помощью штатного датчика температуры охлаждающей жидкости, установленной в блоке цилиндров двигателя, информация от которого выводится на штатный указатель температуры на панели дистанционного управления двигателем.
Для смазывания двигателя используется штатная масляная система двигателя.
Топливная система включает в себя:
- топливный бак;
- расходомер топлива, позволяющий определять расход топлива весовым способом с точностью 0,5%;
- соединительные трубопроводы;
- топливоподкачивающий насос;
- штатную систему топливоподачи двигателя.
Управление положением рейки топливного насоса вынесено на пульт дистанционного управления двигателем.
Система выпуска отработавших газов представляет собой трубопровод большого диаметра, обеспечивающий малые потери давления на выпуске, а также включает вытяжную систему вентиляции испытательного бокса.
Измерения токсичности отработавших газов осуществлялось лабораторным газоанализатором «ОПТОГАЗ-1» с цифровой индикацией. Измерения дымности отработавших газов дымомером КИД-2 в соответствии с ГОСТ.
Инструментальные погрешности замеров:
Частота вращения коленчатого вала, %
- 1,0
Крутящий момент, нм
- 0,5
Расход топлива, %
- 0,5
Содержание СО, СО<sub>2</sub>
- 3%
Содержание CH, NO
- 5%
Дымность ОГ, %
- 2,0
Результаты испытаний приведены в табл. 10-13 (см. таблицы №10-№13 в конце описания).
Были проведены стендовые испытания на двигателе 3DNL 170/600 HF фирмы «Bolnes» с целью определения эффективности применения многофункциональной экологической присадкой (образец 13) к мазутам для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах. Дизель 3DNL 170/600 HF - двухтактный, крейцкопфный с прямоточно-клапанной продувкой и комбинированной системой наддува. В результате испытаний установлено, что применение присадки приводит к снижению расхода топлива на 1,6% и уменьшению содержания в отработавших газах оксида углерода на 12%, оксидов азота на 9% и дымности на 30%.
-1
Для проверки предположения о снижении износа деталей ЦПГ при использовании дизельного топлива с предлагаемой многофункциональной экологической присадкой были проведены испытания на моторном стенде с двигателем 2Ч 8,5/11, производства завода «Дагдизель» с вихрекамерным смесеобразованием номинальной мощностью 8,8 кВт при 1500 мин.
Испытания проводили на штатном топливе Л-0,2-62 по ГОСТ 305-82 и этом же топливе с добавлением 0,01% патентуемой присадки - образец 11 с отбором проб масла с их последующим анализом.
1. Физико-химические и спектральные показатели смазочного масла определялись для проб исходного масла и отобранных, через 10 часов эксперимента, с помощью лабораторного анализа масел согласно ГОСТов и фотоэлектрического спектрометра МФС-7 [1. Кюрегян С.К. Эмиссионный спектральный анализ нефтепродуктов. - М.: Химия, 1969. - 296 с.; 2. Чанкин В.В. Спектральный анаиз масел в транспортных двигателях и методы
контроля их состояния без разборки. - М.: Транспорт, 1967. - 84 с.].
2. Скорость изнашивания втулок цилиндров определялась методом ИРАБ (искусственных радиоактивных баз). С этой целью две втулки были активированы вставками с кобальтом 60 в точке перекладки верхних компрессионных колец. Снижение интенсивности износа втулок, за единовременную наработку с учетом взаимовлияния самораспада кобальта, рассчитывались на ПЭВМ при помощи специально созданной программы [Техническое диагностирование корабельных двигателей внутреннего сгорания. - СПб.: ВМА, 1997. - 184 с.].
3. Износ цилиндропоршневой группы контролировался на различных этапах (приработка, работа на штатном топливе, работа на топливе с присадкой «0010») следующими методами [Матвиевский P.M., Лашхи В.Л., Буяновский А.И., Фукс И.Г., Бадыштова К.М. Смазочные материалы. Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний. Справочник. - М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.]:
- нарезания лунок на втулках прибором УПОИ (8 лунок на поясе метки ИРАБ);
- нарезание лунок на кольцах прибором УПОИ (7 лунок на наружной поверхности);
- микрометрирование колец прибором ИЗВ-1 по высоте и ширине кольца;
- взвешиванием колец на аналитических весах ВЛР.
Шатунные вкладыши контролировались в конце первого и второго этапов внешним осмотром и взвешиванием на аналитических весах.
Расход масла на угар определялся по маслоуказателю через 10 часов работы.
Эксперимент включал:
- приработку колец и втулок цилиндров до установившейся скорости изнашивания втулок цилиндров (30 часов на 50% нагрузке);
- первый этап - работа двигателя на штатном дизельном топливе Л-0,2-62 по ГОСТ 305-82 (50 часов на нагрузке 100%);
- второй этап - работа двигателя на топливе с 0,01% образца 11 предлагаемой присадки (50 часов на нагрузке 100%).
В результате испытаний установлено, что при работе дизеля на топливе с многофункциональной экологической присадкой происходит снижение:
- износа рабочих втулок цилиндров на
70%
- износа поршневых колец в
1,5-3 раза
Во время испытаний дополнительно контролировалась эмиссия отработавших газов. Содержание вредных примесей в отработавших газах контролировалось в конце этапа работы на штатном топливе и конце этапа работы на топливе с присадкой газоанализатором ГАТУ.
В результате испытаний установлено, что при работе дизеля на топливе с многофункциональной экологической присадкой происходит снижение:
- содержания в отработавших газах:
оксида углерода на
30%
оксидов азота на
25%
несгоревших углеводородов на
100%
- удельного эффективного расхода топлива на
5%
2
Проверку способности патентуемой многофункциональной экологической присадки удалять нагары из камеры сгорания проводили на моторном стенде - оборудованном дизелем Д-21. На первом этапе испытаний дизель работал в течение 10 ч на дизельном топливе Л по ГОСТ 305 и моторном масле М10В по ГОСТ 8581 в режиме ускоренного образования на деталях цилиндро-поршневой группы. После этого снимали крышку блока цилиндров и проводили оценку нагарообразования на поршне. При этом определяли:
- толщину нагара
- твердость нагара по ГОСТ 20991
- состав нагара
Двигатель собирали.
На втором этапе двигатель работал на том же топливе Л с добавлением патентуемой многофункциональной экологической присадки (образец 8 - 0,015% и образец 9 - 0,02%) на разных нагрузках в течение одного часа. После чего двигатель вскрывали и оценивали нагар на поршне. Результаты испытаний приведены в табл. 14.
Эксплуатационные испытания топлив с предлагаемой многофункциональной экологической присадкой проходили по следующей схеме:
1. Для испытаний было выделено по 10 автомашин одной марки и примерно одинакового технического состояния.
2. Перед выездом из парка все автомашины заправлялись одной маркой топлива. Количество ежедневно заправляемого топлива и пробег автотранспорта в период проведения испытаний фиксировалось и заносилось в протокол.
3. Прогревались двигатели автотранспорта и проводились замеры содержания вредных веществ в отработавших газах таких как:
x
СО; NO; СН и дымности. Результаты измерений заносились в протокол.
4. В топливный бак пяти опытных машин заливали многофункциональную экологическую присадку (образец 5 для бензиновых двигателей и образец 10 для дизельных двигателей) в количестве 0,01%.
Пять контрольных машин эксплуатировались на товарном топливе без применения присадки.
5. Автотранспорт отправлялся в рейс, где его пробег должен был составлять не менее 100 км.
x
6. После возвращения машин в парк, перед тем как заглушить двигатель, проводились замеры содержания вредных веществ в отработавших газах таких как: СО, NO, СН и дымности.
7. На следующий день перед выездом из парка все выделенные для проведения испытаний машины заправлялись одной маркой топлива.
В топливный бак опытных машин заливали многофункциональную экологическую присадку в количестве 0,01%, необходимом для работы в экологически чистом режиме из расчета 1 миллилитр на 10 литров топлива.
Контрольные машины продолжали эксплуатировать на товарном топливе.
8. Прогревали двигатели автомашин и проводили замеры содержания вредных веществ в отработавших газах.
9. Отправляли машины в рейс. Условия работы машин во время рейса не регламентировались.
10. После возвращения машин в парк, перед тем как заглушить двигатель проводили замеры содержания вредных веществ в отработавших газах.
11. Во все последующие дни производились замеры концентрации содержания вредных веществ в отработавших газах один раз в день по возвращению автотранспорта в парк, или утром перед отправкой в рейс.
12. В период испытаний эксплуатация испытуемого автотранспорта на топливе, не содержащем присадку не проводилась.
13. Испытания, согласно п.п. 7-.10, проводить в течение 5-1 - дней.
Испытания проводили на автотранспорте АП-3 ГУП «Пассажиравтотранс» г. Санкт-Петербурга на рейсовых автобусах ПАЗ-32054 с двигателями ЗМЗ 5234, работающими на бензине Нормаль-80 (А-76) по ГОСТ Р 51105, и ЛиАЗ-5256 с двигателями КамАЗ 7408.10, работающими на дизельном топливе по ГОСТ 305.
Пробег автобусов ПАЗ-32054 колебался от 157 до 317 тыс. км, а ЛиАЗ-5256 от 125 до 318 тыс. км.
Результаты испытаний приведены в табл. 15-16.
Представленные результаты подтверждают высокую эффективность экологических присадок и зависимость их эффективности от технического состояния двигателя.
Эксплуатационные испытания многофункциональной экологической присадки (образец 12) в печном топливе по ТУ 38-101656-87 на котле «Волга У-100, лж, КВА-05». В результате испытаний было установлено, что введение присадки в концентрации 0,01% приводит к снижению:
- содержания оксида углерода в отходящих газах на 20-30%;
- содержания оксидов азота в отходящих газах до 30%;
- содержания несгоревших углеводородов в отходящих газах на 30-50%;
- расхода топлива до 3%.
Эксплуатационные испытания многофункциональной экологической присадки (образец 13) во флотском мазуте проводиле на ледоколе «Капитан Плахин» на двигателе Wartsila VASA 12V22HFD (12 ЧН 22/24). Испытания проводили в два этапа:
- на первом этапе двигатель работал на штатном флотском мазуте Ф-5 по ГОСТ 10585-63;
- на втором этапе двигатель работал на штатном флотском мазуте Ф-5 с добавлением 0,02% многофункциональной экологической присадки (образец 13).
Результаты испытаний приведены в табл. 17
Испытания мазутов 100 по ГОСТ 10585с многофункциональной экологической присадкой (образец 13) проводили на котлах ДКВЗ-2,5-13 (концентрация присадки 0,01) и ДЕ - 14-16 (концентрация присадки 0,02). Введение присадки в мазут позволило:
- снизить массовый выброс оксидов азота на 25-35%;
- увеличить КПД котла на 1,0-1,5%;
- снизить расход мазута на 2,0-3,0%.
Приведенные в табл. 2-15 данные стендовых и эксплуатационных испытаний указывают на:
- снижение удельного расхода топлива при использовании предложенной многофункциональной экологической присадки, по сравнению как с исходным топливом и с топливом, содержащим присадку-прототип;
- снижение нагаров в камере сгорания двигателей с зажиганием от искры и сжатия;
- снижение отложений во впускной системе двигателей;
- улучшение экологических характеристик отработавших и отходящих газов;
- снижение температуры отработавших газов, как следствие снижения температуры в камере сгорания;
- снижение износа деталей цилиндро-поршневой группы двигателей, т.е. подтверждают достижение поставленной цели.
Промышленная применимость изобретения подтверждена тем, что многофункциональные экологические присадки могут быть изготовлены из весьма доступных ингредиентов на общепромышленном химическом оборудовании и простым и надежным способом введены в жидкое топливо, как на местах получения топлива, так и на местах его хранения и применения. При этом в зависимости от свойств топлива и конструктивных особенностей конкретных ДВС можно регулировать состав присадок в весьма широких границах, обеспечивая существенное повышение компрессии и снижение удельного расхода топлива и токсичности выхлопа.