Влияние добавок оксигенатов на антидетонационные свойства топлив для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием

УДК 621.43.057.5

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ОКСИГЕНАТОВ НА АНТИДЕТОНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОПЛИВ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ

С.Н. Богданов, А.Н. Лаврик, А.С. Теребов

INFLUENCE OF THE OXYGENATES SUPPLEMENTS ON THE QUALITIES OF THE ANTIKNOCK FUELS FOR THE AUTOMOBILE SPARK-IGNITION ENGINES

S.N. Bogdanov, A.N. Lavric, A.S. Terebov

Оценивается влияние различных оксигенатных компонентов топлива на его антидетонационные свойства.

Ключевые слова: топливо для двигателей внутреннего сгорания, альтернативное топливо, бензин, бензанол, оксигенаты, кислородосодержащие компоненты топлива, антидетонационные свойства топлив.

The influence of various oxygenate fuel components on its antiknock qualities is analyzed.

Keywords: fuel for internal-combustion engines, alternate fuel, petrol, benzanol, oxygenates, oxygen-containing propellants, qualities of the antiknockfuels.

Одной из важнейших характеристик топлив для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным зажиганием является их детонационная стойкость, которую наиболее точно характеризует температура самовоспламенения. Так как температура самовоспламенения зависит от множества факторов, детонационную стойкость топлива оценивают по косвенному показателю - октановому числу (ОЧ).

Детонационная стойкость бензинов может быть повышена двумя способами: применением вторичных методов переработки сырья (термический крекинг, каталитический крекинг и т. д.), либо добавлением высокооктановых компонентов и специальных присадок, называемых антидетонаторами. Первый способ достаточно дорогостоящий. Технологические потери на нагрев сырья при производстве прямогонного бензина составляют 5 %, а при использовании вторичных методов - 25 %. Добавление антидетонаторов экономически более выгодный способ, так как их содержание в топливе находится в диапазоне от нескольких процентов до сотых долей процентов. В таблице приведен ассортимент антидетонаторов [1].

Из таблицы видно, что практически все антидетонаторы имеют свои недостатки, в связи с чем связано ограничение их содержания в топливе, а следовательно максимально возможный прирост ОЧ топлива. Антидетонаторы на основе соединений свинца в настоящее время запрещены для применения в автомобильных бензинах. Новый регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», вступающий в силу с августа 2008 года, допускает использование только антидетонаторов на основе ароматических аминов и кислородосодержащих добавок.

Кислородосодержащие добавки (оксигенаты) обладают рядом преимуществ перед остальными антидетонаторами: возможностью получения из возобновляемых источников сырья, низкой токсичностью, как самих топлив, так и продуктов сгорания, высокими антидетонационными свойствами. Бензины с оксигенатами характеризуются улучшенными моющими свойствами и характеристиками горения. При этом возможно использование оксигенатов не только в качестве антидетонаторов, но и как топливо для ДВС. Важно, что при сжигании единицы биооксигенатно-го компонента выделяется такое же количество углекислого газа, которое поглощается в процессе роста биомассы необходимой для его получения, следовательно, сохраняется природный баланс.

Таблица

Типы присадок Торговые марки Примечание

Антидетонаторы на базе соединений свинца Р-9, 1-ТС, П-2 Высокотоксичны. Наносят вред природе и человеку. Отравляют катализаторы дожига ОГ

Антидетонаторы на безе соединений ферроцена ФК-4, ФеРоЗ, ДАФ, АПК, Октан-максимум Дороги. Могут вызывать отложения на свечах. Нетоксичны.

Антидетонаторы на базе соединений марганца Ц8, 1Ц8, 2Ц8, 3Ц8, НИес-3000 Могут вызывать отложения на свечах. Разлагаются на свету. Несколько токсичнее соединений железа, но гораздо менее токсичны, чем присадки на основе свинца.

Антидетонаторы на базе ароматических аминов Экстарлин, АДА, N метиланилин, Авто-ВЭМ-А Токсичны (но гораздо менее, чем этиловая жидкость). Обладают неприятным запахом. При передозировке вызывают повышенные отложения в двигателе и износ деталей ЦПГ.

Оксигенаты (кислородсодержащие добавки) МТБЭ, Фэтерол марок А и Б, втор-бутиловый спирт, ВОКЭ Как компоненты бензинов в 2-3 раза дороже нефтяных фракций. Вводятся в топливо в концентрациях до 15% (об.). Нетоксичны.

Смесевые композиции ДАКС, Фэтерол марок В, Г и Д, Авто-ВЭМ, МАФ, Фер-рАДА, АК, БВД Позволяют получить большее повышение ОЧ за счет возможных синергических эффектов, а также простого суммирования действия.

Оценим влияние некоторых оксигенатов на формирование антидетонационных свойств топлив. Оксигенаты были выбраны с учетом обеспечения фазовой стабильности и экологичности топлив, наличия сырьевых ресурсов, экономики и реальных условий эксплуатации автотракторной техники [2].

В качестве добавки к топливу наибольший интерес представляет этанол. Он обладает достаточно высокими ОЧ смешения и хорошими эксплуатационными и экологическими показателями. У этанола наибольшая предельно допустимая концентрация (ПДК) паров 1000 мг/м3. При использовании этанольного компонента наблюдается существенное снижение токсичности отработавших газов. Широко применяется газохол (смесь бензина с 10-20 % этанола) в США и Бразилии.

Влияние добавок этанола на ОЧ бензинов иллюстрируют графики (рис. 1), построенные на основе данных справочника [3]. За основу взяты бензины с различными ОЧ, к которым добавлялось по 10 % от объема этанола.

Из рис. 1 следует, что эффективность добавок этанола тем выше, чем ниже ОЧ базового бензина. Это свойство присуще большинству антидетонаторов различных классов. По мере увеличения доли этанола в бензине его эффективность снижается. Зона наибольшей эффективности этанола, как антидетонатора, находится в пределах до 10 % объема.

Изопропиловый спирт (ИПС), как и этиловый, характеризуется высокими значениями ПДК и ОЧ. Достоинство ИПС и в том, что он обладает хорошей физической стабильностью в смесях с бензинами. Он обеспечивает физическую стабильность не абсолютированных бензо-этанольных смесей [1]. Для оценки влияния ИПС на формирование ОЧ прямогонного бензина использовался октанометр СВП 1.00.000М. Принцип работы прибора заключается в определении детонационной стойкости бензинов на основании измерения их диэлектрической проницаемости. Результаты исследований (рис. 2) показывают, что при добавке ИПС до 6 % по объему ОЧМ и ОЧИ смесей изменяются по линейному закону, при дальнейшем увеличении добавок линейность нарушается. Добавка 6% ИПС повышает ОЧМ прямогонной фракции бензина на 13, а ОЧИ - на 17 пунктов. При добавке ИПС более 6 % его эффективность, как антидетонатора, снижается.

Контроль и испытания

О 10 20 30 40 50

Содержание этилового спирта в топливе, %

Рис. 1. Влияние добавок этанола на формирование ОЧ бензинов различной детонационной стойкости: 1 - ишимбайский бензин; 2 - авиабензин Б-59; 3 - авиабензин Б-70 [3]

ши

0 10 20 30 40 50

Содержание ГГ в топливе. %

Рис. 3. Влияние добавок гидрогенизата (ГГ) на формирование ОЧ топлива: 1 - гидрогенизат; 2 - гидрогенизат с ферроценом

100

98

96

68 -I------------------------------------------------

0 2 4 6 8 10

Содержание ИПС в топливе, %

Рис. 2. Влияние добавок изопропилового спирта

Проведена оценка влияния на формирование детонационной стойкости прямогонного бензина добавок гидрогенизата и ферроцена (рис. 3). Гидрогенизат предствляет собой бутанольно-бутилформатную фракцию, в состав которой входят 45% бутилового и 55% изобутилового спирта. Ферроцен (С5Н5)2Бе -металлоорганическое соединение в виде кристаллического порошка. При его использовании содержание железа в бензине не должно превышать 38 мг на 1 дм3 (в образцах испытанных топлив содержалось 27 мг/дм3 железа). Октановые числа определялись моторным методом на одноцилиндровой установке УИТ-85. Полученные результаты показывают, что при добавке 15% гидрогенизата ОЧ прямогонного бензина повышается на 12 пунктов. Ферроцен совместим с гидрогениза-том и повышает ОЧМ прямогонного бензина на 8 пунктов. С увеличением содержания гидрогенизата эффект за счет добавок ферроцена снижается. Так при 15% содержании гидрогенизата прирост ОЧМ за счет ферроцена составил 4 пункта.

Таким образом этанол, изопропанол и гидрогенизат являются эффективными окси-генатными антидетонаторами. Наибольшую

приемистость обеспечивают добавки 10% этанола, 6% изопропанола и 15% гидрогенизата. Чувствительность автомобильных бензинов (разность между ОЧИ и ОЧМ) зависит от содежания оксигенатов, при увеличении их концентрации чувствительность увеличивается. С повышением детонационной стойкости бензиновой фракции эффективность оксигенатов, как антидетонаторов, снижается.

Литература

1. Данилов, А.М. Применение присадок в топливах для автомобилей / А.М. Данилов - М. : Химия, 2000 - 232 с.

2. Богданов, С.Н. Обеспечение фазовой стабильности этанольных топлив для автомобильных двигателей / С.Н. Богданов, А.Н. Лаврик, А.С. Теребов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение», 2007. Вып.10. - №25(97). - С. 102-106.

3. Папок, К.К. Словарь по топливам, маслам, присадкам и специальным жидкостям (хим-мотологический словарь) /К.К. Папок, Н.А. Рагозин. - М. : Химия, 1975. - 392 с.

Поступила в редакцию 10 мая 2008 г.

Богданов Сергей Николаевич. Аспирант кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета. Область научных интересов - рабочий цикл ДВС, альтернативные виды автотракторных топлив.

Bogdanov Sergey Nikolaevich. Post-Graduate Student of the Internal Combustion Engines Department of the South Ural State University. Professional interests: operating cycle of an internal combustion engine, alternate types of car-and-tractor fuels.

Лаврик Александр Николаевич. Доктор технических наук, профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета, академик РАН. Область научных интересов - рабочий цикл ДВС, многотопливность ДВС, химмотологий топлив и смазочных материалов.

Lavric Aleksandr Nikolaevich. Dr.Sc. (Engineering), Professor of the Internal Combustion Engines Department of the South Ural State University, Academician of the Russian Academy of Sciences. Professional interests: operating cycle of an internal combustion engine, multifuel capacity of an internal combustion engine, chemistry of fuels and lubricating oils.

Теребов Антон Сергеевич. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Основы и проектирования машин» Южно-Уральского государственного университета. Область научных интересов - рабочий цикл и техническое обслуживание ДВС, конструкция и расчет ДВС.

Terebov Anton Sergeevich. Cand.Sc. (Engineering), Associate Professor of the Machine Basis and Design Department of the South Ural State University. Professional interests: operating cycle and technical maintenance of an internal combustion engine, design and engineering design of an internal combustion engine.