Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам различного группового состава

0;и инновации # 11·2017

1

Особенности работы моющих присадок

применительно к бензинам

различного группового состава

Для решения задачи повышения качества применяемых топлив в двигателях внутрен-

него сгорания предложен комплексный подход, предусматривающий использование

присадок к бензину, одновременно повышающих моющие свойства и полноту сгорания

топлива. Представлены результаты лабораторных исследований современных бензи-

нов и моторно-стендовых испытаний бензинового впрыскового двигателя при его ра-

боте на бензинах разного группового и оксигенатного состава, в том числе с содер-

жанием моющей присадки и активатора горения. Рассмотрены связи между группо-

вым и оксигенатным составами бензина, концентрацией введенной присадки и

технико-экономическими и экологическими показателями работы бензинового двига-

теля. Определена оптимальная концентрация ввода многофункциональной присадки в

бензины разного группового состава. Показано, что эффективность работы присад-

ки ухудшается при повышении содержания оксигенатов.

Ключевые слова: бензин, групповой состав, оксигенаты, моющие присадки, акти-

ваторы горения, моторно-стендовые испытания, нагарообразование, токсич-

ность отработавших газов

Современные брендовые автомобильные бензины практически

всегда содержат моющие присадки, предназначенные для снижения

уровня отложений в системе топливоподачи, впускных каналах и на

впускных клапанах, в камере сгорания двигателя [1–6].

Часто моющая присадка комбинируется с активатором горения

топлива, с помощью которой достигается повышение скорости и

полноты сгорания топлива в двигателе. В результате его работы уси-

ливается действие моющей присадки путем активации «горячей»

очистки камеры сгорания — температурного разрушения твердых

сажистых отложений на огневых поверхностях головки цилиндров и

поршней. В результате улучшаются условия сгорания топливо-

воздушной смеси, отдаляется порог детонации в двигателе, снижает-

ся вероятность возникновения калильного воспламенения. Одним из

преимуществ использования бензинов, содержащих комплексный

пакет присадок, является уменьшение скорости загрязнения активной

зоны катализаторов системы подавления токсичности отработавших

газов, следовательно, продление их срока службы [5, 6]. Кроме того,

увеличение скорости и полноты сгорания топлива способствует по-

вышению мощности и снижению расхода топлива двигателя [5, 6].

2

Комплексный пакет присадок автомобильного бензина предна-

значен для достижения двух целей. Во-первых, улучшение качества

сгорания топлива способствует уменьшению склонности топлива к

образованию отложений. Сгорание происходит с образованием

меньшего количества сажистых отложений, негативно влияющих на

рабочий процесс двигателя. Во-вторых, моющий компонент пакета

способствует удалению органических отложений в «холодной» части

топливной системы (топливном баке, топливопроводах, дозирующих

элементах системы топливоподачи), накопленных за время преды-

дущей эксплуатации двигателя и нарушающих процесс смесеобразо-

вания. Кроме того, он должен инициировать «горячую» очистку ог-

невых поверхностей камеры сгорания двигателя.

Опыт многочисленных экспериментальных исследований, прове-

денных авторами статей [7, 8], показал, что эффективность работы

пакета присадок существенно зависит от группового состава базового

топлива. При этом данный вопрос практически полностью игнориру-

ется производителями присадок, рекомендации которых по дозиров-

ке пакета являются общими для любых видов базовых бензинов.

Цель статьи — экспериментальное исследование влияния группово-

го состава бензина на работу комплексной многофункциональной мо-

ющей присадки отечественного производства, входящей в его состав,

для доказательства необходимости последующей оптимизации концен-

трации ввода присадки в соответствии с составом каждого базового

бензина.

Испытаниям подлежали четыре вида базовых бензинов АИ-92 с

разным содержанием ароматических углеводородов и кислородосо-

держащих компонентов. Физико-химические показатели базовых

бензинов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические показатели базовых бензинов

Параметр

Образец бензина

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

Октановое число по исследовательскому

методу, ед.

92,6

92,1

92,7

93,1

Октановое число по моторному методу, ед.

83,1

83,0

83,5

88,4

Фракционный состав:
–

объемная доля испарившегося бензина

при температуре 70° С, %

–

объемная доля испарившегося бензина

при температуре 100° С, %

–

объемная доля испарившегося бензина

при температуре 150° С, %

–

конец кипения, °С

–

остаток в колбе, % (об.)

32,2

53,3

86,3

195

1,3

35,0

54,0

81,2

209

1,0

42,3

61,3

87,4

186

1,0

52,4

59,1

82,3

212

1,0

Объемная доля бензола, %

0,5

0,4

0,2

0,1

Концентрация серы, мг/кг

3,0

8,7

7,7

61,0

Давление насыщенных паров, кПа

80,0

74,0

63,0

76,0

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

# 11·2017 3

Окончание табл. 1

Параметр

Образец бензина

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

Массовая доля кислорода, %

0

0

2,14

11,3

Содержание фактических смол, мг/100 см

3

0

1,0

0

5,0

Объемная доля углеводородов, %:
–

олефиновых

–

ароматических

2,6

34,9

0,4

33,0

4,2

25,9

2,1

16,3

Объемная доля оксигенатов, %
–

метанола

–

третбутилового спирта

–

эфиров (С5 и выше)

–
–
–

–
–

0,7

–
–

11,7

16,9

1,2

–

Как следует из результатов определения физико-химических по-

казателей базовых бензинов, образцы № 1–3 относятся к экологиче-

скому классу К5 и полностью соответствуют требованиям Техниче-

ского регламента Таможенного союза (ТР ТС 013/2011) [9]. Образец

№ 4, не соответствующий этим требованиям по составу (наличию

метанола), массовой доле кислорода и содержанию серы, относится к

газоконденсатным базовым бензинам, часто использующимся неко-

торыми топливными фирмами с малым оборотом топлива. Несмотря на

несоответствие состава этого образца бензина требованиям ТР ТС

013/2011, было принято решение оставить его в исследовании для рас-

ширения диапазона изменения параметров группового состава топлива.

Результаты анализа расширенного углеводородного состава образцов

базовых топлив представлен в табл. 2.

Таблица 2

Содержание углеводородов определенных групп

в исследованных образцах базовых бензинов, % (об.)

Группа углеводородов

Образец бензина

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

н-парафиновые

11,43

12,04

12,55

18,47

Изопарафиновые

47,23

48,54

40,54

31,43

Ароматические

34,87

33,04

25,88

16,34

Нафтеновые

3,92

5,26

5,14

10,14

Олефиновые

2,55

0,42

4,18

2,08

Оксигенаты

0

0,70

11,71

21,54

Испытания проводились последовательно для каждого образца

бензина, затем — для этого же бензина с многофункциональной при-

садкой, вводимой в топливо в концентрации, рекомендованной ее

производителем (1000 ррm). Для испытаний был выбран моторный

стенд с бензиновым 16-клапанным впрысковым двигателем

ВАЗ-2112 (4Ч 8,2/7,1) мощностью 68 кВт при частоте вращения
n = 5600

об/мин.

4

Методика испытаний каждого образца бензина включала в себя

следующие этапы [9, 10]:

• частичная разборка двигателя, взвешивание контрольных ве-

совых элементов (клапанов, свечей зажигания, инжекторов), сборка,

установка на стенд;

• эталонное загрязнение, т. е. выработка на фиксированном ре-

жиме 20 л специальной загрязняющей смеси, формирующей на по-

верхностях камеры сгорания, топливной и впускной систем двигате-

ля начального слоя отложений;

• повторная частичная разборка, определение начальной массы

отложений, сборка;

• начальное снятие показателей работы двигателя по заданной

программе с измерением мгновенного расхода топлива и показателей

токсичности отработавших газов на режимах нагрузочных характе-

ристик в эксплуатационном диапазоне работы двигателя, причем ра-

бота двигателя на режимах высоких нагрузок не допускается для

исключения фактора температурной самоочистки двигателя;

• проведение 20-часового цикла испытаний на переменных ре-

жимах на испытуемом бензине;

• итоговое снятие показателей работы двигателя по заданной

программе, разборка двигателя, определение итоговой массы отло-

жений на контрольных деталях.

Для определения массы отложений проводилось взвешивание

контрольных деталей на аналитических весах с точностью до 0,001 г.

Следы масла и прочих загрязнений, оставшихся на поверхностях де-

талей в процессе разборки двигателя, были удалены в ходе специаль-

но разработанной процедуры промывки контрольных деталей в орга-

нических растворителях с последующей сушкой.

По результатам анализа данных, полученных на первом этапе ис-

пытаний, можно сделать следующие выводы.

1.

При испытаниях базовых бензинов начальная масса отложе-

ний, сформированная в результате эталонного загрязнения, после

длительной 20-часовой наработки двигателя, для всех бензинов не-

сколько увеличилась, что свидетельствует о низкой склонности к от-

ложениям у базовых бензинов и отсутствии в их составе моющих

компонентов. Наибольшее увеличение массы отложений было выяв-

лено у образца № 4, что, очевидно, связано со значительным по срав-

нению с другими образцами содержанием фактических смол (рис. 1).

2.

В ходе испытаний образцов бензинов, содержащих мно-

гофункциональную присадку, выявлена тенденция к уменьшению

массы отложений на всех контрольных весовых элементах двигателя

(свечах зажигания, впускных и выпускных клапанах, инжекторах)

(рис. 2).

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

# 11·2017 5

а

б

Рис. 1. Масса отложений на свечах зажигания (а) и впускных

клапанах (б), сформированных в результате испытаний базовых

бензинов

6

а

б

Рис. 2. Масса отложений на свечах зажигания (а) и впускных

клапанах (б), сформированных в результате испытаний образ-

цов бензинов, содержащих многофункциональную присадку

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

# 11·2017 7

3.

На образце бензина № 1 со сравнительно высоким содержани-

ем в базовом бензине ароматических углеводородов и полным отсут-

ствием кислородосодержащих компонентов (рис. 3) моющий компо-

нент присадки проявил наибольшую эффективность. Наименьшая

эффективность присадки была зафиксирована на образце бензина

№ 4 с аномально высоким содержанием оксигенатов. Однако и при

работе на нем масса отложений на поверхностях контрольных дета-

лей начала уменьшаться.

а

б

Рис. 3. Отложения, сформировавшиеся на поверхности впускного клапана

в результате испытаний бензина № 1 с моющей присадкой (а) и без нее (б)

4.

Наибольшую эффективность в относительном снижении мас-

сы отложений бензины, содержащие присадку, показали в плане

очистки впускных клапанов. Очевидно, что в данном случае сумми-

руется эффективность «горячей» очистки, при которой удаляются

твердые сажистые отложения с огневой, наружной поверхности таре-

лок клапанов, и «холодной» очистки, при которой удаляются органи-

ческие отложения со стержней и внутренних поверхностей тарелок

клапанов, омываемых струей топлива из форсунок. Минимальная от-

носительная эффективность выявляется в плане очистки инжекторов

системы впрыска топлива.

На втором этапе экспериментального исследования велся поиск

ответа на вопрос о влиянии концентрации ввода многофункциональ-

ной присадки на величину мгновенной эффективности по снижению

расхода топлива и изменению токсичности отработавших газов, а

также зависимости от состава базового бензина. На основании полу-

8

ченной информации были определены величины оптимальных кон-

центраций ввода многофункциональной присадки в бензины разных

групповых составов. Были проведены моторные стендовые испыта-

ния двигателя на образцах всех четырех видов базовых бензинов с

добавлением многофункциональной присадки в концентрациях

0, 500, 1000, 1500 и 2000 ррm. Для того чтобы исключить фактор ра-

боты моющего компонента присадки, не допускалась длительная ра-

бота двигателя на каждом образце топлива. При этом испытания про-

водились на двигателе, подвергнутом специальной процедуре очист-

ки, в ходе которой были удалены отложения и загрязнения на

поверхностях камеры сгорания, впускной и выпускной систем,

накопленные в процессе предыдущей эксплуатации. В результате ис-

пытаний была получена информация о влиянии активатора горения

топлива, входящего в состав многофункциональной присадки, на мо-

торные показатели бензинов разных групповых составов.

Каждый цикл испытаний включал в себя следующие этапы:

• пуск — прогрев двигателя, наработка на фиксированном режи-

ме 20 мин;

• снятие показателей двигателя, в том числе частоты вращения

коленчатого вала, крутящего момента, мгновенного расхода топлива,

содержания в отработавших газах токсических компонентов (оксида

углерода CO, остаточных углеводородов СН, оксидов азота NО

x

,

двуокиси углерода СО

2

), состава смеси, температуры отработавших

газов, на 10 режимах двух нагрузочных характеристик в эксплуата-

ционном диапазоне работы двигателя;

• обработка результатов испытаний с приведением к стандарт-

ным атмосферным условиям, расчет усредненных показателей по

экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.

Некоторые результаты выполненных испытаний приведены ни-

же. На рис. 4 показана зависимость относительного изменения

усредненного удельного расхода топлива двигателя при работе на

бензине, содержащем присадку, от концентрации ее ввода в топливо.

На графиках (см. рис. 4) показана ярко выраженная зависимость

оптимальной концентрации присадки, при которой достигается мак-

симальное энергосбережение, от группового состава бензина, явно

прослеживается зависимость этого параметра от содержания в бен-

зине кислородосодержащих компонентов. Так, для образцов № 1 и

№ 2 бензинов, не содержащих в составе оксигенатов, величина опти-

мальной концентрации близка к 1300 ррm, что несколько превышает

заявленную производителем присадки — 1000 ppm. Для бензинов, со-

держащих связанный кислород, оптимум концентрации сдвигается в

большую сторону. Например, для образца № 3 наилучшие результаты

получены при концентрации присадки 1600 ррm. Более того, для бензи-

на № 4 в исследованном диапазоне концентраций оптимум определен

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

# 11·2017 9

Рис. 4. Зависимость относительного изменения удельного расхода

топлива от концентрации ввода многофункциональной присадки

не был, т. е. он достигается при концентрации присадки, существенно

превышающей 2000 ррm.

Кривые на рис. 4 также отражают влияние состава топлива на

эффективность работы активатора горения. Наибольшая эффектив-

ность (порядка 3,5 % снижения расхода топлива относительно рабо-

ты двигателя на базовом бензине) получена на топливах, в основе ко-

торых базовый бензин № 1, содержащий максимальное количество

ароматических углеводородов при полном отсутствии оксигенатов.

Минимальная эффективность получена при использовании образцов

топлива на базовом бензине № 4 с минимальным содержанием аро-

матических углеводородов и чрезмерно высоким содержанием окси-

генатов. Он составил порядка 1,6 % снижения расхода топлива. Од-

нако, как было сказано выше, при увеличении концентрации ввода

присадки свыше 2000 ррm, возможно, эффективность была бы выше.

В то же время такое увеличение концентрации многофункциональ-

ной присадки приводит к недопустимому увеличению себестоимости

топлива.

Полученный результат также коррелирует с данными по содер-

жанию токсических компонентов углеводородов СН в отработавших

газов (рис. 5).

10

Рис. 5. Зависимость относительного содержания остаточных угле-

водородов СН в отработавших газах (ОГ) от концентрации ввода

присадки

Очевидно, что повышение скорости и качества сгорания топлива,

обеспечиваемое вводом активатора горения, приводящее к снижению

расхода топлива, способствует более полному выгоранию бензина в

цилиндре, что проявляется в уменьшении остаточных углеводородов

СН. При этом максимальная эффективность достигается на опреде-

ленных выше концентрациях ввода присадок в соответствии с соста-

вом базовых бензинов. При этом относительная эффективность кор-

релирует также с данными, полученными при анализе топливной

экономичности двигателя, работавшего на разных образцах топлива.

Так, максимальная эффективность снижения СН достигается на об-

разцах композиционного топлива, содержащего моющую присадку,

на основе бензина № 1 (до 7,5 %), минимальная — на основе базово-

го бензина № 4 (до 3,6 %).

Очевидно, что описанные выше результаты относятся к «мгно-

венной» эффективности, исключающей результат функционирования

моющего компонента присадки, проявляющийся только при дли-

тельной работе двигателя. По этой причине в реальной эксплуатации

двигателя относительное улучшение его показателей может быть су-

щественно выше. В этом случае оно будет зависеть от длительности

наработки двигателя на топливе с присадкой, исходного состояния

двигателя, а также от режимов его эксплуатации.

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

Таким образом, в ходе проведенного исследования доказано, что

оптимальная концентрация ввода многофункциональной присадки,

обеспечивающая максимальную эффективность работы как моющего

компонента, так и активатора горения, входящих в ее состав, зависит

от группового состава бензина, в первую очередь — от наличия и со-

става кислородосодержащих компонентов в топливе. Увеличение ок-

сигенатов ухудшает эффективность работы присадки, поэтому требу-

ется повышение концентрации присадки. Следовательно, при форми-

ровании состава брендовых топлив необходима индивидуальная

подборка концентрации многофункциональных присадок с учетом

состава базового бензина и заданного соотношения цена — качество.

ЛИТЕРАТУРА

[1]

Технический регламент Таможенного союза «О требованиях к автомобильно-

му и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для ре-

активных двигателей и мазуту» ТР ТС 013-2011 от 18.01.2011 г., № 826, 22 с.

[2]

Борзаев Б.X., Карпов С.А., Капустин В.М. Многофункциональные добавки

к автомобильным бензинам. Химия и технология топлив и масел, 2007,

№ 2, с. 18–20.

[3]

Сафонов А.С., Ушаков А.И., Чечкенев И.В. Автомобильные топлива.

Химмотология. Эксплуатационные свойства. Ассортимент. Санкт-

Петербург, НПИКЦ, 2002, 264 с.

[4]

Данилов А.М., Емельянов В.Е. Метанол в бензине. Газохимия, 2009, № 5,

с. 20–23.

[5] Rockstroh T., Floweday G., Wilken C. Options for Use of GTL Naphtha as a

Blending Component in Oxygenated Gasoline. SAE International Journal of
Fuels Lubricants, 2016, vol. 9 (1), pp. 191–202. DOI 10.4271/2016-01-0879

[6]

Емельянов В.Е. Влияние качества бензинов на токсичность отработавших

газов автомобиля (по материалам зарубежных публикаций). Защита

окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2006, № 1, с. 20–22.

[7]

Шабанов А.Ю., Зайцев А.Б., Мохнаткин Э.М. Связь группового состава

топлива и моторных и экологических показателей бензинового двигателя.

Труды V Международной научно-практической конференции «Новые топ-

лива с присадками». Санкт-Петербург, 2008, с. 60–63.

[8]

Мохнаткин Э.М., Смеречук В.Р., Шабанов А.Ю. Стендовые моторные ис-

пытания автомобильных топлив как важнейшая часть системы доброволь-

ной сертификации горюче-смазочных материалов. Труды V Международ-

ной научно-практической конференции «Новые топлива с присадками».

Санкт-Петербург, 2008, с. 31–36.

[9]

Томин А.В. Методика комплексной оценки эффективности современных

автомобильных бензинов. Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных ком-

паний, 2013, № 11, с. 35–42.

[10] Kak A., Kumar N., Singh B., Singh S., Gupta D. Comparative study of emis-

sions and performance of hydrogen boosted SI engine powered by gasoline
methanol blend and gasoline ethanol blend. SAE Technical Paper, 2015, 2015-
01-1677. DOI 10.4271/2015-01-1677

Статья поступила в редакцию 11.10.2017