книги / Применение присадок в топливах

Водоподготовка. Для использования в двигателе пригодна

вода, прошедшая процедуру подготовки, основной стадией кото­ рой является обессоливание. Основные зольные элементы, содер­ жащиеся в природной воде: кальций, магний, железо и кремний. В отдельных случаях могут присутствовать и катионы других ме­ таллов. Зола откладывается на поверхностях в виде накипи, ухудшающей теплообмен и затрудняющей работу топливной ап­ паратуры.

Если для работы используется технологическая вода, уже прошедшая водоподготовку, то её жёсткость согласно стандарту не превышает 7 мг-экв/л, что соответствует примерному содержа­ нию 100-140 мг катионов кальция и магния в литре воды. Желе­ зо и кремний из такой воды удалены практически полностью. Это означает, что при добавке 10 % воды к топливу в нём будет со­ держаться 10-14 мг/л металлов, что, например, меньше допусти­ мых концентраций антидетонаторов: 50 мг/л марганца или 38 мг/л железа. Если говорить более строго, то ещё надо учитывать способность различных металлов к выносу из камеры сгорания. Но так или иначе можно полагать, что стандартная технологиче­ ская вода вполне пригодна для рассматриваемых целей. Жёст­ кость воды из большинства природных источников также доста­ точно низка и колеблется от десятых долей мг-экв/л (мягкие воды северных рек и озёр) до 10 мг-экв/л. В Волге, например, жёст­ кость воды не превышает 5 мг-экв/л. Практически непригодны для использования только некоторые минерализованные подзем­ ные и морские воды. С точки зрения вышеизложенного слециали-

сты, считающие необходимым применять только дистиллирован­ ную воду, выглядят слишком требовательными.

Способы добавки воды в топливо. Непосредственный впрыск

воды в камеру сгорания двигателя требует модификации конст­ рукции ДВС и системы топливоподачи, хотя позволяет избежать многих недостатков водотопливных эмульсий: плохих пусковых свойств, низкой стабильности, ухудшения антикоррозионных, противоизносных и низкотемпературных свойств топлива, повы­ шенной вязкости, замерзания при отрицательной температуре и т. д. Кроме того, впрыск воды может осуществляться не постоян­ но, а только на средних и максимальных нагрузках, т. е. тогда, когда он оказывает наибольший эффект. Иногда рекомендуется впрыскивать воду в цилиндр после начала воспламенения топ­ лива. Это компенсирует снижение температуры самовоспламене­ ния дизельного топлива в присутствии воды. На практике впрыск воды используют отдельные энтузиасты. Они модернизируют дви­ гатель, а взамен надеются получить возможность заливать в бак низкооктановый бензин. Описания различных технических ре­ шений приводятся как в специальной литературе [244], так и в научно-популярных журналах [245]. В 2006 г. на базе спортив­ ного автомобиля Range Rover Sport был организован выпуск тюнинговой модификации Arden Range Rover Sport AR-5 с впрыском воды во впускной коллектор. Целью было снижение тепловой на­ грузки на двигатель, а заодно и оптимизация процесса сгорания топлива [246].

Водотопливные эмульсии не требуют изменения конструкции

двигателя и топливной аппаратуры. Это их единственное, хотя и очень важное достоинство. Но при этом приходится решать ряд проблем, связанных с изготовлением ВТЭ, их стабильностью и обеспечением ряда эксплуатационных свойств, которыми должно обладать любое топливо для двигателей внутреннего сгорания. Проблемы возникают и при эксплуатации. Даже если ВТЭ отно­ сительно стабильна, остаётся опасность её расслоения в топливо­ проводах под действием капиллярных сил. По этой причине пуск и остановку двигателя желательно проводить на чистом топливе, переключаясь на ВТЭ после выхода на режим. Следует также иметь в виду, что в прогретом двигателе расслоение эмульсии протекает быстрее, чем в лабораторных условиях.

П р и г о т о в л е н и е ВТЭ заключается в интенсивном сме­ шении топлива с водой в присутствии ПАВ как стабилизаторов. При этом получается так называемая обратная эмульсия типа «вода-в-топливе». ВТЭ на базе дистиллятных топлив содержат 10-20 %, реже - до 50 % воды. Наиболее часто используются смесители кавитационного типа. Основное требование - приго­

322

товление ВТЭ с максимально высокой степенью дисперсности. Для повышения эффективности смешения в систему прибавляют диспергирующие добавки, снижающие межфазное натяжение на границе топливо-вода, а затем стабилизирующие эмульсию. В качестве добавок применяют амиды карбоновых кислот и этаноламинов, имидазолины, диэфиры пентаэритрита и синтетиче­ ских жирных кислот, эфиры олеиновой кислоты с многоатом­ ными спиртами ит. д. С целью обеспечения необходимого уровня качества оптимальным вариантом является выработка на НПЗ, терминале и т. д. специальной марки топлива с пакетом необхо­ димых присадок (эмульгирующих, антикоррозионных, противоизносных), предназначенной для приготовления ВТЭ непосредст­ венно на борту транспортного средства [247].

При получении ВТЭ можно столкнуться с неприятной особенностью: наряду с требуемой обратной эмульсией (вода-в-топливе) образуется не­ которое количество прямой (топливо-в-воде) в виде хлопьев, забивающих трубопроводы и скапливающихся в застойных зонах. В СибАДИ (Омск, В. В. Робустов) в 1980-х годах исследовалась возможность использования в двигателях прямой эмульсии. Такие ВТЭ представляют собой густую массу, похожую на сметану. Их достоинство - высокая стабильность, зато недостатков гораздо больше. Почти все они (высокая вязкость, повышен­ ная коррозионная агрессивность, плохие пусковые свойства) объясняют­ ся тем, что внешней фазой в прямых ВТЭ является вода. Была предложе­ на технология, пытающаяся объединить достоинства обоих типов ВТЭ. Для хранения в топливном баке предназначалась стабильная прямая ВТЭ, которая перед подачей в двигатель проходила через инвентор и пре­ вращалась в обратную.

С т а б и л ь н о с т ь ВТЭ является наиболее важной практиче­ ской проблемой. Эмульсии воды в топливе относятся к термоди­ намически неустойчивым системам. В разрушении ВТЭ участву­ ют три процесса:

-седиментация, т. е. расслоение эмульсии за счёт осаждения капель воды на дно, в результате чего ВТЭ становится неоднород­ ной по высоте столба жидкости. Полагают, что седиментационная устойчивость для эмульсий типа «вода-в-топливе» с практи­ ческой точки зрения является наиболее важной;

-флокуляция - слипание капель в агрегаты-гроздья (флокулы);

-коалесценция - слияние мелких капель в крупные с после­ дующей седиментацией.

Чем легче топливо, тем быстрее протекают эти процессы. ВТЭ на базе бензинов, характеризующихся малой вязкостью и прак­ тически не содержащих в своём составе природных ПАВ, рас­

323

слаиваются за несколько секунд. Эмульгирующие добавки по­ вышают стабильность ВТЭ во много раз. Например, при размере капель воды 1 мкм седиментационная стабильность воднобензи­ новой эмульсии составляет около суток, а ВТЭ на основе дизель­ ного топлива - 3-4 недели (В. В. Робустов, СибАДИ, Омск). Од­ нако на агрегативную устойчивость (склонность к флокуляции

икоалесценции) ПАВ влияют слабо. Для её повышения требу­ ются агенты, снижающие объёмную электризацию топлива, на­ пример антистатические присадки. Для практического приме­ нения в качестве антифлокулянтов были предложены хромовые

ижелезные соли карбоновых кислот. Полное предотвращение флокуляции достигается при концентрации солей хрома 0,01 - 0,03 % мае. [248].

П л о т н о с т ь и в я з к о с т ь ВТЭ типа «топливо-в-воде» выше, чем исходных топлив. Плотность ВТЭ, как и следует ожи­ дать, линейно зависит от содержания в ней воды. Вязкость ВТЭ изменяется по более сложным закономерностям. При одной и той же температуре наибольшее влияние на неё оказывают концен­ трация воды и степень дисперсности. На рис. 100 представлено влияние концентрации воды и температуры на кинематическую вязкость ВТЭ с дисперсностью 2-3 мкм.

П р о т и в о и з н о с н ы е с в о й с т в а ВТЭ должны быть ху­ же, чем соответствующих топлив, но это отмечается далеко не всегда. Вероятно, в условиях жидкостного трения, когда основ­ ную роль играют смазывающие свойства внешней фазы - топли­ ва, износ деталей, контактирующих с ВТЭ, очень мал. Это сооб­ щают практически все, кто проводил эксплуатационные испыта­ ния ВТЭ, изготовленных на базе тяжёлых топлив. В условиях граничного трения, создаваемых, в частности, при лабораторных испытаниях, износ становится более заметен. Испытания ВТЭ, приготовленной на топливе ДТ с добавкой воды, на машине тре­ ния МИ-1 (материал - сталь ШХ15) методом радиоизотопных ин­ дикаторов показали, что присутствие воды увеличивает износ па­ ры трения на 20-30 %. Однако износ может быть снижен путём

добавления некоторых соеди­ нений, образующих на поверх­ ности прочную адсорбционную плёнку. В качестве примера на рис. 101 приведены результаты

Рис. 100. Влияние температуры на кинематическую вязкость ВТЭ, приготовленной из дизельного топлива Л с содержанием воды:

0 % (1), 10 % (2), 20 % (3)

324

Рис. 101. Влияние содержания во­ ды и присадки в ВТЭ на износ пары трения машины МИ-1:

1 - без присадки; 2 - с 0,02 % присадки

испытаний ВТЭ с добавкой 0,02 % мае. кубовых остатков СЖК [249]. Роль противоизносных агентов могут играть эмульгирующие добавки, если они используются для приго­ товления ВТЭ.

Ниже приведены некоторые характеристики дизельного топ­ лива Л и ВТЭ на его основе, содержащей 10 % воды и 0,03 % ПАВ, стабильного в течение суток [240]:

Можно отметить существенное снижение ЦЧ (и, соответст­ венно, повышение температуры самовоспламенения), заметное увеличение вязкости и очень большое - фактических смол. По­ следнее является результатом наличия присадки - ПАВ с боль­ шой молекулярной массой. Коэффициент фильтруемости ВТЭ оп­ ределить невозможно, так как метод предусматривает фильтрова­ ние образца через бумажный фильтр. Положительным моментом кажется высокий защитный эффект ВТЭ, но в действительности это артефакт. Антикоррозионные свойства топлива согласно ме­ тодике определяются в присутствии воды, так что наличие воды в ВТЭ роли не играет. Зато в ней содержится ПАВ, благодаря кото­ рому наблюдается антикоррозионный эффект.

В условиях эксплуатации автомобилей ВТЭ исследовались очень редко, поэтому не накоплено практически никаких данных, позволяющих сделать выводы об особенностях применения этого вида топлива. Наиболее длительные испытания, вероятно, были

325

ПРИЛОЖЕНИЯ

П р и л о ж е н и е 1

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИСАДОК, ДОПУЩЕННЫХ К ПРИМЕНЕНИЮ В АВТОМОБИЛЬНЫХ, РЕАКТИВНЫХ И СУДОВЫХ ТОПЛИВАХ

Допуск присадок к применению в топливах может быть оформлен несколькими путями. Иногда применение присадки предусмотрено соответствующим стандартом на топливо. Боль­ шинство присадок допущено к применению Госкомиссией по ма­ териалам испытаний в составе топлива определённой марки како­ го-либо конкретного завода. Фактически возможность использо­ вания таких присадок в топливах других заводов очевидна, но должна подтверждаться квалификационными испытаниями. До­ пуск Госкомиссии оформляется соответствующим решением, ут­ верждаемым Председателем комиссии - Заместителем Председа­ теля Госстандарта.

Система оценки качества и допуска к производству и приме­ нению новых нефтепродуктов действует в России с 1951 г. Разу­ меется, присадки к топливу разрабатывались и раньше. Возмож­ ность их использования в топливах оформлялась решениями раз­ ного уровня, наивысшим было включение присадки в ГОСТ на топливо. Это относится к свинецсодержащим антидетонаторам (которые нами на этот раз в таблицу не включены), некоторым антиоксидантам, промотору воспламенения ИПН и др. Позднее при пересмотре стандартов упоминания о конкретных присадках из них были изъяты, и единственным формальным основанием для их использования является многолетняя практика.

В период с 1991 по 1996 г., когда Госкомиссия не работала, решение о допуске к применению ГСМ принимали межведомст­ венные комиссии при Минтопэнерго РФ. Такие допуски оформ­ лялись в виде протоколов технических совещаний с участием специалистов по нефтепереработке и смежных областей, утвер­ ждаемых руководителями департаментов и отделов заинтересо­ ванных министерств или руководителем Межведомственной ко­ миссии. С 2004 г. документ о допуске стал называться Техниче­ ским заключением.

Новая Межведомственная комиссия была организована в ию­ не 2006 г. совместным приказом Минпромэнерго, Минобороны,

327

Минсельхоза и Минтранса РФ. Согласно Положению, утверждён­ ному этим же приказом, организационно-техническое обеспече­ ние деятельности МВК возложено на Минпромэнерго РФ. Допуск к производству и применению в 2007 г. оформлялся в виде выпис­ ки из протокола заседания МВК. Однако по ряду субъективных и объективных причин в 2008 г. МВК прекратила своё существова­ ние. Этот факт отрицательно сказался на порядке испытаний топ­ лив с присадками, учёте допусков и обобщении опыта применения присадок. В настоящее время единственным основанием приме­ нения присадок в топливах являются акты постановки на про­ изводство, оформляемые в соответствии с ГОСТ Р 15.201-2000 «Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки на производство». К сожалению, систе­ мы учёта этих актов нет, и фактические данные о применении присадок могут быть неполны. Разумеется, рекламные материалы зарубежных и отечественных поставщиков в качестве таких дан­ ных рассматриваться не могут.

В представленном ниже перечне даны сведения о присадках, допущенных к применению в автомобильных, реактивных и су­ довых топливах по 2007 г. включительно, за исключением анти­ детонаторов, содержащих свинец. Особо оговаривается, если при­ садки были допущены к применению временно или с какимилибо условиями. Присадки к котельным и печным топливам, до­ пуск к применению которых не оформляется межведомственным документом, в перечень не включены.

Поскольку в России нет процедуры допуска к применению са­ мих присадок к топливу, документ, указанный в соответствую­ щей графе таблицы, фактически является допуском к примене­ нию конкретной марки топлива с присадкой и важен как преце­ дент, показывающий, что данная присадка достаточно подробно исследована. Как мы уже заметили, для допуска к применению топлива другой марки или топлива другого завода, содержащего присадку, требуются квалификационные испытания. Поэтому для некоторых присадок мы указываем два и более документов о допуске, имея в виду топлива разных заводов или просто разные марки топлив, что особо оговаривается. Однако указываются не все допуски, а, как правило, первые. На практике иногда всё же оформлялся допуск непосредственно на присадку. Это происходи­ ло в случае либо специальных присадок, вводимых на месте при­ менения (АЛП-4), либо реализуемых в розницу в качестве авто­ препаратов (Аспект-Д и др.). Обычно для получения такого до­ пуска требовался большой объём стендовых и эксплуатационных испытаний на различных видах техники.

328

329

330