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

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

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.

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

Рис. 2. Влияние добавок изопропилового спирта (ИПС) на формирование ОЧ топлива: 1 - октановое число по моторной методике (ОЧМ); 2 - октановое число по исследовательской методике (ОЧИ)

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

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 (С 5 Н 5 ) 2 Fе – 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.