Підвищення якості автомобільних бензинів додаванням багатофункціональних присадок

Постановка проблеми. У найближчі десятиліття нафта лишатиметься основною сировиною для виробництва палив. На сьогодні видобуток нафти становить більше 4 млрд т на рік. Випуск бензину від загального об'єму переробки становить 30 %. У зв'язку з підвищенням екологічних вимог до продуктів згорання, збільшення навантаження на двигун, швидкості, довготривалості роботи автомобілів зростають вимоги до якості бензинів. Тому використання багатофункціональних добавок до бензинів з метою покращення їх експлуатаційних властивостей є актуальним.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Окремим аспектам функціонування нафтохімічної промисловості України присвячені праці таких науковців, як П. Топільницький, Б. Бугай, О. Гайдай, С. Зубенко, О. Гринишин, В. Бростов, В. Романчук та інші [1 -2]. У наших попередніх публікаціях досліджено якість світлих нафтопродуктів, проблеми та перспективи ринку даної продукції [3-5]. З кожним роком все важливішим стає питанням використання альтернативних джерел енергії. Проблематика виробництва та використання альтернативних видів палива відображена у працях закордонних вчених: Х. Нойредіні, Б. Теох, Л. Девіс Клементс [6] та відомих вітчизняних науковців, таких як В. Семенов [7], В. Гайдаш, Б. Кочірко, Р. Цуркан, В. Сінько, В. Марченко, Г. Бурлака, С. Бойченко [8,9], які досліджували технологію виготовлення, споживні властивості біопалив, роботу двигунів внутрішнього згоряння при їх використанні.

Матеріали та методи досліджень. Для проведення досліджень використано бензин виробництва ПАТ «Укртатнафта», який відповідає вимогам технічного регламенту та ДСТУ 7687:2015 [10, 11].

Випуск бензинів у світі регламентується цілим рядом нормативних документів, одним з яких і найважливішим є Всесвітня паливна хартія (World-wide fuel charter) розроблена представниками світових виробників автомобілів Асоціаціями Америки (ААМА), Західної Європи (АСЕА), Японії (JAMA) та Асоціацією виробників двигунів (ЕМА), підтримана асоціаціями Канади, Китаю, Кореї та Південної Африки. Даний документ передбачає достатньо жорсткі вимоги до палив, що необхідно для виконання міжнародних норм щодо вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах двигунів [12].

Для покращення експлуатаційних властивостей використовували добавки Keropur® Energy виробництва концерну Basf (Німеччина) та добавки СЫшес EP Line компанії Chimec (Італія). Добавки обох компаній є повністю синтетичними багатофункціональними пакетами, мають унікальні властивості з підтримання чистоти та очистки паливної системи, що дозволяє оптимізувати процес утворення паливно-повітряної суміші та забезпечити її максимальне ефективне згорання. Результатом є зниження витрат палива та зменшення емісії шкідливих газів. Добавки ефективно захищають паливну систему автомобіля, а також все паливне обладнання АЗС, нафтобаз та транспортних засобів від корозії та містять спеціальні компоненти для зниження внутрішнього тертя в моторі, які додатково допомагають знизити витрати палива та забезпечити оптимальну роботу двигуна в різних кліматичних умовах, в т.ч. при низьких температурах [8].

При додаванні добавок до бензину досліджували наступні його показники:

1. Ефективність підтримання чистоти впускної системи. Показник досліджений за одним зі стандартних методів, зокрема, СЕС Е-05-А-93 (двигун Daimler Chrysler V102E) [13, 14]. Збір і визначення рівня відкладень в камері згоряння (Total Combustion Chamber' Deposits TCD) проводиться за методикою стандарту CEC F-20-98 (Deposit Forming Tendency on Intake Vlaves and in Combustion Chambers of Gasoline Engines, MB 111 engine). Оцінка одержаних результатів має рекомендаційний характер згідно Всесвітньої паливної хартії рівень приросту відкладів в камері згорання не має перевищувати 40 % порівняно з базовим паливом. Занадто велика кількість відкладень в камері згоряння двигуна може призвести до необхідності підвищення октанового числа палива (Octane Requiremen tIncrease ORI), адже за таких умов двигун стане більш схильним до детонації палива. Оскільки ця умова виконується у бензинах з добавками, TCD вимірюється при проведенні випробування на чистоту клапанів (IVD тест) за стандартом СЕС F-05-A-93 і таким чином одержують важливі дані про вплив добавки на рівень відкладів в камері згорання [12-14].

2. Зависання впускних клапанів проводили за стандартною методикою CEC F-16-T-96 (Volkswagen, 1.9L Wasserboxer опозитний 4-х циліндровий двигун 1,9 л VW з системою водяного охолодження). При тестуванні двигун працює протягом 2,5 годин і потім на ніч охолоджується до 5 °С. Наступного ранку двигун приводиться в рух стартером і при цьому заміряється компресія в циліндрах. Якщо клапан відкривається і закривається, у циліндрі періодично створюється тиск. Якщо компресії не спостерігається, це означає, що клапан, хоча і відкривається, але не закривається знову відбувається зависання клапана. Такі випробування проводились циклічно протягом трьох днів, впродовж яких не спостерігалося проблем з компресією. Тільки в цьому випадку випробування вважається пройденим і добавка отримує оцінку "Pass" (пройшов), в іншому "Fail" (не пройшов) [13]. Застосування деяких добавок за знижених температур призводить до утворення високов'язкої плівки, внаслідок чого відбувається залипання стрижнів клапанів в направляючій клапана. З цим негативним побічним ефектом необхідно боротися шляхом ретельного підбору складу добавок і застосуванням високоякісної сировини. В іншому випадку це може призвести до серйозних проблем у разі реалізації і використання палива.

3. Корозія сталі. У Всесвітній паливній хартії (World Wide Fuel Charter) відсутні вимоги до бензинів щодо захисту від корозії металів. Проте корозія може становити значну проблему, тому пакети добавок містять високоефективні інгібітори корозії, дія яких досліджується за стандартним методом ASTM D665 A mod. (суміш бензин-вода, 4 години, кімнатна температура 20-23 °С). У модифікації В даного стандарту застосовується солона вода, що імітує морську. Вміст інгібітора в пакеті підбирається таким чином, щоб при дозуваннях добавки, які найчастіше застосовуються, забезпечувався достатній антикорозійний захист в більшості представлених на ринку марках бензинів. У разі особливо критичних палив підбір величини дозування може мати вирішальне значення [15].

Вимоги до якості сучасних автомобільних бензинів, підрозділяють на чотири групи: властивості, які забезпечують нормальну роботу двигуна; властивості, які зумовлені можливостями нафтопереробної промисловості; властивості, що пов'язані із транспортуванням і зберіганням автомобільних бензинів та екологічні [16, 17].

Вимоги, які пред'являють виробники двигунів з іскровим запалюванням до експлуатаційних властивостей бензинів: спалювання бензину в суміші з повітрям в камері згоряння має відбуватися з нормальною швидкістю без виникнення детонації на всіх режимах роботи двигуна в будь яких кліматичних умовах [18]. Для задоволення даної вимоги бензини повинні мати відповідну детонаційну стійкість, тобто здатність палива горіти без детонації. Детонація виникає в тому випадку, якщо швидкість поширення полум'я в двигуні сягає 1500-2500 м/с, замість звичайних 20 30 м/с. У результаті різкого перепаду тиску виникає детонаційна хвиля, яка порушує режим роботи двигуна, що призводить до перевитрати палива, зменшення потужності, перегріву двигуна, до прогару поршнів і вихлопних клапанів. Спалювання бензину в суміші з повітрям у камері згоряння має відбуватися з нормальною швидкістю без виникнення детонації на всіх режимах роботи двигуна в будь-яких кліматичних умовах. Ця вимога встановлює норми на детонаційну стійкість бензину. Під час виробництва сучасних автомобільних бензинів задіяні такі процеси, як: каталітичний риформінг, ізомеризація, каталітичний крекінг, алкілування [17-20]. На жаль, в Україні не багато заводів, які могли б випускати бензини та дизельні палива, що відповідали б вимогам сьогодення. Покращення експлуатаційних властивостей таких бензинів досягається введенням багатофункціональних добавок [21-23]. Окремі з них розглянуто у даній статті.

Результати досліджень. На першому етапі проведено дослідження експлуатаційних властивостей бензинів щодо виконання вимог з підтримки чистоти паливної системи (табл. 1). Базовий бензин А-95 дає величину відкладень в середньому біля 90 мг/клапан, а відкладення в камері згоряння 1277 мг/циліндр. Для бензину А-92 зазначені параметри складають відповідно 151 мг/клапан і 1120 мг/клапан. Ці значення знаходяться на рівні типових результатів стандартних європейських бензинів.

Таблиця 1

Результати випробувань ефективності багатофункціональних добавок Keropur® ENERGY і Ghimec EP Line за методом СЕС Е-05-А-93

При дозуванні присадки Keropur Energy в кількості 600 мг/кг (ppm) в бензині А-95 металеві поверхні впускних клапанів залишаються практично чистими. Відкладення на клапанах у середньому складають всього 9 мг/клапан. При зниженні дозування до 550 мг/кг значення IVD не суттєво підвищуються (до 15 мг/клапан) і таким чином добре задовольняють вимоги Всесвітньої паливної хартії для палив як Категорії 2, так і для Категорій 3 і 4 (менше 30 мг/клапан). Зменшення дозування до 500 мг/кг відкладення становило 48 мг/клапан, що відповідає вимогам тільки Категорії 2.

Відкладення в камері згоряння (TCD тест) при оптимальних дозуваннях змінюються на 27 % порівняно з базовим бензином. Таким чином, виконується вимога щодо обмеження приросту TCD не більше, ніж на 40 %.

Аналогічні результати отримані і для бензину А-92. У цьому випадку оптимально рекомендоване дозування для бензину Категорій 3 і 4 становить 600 мг/кг. Варто зазначити, що відкладення, які утворюються в камері згоряння, у бензину А-92 як базового, так і з добавкою, на 8-15 % менші, ніж у А-95. Водночас відкладення на клапанах IVD для базових палив у А-95 на 66 % менше, ніж у А-92. Для дослідження здатності присадки ефективно знижувати існуючі відкладення (Cleanup Test) спочатку проводили 60 годинний тест з базовим бензином без добавки та зі спеціальною бензиновою сумішшю, що дає значні відкладення на клапанах (так званий прогін на забруднення Dirty-up). Після зважування впускних клапанів і визначення кількості нагару (IVD), що утворився, вони без очищення знову монтували в двигун. Потім знову проводили 60 годинний прогін з тестованим паливом, але уже з оптимальним вмістом дозування добавки.

Таблиця 3

Вплив добавки Keropur® ENERGY і Ghimec EP Line на зниження емісії шкідливих речовин

При дослідженні добавок Ghimec EP Line встановлено, що при дозуванні 350 мг/кг бензину А-95 кількість відкладів становить < 20мг/кг, а при дозуванні 500 мг/кг кількість відкладів становить < 10мг/кг, що відповідає вимогам Всесвітньої паливної хартії. Пакет добавок Keropur® ENERGY був досліджений на зависання клапанів CEC F-16-T-96 (Volkswagen, 1,9 L Wasserboxer) у бензині А-95 ПАТ «Укртатнафта» в жорстких умовах за температури -18 °С при дозування 1200 мг/кг. Бензин з добавкою однозначно пройшов випробування, на всіх циліндрах спостерігалася повна компресія. Таким чином, не слід очікувати проблем при експлуатації автотранспорту, в тому числі і в умовах значно мінусових зимових температур, обумовлених зависанням клапанів і складнощами з холодним запуском двигуна. Результати випробувань щодо ефективності застосування добавок для зниження емісії шкідливих речовин наведені в табл. 3. Застосування добавок для зниження емісії шкідливих речовин дозволяє значно знизити рівень викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах вуглеводнів, які не згоріли (НС), чадного газу (СО) і оксидів азоту (NOx), а також до 4-5 % зменшити витрату бензину і відповідно виділення вуглекислого газу С0₂ («парникового газу») [20].

Висновки. Проведено порівняльні дослідження ефективності використання добавок Keropur® ENERGY (BASF, Німеччиина) та Chimec EP Line (Chimec, Італія) для оцінки ефективності підтримки чистоти впускної системи двигуна, зависання впускних клапанів, запобігання процесам корозії. Результати досліджень засвідчили ефективну роботу двигуна автомобіля, гарантуючи виконання вимог стандартів «Євро-5», при використанні поліфункціональних добавок Keropur® ENERGY (компанія BASF) і Ghimec EP Line (компанія Chimec).

Список використаних джерел:

1. Топільницький П.І., Голич Ю.В., Бойченко G.B., Романчук В.В. Залежність зневоднення нафт від їх фізико-хімічної характеристики. Нафтогазова галузь України. № 1. 2015. G. 25-30.

2. Гайдай О.О., Зубенко G.O., Полункін Є.В., Пилявський B.G. Екологічні та експлуатаційні характеристики палива моторного біологічного Е-85. Матеріали збірника наукових статей ІІІ Всеукраїнського з'їзду екологів. Вінниця: ВНТУ. G. 308-310.

3. Ткачук В.В. Товарознавча оцінка бензинів, що реалізуються на ринку м. Луцька. Товарознавчий вісник. Збірник наукових праць. Випуск 6. 2013. G.125-130.

4. Ткачук В.В. Оцінка якості світлих нафтопродуктів. Товари і ринки. № 1. К.: КНТЕУ. 2014. G. 131-138.

5. Tkachuk V., O. Rechun, N. Merezhko, T. Bozhydarnik, Karavaiev T. Assessment of the quality of alternative fuels for gasoline engines. Advances in Design, Simulation and Manufacturing II Proceedings of the 2nd International Conference on Design, Simulation, Manufacturing: The Innovation Exchange, DSMIE-2019, June 11-14, 2019, Lutsk, Ukraine. P. 871-881.

6. Neoureddini H., Teoh B.C., Davis Clements L. Viscosities of Vegetable Oils and Fatty Acids. Journal of the American Oil Chemists' Society. 1992. Vol, 69. № 12. Р. 189-191.

7. Семенов В.Г. Гармонізація національного стандарту на біодизельне паливо до європейського та американського стандартів. Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції «Проблеми хіммітології» (15-19 травня 2006 р.). К., 2006. G. 119-121.

8. Бойченко С.В., Іванов С.В., Бурлака В.Г. Моторні палива і масла для сучасної техніки: монографія. К.: НАУ. 2005. 216 с.

9. Марченко В., Сінько В. Ефективність та доцільність використання біодизельного палива в Україні. Пропозиція. 2005. № 10. G. 36-39.

10. Технічний регламент щодо вимог до автомобільних бензинів, дизельного, суднових та котельних палив. Режим доступу: https://zakon.rada. gov.ua/laws/show/927-2013 -%D0%BF

11. ДСТУ 7687:2015 Бензини автомобільні Євро. Технічні умови. Режим доступу: http://online.budstandart. com/ua/catalog/doc -page.html?id doc=62187

12. Всесвітня паливна хартія (World-wide fuel charter), квітень 2002 р. Режим доступу: http://fliphtml5. com/pkir/qnxi/basic

13. Методи дослідження палив, присадок та рідин в ЄС. Режим доступу: https://www.cectests.org/public/info /g003/cec10 2194 p.pdf

14. Zinchenko O., Topilnytskyy P., Romanchuk V. Equipment of PJSC “Ukrtatnafta” laboratories in the aspect of the quality of petroleum products. Monografia. № 14. Seria: Transport: podredakcj^ naukow^ Kazimierza Lejdy. Rzeszow: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 2018. рр. 135-140.

15. ASTM D665 A mod. Standard Test Method for Rust-Preventing Characteristics of Inhibited Mineral Oil in the Presence of Water. Режим доступу: http://ppapco.ir/wp-content/uploads/2019/07/ASTM-D665-2014.pdf

16. Бойченко С.В. Моторні палива: властивості та якість. Підручник. К.: «Центр учбової літератури», 2017. 324 с.

17. Бурячко В.Р., В.Р. Бурячко, А.В. Гук Автомобильные двигатели: Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. СПб.: НПИКЦ, 2005. 292 с.

18. Башкатова С.Т., Гришина И.Н., Смирнова Л.А., Колесников И.М., Винокуров В.А. О механизме действия присадок в топливных дисперсных системах. Химия и технология топлив и масел. № 5(555). 2009. С. 11-14.

19. Капустин В.М., Рудин М.Г. Химия и технология перерабоки нефти. М.: Химия, 2013. 496 с.

20. Топільницький П.І. Фізико-хімічні та експлуатаційні властивості товарних нафтопродуктів: навч.посібник. Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2015. 248 с.

21. Загидуллин Р.Н., Идрисов В.А., Дмитриева Т.Г., Гильмутдинов А.Т. Пакет присадок к альтенативным автомобильным допливам. Химия и технология топлив и масел, № 3(565), 2011. С. 15-17.

22. Данилов А.М. Присадки к топливам как решение химмотологических проблем. Химия и технология топлив и масел. №5(585), 2014 С. 31-34.

23. Транспортна екологія. Навчальний посібник / за заг.редакцією Бойченка С.В. К.: «Центр учбової літератури», 2017. 508 с.

Размещено на http://allbest.ru