книги / Применение присадок в топливах.-1

бежной литературе [129] сообщается, что слой сажи толщиной 1,5 мм уве­ личивает расход мазута в водогрейных котлах на 6%. Впроцессе уже упо­ мянутых испытаний на Мончегорской ТЭЦ было отмечено, что толщи­ на отложений на трубах экономайзера составляладо испытаний 1,5—2,0 мм, после испытаний отложений практически не было, так как они легко уда­ лялись потоком дымовых газов.

Стоимость присадки ВНИИНП-200 в 4—5раз превосходит стоимость котельного топлива, а ее расход составляет 2 кг/т. Таким образом, затра­ ты на присадку составляют около 1% стоимости топлива. Это окупается его экономией. Кроме того, следует учитывать дополнительные преиму­ щества: упрощение обслуживания установки и повышение ее надежно­ сти, экологический и другие эффекты.

8. ПРИСАДКИ И СРЕДСТВА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОПЛИВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

8.1. Проблемы

При эксплуатации автомобилей в холодное время года возникает ряд проблем, часть которых может быть решена при помощи присадок к топ­ ливам или вспомогательных средств. Эти проблемы, а также присадки и средства приведены в табл. 12.

Таблица 12. Проблемы применения топлив при низких температурах

Проблема	Присадка или	Товарные марки
	средство

Затрудненный пуск карбюраторного Пусковые жидкости Жидкость «Арктика» двигателя, вызванный пониженной испаряемостью бензина

Затрудненный пуск дизельного	Пусковые жидкости Жидкости «Холод-Д»,
двигателя, вызванный снижением		«НАМИ», НИАТ ПЖ-25
температуры топливного заряда
Нарушение регулировки	Антиобледенитель-	Пригодны моющие
карбюраторного двигателя, вызван­ ные присадки		присадки Автомаг,
ное отложением льда на заслонке		Неолин и др.
Нарушение прокачиваемости	Противодокристал-	Жидкости И, И-М, ТГФ,
дизельного топлива из-за появле­	лизующие жидкости ТГФ-М
ния кристаллов льда

Нарушение прокачиваемости дизельного топлива из-за его загУсгевания и застывания

Расслаивание дизельных топлив при холодном хранении

Депрессорные	ПДП, ЭДЕП-Т, Сандал-
присадки	1Б, ВЭС-410; импортные
	присадки, допущенные
	к применению
Композиции	Импортные композиции,
депрессорных	допущенные к примене­
присадок идиспер­	нию
гаторов парафинов

8.2. Пусковые жидкости

Назначение. Пусковые жидкости — это вспомогательные средства, по­ зволяющие улучшить воспламеняемость топлив. Необходимость в них может возникнуть в холодное время года при недостаточной испаряемо­ сти бензина или неудовлетворительных теплофизических свойствах го­ рючей смеси дизельного топлива с воздухом.

Пусковые жидкости вводятся в топливо при помощи специальных устройств. Наиболее удобны аэрозольные баллоны, из которых смесь рас­ пыляется на воздушный фильтр. Практически только они сейчас и пред­ лагаются потребителю. Несколько десятков лет назад были также разра­ ботаны ампульные системы, позволяющие впрыскивать пусковые соста­ вы в топливопровод и управляемые из кабины водителя. Эти громоздкие и неудобные устройства мы не рассматриваем.

Принцип действия. В двигателях, использующих бензин и дизельное топливо, принцип действия пусковых жидкостей различен. Проблема, возникающая при холодном пуске бензинового двигателя, заключается в недостаточной испаряемости бензина при низкой температуре, в ре­ зультате чего состав образуемой горючей смеси далек от оптимального. Из-за этого продолжительность пуска увеличивается, что приводит к повышению пусковых износов, повышенному расходу топлива и уве­ личению эмиссии токсичных продуктов неполного сгорания, характер­ ного для пускового периода. Если концентрация бензина в горючей сме­ си ниже нижнего концентрационного предела воспламенения (КПВ), то смесь вообще не воспламенится. Поэтому в основу составов для пуска холодных карбюраторных двигателей входит легколетучая жидкость с широкими КПВ. Как правило, это серный (диэтиловый) эфир, диапа­ зон КПВ которого составляет от 2 до 48 об.%. Однако в чистом виде его не используют, так как он очень быстро сгорает, и само топливо воспла­ меняется уже после прохождения поршнем верхней мертвой точки. При этом очень высока скорость нарастания максимального давления, вы­ зывающая повышенный износ и снижающая долговечность деталей дви­ гателя. Поэтому в пусковую смесь добавляют фракции, являющиеся как бы промежуточными между эфиром и бензином: петролейный эфир, га­ зовый бензин, кислородсодержащие соединения и т. д. Их присутствие обеспечивает более плавное нарастание давления. С целью снижения пус­ ковых износов в смеси добавляют противоизносные и противозадирные присадки. Естественно, что улучшение смазывающих свойств пусковых жидкостей путем добавления смазочных масел и высококипящих углево­ дородов, загрязняющих свечи, в данном случае противопоказано. Пуско­ вые составы могут также содержать промоторы воспламенения: нитраты, пероксиды, подготавливающие горючую смесь к воспламенению. Нако­ нец, для стабилизации серного эфира, который легко образует взрыво­ опасные пероксиды, в состав вводят некоторое количество антиоксиданта.

Проблема, возникающая при холодном пуске дизельного двигателя, заключается не в пониженной испаряемости топлива, а в недостаточно высокой температуре, достигаемой при сжатии топливной смеси. Вопервых, это происходит из-за того, что в цилиндр подаются холодные топливо и воздух, во-вторых, — из-за повышеннойтеплоотдачи от сжимае­ мой смеси к холодным стенкам цилиндра. Поэтому основу пусковых жидкостей для дизелей составляют жидкости с низкой температурой са­ мовоспламенения (Тс) и промоторы воспламенения. Вкачестве легковос­ пламеняющейся жидкости используют серный эфир благодаря низкому значению Тс, которое при атмосферном давлении составляет 180—200 °С, а в камере сгорания — 190—220 °С. Для уменьшения жесткости работы двигателя в пусковую жидкость добавляют промоторы воспламенения и легкие углеводородные фракции. Снижение пусковых износов обеспе­ чивают добавкой низкозастывающего масла с хорошими противоизносными свойствами.

Ограничения. Пуск двигателя при низких температурах зависит не только от свойств топлива, но и от состояния смазочного масла. При за­ густевшем масле на проворачивание коленчатого вала тратится слиш­ ком большая мощность, и пуска может не произойти. Поэтому необхо­ димо применять масла с малой вязкостью и хорошей вязкостно-темпе­ ратурной характеристикой.

Пусковые жидкости у владельцев транспорта малопопулярны. От­ части это объясняется неудобством их практического применения. За­ метим, что импортные средства в аэрозольной упаковке очень удобны. Однако их составы, токсические свойства и влияние на ресурс двигателя в России не изучены.

Показатели эффективности пусковых составов определяются при ис­ пытаниях двигателей на стендах в холодных камерах. В процессе испы­ таний оценивают среднюю продолжительность и процент удачных пусков с первой, второй и третьей попыток.

Существует понятие «надежного пуска», которое определяется как запуск холодного двигателя после трех (не более) попыток по 10 с каж­ дая с интервалом между ними в 1 мин при питании стартера от холодной аккумуляторной батареи с 75%-й зарядкой. Если двигатель запускается при тех же условиях, но от теплой, полностью заряженной батареи, го­ ворят о «возможном» пуске [130].

Ассортимент

Жидкость «Арктика»* предназначена для использования при запуске двигателей, работающих на бензине. В настоящее время она не произво­

* Не пугатьс противообледенительнойжицкостью«Арктика» (ТУ6-00-5763445-10-89) на основе этиленгликоля с антикоррозионной присадкой, применяемойдля удаления льда с поверхностей самолетов.

дится, однако на рынке предлагаются ее зарубежные аналоги. Принци­ пы, положенные в основу разработки этой жидкости, могут быть исполь­ зованы при создании новых отечественных составов.

Жидкость «Арктика» имеет следующий состав:

Компонент	Назначение	Концентрация, %
Серный эфир	Обеспечение высокой летучести	45-60
	смеси
Газовый бензин	Снижение максимального нараста­	35-55
	ния давления
Изопропилнитрат	Тоже	1-5
Кислородсодержащие	»	до 10
соединения
Противоизносные	Уменьшение пускового износа	2
ипротивозадирные присадки
Антиоксиданты	Стабилизация серного эфира	0,5

Жидкость впрыскивается во впускной трубопровод, для чего разра­ ботаны специальные, достаточно сложные устройства, которые описа­ ны в специальной литературе [131]. Более удобны аэрозольные баллоны, из которых жидкость впрыскивается или во впускной трубопровод, или непосредственно на воздушный фильтр.

Применение пусковых жидкостей типа «Арктика» обеспечивает на­ дежный запуск двигателей при температуре до -40 °С в течение 20—25 с. Зависимость минимальной частоты вращения коленчатого вала двига­ теля ЗИЛ-130 от температуры приведена на рис. 62 [130]. Ниже пред­ ставлены результаты запуска двигателя ЗИЛ-375 при —25 °С [7]. При этом они сравниваются с альтернативным методом — подогревом дви­ гателя.

	Без средств	С подогревом .	С пусковой
Показатель	облегчения		жидкостью
	запуска		“Арктика”
Средняя продолжительность	13,9	6,6
запуска, с			5Д
Процент удавшихся пусков:	45	89	94
с первой попытки
со второй попытки	39	9	5
с третьей попытки	22	2	1
Средний максимальный	12	8	10
износ, мкм

Жидкость «Холод Д-40» предназначена для дизельных двигателей. Она обеспечивает надежный запуск дизеля, оборудованного холодными

аккумуляторными батареями повышенной стартерной емкости типа СТ70, при использовании загущенных масел до температуры -40 °С. Жид­ кость имеет следующий состав:

Компонент	Назначение	Концентрация, %
Диэтиловый эфир	Снижение температуры самовоспламенения	60
Изопропилнитрат	То же	15
Петролейный эфир,	Снижение нарастания максимального	15
газовый бензин	давления
Смазочное масло	Уменьшение пусковых износов	10

Жидкость «Холод Д-40» впрыскивается во впускной трубопроводдви­ гателя при помощи специальных устройств НАМИ 5ПП-40 или НАМИ 6ПП-40, которые устанавливаются на автомобиле. Устройство состоит

	из специальной камеры, куда встав­
	ляются ампулы с жидкостью, источ­
	ника сжатого воздуха, карбюратора-
	смесителя и форсунок. Водитель
	должен включить подачу воздуха и
	проколоть ампулу. После этого жид­
	кость попадает в карбюратор и вмес­
	те с топливом и воздухом поступает
	через форсунки в систему подачи
	топлива.
	Гарантированный пуск достига­	-20
	ется при следующих значениях час­
	тоты вращения коленчатого вала:	Температура, °С
	для двигателей с непосредственным	Рис. 62. Зависимость требуемой
	впрыском — 40—60 мин-1, для вих­
		минимальной частоты вращения
	рекамерных — 100—125 мин-1. Влия­
		коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130
	ние температуры на число минималь­	от температуры при пуске на бензине
	ных пусковых оборотов при запуске	А-76 без пускового состава (1)
	двигателя ЯМЗ-238 представлено	и с ним (2)

на рис. 63 [131].

При температуре до —20 °С продолжительность пускадизелей (время от начала провертывания коленчатого вала стартером до начала надеж­ ной работы двигателя без пусковой жидкости) составляет 4—5 с. При дальнейшем понижении температуры это время резко увеличивается и при —40 °С составляет 40—100 с (рис. 64) [130].

Расход жидкости 0 зависит от продолжительности пуска, рабочего объема, типа и состояния двигателя и может быть рассчитан по эмпири­ ческой формуле [131]:

где X— температура (°С), V — рабочий объем двигателя (дм3), К — коэф­ фициент, учитывающий тип двигателя. Для дизелей типа ЯМЗ он равен 0,075—0,11. На практике определено, что при температуре —3 5 ----- 40 °С расход жидкости при пуске двигателей ЯМЗ составляет 40—60 мл, для вих­ рекамерных двигателей он в 1,5—2 раза больше.

Жидкость НИАТ ПЖ-25 состоит из равных количеств диэтилового эфира и индустриального масла И-12А. Минимальная температура, при которой может быть обеспечен надежный запуск дизеля с применением этой жидкости, составляет —25 °С.

Температура, °С	Температура, °С
Рис. 63. Влияние температуры на	Рис. 64. Влияние температуры на
число минимальных пусковых	продолжительность пуска двигателя
оборотов двигателя ЯМЗ-238 без	ЯМЗ-238
пусковой жидкости (1) и с ней (2)

8.3. Депрессорные присадки*

Назначениедепрессорных присадок — снижение температуры засты­ вания Тз и предельной температуры фильтруемости (ПТФ) дизельных топлив. В основном они применяются на НПЗ при выработке стандарт­ ных топлив, но могут быть использованы и потребителем для улучшения низкотемпературных свойств топлив, имеющихся вданный момент в рас­ поряжении. Последнее более безопасно, чем разбавление топлива керо­ сином или бензином, однако требует знания особенностей применения присадок, что будет рассмотрено ниже. Заметим, что депрессоры не влия-

*Большой практический вклад в это направление внесла д. т. н. Т. Н. Митусова,

сучастием которой были разработаны и внедрены на ряде заводов дизельные топлива

сдепрессорными присадками.

ют на температуру помутнения топлив Тп, которая нормируется рос­ сийскими стандартами. Это значит, что депрессоры препятствуют не воз­ никновению кристаллов парафинов, а только их росту. При длитель­ ном хранении топлив образовавшиеся мелкие кристаллы оседают, и в результате образуются два слоя: верхний,светлый, и нижний, мутный, обогащенный парафинами. Расслоение топлив не может быть предот­ вращено добавками депрессоров. За рубежом разработаны так называе­ мые диспергаторы парафинов, которые следует применять в компози­ циях с депрессорными присадками.

Т. Н. Митусова показала, что в очень узком интервале условий при малых концентрациях «-парафинов в топливе товарные депрессоры мо­ гут влиять на Тп топлива. Наблюдаемый эффект, бесспорно, имеет тео­ ретический интерес, но на практике использования пока не находит. Ниже показано влияние присадок АзНИИ и ВЭС-238, взятых в концент­ рации 0,05%, на Тп топлива, содержащего 3,9% «-парафинов С14—Си и 6,9% «-парафинов С9—С14.

Считается, что для того чтобыдепрессорная присадка оказывала влия­ ние на снижение Тп, она должна выкристаллизовываться из топлива не­ сколько раньше, чем парафины. Были синтезированы сополимеры ал- кил-(С,2—С14 + С16—С20)-метакрилата с винилацетатом и изучено их влия­ ние на Тп топлива [132]. Предварительно на оптическом микроскопе определили, что начало кристаллизации этого сополимера из его раствора с концентрацией 0,05% в депарафинизированном дизельном топливе составляет—16°С. Введение этого сополимера втоварные дизельные топ­ лива с Тп соответственно —19, -27 и -23 °С позволило снизить Тп до -30, -37 и -3 0 °С.

Присадка

Без присадки

АзНИИ

ВЭС-238

и о

-8

-23

-13

Принцип действия. Содержащиеся в топливе «-парафины при пони­ жении температуры легко кристаллизуются. Начало кристаллизации про­ является в помутнении топлива. Затем кристаллы растут и при опреде­ ленных размерах и концентрации образуют пространственную структу­ ру. В результате этого процесса топливо теряет подвижность и плохо прокачивается через трубопроводы и фильтры. Депрессорные присадки сорбируются на поверхности зарождающихся кристаллов и препятству­ ют их росту и ассоциации. Механизм действия депрессоров окончатель­ но не изучен. Наиболее распространены два мнения. Одно предполагает сокристаллизацию парафина и депрессора; согласнодругому при адсорб­ ции депрессора кристаллы приобретают звездообразную форму и не мо­

гут слиться в крупные образования. Важно, что и в том и в другом случае предполагается взаимодействие молекулы депрессора (или ее части) с растущим кристаллом. Поэтому пока кристаллы не начали образовы­ ваться, действие депрессоров не может проявиться. Это и объясняет от­ сутствие их влияния на температуру помутнения топлива. Размер крис­ таллов парафинов в присутствии депрессоров составляет десятки мкм.

Добавка диспергатора парафинов к депрессору (более подробно мы рассматриваем этот тип присадок в следующем разделе) позволяет сни­ зить на порядок размер кристаллов. Исследования Н. Н. Хвостенко [133] показали, что в присутствии 0,05% депрессора КегоЯих-5486 размер крис­ таллов парафинов, образовавшихся втопливе ДЗп-15/25, составляет 50 мкм, а в присутствии композиции 0,025% КегоЯих-5486 и диспергатора КегоЯих-3217 — 5 мкм. Поэтому весьма перспективным является исполь­ зование депрессоров в композиции с диспергаторами парафинов.

Молекула депрессора наиболее успешно встраивается в растущий кристалл парафина при определенных ее параметрах. Для сополимера этилена и винилацетата (наиболее распространенный тип депрессора) оптимальными параметрами являются средневесовая молекулярная мас­ са (м.м.) 1000—5000, среднечисловая м.м. 2500—5000, содержание винилацетатных групп 30—40% и такая разветвленность, при которой число боковых метальных групп составляет около 8,5 на 100 групп СН2 [134].

Показатели эффективности — температура застывания топлива (Тз) и предельная температура фильтруемости (ПТФ) на холодном фильтре. Оценивается также седиментационная устойчивость топлива с присадкой. Температурой застывания считается такая температура, при которой ме­ ниск топлива, застывшего в пробирке, не сдвигается при ее наклоне. Некоторые считают, что этот показатель неадекватно отражает истин­ ную Тэ топлива. При лабораторном определении Тз охлаждение топлива происходит быстрее, чем на практике при перемене погоды. Чем мед­ леннее снижается температура, тем крупнее кристаллы парафинов и легче осуществляется их ассоциация. Таким образом, в действительности топ­ ливо теряет подвижность раньше, чем охлаждается до Тз, определенной в лаборатории. Заметим, впрочем, что охлаждение топлива в огромном резервуаре происходит медленнее, чем в лабораторной пробирке.

ПТФ представляет собой наинизшую температуру, при которой топ­ ливо сохраняет способность прокачиваться через фильтр с установлен­ ной скоростью. Ее определяют на лабораторном приборе, основной частью которого является охлаждаемый фильтр — стандартная металлическая сетка № 004. Через него при помощи вакуума (остаточное давление око­ ло 200 мм вод. ст.) засасывают топливо. За ПТФ принимается темпера­ тура, при которой 20 мл топлива фильтруется не более 1 мин.

Отмечено, что между оценкой депрессорных присадок лабораторны­ ми методами и поведением топлива в двигателе при низких температу­ рах корреляция наблюдается не всегда и зависит от конструкции топ­

ливной системы. Например, предельная температура работоспособно­ сти двигателя зависит не только от предельной температуры фильтруемости топлива, но и от тонкости отсева фильтров. Таким образом, показа­ тель ПТФ, определенный лабораторным методом, следует воспринимать с учетом особенностей конструкции топливной системы. Примеры это­ го приведены далее. По этой причине, в частности, низкотемпературные свойства топлив с присадками оцениваются также квалификационными методами на стендах с двигателями или отдельными агрегатами.

Ассортимент депрессоров, допущенных в России к применению вди­ зельных топливах, включает в себя пять отечественных (присадка ВЭС238 и ее модификация Полипрен при этом считаются за одну) и несколь­ ко зарубежных присадок.

Присадки ВЭС-238 и Полипрен представляют собой концентриро­ ванные растворы сополимера этилена с винилацетатом вксилоле. По ряду причин, связанных с технологическими трудностями, их производство не было организовано, хотя по эффективности они были на уровне со­ временных им зарубежных образцов.

Присадка ВЭС-410Д в качестве активного вещества также содержит сополимер этилена с винилацетатом, но получаемый в менее жестких по сравнению с ВЭС-238 и Полипреном условиях: давление в аппарате со­ ставляет 10—15 МПа.

Полипрен (ТУ 38.401675-87) и ВЭС-410Д(ТУ38.401-58-332-2003) долж­ ны удовлетворять следующим требованиям:

Показатели	Полипрен	ВЭС-410Д
Внешний вид	Светло-желтая	Вязкая жидкость от
	вязкая жидкость	светло-серого до светло-
		коричневого цвета
Кинематическая вязкость при 50°С, мм2/с	50-500	не более 100
Содержание звеньев винилацетата (%)	13-18	14-20
в присадке
в активном веществе	26-36	—
Растворимость в топливе	полная	полная
(визуально 10%-й раствор)
Показатель текучести расплава	13-100	—
сополимера, г/10 мин
Для топлива Л с 0,05% присадки	не более 2	не более 3
коэффициент фильтруемости
температура застывания, °С	не выше -30	—
ПТФ, °С	не выше -15	—
депрессия температуры застывания, °С	—	не менее 15
депрессия ПТФ, °С	—	не менее 10
Содержание (%)	—	40-50
активного вещества
механических примесей	—	не более 0,1
воды	—	отс.

Технические требования, которым должны удовлетворять ПДП (ТУ 38.401-58-20-91), Сандал-1Б (ТУ 38.1011369-92) и ЭДЕП-Т (ТУ 0257- 00151742-004-93), представлены ниже.

Показатели	ПДП	Синдал-1Б	ЭДЕП-Т
Вязкость кинематическая (мм2/с) не более	—	60 (100 °С)	1200-3800
			(50 °С)
Зольность (%) не более		0,1	—
Снижение температуры застывания топлива	—	10	10
(°С) с массовой долей присадки 0,1% не менее
Массовая доля винилацетата, %	—	6,5-16,5	—
Температура вспышки	—
в закрытом тигле (°С) не ниже		35	10
Массовая доля (%)	15
активного компонента не менее		—	60
толуола не менее	—		30
нерастворимыхвтолуоле примесей не более	—	—	0,07
воды	следы	—	—
механических примесей не более	0,05	—	—
Цвет (ед. ЦНТ) не более	6	—	2,5
Растворимость в топливе	полная	—	—
Для топлива с 0,05% активного вещества	3	—	—
коэффициент фильтруемости не более
температура вспышки (°С) не ниже	40	—	—

ВГАНГтакже разработан образец присадки ДАКС-Д. Он исследован

влабораторных условиях, но пока допуска к применению в топливе не получил.

Некоторое снижение температуры застывания дизельных топлив до­ стигается также при введении в них присадки ПМА-Д, используемой при производстве моторных масел и представляющей собой 30—40%-й раствор полиметакрилата на основе фракции спиртов С 12_]б в масле И-20А. Хотя к применению в топливах она не допущена, отдельные по­ требители пытаются с ее помощью решить свои проблемы. Однако эта присадка не только малоэффективна: она не влияет на более важный показатель ПТФ и, кроме того, ухудшает некоторые характеристики топлива, например коэффициент фильтруемости. Впрочем, Б. А. Энг­ лин [130] показал, что в отдельных топливах эффективность ПМА-Д может быть достаточно высокой. Например, Тзлетнего дизельного топ­ лива с исходным значением Тз = —15 °С при добавлении 0,1% ПМА-Д снижалась на 22—30 °С. В то же время для топлива с более плохими низкотемпературными свойствами (Т3 = —2 °С) депрессии этого пока­ зателя не наблюдалось вовсе.