ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕТАНОПОВЫШАЮЩЕЙ ПРИСАДКИ «МИАКРОН-2000» В АЛЬТЕРНАТИВНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВАХ

Зиненко С.А., Егоров С.А., Ёлкин С.И., Решетов В.И., Савенко В.И.

Введение

В двигателях внутреннего сгорания, работающих на дизельном топливе цетановое число (ЦЧ) является важнейшей характеристикой процесса горения топлива. [1,2].

Современные тенденции развития дизельных двигателей таковы, что, с одной стороны, неуклонно повышается экономичность и уровень удельной мощности, снимаемой с двигателя, с другой, - ужесточаются экологические ограничения, накладываемые на состав выхлопных газов. Прямым следствием указанных тенденций являются требования к повышению ЦЧ. Так согласно Европейскому стандарту на дизельные топлива EN-590:2000 ЦЧ товарных дизельных топлив должно быть не менее 51.

Для повышения ЦЧ дизельных топлив в последние 20 лет используют специальные присадки – промоторы воспламенения, которые вводят в ДТ в концентрации от 0,1 до 1,0 %. В качестве промоторов воспламенения широкое распространение получили пероксиды и алкилнитраты, введение которых в дизельное топливо повышает ЦЧ до 10¸12 единиц [1].

В настоящее время роль цетаноповышающих присадок неуклонно возрастает. Это связано, в первую очередь, с созданием дизельных двигателей нового поколения, рассчитанных на топлива с более высокими ЦЧ.

Наряду с традиционным использованием промоторов воспламенения для повышения ЦЧ дизельных топлив существует ряд прикладных задач, связанных с их применением для унификации углеводородных топлив для дизельных двигателей спецтехники.

Кроме того, использование цетаноповышающих присадок дает возможность изменить материальный баланс нефтепереработки и улучшить ее экономические показатели. Имеется в виду возможность вовлекать в ДТ, выпускаемое по ГОСТ 305-82, легкие газойли вторичных процессов. Это экономически выгодно производителям ДТ, а неизбежное при этом понижение ЦЧ возможно корректировать введением цетаноповышающей присадки.

1 Присадка Миакрон-2000

В России в разное время были допущены к применению в составе дизельных топлив следующие цетаноповышающие присадки: отечественные присадки - изопропилнитрат по ТУ 6-14-944-73 (ИПН), циклогексилнитрат по ТУ 7508906.115-92 (ЦГН) и зарубежные Paradyne-668 (Exxon), Kerobrizole EHN (BASF), Dodycet 5073 (Clariant), HiTec 4103W (Ethyl), ADX 743 (Lubrizol). Описание свойств и особенностей применения некоторых из указанных присадок приведено в [1, 3, 4]. В силу различных причин системного характера производство отечественных цетаноповышающих присадок в последние годы прекращено.

Специалистами компании разработана новая отечественная цетаноповышающая присадка «Миакрон-2000». Основа присадки 2-этилгексилнитрат – известное химическое соединение, широко применяемое в качестве цетаноповышающей присадки в ДТ. Оригинальные запатентованные технические решения позволили стабильно получать такой состав вещества, который с одной стороны, эффективно повышает ЦЧ дизельных топлив, с другой, - не оказывает побочного воздействия на другие показатели ДТ.

Рекомендуемая разработчиком концентрация присадки в дизельном топливе – 0.1-0.3% масс.

При получении «Миакрон-2000» нитрование проводили так называемой нитрующей смесью - смесью азотной и серной кислот. Серная кислота обеспечивает диссоциацию азотной кислоты, протонируя ее молекулы по гидроксильной группе.

Для стабилизации процесса нитрования в реакционную смесь и был включен карбамид. Собственно карбамид в образовании целевого продукта не участвует. Его основная задача – ингибировать окислительные процессы в ходе реакции.

Химизм процесса подробно описан в работе [3].

Промышленный процесс производства присадки «Миакрон-2000» организован на производственных мощностях в г. Бийск.

Исходное сырье и вспомогательные материалы для производства «Миакрона-2000» полностью отечественные.

2 Экспериментальные исследования присадки «Миакрон-2000» в углеводородных топливах

С целью унификации углеводородных топлив, предназначенных для силовых агрегатов спецтехники были определены изменения ЦЧ керосина ТС-1 и бензинов «Нефрас-С2-80/120» ТУ 38.401-67-108-92, А-80, АИ-92 при добавлении к ним присадки «Миакрон-2000».

Определение ЦЧ смесей проводилось на установке ИТ9-3М. В качестве эталонных топлив применялись смеси, состоящие из альфаметилнафталина и цетана.

Результаты изменения ЦЧ керосина ТС-1 с присадкой «Миакрон-2000» приведены в таблице 2 и представлены графиком на рис. 1.

В диапазоне реальных значений цетановых чисел дизельных топлив (45÷52 ед.) увеличение цетанового числа керосина составило 9.5 ед. на 0.5% об. присадки «Миакрон-2000». Практически повышение ЦЧ керосина в данном диапазоне (0÷0.5% об.). составляет 2 ед. на 0.1% об. присадки «Миакрон-2000».

Результаты определения ЦЧ бензинов «Нефрас-С2-80/120», А-80, АИ-92 при добавлении присадки «Миакрон-2000» приведены в таблице 3 и представлены графиками на рис. 1.

Рис. 1

На основании полученных результатов следует заключить, что для использования бензина А-80 в качестве топлива для дизелей с ЦЧ 40÷42 ед. необходимо добавлять 3% присадки «Миакрон-2000».

Для применения бензина типа АИ-92 в качестве топлива для дизелей с ЦЧ 40÷42 ед. необходимое количество присадки возрастает до 5% об.

Детали топливной аппаратуры после 30-суточной выдержки в чистой присадке и в смеси с бензином «Нефрас-С2-80/120» в удовлетворительном состоянии и пригодны к работе.

Резинотехнические изделия набуханий не имеют, кроме наружного слоя рукавов 3Т18-15 и 40У8-13. Вес образцов рукавов, вследствие набухания наружного слоя, увеличился более чем на 30%, однако при взвешивании образцов через месяц после испытаний их вес практически восстановился. Внутренняя часть рукавов, функционально контактирующая с топливом, в работоспособном состоянии. Для новых образцов рукавов 3Т18-15 и 40У8-13, исследованных при заполнении присадкой «Миакрон-2000» только их внутренней части в течение 30 суток, набухания не отмечено.

3 Испытания пусковых качеств двигателя УТД-32 на стенде ОПП ОАО «Барнаултрансмаш» с использованием присадки «Миакрон-2000»

Объект испытаний

Комплектация двигателя:

- Система наддува Сб.ОК-32-60-1840 с двумя турбокомпрессорами К36 21.22 и двумя охладителями наддувочного воздуха «Алпас» (с отводом тепла в ОЖ внутреннего контура двигателя).

- Муфта опережения подачи топлива (короткоходовая) с выходом сервопоршня при 800 об/мин – 0.1 мм, при 1300 об/мин – 4.3 мм.

- Форсунки Сб.ОК17-72-01 (9х0.28х160°) с прокачкой 57÷59 см³ за 400 ходов эталонной секции топливного насоса.

- Фазы газораспределения: впуск 20х48° пкв, выпуск 48х20° пкв.

- Поршень ОК 04-7575 с объемом камеры сгорания 80 см³.

- Степень сжатия 14.7

- Электростартер С16-2С

В ходе испытаний использовались:

-Топливо Л-0.2-40 по ГОСТ 305-82 с показателями:

- ЦЧ – 50;

- плотность – 0.84 г/см³;

- температура помутнения – минус 8°С;

- температура начала кристаллизации – минус 13°С;

- Присадка «Миакрон-2000» по ТУ 0257-005-51293216-2001:

- плотность – 0.962 г/см³;

- температура вспышки в закрытом тигле – 67°С;

- кислотное число – 0.18 мгКОН/г;

- доля активного вещества – 99.3%;

- массовая доля недонитрованного спирта С₈ – 0.435.

- Масло М-16Г₂ЦС по ГОСТ 12337-84.

- Охлаждающая жидкость ОЖ-40 «Лена» по ТУ 113-07-02-88:

- плотность – 1.075 г/см³;

- при температуре равной минус 40°С кристаллизация отсутствует.

Двигатель перед проверкой пусковых качеств был отрегулирован на мощность 600 л.с., часовой расход топлива – 103 кг/час при 2480 об/мин.

Методика испытаний

Двигатель был оборудован «короткой» системой охлаждения (без стендовых охладителей ОЖ и масла) с общим объемом 50 л, с расширительным бачком объемом 5 л.

Забор воздуха на вход в двигатель осуществлялся «с улицы», через трубопровод Ø 300 мм, длиной 5 м.

Температура окружающего воздуха, систем и двигателя на стенде понижалась за счет принудительной вентиляции через воздухоподводящий трубопровод Ø 300 мм с помощью двух электровентиляторов ДВ-1.

ОЖ перед заправкой в двигатель предварительно охлаждалась в холодильнике до температуры минус 20°С.

После заправки системы охлаждения двигатель выдерживали до выравнивания температуры ОЖ и окружающего воздуха на уровне -2°С.

Пуск двигателя производился в следующей последовательности:

- прокрутка воздухом без подачи топлива – 10 секунд для выравнивания температуры ОЖ в системе охлаждения;

- попытка запуска двигателя электростартером с продолжительностью включения стартера на 5-7 секунд (повторные попытки пуска после 15-20 секунд перерыва).

Время выдержки двигателя между очередными проверками пуска не менее суток (по атмосферным условиям).

Результаты испытаний

При положительных температурах воздуха, двигателя, систем до 0°С запуск двигателя с использованием дизельного топлива происходит надежно с первой попытки. После запуска двигатель выходит на режим 1000 об/мин.

При температурах двигателя, ОЖ, масла, дизельного топлива и воздуха минус 2°С двигатель запускался только с третьей попытки. После запуска двигатель «зависал» на режиме 400 об/мин. Работа двигателя сопровождалась хлопками и белым дымом на выпуске. После 30-90 секунд работы частота вращения постепенно увеличивалась и двигатель выходил на режим 1000 об/мин.

При использовании в качестве топлива чистой присадки «Миакрон-2000» при тех же условиях и температуре воздуха на впуске минус 11°С все пуски происходили с первой же попытки за 1-3 секунды. После пуска двигатель выходил на режим 1000 об/мин, при этом белый дым и хлопки на выпуске не наблюдались.

Пуски при температуре ниже минус 11°С не проверены по климатическим условиям на период испытаний.

Заключение

1. Присадка «Миакрон-2000» обладает цетаноповышающими свойствами в смесях с керосином и бензинами типа А-80 и АИ-92.

- Добавление присадки «Миакрон-2000» в количестве 0.5% об. в керосин ТС-1 повысило его ЦЧ с 43 до 52.5 ед.

- ЦЧ бензина «Нефрас-С2-80/120» при добавлении 1.5% об. присадки составило 48 ед.

- Для использования бензина типа А-80 в качестве топлив для дизелей с ЦЧ 40÷42 ед. необходимо добавлять 3% присадки «Миакрон-2000».

- Для использования бензина типа АИ-92 в качестве топлива для дизелей с ЦЧ 40÷42 ед. необходимо добавлять 5% об. присадки «Миакрон-2000».

2. Детали и резинотехнические изделия топливной аппаратуры испытания в присадке «Миакрон-2000» выдержали и пригодны к работе.

3. В системах резервного пуска спецтехники использование в качестве топлива присадки «Миакрон-2000» при температуре воздуха на впуске минус 11°С (минимальная температура воздуха на период проведения испытаний) обеспечивает стабильный запуск двигателя с первой попытки.

Литература

1. Данилов А.М. Применение присадок в топливах для автомобилей. Справочник. М., Химия, 2000. – 231 с.

2. Башкатова С.Т. Присадки к дизельным топливам. М., Химия, 1994. – 251 с.

3. Зиненко С.А., Егоров С.А., Макаров А.А. и др. Цетаноповышающая присадка «Миакрон-2000» к дизельным топливам. ХТТМ, 2002, №5, с. 17-20.

4. Г.Н. Новацкий, С.В. Водолажский, Б.Г. Соколов. Современные методы улучшения качества дизельных топлив. Нефть. Газ. Промышленность, 2004, № 2.