CC BY
725
УДК 621.43
О. К. Безюков, В. А. Жуков, М. М. Маад СОВРЕМЕННЫЕ ПРИСАДКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ
Важнейшими эксплуатационными характеристиками судовых двигателей внутреннего сгорания являются показатели надежности, топливной экономичности и экологической безопасности, зависящие от комплекса конструктивных и эксплуатационных факторов. Один из наиболее существенных факторов - качество дизельного топлива. Физические и химические свойства топлива влияют на процессы смесеобразования и сгорания в цилиндрах дизелей, полноту выгорания топлива, топливную экономичность, содержание вредных веществ в отработавших газах двигателя, ресурс топливоподающей аппаратуры и деталей цилиндропоршневой группы. Наиболее распространенным способом обеспечения требуемых свойств дизельного топлива является введение многофункциональных присадок. По результатам патентного поиска представлен обзор наиболее современных присадок к дизельному топливу, обеспечивающих улучшение смесеобразования и сгорания топлива, приведены сведения по химическому составу присадок, описан механизм их действия, влияние на способность к воспламенению и структуру топливовоздушной смеси. Указаны российские и зарубежные производители присадок к дизельному топливу. Испытания, проведенные на четырехтактных высокооборотных дизелях, позволили установить, что применение одной из таких присадок отечественного производства («Ка§гоВоо8Ь>) обеспечивает снижение удельного эффективного расхода топлива на 3-7 % и отсутствие увеличения вредных выбросов с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания при работе двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам. Сделан вывод о перспективности использования присадок такого типа с целью повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания. Даны рекомендации по проведению дальнейших исследований с целью внедрения присадки «Ка§гоВоо81» на водном транспорте.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, дизельное топливо, присадки, активаторы горения, расход топлива.
Введение
Важнейшими направлениями совершенствования судовых энергетических установок, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, являются сокращение расхода топлива, улучшение экологических характеристик, прежде всего по выбросам вредных веществ с отработавшими газами, при сохранении высоких ресурсных показателей. Указанные задачи решаются за счет совершенствования рабочего цикла дизеля и утилизации отводимой от двигателя теплоты [1, 2], оптимизации процессов топливоподачи и смесеобразования [3], модернизации систем регулирования теплового состояния двигателя и выбора наиболее рациональных режимов охлаждения [4, 5]. Существенное влияние на показатели надежности, экономичности и экологической безопасности оказывает также вид топлива, потребляемого судовой энергетической установкой, и его качество.
Водный транспорт является одним из основных потребителей дизельного топлива, которое представляет собой продукт переработки нефти. Качество топлива оказывает существенное влияние на эксплуатационные показатели судовых энергетических установок: экономичность; надежность; экологическую безопасность, определяемую по токсичности и дымности отработавших газов. В настоящее время качество дизельного топлива регламентирует ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия». Данный стандарт устанавливает значения физико-химических показателей, определяющих качество топлива, таких как цетановое число, фракционный состав, кинематическая вязкость, температура застывания, помутнения, вспышки, массовая доля серы, содержание водорастворимых кислот и щелочей, концентрация фактических смол, кислотность, йодное число, зольность и др. [6]. Для обеспечения требуемых значений отдельных физико-химических показателей на завершающей стадии производства дизельных топ-лив в смесь дистиллятной газойлевой фракции и продуктов, полученных в результате каталитического крекинга и гидрокрекинга, вводятся присадки, улучшающие одно или несколько свойств дизельного топлива.
В связи с вышеизложенным целью исследований являлся сравнительный анализ присадок к топливу различных типов и оценка перспектив использования отечественных присадок к дизельному топливу с целью повышения эксплуатационных показателей двигателей.
Характеристика присадок к дизельному топливу
Ужесточение требований к эксплуатационным показателям судовых энергетических установок при сохраняющихся требованиях ГОСТ 305-82 обусловливает необходимость повышать качество топлива путем использования присадок не только в процессе производства топлив, но и в процессе эксплуатации дизелей. Именно поэтому продолжаются активные исследования по разработке современных присадок к дизельному топливу.
Присадки для дизельного топлива делятся на следующие группы:
- депрессорно-диспергирующие;
- депрессорные;
- диспергаторы парафинов;
- противоизносные (смазывающие);
- цетаноповышающие (промоторы воспламенения); активаторы горения; многофункциональные.
К числу наиболее важных относятся цетаноповышающие присадки или промоторы воспламенения, влияние которых определяется цетановым числом, и активаторы горения.
По данным д-ра техн. наук А. М. Данилова (Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти (ВНИИ НП)), цетановое число топливного пула России колеблется в пределах 48-50 ед. «Недобор» составляет 1-3 ед., что легко компенсируется введением 0,03-0,06 % промотора воспламенения [7]. ГОСТ 305-82 для летнего, зимнего и арктического топлива устанавливает значение цетанового числа равное 45. Однако для современных высокооборотных дизелей более предпочтительным является использование топлива с цетановым числом 47-50 с тенденцией к его увеличению до 55. Повышение цетанового числа сокращает период задержки воспламенения и снижает жесткость работы двигателя, что особенно актуально для таких двигателей. Для повышения цетанового числа дизельного топлива с 35-37 до 40-45 в него вводятся циклогек-силнитрат (в концентрации до 0,5 %) или изопропилнитрат (в концентрации до 1,0 %). Недостатком использования таких присадок является увеличение коксуемости топлива [8].
Весьма обширный ассортимент присадок этого типа, предлагаемый западными и российскими поставщиками, сводится фактически к одному соединению - 2-этилгексилнитрату (ТУ 0257-089-07510508-2010), сравнительно удобному и дешевому в производстве.
Механизм действия цетаноповышающих присадок заключается в легком гомолитическом распаде их молекул по связям О-О или О-К в ускорении предпламенных реакций, способствовании разветвлению окислительных цепей и образованию новых реакционных центров.
Данные присадки действуют только на начальных стадиях процесса горения. В результате увеличивается способность углеводородов к более полному окислению (сгоранию), и реакция протекает в условиях, близких к идеальным [9].
В отличие от цетаноповышающих присадок, активаторы (катализаторы) горения способствуют возникновению сил свободного перехода, ослаблению межмолекулярных связей и упрощению пространственной структуры углеводородов. Структура топлива становится более однородной, с равномерным пространственным расположением углеводородов во всем занимаемом объеме (рис.).
а б
Влияние активатора горения на структуру топливовоздушной смеси: а - без активатора горения; б - с активатором горения
Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что разработке присадок к дизельному топливу уделяется большое внимание как научно-исследовательскими, так и производственными организациями.
В качестве цетаноповышающих присадок рекомендованы следующие химические вещества и их композиции: алкил(Сз-С2о)нитрат, полимер этилена или его сополимер с альфа-олефином С3-С4; непредельные жирные кислоты (группа олеиновой, линолевой, линоленовой кислот) или их амиды; алкил(СгС25)сукцинимид, сополимер высших эфиров C6-C27 акриловой или метакриловой кислоты с этиленненасыщенным мономером; окись пропилена; оксипропилированный жирный спирт С6-С16 (например, продукт оксипропилирования 2-этилциклогексанола); сульфонат щелочноземельного металла, например кальция, бария, магния и т. д.; нитрат алифатического спирта С3-С18, например изопропилнитрат, циклогексилнитрат или норборнилнитрат; 2-этилгексилнитрат; перок-сиды, выбранные из группы ди-трет-бутилпероксида, дикумилпероксида или кумилгидроперокси-да; парафиновые углеводороды нормального строения из группы С9-С20 [10-13].
На рынке цетаноповышающих и комплексных присадок к дизельному топливу представлены следующие отечественные компании: ОАО «ВНИИ НП», ПАО «Газпром нефть», ООО «Корпорация «Топливные технологии», ООО «Русская инженерно-химическая компания», ЗАО «НПП «Алтайспецпродукт», ООО «Прогрессивные решения» и др.
Зарубежные цетаноповышающие присадки представлены на российском рынке фирмами Exxon (Paradyne-668), Castrol (Castrol TDA), BASF (Kerobrizol EHN), Clariant (Dodycet 5073), Ethyl (HiTec 4103W), Librizol (ADX 743), Difron (Difron H 372), Bardahl Diesel Combustion BDC и др.
В отличие от описания присадок в научно-технической и патентной литературе, информация о товарных присадках, как отечественных, так и импортных, не содержит данных об их химическом составе и физико-химическом механизме воздействия на процесс сгорания дизельного топлива и другие эксплуатационные показатели дизельных двигателей.
Представителем нового поколения отечественных присадок к дизельному топливу является активатор горения «NagroBoost», созданный компанией ООО «Ярко-Групп» (г. Подольск Московской обл.) под руководством А. С. Новикова.
Универсальная комплексная присадка для топлив «NagroBoost» (ТУ 0257-001-32990062-2015) содержит 3,5-диметилгептан - органическую легковоспламеняющуюся жидкость, брутто-формула которой (система Хилла) - C9H20.
Физико-химические параметры 3,5-диметилгептана приведены в таблице.
Химическая формула 3,5-диметилгептана, представленная в виде текста, выглядит следующим образом: CH3CH2CH(CH3)CH2CH(CH3)CH2CH3.
Физико-химические параметры 3,5-диметилгептана
Символ Элемент Атомный вес Число атомов % мас.
C Углерод 12,011 9 84,3
H Водород 1,008 20 15,7
3,5-Диметилгептан имеет следующие характеристики:
- молекулярная масса - 128,255в а. е. м.;
- плотность - 721 кг/м3;
- температура кипения - 137 °С;
- давление пара ^ р = 6,21073-1509,585/(221,989 + г) при температуре 26-137 °С;
- коэффициент диффузии пара в воздухе - 0,0461 см2/с;
- теплота образования - 241,6 кДж/моль;
- теплота сгорания - 5718 кДж/моль;
- температура вспышки - 23 °С;
- температура самовоспламенения - 287 °С;
- нижний концентрационный предел воспламенения - 0,78 % об./расч.
Испытания присадки «NagroBoost», проведенные в лаборатории кафедры «Теория и конструкция судовых двигателей внутреннего сгорания» Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова, показали, что ее введение в дизельное топливо в концентрации 0,15-0,20 % по массе приводит к снижению удельного эффективного рас-
хода топлива на 3-7 % при работе двигателей на различных режимах винтовой и нагрузочной характеристик. Замеры токсичности и дымности отработавших газов показали, что использование присадки «NagroBoost» не приводит к увеличению выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей.
Заключение
Таким образом, в результате исследований установлено, что отечественная присадка к дизельному топливу «NagroBoost» является наиболее перспективной по сравнению как с российскими, так и с зарубежными аналогами.
Для внедрения присадки «NagroBoost» на морском и речном флоте целесообразно проведение комплекса испытаний, цель которых:
- выбор оптимальных концентраций присадки в зависимости от степени форсированности и номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя;
- определение влияния присадки на надежность элементов системы топливоподачи;
- определение состава отработавших газов;
- выбор оптимальных настроек и регулировок топливоподающей аппаратуры.
Целесообразным представляется также проведение эксплуатационных испытаний присадки на различных типах судовых дизелей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тузов Л. В. Идеальный термодинамический цикл ДВС с изохорным и изотермическим способами подвода теплоты / Л. В. Тузов, Н. Б. Ганин, А. С. Пряхин // Двигателестроение. 2015. № 1. С. 3-6.
2. Ерофеев В. Л. Пределы повышения энергетической эффективности топливоиспользования поршневого ДВС / В. Л. Ерофеев, Н. Б. Ганин, А. С. Пряхин // Двигателестроение. 2015. № 2. С. 33-38.
3. Гаврилов В. В. Теоретические основы и методика анализа процесса горения в судовом ДВС по индикаторным диаграммам / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Вестн. Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С. О. Макарова. 2016. № 1 (35). С. 154-164.
4. Безюков О. К. Современная концепция регулирования охлаждения судовых дизелей / О. К. Без-юков, В. А. Жуков, В. Н. Тимофеев // Вестн. Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С. О. Макарова. 2015. № 3 (31). С. 93-103.
5. Жуков В. А. Перспективы совершенствования систем охлаждения судовых дизелей / В. А. Жуков // Вестн. Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С. О. Макарова. 2015. № 4 (32). С. 131-137.
6. ГОСТ 305-82. Топливо дизельное. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1982. 12 с.
7. Данилов А. М. О производстве дизельных топлив в соответствии с регламентом таможенного союза / А. М. Данилов, Е. Б. Шевченко // Двигателестроение. 2012. № 4. С. 42-44.
8. Поконова Ю. В. Анализ качества нефтепродуктов / Ю. В. Поконова. СПб.: Рикон, 2008. 160 с.
9. иЯЬ: http://prisadki.inntechtrade.ru/tmb/ (дата обращения: 7.04.2016).
10. Пат. 2320707 РФ. Присадка к дизельному топливу, дизельное топливо / Сулейманов Р. С., Сорокин С. В., Кабанов О. П., Башкатова С. Т., Журавлев А. Н., Кабанова Е. Н.; заявл. 25.12.2006; опубл. 27.03.2008.
11. Пат. РФ № 2355732. Присадка к дизельному топливу, дизельное топливо / Зиненко С. А., Егоров С. А., Гришина И. Н., Ёлкин С. И., Карпова О. И., Крюков А. Н.; заявл. 07.11.2007; опубл. 20.05.2009.
12. Пат. РФ № 2422495. Присадка к малосернистому дизельному топливу / Батырев А. В., Федотов П. И., Меркин А. А., Комаров А. А., Михайлов Ю. М., Данилов А. М., Митусова Т. Н., Окнина Н. Г., Калинина М. В.; заявл. 29.06.2009; опубл. 27.06.2011..
13. Пат. РФ 2378323. Присадка к дизельному топливу, дизельное топливо / Гришина И. Н.; заявл. 20.06.2008; опубл. 10.01.2010.
Статья поступила в редакцию 22.04.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Безюков Олег Константинович - Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; д-р техн. наук; профессор кафедры «Теория и конструкция судовых двигателей внутреннего сгорания»; [email protected].
Жуков Владимир Анатольевич — Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; д-р техн. наук; зав. кафедрой «Теория и конструкция судовых двигателей внутреннего сгорания»; [email protected].
Маад Махфуд Моххамед - Россия, 198035, Санкт-Петербург; Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова; аспирант кафедры «Теория и конструкция судовых двигателей внутреннего сгорания»; [email protected].
О. K. Bezyukov, V. A. Zhukov, M. M. Maad MODERN ADDITIVES FOR DIESEL FUEL
Abstract. The most important exploitation characteristics of ship internal combustion engines are indexes of reliability, fuel consumption and ecological safety. These indices depend on the complex of construction and exploitation factors. Quality of diesel fuel is one of the most significant factors. Physical and chemical properties of fuel have influence on the processes of air and fuel mixed and combustion in engine cylinder, completeness of fuel combustion, fuel economy, maintenance of toxic substance in outlet gases, resource of fuel system elements and parts of cylinder-piston group. Introduction of the multifunction additives into the fuel is a wide-spreading method of ensuring the properties of the diesel fuel. On the bases of the patent search the paper presents the review of the most modern additives for diesel fuel, which improves fuel-air mixed and fuel combustion, the information about the chemical composition of additives and describes the mechanism of their action, influence on the capacity for combustion and the structure of fuel-air mixture. Russian and foreign producers of the additives for diesel fuel are presented. The tests, conducted on four-stroke high-rotation diesel engines, showed that using one of such additives of domestic production ("NagroBoost") ensures lowering of specific efficient fuel consumption by 3-7 % and eliminates an increase in exhausted emissions of internal combustion engines operated on loading and screwing characteristics. The conclusion about the perspective of using these additives in order to increase fuel efficiency of internal combustion engines is made. The recommendations to conduct future investigations for application of the additive "NagroBoost" on water transport are given.
Key words: internal combustion engines, diesel fuel, additives, activators of combustion, fuel consumption.
REFERENCES
1. Tuzov L. V., Ganin N. B., Priakhin A. S. Ideal'nyi termodinamicheskii tsikl DVS s izokhornym i izoter-micheskim sposobami podvoda teploty [Ideal thermodynamic cycle of ICE with isochoric and isothermal ways of heat supply]. Dvigatelestroenie, 2015, no. 1, pp. 3-6.
2. Erofeev V. L., Ganin N. B., Priakhin A. S. Predely povysheniia energeticheskoi effektivnosti toplivois-pol'zovaniia porshnevogo DVS [Limits of increase in power efficiency of heat consumption of piston ICE]. Dvigatelestroenie, 2015, no. 2, pp. 33-38.
3. Gavrilov V. V., Mashchenko V. Iu. Teoreticheskie osnovy i metodika analiza protsessa goreniia v sudo-vom DVS po indikatornym diagrammam [Theoretical bases and methods of analysis of combustion in marine ICE by the indicating diagrams]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2016, no. 1 (35), pp. 154-164.
4. Beziukov O. K., Zhukov V. A., Timofeev V. N. Sovremennaia kontseptsiia regulirovaniia okhlazhdeniia sudovykh dizelei [Present concept of regulation of marine diesel cooling]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2015, no. 3 (31), pp. 93-103.
5. Zhukov V. A. Perspektivy sovershenstvovaniia sistem okhlazhdeniia sudovykh dizelei [Perspectives of improvement of the cooling systems of marine diesels]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2015, no. 4 (32), pp. 131-137.
6. GOST 305-82. Toplivo dizel'noe. Tekhnicheskie usloviia [Diesel fuel. Technical conditions]. Moscow, Izd-vo standartov, 1982. 12 p.
7. Danilov A. M., Shevchenko E. B. O proizvodstve dizel'nykh topliv v sootvetstvii s reglamentom tamoz-hennogo soiuza [On the production of diesel fuels in accordance with the standard of the Customs Union]. Dvigatelestroenie, 2012, no. 4, pp. 42-44.
8. Pokonova Iu. V. Analiz kachestva nefteproduktov [Analysis of quality of oil products]. Saint-Petersburg, Rikon Publ., 2008. 160 p.
9. Available at: http://prisadki.inntechtrade.ru/tmb/ (accessed: 7.04.2016).
10. Suleimanov R. S., Sorokin S. V., Kabanov O. P., Bashkatova S. T., Zhuravlev A. N., Kabanova E. N. Prisadka k dizel'nomu toplivu, dizel'noe toplivo [Additive to diesel fuel, diesel fuel]. Patent RF, no. 2320707, 2006.
11. Zinenko S. A., Egorov S. A., Grishina I. N., Elkin S. I., Karpova O. I., Kriukov A. N. Prisadka k dizel'nomu toplivu, dizel'noe toplivo [Additive to diesel fuel. Diesel fuel]. Patent RF, no. 2355732, 2007.
12. Batyrev A. V., Fedotov P. I., Merkin A. A., Komarov A. A., Mikhailov Iu. M., Danilov A. M., Mitusova T. N., Oknina N. G., Kalinina M. V. Prisadka k malosernistomu dizel'nomu toplivu [Additive to low-sulfur diesel fuel]. Patent RF, no. 2422495, 2009.
13. Grishina I. N. Prisadka k dizel'nomu toplivu, dizel'noe toplivo [Additive to diesel fuel. Diesel fuel]. Patent RF, no. 2378323, 2008.
Bezyukov Oleg Konstantinovich - Russia, 198035, Saint-Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Doctor of Technical Sciences; Professor of the Department 'Theory and Design of Marine Internal Combustion Engines"; kaf_sdvs @gumrf.ru.
Zhukov Vladimir Anatolievich - Russia, 198035, Saint-Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Doctor of Technical Sciences; Head of the Department 'Theory and Design of Marine Internal Combustion Engines"; [email protected].
Maad Makhfud Mohhamed - Russia, 198035, Saint-Petersburg; Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping; Post-graduate Student of the Department "Theory and Design of Marine Internal Combustion Engines"; [email protected].
The article submitted to the editors 22.04.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
