Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам различного группового состава

0;и инновации # 11·2017

Особенности работы моющих присадок

применительно к бензинам

различного группового состава

Для решения задачи повышения качества применяемых топлив в двигателях внутрен-

него сгорания предложен комплексный подход, предусматривающий использование

присадок к бензину, одновременно повышающих моющие свойства и полноту сгорания

топлива. Представлены результаты лабораторных исследований современных бензи-

нов и моторно-стендовых испытаний бензинового впрыскового двигателя при его ра-

боте на бензинах разного группового и оксигенатного состава, в том числе с содер-

жанием моющей присадки и активатора горения. Рассмотрены связи между группо-

вым и оксигенатным составами бензина, концентрацией введенной присадки и

технико-экономическими и экологическими показателями работы бензинового двига-

теля. Определена оптимальная концентрация ввода многофункциональной присадки в

бензины разного группового состава. Показано, что эффективность работы присад-

ки ухудшается при повышении содержания оксигенатов.

Ключевые слова: бензин, групповой состав, оксигенаты, моющие присадки, акти-

ваторы горения, моторно-стендовые испытания, нагарообразование, токсич-

ность отработавших газов

Современные брендовые автомобильные бензины практически

всегда содержат моющие присадки, предназначенные для снижения

уровня отложений в системе топливоподачи, впускных каналах и на

впускных клапанах, в камере сгорания двигателя [1–6].

Часто моющая присадка комбинируется с активатором горения

топлива, с помощью которой достигается повышение скорости и

полноты сгорания топлива в двигателе. В результате его работы уси-

ливается действие моющей присадки путем активации «горячей»

очистки камеры сгорания — температурного разрушения твердых

сажистых отложений на огневых поверхностях головки цилиндров и

поршней. В результате улучшаются условия сгорания топливо-

воздушной смеси, отдаляется порог детонации в двигателе, снижает-

ся вероятность возникновения калильного воспламенения. Одним из

преимуществ использования бензинов, содержащих комплексный

пакет присадок, является уменьшение скорости загрязнения активной

зоны катализаторов системы подавления токсичности отработавших

газов, следовательно, продление их срока службы [5, 6]. Кроме того,

увеличение скорости и полноты сгорания топлива способствует по-

вышению мощности и снижению расхода топлива двигателя [5, 6].

Комплексный  пакет  присадок  автомобильного  бензина  предна-

значен для достижения двух целей. Во-первых, улучшение качества

сгорания  топлива  способствует  уменьшению  склонности  топлива  к

образованию  отложений.  Сгорание  происходит  с  образованием

меньшего количества сажистых отложений, негативно влияющих на

рабочий  процесс  двигателя.  Во-вторых,  моющий  компонент  пакета

способствует удалению органических отложений в «холодной» части

топливной системы (топливном баке, топливопроводах, дозирующих

элементах  системы  топливоподачи),  накопленных  за  время  преды-

дущей эксплуатации двигателя и нарушающих процесс смесеобразо-

вания. Кроме того, он должен инициировать «горячую» очистку ог-

невых поверхностей камеры сгорания двигателя.

Опыт многочисленных экспериментальных исследований, прове-

денных  авторами  статей  [7,  8],  показал,  что  эффективность  работы

пакета присадок существенно зависит от группового состава базового

топлива. При этом данный вопрос практически полностью игнориру-

ется производителями присадок, рекомендации которых по дозиров-

ке пакета являются общими для любых видов базовых бензинов.

Цель статьи — экспериментальное исследование влияния группово-

го  состава  бензина  на  работу  комплексной  многофункциональной  мо-

ющей  присадки  отечественного  производства,  входящей  в  его  состав,

для доказательства необходимости последующей оптимизации концен-

трации  ввода  присадки  в  соответствии  с  составом  каждого  базового

бензина.

Испытаниям подлежали четыре вида базовых бензинов АИ-92  с

разным  содержанием  ароматических  углеводородов  и  кислородосо-

держащих  компонентов.  Физико-химические  показатели  базовых

бензинов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические показатели базовых бензинов

Параметр

Образец бензина

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

Октановое число по исследовательскому

методу, ед.

92,6

92,1

92,7

93,1

Октановое число по моторному методу, ед.

83,1

83,0

83,5

88,4

Фракционный состав:
–

объемная доля испарившегося бензина

при температуре 70° С, %

–

объемная доля испарившегося бензина

при температуре 100° С, %

–

объемная доля испарившегося бензина

при температуре 150° С, %

–

конец кипения, °С

–

остаток в колбе, % (об.)

32,2

53,3

86,3

195

1,3

35,0

54,0

81,2

209

1,0

42,3

61,3

87,4

186

1,0

52,4

59,1

82,3

212

1,0

Объемная доля бензола, %

0,5

0,4

0,2

0,1

Концентрация серы, мг/кг

3,0

8,7

7,7

61,0

Давление насыщенных паров, кПа

80,0

74,0

63,0

76,0

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

   # 11·2017                           3

Окончание табл. 1

Параметр

Образец бензина

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

Массовая доля кислорода, %

0

0

2,14

11,3

Содержание фактических смол, мг/100 см

3

0

1,0

0

5,0

Объемная доля углеводородов, %:
–

олефиновых

–

ароматических

2,6

34,9

0,4

33,0

4,2

25,9

2,1

16,3

Объемная доля оксигенатов, %
–

метанола

–

третбутилового спирта

–

эфиров (С5 и выше)

–
–
–

–
–

0,7

–
–

11,7

16,9

1,2

–

Как следует из результатов определения физико-химических по-

казателей базовых бензинов, образцы № 1–3 относятся к экологиче-

скому классу К5 и полностью соответствуют требованиям Техниче-

ского регламента Таможенного союза (ТР ТС 013/2011) [9]. Образец

№  4,  не  соответствующий  этим  требованиям  по  составу  (наличию

метанола), массовой доле кислорода и содержанию серы, относится к

газоконденсатным  базовым  бензинам,  часто  использующимся  неко-

торыми топливными фирмами с малым оборотом топлива. Несмотря на

несоответствие  состава  этого  образца  бензина  требованиям  ТР  ТС

013/2011, было принято решение оставить его в исследовании для рас-

ширения диапазона изменения параметров группового состава топлива.

Результаты  анализа  расширенного  углеводородного  состава  образцов

базовых топлив представлен в табл. 2.

Таблица 2

Содержание углеводородов определенных групп

в исследованных образцах базовых бензинов, % (об.)

Группа углеводородов

Образец бензина

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

н-парафиновые

11,43

12,04

12,55

18,47

Изопарафиновые

47,23

48,54

40,54

31,43

Ароматические

34,87

33,04

25,88

16,34

Нафтеновые

3,92

5,26

5,14

10,14

Олефиновые

2,55

0,42

4,18

2,08

Оксигенаты

0

0,70

11,71

21,54

Испытания  проводились  последовательно  для  каждого  образца

бензина, затем — для этого же бензина с многофункциональной при-

садкой,  вводимой  в  топливо  в  концентрации,  рекомендованной  ее

производителем  (1000  ррm).  Для  испытаний  был  выбран  моторный

стенд  с  бензиновым  16-клапанным  впрысковым  двигателем

ВАЗ-2112  (4Ч  8,2/7,1)  мощностью  68  кВт  при  частоте  вращения
n = 5600

об/мин.



4

Методика  испытаний  каждого  образца  бензина  включала  в  себя

следующие этапы [9, 10]:

•  частичная  разборка  двигателя,  взвешивание  контрольных  ве-

совых элементов (клапанов, свечей зажигания, инжекторов), сборка,

установка на стенд;

•  эталонное загрязнение, т. е. выработка на фиксированном ре-

жиме  20  л  специальной  загрязняющей  смеси,  формирующей  на  по-

верхностях камеры сгорания, топливной и впускной систем двигате-

ля начального слоя отложений;

•  повторная  частичная  разборка,  определение  начальной  массы

отложений, сборка;

•  начальное  снятие  показателей  работы  двигателя  по  заданной

программе с измерением мгновенного расхода топлива и показателей

токсичности  отработавших  газов  на  режимах  нагрузочных  характе-

ристик в эксплуатационном диапазоне работы двигателя, причем ра-

бота  двигателя  на  режимах  высоких  нагрузок  не  допускается  для

исключения фактора температурной самоочистки двигателя;

•  проведение  20-часового  цикла  испытаний  на  переменных  ре-

жимах на испытуемом бензине;

•  итоговое  снятие  показателей  работы  двигателя  по  заданной

программе,  разборка  двигателя,  определение  итоговой  массы  отло-

жений на контрольных деталях.

Для  определения  массы  отложений  проводилось  взвешивание

контрольных деталей на аналитических весах с точностью до 0,001 г.

Следы масла и прочих загрязнений, оставшихся на поверхностях де-

талей в процессе разборки двигателя, были удалены в ходе специаль-

но разработанной процедуры промывки контрольных деталей в орга-

нических растворителях с последующей сушкой.

По результатам анализа данных, полученных на первом этапе ис-

пытаний, можно сделать следующие выводы.

1.

При  испытаниях  базовых  бензинов  начальная  масса  отложе-

ний,  сформированная  в  результате  эталонного  загрязнения,  после

длительной  20-часовой  наработки  двигателя,  для  всех  бензинов  не-

сколько увеличилась, что свидетельствует о низкой склонности к от-

ложениям  у  базовых  бензинов  и  отсутствии  в  их  составе  моющих

компонентов. Наибольшее увеличение массы отложений было выяв-

лено у образца № 4, что, очевидно, связано со значительным по срав-

нению с другими образцами содержанием фактических смол (рис. 1).

2.

В  ходе  испытаний  образцов  бензинов,  содержащих  мно-

гофункциональную  присадку,  выявлена  тенденция  к  уменьшению

массы отложений на всех контрольных весовых элементах двигателя

(свечах  зажигания,  впускных  и  выпускных  клапанах,  инжекторах)

(рис. 2).

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

   # 11·2017                           5

а

б

Рис.  1.  Масса  отложений  на  свечах  зажигания  (а)  и  впускных

клапанах (б), сформированных в результате испытаний базовых


бензинов



6

а

б

Рис.  2.  Масса  отложений  на  свечах  зажигания  (а)  и  впускных

клапанах  (б),  сформированных  в  результате  испытаний  образ-

цов бензинов, содержащих многофункциональную присадку

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

   # 11·2017                           7

3.

На образце бензина № 1 со сравнительно высоким содержани-

ем в базовом бензине ароматических углеводородов и полным отсут-

ствием кислородосодержащих компонентов (рис. 3) моющий компо-

нент  присадки  проявил  наибольшую  эффективность.  Наименьшая

эффективность  присадки  была  зафиксирована  на  образце  бензина

№ 4 с аномально высоким содержанием оксигенатов. Однако и при

работе на нем масса отложений на поверхностях контрольных дета-

лей начала уменьшаться.

а

б

Рис.  3.  Отложения,  сформировавшиеся  на  поверхности  впускного  клапана


в результате испытаний бензина № 1 с моющей присадкой (а) и без нее (б)

4.

Наибольшую  эффективность  в  относительном  снижении  мас-

сы  отложений  бензины,  содержащие  присадку,  показали  в  плане

очистки впускных клапанов. Очевидно, что в данном случае сумми-

руется  эффективность  «горячей»  очистки,  при  которой  удаляются

твердые сажистые отложения с огневой, наружной поверхности таре-

лок клапанов, и «холодной» очистки, при которой удаляются органи-

ческие  отложения  со  стержней  и  внутренних  поверхностей  тарелок

клапанов, омываемых струей топлива из форсунок. Минимальная от-

носительная эффективность выявляется в плане очистки инжекторов

системы впрыска топлива.

На  втором  этапе  экспериментального  исследования  велся  поиск

ответа на вопрос о влиянии концентрации ввода многофункциональ-

ной присадки на величину мгновенной эффективности по снижению

расхода  топлива  и  изменению  токсичности  отработавших  газов,  а

также зависимости от состава базового бензина. На основании полу-



8

ченной  информации  были  определены  величины  оптимальных  кон-

центраций ввода многофункциональной присадки в бензины разных

групповых  составов.  Были  проведены  моторные  стендовые  испыта-

ния  двигателя  на  образцах  всех  четырех  видов  базовых  бензинов  с

добавлением  многофункциональной  присадки  в  концентрациях

0, 500, 1000, 1500 и 2000 ррm. Для того чтобы исключить фактор ра-

боты моющего компонента присадки, не допускалась длительная ра-

бота двигателя на каждом образце топлива. При этом испытания про-

водились на двигателе, подвергнутом специальной процедуре очист-

ки,  в  ходе  которой  были  удалены  отложения  и  загрязнения  на

поверхностях  камеры  сгорания,  впускной  и  выпускной  систем,

накопленные в процессе предыдущей эксплуатации. В результате ис-

пытаний  была  получена  информация  о  влиянии  активатора  горения

топлива, входящего в состав многофункциональной присадки, на мо-

торные показатели бензинов разных групповых составов.

Каждый цикл испытаний включал в себя следующие этапы:

• пуск — прогрев двигателя, наработка на фиксированном режи-

ме 20 мин;

• снятие  показателей  двигателя,  в  том  числе  частоты  вращения

коленчатого вала, крутящего момента, мгновенного расхода топлива,

содержания в отработавших газах токсических компонентов (оксида

углерода  CO,  остаточных  углеводородов  СН,  оксидов  азота  NО

x

,

двуокиси  углерода  СО

2

),  состава  смеси,  температуры  отработавших

газов,  на  10  режимах двух  нагрузочных характеристик  в  эксплуата-

ционном диапазоне работы двигателя;

• обработка  результатов  испытаний  с  приведением  к  стандарт-

ным  атмосферным  условиям,  расчет  усредненных  показателей  по

экономичности двигателя и токсичности отработавших газов.

Некоторые  результаты  выполненных  испытаний  приведены  ни-

же.  На  рис.  4  показана  зависимость  относительного  изменения

усредненного  удельного  расхода  топлива  двигателя  при  работе  на

бензине, содержащем присадку, от концентрации ее ввода в топливо.

На графиках (см. рис. 4) показана ярко выраженная зависимость

оптимальной концентрации присадки, при которой достигается мак-

симальное  энергосбережение,  от  группового  состава  бензина,  явно

прослеживается  зависимость  этого  параметра  от  содержания  в  бен-

зине  кислородосодержащих  компонентов.  Так,  для  образцов  №  1  и

№ 2 бензинов, не содержащих в составе оксигенатов, величина опти-

мальной концентрации близка к 1300 ррm, что несколько превышает

заявленную производителем присадки — 1000 ppm. Для бензинов, со-

держащих  связанный  кислород,  оптимум  концентрации  сдвигается  в

большую сторону. Например, для образца № 3 наилучшие результаты

получены при концентрации присадки 1600 ррm. Более того, для бензи-

на №  4  в исследованном  диапазоне концентраций  оптимум определен

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

   # 11·2017                           9

Рис. 4. Зависимость относительного изменения удельного расхода

топлива от концентрации ввода многофункциональной присадки

не был, т. е. он достигается при концентрации присадки, существенно

превышающей 2000 ррm.

Кривые  на  рис.  4  также  отражают  влияние  состава  топлива  на

эффективность  работы  активатора  горения.  Наибольшая  эффектив-

ность (порядка 3,5 % снижения расхода топлива относительно рабо-

ты двигателя на базовом бензине) получена на топливах, в основе ко-

торых  базовый  бензин  №  1,  содержащий  максимальное  количество

ароматических  углеводородов  при  полном  отсутствии  оксигенатов.

Минимальная эффективность получена при использовании образцов

топлива на базовом бензине № 4 с минимальным содержанием аро-

матических углеводородов и чрезмерно высоким содержанием окси-

генатов. Он составил порядка 1,6 % снижения расхода топлива. Од-

нако,  как  было  сказано  выше,  при  увеличении  концентрации  ввода

присадки свыше 2000 ррm, возможно, эффективность была бы выше.

В  то  же  время  такое  увеличение  концентрации  многофункциональ-

ной присадки приводит к недопустимому увеличению себестоимости

топлива.

Полученный  результат  также  коррелирует  с  данными  по  содер-

жанию токсических компонентов углеводородов СН в отработавших

газов (рис. 5).



10

Рис.  5.  Зависимость  относительного  содержания  остаточных  угле-

водородов  СН  в  отработавших  газах  (ОГ)  от  концентрации  ввода


присадки

Очевидно, что повышение скорости и качества сгорания топлива,

обеспечиваемое вводом активатора горения, приводящее к снижению

расхода топлива, способствует более полному выгоранию бензина в

цилиндре, что проявляется в уменьшении остаточных углеводородов

СН.  При  этом  максимальная  эффективность  достигается  на  опреде-

ленных выше концентрациях ввода присадок в соответствии с соста-

вом базовых бензинов. При этом относительная эффективность кор-

релирует  также  с  данными,  полученными  при  анализе  топливной

экономичности двигателя, работавшего на разных образцах топлива.

Так,  максимальная  эффективность  снижения  СН  достигается  на  об-

разцах  композиционного  топлива,  содержащего  моющую  присадку,

на основе бензина № 1 (до 7,5 %), минимальная — на основе базово-

го бензина № 4 (до 3,6 %).

Очевидно,  что  описанные  выше  результаты  относятся  к  «мгно-

венной» эффективности, исключающей результат функционирования

моющего  компонента  присадки,  проявляющийся  только  при  дли-

тельной работе двигателя. По этой причине в реальной эксплуатации

двигателя относительное улучшение его показателей может быть су-

щественно выше. В этом случае оно будет зависеть от длительности

наработки  двигателя  на  топливе  с  присадкой,  исходного  состояния

двигателя, а также от режимов его эксплуатации.

Особенности работы моющих присадок применительно к бензинам…

Таким образом, в ходе проведенного исследования доказано, что

оптимальная  концентрация  ввода  многофункциональной  присадки,

обеспечивающая максимальную эффективность работы как моющего

компонента, так и активатора горения, входящих в ее состав, зависит

от группового состава бензина, в первую очередь — от наличия и со-

става кислородосодержащих компонентов в топливе. Увеличение ок-

сигенатов ухудшает эффективность работы присадки, поэтому требу-

ется повышение концентрации присадки. Следовательно, при форми-

ровании  состава  брендовых  топлив  необходима  индивидуальная

подборка  концентрации  многофункциональных  присадок  с  учетом

состава базового бензина и заданного соотношения цена — качество.

ЛИТЕРАТУРА

[1]

Технический регламент Таможенного союза «О требованиях к автомобильно-

му и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для ре-

активных двигателей и мазуту» ТР ТС 013-2011 от 18.01.2011 г., № 826, 22 с.

[2]

Борзаев Б.X., Карпов С.А., Капустин В.М. Многофункциональные добавки

к  автомобильным  бензинам.  Химия  и  технология  топлив  и  масел, 2007,

№ 2, с. 18–20.

[3]

Сафонов  А.С.,  Ушаков  А.И.,  Чечкенев  И.В.  Автомобильные  топлива.

Химмотология.  Эксплуатационные  свойства.  Ассортимент.  Санкт-

Петербург, НПИКЦ, 2002, 264 с.

[4]

Данилов А.М., Емельянов В.Е. Метанол в бензине. Газохимия, 2009, № 5,

с. 20–23.

[5]  Rockstroh T., Floweday G., Wilken C. Options for Use of GTL Naphtha as a

Blending Component in Oxygenated Gasoline. SAE International Journal of
Fuels Lubricants, 2016, vol. 9 (1), pp. 191–202. DOI 10.4271/2016-01-0879

[6]

Емельянов В.Е. Влияние качества бензинов на токсичность отработавших

газов  автомобиля  (по  материалам  зарубежных  публикаций).  Защита

окружающей среды в нефтегазовом комплексе, 2006, № 1, с. 20–22.

[7]

Шабанов  А.Ю.,  Зайцев  А.Б.,  Мохнаткин  Э.М.  Связь  группового  состава

топлива и моторных и экологических показателей бензинового двигателя.

Труды V Международной научно-практической конференции «Новые топ-

лива с присадками». Санкт-Петербург, 2008, с. 60–63.

[8]

Мохнаткин Э.М., Смеречук В.Р., Шабанов А.Ю. Стендовые моторные ис-

пытания автомобильных топлив как важнейшая часть системы доброволь-

ной  сертификации  горюче-смазочных  материалов.  Труды  V  Международ-

ной  научно-практической  конференции  «Новые  топлива  с  присадками».

Санкт-Петербург, 2008, с. 31–36.

[9]

Томин  А.В.  Методика  комплексной  оценки  эффективности  современных

автомобильных бензинов. Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных ком-

паний, 2013, № 11, с. 35–42.

[10]  Kak A., Kumar N., Singh B., Singh S., Gupta D. Comparative study of emis-

sions and performance of hydrogen boosted SI engine powered by gasoline
methanol blend and gasoline ethanol blend. SAE Technical Paper, 2015, 2015-
01-1677. DOI 10.4271/2015-01-1677

Статья поступила в редакцию 11.10.2017

/////////////////