CC BY
55
УДК 621.436.629
ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИСАДКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ НА ВЫБРОС ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
В.П. Шкаликова, М.А. Митин
Кафедра комбинированных ДВС Российский университет дружбы народов
Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
В статье рассматривается информация о применении добавок вторичных продуктов переработки нефти и органической присадки типа карбамида на высокооборотном дизеле на выброс полициклических соединений отработавшими газами двигателя. Результаты позволили выявить неоднозначный характер зависимости выбросов полициклических соединений от нагрузки двигателя.
Анализ требований к качеству дизельных топлив (ДТ) в ведущих странах Западной Европы и США за последние 20 лет прошлого столетия был пересмотрен в сторону утяжеления фракционного состава. В России действует ГОСТ 305-82, по которому фракционный состав ДТ по температурам отгонки 50% и 90% имеет меньшие значения [1]. Кроме указанного ГОСТа, в России действуют различные технические условия (ТУ) на качество ДТ для высокооборотных дизелей, в том числе и на топливо расширенного фракционного состава (РФС) с температурами начала и конца кипения соответственно 60-100 и 380-400 °С [2].
Использование газойлевых фракций прямой перегонки с пределами кипения 120-240°С в производстве топлив для реактивной авиации значительно ухудшило пусковые свойства ДТ даже при 50% отборе этих фракций. Для компенсации этих фракций в топливо стали добавлять продукты вторичной переработки нефти, а именно, легкий газойль каталитического крекинга (ЛГКК). Этот нефтепродукт содержит в своем составе до 75-95% ароматических углеводородов, негативно влияющих на нагарообразование в дизеле, а также дымность, выброс недогоревших углеводородов и твердых частиц с отработавшими газами (ОГ) двигателя. Наличие в ЛГКК большого количества гетероатомных соединений (пирро-лы, содержащие азот; тиофенолы, содержащие серу; фенолы, содержащие кислород) в сочетании с ненасыщенными углеводородами способствуют окислительной полимеризации и поликонденсации углеводородов топлива, что существенно влияет на образование смол и осадков.
При хранении эти соединения осмоляют стенки емкостей, в которых содержится топливо, а при эксплуатации дизеля на таком топливе с добавкой ЛГКК происходит повышенное нагарообразование, увеличивается дымность и выброс твердых частиц с ОГ. Поэтому ЛГКК перед добавлением в ДТ проходит гидрогенизацию (гидроочистку водородом под давлением для удаления гетероатомных соединений и превращения ненасыщенных углеводородов 6 насыщенные). С этой целью второй раз ЛГКК подвергается гидроочистке уже в смеси с ДТ.
В качестве присадки к смесевому топливу с добавкой ЛГКК в эксперименте применялась органическая присадка типа карбамида (карб.), которая представляет собой химическое соединение ^Ь^СО. Оно не содержит в своем составе никакого металла. Межмо-лекулярная связь С-Ы при подводе тепла около 305кДж/моль нарушается, тогда как межмо-лекулярная связь 0=С разрушается при подводе около 1073кДж/моль. В результате чего присадка как бы является дополнительным поставщиком кислорода в очаги горения топлива, усиливая эффективность его окисления.
Органические присадки изучены недостаточно вследствие своего огромного количества и самого разнообразного химического воздействия на природу углеводородных топлив. Классификация их до сих пор отсутствует. Среди этого разнообразия органических присадок наибольшую известность получили оксиданты типа пероксидов (перекисей) и гидропероксидов (гидроперекисей), которые весьма эффективны, но вследствие их интенсивной окислительной природы они не стойки и быстро разрушаются. При смешивании их с углеводородным топливом они активно вступают с ним в реакции еще до подачи топлива в цилиндр двигателя. В бензиновом двигателе при достижении ими критических концен-
54
Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования, 2003, №1
траций в процессе окисления топлива они вызывают детонационное сгорание. Присадки типа карбамида начинают интенсивно воздействовать на углеводороды топлива только при высоких температурах камеры сгорания дизеля.
Для эксперимента выбран в качестве добавки к базовому ДТ гидроочищенный ЛГКК, содержащий 71,4% масс, ароматических углеводородов (Ар.У), и топливо, состоящее из смеси ДТ+35% ЛГКК, а в пересчете на содержание (% масс.) ароматических углеводородов в топливе, состоящем из смеси этих двух компонентов, топливо получило обозначение - ДТ+25%Ар.У (табл.1).
Таблица
Показатели качества базового дизельного топлива и дизельного топлива
с добавкой 35% ЛГКК
Показатели качества ДТ ЛГКК ДТ+35% ЛГКК (ДТ+25% Ар.У)
Цетановое число 54 20 36,25
Фракционный состав
Температуры отгонки, "С:
50% 286,5 258 276,2
96% 360 330 360
Молекулярная масса 230,44 189,12 220,02
Теплота парообразования, кДж/кг 211,76 255,7 220,03
Теплоемкость, кДж/кг-град:
жидкости 3,285 2,84 3,11
пара 3,43 2,67 3,14
Теплота сгорания, кДж/кг 42700 34620 39870
Плотность при 25 "С, кг/м3 820 920 855
Кинематическая вязкость при 3,2 3,45 3,39
20°С, мм2/с
Содержание ароматических угле-
водородов, % масс. 8,0 71,4 25
Анализ данных таблицы показывает, что цетановое число углеводородной части топлива снижается при добавлении ЛГКК. Наличие бензольного кольца в ароматическом углеводороде с большим трудом и не до конца разрушаемого в условиях камеры сгорания приводит к повышенному выбросу твердых частиц, несгоревших углеводородов и полицик-лических ароматических углеводородов (ПАУ) в том числе.
Результаты испытаний дизеля 8ЧН 13/14 в зависимости от нагрузки {Ре) показывают (рис.1), что при его работе на топливе ДТ+25%АрУ на частоте вращения 2000 мин"1 удельный выброс ПАУ меньше, чем на топливах ДТ и ДТ+25%АрУ+0,9%карб. на нагрузках от 0,1 до 0,7 Ре. Можно предположить, что в этом случае при температурах в цилиндре дизеля, соответствующим этим нагрузкам, эти топлива окислялись в большей степени, чем топливо ДТ+25%АрУ, которое, вероятно, при этих нагрузках переходило в нагар. Присадка карбамида предположительно в большей степени снижала нагарообразование в дизеле, чем выбросы ПАУ.
На нагрузках выше 0,7Ре выбросы ПАУ снижались у ДТ, так как в нем практически отсутствовали ароматические углеводороды (8%), а присадка карбамида в топливе ДТ+25%АрУ+0,9%карб. Можно сделать вывод, что выбросы ПАУ в ОГ зависят, в первую очередь, от количества ароматических углеводородов в ДТ, затем уже от режима нагрузки, связанного с температурами сгорания топлива в дизеле. Химическая активность присадки распространялась, в основном, на окисление других углеводородов, входящих в состав испытуемого топлива, кроме ароматических.
Что касается режима максимального крутящего момента, то на снижение выбросов ПАУ влияет не только достаточно высокая температура в цилиндре во время сгорания всех видов испытуемых топлив, включая топливо ДТ+25%АрУ+0,9%карб., но и увеличение вре-
мени воздействия на окисление всех групп углеводородов высоких температур и присадки карбамида.
________________________________|____________________М, мг/с
n = 2000 Мин*1
\ \ / 0,08 0,06 0,04 0,02 0 m, г/кВтч 1.4 1.2 1.0 0.8 0,6
1 • i / /
1 i J -
1 • r l • r •
w \\ V.
H X-• \ X.
\ 4* / / / /
/ \ / / / /
1 /
I t ^ —
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Ре, МПа
Рис. 1. Суммарные выбросы полициклических ароматических углеводородов (М,мг/с) с отработавшими газами дизеля 8 ЧН 13/14 в зависимости от нагрузки:
----- ДТ;----ДТ+25%Ар.У; --- ДТ+25%Ар.У+0,9%карб.
ЛИТЕРАТУРА
ч
1. Оптимизация качества дизельного топлива с целью расширения его ресурсов // Обзорная информация, 1988. - №2. - 76 с.
2. Чулков П. В. Моторные топлива: ресурсы, качество, заменители. Справочник. - М.: Политехника, 1998. - 416 с.
3. Данилов А.М. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив. - М.: Химия, 1996. - 232 с.
UDC 621.436.629
INFLUENCE OF ORGANIC ADDITIVE INTO DIESEL FUEL ON POLYCYCLE CARBON1CHYDROGENS EMISSION OF ENGINE
V. P. Shkalikova, M.A. Mitin
The Department of Combined ICE Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya st., 6, 117198, Moscow, Russia
The article considers information about application of organic additive into diesel fuel with aromatic additives and its influence on polycycle carbonichydrogens emission of diesel.
