Въглеводородни връзки или всичко което стои зад понятието качествени горива

Въглеводородни връзки или всичко което стои зад понятието качествени горива
09 Jul 2024

От деня на създаването на двигателя с вътрешно горене и първите автомобили, процесите на преработка на нефта, или казано малко по-научно, на въглеводородите в него се развиват със съответстващи темпове, за да покрият изискванията на модерните двигатели с техните прецизни системи за впръскване и сложни контролни алгоритми. В предишната част споменахме за приноса на различни учени и институции в развитието на разбирането на това което се случва в двигателите с вътрешно горене от гледна точка на кинетиката на химичните процеси, но инженерите в отделите на автомобилните компании обикновено работят в сътрудничество с инженер-химиците от петролните компании за да създадат подходящите горива. Всички те използват сложни компютърни симулации и CAD анализи на поведението на горивата, но и специални двигатели с променливи параметри като степен на сгъстяване за да анализират това което се случва в цилиндрите.

Разкъсване на връзки

На пръв поглед нещата изглеждат ясни и прости – водородът и въглеродът от горивото се свързват с кислорода и формират въглероден двуокис и вода. При осъществения горивен процес се отделя топлина. Само, че от химическа гледната точка може да опишем нещата и с други думи. На практика, на молекулно ниво процесът включва разкъсване на връзките на молекулите между въглеродните атоми (C-C), между въглеродните и водородните (C-H) и последващо свързване с кислородните. Тук химиците говорят за „енергия на връзка“, като всяка от гореспоменатите връзки изисква определено ниво на енергия за да бъде разкъсана, и то зависи от различни фактори. За да не усложняваме излишно обяснението ще споменем само че разкъсването на връзки консумира топлина, а образуването на новите генерира топлина. Това явление е в основата на работата на топлинните машини. Принципно колкото по-високо е относителното съдържание на водород във въглеводородите, толкова по-високо е енергийното съдържание – въпреки че връзката C-C изисква повече енергия за разкъсване от C-H, при образуването на новите връзки за формиране на CO2 и H20 количеството отделена енергия е по-голямо.

Всичко това обаче е в идеалния случай. В реалността важно е не само теоретичното количество енергия, което може да се отдели, а възможността да бъде използвана тя в максимална степен. Показател за това при бензините е октановото число. На практика разликата в енергийното съдържание на различните бензини варира в рамките на едва 2%, тоест подобно нещо като „по-мощни” бензини не съществува. Защото още преди започването на горивния процес в цилиндрите на двигателите се осъществяват различни предварителни („предпламенни“) процеси, които водят до различни явления, спомагащи нормалното плавно разгръщане на процесите и отдаване на енергия или влошаващи го и довеждащо до явления като детонация. За това ще стане дума малко по-долу. Сега да се върнем към преработката на нефта за да стигнем последователно и дотам.                              

Дестилация, или първична преработка на нефта.  

Всички добре знаем, че ако нагряваме водата при атмосферно налягане, равно на налягането на морското равнище, тя започва да кипи при 100 °С. Колкото и да я нагряваме, тя ще запази тази температура, изпарявайки се интензивно.

Чистото химично съединение, наричано вода, обаче е еднокомпонентна течност. За разлика от нея нефтът е изграден от множество въглеводородни химични съединения с различен размер на молекулите – от разтворените газове, най-простият от които е метанът, състоящ се от четири водородни и един въглероден атом, до сложни тежки съединения с формули като например С85Н60 – с молекула, съдържаща 85 въглеродни атома. Всяко едно от веществата с различна структура и тегло на молекулите има своя собствена температура на кипене и на този факт се основава първичната преработка на нефта – атмосферната дестилация. Ако поднесем към съд със суров нефт горелка и започнем да го нагряваме, ще видим, че при достигане на температура от около 65 °C, например, той ще започне да кипи. Ако поддържаме нивото на температурата по-продължително, ще забележим, че скоро този процес ще престане. Ако започнем отново да нагряваме нефта, например докато достигне 230 °C, той отново ще започне да кипи и след известно време отново ще престане. Можем да повтаряме това отново и отново и все повече нефт ще се изпарява и все по-малко ще остава в съда. Вероятно вече сте разбрали за какво става дума. Първоначално се изпаряват въглеводородите с температура на кипене, по-ниска от 65 °C, след това тези, които кипят в интервала от 65 °C до 230 °C. По този начин може да се начертае т. нар. „крива на изпарение” на всеки вид суров петрол. От нея може да се определи какъв процент от нефта се изпарява до определена температура, след това до следващата и т. н. Като правило колкото по-големи са молекулите, толкова по-висока е температурата на кипене. Например пропанът С3Н8 кипи при -42 °С, бутанът С4Н10 при –0,5 °C, деканът С10Н22 при 174 градуса. Веществата с различна температура на кипене са условно разделени на групи, които кипят в определени граници. Наричат ги фракции.

Има ръкописи още от древността, описващи нефта е многокомпонентна течност. На тази база, след анализите на професор Бенджамин Сълиман, е започнала и преработката на нефта в полетата на Пенсилвания и Баку през 60-те години на XIX век. С помощта на дестилация от него се извлича тази смес от химически съединения, която наричаме керосин и която върши идеална работа за осветление.

За да ни стане ясно за какво става дума, достатъчно е да хвърлим един бегъл поглед в цеховете на някое просто предприятие за производство на алкохол, основният процес в което е дестилацията. Подобен процес на изпарение и кондензиране е протичал и в първите нефтопреработващи предприятия. Те са можели да извършат и двустепенно нагряване с два или три казана, с което последователно да разделят фракциите. Това, което се отлага на дъното на първия казан, е гъст остатък, от който могат да се произведат масла. Нерядко, особено през първите години на нефтената промишленост, той просто е изхвърлян или изгарян. Разбира се, с повишаване на изискванията за по-точното разделяне на съединенията и с развитието на техническия прогрес този цикъл и устройствата стават далеч по-сложни. Нефтът първоначално се очиства от различни примеси, а в котлите се нагрява до температура между 320 и 410 °С, след което полученият дестилат се изпраща в т. нар. „ректификационна колона”, при което фракциите се отделят значително по-прецизно.

 

Освен различния си размер молекулите в тези вещества имат и различно изградена химическа структура или форма. Образно казано, можем да приемем, че молекулите на съставящите нефта вещества сами по себе са изградени като скелета на сграда – носещата конструкция може да бъде реализирана по най-различен начин. Те могат да бъдат следните видове: 

  

Двигателят с вътрешно горене и горивата 

Както казахме ембрионалното развитие и кърмаческите години на автомобила не са неразривно свързани с нефта. Известният керосин не се оказва нито по вкуса на двигателя на Ото, нито на създадения по-късно мотор на Рудолф  Дизел. Двигателят с вътрешно горене поема по своя самобитен път, захранван със светилен газ, продукт на деструктивната дестилация на въглища, който съдържа основно метан, а след създаваното на първите смесителни устройства, известни по-късно като „карбуратори”, често ще използва и етилов алкохол, получаван от ферментацията на различни земеделски продукти.

Николаус Аугуст Ото създава добре известния четиритактов принцип на работа, но заслугата за раждането на автомобила обаче не е на Ото, а на главния инженер на неговия завод Готлиб Даймлер. Тъй като той възнамерява да проектира лек бърозообратен двигател, който да монтира на каляска, което е в противоречие с намеренията на Ото, Даймер и неговият добър приятел Вилхелм Майбах започват разработките сами.

Но тази история е добре известен факт. По-важно тук е да се споменем че за новата си идея те се нуждаят и от ново гориво, което трябва да бъде пренасяно по-лесно и да може да се изпарява в приемливи условия. Първоначалните експерименти с керосин и малко по-леката фракция лигроин удрят на камък. На ход идва още по-лекият бензин, който се оказва най-подходящ за целта, а изпарението му се осъществява в устройство с натопено като фитил парче плат. Преломът настъпва през 1893 г., когато Вилхелм Майбах (едновременно с унгарците Донат Банки и Янош Чонка) създава нов вид карбуратор, който има малки отвори за фино разпрашаване, наречени жигльори, а много скоро след това използваният за запалване на сместа открит пламък в първите мотори е заменен със специална нагорещена до червено тръбичка. Истинската революция в конструкцията на ДВГ обаче настъпва в мига, когато известният конструктор и предприемач Роберт Бош изобретява магнетното запалване, генериращо високо напрежение, и запалителната свещ. Оттук насетне прогресът е толкова бърз, че още през 1899 г. четирицилиндровият Daimler Phoenix вече разполага с мощност от цели 23 к. с. Независимо от тези на Даймлер в подобна насока вървят и разработките на Карл Бенц.

Пътят към дизеловото гориво

Идеята на Рудолф Дизел коренно се различава от залегналата в основата на двигателите, работещи по принципа на Ото. „В моя двигател въздухът ще се сгъстява много по-силно, след което, в последният момент, се впръсква горивото”, убедено твърди германският инженер. „Повишената температура ще води до самовъзпламеняване на горивото, а високата компресия ще го направи много по-икономичен”. Идеята на Дизел е изключително рационална, но той няма и капка представа какво ще е поведението на горивото, което ще впръска в цилиндрите на своите двигатели. Първоначално смята че благодарение на високото налягане неговият двигател ще може да се захранва със суров петрол, което показва колко рудиментарни по това време са познанията в тази област. Двигатели с вътрешно горене и чисто нефтено задвижване все пак ще бъдат създадени по-късно от шведския инженер Йонас Хеселман.

Първият опит на Дизел с керосин, в машиностроителната фабрика в Аугсбург (известният днес завод за производство на тежкотоварни автомобил MAN), е неуспешен. Експерименталната машина заработва едва когато и Дизел преминава към използването на по-тежка нефтена фракция, наречена по-късно в негова чест „дизелово гориво”. Така двата нови топлинни двигателя, които се раждат в този период, ще използват две фракции, различни от керосиновата: бензиновият – по-лека, а дизеловият – по-тежка. Това обаче не означава че Дизел е напълно убеден че е открил подходящото гориво. Някои от прототипите му се задвижват с близкото като химическа структура растително (по-точно фъстъчено) олио. В това отношение двигателят на Дизел се оказва облагодетелстван – още от самото начало той получава подходящото гориво, докато както по-рано споменахме ефективността на бензиновия е ограничена не само поради конструкцията му, но и поради факта че естеството на горивото ограничава ефективността му. Неслучайно спортните автомобили в продължение на дълъг период от време се задвижват с висококотанови смеси включващи бензол и алкохоли като етанол и метанол. Повече за тях можете да прочетете в отделна публикация. 

Октаново число, цетаново число, температура на самовъзпламеняване и горене

В статията „Всичко започва от една искра“ https://dizzyriders.bg/post/14141/vsichko-zapochva-s-edna-iskra-ili-da-pogovorim-za-gorivni-reaktsii подробно описахме начина на създаване и разгръщане на горивните процеси при бензиновия (чийто принцип на работа включва и захранване с пропан-бутан LPG и природен CNG) и дизеловия двигател, както и процесите на генериране на замърсяване. Тук в контекста на тази поредица ще ви разкажем повече за това какво е поведението на самите горива от гледна точка на процеса на отделяне на енергията.

Както споменахме от особена важност за възможността за нормална и ефективна работа и при двата типа двигатели е възможността за осъществяване на последователното и ефективно превръщане на химическата енергия в топлинна и механична. При определените начални продукти на процеса, крайните зависят от всички междинни етап ни формиране на съединения.

От физическа гледна точка е важно към момента на създаване на искра бензиновата смес да бъде „запалима“. От химическа гледна точка, в различните компоненти в бензините (които сами по себе си могат да се разделят на фракции като нефта) започват различни първоначални ниско и средно температурни реакции на окисляване на въглеводородите – до 200 градуса, в диапазона 200-600 градуса и бързо окисляване в самия факелен фронт. От особено значение са продуктите формирани при втория, които включват създаване на различни нови въглеводороди, и – от особена важност за кинетиката на процесите – пероксиди (прекиси), чиято структура включва два кислородни атома (O-O). Междинните продукти на окисляването имат различна кинетика на по-нататъшната реакция с кислорода. Именно тяхното формиране и количество определят начина на по-нататъшно отделяне на топлина и скоростта на горивния процес. При така нареченото „нормално развитие на горенето“ в бензиновия мотор, в зависимост от турбулентните условия скоростта на горене е в диапазона 15-30 м/сек. Най-ниска стабилност към предварително окисляване имат парафиновите въглеводороди, но при едно важно условия – с изключение на тези с къси вериги като метан, етан, пропан и бутан, които са с устойчива структура. Тенденцията им към окисляване, образуване на радикали и пероксиди нараства с нарастване на размерите на молекулите. Другояче казано, химическата структура на парафиновите съединения с по-дълги връзки благоприятства формирането на прекиси. Понеже първите бензинови горива са били получавани основно от пряка дестилация и са съдържали основно парафини, октановото им число е било доста ниско.

Ако бензините съдържат повече склонни към предварително създаване на радикали и пероксиди (най-простия от които е водородният пероксид H202), то още в ранна фаза ще се натрупат големи количества от тези вещества. Те са изключително реакционно способни и критичните маси на тези вещества водят до отключване на верижна реакция. С развитието на горивния процес, увеличаване на налягането (особено при работа с голямо натоварване, респективно широко отворена дроселова клапа) процесът може да стане драстичен и да се случи практически за един момент. Именно този процес, независимо от мащабите му се нарича „детонационно горене“ и се осъществява с много висока температура и налягане. Той генерира ударни вълни, които се движат със скорост от 1500 до 2500 м/сек и при сблъсъка с цилиндровите стени създава ефект на метално чукане с честота около 3000 Hz. Генерираните вълни взаимодействат помежду, раждайки сложни явления на гасене и усилване. Междувременно в цилиндрите нахлуват нови порции гориво, в условия които предполагат нови интензивни предпламенни реакции. Октановото число е начин за са установи устойчивостта на горивото към детонации, но по-погрешен начин се приема за индикатор за енергийните му способности.

В края на краищата това което наричаме бензин е смес от въглеводороди с около 100 различни съединения включващи продукти както от атмосферна дестилация, така и от вторични  процеси. Особено търсени високооктанови продукти са ароматните въглеводороди, повечето от които се получават в процесите на реформинг и пиролиза. При авиационните бензини, използвани преди десетилетия, приоритетни са били изопрафаните, поради по-малката склонност към слепване при ниски температури.

Малко по-голяма стабилност от нормалните парафини имат олефините, но и те са сравнително нестабилни (октаново число 64-70). Олефините са изцяло продукт на крекинг-процесите, тъй като не се съдържат в суровия нефт, Те горят бързо и са устойчиви на детонации, но имат тенденции към образуване на налепи при съхранение и работа в двигателите. Все пак, тъй като производството им е относително евтино те се включват като продукт в бензините достигайки до 30 процента от състава. 

Следователно най-стабилни и с най-високо октаново число са изопарафините имащи стабилни разклонени молекули и ароматните въглеводороди и затова задачата на нефтохимиците е да синтезират и смесват (компаундират) именно такива компоненти в бензините. Преди години, когато октановото число не надхвърляло 80 единици в това число се включвал и бензин от пряка дестилация с октаново число от 40-50. Днес в бензините се включват продукти които са резултат единствено на гореспоменатите процеси каталитичен крекинг (съдържащи ароматни, парафинови, циклопарафини и олефини), реформинг (ароматни CH и изопарафини), полимеризация, хидрокрекинг, алкилиране, изомеризация и прочие, като при това изключително важен параметър за стабилността на горивните процеси е разпределинието на октановото число по отношение на различните фракции в самият бензин. Изпаряемостта и октановото число също имат голямо значение за различните режими на работа на двигателя. Това е важно за различните сезони, поради което „зимният” бензин има по-голямо съдържание на газ под формата на лекия нормален бутан.

Освен химическите качества на горива фактори за намаляване на детонациите са конструкцията на двигателя, външната температура, налягането, продължителността на контакта на въглеводородите с кислорода, гореспоменатата степен на сгъстяване, принудителното пълнене, размера и вида на горивната камера, броя и разположението на запалителните свещи. Оперативните фактори включват ъгъла на изпреварване на запалването, композицията на горивната смес, натоварването, оборотите и капацитета на охладителната система. 

Естествено съвсем логично на тази база идва фактът че размерът на цилиндъра и вида на камерата влияят на всички тези процеси. Освен това със своята по-добра топлопроводимост от чугунените, алуминиевите цилиндрови глави помагат за по-доброто топлоотделяне и използване на по-висока степен на сгъстяване. Подходящо разположените свещи, както и конфигурацията с две свещи спомагат за намаляване на продължителността на контакта между частиците на горивото и кислорода. От особена важност за генерирането на пероксиди е наличието на отработили газове. Високата влажност води до снижаване на температурите и наляганията на газовете в цилиндрите, а получаваната в процеса дисоциирана пара, ускорява горенето. 

Пропанът и особено метанът също са парафинови въглеводороди, но независимо от това са изключително стабилни съединения поради късите си молекули и ниската си склонност към образуване на прекиси – е октановото число на пропана достига 115, а на метана дори 130 единици. Благодарение на малките молекули и високото съотношение водород/кислород те горят по-пълно и с по-малко вредни остатъци. Поради своята стабилност вискооктановите въглеводороди изгарят по-бавно и затова двигателите с такива горива работят „по-меко“.

Алкохолите и и активните добавки като ТЕО намаляват детонациите, действайки на различни етапи от окислителните процеси – докато алкохолите по същество са високооктанови горива, то ТЕО прекъсва процеса на образуване на прекиси като се съединява с въглеводородните вериги.

Дизелът и предпламенните реакции 

Високото налягане на впръскване в дизеловите двигатели позволява фино пулверизиране и изпаряване, а качеството на смесоборазуване в модерните агрегати се подобрява благодарение на възможността от няколкократно впръскване и прецизен електронен контрол на продължителността му.

Тъй като температурата в края на такта сгъстяване достига 600 градуса, то изпарението дори на по-тежкото дизелово гориво не е проблем. За съжаление впръскването на последните порции от него реално се извършва във факела на първите, които вече са се самовъзпламенили, при което продуктите на горенето влошават процеса. За изпаряването и смесообразуването съществено влияние имат и фактори като вискозитета на горивото (много високият вискозитет води до окрупняване на капките което влошава процеса, но много ниския също създава проблеми – малките капки бързо падат в плътния въздух), плътността му и повърхностното напрежение. Съдържанието на сяра и смоли влияят на последния параметър и по този начин влошават смесването на горивото с въздуха и изпаряването му. Както и бензинът, дизеловото гориво само по себе си се състои от различи фракции, балансът на чието разпределение е от голямо значение. Използването на гориво включващо голямо количество леки фракции например противно на логиката не улеснява, а влошава стартирането на двигателя при ниски температури. Изпаряването на значителни количества леки компоненти консумира топлина, поради което температурата на въздуха в цилиндрите се понижава и се намалява степента на подготовка на горивото за възпламеняване. Наличието на много тежки фракции от своя страна пък влошаване на процеса на смесване което от своя страна води до увеличаване на разхода на гориво и отделяне на дим.

Чисто физически погледнато горивният „облак“ създаден от помпата за високо налягане включва няколко милиона микро капки с размер от 3 до 150 микрометра. Последващото изпарение на горивото зависи от фракционната му композиция. Това е прецизен баланс между субстанции с дълги молекули с високо цетаново число (които създават по-лоши пускови качество) и по-леки. Изключително тежките фракции могат да доведат до непълно горене, с топлинно разпадане на неизпарените капки и образуване на въглеродни отлагания по инжекторите. Капките могат също така да отмият масления слой, с което да увеличат износването на двигателя.

Що се касае до химическите параметри в дизеловия двигател то вида на субстанциите в горивото определя скоростта на извършване на предпламенните реакции, на самовъзпламеняване и по този начин определят „мекотата” на работа на двигателя. По правило колкото по високо е цетановото число толкова по-мека и плавна е тя. 

Горивният процес при дизеловите двигатели по същество се свежда до различни фази. Първата е от старта на впръскване до самовъпламенаването и е резултат от топлината генерирана при сгъстяването на въздуха. Именно по време на този процес се извършва предварителното окисляване. Реакцията е екзотермична и още повече увеличава температурата в цилиндрите. Показател за възможностите на горивото е „времето на забавяне на самовъзпламеняването“.  Вторият етап е от началото на самовъзпламеняването до пълното му завършване. Налягането нараства рязко, а самовъзпламеняването става в много точки на горивните струи. Това е резултат от създаването на зони на самовъзпламеняване, създадени от активните радикали. При бързото нарастване на налягането може да генерират ефекти, сравними с детонационното горене при бензиновите мотори. При кратки времена на забавяне на самовъзпламеняването, пиковете в наляганията са малки и работата на двигателя е плавна. Забавянето на запалването може да доведе до различни нежелани последствия като въглеродни отлагания, дължащи се на термичното разпадане на горивото. Натоварванията върху буталата, мотовилките и лагерите е голямо, а реалната мощност и ефективността ниски. Отработилите газове се замърсяват със сажди и токсични продукти, димността се увеличава и в цилиндрите започва да се чува метално тропане.  

     

При дизеловото гориво основните изисквания към горивата са обратни на тези на бензиновите двигатели. Парафините с дълги връзки и олефините тук са търсени защото са по-малко устойчиви, бързо се разпадат и окисляват с образуване на прекиси и други лесно възпламеняващи се продукти на непълното окисление. По тази причина най-високо цетаново число имат парафините с нормален строеж (с права верига), следвани от циклопарафините, въглеводородите с разклонена верига, а с най-ниско са ароматните въглеводороди. Освен това по правило с увеличаването на размера на молекулите се увеличава и цетановото число, защото по-дълги вериги са по-неустойчиви и по-лесно се разкъсват. В този смисъл обаче е добре да се отбележи че въпреки високото си цетаново число, което е предпоставка за по-лесен старт на двигателя, въглеводородите от по-тежки фракции имат по-лоши пускови свойства от по-лекото гориво с по-ниско цетаново число тъй като по-трудно се изпаряват.

Горива с цетаново число по-ниско от 45 единици има дълъг период на задържане на запалването, а това може да доведе до твърда работа, износване и труден старт. Горива с по-високо от 70 единици октаново число също създават проблеми, поради малкото време за задържане на запалването и последващи високи нива на димност и неефективна работа на двигателя.

Интересен в това отношение е двигателя на Mazda, работещ на принципа DCPCI, при който се извършва предварително впръскване на определени порции гориво, които имат достатъчно време за оксидативни процеси, но изискват по-големи физически обеми.

Важно за дизеловите двигатели е още в процеса на обработка да се намали нивото на сяра, чието окисляване не само отнема част от кислорода от процеса, но води и до корозивни ефекти.    

Процесите на рафиниране в голяма степен зависят от вида на суровината, защото има различни видове нефт що се отнася до съдържанието и от възможностите на самата рафинерия.  

Вредните примеси и добавки за елиминирането им

От предишните редове би трябвало картината с понятието „качествените” горива да е започнала постепенно да се изяснява. Следващите би трябвало да наместят в още по-голяма пълнота ребуса.

Всичко описано дотук касае производството на базовите горива. Сега ще стане дума за добавките, които са съществен елемент от качествата на горивата. Компаниите могат да купуват базови горива от чужди рафинерии, но стриктно следят както качествата им, така и това което добавят към него.

В бензина се съдържат нестабилни въглеводороди и невъглеводородни примеси които се натрупват по стените на всмукателните колектори и клапаните, създавайки съпротивление на потока от гориво въздушната смес. Част от тях са предпоставка за образуване на нагари в камерата, а по-лошата им топлопроводимост води до увеличаване на температурата на гориво-въздушната смес и създаване предпоставки за детонационно горене. За съжаление към образуване на нагар са склонни и някои бензинови фракции, които иначе са търсени поради високата си устойчивост на детонации. 

Металите и сплавите са подложени на корозионното действие на горивата. Самите въглеводороди обаче не предизвикват корозия, а особено вредно влияние имат съединенията  на сярата, която образува активните серен двуокис и триокис, кислородсъдържащите съединения, които попадат в бензините при непрецизно извършени процеси в рафинериите, основите и някои киселини, които силно кородират алуминиевите съединения. 

Изискванията към бензините са свързани и с опазване на околната среда и това още повече усложнява работата на химиците. За да се намали вредното влияние се ограничава изпарението – параметър който обаче е важен за лесното стартиране на двигателите, тъй като в този случай се разчита именно на лесно изпаряеми фракции. Тъй като основен балансьор за променя на изпаряемостта в зависимост от сезона е нормалният бутан, то с неговото ограничаване като цяло се увеличава себестойността на бензина, тъй като той е сравнително евтин. Още един пример за противорчивите изисквания с които трябва да се съобразяват химиците в рафинериите спазвайки стандартите е необходимостта от ограничаването на количеството високооктановите ароматни въглеводороди като бензол, поради вредата им за околната среда.

Базови горива и добавки в горивата

Използването на присадки подобряващи горивния процес води до осезаеми икономии на горива. Те подпомагат окисляването на недоизгорелите частици, CO и CH и са основно различни соли на метали, естери на някои киселини с алкохол, както и самите алкохоли. Тези субстанции съдействат и за подобряване на изпарението на по-тежките фракции и понижаване на диаметъра на капките, подобряват разпределението на кислорода и обогатяването с такъв и доокисляване на въпросните вещества. Естерите и нитросъединенията от своя страна се окисляват с много високи скорости и също участват в процеси на съокисление. Някои от присадките водят до осъществяване на своебразни „микровзривове” също водещи до хомогенизацията на сместа, а металните съединения действат като химически катализатори на горивния процес. Специални присадки се „слепват” с твърдите частици, ограничават увеличаване на размера и спомагат за доизгарянето им.

Друг важен вид са присадките понижаващи нагарообразуването. Те действат за поддържане в чисто състояние на горивните камери, клапани и свещи и челата на буталата, като се свързват с веществата изграждащи нагара.

В дизеловите двигатели присъстват въглеводороди с висока температура на изпарение. При понижаване на температурата те започват да се окрупняват в кристали в резултата от което горивото помътнява, след което започва да отделя кристали, които от своя страна образуват общи структури. При достигане на определена температура те стават толкова стабилни че горивото загубва течливостта си и достига т.нар. „температура на застиване”. За да се избегне това явление и да се намали т.нар. „температура на се филтрируемост” се използват специални присадки наречени депресанти, които се абсорбират върху кристалите и прекратяват окрупняването им.

Особено важен е въпросът със замърсяването на горивата при съхранение тъй като 95% от случаите на спиране на двигателите се дължи на системата за захранване, която обикновено се запушва с механични примеси. Последните имат изключително вредно влияние върху дюзите, помпите и дори буталата и цилиндрите. Ето защо смяната на горивните филтри и зареждането с гориво с доказан произход при които са спазени съответните правилата за съхранение е особено важно, като не по-малко важно е и да се ограничи количеството на водата.

Пример за балансирана композиция от добави са горивата Shell V-Power, които спомагат за очистване не само на системата за впръскване на двигателя, но и последващите системи като EGR, което означава че съдържат компоненти които продължават да действат и след като преминат през „преизподнята“ на горивния процес.  

Един от най-големите проблеми и при дизеловите двигатели и образуването на нагар, който се отлага най-вече по елементите на дюзата, влошавайки качеството на впръскване. Природата на отложенията върху различните детайли обаче не е еднаква – по дъното на буталото и някои части на цилиндъра се наблюдава отлагането на твърд плътен нагар, а по иглата на дюзата обикновено той е мек и смолист. Установено е че по-тежките фракции образуват повече нагар, като най-голям източник на нагар са ароматните въглеводороди. В това отношение по-подходящи са дизеловите горива от пряка атмосферна дестилация, тъй като ненаситените от термичен и каталитичен крекинг дизелови фракции също са склонни към образуване на повече нагар. Наличието на сяра също допринася за увеличаване на нагара, поради което хидроочистените от сяра горива образуват поне два пъти по-малко нагар. Крайно нежелателни в случая са и смолните вещества, които не само директно се отлагат върху частите, но заедно с други нестабилни вещества способстват образуването на стабилен кокс (чист въглерод) в условията на нагряване без въздух.

Корозионната активност се определя най-вече от кислород- и серосъдържащите вещества, като киселини, феноли, кетони и тн. И тук серните съединения са от определящо значение. Получените в процесите серни окиси (SO2 и SO3) директно кородират металите при високо температура. При по-ниски температури те се разтварят в капчиците вода, кондензирала от продуктите на горене при което се получава сериста и сярна киселина. Тези изключително агресивни агенти пък атакуват най-вече буталата, буталните пръстени и цилиндрите на двигателя. Експериментално е установено че износването на двигателя е право пропорционално на количеството на сярата в горивото. Продуктите на горене от своя страна попадат и в маслото, а когато съдържат серни съединения рязко влошават качеството му. Затова освен намаляването на сярата за целта в маслата се добавят присадки които неутрализират въпросните продукти. Както казахме ефективен метод за намаляване на сярата е хидроочистването макар че като страничен ефект при него се намаляват и някои органични вещества образуващи фин филм върху метали предпазвайки го по този начин.

Както при бензиновите двигатели, при дизелите също се използват присадки за подобряване на качеството на горивния процес. Освен системите за допълнително обработване на газовете, принос за намаляването на СО, CH имат и самите горива. Интересно е да се отбележи че в малки количества алкохолите подобряват качеството на горене защото осигуряват дефицитния в преобогатените зони на впръскване кислород за горене. Принципно химическият ефект на добавките - подобрители на горивния процес които са основно металсъдържащи съединения – е облекчаване на самовъзпламеняването на горивото и увеличаване на скоростта на иницииране на процеса, чрез създаване на активни центрове даващи начало на окислителни вериги. Подобни присадки се използват и за намаляване на саждите, а процесът е подобен на този при бензините. За намаляване на нагара се използват присадки намаляващи температурата им на топене, а задачата на присадките намаляващи утайките в горивата (получени в резултата най-вече от окисляване) е да разтварят частиците или да ги диспергират като се натрупват на повърхността им.

Едни от най-важните присадки в дизеловите двигатели са за ограничаване на последствията от кристализиране. Избягването на това може да се извърши чрез оптимално депарафинизиране на някои от по-тежките въглеводороди още при производството на горивото, но това е нож с две остриета тъй като по този начин то се лишава от високоцетанови съедениния. Принципно е по-ценно да се използват присадки, които спират процеса на кристализация като се отлагат върху повърхността на кристалите или се свързват с него.     

 

 

 

                                                                

 

 

 

Най-добрият в класа си?