Фильтры для очистки моторных топлив

Моторные топлива (бензин и дизельное топливо), как правило, содержат механические и коллоидные примеси, а также включения воды. Это вызывает целый ряд отрицательных последствий:

• Износ двигателя (системы питания, карбюратора, топливного насоса, инжектора, клапанов, цилиндро-поршневой группы);

• Отказы двигателя из-за забивания карбюратора, инжектора, форсунок, а также из-за замерзания водяных пробок в холодное время года;

• Неполное сгорание топлива и как следствие - повышенную токсичность выхлопных газов.

Предлагаемые фильтры тонкой очистки моторных топлив способны удалить из бензина или дизельного топлива не менее 95% механических и коллоидных примесей с размерами частиц 0,2 ... 0,5 микрона и более, а также около 90% включений воды.

ПРИМЕСИ В МОТОРНЫХ ТОПЛИВАХ

Общепринятая практика очистки моторных топлив от загрязнений включает в себя, как минимум, три стадии очистки: первая - на предприятии-изготовителе; вторая - на нефтебазе и/или автозаправочной станции; третья - непосредственно в двигателе транспортного средства. Все эти стадии очистки используют традиционные фильтры, задерживающие частицы размером 10 мкм и более. Целью такой очистки является предотвращение попадания частиц загрязнений в систему питания двигателя, которое могло бы повлечь за собой её засорение и вызвать сбой или отказ в работе двигателя. Критерием эффективности очистки при этом служит отсутствие загрязнений в системе питания двигателя (осадка в карбюраторе и т. п.) и отсутствие сбоев и отказов в работе двигателя.

Однако давно установлено, что, помимо засорения системы питания двигателя, загрязнения, содержащиеся в бензине, вызывают также другие отрицательные последствия: износ двигателя и неполное сгорание топлива.

Износ двигателя вызывается, в основном, твёрдыми частицами, попадающими в топливо как в виде пыли из воздуха, так и в результате коррозии резервуаров и трубопроводов на предприятиях и нефтебазах. Интенсивность износа определяется не столько размерами частиц, сколько площадью их поверхности. Распределение частиц загрязнений в топливе по размерам в одной пробе автомобильного бензина АИ-93 приведено в таблице.

Положив, что интенсивность износа двигателя пропорциональна площади поверхности частиц загрязнений, можно подсчитать, что в при очистке бензина традиционными методами (то есть от частиц размером 10 мкм и крупнее), площадь поверхности частиц загрязнений, содержащихся в 1 л бензина, уменьшится только на 29%. Соответственно, приблизительно на 1/3 уменьшится и износ двигателя.

Однако, применив тонкую очистку топлива, то есть удалив частицы загрязнений размером 1 мкм и крупнее, можно сократить площадь поверхности частиц загрязнений на 75%, и соответственно более чем на 2/3 снизить износ двигателя. Применив же технологию сверхтонкой очистки, которая позволяет удалять частицы загрязнений с размером менее 1 мкм, можно добиться ещё меньшего износа двигателя.

Неполное сгорание топлива является причиной присутствия в выхлопных газах двигателя продуктов неполного сгорания: угарного газа СО, углеводородов СН, копоти и дыма. Особенно опасны конденсированные ароматические углеводороды, обладающие канцерогенным действием. Неполное сгорание обусловлено, в основном, тремя причинами.

Во-первых, принципом действия двигателя внутреннего сгорания. Как известно, сгорание топлива в двигателе происходит за время рабочего хода. Это время составляет приблизительно 1/4 времени такта двигателя, или 1/2 времени оборота коленчатого вала. Так, при частоте вращения коленчатого вала 3000 об/мин, время рабочего хода составит около 0,01 сек. В то же время, цепная реакция сгорания горючей смеси включает в себя стадии воспламенения, устойчивого горения и затухания. Последняя стадия не успевает завершиться за время рабочего хода, и при выхлопе недогоревшие остатки горючей смеси выбрасываются в выпускной коллектор.

Во-вторых, регулированием режима работы двигателя. Даже в идеальных условиях двигатель можно полностью отрегулировать только для работы с одной частотой вращения коленчатого вала, а на практике эта частота изменяется. Регуляторы (вакуумный регулятор и т. п.) не могут полностью скомпенсировать эти изменения. Поэтому сжатие, зажигание, рабочий ход и выхлоп не могут быть идеально согласованы с цепной реакцией сгорания горючей смеси. Кроме того, в процессе работы двигателя в карбюратор с топливом могут попадать тончайшие (1 мкм и менее) частицы загрязнений, которые отлагаются на стенках жиклёров и расстраивают регулировку. Всё это увеличивает долю продуктов неполного сгорания в выхлопных газах.

В третьих, моторные топлива неоднородны по своему химическому составу. Различные вещества, входящие в состав топлива, сгорают с различной скоростью, и "отстающие" выбрасываются в атмосферу в несгоревшем виде. Наибольшей скоростью и полнотой сгорания характеризуются низкомолекулярные составляющие топлив, а наименьшими показателями обладают высокомолекулярные компоненты.

Высокомолекулярными компонентами нефтяных топлив являются смолистые вещества, которые попадают в топлива из нефти, а также образуются в результате химических реакций при хранении топлива. Необходимым компонентом при этих реакциях является сера, а катализатором служит вода.

В нашей стране по сравнению с 1940 г. доля сернистых нефтей возросла от 5,7 до 76%. Добыча высокосернистых нефтей (более 2% серы) при этом составила 13,2% от общего объёма добычи нефти. В нашей стране это нефти Республики Башкортостан, республик Средней Азии. Все сернистые и высокосернистые нефти являются одновременно и высокосмолистыми. Они содержат смолисто-асфальтеновые вещества - гетероатомные высокомолекулярные соединения, включающие нефтяные смолы и асфальтены. Смолы - темноокрашенные, различающиеся по консистенции (от пластичной до твёрдой), молекулярной массе, содержанию микроэлементов и гетероатомов вещества. Асфальтены - наиболее высокомолекулярные гетероорганические вещества нефти, представляющие собой твёрдые продукты от чёрно-бурого до чёрного цвета.

Смолисто-асфальтеновые вещества, оставаясь в нефтепродуктах, ухудшают их эксплуатационные свойства, вызывая нагары в камерах сгорания и пригар поршневых колец, закупорку топливопроводов, фильтров, жиклёров двигателей внутреннего сгорания, а также форсунок дизельных двигателей. Такими же свойствами обладают вещества, возникающие в результате химических реакций при хранении топлива.

Смолисто-асфальтеновые вещества имеют сложную структуру, включающую фрагменты конденсированных ароматических углеводородов, соединённые гетероорганическими мостиками. В процессе сгорания горючей смеси, при высокой температуре и давлении, происходит частичное разрушение смолисто-асфальтеновых веществ, однако вещества, образующиеся при их разрушении, не успевают сгореть. При этом в атмосферу выбрасываются продукты неполного сгорания, в том числе конденсированные ароматические углеводороды, обладающие канцерогенным действием.

Исследования показали, что питание двигателя топливом, не содержащим высокомолекулярных примесей, позволяет снизить содержание продуктов неполного сгорания в выхлопных газах на 40 % по сравнению с исходным. Более точная регулировка двигателя и предотвращение разрегулировки системы питания из-за попадания загрязнений позволяет снизить содержание продуктов неполного сгорания в выхлопных газах по сравнению с исходным ещё на 30 %.

Смолисто-асфальтеновые вещества образуют с топливом коллоидный раствор. Ядро коллоидной частицы (ассоциата) асфальтенов образовано высокомолекулярными конденсированными ароматическими углеводородами и окружено компонентами с постепенно снижающейся степенью ароматичности. Смолистые фракции, играя роль поверхностно-активных веществ, образуют в ассоциате сольватный слой, так как они ориентированы к асфальтеновому ассоциату полярными фрагментами, а углеводородными к топливу. Образование межфазных слоёв в асфальтенсодержащих системах определяется природой и адсорбционными свойствами асфальтенов (все асфальтены обладают низкой адсорбционной активностью по отношению к алканам). Установлено, что толщина поверхностного слоя и, соответственно, размер структурной единицы асфальтенов может достигать нескольких мкм.

Это позволяет методами тонкой и сверхтонкой очистки удалить из топлив значительную часть как асфальтено-смолистых веществ нефтяного происхождения, так и веществ, которые образуются в результате химических реакций при хранении топлива.

Таким образом, тонкая и сверхтонкая очистка топлив позволяет по сравнению с традиционными методами очистки сократить на 50 % износ двигателя и на 20 - 40 % снизить содержание продуктов неполного сгорания в выхлопных газах двигателя.

Эффективность фильтров, изготовленных Киевским предприятием "Технологические фильтры" на основе данного материала, подтверждена независимыми испытаниями, проведёнными в Твери (Тверским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды) и в Киеве (Киевским автотранспортным предприятием 13034 Киевского городского территориально-производственного объединения автомобильного транспорта Министерства транспорта Украины). Результаты этих испытаний обобщены на рисунке.


Статистическая обработка результатов испытаний позволила установить, что содержание СО в выхлопных газах благодаря установке фильтра снижается в среднем на 30 %. Достоверность такого снижения, по критерию знаковых рангов Уилкоксона, составляет 99,9 %.

Уровень технических решений  делает возможной установку систем тонкой и сверхтонкой очистки на любой стадии производства и потребления топлива: на предприятии-изготовителе, на автозаправочной станции или в двигателе транспортного средства.

Использование тонкой и сверхтонкой очистки моторных топлив при помощи фильтровального материала "ТЕФМА"
Технические перспективы. Применение тонкой и сверхтонкой очистки моторных топлив позволяет значительно снизить износ двигателя и образование нагара, а также добиться более полного сгорания топлива. Это продляет срок эксплуатации двигателя до капитального ремонта, снижает вероятность отказа или сбоя в работе двигателя. Снижается расход запасных частей (клапанов, поршневых колец, гильз цилиндров и т. п.). Работа двигателя становится более равномерной. Это, в свою очередь, позволяет снизить неравномерность нагрузки на детали трансмиссии, повысить безопасность движения и удобство управления транспортным средством.

Коммерческие перспективы. Использование тонкой и сверхтонкой очистки в сфере производства и продажи топлива позволяет получить положительный экономический эффект, главным образом, не за счёт непосредственного повышения отпускных цен на топливо, а за счёт закрепления потребителей и формирования устойчивого потребления топлива более высокого качества. Использование тонкой и сверхтонкой очистки топлива в сфере потребления как в виде стационарных систем очистки топлива в гаражах перед заливом топлива в бак транспортного средства, так и непосредственно в двигателе транспортного средства, обеспечивает непосредственный экономический эффект за счёт снижения затрат на ремонт и обслуживание двигателя, запчасти, и предотвращения потерь от простоя транспортного средства. Снижение содержания продуктов неполного сгорания в выхлопных газах двигателей позволяет снизить штрафы за загрязнение окружающей среды.

Социальные перспективы. Использование тонкой и сверхтонкой очистки моторных топлив позволяет повысить полноту сгорания топлива и снизить интенсивность загрязнения окружающей среды продуктами неполного сгорания (СО, СН, копотью, канцерогенными веществами), снизить ущерб, наносимый здоровью людей, проживающих вблизи напряжённых автомагистралей и в крупных населённых пунктах.