Влияние серы в дизельном топливе на современные дизельные двигатели

Сера¹, как один из составных элементов дизельного топлива оказывает существенное влияние на увеличение смазывающих свойств солярки. Почему же при существенном дефиците показателя смазывающей способности (так называемый диаметр пятна износа) требования по фракционному содержанию серы в дизельном топливе становятся все жестче?

Автор не будет стремиться рассматривать вопросы экологии, хотя они довольно значительны и именно они более всего определяют ход эволюционирования дизельных двигателей в настоящее время. В данной статье постараемся рассмотреть вопрос влияния содержания серы в топливе именно на саму эксплуатируемую технику.

Одним из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизельного двигателя являются оксиды азота. Каталитический нейтрализатор в дополнение к сажевому фильтру не в силах полностью с ними справиться. Для уменьшения вредных выбросов оксидов азота производители пошли разными путями: одни выбрали систему SCR (нейтрализация выхлопа с применением мочевины), выбор других пал на систему EGR (Exhaust Gas Recirculation – система рециркуляции выхлопных газов). Третьи для выполнения строжайших мер «Евро 6» объединили обе эти системы в одном автомобиле. И если система SCR мало реагирует на качественный состав топлива по сере, то система EGR крайне чувствительна к количеству серы в дизельном топливе.

Прежде всего, необходимо понять, что EGR не предназначена для улучшения технических характеристик двигателя, а устанавливается исключительно из экологических соображений. Идея заключается в том, чтобы на определенных режимах работы двигателя подавать некоторую часть отработанных газов из выпускного коллектора во впускной. Принцип прост: повышенное содержание окислов азота в выбросах ДВС вызывается высокой температурой в камере сгорания. Катализатором реакции горения является кислород: чем больше кислорода – тем выше температура, а значит, подмешав к подаваемой воздушной смеси выхлопные газы, мы в итоге уменьшаем содержание кислорода и на выходе уменьшаем температуру сгорания смеси в цилиндре.

Как результат: токсичность выхлопных газов по оксидам азота (NO) значительно снижается.

Но имеется и обратная сторона медали: поступающие газы из системы рециркуляции имеют значительно большую долю влаги, и, контактируя с серой, она образует в камере сгорания серную кислоту, которая не только негативно влияет на окружающую среду, но и вызывает усиленную коррозию деталей двигателя (верхние части гильз, рабочие поверхности головки блока цилиндров) и выхлопной системы автомобиля.

Иногда наблюдается химическая коррозия деталей топливной системы (например, насос- форсунок) еще до образования топливной смеси. Двигатели класса «Евро- 4» требуют топливо с содержанием серы не более 50 мг на кг солярки, класса «Евро-5» и того строже: не более 10 мг/ кг топлива.

Сернистое дизельное топливо также влияет на срок службы моторного масла. Причиной раннего окисления масла зачастую становятся активные сернистые соединения, проникающие в него после сгорания топлива с повышенным содержанием серы.

Дизельное топливо с большим содержанием серы оказывает негативное влияние на срок службы сажевого фильтра. Зависимость: чем больше массовая доля серы в используемо топливе, тем меньше срок службы сажевого фильтра. Причина: увеличенная способность к образованию сажи одного из компонентов- сульфатной серы, см сноску «1»

На первый взгляд, применение системы EGRимеет неоспоримые преимущества перед применением SCR(впрыск мочевины): экономится место за отсутствием бака для AdBlue, нет необходимости в усиленных деталях ЦПГ из- за пониженной температуры в цилиндре, уменьшается снаряженная масса автомобиля на 200- 300 кг, нет необходимости в столь частой замене деталей глушителя (своего рода маленького химического предприятия), нет головной боли в холодное время года из- за высокой температуры кристаллизации мочевины (всего -11°С)...

Но, если в странах Европы жестко следят за качеством топлива, то у нас это своеобразная рулетка. Так по данным журнала «За рулем» (февраль 2011 г., стр. 130) «В образцах (дизельного топлива – примечание автора), отобранных на «суперзаправках» в одном большом северном городе, содержание серы лежало в диапазоне от 7мг/ кг до 4000 мг/кг топлива». Необходимо сказать больше: производство и обращение дизельного топлива класса «Евро-3» (допустимое количество серы 350 мг/ кг) по Техрегламенту Таможенного союза допускается аж до 01.01.2015 г., а в Казахстане до 2016 г., а, может быть, будет и еще продлено. При этом заметьте: про некондиционное топливо мы даже не упоминаем. Вот и получается, что эксплуатация современных двигателей с системой EGRв российских условиях на данный момент- это своеобразная рулетка: кому как повезет. И самое интересное: если избавиться от воды в топливе в бытовых условиях или непосредственно на автомобиле- возможно; очистить топливо от механических примесей- тоже; повысить смазывающие свойства- не проблема; повысить цетановое число- также возможно, и даже справиться с парафинами; то вот решить вопрос с уменьшением содержания серы в бытовых условиях практически малореально².

1: Сера может содержаться в топливе в трех видах: органическая Sop, колчеданная Sк и сульфатная Sc : S=Sop+Sк+Sc

Sop : Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива.

Sк : Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами, например, с железом (FeS₂)

Sop+к при горении топлива окисляется с выделением тепла и в процессе химической реакции переходят в газообразные SO₂ и SO₃. В дальнейшем данные соединения самостоятельно или при образовании кислот вызывают коррозию металлических поверхностей.

Sc : Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов CaS0₄ и FeS0₄ и поэтому в процессе горения не окисляется, но переходит в золу.

2: Чтобы понять возможность решения вопроса в бытовых условиях можно ознакомиться с одной из технологий (способом) получения дизельного топлива с долей серы менее 10мг/ кг в промышленных условиях (см. ниже описание патента № 2458104, полная публикация на стр. http://www.freepatent.ru/patents/2458104 ). В интернете много описаний иных способов, установок (например, см. стр. http://www.basicresour.com/sera/sera.html или стр. http://nlegin.ru/oil/toplivo-i-superbeton.html), но каков реальный результат их применения автору неизвестно.

++++

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ (патент №2458104)

Способ получения дизельного топлива, включающий обессоливание нефти, ее дистилляцию, выделение дизельных фракций, их смешение и последующую гидроочистку смеси, отличающийся тем, что при дистилляции в атмосферной колонне отбирают две дизельные фракции, выкипающие в пределах 171-341°С и 199-360°С, фракцию 199-360°С направляют на жидкостную экстракцию для очистки от бензалкилтиофенов, при массовом соотношении сырье : экстрагент от 1:1 до 1:4 в качестве экстрагента используется продукт взаимодействия органического амина с органической кислотой - амид, затем производят смешение фракций: 171-341°С и 199-360°С после очистки в процентном составе 70-85% и 15-30% соответственно, при этом смесь этих фракций при перегонке по методу ASTM D-86 имеет конец кипения не более 360°С, полученную смесь подвергают гидроочистке на алюмокобальтмолибденовом или алюмоникельмолибденовом катализаторе с получением дизельного топлива.

++++