ГСМ "Моющие присадки для автомобильных бензинов: история и современность"

Елена НИКИТИНА,

Дмитрий ПАВЛОВ

С развитием автомобилестроения и ужесточением экологических требований к эксплуатации транспортных средств производство современных моторных топлив становится практически невозможным без использования присадок различного назначения. Сейчас применение присадок уже не ограничивается только необходимостью доведения характеристик топлив до уровня действующих стандартов, которые, несмотря на постоянное ужесточение, не успевают вместить в себя весь спектр эксплуатационных и экологических показателей, присущих современному высококачественному топливу.

Комплексное улучшение эксплуатационных свойств топлив за счет добавления многофункциональных и моющих присадок стало одним из главных способов повышения качества и конкурентоспособности автомобильных бензинов.

Моющие присадки для автомобильных бензинов имеют давнюю историю. Исследования по их созданию ведутся более пятидесяти лет, но их повсеместное использование связано с проблемой  загрязнения окружающей среды выхлопными газами автомобилей. Это обусловлено тем, что существует взаимосвязь между чистотой впускной системы, камеры сгорания и эксплуатационной экономичностью двигателя, а также токсичностью отработавших газов, что с точки зрения экологии имеет первостепенное значение. Некоторые изменения, вносимые в конструкцию двигателей с целью повышения их мощности, снижения расхода топлива, токсичности  отработавших газов (замкнутая система вентиляции картера, рециркуляция отработавших газов и др.), усиливают тенденцию к образованию отложений на элементах двигателя. Это в свою очередь поддерживает интерес к работам по созданию и совершенствованию присадок, предназначенных для поддержания в чистоте топливной системы.

Прогресс в области технологии автомобильных двигателей постоянно  диктует новые требования к присадкам для топлив. Изменение конструкции двигателя последовательно отражается на функциональных свойствах присадок, предназначенных для поддержания в чистоте и очистки топливной системы. В зависимости от функций, которые выполняют присадки в топливе, их относят к разным поколениям. Такое деление принято некоторыми фирмами-производителями присадок, но оно во многом условно, так как кроме моющей функции, одни и те же соединения могут выполнять в топливе роль антиобледенителя карбюратора и ингибитора коррозии и др.

Моющие присадки для автомобильных бензинов условно можно разделить на четыре поколения. К первому поколению  относятся очистители карбюратора. Присадки второго поколения предназначены для поддержания в чистоте и очистки  топливных форсунок.  Присадки, предназначенные для очистки и предотвращения  образования отложений на впускных клапанах, относятся к третьему поколению. Четвертое поколение присадок способно контролировать образование отложений во всей топливной системе, включая камеру сгорания.  Каждое последующее поколение выполняет функции предыдущего и обладает новыми свойствами, которые являются последовательным отражением  изменения конструкции двигателя, условий работы или требований к качеству топлива.

Впервые  моющие присадки для автомобильных бензинов были разработаны фирмой Shevron в 1954 г., но широкое распространение они получили с введением принудительной системы вентиляции картера. Оборудование двигателей принудительной системой вентиляции кар­тера явилось одним из реальных средств, снижающих загрязнение атмосферы. С 1963 г. в США все новые виды автомобилей стали снабжаться этой системой, а с 1968 г. это требование стало обязательным на территории США. С введением принудительной системы вентиляции картера возникли новые проблемы – резко увеличилось образование смолистых отложений в карбюраторе. Основная часть отложений в карбюраторе образуется за счет содержащихся в картерных газах капель масла, продуктов неполного сгорания бензина и частично за счет смол, содержащихся в бензине. Наиболее интенсивное образование отложений происходит на дроссельной заслонке и вблизи нее, в воздушном жиклере и жиклере холостого хода. Образование отложений на указанных деталях приводит к нарушению первоначальной  регулировки карбюратора и, как следствие, к увеличению расхода топлива, снижению мощности и возрастанию токсичности отработавших газов, особенно на режимах холостого хода и на малых оборотах (условия городской езды).

Эффективным способом борьбы с отложениями в карбюраторе является добавление к бензинам специальных моющих присадок. Добавление в бензин моющих присадок  первого поколения в массовой доле 50 - 100 мг/кг (ppm) позволяет поддерживать в чистоте карбюратор. С помощью моющих присадок можно также очистить загрязненный карбюратор. Причем в этом случае требуется несколько большая концентрация присадки - до 200 мг/кг.

Чистоту карбюратора и эффективность моющих присадок оценивают визуально по  стандартной методике Reno R 5GTL (CEC F-03-T). Для оценки загрязненности карбюратора используется десятибалльная шкала. За 10 баллов принята чистота не работавшего карбюратора. Состояние сильно загрязненного карбюратора оценивается в 1 балл.

Предотвращение загрязнения карбюратора с помощью моющих присадок позволяет  сохранить его заводские регулировки  и тем самым снизить расход бензина, уменьшить токсичность выхлопных газов, а также сократить число ремонтов, связанных с регулировкой, продувкой и переборкой карбюраторов.

Присадки первого поколения, эффективно удаляя отложения из карбюратора, не способны обеспечить чистоту форсунки и предотвратить образование отложений на впускном клапане.

Растущее загрязнение окружающей среды вынуждает законодателей во всем мире к поиску новых решений по снижению потребления топлив и выбросов от их сгорания. Жесткий контроль за токсичностью отработавших газов (при одновременном удовлетворении пожеланий владельцев автомобилей извлекать максимальную мощность при высокой экономичности двигателей) диктует необходимость использования новых технологических концепций. Этим пожеланиям отвечают двигатели с внешним впрыском топлива (РFI). Начало производства автомобилей, оснащенных принудительным впрыском бензина, относится к 1980 г., а  с 1990 г. более 70 % зарубежных автомобилей оснащается инжекторами для впрыска топлива.

Замена карбюраторов на инжекторную систему подачи и распределения топлива в бензиновых двигателях явилась безусловным достижением автомобилестроения и позволила за счет улучшения сгорания топлива увеличить мощность автомобиля  при одновременном снижении расхода топлива и токсичности отработавших газов. Однако с применением принудительного впрыска  топлива появились новые проблемы. Применение  автомобильных бензинов с низкой химической стабильностью вызывает повышенное образование отложений на иглах  и  выходном отверстии форсунок, которые ограничивают поток топлива и снижают их пропускную способность. Даже незначительное количество отложений на игле форсунки приводит к ухудшению распыла топлива, изменению направления потока. Вместо тонкого распыла образуется грубый прерывистый поток (рис. 1).

Отложения на форсунках быстрее образуются при работе двигателя с частыми остановками – режим городской езды. Снижение эксплуатационных свойств становится заметным уже через 1000 миль пробега и зависит от качества бензина, типа автомобиля и условий эксплуатации. Засорение отверстий форсунок в двигателе отрицательно сказывается на приемистости автомобиля, приводит к  ухудшению эксплуатационных свойств, снижению мощности, повышению расхода топлива и увеличению выбросов СО и СН. Из-за плохого распределения смеси по цилиндрам ухудшается равномерность работы двигателя, возникают проблемы с запуском. Трудный запуск, неравномерное ускорение  затрудняют управление автомобилем.

Для поддержания чистоты топливных форсунок применяют моющие присадки – очистители инжектора. По данным производителей присадок, для удаления  даже самых трудноудаляемых отложений достаточно использовать от одного до трех полных баков бензина, содержащего очиститель инжектора. Однако более предпочтительным является постоянное использование присадок с целью предотвращения образования отложений в  системе впрыска. Добавление в  бензины моющих присадок второго поколения – очистителей топливных форсунок - позволяет поддерживать инжекторы в чистом (практически в новом) состоянии, что обеспечивает высокие эксплуатационные свойства двигателя.  Состояние топливных инжекторов оценивают методами ASTM D 5598, АSТМ D 6421, GМ 4.3-L V 6  - по изменению их пропускной способности.

В 1985 г. на рынке США появились бензины с присадками, предотвращающими забивку топливных форсунок. Оказалось, что некоторые классы соединений моющих  присадок, предназначенных для поддержания чистоты карбюраторов, могут обеспечить и чистоту топливной форсунки,  при этом  необходима более высокая концентрация присадки.

Увеличение концентрации детергента, появление на рынке высокомолекулярных полимерных присадок привело к новой  проблеме – увеличилось количество отложений на впускных клапанах. Смывая отложения с карбюратора и  форсунки, присадки могут способствовать увеличению  образования отложений на впускных клапанах. Впускной клапан работает при более высокой температуре по сравнению с инжектором. Иногда продукты разложения присадок  (это происходит при высоких температурах) по мере продвижения присадки в двигатель могут стать причиной увеличения отложений. Новые изменения, внесенные в конструкцию двигателя  с целью снижения содержания вредных компонентов в отработавших газах (рециркуляция отработавших газов), усиливают тенденцию к образованию отложений на впускном клапане (рис. 2). В 1986 г. появились первые жалобы водителей на проблемы (трудный запуск, неравномерное ускорение), связанные с отложениями на впускных клапанах.

Основными источниками отложений на впускных клапанах являются бензин, смазочное масло, а также картерные и отработавшие газы. В автомобильных бензинах содержатся небольшие количества термически нестабильных высокомолекулярных компонентов, имеющих склонность оседать на горячих поверхностях. Повышенное содержание олефиновых углеводородов в бензине способствует увеличению количества отложений на впускных клапанах. Многочисленные исследования показали, что использование в составе бензинов кислородсодержащих высокооктановых компонентов, спиртов, эфиров - особенно в композиции с N-метил-анилином - приводит к увеличению образования отложений на впускных клапанах. Так как часть отложений растворима и может вымываться, то положительный эффект может быть получен при повышении температуры конца кипения бензина.

Вторым важным источником отложений является смазочное масло, которое проходит между стержнем и направляющей клапана. Смазочное масло несет с собой продукты окисления и присадки, которые под воздействием высоких температур осаждаются на клапанах. В связи с этим качество масла играет большую роль в образовании отложений на впускных клапанах.

Так как масло может частично испаряться при высоких температурах клапана, то повышение температуры кипения масла может снижать тенденцию к образованию отложений. Степень образования отложений зависит также от типа двигателя и от условий езды. Большую роль в образовании отложений играет температура клапана, которая в свою очередь повышается при больших нагрузках. Максимальное количество отложений образуется при числе  оборотов   двигателя 1850 мин^–1 , при больших оборотах происходит вымывание отложений.

Образование отложений на впускных клапанах  вызывает снижение воздушного потока, ухудшает приемистость автомобиля. В некоторых случаях отложения на клапане, образуясь в значительных количествах, могут даже препятствовать его закрытию. Это  в свою очередь влечет за собой потерю мощности и в некоторых случаях прогорание клапана. Нарушение оптимальной регулировки приводит к снижению полноты сгорания и увеличению расхода топлива, а также возрастанию токсичности отработавших газов.         Снижается надежность работы двигателя, ухудшается управляемость автомобилем, возникают проблемы с запуском - особенно в холодную погоду.

Для оценки склонности топлив к образованию отложений на впускных клапанах используют стандартные стендовые и дорожные методы испытаний, базирующиеся на различных типах двигателя (СЕС F-05-A, ASTM D 5500, ASTM D 6201). В процессе испытаний определяется количество отложений, образующихся на впускных клапанах (IVD, мг/клапан). Существует также метод  визуальной оценки загрязненности впускных клапанов по десятибалльной  шкале  (CEC F-04-A). За  десять баллов принимается состояние абсолютно чистого клапана. Состояние сильно загрязненного клапана оценивается в 1 балл.  

Проблему снижения образования отложений на клапанах двигателя пытаются  решить конструктивно. Так, для двигателей с принудительным впрыском – это форсунки с распылом, системы с распределенным (многоточечным) впрыском, большее количество клапанов (четыре-пять клапанов на цилиндр), что  позволяет снизить нагрузку по отложениям на каждый клапан, но пока кардинальных решений не найдено. Известным способом предотвращения образования отложений на впускных клапанах является добавление в бензин цилиндрового масла. Однако его использование в сравнительно высоких концентрациях (до 5 %) может привести к снижению октанового числа топлива и к повышению токсичности отработавших газов.

Наиболее эффективным способом борьбы с образованием отложений на впускных клапанах является применение моющих присадок третьего поколения. Эти присадки позволяют эффективно поддерживать в чистоте впускную систему двигателя - карбюратор, топливные форсунки и клапаны - в процессе эксплуатации (рис. 3). Присадки третьего поколения являются наиболее распространенными в настоящее время.

Современные моющие присадки третьего поколения представляют собой многофункциональные пакеты. Основным компонентом пакетов присадок для бензина является комбинация детергента (как правило, на основе полиизобутиленамина) и масла-носителя на минеральной, синтетической или полусинтетической основе, обеспечивающая моющие свойства.  В состав пакета также входят другие присадки, позволяющие комплексно улучшать эксплуатационные и экологические свойства топлива, такие, как ингибиторы коррозии, деэмульгаторы, а при необходимости - красители, маркеры, отдушки. В состав пакетов последних разработок может быть включен модификатор трения, позволяющий снижать трение между поршнем и стенками цилиндра, тем самым снижая расход бензина. Концентрация присадки  в зависимости от ее эффективности и  качества топлива может составлять от 200 до 1500 мг/кг.

 Механизм действия моющих присадок заключается в образовании защитной пленки на элементах системы подачи топлива, которая препятствует  образованию отложений внутри трубопроводов и патрубков, топливных инжекторов и на  впускных клапанах (эффект Keep clean). Если в двигателе уже имеются отложения, моющие присадки обеспечивают эффект очистки (эффект Clean uр).  По данным компании BASF, использование оптимального количества моющей присадки позволяет добиваться практически полной очистки системы впуска уже через 2 - 3 тыс. км пробега автомобиля. Воздействие моющих присадок на образование отложений в двигателе показано на рис. 4.

В процессе эволюции автомобили становятся все сложнее, увеличивается мощность, жестко регламентируется токсичность выбросов. Самой важной целью становится экономия топлива. Так, автомобили двадцать первого века в 2 - 2,5 раза превосходят автомобили шестидесятых годов по максимальной мощности, максимальной скорости при  меньшем в 1,5 - 2 раза расходе топлива. Содержание СО в отработавших газах современных автомобилей примерно в 40 - 60  раз ниже. Движущей силой этого прогресса является рынок и охрана окружающей среды. Вслед за изменением автомобилей меняются топлива и присадки. Последовательный переход от очистителей карбюратора к присадкам, поддерживающим чистоту форсунки и предотвращающим образование отложений на впускных клапанах, сопровождался повышением концентрации присадок от 50 - 100 мг/кг до 200 - 1500 мг/кг.  Высокое содержание присадок в бензинах наряду с другими факторами в некоторых случаях может стать причиной увеличения нагара в камере сгорания. Жидкое топливо омывает впускной клапан и стенку цилиндра, примыкающую к впускному клапану, а также верхнюю часть поршня, часть топлива попадает  в масло. Около 25 % высокомолекулярной присадки из топлива в виде масляной пленки оседает на стенках цилиндра и камеры сгорания. В мертвых зонах камеры сгорания, где не происходит горение, высокомолекулярные присадки могут разлагаться, увеличивая количество отложений. Установлено, что наиболее интенсивное образование отложений в камере сгорания образуется  при работе двигателя на режимах малых оборотов и низких нагрузок, что характерно для городской езды.

 Образование нагара в камере сгорания двигателя приводит  к изменению ее конструкционных размеров. Нагар, образующийся на стенках камеры сгорания, из-за низкой теплопроводности препятствует отводу тепла,  это приводит к местным перегревам. Уменьшение объема камеры сгорания, плохой теплоотвод ведет к снижению расчетных параметров работы двигателя и, как следствие, повышению  требований двигателя к октановому числу топлива.  Ухудшается сгорание топлива, снижается приемистость и экономичность работы двигателя, возрастает токсичность отработавших газов. 

Некоторые присадки, обладая хорошими моющими свойствами, приводят к увеличению нагара в камере сгорания двигателя. Для контроля за образованием нагара при испытаниях бензинов с присадками, кроме IVD и PFI оценивается также влияние присадки на склонность топлива к образованию нагара в камере сгорания (Combustion Chamber Deposits – CCD). Испытания проводят стандартными методами - ASTM D 5500, ASTM D 6201 и СЕС F-20-A. Количество нагара в камере сгорания на бензине с присадкой не должно превышать 140 % по отношению к базовому топливу.

Исследования, проведенные ведущими производителями, показали, что причиной повышенного нагарообразования в камере сгорания может являться минеральное масло-носитель, используемое в составе присадок. Замена минерального масла на синтетическое масло-носитель позволила разрешить эту проблему. В настоящее время применение современных присадок ведущих производителей не приводит к увеличению количества нагара в камере сгорания.

 Последовательное ужесточение экологических требований к выхлопам автомобильной техники вынуждает производителей искать новые технические решения. Среди прочих новаций – двигатели с прямым впрыском топлива в камеру сгорания (Direct Injection Spark Ignition- DISI). Новая конструктивная концепция позволяет создать практически чистый автомобиль с минимальным расходом топлива и низкой токсичностью выхлопа. Многие автопроизводители (Toyota, BMW, Volkswagen, Audi, Mitsubishi) уже выпускают автомобили с двигателями DISI.

Эксплуатация таких двигателей также сопровождается закоксовыванием форсунок и образованием отложений на впускных клапанах и поршнях. Уже через 5000 миль пробега  из-за засорения форсунок может наблюдаться  снижение потока топлива на 27 – 30 %. Современные  двигатели особенно чувствительны к образованию отложений. Даже малое количество отложений  в системе топливоподачи или в камере сгорания может вызвать перебои в работе двигателя и сделать ее неэффективной. Поэтому для сохранения высокой топливной экономичности двигателя крайне важно обеспечить чистоту топливной системы двигателя с прямым впрыском в процессе работы.

Последние зарубежные исследования направлены на изучение возможности обеспечения при помощи присадок чистоты  впускных клапанов и топливных форсунок бензинового двигателя с прямым впрыском топлива.

Задача представляется довольно сложной, так как эти двигатели отличаются  высокой теплонапряженностью и степенью сжатия. На рис. 5 представлены температурные режимы в разных зонах бензинового двигателя. В отличие от очистителей карбюратора и топливного инжектора, присадки, предназначенные контролировать образование отложений в двигателе, включая камеру сгорания,  должны сохранять свою эффективность при очень высоких температурах рабочих поверхностей. При этом концентрация присадки  должна быть ниже, чем для очистителей впускных клапанов, так как высокое содержание присадки может способствовать увеличению образования нагара в камере сгорания.

Присадки, контролирующие образование отложений во всей топливной системе, включая камеру сгорания, являются самыми современными, их можно отнести к четвертому поколению. Основными моющими компонентами этих присадок являются полиизобутенамины, полиэфирамины или композиции полиизобутенаминов с полиэфирами. Современные полиизобутенамины и  полиэфирамины отличаются  от применяемых ранее аналогичных продуктов для очистки клапанов узким молекулярно-массовым распределением, что позволяет обеспечить высокую эффективность при низких концентрациях. В качестве несущей жидкости используются только синтетические масла, обладающие высокой термической стабильностью. Эти присадки сохраняют свою эффективность при температурах выше +400 ^оС.

Один из методов, позволяющих определить эффективность моющих присадок различного состава по поддержанию чистоты топливных форсунок двигателей с прямым впрыском, разработан компанией BASF. Методика получила название VW Lupo FSI. Испытания проводятся в стендовых условиях на двигателе Volkswagen 1,4l 77kW 4V FSI циклами. Каждый цикл должен быть повторен 120 раз. Длительность испытаний составляет 60 часов.

Тест VW Lupo FSI считается одним из наиболее жестких методов проверки топлив на двигателях с прямым впрыском. Основной критерий - снижение потока воздуха через инжектор. Испытания показали, что современные разработки присадки компании BASF, представленные на рынке,  также эффективны в двигателях с прямым впрыском топлива (рис. 6).

Таким образом, эксплуатация двигателей разных конструкций - от карбюраторных до DISI - сопровождается образованием отложений на элементах впускной системы и в камере сгорания. Эти отложения приводят к нарушениям в работе двигателя и ухудшают его эксплуатационные и экологические  характеристики в процессе эксплуатации. Применение современных присадок позволяет предотвратить образование отложений в инжекторах, на впускных клапанах и стенках камеры сгорания как классических двигателей, так и двигателей  прямого впрыска.

Влияние моющих присадок на эксплуатационную экономичность работы двигателя и токсичность отработавших газов доказана многими работами  и испытаниями, проведенными не только за рубежом, но и в России. На рис. 7  показано относительное влияние отложений на различных элементах двигателя на  выброс углеводородов с отработавшими газами. Испытания, проведенные компанией BASF, показали, что введение в автомобильные бензины моющих присадок Keropur® позволяет снизить вредные выбросы (в среднем): СО на 24 %, оксидов азота на 13 %, углеводородов на 20 % и СО₂ на 2 % (рис. 8).

Моющие присадки широко применяются в автомобильных бензинах в США, европейских странах, Китае и др. Причем на сегодняшний день отсутствует единый подход к регламентации применения моющих присадок в топливах  разных стран. Так, в США добавление моющих присадок в бензины с января 1995 г. является обязательным.  Страны Евросоюза пошли по пути жесткой регламентации эмиссии выхлопных газов (евронормы). В соответствии с Европейской директивой 98/70/ЕС автомобиль должен оставаться чистым в течение всей жизни, а его экологические характеристики  должны быть стабильными  на протяжении пробега в 100 тыс. км. Экологическая надежность автомобилей с выбросами Евро-5 должна сохраняться на протяжении 160 тыс. км пробега. Соблюдение данных норм без использования многофункциональных пакетов присадок практически невозможно. Эксплуатация новейших моделей,  оснащенных системами бортовой компьютерной диагностики, становится невозможной без применения эффективных присадок, контролирующих образование отложений во всей топливной системе, включая камеру сгорания, так как существующие технологии производства автомобильных бензинов не позволяют обеспечить требуемый и постоянно растущий уровень их эксплуатационных свойств в части обеспечения  чистоты топливной системы. Несмотря на отсутствие законодательного регулирования, свыше 90 % топлива, реализуемого в странах ЕС, содержит моющие присадки.

Добавление  современных моющих присадок в автомобильные бензины обеспечивает поддержание чистоты всей  топливной системы и сохранение стабильности регулировок двигателя в процессе эксплуатации. Это, в свою очередь, позволяет:

 - повысить надежность работы топливной аппаратуры, увеличить срок, снизить затраты на техническое обслуживание;

- уменьшить расход топлива и токсичность отработавших газов;

- облегчить управление автомобилем;

- снизить требования двигателя к октановому числу бензина.