1.1.Требования к качеству дизельных топлив

В соответствии с экологическими требованиями установленными «Всемирной Топливной Хартией», выделяют 4 категории качества для автомобильных топлив [3].

Категория 1 - рынки, на которых отсутствуют или минимальны требования к контролю характеристик выхлопных газов;

Категория 2 - рынки со строгими требованиями к контролю характеристик выхлопных газов (Евро-1, Евро-2 или эквивалентные им требования);

Категория 3 - рынки с повышенными требованиями к контролю характеристик выхлопных газов (требования Евро-3, Евро-4; USCaliforniaLEVили эквивалентные им);

Категория 4 - рынки с высочайшими требованиями к контролю характеристик выхлопных газов, с контролем NO_xи размера частиц на входе в системы очистки выхлопных газов (требования Евро-4, Евро-5;USCaliforniaLEV-II,USEPATier2 и эквивалентные им).

Таблица 1- Требования «Всемирной Топливной Хартии» к качеству дизельных топлив

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству дизельных топлив,являются снижение содержания серы и ароматических углеводородов, особенно полициклоаренов. Эта тенденция прослеживается во всех международных спецификациях на дизельное топливо (таблица 2) [4]. В европейском стандартеEN590, в стандартах Австралии, Японии установлены ограничения по содержанию лишь полициклоаренов. В США и Швеции нормируется также общее содержание ароматических углеводородов. В России по ГОСТ 305 для летнего дизельного топлива не нормируется ни общее содержание аренов, ни содержание полициклоаренов. Только для экологически чистых дизельных топлив - летнего (ДЛЭЧ-В) и зимнего (ДЗЭЧ-В) общее содержание ароматических углеводородов должно быть не более 20 и 10% масс. соответственно.

Таблица 2 - Требования различных стран мира к содержанию аренов и серы в дизельных топливах *Евро-4; **Евро-5

Таким образом, российские экологические требования к качеству дизельныхтоплив значительно отстают от западных.

Ужесточение экологических требований по допустимому содержанию в дизельных топливах не только серы, но и ароматических углеводородов, в особенности полициклоаренов обусловлено рядом причин.

Во-первых, при снижении содержания полициклоаренов в дизельных топливах уменьшается кацерогенность опасность отработавших газов.

Во-вторых, повышение содержания аренов приводит при сгорании дизельного топлива к усиленному образованию оксида углерода и сажи. Так, при повышении содержания аренов с 15 до 27% масс. содержание сажи в отработавших газах увеличивается в 5 раз [2].

Но самое главное, повышение содержания аренов приводит к резкому снижению цетанового числа дизельных топлив, к износу его деталей, к увеличению концентрации NO_xи СО в отработавших газах.

Как следует из таблицы 1, в соответствии с требованиями «Всемирной Топливной Хартии» дизельные топлива 3-й и 4-й категории качества (Евро-3, Евро-5) должны иметь цетановое число не менее 55. Еще более жесткие требования к дизельным топливам предъявляются с 2003 г. Европейской Ассоциацией Автомобилестроителей: минимальное цетановое число-58 , цетановый индекс- не менее 54, общее содержание аренов – не более 10% масс.[2].

Проблема по обеспечению требований по цетановому числу и смазывающим свойствам является наиболее острой для производства высококачественных дизельных топлив. Но эти требования противоречивы, так как, цетаноповышающие присадки значительно ухудшают смазывающие свойства дизельных топлив .

Цетаноповышающие присадки (2-этилгекссилнитрат, циклогексилнитрат ) при концентрации 500-2000 мг/кг повышают цетановое число на 3-7 единиц . Однако при этом эффективная концентрация противоизносной присадки может возрасти в несколько раз. Кроме того добавление противоизносных и цетаноповышающих присадок снижает окислительную стабильность дизельных топлив приблизительно в 1,5 раза [2].

Таким образом, для обеспечения легкой самовоспламеняемости дизельных топлив они должны характеризоваться высоким цетановым индексом, который рассчитывается до введения присадок.

Цетановые числа полициклоалканов ненамного выше, чем соответствующих полициклоаренов. Этим обстоятельством, а также частичной изомеризацией углеводородов объясняются прогнозируемые трудности повышения цетанового числа дизельных топлив.

Высокие цетановые числа дизельных топлив особенно важны для специальной техники МЧС, т.к. при движении к месту пожара и боевом развертывании к двигателю предъявляются жесткие требования форсирования рабочего процесса по мощности [2].

Жесткие требования по содержанию серы в дизельном топливе (Евро-4, Евро-5) обусловлены прежде всего тем, что образующиеся при сгорании топлива оксиды серы блокируют рабочую поверхность каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Снижение содержания серы в дизельном топливе с 49 до 6 мг/кг приводит к повышению конверсии NO_xпочти в 2 раза. Срок эффективного действия каталитической системы по очистке отработавших газов должен соответствовать сроку службы автомобилей, т.е. обеспечивать пробег 25-300 тыс.км [4].

Снижение содержания серы в дизельном топливе с 0.9-1.25% до 0.18% приводит к снижению точки росы продуктов сгорания в двигателе с 90-130 ºС до 58 ºС. При высокой точке росы возможно образование серной кислоты, что приводит к коррозии. Но следует заметить, что износ деталей двигателя на топливе с S_общ=0.9% в 2-4 раза больше, чем при использовании топлива сS_общ=0.18% [5] и значительно ухудшается термическая стабильность топлив при 150 ºС.

Но не смотря на все перечисленные плюсы, глубокое обессеривание дизельного топлива приводит к резкому снижению его термоокислительной стабильности. При снижении содержания серы с 0.2 до 0.03% поглощение кислорода при 120-140 ºС увеличивается в 65-70 раз, но при повышении содержания серы с 0.2 до 1.6% скорость окисления возрастает в 8-9 раз. При оптимальном S_общ=0.2% в топливах образуется минимальное количество смол, осадков и кислых соединений [5].

Качество автомобильных топлив должно соответствовать состоянию автомобильного парка. В 2010 г. 74.2% от общего количества автомобилей с дизельными двигателями в России соответствует классу Евро-2 и ниже. Потребность в дизельных топливах Евро-3 и Евро-4 в России в 2008 г. составляла всего 1.5 и 0.25 млн.т. Существует проблема использования на устаревших автомобилях дизельных топлив Евро-3,4,5. Дизели с механической системой регулирования рабочего процесса и конструкция рассчитаны на цетановое число 45 ед. Применение дизельных топлив с цетановым числом 51 ед. приведет к изменению рабочего процесса и, как следствие, к снижению мощности и экономичности, повышению дымности, т.е. под высококачественные топлива требуется радикальная модернизация как дизельных двигателей, так и систем электронного регулирования.

В 2008 г. Основной объем выпуска дизельного топлива в России - 66.9% от общего объема составили топлива с содержанием серы 0.2%, а производство дизельного топлива S=0.5% даже повысилось по сравнению с 2007 г. С 3286 до 4687 тыс.т (или с 5.2 до 7.1% от общего объема) [6].