4.3. Антисажевые присадки

Назначение – уменьшение скорости забивки сажевых филь­тров, устанавливаемых на автомобилях перед каталитическими нейтрализаторами или непосредственно в выпускном тракте. Сажевые фильтры любой конструкции теряют пропускную способность и требуют регенерации уже через 200-500 км про­бега, а иногда и раньше. Ее приходится проводить в конце каждого рабочего дня и даже между сменами. Для регенерации разработаны специальные горелки и нагревательные элементы, нагревающие фильтр до температуры 550 – 600 °С, необходи­мой для начала выгорания сажи. Однако в процессе регенера­ции температура достигает 1400 °С и выше, при этом поры фильтра постепенно спекаются. Это сказывается на его эффек­тивности. На рис. 44 представлены данные, полученные при испытаниях сажевого фильтра из керамического монолита, снабженного электрическим нагревателем-регенератором [81]. Оценивалось противодавление (гидравлическое сопротивление) фильтра при пробеге автомобиля и периодических регенераци­ях. Через несколько регенераций сопротивление фильтра воз­растало до предельной величины за счет спекания пор.

Наличие присадки обеспечивает постепенное выжигание сажи, устраняя опасность перегрева при периодических реге­нерациях.

Иногда металл используют не в виде присадки, а наносят на поверхность фильтра. При нормальной работе двигателя этот прием дает такой же эффект, как и введение присадки в топливо. Однако каталитические покрытия медленно отравляются серой, содержащейся в топливе. Кроме того, если двигатель долгое время работает в режиме холостого хода и на малых нагрузках, когда температу­ра ОГ невелика, каталитическое покрытие не обеспечивает выгорания сажи, которая накапливается, а при переходе двигателя на большие нагрузки интен­сивно выгорает с развитием опасных для фильтра температур. Что же касается присадки, то в режиме холостого хода для достижения необходимого эффекта можно просто увеличить ее концентрацию в топливе.

Рекомендуемые концентрации антисажевых присадок со­ставляют 0,01-0,02% на номинальной нагрузке. В пересчете на металл, являющийся каталитической основой присадки, это составляет десятки млн”1. В режиме холостого хода присадки требуется на порядок больше.

Рис.44-45

Принцип действия антисажевых присадок изучен недоста­точно хорошо. В первом приближении он заключается в пони­жении температуры выгорания сажи до 250-300 °С, сравнимой с температурой ОГ, за счет добавок соединений меди, железа и других металлов. Металлы сгорают до оксидов, которые затем легко восстанавливаются сажей на поверхности фильтра (рис. 45) [82]. Но этого недостаточно. Имеются данные, которые свидетельствуют, что механизм наблюдаемого процесса слож­нее. В специальных опытах было показано, что добавка самих оксидов железа к саже на температуру ее воспламенения не влияет. Это позволяет предположить, что при разложении при­садки образуются особые каталитически активные формы ме­талла, причем на это требуется определенное время. На рис. 46 [83] показано влияние железосодержащей присадки на проти­водавление фильтра. В первые часы, несмотря на наличие при­садки, оно растет. Впрочем, чем выше концентрация присадки в топливе, тем интенсивность роста меньше. Однако через 20- 30 ч работы противодавление начинает падать и стабилизиру­ется на некотором, одинаковом для всех концентраций приса­док [в интервале 0,02-0,26% (мае.)], уровне. Полагают, что за это время на слое сажи, осевшей на поверхности фильтра, формируется достаточное количество активных каталитических центров.

Показатель эффективности – противодавление (гидравличес­кое сопротивление) фильтра. Противодавление фильтра, забито­го сажей, достигает нескольких десятков кПа. При регенерации противодавление снижается, причем тем быстрей, чем эффек­тивнее присадка. Этот показатель указывает также и на интен­сивность спекания пор фильтра, что характеризует не только присадку, но и сам фильтр.

Ris.46

Рис. 46. Термическая (1, 2, J – соответ­ственно при 640, 680 и 700 °С) и ката­литическая (4 – при 250 °С) регенера­ция сажевого фильтра

Ассортимент. В России специальных антисажевых присадок пока нет. За рубежом потребителю предлагаются присадки на основе топливо- растворимых соединений же­леза и меди. Часто в состав присадки входит ПАВ. При разработке и исследовании сажевых фильтров в эксперимен­тальном порядке обычно используется добавка ферроцена.

Ферроцен выпускается Редкинским ОЗ и должен удовлетво­рять следующим требованиям:

Ferrocen

граничения и недостатки. Антисажевые присадки эксплуа­тируются сравнительно недолго, поэтому их недостатки из­вестны мало. Судя по зарубежным публикациям, вызывают опасение два момента: существенное снижение окислительной стабильности топлив при введении медь- и железосодержащих присадок и токсичность продуктов их сгорания. По этой при­чине присадки вводят в топливо непосредственно на месте применения, а топлива с присадками не рекомендуется дли­тельно хранить. Влияние медьсодержащих присадок на каче­ство топлива рассматривалось выше на примере присадки Ан­тикокс.

Токсичность самих присадок на основе меди, железа и других металлов была рассмотрена в предыдущих разделах.

Что касается токсичности продуктов сгорания, то, как со­общают разработчики товарной медьсодержащей присадки [84], основное их количество задерживается фильтром. Концентра­ция меди в ОГ составляет 4-8 мг/м3. Если учесть многократное разбавление ОГ воздухом, можно полагать, что выбросы про­дуктов сгорания медьсодержащих антисажевых присадок для человека опасности не представляют. Можно также надеяться, что при широком внедрении антисажевых присадок в России (а это неизбежно) будут проведены достаточно обстоятельные токсикологические исследования.

Определение в топливах удобно проводить методами атомно- абсорбционной спектроскопии, рассмотренными ранее.

Экономика. Экономический эффект заключается в увеличе­нии срока службы дорогого сажевого фильтра и сокращении затрат рабочего времени и энергии на регенерацию. Расчет величины эффекта возможен после накопления достаточного количества данных в условиях эксплуатации.