Úsporné tablety do paliva – obchod s lidskou důvěřivostí

DPF je založen na principu účinné filtrace spalin přes speciální porézní keramický filtr, jehož kanálky jsou, na rozdíl od třícestných katalyzátorů známých ze zážehových motorů, uzavřené, takže na filtru zůstane zachycen veškerý pevný materiál obsahující především uhlíkaté částice. Během provozu vozidla dochází k postupnému hromadění uhlíkatých částic na filtru, což zvyšuje tlakovou ztrátu ve výfukovém potrubí, takže po nějaké době je třeba částice z filtru odstranit jejich spálením, jinými slovy, je třeba filtr regenerovat. K částečné, tzv. pasivní regeneraci, sice dochází za vhodných provozních podmínek samovolně, nicméně tato pasivní regenerace není dostatečná a v určitých periodách pak musí být provedena aktivní regenerace spočívající ve speciálním režimu vstřikování paliva a v dočasném zvýšení teploty výfukových plynů. Pro dokonalé spálení zachycených uhlíkatých částic je totiž zapotřebí udržet určitou dobu poměrně vysokou teplotu výfukových plynů, přičemž těchto podmínek se v běžném jízdním režimu dosahuje jen výjimečně. Četnost aktivní regenerace samozřejmě závisí na jízdních podmínkách, které ovlivňují jak samotnou tvorbu částic, tak efektivitu pasivní regenerace DPF.

Pro nekatalytické spálení uhlíkatých částic je třeba dosáhnout teploty 500 až 600 °C, v přítomnosti vhodných katalyzátorů postačí teplota okolo 450 °C. Při využití katalyzátorů se tedy jednak podpoří pasivní regenerace, čímž se současně prodlouží perioda aktivní regenerace, jednak se sníží tepelné namáhání systému při aktivní regeneraci DPF. Principiálně existují dvě možnosti využití katalyzátorů pro regeneraci DPF. Buď jsou katalyticky aktivní kovy naneseny a rozptýleny přímo na filtračním porézním materiálu, přes který jsou spaliny filtrovány, nebo jsou katalyticky aktivní kovy dávkovány do nafty ve formě aditiva (tzv. „fuel born catalyst“ či palivové katalyzátory) ze speciální nádržky umístěné ve vozidle.

Palivové katalyzátory

Palivové katalyzátory podporující funkci DPF systémů jsou založeny na bázi organokovových sloučenin rozpuštěných v nosné organické kapalině. Toto aditivum je umístěno ve speciální nádržce vozidla a automaticky dávkováno do palivové nádrže po každém doplnění paliva. Motorová nafta v nádrži vozidla tak stále obsahuje konstantní množství aditiva, potažmo katalyticky aktivních kovů. Katalyticky aktivním kovem bývá nejčastěji železo nebo cer ve formě ferrocenu, resp. stearátu. Tyto látky se dostávají spolu s motorovou naftou do spalovacího prostoru, kde shoří, přičemž z přítomných kovů vzniknou příslušné oxidy. Tyto drobné anorganické částice jsou ve spalovacím prostotu rozptýleny a promíchány se vzniklými uhlíkatými částicemi, takže na DPF se pak zachycuje homogenní materiál tvořený uhlíkatými částicemi obsahujícími rovnoměrně rozptýlené částice oxidů kovů. Přítomnost oxidů kovů a jejich rovnoměrné rozptýlení v uhlíkatých částicích snižuje teplotu jejich spalování, resp. teplotu regenerace DPF. Sekundárním benefitem palivových katalyzátorů je, že částice oxidů kovů vznikající ve spalovacím mohou svými katalytickými účinky přispívat k dokonalejšímu spalování, resp. k nižší tvorbě uhlovodíků, CO a částic již ve spalovacím prostoru. Naopak nevýhodou palivových katalyzátorů je skutečnost, že jejich katalytický potenciál lze předpokládat i při oxidaci paliva přítomného v palivové nádrži.

Pro ověření vlivu palivových katalyzátorů na oxidační stabilitu motorové nafty byla připravena modelová motorová nafta obsahující 7 % obj. metylesterů řepkového oleje (B7), která byla aditivována různými originálními palivovými katalyzátory používanými výrobci automobilů (OEM kapaliny). Kromě „standardní motorové nafty“ byly palivové katalyzátory testovány i na směsné motorové naftě obsahující 30 % obj. metylesterů řepkového oleje (B30). Množství aditiva bylo do motorové nafty dávkováno v souladu s doporučením, resp. praxí výrobce automobilů. Přehled testovaných palivových katalyzátorů je uveden v tab. 1. U neaditivovaných i aditivovaných paliv byla stanovena oxidační stabilita na přístroji PetroOxy dle ASTM D 7545 [1]. 

Tabulka 1:    Přehled OEM palivových katalyzátorů použitých pro aditivaci motorové nafty a směsné motorové nafty.

¹⁾stanoveno v laboratořích VŠCHT Praha

Palivové kondicionéry

Jako palivové kondicionéry jsou v tomto článku označené přísady, které jsou aplikovány přímo do palivové nádrže uživatelem vozidla. Tyto palivové kondicionéry přitom mohou mít být jak kapalné, tak pevné ve formě tablet. U palivových kondicionérů vybraných pro tuto práci byl deklarován efekt snížení spotřeby paliva a snížení emisí polutantů, případně i čistící efekt v palivovém systému a ve spalovacím prostoru. Společným jmenovatelem vybraných palivových kondicionérů je i skutečnost, že dle tvrzení výrobce jsou určeny pro aditivaci benzínu i nafty. Účinek palivových kondicionérů byl vysvětlován především pozitivním účinkem kovu. V jednom případě se jednalo o cer, jehož přítomnost však v jediném testovaném kapalném aditivu nebyla prokázána, ve dvou případech se jednalo o železo ve formě ferrocenu (tab. 2). Vzhledem k tomu, že se dle deklarace jedná o podobné účinné látky, jaké jsou přítomny v originálních OEM palivových katalyzátorech, byl u palivových kondicionérů předpokládán a testován vliv na oxidační stabilitu paliv stejným způsobem jako v případě palivových katalyzátorů. Dvě výše uvedená paliva byla aditivovaná dle doporučení výrobce a následně u nich byla stanovena oxidační stabilita na přístroji PetroOxy dle ASTM D 7545.

Tabulka 2:       Přehled palivových kondicionérů použitých pro aditivaci motorové nafty a směsné motorové nafty.

U většiny výše popsaných aditiv je účinnou látkou ferrocen. Tato organokovová sloučenina je známá spíše jako přísada do automobilových benzínů používaná v minulosti pro zvýšení oktanového čísla. Ferrocen však nedosáhl takového rozšíření jako známější olovnaté antidetonátory. Různé studie totiž prokázaly, že oxidy železa vznikající při spalování ferrocenu působí abrazivně, čímž se zvyšuje opotřebení motoru (především pístní kroužky a stěny válců). Popsány byly i problémy s významným zkrácením životnosti svíček a zanášením lambda sond a katalyzátoru [2,3]. Přístup k používání ferrocenu v benzínu je proto ze strany výrobců automobilů rezervovaný s doporučením, aby obsah železa v benzínu nepřekročil 9 mg∙kg^-1 [3].

Oxidační stabilita aditivovaných paliv

Přítomnost palivových katalyzátorů v motorové naftě (B7) i směsné motorové naftě (B30) se projevila výrazným snížením oxidační stability obou dieselových paliv (viz obr. 1). Jistou výjimku představoval katalyzátor Eolys DPX42, po jehož aplikaci se oxidační stabilita směsné motorové nafty nijak nezměnila a u standardní motorové nafty byl zaznamenán „pouze“ přibližně 20 % pokles. Při aplikaci ostatních aditiv přesáhl pokles oxidační stability ve všech případech 50 % původní hodnoty, přičemž větší snížení bylo pozorováno u standardní motorové nafty s nižším obsahem biosložky (B7).

Po přepočtu výsledků stanovení oxidační staility získané na přístroji PetroOxy na výsledky ekvivalentní testu Rancimat bylo zjištěno, že zatímco před aditivací obě čistá paliva splňovala požadavky na oxidační stabilitu požadované příslušnou normou (ČSN EN 590, resp. ČSN 656508), po aditivaci katalyzátory Eolys 176, Satacen 25 a Infineum F 7995 se oxidační stabilita obou paliv snížila na méně než polovinu minimální předepsané hodnoty (20 hodin). U vybraných vzorků pak byla tato skutečnost potvrzena standardním oxidačním testem Rancimat [4]. V praxi to znamená, že u automobilů vybavených DPF systémem využívajícím palivový katalyzátor dojde okamžitě po natankování paliva k rapidnímu poklesu jeho oxidační stability. Provedené testy tak současně i nepřímo potvrdily katalytické vlastnosti palivových katalyzátorů, které se využívají pro snazší oxidaci uhlíkatých částic. 

Výsledky stanovení oxidační stability paliv aditivovaných palivovými kondicionéry jsou uvedeny na obr. 2. Z obrázku je patrné, že přídavek kondicionérů neměl na oxidační stabilitu směsné nafty (B30) prakticky žádný vliv a téměř bezvýznamná byla i změna oxidační stability standardní motorové nafty (B7), která po aditivaci neklesla pod 90 % původní hodnoty. Vůbec nejmenší změny byly zjištěny při aplikaci kapalného kondicionéru Envirox, u kterého byly deklarovány katalytické účinky „nanočástic oxidu ceričitého“, avšak XRF analýza provedená v laboratořích VŠCHT Praha neprokázala přítomnost ceru ani jiného kovu. Infračervenou spektrometrií bylo dodatečně zjištěno, že se jedná o čistě uhlovodíkový produkt. Není bez zajímavosti, že přípravek Envirox byl podroben provozním testům na Univerzitě obrany v rámci řešení projektu MO v letech 2009-2012. Trochu překvapující bylo, že oxidační stability nebyla významněji snížena ani po aditivaci ostatních dvou kondicionérů (tablety), které obsahovaly okolo 30 % železa. Faktem je, že obsah kovu v palivu byl u těchto palivových kondicionérů při doporučeném dávkování několikanásobně nižší než v případě OEM palivových katalyzátorů. Proto byly provedené dodatečné testy s palivy obsahujícími pětinásobné množství aditiva, než doporučuje výrobce. Při takto vysoké dozaci již byl zaznamenán významnější pokles oxidační stability (obr. 3), který lze však přirovnat pouze k účinkům palivového katalyzátoru Eolys DPX42. Ani v jednom případě neklesla oxidační stabilita pod 60 % původní hodnoty neaditivovaných paliv.

Závěr

Přídavek palivových katalyzátorů do dieselových paliv v rozsahu, který odpovídá standardnímu dávkování, prováděném automaticky elektronikou vozidla po natankování paliva, vedl k razantnímu poklesu oxidační stability aditivovaných paliv. S výjimkou palivového katalyzátoru Eolys DPX 42, u kterého byl zaznamenán pokles oxidační stability paliv nepřesahující 25 %, nedosahovala v ostatních případech oxidační stabilita aditivovaných paliv ani 40 % původní hodnoty. U palivových katalyzátorů lze tedy předpokládat i aktivní funkci nejen při oxidaci částic zachycených na filtru pevných částic, ale i při oxidaci nespálených uhlovodíků a oxidu uhelnatého.

Po aditivaci dieselových paliv doporučeným množstvím testovaných palivových kondicionérů byl pokles oxidační stability paliv téměř bezvýznamný (do 10 %). V jednom testovaném výrobku dokonce nebyl vůbec detekován deklarovaný účinný kov (cer). Zůstává tedy otázkou, zda testované palivové kondicionéry jsou vůbec schopny v doporučené koncentraci zlepšovat spalovací proces a snižovat tak emise oxidovatelných škodlivin (částice, uhlovodíky a oxid uhelnatý), jak deklarují jejich výrobci. 

Literatura

[1] ASTM D7545-14: Oxidation Stability of Middle Distillate Fuels – Rapid Small Scale Oxidation Test (RSSOT).

[2] Worldwide Fuel Charter, Fifth Edition, September 2013.

[3] Gibbs L. et al.: Motor Gasolines Technical Review, Chevron Corporation, 2009.

[4] ČSN EN 15751 – „Methylestery mastných kyselin (FAME) a směsi s motorovou naftou – Stanovení oxidační stability metodou zrychlené oxidace“.

Recenzent: Ing. Pavel Růžička, Ph.D., TOTAL Česka republika, s. r. o., Praha, certifikovaná osoba na funkci Technik diagnostik tribodiagnostik - kategorie III