Способ оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию
METHOD FOR ASSESSING THE TENDENCY OF DIESEL FUELS TO CARBON FORMATION

Изобретение относится к исследованию эксплуатационных свойств топлив различного компонентного, углеводородного и фракционного состава и, в частности, к оценке склонности дизельных топлив к нагарообразованию с использованием двигателя внутреннего сгорания со сжатием воздуха и последующей подачей топлива с самовоспламенением и может быть использовано в научно-исследовательских организациях, лабораториях нефтеперерабатывающих заводов и в организациях, занимающихся исследованиями различных видов топлив для дизельных двигателей.
Склонность дизельных топлив к нагарообразованию характеризует способность дизельного топлива образовывать на поверхности деталей камеры сгорания нагар - высокотемпературные углеродистые отложения [1 - Энциклопедия химмотологии / Н.Н. Гришин, В.В. Середа. - М: Издательство «Перо», 2016. - С. 565-568]. Дизельные топлива, вырабатываемые с использованием различных процессов нефтепереработки, могут значительно различаться по уровню склонности к нагарообразованию. Применение дизельных топлив с высокой склонностью к нагарообразованию приводит к повышенному нагарообразованию на поверхности днища поршня и стенок камеры сгорания. Нагар является одной из основных причин появления неисправностей в двигателе. Повышенное нагарообразование способствует перегреву поршней, увеличению износа деталей цилиндропоршневой группы, преждевременному выходу из строя сажевого фильтра, попаданию в моторное масло частиц нагара и т.п. Все это, в свою очередь, приводит к снижению надежности, экономичности и мощности двигателей, увеличивается износ его деталей, интенсифицируются процессы окисления моторного масла, возрастает расход масла на угар, повышаются токсичность и дымность отработавших газов.
Перед авторами стояла задача - разработать способ, позволяющий оценить склонность дизельных топлив к нагарообразованию с высокой достоверностью, который мог бы быть реализован для техники двойного назначения (военной и гражданской) на доступном отечественном оборудовании.
Количественную оценку склонности дизельных топлив к нагарообразованию проводят с помощью лабораторных и моторных методов. При этом, как правило, лабораторные методы являются «косвенными» методами оценки склонности к нагарообразованию, так как условия проведения испытаний по данным методам не воспроизводят реальные условия, протекающие в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. Моторные методы являются «прямыми» и реализуются на полноразмерных одноцилиндровых или многоцилиндровых двигателях, которые приближают условия испытаний к реальным условиям эксплуатации.
При просмотре источников научно-технической и патентной информации были выявлены технические решения, частично (косвенно) позволяющие определять склонность дизельных топлив к нагарообразованию.
Известен лабораторный метод косвенной оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию по показателю «зольность», заключающийся в сжигании образца анализируемого топлива, прокаливании полученного твердого остатка до твердой массы, определении массы остатка и расчете значения зольности [2 - ГОСТ 1461-75 Нефть и нефтепродукты. Метод определения зольности. - Введ. 1976-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 5 с]. Однако зольность является косвенным показателем склонности дизельного топлива к нагарообразованию и характеризует содержание в топливе минеральных неорганических примесей и различных неорганических солей.
Известен также лабораторный способ косвенной оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию по показателю «коксуемости 10%-ного остатка», заключающийся в определении массовой доли в процентах остатка навески анализируемого топлива в тигле после ее выпаривания, пиролиза и коксования при интенсивном нагревании [3 - ГОСТ 19932-99 Нефтепродукты. Определение коксуемости методом Конрадсона. - Введ. 2001-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 11 с]. Коксуемость 10%-ного остатка характеризует склонность топлива к образованию углеродистых отложений при сгорании в двигателе.
Известен лабораторный способ оценки склонности моторных топлив к образованию высокотемпературных отложений, включающий подачу анализируемого топлива с заданной высоты в капельно-жидком состоянии при атмосферном давлении через нагретый воздух на нагреваемую оценочную пластину, установленную под наклоном. При этом расстояние от точки подачи топлива до пластины выбирается исходя из группы анализируемого топлива. После испытаний замеряют массу отложений, образованных на пластине и дают оценку склонности топлива к образованию высокотемпературных отложений [4 - Патент 2624848 РФ МПК G01N 33/22].
Общим недостатком данных способов является низкая информативность получаемых результатов применительно к оценке склонности дизельных топлив к нагарообразованию. Полученные результаты не позволяют спрогнозировать количество нагара, образуемого в камере сгорания полноразмерного дизельного двигателя, так как условия проведения испытаний не воспроизводят процесс горения топлива в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее информативными способами оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию являются моторные методы, которые, как правило, реализуются на базе полноразмерных или модельных двигателей и воспроизводят процесс горения топлива в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Известен метод ускоренных испытаний дизеля на нагарообразование в цилиндре, заключающийся в проведении испытаний дизельного двигателя в условиях специального рабочего цикла с трехразовой раздельной подачей топлива. Перед проведением испытаний проводят специальную подготовку поверхности деталей цилиндропоршневой группы, заключающуюся в нанесении теплоизолирующего покрытия. После испытаний проводят частичную разборку двигателя и проводят количественную и качественную оценку нагароотложений [5 - А.с. №1114813 СССР МПК F02M 65/00].
Недостатками данного метода являются высокая трудоемкость испытаний, связанная с нанесением перед испытанием на рабочие поверхности деталей цилиндропоршневой группы теплоизолирующего специального покрытия и реализацией трехразовой раздельной подачи топлива, а также низкая достоверность результатов оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию, вызванная тем, что на результат испытаний влияет моторное масло, которое, попадая в камеру сгорания в результате насосного действия поршневых колец, под воздействием высоких температур также образует нагары на поверхности деталей камеры сгорания.
Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности и взятым за прототип является способ оценки нагарообразующей способности дизельных топлив, керосинов и масел на установке ИТ9-3, предназначенной для определения цетанового числа дизельных топлив. Способ заключается в определение массы нагара на специальном нагарнике, который перед испытанием взвешивают и размещают в предкамере двигателя моторной установки на днище поршня механизма изменения степени сжатия. Испытания проводят при стандартном режиме работы установки ИТ9-3 и степени сжатия, равной 14±0,5, в течение 600 с. После остановки двигателя извлекают из него механизм изменения степени сжатия, снимают нагарник, охлаждают его, взвешивают и по разнице масс нагарника до и после испытаний делают вывод о склонности анализируемого топлива к нагарообразованию [6 - Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив / А.А. Гуреев, Е.П. Серегин, B.C. Азев. - М.: Химия, 1984. - С. 112 -прототип].
Стандартный режим работы моторной установки ИТ9-3 в соответствии с ГОСТ 3122 характеризуется следующими параметрами [7 - ГОСТ 3122-67 Топлива дизельные. Метод определения цетанового числа. - Введ. 1968-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 12 с. ]:
-1
- частота вращения коленчатого вала двигателя: 15±0,15 с,
- угол опережения впрыска топлива: 13 град поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки,
3
- количество подаваемого в двигатель топлива: 0,22±0,08 см/с,
- температура охлаждающей жидкости 100±2°С,
- температура форсунки 38±3°С,
- температура воздуха на впуске в двигатель 65±1°С,
- температура масла в картере 50-65°С.
Несмотря на исключение попадания в камеру сгорания моторного масла, способ-прототип обладает недостатками - низкой достоверностью и информативностью получаемых результатов, вызванной несоответствием условий испытаний условиям работы и характеристикам современных дизельных двигателей.
Технический результат изобретения - повышение достоверности и информативности оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию за счет приближения условий испытаний к реальным условиям работы современных дизельных двигателей.
-1
3
Указанный результат достигается тем, что в известном способе оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию, включающем работу двигателя моторной установки на анализируемом дизельном топливе в течение заданного отрезка времени и заданного значения степени сжатия двигателя при частоте вращения коленчатого вала 15±0,15 с с углом опережения впрыска топлива 13 град до верхней мертвой точки и количеством подаваемого в двигатель топлива 0,22±0,08 см/с при температуре охлаждающей жидкости 100±2°С, температуре форсунки 38±3°С, температуре воздуха на впуске в двигатель 65±1°С, температуре масла в картере 50-65°С, и оценку склонности анализируемого топлива к нагарообразованию по количеству нагара на нагарнике, размещаемом в предкамере двигателя моторной установки на днище поршня механизма изменения степени сжатия, согласно изобретению, степень сжатия двигателя задают равную 18,0 ед., испытания проводят в течение 300±10 с, а перед проведением испытаний анализируемого топлива дополнительно осуществляют испытания в идентичных условиях контрольного топлива, состоящего из смеси декагидронафталина и н-гексадекана взятых в объемном соотношении 4:1, при этом склонность анализируемого топлива к нагарообразованию оценивают по коэффициенту нагарообразования, рассчитываемому по следующей зависимости:
где  - коэффициент нагарообразования, ед.;
- масса нагара на нагарнике, полученная на анализируемом топливе, мг;
- масса нагара на нагарнике, полученная на контрольном топливе, мг.
Техническая сущность изобретения заключается в том, что условия испытаний приближены к реальным условиям работы и характеристикам современных дизельных двигателей (степень сжатия двигателя моторной установки увеличена относительно условий испытаний в прототипе и равна 18,0 ед.) при уменьшении продолжительности испытаний (составляет 300±10 с), что обеспечивает повышение достоверности оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию. Кроме того, существенным признаком, отличающим заявляемый способ от аналогов и прототипа, является проведение испытаний контрольного топлива в идентичных условиях, что позволяет получить относительный показатель «коэффициент нагарообразования», рассчитываемый как отношение массы нагара на нагарнике на анализируемом топливе к массе нагара на нагарнике на контрольном топливе. Коэффициент нагарообразования характеризует уровень склонности анализируемого топлива к нагарообразованию по отношению к контрольному топливу, склонность к нагарообразованию которого минимально возможная по отношению к товарным дизельным топливам.
Заявленный способ оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию реализован на моторной установке ИДТ-90, которая представляет собой модернизированную версию установки ИТ9-3. Двигатель установки ИДТ-90 также выполнен с разделенными камерами сгорания и имеет предкамеру, в которую устанавливается сменный нагарник.
За счет задания значения степени сжатия двигателя моторной установки, равной 18,0 ед., которое характерно для современных дизельных двигателей, обеспечивается приближение условий испытаний к реальным условиям работы современных дизельных двигателей.
Степень сжатия - это отношение полного (рабочего) объема цилиндра к объему камеры сгорания (при нахождении поршня в верхней мертвой точке). Степень сжатия является одним из основных конструктивных показателей двигателя внутреннего сгорания, который определяет параметры рабочего тела в конце процесса сжатия и, как следствие этого, протекание всего рабочего процесса [8 - Основы теории и расчета автотракторных двигателей / P.M. Баширов. - Уфа: БашГАУ, 2010. - С.99-100; 9 -Энергетические установки и машин. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. пособие / А.В. Николаенко, B.C. Шкрабак. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004. -С.10-11.].
На образование нагара значительное влияние оказывает продолжительность работы двигателя. При работе двигателя на постоянном режиме количество нагара увеличивается до определенного значения, а затем его рост прекращается и устанавливается своеобразное равновесие; в дальнейшем, в зависимости от режима и условий эксплуатации двигателя, количество нагара на деталях может расти, уменьшаться или оставаться постоянным. При этом нагар на поверхности деталей может накапливаться только до определенного количества, что при прочих равных условиях во многом определяется формой поверхности. Далее в результате воздействия гидрогазодинамических процессов, протекающих в камере сгорания, частички нагара отделяются от поверхности и с отработавшими газами удаляются из камеры сгорания. Поэтому целесообразным представлялось установить оптимальное значение продолжительности испытаний, при котором на рабочей поверхности обеспечивалось бы равномерное образование нагара. Это, создало бы дополнительные условия для обеспечения высокой сходимости получаемых результатов, что в конечном счете обеспечило бы высокую достоверность оценки склонности анализируемого топлива к нагарообразованию.
Экспериментальным путем было установлено, что лучшей сходимостью результатов оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию топлив на моторной установке ИДТ-90 обладают результаты, полученные при продолжительности испытаний 300±10 с (таблица 1).
Так, после работы установки на товарном зимнем дизельном топливе класса 3 экологического класса 5 марки ДТ-3-К5 по ГОСТ 32511-2013 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия» в течении 300±10 с разница между максимальным (29,0 мг) и минимальным (26,0 мг) значениями массы нагара на нагарнике составила 3 мг. При работе в течении 600±10 с - 12,2 мг (максимальное значение - 56,6 мг, минимальное - 44,4 мг), а в течении 900±10 с - 20,9 мг (максимальное значение - 57,6 мг, минимальное - 36,7 мг). При этом степень сжатия во время проведений всех испытаний была равна 18,0 ед.
Использование коэффициента нагарообразования при оценке склонности дизельных топлив к нагарообразованию позволило повысить информативность заявляемого способа.
Коэффициент нагарообразования - это относительный показатель, рассчитываемый как отношение массы нагара на нагарнике на анализируемом топливе к массе нагара на нагарнике на контрольном топливе:
где  - масса нагара, полученная на анализируемом топливе, мг;
- масса нагара, полученная на контрольном топливе, мг
Применение данного показателя обеспечивает получение более полной информации, необходимой при прогнозировании эксплуатационных свойств дизельных топлив, так как коэффициент нагарообразования характеризует уровень склонности анализируемого топлива к нагарообразованию по отношению к контрольному топливу, склонность к нагарообразованию которого минимально возможная по отношению к товарным дизельным топливам. Коэффициент нагарообразования показывает во сколько склонность к нагарообразованию анализируемого топлива больше склонности к нагарообразованию контрольного топлива. Используя данный показатель, становится возможным ранжировать дизельные топлива друг относительно друга по склонности к нагарообразованию.
Для определения коэффициента нагарообразования перед испытанием анализируемого дизельного топлива проводят испытания контрольного топлива в идентичных условиях - на одних и тех же режимах и в один день.
Контрольное топливо представляет собой двухкомпонентную смесь, состоящую из декагидронафталина (декалина) и н-гексадекана (цетана) в объемном соотношении 4:1. Данное соотношение подобрано экспериментально.
При подборе состава контрольного топлива руководствовались тем, что масса нагара на нагарнике на таком топливе должна быть минимальной по отношению к товарным дизельным топливам. Проведенные испытания различных видов товарных дизельных топлив показали, что наименьшая масса нагара на нагарнике образуется при работе на арктическом дизельном топливе и составляет 17,1±0,6 мг. В результате испытаний контрольного топлива, состоящего из декагидронафталина (декалина) и н-гексадекана (цетана) в объемном соотношении 4:1, было получено аналогичное значение массы нагара на нагарнике - 17,1±0,6 мг.
При этом используемые в качестве компонентов контрольного топлива декагидронафталин и н-гексадекан являются доступными на рынке и получили широкое распространение при проведении испытаний по определению цетанового числа дизельных топлив.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Пример. Необходимо оценить склонность товарного летнего дизельного топлива сорта С экологического класса К5 марки ДТ-Л-К5 по ГОСТ 32511 к нагарообразованию.
Перед проведением испытаний подготавливают контрольное топливо путем смешивания декагидронафталина и н-гексадекана в объемном соотношении 4:1.
Проверяют техническое состояние моторной установки ИДТ-90.
Подготавливают нагарники. Количество нагарников подготавливают из расчета, что для проведения испытания одной пробы топлива необходимо два нагарника.
Конструктивно моторная установка ИДТ-90 оснащена тремя топливными бачками. Поэтому в первый топливный бачок заливают прогревочное топливо (в качестве прогревочного топлива можно использовать товарное летнее дизельное топливо сорта С экологического класса К5 марки ДТ-Л-К5 по ГОСТ 32511), во второй - контрольное топливо, а в третий - анализируемое топливо.
Осуществляют прогрев двигателя моторной установки ИДТ-90 при работе на прогревочном топливе в течение 1 ч, до достижения температуры охлаждающей жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя, значения (100±2)°С.
После нагрева охлаждающей жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя, до температуры (100±2)°С проверяют по показаниям термометра температуру форсунки, которая должна находиться в пределах (38±3)°С, и, при необходимости, регулируют краном, подающим воду в рубашку охлаждения форсунки.
3
Переключатель подачи топлива из топливных бачков переключают на второй бачок с контрольным топливом, на котором двигатель должен отработать не менее 10 мин для смены топлива в топливной системе установки, после чего устанавливают объемный расход контрольного топлива в двигателе и угол опережения впрыска топлива равные соответственно 0,22±0,08 см/с и 13 град до верхней мертвой точки.
Далее переключатель подачи топлива устанавливают в нейтральное положение, выключают нагрев воздуха и останавливают двигатель.
Отсоединяют от предкамеры механизм изменения степени сжатия. Удаляют кистью (при необходимости используют медный скребок) нагар с внутренней поверхности предкамеры, днища поршня механизма изменения степени сжатия и форсунки. Закрепляют винтом подготовленный нагарник на днище поршня механизма изменения степени сжатия и устанавливают собранный механизм изменения степени сжатия на место.
После установки механизм изменения степени сжатия с закрепленным на его поршне нагарником на место выставляют с помощью ручного маховика степень сжатия равную 18,0 ед. и приступают непосредственно к проведению испытаний.
Вначале проводят испытания контрольного топлива.
Включают приводной электромотор двигателя, подогреватель воздуха, подаваемого в двигатель, и прокручивают двигатель без подачи топлива до достижения температуры воздуха на впуске в камеру сгорания (65±1)°С.Затем включают одновременно подачу контрольного топлива и секундомер.
Время включения подачи топлива записывают в протокол испытания как время начала испытания с точностью до секунд.
Испытание проводят на режиме работы установки с параметрами, приведенными в таблице 2.
Через 300±10 с после начала испытаний отключают подачу контрольного топлива из топливного бачка, выключают нагрев воздуха и останавливают двигатель.
Отсоединяют от предкамеры механизм изменения степени сжатия, отворачивают крепежный винт нагарника и с помощью пинцета снимают нагарник с поршенька. Нагарник помещают в эксикатор.
Проводят очистку от нагара внутренней поверхности предкамеры, днища поршенька механизма изменения степени сжатия и форсунки и устанавливают на поршенек второй нагарник.
Устанавливают механизм изменения степени сжатия на место и повторяют испытание.
После завершения испытаний контрольного топлива проводят испытание анализируемого топлива в той же последовательности.
После каждой замены нагарника с нагаром на чистый первый помещают в эксикатор для остывания. После выдерживания нагарников в эксикаторе в течение 120 мин взвешивают каждый нагарник на весах, результаты взвешивания заносят в протокол испытания с точностью до 0,1 мг. За результат испытаний принимают среднее арифметическое двух определений.
В таблице 3 приведены результаты определения склонности товарного летнего дизельного топлива сорта С экологического класса К5 марки ДТ-Л-К5 по ГОСТ 32511 к нагарообразованию.
Подставляя средние значения массы нагара на нагарнике на анализируемом и контрольном топливах из таблицы 3 в формулу расчета коэффициента нагарообразования, получаем его значение для анализируемого топлива - 2,222 ед.
В таблице 4 приведены результаты сравнительных испытаний различных видов дизельного топлива.
Из анализа данных таблицы 4 следует, что результаты, получаемые с помощью заявляемого способа не противоречат имеющимся литературным данным, свидетельствующим о том, что с увеличением содержания ароматических углеводородов и «утяжелением» фракционного состава склонность топлива к нагарообразованию повышается.
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить достоверность и информативность оценки склонности дизельных топлив к нагарообразованию за счет приближения условий испытаний к реальным условиям работы современных дизельных двигателей, а также за счет использования при оценке полученных результатов относительного показателя - коэффициента нагарообразования, характеризующего уровень склонности анализируемого топлива к нагарообразованию по отношению к контрольному топливу, склонность к нагарообразованию которого минимально возможная по отношению к товарным дизельным топливам.