ПЛАНШЕТ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕТАНОВОГО ИНДЕКСА ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ

Планшет относится к области исследования жидких углеводородных топлив, преимущественно оценки их воспламеняемости в дизельных двигателях, зависящей от цетанового числа или цетанового индекса, и может быть использован при подборе топлива для конкретного двигателя.
Основным требованием к топливам для дизелей является их способность к воспламенению после впрыска в цилиндр без постороннего источника зажигания, а только под воздействием высокой температуры в цилиндре, возникающей при сжатии в нем воздуха. Способность топлив к воспламенению в дизеле оценивается, как правило, цетановым числом (ЦЧ, ед.), определяемым сложным методом с использованием дизельного двигателя (ГОСТ 3122) и эталлоных топлив. В связи с этим определение ЦЧ топлива возможно только в специализированных топливных лабораториях. Фактическая точность метода составляет, как показала статистика, ±4 ед. (ВИНИТИ - экспресс информация. Двигатели внутреннего сгорания. Серия - поршневые и газотурбинные двигатели. - М. - ВИНИТИ. - 1989. - №26. - с.с.15-22).
3
3
Перед авторами была поставлена задача разработать полезную модель в виде планшета для определения цетанового индекса (ЦИ) жидких углеводородных топлив. Наиболее близким техническим решением к полезной модели и взятым за прототип является номограмма определения ЦИ, состоящая из шкалы плотности при температуре 15°С в диапазоне значений от 784 кг/м до 915 кг/м, шкалы температуры выкипания 50% объема (50%-й по объему фракции) топлива в диапазоне значений от 188°С до 300°С, шкалы цетанового индекса в диапазоне значений от 27 ед. до 67 ед. и элемента фиксации взаимосвязи указанных показателей, в качестве которого могла быть линейка, связывающая (пунктирной линией) любые три значения шкал (ГОСТ 27768-88. Топливо дизельное. Определение цетанового индекса расчетным методом).
3
3
Недостатком прототипа являются относительно малые пределы значений всех шкал, не охватывающие весь диапазон значений показателей применяемых в дизельных двигателях товарных топлив. Так, значения плотности остаточных топлив для судовых дизелей при 15°С в соответствии с международным стандартом ISO 8217 могут составлять до 1010 кг/м, а испытываемых остаточных топлив - еще более. Температура выкипания 50% об. этих топлив может значительно превышать указанное в качестве предельного значение 300°С. В многотопливных дизелях могут использоваться бензины с плотностью при температуре 20°С от 700 кг/м и температурой выкипания 50% об. от 90°С. В связи с этим, определение ЦИ по этой номограмме возможно только для небольшого (около 25% от общего) ассортимента применяемых топлив. К числу топлив, для которых по указанной номограмме не может быть определен ЦИ относятся легкие топлива - реактивные (ГОСТ 10227) и бензины (ГОСТ 1012 и ГОСТ 2084), поскольку температура выкипания их 50%-й фракции (50% об.) составляет менее 190°С, указанной в ГОСТ 27768-88 как минимальная для определения ЦИ топлива, и тяжелые дистиллятные (ТУ 38.101567-87) и остаточные топлива (ГОСТ 10585), поскольку их фракционный состав не может быть определен «атмосферным» методом (ГОСТ 2177), предусмотренным прототипом. Фракционный состав остаточных топлив вообще не может быть определен никаким методом, поскольку в них содержится гудрон - остаток нефти после отгона фракций до 575°С. Стандартами на топлива по ТУ 38.101567-87 и ГОСТ 10585 определение фракционного состава не предусмотрено.
Технический результат полезной модели - расширение ассортимента контролируемых жидких углеводородных топлив, цетановый индекс которых может быть определен на основе известных или легко определяемых показателей (плотность, температура выкипания 50% об. топлива или кинематическая вязкость) качества топлив без снижения требований по точности получаемых результатов.
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что планшет для определения цетанового индекса жидких углеводородных топлив, содержащий нанесенные на стандартный лист бумаги в виде номограммы шкалу значений плотности при температуре 15°С, шкалу значений цетанового индекса, шкалу значений температуры выкипания 50% объема топлива и элемент фиксации взаимосвязи показателей анализируемого топлива, согласно полезной модели, шкала значений цетанового индекса имеет диапазон от 0 ед. до 70 ед., шкала значений температуры выкипания 50% объема топлива имеет диапазон от 90°С до 300°С, дополнительно содержит шкалу значений плотности при 20°С с диапазоном от 700 кг/м до 1020 кг/м, совмещенную со шкалой значений плотности при 15°С, которая имеет диапазон от 704 кг/м до 1023 кг/м, шкалу значений кинематической вязкости топлив при 50°С, совмещенную со шкалой значений температуры выкипания 50% об. топлива на участке от 268°С до 300°С с диапазоном значений кинематической вязкости при 50°С на совмещенном участке от 2 мм/с до 3,5 мм/с при общем диапазоне шкалы от 2 мм/с до 1000 мм/с, и размещенную на обратной стороне планшета графическую зависимость кинематической вязкости жидких углеводородных топлив от температуры, диапазон которой составляет от 20°С до 100°С, а диапазон значений кинематической вязкости при 50°С составляет от 2 мм/с до 1000 мм/с, при этом элемент фиксации взаимосвязи значений показателей анализируемого топлива выполнен в виде гибкой нити, жестко закрепленной одним концом в середине кромки планшета, который ламинирован с возможностью свободного размещения гибкой нити с наружной стороны планшета, по периметру которого гибкая нить в период между определениями цетанового индекса закрепляется подвижными фиксаторами, установленными на кромке планшета с возможностью перемещения вдоль его периметра.
На фиг. представлен планшет для определения цетанового индекса жидких углеводородных топлив. Планшет (его лицевая сторона) состоит из представляющих номограмму шкал:
3
3
3
3
1
2
3
4
5
I - шкала плотности при температуре 15°С с диапазоном от 704 кг/м до 1023 кг/м (значения заключены в скобки), совмещенная со шкалой плотности при температуре 20°С с диапазоном от 700 кг/м до 1020 кг/м. Для приводимых ниже примеров №№1, 2, 3, 4, 5 на фиг. планшета до его ламинирования нанесены в виде точек значения плотности при 20°С, которым даны символы (в порядке увеличения номера примера) - «А», «А», «А», «А», «А»;
2
2
2
2
1
2
3
4
5
III - шкала испаряемости топлив, состоящая из шкалы значений температуры выкипания 50% об. топлива с диапазоном от 90°С до 300°С и совмещенной с ней на участке от 268°С до 300°С шкалой кинематической вязкости топлива при 50°С на участке от 2 мм/с до 3,5 мм/с при общем диапазоне шкалы от 2 мм/с до 1000 мм/с. Символы для примеров - соответственно «Б», «Б», «Б», «Б» и «Б»;
1
2
3
4
5
II - шкала цетановых индексов с диапазоном от 0 ед. до 70 ед. и символами для примеров соответственно «B», «В», «В», «В» и «В»;
2
На обратной стороне планшета представлены графические зависимости, нанесенные по согласованным данным международных организаций (Т.Н.Митусова, И.А.Пугач, Н.П.Аверина. Нефтепереработка и нефтехимия. - М. - 2003. - №4. - с.22) для остаточных топлив, имеющих значения кинематической вязкости 10 мм/c и выше при 100°С, а также остальные графические зависимости полученные авторами экспериментально.
Графические зависимости на обратной стороне планшета нанесены на стандартную сетку по ASTM D-341, представляющую собой сплошные линии одинаковой вязкости разных топлив в диапазоне температур от 20°С до 100°С и перпендикулярные им пунктирные линии вязкости разных топлив при одинаковой температуре.
50
В случае, когда требуется определять испаряемость остаточных топлив (например, топливо по ГОСТ 10585) и тяжелых дистиллятных топлив (например, топливо по ТУ 38.101567-87), значения температур выкипания 50% об. топлива (как и остальных показателей фракционного состава) в указанных нормативно-технических документах не указываются, но имеются данные по кинематической вязкости при температурах, отличающихся от 50°С, определяют кинематическую вязкость этих топлив при 50°С (ν) по обратной стороне планшета на основе имеющихся данных при других температурах. Эта вязкость необходима для определения ЦИ по лицевой стороне планшета. Для определения этой вязкости на обратной стороне планшета находят точку, соответствующую значению кинематической вязкости анализируемого топлива при известной температуре и проводят через нее линию, параллельную линии, для которой значение кинематической вязкости является ближайшим при той же температуре к значению для анализируемого топлива. В месте пересечения проведенной линии с пунктирной линией значений кинематической вязкости топлив при температуре 50°С определяют необходимое значение кинематической вязкости анализируемого топлива при 50°С. Для примеров №4 и №5 ближайшими являются известные линии, отмеченные соответственно цифрами 1 и 2.
50
50
2
Использование показателя ν в заявляемом планшете позволяет определять ЦИ наиболее тяжелых из применяемых в дизелях остаточных топлив, имеющих ν до 700 мм/с. Это расширяет в сравнении с прототипом ассортимент топлив, для которых может быть определен ЦИ.
3
3
Расширение ассортимента топлив от бензинов до реактивных топлив достигнуто за счет изменения формы шкалы III с линейной на степенную, ее диапазона (уменьшения нижнего предела от 190°С у прототипа до 90°С), а также снижения плотности топлива с 790 кг/м до 704 кг/м при 15°С.
На кромке планшета в центре закреплен (как вариант - водостойким клеем) один конец элемента фиксации взаимосвязи значений показателей топлива, выполненного в виде отрезка (как вариант - рыболовной лески толщиной 0,20±0,05 мм. и длиной 500±50 мм. цветной или окрашенной, например, стойкой пастой канцелярского маркера).
После ламинирования планшета, повышающего его прочность и устойчивость к факторам окружающей среды, по его периметру устанавливаются подвижные фиксаторы (как вариант - канцелярские скрепки), обеспечивающие крепление гибкой нити по краям периметра планшета в период между его использованием, а сам планшет для хранения помещается в стандартную обложку (уголок) для документов формата А4, изготовленную из гибкого прозрачного пластика.
20
50
50
Суть заявляемого планшета заключается в том, что зная плотность топлива при 20°С (ρ), температуру выкипания его 50% об. (t) или кинематическую вязкость при 50°С (ν), а также его ЦИ можно уверенно рекомендовать топливо к использованию в конкретном дизельном двигателе.
20
15
50
Планшет для определения ЦИ анализируемого топлива используется следующим образом, изложенным в приводимых примерах. При этом до ламинирования фиг. необходимые для определения точки на шкалах I и III лицевой стороны фиг. находят и наносят на фиг., а также наносят с использованием линейки линии взаимосвязи точек. Для реактивного топлива ρ приводят по паспортным данным, для остальных топлив - по паспортным данным или по пересчету с температуры ρ по шкале I, для бензинов она определяется экспериментально, поскольку не нормируется. Температура t приводится в паспортных данных для всех указанных топлив, кроме тяжелых дистиллятных и остаточных топлив. Вместо нее для характеристики испаряемости в паспортных данных приводится кинематическая вязкость при разных температурах. Пересчет ее со значений при этих температурах на значения при температуре 50°С производится по обратной стороне фиг. приемами, показанными в примерах №4 и №5.
20
50
50
После нахождения значений ρ, t или ν, с использованием линий взаимосвязи указанных показателей, определяют ЦИ топлива, после чего фиг. ламинируют. По образцам топлива, не использованным в приводимых примерах, найденные (путем, аналогичным для приводимых примеров) необходимые значения показателей на планшет не наносят, а нанесенные в примерах линии взаимосвязи показателей на обеих сторонах фиг. заменяют выпрямленной натяжением гибкой нитью.
Пример 1.
50
Требуется определить ЦИ бензина А-76, имеющего по паспортным данным t, равную 90°С.
3
3
1
1
1
Определяют по ГОСТ 3900 плотность анализируемого бензина, которая равна 710 кг/м при 20°С. На шкале I (фиг.) находят значение плотности 710 кг/м при 20°С и наносят точку «А». На шкале III находят температуру 90°С выкипания 50% об. бензина и наносят на шкалу точку «Б». В месте пересечения линией шкалы II получают точку «В», значение ЦИ в которой равно 18 ед.
Зная плотность бензина при 20°С и температуру выкипания 50% его объема, делают вывод, что он может быть использован только в многотопливном дизельном двигателе наземной техники кратковременно (из-за повышенных износов деталей).
Пример 2.
3
Требуется определить ЦИ реактивного топлива Т-2, имеющего по паспортным данным плотность 772 кг/м при 20°С и температуру 165°С выкипания 50% его объема.
3
2
2
2
2
2
На шкале I находят значение плотности 772 кг/м при 20°С и наносят точку «А». На шкале III находят температуру 165°С выкипания 50% об. топлива и наносят точку «Б». Соединяют прямой линией точки «А» и «Б». В месте пересечения линией шкалы II получают точку «В», значение ЦИ в которой равно 43 ед.
Зная плотность топлива Т-2 при 20°С и температуру выкипания 50% его объема делают вывод, что оно может быть применено в быстроходном дизеле наземной техники кратковременно (из-за повышенных износов деталей, вызванных большим количеством испарившегося топлива в начальный период после его подачи в цилиндр и относительно малого ЦИ, приводящих к повышенной жесткости работы двигателя).
Пример 3.
3
Требуется определить ЦИ дизельного топлива Л-62, имеющего по паспортным данным плотность 838 кг/м при 20°С и температуру 275°С выкипания 50% его объема.
3
3
3
3
3
3
На шкале I находят значение плотности 838 кг/м при 20°С и наносят точку «А». На шкале III находят температуру 275°С выкипания 50% об. топлива и наносят точку «Б». Соединяют прямой линией точки «А» и «Б». В месте пересечения линией шкалы II получают точку «В», значение ЦИ в которой равно 54 ед.
Зная плотность топлива Л-62 при 20°С и температуру выкипания 50% его объема, делают вывод, что оно может всесезонно применяться в объеме полного ресурса в судовом быстроходном дизеле и только в летнее время в быстроходном дизеле наземной техники (из-за засорения фильтров твердыми парафинами в зимнее время вследствие высокой температуры выкипания 50% об. топлива).
Пример 4.
3
2
Требуется определить ЦИ тяжелого дистиллятного судового топлива ТМС, имеющего по паспортным данным плотность 870 кг/м при 15°С и кинематическую вязкость 7,5 мм/с при 20°С.
3
3
2
2
2
2
2
4
4
4
4
4
На шкале I находят значение плотности 870 кг/м при 15°С, которое составляет при 20°С 867 кг/м и наносят на шкалу точку «А». На обратной стороне фиг. планшета находят известное значение кинематической вязкости 7,5 мм/с при 20°С и обозначают его точкой «Г». Через точку «Г» проводят линию, параллельную известной линии, обозначенной цифрой «1», как ближайшей по значению кинематической вязкости (8 мм/с) при той же температуре (20°С) к кинематической вязкости (7,5 мм/с) анализируемого топлива. В месте пересечения проведенной через точку «Г» линии с обозначенной пунктиром линией значений кинематической вязкости топлив при 50°С находят точку «Д», отвечающую значению искомой кинематической вязкости (3,4 мм/с) при 50°С анализируемого топлива. Найденное значение кинематической вязкости (3,4 мм/с) при 50°С наносят на шкалу III лицевой стороны планшета и получают точку «Б». Соединяют прямой линией точки «А» и «Б» и в месте пересечения шкалы II находят точку «В», которой соответствует значение ЦИ, равное 47 ед.
По значениям плотности топлива при 20°С, кинематической вязкости при 50°С и ЦИ делают вывод, что топливо может быть применено в среднеоборотном судовом двигателе. В быстроходном дизеле при его применении возникнут проблемы с работоспособностью топливных систем и распылом топлива форсунками из-за повышенной кинематической вязкости, поскольку в топливных системах быстроходных дизелей отсутствуют средства подогрева топлива.
Пример 5.
3
2
Требуется определить ЦИ остаточного топлива (мазута марки 40), имеющего по паспортным данным плотность 940 кг/м при температуре 20°С и кинематическую вязкость 22 мм/с при 80°С.
3
2
2
2
5
5
5
5
5
На шкале I находят значение плотности 940 кг/м при 20°С и наносят точку «А». На обратной стороне планшета находят известное для анализируемого топлива значение кинематической вязкости 22 мм/с при 80°С, обозначая его буквой «Е». Определяют, что ближайшим к нему значением кинематической вязкости 28 мм/с при 80°С обладает известное топливо, обозначенное цифрой «2». Через точку «Е» проводят линию, параллельную линии, обозначенной цифрой «2», до пересечения ее с пунктирной линией значений кинематической вязкости топлив при 50°С и находят точку «Ж», которой соответствует искомое значение кинематической вязкости 75 мм/с при 50°С анализируемого топлива. Найденное значение наносят на шкалу III лицевой стороны фиг. планшета, обозначая его буквой «Б». Соединяют прямой линией точки «А» и «Б» и в месте ее пересечения со шкалой II находят точку «В». Этой точке соответствует искомое значение ЦИ анализируемого топлива, равное 37,5 ед.
По значениям плотности топлива при 20°С, кинематической вязкости при 50°С и ЦИ делают вывод, что топливо может быть применено в судовом малооборотном дизельном двигателе. Для среднеоборотного двигателя топливо непригодно из-за более низкого значения ЦИ, чем требуется (не ниже 40 ед.), что привело бы к повышенным износам деталей цилиндро-поршневой группы и, соответственно, снижению ресурса двигателя.
Ряд образцов товарных топлив, представляющих весь их ассортимент (от бензина до остаточного), был испытан на воспламеняемость по ЦИ (для планшета и прототипа) и по ЦЧ по базовому (моторному) методу. Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Результаты испытаний воспламеняемости топлив по цетаному индексу (по планшету и прототипу) и цетановому числу по базовому (моторному) методу.
Номер образца топлива
Плотность (ρ, кг/м<sup>3</sup>) при температуре, °С
Температуры выкипания по ГОСТ 2177 50% об. топлив (t<sub>50</sub>), °С
Кинематическая вязкость при 50°С (ν<sub>50</sub>), мм<sup>2</sup>/с
Цетановое число (ЦЧ, ед.) по базовому (моторному) методу ГОСТ 3122
Цетановый индекс (ЦИ, ед.)
Отклонение ЦИ от ЦЧ, ед.
По прототипу
По планшету
По прототипу
По планшету
15
20
На основе ρ<sub>20</sub> и t<sub>50</sub>
На основе ρ<sub>20</sub> и ν<sub>50</sub>
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Дизельные топлива
1
842
838
275-
-
54,0
51,5
54,0
-
2,5
0
2
837
833
274
-
54,0
53,2
56,0
-
0,8
2,0
3
811
807
203
-
45,0
41,8
45,0
-
3,2
0
4
805
801
199
-
47,0
41,6
45,0
-
5,4
2,0
5
856
852
279
-
46,0
48,0
48,0
-
2,0
2,0
Утяжеленные дизельные топлива
6
900
897
272
-
29,2
35,0
27,0
-
5,8
2,2
7
865
862
291
-
46,0
45,0
47,0
-
1,0
1,0
Реактивные топлива
8
776
772
165
-
43,0
о/н<sup>*)</sup>
43,0
-
о/н
1,0
9
791
787
186
-
45,8
о/н
46,0
-
о/н
0,2
10
792
788
163
-
37,0
о/н
35,0
-
о/н
2,0
11
811
807
192
-
40,4
о/н
40,0
-
о/н
0,4
Бензины
12
714
710
90
-
о/н
о/н
18,0
-
о/н
о/н
13
770
766
119
-
о/н
о/н
19,0
-
о/н
о/н
14
792
788
124
-
о/н
о/н
15,0
-
о/н
о/н
15
794
790
126
-
о/н
о/н
14,0
-
о/н
о/н
Тяжелые дистиллятные топлива<sup>**)</sup>
16
882
879
-
4,5
45,0
о/н
-
46,5
о/н
1,5
17
870
867
-
3,4
47,0
о/н
-
47,5
о/н
0,5
Остаточные топлива<sup>**)</sup>
18
953
950
-
100,0
37,0
о/н
-
35,0
о/н
2,0
19
915
912
-
11,8
40,0
о/н
-
41,5
о/н
1,5
20
943
940
-
75,0
37,5
о/н
-
37,5
о/н
0
21
990
987
-
600,0
25,0
о/н
-
27,0
о/н
2,0
22
1013
1010
421,0
о/н
о/н
-
15,0
о/н
о/н
Примечания:
*) - “о/н” означает: «определение невозможно».
**) - определение температуры выкипания50% об. по ГОСТ 2177 невозможно.
3
2
Из приведенных в таблице данных следует, что по заявляемому планшету определяется воспламеняемость (ЦИ) 100% образцов топлив, начиная от самых легких (бензины) и кончая самыми тяжелыми (остаточные), столбцы 8 и 9. Их ЦИ составляет от 14 ед. до 56 ед. По базовому способу определяется ЦЧ только 77% представленных образцов топлива (столбец 6). По нему не определяется ЦЧ бензинов и образца остаточного топлива с очень высокой плотностью (1010 кг/м при 20°С) при относительно небольшой кинематической вязкости (421 мм/с при 50°С) - образец №22. В то же время, ЦП этого топлива, определенный по планшету, составляет 15 ед.
По прототипу ЦИ определяется только для 32% представленных образцов (столбец 7), т.е. он существенно уступает изобретению по ассортименту топлив, для которых может быть определен ЦИ. По точности определения ЦИ по прототипу также существенно уступает изобретению. Так, отклонение ЦИ по прототипу от ЦЧ по базовому методу составляет до 5,8 ед. (столбец 10), что превышает фактическую точность базового метода (±4,0 ед.), в то время как отклонение ЦИ по планшету составляет не более ±2,2 ед. (столбец 11), что находится в пределах фактической точности базового метода.
Таким образом, данные, полученные с использованием изобретения превосходят прототип как по расширению ассортимента топлив, для которых возможно определение ЦИ, как и по точности определения ЦИ. В сравнении с базовым методом изобретение по точности определения воспламеняемости по ЦИ равноценно определению ЦЧ, но по расширению ассортимента топлив, для которых возможно определение воспламеняемости, и доступности определения существенно выше. ЦИ по изобретению в отличие от ЦЧ по базовому методу может быть определен как в полевых, так и в морских условиях, что обеспечивается использованием известных или определяемых в любой топливной лаборатории физических показателей качества топлив, ламинированием бумажного листа планшета и использованием его гибкой нити, обеспечивающих стойкость его к воздействию окружающей среды.
Получив значение ЦИ для конкретного топлива и зная его плотность и испаряемость, можно с уверенностью судить о пригодности топлива для конкретного дизельного двигателя.
Применение изобретения позволяет выполнить поставленную перед авторами задачу - расширить ассортимент жидких углеводородных топлив до полного (т.е. от бензина до остаточного), воспламеняемость которых может быть определена по ЦИ без снижения точности не только в сравнении с ЦИ по прототипу, но и в сравнении с ЦЧ по базовому (моторному) методу на основе имеющихся или легко определяемых в любой топливной лаборатории показателей качества топлива.