Способ оценки склонности моторных топлив к образованию высокотемпературных отложений
METHOD OF ESTIMATION OF MOTOR FUEL TENDENCY TO HIGH TEMPERATURE DEPOSITS GENERATION

Изобретение относится к методам испытаний нефтепродуктов, преимущественно к оценке склонности к отложениям дистиллятных топлив, и может быть использовано в научно-исследовательских организациях, в лабораториях нефтеперерабатывающих заводов и в организациях, занимающихся разработкой и применением моторных топлив.
Топливо в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС) образует различные высокотемпературные отложения (лаки, нагары) на форсунках, впускных и выпускных клапанах, на поверхности поршней и стенках камеры сгорания, на поршневых кольцах.
Образующиеся на стенках камеры сгорания и поршне высокотемпературные отложения (далее - ВТО) увеличивают степень сжатия, ухудшают отвод тепла, повышают тепловую напряженность, способствуют преждевременному воспламенению рабочей смеси. Отложения на поршневых кольцах приводят к их пригоранию и потере компрессии, что отрицательно влияет на работу двигателя: снижает его безотказность, долговечность, топливную экономичность.
Количество и характер отложений в двигателе зависят от состава и свойств моторного топлива, конструкции двигателя, а также условий эксплуатации.
Склонность топлив к образованию ВТО оценивают по показателям, характеризующим склонность к нагарообразованию (лабораторные методы и модельные установки) и склонность к отложениям во впускной системе и системе впрыска (модельные установки).
В области оценки склонности топлив к нагарообразованию известны:
способ, заключающийся в сжигании испытуемого топлива в тиглях и прокаливании твердого остатка до постоянной массы (1 - ГОСТ 1461-75. Нефть и нефтепродукты. Метод определения зольности);
способ, заключающийся в оценке способности топлива образовывать в условиях нагрева без доступа воздуха углеродистый остаток (кокс) (2 - ГОСТ 19932-74. Нефтепродукты. Метод определения коксуемости).
В качестве общих недостатков отметим, что эти способы не позволяют оценивать склонность топлив к отложениям на поверхности каталитически активного материала. Способы обеспечивают только косвенную оценку свойства по количеству несгоревшего остатка.
Известен также способ оценки склонности топлива к лако- и нагарообразованию при повышенной температуре с образованием твердой фазы (3 - Гуреев А.А., Серегин Е.П., Азев B.C. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. - М.: Химия, 1984, с. 114), включающий окисление 70 мл топлива при температуре 150°С в течение 5 ч с продувкой воздуха (6 л/ч) в присутствии меди. Оценку результатов испытания проводят на основании сравнения с результатами испытания эталонного (товарного) топлива по массе образующегося осадка и изменении кислотности.
К недостаткам способа относятся: длительность проведения испытаний с большим избытком кислорода в присутствии меди; низкая корреляция результатов с интенсивностью образования смолисто-лаковых отложений.
Для оценки склонности моторных топлив к образованию отложений на нагретых поверхностях двигателя известны способы, характеризующие склонность к отложениям на модельных установках в зоне цилиндра двигателя:
склонность к образованию отложений на нагретых поверхностях (4 - Сафонов А.С., Ушаков А.И., Юсковец Н.Д. Автомобильные эксплуатационные материалы. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1988, с. 92);
метод ПЗИ (3 - с. 112).
Склонность к образованию отложений на нагретых поверхностях определяется по количеству отложений и температуре начала их образования при контакте топлива с нагретой металлической поверхностью при однократном прокачивании топлива в стандартных условиях испытаний. Оценку проводят по показателям: индексу термостабильности, равному отношению количества отложений, полученных при испытании топлива и эталонной жидкости, и температуре начала отложений. В качестве эталонной жидкости используется смесь гексадекана и альфаметилнафталина в соотношении 9:1 по объему.
Метод ПЗИ характеризуется образованием нагара на специальном нагарнике, помещенном в камеру сгорания на поршне механизма изменения степени сжатия.
В качестве недостатков способов отметим, что в модельных установках процессы горения и образования отложений протекают при высоких температурах, давлении, степени турбулентности смеси, каталитическом влиянии материалов, неоднородности капельно-воздушной рабочей смеси. Значения этих факторов тесно взаимосвязаны и переменны во времени, являются случайными для локальных областей полости цилиндра. Получить независимые оценки степени влияния каждого из факторов на склонность топлива к отложениям невозможно. В этих условиях эффект влияния состава топлива на особенности протекания процессов жидкофазного окисления будет смешан с эффектами влияния указанных факторов. Подготовка и проведение испытаний на модельных установках требуют значительного количества электроэнергии и испытуемого топлива, длительного времени и больших трудозатрат. В условиях высоких температур наряду с жидкофазным окислением протекает газофазное окисление топлива, которое является доминирующим и имеет принципиально иной механизм. Продукты высокотемпературного газофазного окисления значительно отличаются по химическому составу и структуре от смолисто-лаковых отложений и представляют собой твердые углеродистые сажеподобные вещества преимущественно черного цвета. Поэтому результаты испытаний предлагаемыми способами по оцениваемым показателям трудносопоставимы.
-3
Известен способ (5 - СССР. а.с. №1467509, G01N 33/22, 1986 г.) оценки склонности моторных топлив к лако- и нагарообразованию, включающий газофазное и жидкофазное окисление топлив в зоне цилиндра ДВС. Оценку ведут по массе отложений, образующихся на установленном наклонно нагреваемом материале, путем подачи топлива в капельно-жидком состоянии в воздух камеры сгорания при атмосферном давлении, нагретом до температуры рабочего заряда двигателя, с последующим нагревом, испарением, воспламенением и горением капли топлива. Масса топлива составляет 5-10 кг, время определения 20 мин, температура рабочего заряда 500°С, температура нагарообразователя 300°С, температура наддувочного воздуха 70°С, скорость подачи воздуха 25 л/мин.
В качестве недостатков этого способа следует отметить следующее:
при оценке результатов испытаний в условиях жидкофазного окисления не учитывается продолжительность контакта топлива с поверхностью нагреваемого материала в зависимости от состава топлива;
при оценке количества образующихся отложений в зависимости от температуры испытания используют однажды установленное наклонное положение нагреваемого материала независимо от состава топлива;
невысокая чувствительность метода при определении склонности к отложениям различных групп топлив: бензинов и авиационных керосинов (группы топлив определены в 6 - ГОСТ 26098-84 Нефтепродукты. Термины и определения).
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ (RU №2280253: G01N 33/22, 2006 г.), в соответствии с которым для оценки склонности моторного топлива к образованию отложений осуществляют подачу топлива в капельно-жидком состоянии при атмосферном давлении в воздух, нагретый до температуры рабочего заряда ДВС, с интервалом, равным времени свободного падения капли, в течение которого происходит нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительное превращение капли топлива, и последующее измерение массы отложений, образующихся на установленной под углом 15-45° к оси падения несгоревшей капли топлива нагреваемой пластине из каталитически активного материала, чем дополнительно обеспечивается оценка такого важного фактора образования отложений, как состав применяемых дизельных топлив (прототип - RU №2280253: G01N 33/22, 2006 г.).
В качестве недостатков способа-прототипа следует отметить следующее:
при оценке зависимости результатов испытаний от условий газофазного окисления недостаточно учитывается продолжительность контакта топлива с нагретым до температуры рабочего заряда ДВС воздухом;
при оценке количества образующихся отложений в зависимости от температуры рабочего заряда ДВС используют однажды установленную высоту подачи топлива независимо от группы топлива по ГОСТ 26098-84;
невысокая чувствительность метода при определении склонности к отложениям различных групп топлив по ГОСТ 26098-84: бензинов и авиационных керосинов.
Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности оценки склонности дистиллятных топлив к образованию ВТО в зоне цилиндра ДВС в зависимости от физико-химических и эксплуатационных факторов с учетом влияния состава различных групп топлив по ГОСТ 26098-84 (бензинов и авиационных керосинов).
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки склонности моторных топлив к образованию высокотемпературных отложений, включающем подачу дизельного топлива с заданной высоты в капельно-жидком состоянии при атмосферном давлении в воздух, нагретый до температуры рабочего заряда двигателя, с интервалом, равным времени свободного падения капли, в течение которого происходят нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительные превращение капли топлива, замер массы отложений на выполненной из каталитически активного материала нагреваемой наклонной пластине, подачу испытуемого топлива в капельно-жидком состоянии осуществляют из точки, удаленной от центра нагреваемой пластины на расстояние, выбираемое в зависимости от группы испытуемого топлива, при этом для бензина это расстояние принимают равным 0,6 высоты подачи дизельного топлива, а для авиационного керосина - равным 0,8 высоты подачи дизельного топлива.
На чертеже представлена блок-схема установки, реализующей заявляемый способ.
Сущность изобретения сводится к повышению точности и достоверности оценки склонности топлив к ВТО за счет обеспечения большей чувствительности к составу групп дистиллятных топлив (по ГОСТ 26098-84), что достигается изменением продолжительности газофазного окисления испытуемых топлив. Сведения о различиях в составе групп топлив широко известны из литературы, например (7 - Топлива, смазочные материалы и технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / Под ред. В.М. Школьникова. - М.: Химия, 1989, с. 27-39, 60-65, 77-83 и 8 - Чертков Я.Б. Моторные топлива. - Новосибирск: Наука, 1987, с. 72, 84-88). Обобщение известных сведений показывает, что топлива различных групп содержат углеводороды, в среднем выкипающие в пределах: дизельные топлива - 140-360°С, бензины - 30-195°С, авиационные керосины - 135-315°С. Кроме того, групповой углеводородный состав товарных топлив характеризуется следующими средними показателями, % отн.: дизельные топлива: алканы и цикланы - 70-85; ароматика - 10-25; ненасыщенные - 0,5-3; бензины: алканы - 45-50; цикланы - 5-20; ароматика - 25-45; ненасыщенные - 0,5-5; авиационные керосины: алканы - 25-45%; цикланы - 40-80%; ароматика - 5-20%. Для того чтобы учесть указанные различия в составе топлив различных групп, проявляющиеся, в том числе, в процессе газофазного высокотемпературного окисления, в соответствии с заявляемым способом осуществляется изменение первоначальной фиксированной высоты подачи топлива. В результате достигаются условия получения максимального значимого (на фоне ошибки определения) количества ВТО, образующихся при превращениях топлив различных групп в цилиндре двигателя.
Способ осуществляется следующим образом.
Испытуемое топливо из емкости 1 подают с заданной высоты, обеспечиваемой блоком 2 регулирования высоты подачи топлива, блоком подачи топлива 3 в капельно-жидком состоянии в реактор 4, где топливо смешивается с воздухом, подогретым в блоке подачи воздуха 5, и отдельными свободно-падающими каплями, с интервалом, равным времени свободного падения капли, поступает в камеру 6 образования отложений.
Воздух в реакторе 4 нагревают до температуры рабочего заряда двигателя внутреннего сгорания (500°С), что обеспечивает за интервал падения капли нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительное превращение топлива. Несгоревшее топливо попадает в камеру 6 образования отложений (300°С) на установленную на дне камеры 6 наклонную нагреваемую пластину 7 из каталитически активного материала.
Высокотемпературный режим (500°С) газофазного окисления топлива в реакторе 4 и низкотемпературный режим (300°С) жидкофазного окисления топлива в камере 5 образования отложений обеспечиваются блоком 8 нагрева и контролируются блоком 9 автоматики. Необходимую высоту L (для дизельного топлива) подачи топлива блоком 3 подачи топлива задают блоком автоматики 9 в зависимости от группы испытуемого топлива.
Перед подачей испытуемого топлива (группы: дизельное топливо, бензин, авиационный керосин) в реактор 4 из емкости 1 блоком подачи топлива 3 высоту подачи топлива L задают блоком 2 регулирования высоты подачи топлива и контролируют блоком автоматики 9 в зависимости от группы испытуемого топлива: подачу бензина осуществляют из точки, удаленной от центра нагреваемой пластины 7 на расстояние, равное 0,6 высоты L подачи дизельного топлива, а подачу авиационного керосина осуществляют из точки, удаленной от центра нагреваемой пластины на расстояние, равное 0,8 высоты L подачи дизельного топлива.
1
2
На чертеже показаны два положения блока 3 подачи топлива при различной высоте подачи топлива (L>L), задаваемой блоком 2 регулирования высоты подачи топлива.
Склонность топлива к образованию ВТО оценивают по приращению массы отложений на наклонной пластине 7, выполненной из каталитически активного нагреваемого материала.
Заявленным способом были проведены испытания групп топлив: дизельного топлива (марка Л по ГОСТ 305-2013), бензина (марка Регуляр-92 по ГОСТ Р 51105-97), авиационного керосина (марка ТС-1 по ГОСТ 10227-2013). Указанные марки топлив выбраны исходя из их широкого применения в технике.
Результаты оценки изменения массы отложений топлив в зависимости от их группы (по ГОСТ 26098-84) и высоты подачи топлива представлены в таблице.
Результаты испытаний топлив различных групп заявленным способом, представленные в таблице, показали следующее.
Для всех групп топлив с изменением высоты подачи топлива характерно заметное изменение массы отложений.
-7
-7
-7
Результаты испытаний бензина и авиационного керосина по способу-прототипу (столбец 6) при высоте подачи топлива, равной высоте, принятой для дизельного топлива (1,0), характеризуются значениями, не превышающими ошибку определения (4⋅10 кг для бензина), либо незначительно от нее отличающимися (11⋅10 кг для авиационного керосина). Такие данные не позволяют точно и достоверно оценивать склонность этих групп топлив к образованию ВТО. При увеличении относительной высоты подачи топлива до значения 1,1 (столбец 7) отложений при испытании бензина вообще не наблюдается, а авиационный керосин дает количество отложений (5⋅10 кг), которое находится на уровне ошибки определения. Полученные данные нельзя признать информативными.
Согласно заявленному способу максимальное приращение массы ВТО для разных групп топлив обусловлено различными значениями высоты подачи топлива: для дизельного топлива - 1,0 (столбец 6); для бензина - 0,6 (столбец 2), для авиационного керосина - 0,8 (столбец 4). Указанные значения высоты подачи топлива следует считать обеспечивающими наибольшую информативность определения ВТО.
Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что увеличение либо уменьшение значений высоты подачи топлива по сравнению с оптимальными значениями приводит к выраженному снижению массы образующихся отложений. При высоте подачи топлива больше оптимальной это явление объясняется доминирующим вкладом в образование ВТО процессов испарения, высокотемпературного окисления и горения топлива, способствующих снижению массы образующихся нагаров и лаков (столбец 7 таблицы). При уменьшении высоты подачи топлива относительно наиболее информативной, количество отложений снижается в результате недостатка времени для протекания испарения и горения топлива и повышения вклада процессов низкотемпературного окисления, приводящих к образованию на поверхности нагреваемой пластины более подвижных лаковых отложений, которые стекают с пластины.
По результатам сравнения оценок склонности моторных топлив к отложениям по способу-прототипу и заявленному способу, полученных в результате изменения высоты подачи топлива, выявлена высокая чувствительность заявленного способа к образованию продуктов неполного сгорания топлив в зависимости от группы применяемых топлив.
-7
Достоверность получаемых результатов обеспечивается подобием процесса образования ВТО по заявленному методу и в ДВС, высокой сходимостью результатов испытаний, не превышающей 5⋅10 кг, чувствительностью метода к изменению групп топлив и возможностью их дифференциации по склонности к ВТО.
Применение изобретения при заявленной совокупности существенных признаков, включающих изменение высоты подачи топлива и ее фиксацию на заданных уровнях в зависимости от группы испытуемого топлива блоком 2 регулирования высоты подачи топлива, позволяет повысить точность и достоверность оценки склонности применяемых топлив к образованию ВТО в зоне цилиндра ДВС.