Исследование физико-химических и трибологических свойств судовых дистиллятных топлив с растительными композициям

УДК: 629.12; 621.436-6

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СУДОВЫХ ДИСТИЛЛЯТНЫХ ТОПЛИВ С РАСТИТЕЛЬНЫМИ КОМПОЗИЦИЯМ

Надежкин А.В., д.т.н., профессор кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания», ФГБОУВО «Морской государственный

университет им. адм. Г.И. Невельского» Лыу К.Х., аспирант кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания», ФГБОУ ВО «Морской государственный университет им.

адм. Г.И. Невельского»

Показано, что в связи с введением новых экологических норм на судах стали широко применяться низкосернистые дистиллятные топлива, что приводит к повышенному износу топливной аппаратуры. Выполненный анализ литературных данных показал, что добавление в состав топлива растительных масел способствует улучшению их смазывающей способности. Даны физико-химические характеристики основных типов растительных масел. Показано, что для стран Юго-Восточной Азии предпочтительным является применение в смесевых топливах пальмового масла. Приведены результаты экспериментальных исследований трибологических характеристик смесевых судовых дистиллятных топлив с добавлением пальмового масла. На основе комплексного анализа физико-химических и трибологических свойств смесевого топлива даны рекомендации по оптимальной концентрации пальмового масла в составе судового малосернистого дистиллятного топлива.

Ключевые слова: судовые дистиллятные топлива, смазывающая способность, износ, диаметр пятна износа, растительное масло, пальмовое масло, смесевое топливо.

RESEARCH OF PHYSICO-CHEMICAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF MARINE DISTILLATE FUELS WITH VEGETABLE COMPOSITION

Nadezkin A., Doctor of Technical sciences, Ship's internal combustion engines chair, FSEIHE «Maritime State University named after

admiral G.I.Nevelskoi»

Liu Q., the post-graduate student, Ship's internal combustion engines chair, FSEI HE «Maritime State University named after admiral

G.I.Nevelskoi»

The research shows that due to the introduction of new environmental regulations, on ships became widely used low-sulfur distillate fuel, leads to increased wear of the fuel equipment. Executed the published data showed that the addition of vegetable oils into the fuel oils to improve their lubricity. This paper gave the physicochemical characteristics of the main types of vegetable oils. The research shows that for the countries of Southeast Asia, it is preferable to use in mixed fuels with palm oil. And this paper shows results of experimental research tribological characteristics of mixed marine distillate fuels with the addition of palm oil. On the basis of comprehensive analysis physical-chemical and tribological properties of mixedfuel gave recommendations, optimum concentration ofpalm oil in the composition of low-sulfur marine distillate fuel.

Keywords: marine distillate fuels, lubricity, wear, friction, diameter spot wear, vegetable oil, palm oil, mixed fuel.

Введение в последние годы международными организациями новых экологических норм и стандартов привело к широкому использованию на судах дистиллятных топлив (ДТ) с низким содержанием серы. Однако в процессе технологического удаления серных соединений в ДТ также удаляется поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые способствуют образованию смазывающих пленок на поверхности металла. При этом удаляются не только ПАВ, но и соединение серы обладающих высокими противоизносными свойствами. Вследствие этого происходит повышенный износ прецизионных пар топливной аппаратуры судовых дизелей [1].

Экономичность и надежность судовых дизелей в значительной степени зависит от технического состояния топливной аппаратуры. Износ их деталей приводит к потере гидроплотности, снижению мощности судовых дизелей и перерасходу топлива. Поэтому необходимо найти способы улучшения противоиз-

носных свойств судовых низкосернистых ДТ. Результаты испытаний, приведенные в работе [2] показали, что добавление растительного масла в малосернистое судовое ДТ улучшает его смазывающую способность. Это обусловлено тем, что в химическом составе растительного масла содержится значительное количество органических ПАВ, в частности олеиновых кислот, которые способствуют созданию хемосорбционных пленок на поверхности металла в процессе трения, в результате чего уменьшается износ топливной аппаратуры.

В табл. 1 представлены физическо-химические показатели наиболее распространенных растительных масел[3].

Анализ представленных данных физико-химических свойств растительных масел показывает, что в молекулах растительных масел содержится значительное количество атомов кислорода (около 10%). Это приводит к некоторому снижению их теплоты сгорания. Но одновременно это снижает и температуру их

Таблица 1. Физическо-химические показатели растительных масел

Наименование показателя Соепое Пальмовое масло Раиновое масло Подсолнеч ное масло

Плотность при 20"С, кг/и1 924 443 416 923

Кинематическая вязкость при 40СС, сСт 31,2 105.99 42.1 30,7

Массовая доля серы, % масс. 0 0 0.005 0

Кислотное число, мг КОН/г 0.03 2.59 4,46 2,14

Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, "С 243 224 255 243

Температура остывания -12 +30 -20 -16

Содержание, % (масс): С 77,5 77,6 78,0 77,6

Н 11,3 12,0 10,0 11,5

0 1,1,0 11,4 12,0 10,9

Коксуемость 10%-ного остатка, %(масс) 0.44 - 0,4 0,51

5Ю

500

ЛЕО

Ё &

100

эоо

250

3 Л ^ в 1 8

—+—Пальмовое —Соекк1

Рис. 1. Влияние концентрации растительных масел в смеси на ДПИ

сгорания в дизельных двигателях, вследствие чего значительно улучшаются экологические свойства этих топлив [3].В исследованиях работы дизелей на растительных маслах, отмечается снижение дымности отработавших газов и содержания в них продуктов неполного сгорания топлива. Большим достоинством топлив из растительных масел является практически полное отсутствие серы.

Температура вспышки всех масел, как следует из данных табл. 1 практически одинаковая и находится в пределах 224-255 °С. Растительные масла при нормальных условиях представляют собой маслянистые жидкости с повышенными по сравнению с ДТ плотностью и кинематической вязкостью. Вязкость всех масел больше, чем вязкость ДТ, особенно высокий это показатель у пальмового масла (ПМ). Кроме того, это масло отличается от остальных температурой застывания. Она составляет +30еС, в тоже время как у других растительных масел она ниже 0 еС. Вследствие этого использование пальмового масла как компонента смесевого топлива для судовых дизелей на территории Российской Федерации весьма затруднено, однако для стран Юго-Восточной Азии этот вопрос является актуальным.

Эксперимент по определению трибологических свойств смеси ДТ и растительных масел проводился на четырехшарикой машине трения. Методика исследования подробно изложена в работе [4]. Результаты испытаний представлены на рис. 1.

Как следует из полученных результатов (см. рис.1) величина диаметра пятна износа (ДПИ) значительно уменьшается при

*» ООО

Рис. 2. Смесь ДТ с 5% пальмового масла при температуре 25 оС 1-1 день после смешения; 2-5 дней после смешения;

3-2 неделя после смешения;

4-4 неделя после смешения

добавлении любых растительных масел в ДТ. Особенно это проявляется при концентрации до 1%. С 3% массы ПМ уменьшение ДПИ уже не так значительно. Увеличение концентрации растительного масла более 3 % оказывает слабое влияние на противоизносные свойства судовых ДТ. ДПИ практически не уменьшается.

В качестве объектов исследования выбраны судовое ДТ и пальмовое масло- наиболее распространенное растительное масло в Юго-восточной Азии. Влияние смеси ДТ и пальмового масла на эксплуатационные показатели судовых дизелей мало изучены.

Жирные кислоты, являющиеся основным компонентом растительных масел, представляют собой высокомолекулярные кислородсодержащие соединения с углеводородным основанием. По своей химической структуре они схожи с углеводородами, входящим в состав нефтяного дизельного топлива [5]. При добавлении ПМ в ДТ оно полностью растворяется, образуется стабильная коллоидная смесь. Фотографии проб смесевых топлив и исходного ДТ приведены на рис. 2. Как видно из фотографии смесь судового дистиллятного топлива и растительного пальмового масла является устойчивой композицией, которая стабильна и не расслаивается в течение длительного времени.

Лабораторные исследования трибологических свойств сме-севых ДТ с пальмовым маслом показывают, что положительные результаты достигаютсяпри концентрации ПМдо 5% массы. Поэтому были изготовлены лабораторные образцы смесевого топлива с концентрацией ПМ 1,3,5 %. Детальные исследования их физико-химических свойств выполнены в учебно-научной испытательной лаборатории химмотологии МГУ им. адм. Г.И. Невельского (аттестат аккредитации № РОСС Ки.0001.21ИХ56). В табл. 2 представлены результаты всесторонних исследований смесевых топлив.

Из полученных результатов следует, что у смесевого топлива с максимальной концентрацией ПМ 5% вязкость изменяется на 11,8% с 3,29 до

3,68 сСт. Поэтому при работе судна в тропических широтах не требуется модернизация системы топливо подготовки путем установки дополнительных подогревателей.

Смолистые вещества, находящиеся в пальмовом масле способствуют увеличению коксуемости смесевых топлив. При добавлении до 5% массы ПМ в судовое ДТ, его коксуемость не выходит за границы значений, которые установлены требованиями стандартов на морские бункерные топлива^О 8217-2012 и ГОСТ 32510-2013. По требованию стандартов коксуемость 10 %-ного остатка судовых ДТ должна не превышать 0,3%, а коксуемость смесевых топлив достигает 0,274% при добавлении в них 5% ПМ по массе. Дальнейшее увеличение концентрации ПМ в составе смесевого топлива приводит к росту величины коксуемости и превышению значения этого показателя, установленного ограничением требованиями стандартов. По этой причине добавка ПМ в смесевое топливо в концентрации более 5-7% недопустимо, так

206 ТКАШРОКТ БШШБББ Ш КШБТА | №2 2016 |

Таблица 2. Физическо-химические свойства смеси ДТ и пальмового масла

Наименование показателя ДТ Пальмовое масло 1% 3% 5%

Плотность при 20°С, кг/м' 843 952 843 844,5 846

Кинематическая вязкость при 40°С, сСт 3,29 105,99 3,35 3,53 3,68

Массовая доля ссры, % масс. 0,232 0 0,223 0,212 0,210

Кислотное число, мг КОН/г 0 2,59 0,03 0,1 0,22

Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, С 73 243 75 78 80

Фракционный состав

Температура перегонки 10% 181 - 183 184 183

Температура перегонки 50% 271 - 271 274 274

Температура перегонки 95% 361 - 359 360 360

Коксуемость 10%-ного остатка, %(масс) 0,076 0,2458* 0,113 0,185 0,274

Зольность 0,0061 0,0287 0,0070 0,0067 0,0070

* коксуемость пальмового масла

как в результате добавления такого количества ПМ в ДТ происходит повышенное нагарообразование, образуются отложения на форсунках и камере сгорания судовых дизелей.

Вторым показателем лимитирующим концентрацию ПМ в составе смесевого топлива является кислотное число (см. табл. 2). Повышенная кислотность топлив вызывает коррозию деталей системы топливоподачи и двигателя. Требованиями выше указанных стандартов величина этого показатели у судовых ДТ не должен превышать 0,5 мг КОН/г, в то время как у ПМ измеренное значение этого параметры составляет 2,59 мг КОН/г (см. табл. 2). При добавлении 5 % ПМ значение кислотного числа у смесевого топлива значительно возрастает по сравнению с исходным ДТ и составляет 0,22 мг КОН/г.

Используя принцип адаптивности не трудно определить, что для данных образцов ДТ и ПМ предельная концентрация ПМ в смесевом топливе не должна превышать 15%. Однако если исходные кислотные числа компонентов смесевого топлива будут выше, то концентрация ПМ в составе композиции должна быть меньше. Для максимально допустимого значения кислотного числа у ПМ равно 10 мг КОН/г [6]. Его содержание в смесевом топливе не должно превышать 5 %.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что:

1. ПМ растворяет полностью в судовом ДТ и образует устойчивую и стабильную смесь в течение длительного времени.

2. Композиция ПМ улучшают трибологические характеристики судовых ДТ когда концентрации ПМ находится в пределе от 1-3% массы. Увеличение концентрации ПМ более 3 % практически не приводит к снижению величины ДПИ.

3. Увеличение количества ПМ в смесевом ДТ более 5%

приводит к ухудшению таких физико-химических показателей как коксуемость и кислотное число. В результате их значения превышают предельные уровни, установленные требованиями стандартов на судовое топливо. По этой причине, а так же на основании выполненных исследований трибологических характеристик смесевых ДТ, концентрация ПМ в составе такого топлива не рекомендуется более 3 % масс.

Литература:

1.Митусова, Т. Н. Исследование противоизносных свойств дизельных топлив / Т. Н. Митусова, Е. В. Полина, М. В. Калинина // Нефтепереработка и нефтехимия. 1998. - № 2. - С. 20-22.

2. Надежкин, А.В. Анализ методов улучшения смазывающей способности малосернистых судовых дистиллятных топлив / А.В. Надежкин, К.Х. Лыу // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2015. -№4. - С. 117-121.

3.Марков, В.А. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков С.Н. Девя-нин, В.Г. Семенов и др. //М.: ОООНИЦ Инженер; ООО Онико-М, 2011.- 536 с.

4. Надежкин, А.В. Экспериментальное моделирование влияния основных показателей судовых дистиллятныхтоплив на противоизносные свойства / А.В. Надежкин, Хиеу Лыу Куанг // Морские интеллектуальные технологии. 2015. - № 3 (29).- С. 102-107.

5. Жосан, А.А. Сравнение физико-химических свойств дизельного топлива и рапсового масла / А.А. Жосан, Ю.Н. Рыжов, А.А. Курочкин // Инженерно-техническое обеспечение развития в вестнике ОРЕЛГАУ. 2011. №4.- С. 72-74.

6. TCVN 7597:2013 Vegetable oils. CODEX STAN 210-1999, Amd. 2013.