СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ИХ СКЛОННОСТИ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ НА ДЕТАЛЯХ ФОРСУНОК
STANDARD SAMPLES FOR METROLOGICAL PROVISION OF TESTS OF AUTOMOBILE GASOLINES IN ASSESSING THEIR PROPENSITY TO FORM DEPOSITS ON NOZZLE PARTS

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к стандартным образцам для метрологического обеспечения методик выполнения измерений при оценке склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в системах впрыска двигателя внутреннего сгорания, и может быть использовано в способах контроля качества автомобильных бензинов в процессе их производства и эксплуатации.
К автомобильным бензинам относятся бензины для двигателей с искровым зажиганием. Современные автомобильные двигатели с искровым зажиганием, удовлетворяющие экологическим нормам Евро-5, Евро-6, предъявляют соответствующие требования к используемым бензинам. Одним из важнейших показателей качества бензина является его способность поддерживать чистоту деталей впускного тракта (форсунки, впускные клапаны, камера сгорания) на протяжении всего гарантийного срока эксплуатации автомобиля (Директива Европейского Парламента и Совета №98/70/ЕС от 13.10.1998).
th
Для оценки загрязнения топливных форсунок Всемирная топливная хартия [1 - Worldwide Fuel Charter 5 edition, 2013 г.] регламентирует два метода: моторный стендовый ASTM D 6421 [2 - ASTM D 6421-99а. Standard Test Method for Evaluating Automotive Spark-Ignition Engine Fuel for Electronic Port Fuel Injector Fouling by Bench Procedure, 1999 г.] и ходовой ASTM D5598 (10 000 миль пробега) [3 - ASTM D 5598-01. Standard Test Method for Evaluating Unleaded Automotive Spark-Ignition Engine Fuel for Electronic Port Fuel Injector Fouling, 2001 г.].
В России известен безмоторный метод оценки склонности к загрязнению топливных форсунок [4 - RU Патент №2576764 G01N 33/22, F02M 65/00, G01М 15/00, 2016 г.]. Сущность метода заключается в прокачке испытуемого бензина через нагретый инжектор в условиях испытания и последующей оценке склонности к образованию отложений на форсунке сравнением цвета поверхности донышка с цветовой шкалой.
Для количественной и качественной характеристики уровня загрязнения форсунок используют два показателя: уменьшение пропускной способности форсунки [2, 3] и балльную оценку загрязнения донышка форсунки [4].
Как и любая другая процедура оценки (измерения), данные методики нуждаются в метрологическом обеспечении для подтверждения точности и достоверности проведенных оценок (измерений). Для метрологического обеспечения методик выполнения измерений техническими средствами используют стандартные образцы - имитаторы анализируемых продуктов [5 - МИ 2418-97. Классификация и применение технических средств испытаний нефти и нефтепродуктов), имеющие значения определяемого параметра, близкие к нормируемым значениям].
Сложности возникают при изготовлении стандартных образцов для метрологической аттестации методов оценки эксплуатационных свойств горюче-смазочных материалов (ГСМ), так называемых квалификационных методов. Это связано с невозможностью в настоящее время точного математического описания процессов, протекающих в системе «двигатель - ГСМ». Описание процесса образования отложений на клапанах и форсунках является сложной физико-химической задачей и в настоящее время не поддается моделированию, позволяющему предсказать результаты натурных испытаний с какой-либо приемлемой точностью. Таким образом, проверка работоспособности перечисленных методов точными физическими измерениями невозможна. Для метрологической аттестации подобных методов готовят специальные стандартные образцы, которые имеют значение измеряемого показателя вблизи верхнего или нижнего пределов измерения, либо контрольные образцы, состоящие из эталонных топлив, соответствующие значения измеряемого показателя которых приняты за эталон.
При просмотре патентной и научно-технической информации выявлено несколько технических решений, частично позволяющих решить проблему метрологического обеспечения методов оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений.
Известен стандартный образец для определения загрязнения топливных форсунок по методу ASTM D 6421, содержащий стандартное базовое топливо IVD, выпускаемое фирмой Haltermann Products (дочернее предприятие Dow Chemical Company). Ввиду отсутствия описания конкретного состава стандартного образца и отсутствия возможности приобретения из-за его высокой стоимости, авторы не могут использовать его как стандартный образец при оценке склонности автомобильных бензинов к образованию отложений на деталях форсунок.
Известны также стандартные образцы для определения моющих свойств моторных масел на установке ПЗВ [6 - ГОСТ 5726-2013 «Масла моторные. Метод определения моющих свойств»]. Для метрологической аттестации установки используются два стандартных образца со значениями моющих свойств, отвечающих отложениям на поршне 3,5 и 1,5 балла, полученные при сверочных испытаниях в нескольких лабораториях. Данный подход является компромиссным вариантом решения проблемы метрологической аттестации, т.к. надежность и достоверность результатов испытаний зависят от ограниченного количества независимых испытаний на различных установках, а не основано на абсолютных измерениях.
Таким образом, вопрос метрологической аттестации квалификационных методов испытаний ГСМ лимитирован отсутствием стандартного образца, адекватно моделирующего поведение реального ГСМ в химмотологической системе, который может быть воспроизведен в любой исследовательской лаборатории. Наиболее привлекательно с этой точки зрения создание образца, удовлетворяющего данным критериям, на основе индивидуальных углеводородов или их смесей.
Авторам не удалось найти стандартные образцы, состав и свойства которых отражали бы совокупность физико-химических процессов, протекающих при образовании отложений в системах впрыска двигателей внутреннего сгорания.
Состав контрольного образца должен учитывать физико-химические особенности процессов образования отложений. Таким образом, состав контрольного образца топлива не может быть универсальным для целей метрологической аттестации методов оценки склонности к образованию отложений в различных местах впускного тракта ДВС (карбюратор, форсунки, впускные клапана или стенка цилиндра).
В процессе образования отложений в форсунке бензинового двигателя можно выделить химическую и физическую составляющие. Химическая составляющая процесса образования отложений является функцией индивидуального и группового углеводородных составов бензина, определяющих характер и полноту химических реакций окисления и конденсации, проходящих в форсунках. Физическая составляющая связана с гидродинамическими характеристиками потока топлива, обусловленными его физико-химическими свойствами и особенностями конструкции форсунки и режимами подачи и распыла топлива.
Характер химических реакций, проходящих в форсунке бензинового двигателя, определяется свойствами соединений, входящих в состав топлива. Усредненный групповой углеводородный состав бензина представлен в таблице 1 [7 - Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. - М.: Издательство «Перо», 2016. - с. 629].
Проведенные авторами исследования показали, что наибольший вклад в образование отложений в форсунках вносят непредельные углеводороды (олефины). В меньшей степени оказывает влияние содержание ароматических и нафтеновых углеводородов. Наличие парафиновых углеводородов в составе бензина практически не влияет на интенсивность образования отложений, но в значительной степени влияет на процессы испарения и распыла.
Таким образом, при создании контрольного образца на основе эталонных топлив были проведены испытания смесей углеводородов различных групп в соотношениях, соответствующих групповому углеводородному составу автомобильных бензинов, с использованием наиболее доступных индивидуальных углеводородов.
Помимо химической составляющей, важная роль в образовании и накоплении отложений отводится физическим процессам распыла и испарения бензина, которые могут приводить к физической очистке форсунки в результате турбулентного истечения испаряющейся топливной струи. В ходе проведенных исследований установлено, что влияние фракционного состава бензина на характер отложений можно охарактеризовать таким показателем как «индекс паровой пробки», равный 10ДНП + 7⋅Е70 (где ДНП - давление насыщенных паров, а Е70 - % об. бензина, испарившегося при 70°С). При значениях индекса более 1000-1100 меняется характерная картина отложений на донышке форсунки в районе распыливающих отверстий ввиду очистки форсунки паровой фазой топлива.
В качестве примера на фиг. 1 приведены результаты испытаний двух автомобильных бензинов (со значениями индекса паровой пробки 1050 (фиг. 1а) и 890 (фиг. 1б)) на установке ОСВ-01, которые имеют одинаковые показатели уровня отложений (3 балла), но совершенно разный характер отложений.
На фиг. 1 видно, что как в случае с бензином с большим значением индекса паровой пробки (фиг. 1а), так и в случае с бензином с меньшим значением индекса паровой пробки (фиг. 1б) центральная часть донышка форсунки светлее периферии, но интенсивность и цвет окрашивания различны. Во втором случае (фиг. 1б) имеются характерные отложения вокруг распыливающих отверстий форсунки, что не наблюдается на первой форсунке (фиг. 1а).
Экспериментально установлено, что для стабильной визуальной оценки получаемых результатов испытуемое топливо должно иметь индекс паровой пробки не более 900. Данное ограничение позволяет получать равномерное затемнение донышка форсунки и хорошую сходимость результатов оценки.
5
6
Индекс паровой пробки зависит как от ДНП, так и от температуры Е70. Основным компонентом товарных бензинов, отвечающим за процент отгона при 70°С, выступает фракция парафиновых углеводородов С-С. Авторами установлено, что для достижения оптимального значения индекса паровой пробки контрольного образца давление насыщенных паров парафинового компонента должно составлять около 100 кПа при как можно большей температуре кипения (для снижения потерь от испарения при проведении испытаний и хранении). С этой точки зрения наиболее подходящим компонентом для создания контрольного образца является предельный углеводород н-пентан с температурой кипения 36°С.
Авторами получен состав стандартных образцов для метрологической аттестации методов оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска. Особенностями инжектора являются средние температуры 160-180°С, турбулентное истечение бензина через сопла форсунки и быстрое испарение легких фракций непосредственно после цикла впрыска. Таким образом, стандартный образец должен обладать схожими как химическими (углеводородный состав), так и физическими характеристиками топлива (фракционный состав и вязкость).
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности результатов оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска и сокращении продолжительности процесса аттестации установки за счет применения стандартных образцов, приближенных по составу к реальным бензинам, с увеличением срока его хранения без снижения качества.
Указанный технический результат достигается тем, что стандартные образцы для метрологического обеспечения испытаний автомобильных бензинов по оценке их склонности к образованию отложений на деталях форсунок бензиновых двигателей согласно изобретению содержат октен-1, н-пентан, толуол, циклогексан, изооктан, при следующем соотношении компонентов, % об.:
октен-1
1-18
н-пентан
15-50
толуол
25-35
циклогексан
22-30
изооктан
до 100
В качестве стандартного образца используется смесь индивидуальных углеводородов, близкая по компонентному составу выпускаемым бензинам, представленному в таблице 1. Для составления композиций стандартных образцов наилучшим образом подходят н-пентан, октен-1, толуол, циклогексан, изооктан, свободно реализуемые по доступной цене. Данный состав обеспечивает подобие физико-химических процессов, проходящих в инжекторе, при работе на автомобильном бензине. При этом плотность и фракционный состав близки к соответствующим показателям автомобильных бензинов и позволяют получить отложения на форсунке на установке ОСВ-01 в диапазоне от 1,0 до 4,0 баллов.
Для обоснования количественного содержания компонентов в контрольных образцах были приготовлены смеси, состав которых представлен в таблице 2. Результаты испытаний по некоторым физико-химическим характеристикам и склонности к образованию отложений на установке ОСВ-01 представлены в таблице 3.
* форсунка вышла из строя (залипание запорной иглы)
Как видно из результатов испытаний (таблица 3), наиболее подходящими составами для целей метрологической аттестации установки ОСВ-01 являются образцы №3 и №4, так как их составы дают результаты испытаний в диапазоне верхнего и нижнего пределов определения установки (отложения на форсунке 2,5 и 4,0 балла). При этом показатели плотности и фракционного состава имеют значения, характерные для типичного автомобильного бензина. Образцы №№1, 2, 5 не подходят для целей метрологической аттестации установки ввиду отсутствия отложений на форсунке при испытании образца №1, выхода из строя форсунки из-за залипания запорной иглы при испытании образца №5 и не соответствия образца №2 требованиям по показателю «плотность при 20°С» и индексу паровой пробки, равному 961, не позволяющему обеспечить стабильную визуальную оценку загрязнения донышка форсунки.
Содержание непредельных углеводородов в стандартном образце должно быть не более 18% об., так как большее содержание приводит к выходу из строя форсунки. Снижение содержания олефинов (октена-1) менее 1% об. не имеет смысла ввиду отсутствия отложений на донышке форсунки.
Содержание ароматических углеводородов (толуола) ограничено требованиями нормативных документов на автомобильные бензины, а количество нафтеновых углеводородов (циклогексан) должно находиться в пределах 22-75% об., что соответствует содержанию в типичных автомобильных бензинах.
Увеличение содержания н-пентана выше 50% приводит к превышению предельного значения Е70 и неравномерному потемнению донышка форсунки (индекс паровой пробки превышает 900).
Для оценки гарантийного срока хранения была приготовлена партия смеси №4 (с содержанием наиболее нестабильного компонента октена-1 18% об.). Стандартный образец был использован при метрологической аттестации установки для определения склонности автомобильных бензинов к образованию отложений на деталях форсунок непосредственно после приготовления и через 6 месяцев, соответствующие гарантийному сроку хранения октена-1, после изготовления. В результате были получены идентичные результаты оценки склонности к образованию отложений на форсунках - 4 балла. Таким образом, гарантийный срок хранения стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний автомобильных бензинов по оценке их склонности к образованию отложений на деталях форсунок бензиновых двигателей составляет 6 месяцев.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования предлагаемых стандартных образцов с целью метрологической аттестации установок для оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска. Применение стандартных образцов указанного состава, характерного для реальных бензинов, позволяет повысить достоверность результатов оценки и сократить продолжительность процесса метрологической аттестации установок.
Сравнение заявленного изобретения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета, не выявило изобретений, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения. Т.е. совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Состав стандартных образцов, описанный в изобретении, реализуем, изобретение осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки, приведенные в формуле изобретения, позволяют получить заданный технический результат, т.е. являются существенными.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявленный состав стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний автомобильных бензинов по оценке их склонности к образованию отложений на деталях форсунок бензиновых двигателей имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование этих признаков в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат - повышение достоверности результатов оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска и сокращение продолжительности процесса аттестации установки за счет применения стандартных образцов, приближенных по составу к реальным бензинам, с увеличением срока его хранения без снижения качества.
Таким образом, предложенное техническое решение может быть получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.