СПОСОБ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ К ЛАКО-НАГАРООБРАЗОВАНИЮ Российский патент 2006 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к методам испытаний нефтепродуктов, преимущественно к оценке склонности к отложениям дистиллятных и остаточных 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 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 отложения 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 отложениям оценивают по показателям, характеризующим склонность к нагарообразованию (лабораторные методы), 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 [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) [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 так же способ оценки склонности топлива к лако-нагарообразованию при повышенной температуре с образованием твердой фазы [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 [Сафонов А.С., Ушаков А.И., Юсковец Н.Д. Автомобильные эксплуатационные материалы. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1988, с.92] и метод ПЗИ [Гуреев А.А., Серегин Е.П., Азев B.C. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. - М.: Химия, 1984, 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 массы нагара на специальном нагарнике, помещенным 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, причем значения факторов 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 компонентного состава топлива на особенности протекания процессов жидкофазного окисления будет смешан с эффектами влияния указанных факторов.

На проведение испытаний на модельных установках расходуется значительное количество электроэнергии и испытуемого топлива. Подготовка и проведение испытания требуют длительного периода 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 вещества преимущественно черного цвета. Поэтому результаты испытаний предлагаемыми способами по оцениваемым показателям трудно сопоставимы.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ [СССР. а.с. №1467509, G 01 N 33/22, 1986 г.] оценки склонности моторных топлив к лако- и нагарообразованию, включающий газофазное и жидкофазное окисление топлив в зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания. 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^-3 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 прототипа следует отметить следующее:

при оценке результатов испытаний в условиях жидкофазного окисления не учитывается продолжительность контакта топлива с поверхностью нагреваемого материала в зависимости от группового (фракционного) углеводородного состава топлив;

при оценке количества образующихся в топливе лако-нагарообразований в зависимости от температуры испытания используют однажды установленное наклонное положение нагреваемого материала независимо от компонентного состава топлива. При этом жидкие продукты неполного сгорания топлива, влияющие на осадкообразование, стекают с поверхности нагреваемого материала, частично испаряясь, и уносятся с отработавшими газами;

не высокая чувствительность метода при определении склонности лако-нагарообразований топлив стабильного углеводородного и легкого фракционного составов.

Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности оценки склонности дистиллятных и остаточных топлив к отложениям в зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от физико-химических и эксплуатационных факторов с учетом влияния группового углеводородного состава применяемых топлив.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки склонности моторных топлив к лако-нагарообразованию, включающем подачу топлива в капельно-жидком состоянии при атмосферном давлении в воздух, нагретый до температуры рабочего заряда двигателя внутреннего сгорания, с интервалом, равным времени свободного падения капли, в течение которого происходит нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительное превращение капли топлива, и последующее измерение массы лако-нагарообразований, образующихся на установленной под углом к оси падения несгоревшей капли топлива нагреваемой пластине из каталитически активного материала, согласно изобретения угол наклона пластины перед подачей топлива выбирают в интервале ∠α=15°÷45° в зависимости от группового углеводородного состава применяемых топлив.

На чертеже представлена блок-схема установки для реализации способа оценки склонности моторных топлив к лако-нагарообразованию.

Суть изобретения сводится к варьированию углом наклона нагреваемого материала (пластины) к оси падения несгоревшей капли топлива в зависимости от группового углеводородного состава испытуемых дистиллятных топлив для получения максимального количества лако-нагарообразований, что позволит повысить чувствительность способа в оценке лако-нагарообразований в зоне цилиндра двигателя.

Способ осуществляется следующим образом:

испытуемое топливо из емкости 1 подают блоком 2 подачи топлива в капельно-жидком состоянии в реактор 3, где топливо смешивается с воздухом, подогретым в блоке 4, и отдельными, свободно-падающими каплями, с интервалом, равным времени свободного падения капли, поступает в камеру 5 образования отложений.

Воздух в реакторе 3 нагревают до температуры рабочего заряда двигателя внутреннего сгорания (Т=500°С), что обеспечивает за интервал падения капли топлива нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительное превращение. Несгоревшее топливо попадает в камеру 5 образования отложений (при Т=300°С) на установленный под углом к оси падения несгоревшей капли топлива нагреваемой пластине из каталитически активного нагреваемого 6 материале (пластине).

Высокотемпературный режим (500°С) газофазного окисления топлива в реакторе 3 и низкотемпературный режим (300°С) жидкофазного окисления топлива в камере 5 образования отложений обеспечивается блоком 7 нагрева и контролируется блоком 8 автоматики.

Перед подачей топлива из емкости 1 блока 2 подачи топлива в реактор 3 угол наклона пластины 6 выбирают, исходя из группового углеводородного состава анализируемых топлив.

Склонность топлив к лако-нагароотложению оценивают по приращению массы отложений на изменяемом каталитически активном нагреваемом 6 материале.

Заявленным способом были исследованы смеси прямогонных и гидроочищенных фракций, а также легкий газойль каталитического крекинга и керосиновая фракция топлив дизельных.

Результаты оценки приращения массы лако-нагароотложений топлив от группового углеводородного состава в условиях изменяемого положения нагреваемого материала представлены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты приращения массы лако-нагароотложений топливНомер опытаФракционный состав*Масса отложений, 10^-4 г.Заявляемый способПрототипУгол наклона пластины к оси падения капли топлива, град.15202530354045451Прямогонная фракция21,021,220,41817,41715,2152Гидроочищенная фракция13,81413,912111010,1103Смесь прямогонных и гидроочищенных фракций17,117,31716,8161514,9154Керосиновая фракция28,428,62929,3252220,3205Легкий газойль каталитического крекинга39,74040,238,534313030Примечание - *условия испытаний: коэффициент избытка воздуха - 1,2; температура поверхности нагреваемого материала - 300°С; температура в реакционной колонне - 500°С; температура надувочного воздуха - 70°С; скорость подачи воздуха - 25 л/мин.

Результаты испытаний дизельных топлив различного и группового (фракционного) углеводородного составов заявленным способом, представленные в таблице 1, показали:

для анализируемых фракций при изменении угла наклона поверхности материала (пластины) до 45 град характерно изменение массы лако-нагарообразований с увеличением отложений в сторону уменьшения угла наклона;

максимальному приращению массы лако-нагарообразований стабилизированных фракций (прямогонная, гидроочищенная, их смеси) соответствует угол наклона поверхности материала (пластины), равный 20 град;

дальнейшее уменьшения угла наклона положения поверхности материала (пластины) не оказывает влияния на приращение количества отложений стабилизированных фракций в условиях испытания;

для низкостабилизированных фракций (легкого газойля каталитического крекинга и керосиновой) при изменении угла положения материала (пластины) максимальное приращение массы лако-нагароотложений наблюдается при 25 град и 30 град соответственно и остается постоянным;

максимальная чувствительность к изменению угла положения поверхности материала (пластины) наблюдается для фракций с повышенным содержанием нестабильных углеводородов (легкий газойль каталитического крекинга и керосиновая фракция).

По результатам анализа экспериментальных данных и сравнительных оценок склонности моторных топлив к лако-нагарообразованию прототипа и заявленного способа изобретения за счет варьирования углом наклона нагреваемого материала (пластины) выявлена высокая чувствительность заявленного способа в оценке образования продуктов неполного сгорания топлив с учетом влияния группового углеводородного состава применяемых топлив.

Применение изобретения позволит повысить точность оценки склонности применяемых топлив к отложениям в зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от группового углеводородного состава.

Изобретение относится к методам испытаний нефтепродуктов, преимущественно к оценке склонности дистиллятных и остаточных топлив к лако-нагарообразованию в зависимости от группового углеводородного состава топлив, и может быть использовано в научно-исследовательских организациях, в лабораториях нефтеперерабатывающих заводов, и в организациях, занимающихся разработкой и применением моторных топлив. Способ оценки склонности моторных топлив к лако-нагарообразованию, включает подачу топлива в капельно-жидком состоянии при атмосферном давлении в воздух, нагретый до температуры рабочего заряда двигателя внутреннего сгорания, с интервалом, равным времени свободного падения капли, в течение которого происходит нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительное превращение капли топлива, и последующее измерение массы лако-нагарообразований, образующихся на установленной под углом к оси падения несгоревшей капли топлива нагреваемой пластине из каталитически активного материала, причем угол наклона пластины перед подачей топлива выбирают в интервале ∠α=15°-45° в зависимости от группового углеводородного состава применяемых топлив. Достигается повышение точности и достоверности оценки склонности дистиллятных и остаточных топлив к отложениям в зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания в зависимости от физико-химических и эксплуатационных факторов с учетом влияния группового углеводородного состава применяемых топлив. 1 ил., 1 табл.

Способ оценки склонности моторных топлив к лако-нагарообразованию, включающий подачу топлива в капельно-жидком состоянии при атмосферном давлении в воздух, нагретый до температуры рабочего заряда двигателя внутреннего сгорания, с интервалом, равным времени свободного падения капли, в течение которого происходит нагрев, испарение, воспламенение, горение и термоокислительное превращение капли топлива, и последующее измерение массы лако-нагарообразований, образующихся на установленной под углом к оси падения несгоревшей капли топлива нагреваемой пластине из каталитически активного материала, отличающийся тем, что угол наклона пластины перед подачей топлива выбирают в интервале ∠α=15÷45° в зависимости от группового углеводородного состава применяемых топлив.