СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ ПО ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ Российский патент 2016 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к области исследования жидких углеводородных топлив, преимущественно их дифференциации по эффективности сгорания в дизельных двигателях, и может быть использовано при разработке новых и оценке существующих топлив.

Эффективность сгорания топлив в дизельных двигателях оценивается такими свойствами, как способность к самовоспламенению после впрыска топлива в цилиндр двигателя; предотвращение стуков («жесткой работы») двигателя, приводящих к повышенным износам деталей и, соответственно, снижению его моторесурса; удельным расходом топлива и дымностью отработавших газов, т.е. топливной экономичностью двигателя и его экологическими характеристиками (1 - Моторные топлива, масла и жидкости. Том 1/Под редакцией К.К. Папок и Е.Г. Семенидо. - М.-Л.: Гостоптехиздат.- 1953. - С. 124, 127-128, 282, 283, 287, 288). Отмечается, что эти свойства зависят от таких показателей качества топлива, как фракционный состав, плотность, вязкость и цетаное число (1 - с. 292). Однако количественной взаимосвязи этих показателей с эффективностью сгорания топлива в дизельном двигателе не установлено.

В настоящее время для характеристики топлив, не содержащих цетаноповышающих добавок, т.е. подавляющего количества всех топлив, все чаще, наряду с использованием показателя «цетановое число (ЦЧ) », используется показатель «цетановый индекс (ЦИ)», получаемый расчетным путем и являющийся несравненно более доступным для широкой массы эксплуатационщиков дизельных двигателей. Этот показатель (в отличие от показателя «ЦЧ») не требует использования моторной установки, эталонного топлива и высокой квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, как показывает статистика, точность определения ЦЧ является относительно низкой (±4 ед.), а для топлив, содержащих фракции с температурой выкипания выше 360°С, еще более низкой (2 - ВИНИТИ. - Поршневые и газотурбинные двигатели. Экспресс-информация. - 1989. - №26. - С. 15-22). Показатель ЦИ является более точным, поскольку свободен от этих недостатков.

Перед авторами стояла задача разработать способ на основе использования совокупности известных показателей: плотности, фракционного состава, вязкости, ЦИ и др., по которой без проведения моторных испытаний возможна дифференциация жидких углеводородных топлив (бензинов по ГОСТ 32513 и ГОСТ 1012, реактивных по ГОСТ 10227, дизельных по ГОСТ 305 и ГОСТ 32511, утяжеленных дизельных по ГОСТ 32510 и ТУ 38.401327-81 и остаточных по ГОСТ 32510 и ГОСТ 10585), по эффективности их сгорания в малооборотных, среднеоборотных, высокооборотных, повышенной оборотности (3 - Возницкий И.В., Чернявская А.Г. и Михеев Е.Г. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М.: Транспорт. - 1979. - C. 10-20) и высокооборотных многотопливных дизельных двигателях (4 - Морозов Г.А. Применение топлив и масел в дизелях. - М.: Недра. - 1964. - C. 106-110) как «высокоэффективных», «среднеэффективных» и «низкоэффективных».

Указанная градация топлив является условной и принята авторами на основе анализа результатов испытаний топлив в дизельных двигателях (5 - Серегин Е.П., Бугай В.Т., Российский В.М. Влияние состава топлива на его сгорание в быстроходных дизелях. М.:Химия и технология топлив и масел. - 1978. - №4. - C. 22).

Высокоэффективные топлива обеспечивают минимальные удельный расход топлив и дымность отработавших газов (ОГ) в конкретном двигателе, работавшем с допустимой жесткостью. В одноцилиндровой установке двигателя ЯМЗ-236 они составляли соответственно минимальный индикаторный удельный расход (q_i) 144 г на индикаторную лошадиную силу в час (144 г/и.л.с.ч) и минимальную дымность (Д) отработавших газов 0,5 г сажи в 1 м³ (0,5 г/м³).

Среднеэффективные топлива имеют большие значения указанных показателей (q_i - до 1,4% мас. и Д - до 46% маc).

Низкоэффективные топлива имеют существенно большие значения указанных показателей (g_i - до 3,4% мас. и Д - до 83% мас.) (5 -Серегин Е.П., Бугай В.Т., Российский В.М. Влияние состава топлива на его сгорание в быстроходных дизелях. - М. - Химия и технология топлив и масел. - 1978. - №4. - C. 22). Кроме того, как показывает наш опыт, низкоэффективные топлива приводят к снижению мощности и частым авариям двигателей до истечения их моторесурса.

При просмотре патентной и научно-технической информации был выявлен способ (аналог) оценки эффективности сгорания в дизельных двигателях дизельных топлив по ГОСТ 4749. Эффективность сгорания топлива оценивали по удельному расходу топлива и дымности ОГ при допустимой для данного двигателя «жесткости» работы, оцениваемой средней скоростью нарастания давления в цилиндре (6 - Малявинский Л.В., Российский В.М. Исследование влияния цетанового числа дизельных топлив на показатели работы двигателя. - М. - Химия и технология топлив и масел. - 1976. - №2 - C. 45-46).

В соответствии с этим способом снижение ЦИ с 51 ед. (образец топлива ДС) до 45 ед. (образец топлива ДЛ) привело к уменьшению удельного расхода топлива на 2,8% мас. и дымности ОГ на 12% в единицах дымомера Хартриджа или на 30% мас. в г сажи на 1 м³ (6 - с. 46). При этом «жесткость» работы двигателя ЯМ3-236 не превышала нормы - средней скорости нарастания давления в цилиндре до 3,2 кг/см² °ПКВ. Для других типов двигателей эта норма может быть другой.

Существенным недостатком этого способа является невозможность дифференциации топлив, значительно отличающихся от испытанных по фракционному составу. Так, опытный образец топлива с температурой выкипания 50% об., составляющей 314°С, т.е. большей (не менее чем на 8,3% в °С), чем у топлива ДЛ, при одном и том же ЦЧ (45 ед.), отличается большим (на 2,1% мас.) удельным расходом (5 - с. 22, 6-е. 46).

Указанный способ-аналог констатирует тот факт, что одним из показателей, характеризующих эффективность сгорания топлива, является ЦИ топлива.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и взятым за прототип является способ определения ЦИ жидких углеводородных топлив по плотности, температуре выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С, реализуемый с использованием планшета, на котором нанесены шкалы: плотности топлив при 20°С в диапазоне от 700 кг/м³ до 1020 кг/м³, цетанового индекса в диапазоне от 0 ед. до 70 ед. кинематической вязкости при 50°С в диапазоне от 2 мм²/с до 1000 мм²/с и температуры выкипания 50% об. топлива в диапазоне от 90°С до 310°С (патент №137883, G09B 29/00).

Недостатком способа является невозможность дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях, поскольку при одном и том же ЦИ, но разном фракционном составе, эффективность сгорания разная. Так, при ЦИ, равном 55 ед., различия по удельному расходу и дымности ОГ составляют соответственно 1,4% и 25% (5-с. 22).

Технический результат изобретения - повышение достоверности дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях, включающем определение по номограмме цетанового индекса по шкале в диапазоне от 0 ед. до 70 ед. по плотности при 20°С по шкале - в диапазоне от 700 кг/м³ до 1020 кг/м³, температуре выкипания 50% об. по шкале в диапазоне от 90°С до 310°С, кинематической вязкости при 50°С по шкале в диапазоне до 1000 мм²/с, совмещенной на ограниченном участке со шкалой температуры выкипания 50% об., согласно изобретению дополнительно для анализируемого топлива замеряют кинематическую вязкость при 50°С - остаточного топлива, дизельного и утяжеленного дизельного топлив; температуру выкипания 50% об. - бензина, реактивного топлива, дизельного и утяжеленного дизельного топлив, после чего рассчитывают значения оптимального цетанового индекса:

- бензинов, реактивных топлив, дизельных и утяжеленных дизельных топлив по зависимости

при этом для дизельных и утяжеленных дизельных топлив только при температуре выкипания 50% об. меньше 225°С, - остаточных топлив по зависимости

- дизельных и утяжеленных дизельных топлив при температуре выкипания 50% об., равной или больше 225°С по среднеарифметическому значению по обеим зависимостям,

где ЦИ_о - оптимальный цетановый индекс анализируемого топлива, ед.;

K₁=184 - экспериментально полученная постоянная, ед.;

К₂=20,88- (°С)^-1 - экспериментально полученный коэффициент;

t₅₀ - температура выкипания 50% об. анализируемого топлива, °С; К₃=34,9 - экспериментально полученная постоянная, ед.;

и - экспериментально полученные коэффициенты;

ν₅₀ - кинематическая вязкость анализируемого топлива при 50°С, мм²/с,

а дифференциацию анализируемого топлива по эффективности сгорания в дизельных двигателях оценивают по величине разности Δ между цетановым индексом по номограмме и оптимальным цетановым индексом, рассчитанным по приведенным зависимостям, и относят анализируемое топливо к при:

0≤Δ≤5 - высокоэффективному,

5≤Δ≤10 - среднеэффективному,

0>Δ>10 - низкоэффективному,

а также тем, что создают градуировочную шкалу значений оптимального цетанового индекса в диапазоне от 25 ед. до 90 ед., наносят ее на номограмму эквидистантно шкале температуры выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С таким образом, чтобы значение оптимального цетанового индекса, равное 25 ед., соответствовало значению кинематической вязкости при 50°С, равному 770 мм²/с, значения оптимального цетанового индекса получают для остаточных топлив - по приведенной математической зависимости оптимального цетанового индекса от кинематической вязкости при 50°С; для бензинов, реактивных топлив, дизельных и утяжеленных дизельных топлив при температуре выкипания 50% об. менее 225°С - по зависимости оптимального цетанового индекса от температуры выкипания 50% об.; для дизельных топлив и утяжеленных дизельных топлив при температуре выкипания 50% об. не менее 225°С - по среднеарифметическому значению зависимостей оптимального цетанового индекса от температуры выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С, а совмещенные значения температуры выкипания 50% об. от 225°С до 310°С и кинематической вязкости при 50°С соответственно от 1,5 мм²/с до 4 мм²/с для расчета оптимального цетанового индекса - по разработанной усредненной графической зависимости кинематической вязкости при 50°С от температуры выкипания 50% об. топлив.

На фиг. 1 представлена номограмма для определения ЦИ_о топлива;

фиг. 2 - графическая зависимость для определения кинематической вязкости топлива при температуре 50°С по известным ее значениям при других температурах в области от 20 до 100°С;

фиг. 3 - усредненная графическая зависимость кинематической вязкости при 50°С от температуры выкипания 50% об. топлива.

Необходимость использования фиг. 3 связана с относительно большими погрешностями определения показателей кинематической вязкости при 50°С (ν₅₀) и температуры выкипания 50% об. (t₅₀) дизельных и утяжеленных дизельных топлив в разных лабораториях одного и того же топлива (различия для ν₅₀ - до 0,6 мм²/с, для t₅₀ - до 17°С). Фиг. 3 получена как усредненная зависимость ν₅₀ и t₅₀ при испытаниях большого количества топлив для совмещенного участка шкалы номограммы испаряемости топлив, состоящей из трех участков: значений t₅₀, значений t₅₀ и ν₅₀ для участка совмещенных их значений и значений ν₅₀.

Физический смысл дополнительно определяемого показателя ЦИ_о состоит в том, что для обеспечения высокой эффективности сгорания разных топлив доля испарившейся их части за время до начала воспламенения, т.е. за период задержки воспламенения (ПЗВ), должна быть постоянной.

Большему значению ПЗВ соответствует меньшее значение ЦИ_о. Соответственно по мере ухудшения испаряемости топлива (увеличения t₅₀ или ν₅₀) требуется большее время на испарение топлива до начала его горения (больший ПЗВ), т.е. уменьшение показателя ЦИ_о. Таким образом, требуемое значение показателя ЦИ_о зависит только от испаряемости топлива, в то время как значение показателя ЦИ зависит как от испаряемости топлива, так и его плотности, отражающей преимущественно групповой углеводородный состав топлива (соотношение в нем парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов). При одном и том же значении испаряемости топлива и, соответственно, одном и том же значении ЦИ_о улучшение эффективности сгорания топлива осуществляется регулированием группового углеводородного состава таким образом, чтобы значения ЦИ и ЦИ_о топлива различались как можно меньше (в идеале совпадали).

Для подтверждения достоверности заявленной дифференциации топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях проведены испытания продолжительностью по 500 ч дизельного топлива ДС по ГОСТ 4749, мазута Ф5 по ГОСТ 10585 и опытных образцов дистиллятных топлив в среднеоборотном двигателе (СОД) размерностью 30/38 (диаметр/ход поршня) и частотой вращения коленвала 715 мин^-1 и высокооборотном двигателе (ВОД) размерностью 18/20 и частотой вращения коленвала 1500 мин^-1. На ВОД мазут Ф5 не испытывался, поскольку он не применяется на таких двигателях. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Как следует из приведенных в таблице 1 данных «высокоэффективному» по сгоранию топливу в ВОД и СОД отвечает только образец дистиллятного топлива №4. При испытании как в ВОД, так и в СОД он имеет наименьшие значения удельного расхода топлива (соответственно 174 г на эффективную л.с.ч и 184 г/э.л.с.ч) и дымности ОГ (соответственно 0,10 г/м³ и 0,09 г/м³), тогда как для среднеэффективного топлива (образец 1) эти значения составляют соответственно 176 г/э.л.с.ч и 186 г/э.л.с.ч и 0,14 г/м³ и 0,12 г/м³, для низкоэффективного топлива (образец 2) соответственно 178 г/э.л.с.ч и 188 г/э.л.с.ч и 0,16 г/м³ и 0,14 г/м³, для «низкоэффективного» топлива (образец 5) - 180 г/э.л.с.ч и 189 г/э.л.с.ч и 0,16 г/м³ и 0,14 г/м³ и для «низкоэффективного» топлива образец 3 (испытывался только в СОД) 190 г/э.л.с.ч и 0,14 г/м³.

Это согласуется со значениями показателя Δ заявленного способа: 2 ед. для высокоэффективного образца (№4), 6 ед. для среднеэффективного образца (№1), -8 ед. для низкоэффективного образца (№2), 11 ед. для низкоэффективного образца (№3) и 12 ед. для низкоэффективного образца (№5). Среднеэффективный по сгоранию в указанных дизелях образец топлива (№1) уступает «высокоэффективному» образцу (№4) по удельному расходу соответственно на 1,2% и 1,1% и по дымности ОГ соответственно на 40% и 33%. «Низкоэффективные» по процессу сгорания при испытаниях в указанных ВОД и СОД образцы (№2 и №5)уступают «высокоэффективному» образцу (№4) по удельному расходу соответственно на 2,3% и 2,2% и 3,3% и 2,7% и по дымности ОГ на (55-56) %. «Низкоэффективный» образец №3 при испытаниях в СОД уступает «высокоэффективному» образцу по удельному расходу на 3,3% и по дымности ОГ - на 56%.

Следовательно, результаты натурных испытаний приведенных топлив в дизельных двигателях подтверждают возможность дифференциации их как «высокоэффективных», «среднеэффективных» и «низкоэффективных» по сгоранию в дизельных двигателях.

Суть заявляемого способа заключается в том, что предлагается использовать совокупность легко определяемых (без проведения моторных испытаний) применяемых показателей качества топлив (плотности при 20°С, температуры выкипания 50% об., кинематической вязкости при 50°С и ЦИ) и дополнительно (ранее не определялись) показателей ЦИ_о (по математическим зависимостям или номограмме) и «А» (по разности значений ЦИ и ЦИ_о) для дифференциации их по эффективности сгорания в дизельных двигателях без проведении длительных и дорогостоящих моторных испытаний.

Градуировку шкалы ЦИ_о создавали следующим образом:

- на участке, соответствующем температурам выкипания 50% об. (t₅₀) на шкале III номограммы от 90°С до значений менее 225°С, - по приведенной зависимости ЦИ_о от температуры выкипания 50% об. топлива;

- на участке, соответствующем значениям кинематической вязкости при 50°С (ν₅₀) на шкале III от значения более 4 мм²/с до значения 770 мм²/с, - по приведенной зависимости ЦИ_о от кинематической вязкости при 50°С;

- на участке, соответствующем совмещенным значениям t₅₀ от 225°С до 310°С и ν₅₀ от 1,5 мм²/с до 4 мм²/с на шкале III, - по среднеарифметическим значениям ЦИ_о, полученным по обеим зависимостям. Совмещенные значения t₅₀ и ν₅₀ определяли по замеренным значениям показателей t₅₀ и ν₅₀ для разных топлив и построенной по ним усредненной графической зависимости (фиг. 3) ν₅₀ от t₅₀.

Полученную таким образом градуировочную шкалу ЦИ_о нанесли на номограмму эквидистантно шкале III, чтобы подчеркнуть зависимость шкалы IV ЦИ_о на номограмме только от испаряемости топлива, т.е. от шкалы III.

Полученный диапазон шкалы IV (значений ЦИ_о) составил от 25 ед. (соответствует значению ν₅₀, равному 770 мм²/с на шкале III) до 90 ед. (соответствует значению t₅₀, равному 91°С). Наличие на номограмме шкалы ЦИ_о значительно упрощает и ускоряет дифференциацию топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях, поскольку не требует проведения расчета значений ЦИ_о по математическим зависимостям.

Примеры дифференциации топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях с использованием номограммы приведены ниже.

Пример 1. Имеется дизельное топливо ДС по ГОСТ 4749 с плотностью при 20°С (ρ₂₀), равной 838 кг/м³, и температурой выкипания 50% об. (t₅₀) - 276°С. Требуется дифференцировать топливо по эффективности его сгорания в дизельных двигателях.

Для этого:

- на шкале I номограммы, фиг. 1, находят значение ρ₂₀, равное 838 кг/м³ (точка «А»);

- на шкале III номограммы находят значение t₅₀, равное 276°С (точка «Б»);

- соединяют прямой линией точки «А» и «Б» и по шкале II определяют значение ЦИ топлива, равное 54 ед. (точка «В»);

- точке «Б» на шкале III соответствует значение ЦИ_о, равное 48 ед. на эквидистантной шкале IV (точка «Г»);

- определяют значение показателя эффективности сгорания топлива в дизельном двигателе по разности (Δ) ЦИ (54 ед.) и ЦИ_о (48 ед.), равной 6 ед.

Значение показателя Δ дифференцирует эффективность сгорания этого топлива в дизельных двигателях как «среднюю». Это отвечает действительности, поскольку при испытании как в среднеоборотном, так и в высокооборотном двигателях его удельный расход был выше на 1,1% и 1,2%, соответственно, а дымность ОГ выше на 38% и 44%, соответственно, чем у «высокоэффективного» топлива (образец №4, таблица 1). Вместе с тем эти показатели были ниже, чем для образцов топлива, характеризуемых как «низкоэффективные» (образцы №2, №3 и №5, таблица 1), показатель Δ для которых составляет -8 ед., 11 ед. и 12 ед., соответственно.

Пример 2. Имеется дизельное топливо Евро ГОСТ Р 52368-2005 с показателями ρ₁₅ - 841 кг/м³ и кинематической вязкостью при 40°С - 2,7 мм²/с. Требуется оценить его по показателю Δ эффективности сгорания в дизельных двигателях.

Для этого:

- на шкале I номограммы находят значение ρ₁₅, равное 841 кг/м³, которому соответствует ρ₂₀, равное 838 кг/м³ (точка «Д»);

- учитывая, что показатель t₅₀ в технических условиях отсутствует, его испаряемость по шкале III необходимо определить по кинематической вязкости при 50°С (ν₅₀). ν₅₀ топлива определяют с использованием графической зависимости (фиг. 2) кинематической вязкости топлива от температуры (t). На этой фиг. находят точку «Е», соответствующую известной кинематической вязкости топлива при 40°С, равной 2,7 мм²/с. Через эту точку проводят линию (на фиг. 2 показана штрихами), параллельную ближайшей линии с известной зависимостью ν от t, до пересечения ее с вертикальной пунктирной линией температуры 50°С в точке «Ж», которой соответствует значение вязкости ν₅₀, равное 2,2 мм²/с;

- найденное значение ν₅₀ анализируемого топлива наносят на шкалу III фиг. 1, обозначая его точкой «З»;

- соединяют прямой линией точку «Д» на шкале I с точкой «З» на шкале III и находят, что точке пересечения этой линией шкалы II (точке «И») соответствует ЦИ анализируемого топлива, равный 52 ед.;

- точке «З» на шкале III соответствует ЦИ_о, равный 49 ед. (точка «К» на шкале IV);

- определяют значение показателя эффективности сгорания анализируемого топлива по разности «Δ»: ЦИ (52 ед.) - ЦИ_о (49 ед), равное 3 ед. Значение показателя Δ дифференцирует эффективность сгорания топлива, как «высокую».

Действительно, топливо вырабатывается ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» с 2004 г. и обеспечивает номинальные показатели работы дизелей.

Пример 3. Имеется опытное утяжеленное дизельное топливо по ТУ 38.101717-78 с показателями: ρ₂₀ - 861 кг/м³, t₅₀ - 290°С. Требуется оценить эффективность его сгорания в дизельных двигателях по показателю Δ.

Для этого:

- на шкале I номограммы находят значение ρ₂₀ - 861 кг/м³ (точка «Л»);

- на шкале III номограммы находят значение t₅₀ - 290°С (точка «М»);

- соединяют прямой линией точки «Л» и «М» и определяют, что ЦИ

топлива равен 47 ед. (точка «Н»);

-точке «М» на шкале III соответствует значение ЦИ_о, равное 45 ед. (точка «О») на шкале IV;

- определяют значение показателя «Δ» по разности ЦИ (47 ед.) и ЦИ_о (45 ед.), равной 2 ед. Значение показателя «Δ» дифференцирует эффективность сгорания топлива в дизельных двигателях как «высокую».

Действительно длительные (стендовые) испытания этого топлива, проведенные с участием авторов на заводе «Звезда» (г. Санкт-Петербург), показали, что оно имело «высокую» эффективность сгорания, превосходившую эффективность сгорания даже более легкого (t₅₀ - 276°С, ρ₂₀ - 838 кг/м³) товарного дизельного топлива ДС по ГОСТ 4749, взятого для сравнения, по удельному расходу и дымности отработавших газов, что объясняется значением показателя Δ для товарного топлива, равным 6 ед., т.е. большим, чем у первого топлива (2 ед.), и соответствующим «средней» эффективности сгорания топлива.

Об этом же свидетельствуют данные таблицы 1 для образцов топлива №4 и №1.

Пример 4. Имеется дизельное топливо ДС по ГОСТ 4749 с ρ₂₀ - 869 кг/м³ и t₅₀ - 276°С. Требуется определить эффективность его сгорания в дизельных двигателях по показателю Δ.

Для этого:

- на шкале I номограммы находят значение ρ₂₀ - 869 кг/м³ (точка «П»);

- на шкале III номограммы находят значение t₅₀ - 276°С (точка «Р»);

- соединяют прямой линией точки «П» и «Р» и определяют, что ЦИ топлива равен 40 ед. (точка «С»);

- точке «Р» соответствует значение ЦИ_о, равное 48 ед. (точка «Т»);

- определяют значение показателя «А» эффективности сгорания топлива в дизельных двигателях по разности ЦИ (40 ед.) и ЦИ_о (48 ед.,), которое равно минус 8 ед. Значение показателя «Δ» дифференцирует эффективность сгорания топлива как «низкую».

Действительно, при стендовых испытаниях топлива на дизельных двигателях размерностями 16/18 и 30/38 и номинальными частотами вращения коленвала 1500 мин^-1 (высокооборотный двигатель) и 715 мин^-1 (среднеоборотный двигатель) его удельный расход и дымность ОГ были выше, чем у топлив, дифференцируемых по эффективности сгорания как «высокоэффективное» и «среднеэффективное».

В сравнении с «высокоэффективным» топливом (образец 4) он имел большие удельный расход и дымность ОГ соответственно на 2,3% и 60% в первом двигателе и на 2,2% и 56% - во втором.

Пример 5. Имеется мазут Ф5 по ГОСТ 10585 с показателями: ρ₂₀ - 912 кг/м³ и ν₅₀ - 26 мм²/с. Требуется определить эффективность его сгорания в дизельных двигателях.

Для этого:

- на шкале I номограммы находят значение ρ₂₀ - 912 кг/м³ (точка «У»);

- на шкале III номограммы находят значение ν₅₀ - 26 мм²/с (точка «Ф»);

- соединяют прямой линией точки «У» и «Ф» и определяют, что ЦИ топлива равен 44 ед. (точка «X»);

- точке «Ф» на шкале III соответствует значение ЦИ_о на шкале IV, равное 33 ед. (точка «Ц»);

- определяют значение показателя Δ эффективности сгорания топлива в дизельных двигателях по разности ЦИ (44 ед.) и ЦИ_о (33 ед.), равной 11 ед. Значение показателя «Δ» дифференцирует эффективность сгорания топлива как «низкую».

Действительно, при использовании указанного топлива в среднеоборотном дизеле удельный расход топлива и дымность ОГ были выше, чем у топлив, дифференцируемых по эффективности сгорания как «высокоэффективное» и «среднеэффективное» (образец №3 в сравнении с образцами №4 и №1 - таблица 1). В сравнении с образцом топлива №4 образец №3 имеет больший (на 3,3%) удельный расход и большую (на 56%) дымность ОГ.

Пример 6. Имеется автомобильный бензин каталитического риформинга с показателями: ρ₂₀ - 790 кг/м³, t₅₀ - 126°С. Требуется определить эффективность его сгорания в дизельных двигателях.

Для этого:

- на шкале I номограммы находят значение ρ₂₀ - 790 кг/м³ (точка «Ч»);

- на шкале III номограммы находят значение t₅₀ - 126°С (точка «Ш»);

- соединяют прямой линией точки «Ч» и «Ш» и в точке «Щ» пересечения линией шкалы II определяют, что ЦИ топлива равен 14 ед.;

- из точки «Ш» на шкале III номограммы проводят горизонтальную линию до пересечения ее в точке «Ы» со шкалой IV, которой соответствует ЦИ_о, равный 80 ед.;

- определяют значение показателя «Δ» эффективности сгорания топлива в дизельных двигателях по зависимости: Δ=ЦИ-ЦИ_о, равное «-66 ед.», что соответствует «низкой» эффективности сгорания.

Действительно попытки использования этого бензина как и любых других его образцов в дизельных двигателях являются неудачными. Пуск двигателя невозможен из-за показателя Δ, имеющего чрезвычайно высокое отрицательное значение.

Результаты индицирования параметров рабочего процесса или длительной работы различных типов дизельных двигателей на дистиллятных топливах (с температурой выкипания 50% об. до 305°С) и остаточных топливах с кинематической вязкостью при 50°С до 770 мм²/с, а также оценка эффективности их сгорания (по показателю «Δ») приведены в таблице 2.

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что по значениям найденного показателя Δ, рассчитываемого по зависимости:

А=ЦИ-ЦИ_о.

где Δ - значение показателя для дифференциации топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях, ед.;

ЦИ - цетановый индекс, ед.;

ЦИ_о - оптимальный цетановый индекс топлива, ед., проводится дифференциация эффективности сгорания в дизельных двигателях как дистиллятных, так и остаточных топлив.

При этом отсутствию каких-либо отклонений в техническом состоянии двигателей (таблица 2) отвечают топлива, имеющие значения показателя Δ от 0 до 5 ед. (столбцы 7, 11, 12 и 13, строки 1, 2, 6, 9, 14, 17, 19, 21, 22 и 28).

При значениях Δ, превышающих 5 ед. и до 10 ед., происходит снижение экономичности двигателей (увеличение удельного расхода топлива) и ухудшение их экологических характеристик (увеличение дымности ОГ) - столбцы 8, 11, 12 и 13, строки 3,4, 10 и 29.

При значениях показателя Δ, меньших 0 ед., отвечающих «низкой» эффективности сгорания топлива, наблюдаются ухудшение пусковых свойств двигателей (столбцы 9 и 13, строки 18 и 23), недопустимое увеличение «жесткости» рабочего процесса, подтверждаемое индицированием параметров рабочего процесса (столбцы 9 и 13, строки 15 и 16), существенное увеличение удельного расхода топлива (до 2,3%) и дымности ОГ (столбцы 9, 11, 12 и 13, строка 27) или аварийные массовые отказы двигателей (при длительной работе) до истечения их моторесурса (столбцы 9 и 13, строка 12).

При значениях показателя Δ, больших 10 ед. (также отвечающих «низкой» эффективности сгорания топлива), наблюдаются значительное повышение удельного расхода топлива (до 3,4%) и дымности отработавших газов (до 60%) при кратковременной работе (индицировании параметров рабочего процесса) двигателей или при продолжительной работе до 500 ч (столбцы 9, 11, 12 и 13, строки 5, 11, 24, 25 и 26) или недопустимое снижение мощности и аварийные отказы двигателей при длительной работе до истечения их моторесурса (столбцы 9, 11, 12 и 13, строки 7, 8 и 13).

Таким образом, изобретение обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышение достоверности дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях без проведения длительных и дорогостоящих моторных испытаний, а только путем использования известных или легко определяемых (без проведения моторных испытаний) показателей физико-химических свойств анализируемых топлив - плотности, температуры выкипания 50% об., кинематической вязкости при 50°С, ЦИ, ЦИ_о и разности ЦИ и ЦИ_о. При наличии паспорта пригодность топлива к использованию в дизельных двигателях (в крайнем случае) можно оценить без экспериментального определения этих показателей, а только по номограмме и графическим зависимостям вязкости топлив от температуры и вязкости топлив от температуры выкипания 50% об., что особенно важно в случае нахождения корабля вдали от отечественных баз. При этом для использования целесообразно выбирать образцы топлив высокоэффективных и среднеэффективных по показателю Δ.

Изобретение позволяет многократно ускорить и удешевить работы по созданию новых образцов топлив для дизелей за счет отбраковки (до испытаний на двигателях) заведомо непригодных лабораторных образцов, имеющих показатель «Δ», характеризующий их как низкоэффективные.

Изобретение относится к исследованию жидких углеводородных топлив и может быть использовано при разработке новых и оценке существующих топлив. Способ включает определение цетанового индекса (ЦИ) по номограмме жидких углеводородных топлив с использованием шкал плотности при 20°С, температуры выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С и дополнительное измерение кинематической вязкости при 50°С для остаточного топлива, дизельного и утяжеленного дизельного топлив; температуры выкипания 50% об. - бензина, реактивного топлива, дизельного и утяжеленного дизельного топлив, расчет оптимального цетанового индекса (ЦИ_о) анализируемого топлива по полученным экспериментально математическим зависимостям от температуры выкипания 50% об., от кинематической вязкости при 50°С или от среднеарифметического значения по обоим этим показателям на совмещенном участке температуры выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С, определение разности ЦИ и ЦИ_о, а по его величине - дифференциацию жидких углеводородных топлив (от бензина до остаточного) по эффективности их сгорания в дизельных двигателях. Достигается повышение достоверности дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях. 1 з.п. ф-лы, 6 пр., 2 табл., 3 ил.

1. Способ дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях, включающий определение по номограмме цетанового индекса, по шкале в диапазоне от 0 ед. до 70 ед. по плотности при 20°С по шкале в диапазоне от 700 кг/м³ до 1020 кг/м³, температуре выкипания 50% об. по шкале в диапазоне от 90°С до 310°С, кинематической вязкости при 50°С по шкале в диапазоне до 1000 мм²/с, совмещенной на ограниченном участке со шкалой температуры выкипания 50% об., отличающийся тем, что дополнительно для анализируемого топлива замеряют кинематическую вязкость при 50°С - остаточного топлива, дизельного и утяжеленного дизельного топлив; температуру выкипания 50% об. - бензина, реактивного топлива, дизельного и утяжеленного дизельного топлив, после чего рассчитывают значения оптимального цетанового индекса:
- бензинов, реактивных топлив, дизельных и утяжеленных дизельных топлив по зависимости

при этом для дизельных и утяжеленных дизельных топлив только при температуре выкипания 50% об. меньше 225°С,
- остаточных топлив по зависимости

- дизельных и утяжеленных дизельных топлив при температуре выкипания 50% об., равной или больше 225°С по среднеарифметическому значению по обеим зависимостям,
где ЦИ_о - оптимальный цетановый индекс анализируемого топлива, ед.;
К₁=184 - экспериментально полученная постоянная, ед.;
К₂=20,88·(°С)^-1 - экспериментально полученный коэффициент;
t₅₀ - температура выкипания 50% об. анализируемого топлива, °С;
К₃=34,9 - экспериментально полученная постоянная, ед.;
К₄=0,23 и К₅=0,77 - экспериментально полученные коэффициенты;
ν₅₀ - кинематическая вязкость анализируемого топлива при 50°С, мм²/с,
а дифференциацию анализируемого топлива по эффективности сгорания в дизельных двигателях оценивают по величине разности Δ между цетановым индексом по номограмме и оптимальным цетановым индексом, рассчитанным по приведенным зависимостям, и относят анализируемое топливо к при:
0≤Δ≤5 - высокоэффективному,
5<Δ≤10 -среднеэффективному,
0>Δ>10 - низкоэффективному.

2. Способ дифференциации жидких углеводородных топлив по эффективности их сгорания в дизельных двигателях по п.1, отличающийся тем, что создают градуировочную шкалу значений оптимального цетанового индекса в диапазоне от 25 ед. до 90 ед., наносят ее на номограмму эквидистантно шкале температуры выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С таким образом, чтобы значение оптимального цетанового индекса, равное 25 ед., соответствовало значению кинематической вязкости при 50°С, равному 770 мм²/с, значения оптимального цетанового индекса получают для остаточных топлив - по приведенной математической зависимости оптимального цетанового индекса от кинематической вязкости при 50°С; для бензинов, реактивных топлив, дизельных и утяжеленных дизельных топлив при температуре выкипания 50% об. менее 225°С - по зависимости оптимального цетанового индекса от температуры выкипания 50% об.; для дизельных топлив и утяжеленных дизельных топлив при температуре выкипания 50% об. не менее 225°С - по среднеарифметическому значению зависимостей оптимального цетанового индекса от температуры выкипания 50% об. и кинематической вязкости при 50°С, а совмещенные значения температуры выкипания 50% об. от 225°С до 310°С и кинематической вязкости при 50°С соответственно от 1,5 мм²/с до 4 мм²/с для расчета оптимального цетанового индекса - по разработанной усредненной графической зависимости кинематической вязкости при 50°С от температуры выкипания 50% об. топлив.