Способ оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок Российский патент 2024 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к оценке эксплуатационных свойств дизельных топлив на лабораторно-стендовых установках по показателю закоксованности распылителей форсунок, и может быть использовано в организациях, проводящих испытания топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно форсунок дизелей.

Склонность нефтепродуктов к отложениям - эксплуатационное свойство, характеризующее способность нефтепродукта образовывать жидкие и твердые отложения [1 - Энциклопедия химмотологии / Н.Н. Гришин, В.В. Середа. - М.: Издательство «Перо», 2016, С. 565].

Отложения в ДВС образуются в результате окисления моторного топлива кислородом воздуха и загрязнения продуктами износа, коррозии, неполного сгорания и примесями, поступающими с воздухом. Количество отложений и их влияние на работу ДВС зависят от физико-химических свойств топлива, конструкции системы смесеобразования и условий эксплуатации двигателя, определяющих его температурный режим [2 - Химмотология горюче-смазочных материалов / А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин. - СПб.: Изд-во НПИКЦ, 2007, С. 120].

Для надежной работы дизельных двигателей моторные топлива не должны вызывать значительных лаконагарных отложений на поверхности камеры сгорания (на днище поршня и огневой поверхности) и распылителях форсунок. В процессе работы дизеля отложения образуются на наружной поверхности носка распылителей и во внутренних полостях сопловых отверстий распылителей форсунок. Процесс образования отложений на поверхностях распылителей форсунок называется закоксовыванием [2 - С. 120-126]. Как правило, оценка склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок осуществляется по результатам ускоренных испытаний дизеля на моторном стенде. Под ускоренными испытаниями понимаются испытания горюче-смазочных материалов, дающие информацию об их эксплуатационных свойствах и показателях качества в более короткие сроки, чем в условиях эксплуатации техники [1 - С. 189].

Закоксовывание распылителей форсунок начинается с образования лаковой пленки, а в последующем и высокотемпературных нагарных отложений, на поверхностях сопловых отверстий распылителей в результате теплового воздействия на моторное топливо нагретых стенок сопловых отверстий от температуры внутрицилиндровых газов в процессах сжатия и сгорания рабочего цикла дизеля, а также в результате проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов во внутреннюю полость сопловых отверстий в моменты начала подъема и посадки иглы распылителей соответственно в начале и конце впрыска топлива при его движении по внутренним каналам распылителей. До настоящего времени в России нет эффективного метода оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок, что затрудняет давать достоверную и объективную оценку качества новых или модернизируемых топлив по результатам квалификационных испытаний в лабораторно-стендовых условиях.

Перед авторами поставлена задача - разработать способ, позволяющий оценить склонность дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок в условиях ускоренных испытаний на моторном стенде с дизельным двигателем с высокой оперативностью испытаний.

Известен способ оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок путем циклической работы двухцилиндрового дизельного двигателя воздушного охлаждения (один цикл включает кратковременную работу двигателя на режиме холостого хода и режиме максимального крутящего момента) в течение 6 часов с последующим определением коэффициента закоксовывания сопловых отверстий распылителей по изменению величины их эффективного проходного сечения до и после ускоренных испытаний [3 - SU 1116372, G01N 25/02, 1984 г.].

Недостатком данного способа оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок является цикличный режим работы дизеля с последующим расчетом коэффициента закоксовывания распылителей по изменению среднего эффективного проходного сечения сопловых отверстий до и после ускоренных испытаний (информационный показатель), а также значительное недостоверность полученных результатов, т.к. не учитываются значимые факторы (температура топлива и температура внутрицилиндровых газов при их попадании через сопловые отверстия во внутреннюю полость распылителей), которые существенно влияют на интенсивность закоксовывания, приводящих к увеличению продолжительности ускоренных испытаний дизеля на моторной установке и, как следствие, к удорожанию испытаний.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок на установке НАМИ-2ДК с одноцилиндровым отсеком дизеля КамА3-740 с жидкостным охлаждением при цикличной работе двигателя на режимах холостого хода и максимального крутящего момента в течение 4 часов при постоянных значениях температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и температуры моторного масла в картере двигателя с последующим определением коэффициента закоксовывания распылителей по изменению величины эффективного проходного сечения сопловых отверстий до и после ускоренных испытаний [2 - С. 132-134 - прототип].

Недостатком данного способа оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок является цикличный режим работы дизеля с последующим расчетом коэффициента закоксовывания распылителей по изменению среднего эффективного проходного сечения сопловых отверстий до и после ускоренных испытаний (информационный показатель), а также значительное недостоверность полученных результатов, т.к. не учитываются значимые факторы (температура топлива и температура внутрицилиндровых газов при их попадании через сопловые отверстия во внутреннюю полость распылителей), которые существенно влияют на интенсивность закоксовывания, приводящих к увеличению продолжительности ускоренных испытаний дизеля на моторной установке и, как следствие, к удорожанию испытаний.

Технический результат изобретения - сокращение продолжительности моторных ускоренных испытаний дизельных топлив при оценке их склонности к закоксовыванию распылителей форсунок на полноразмерном дизеле с жидкостной системой охлаждения за счет создания условий повышения интенсивности закоксовывания сопловых отверстий распылителей путем увеличения температуры топлива и увеличения проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок, включающий работу дизельного двигателя в режиме максимального крутящего момента при постоянных значениях температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и температуры моторного масла в картере двигателя, и последующее определение коэффициента закоксовывания сопловых отверстий распылителей по рассогласованию информационного показателя, полученного до и после ускоренных испытаний, согласно изобретению, за информационный показатель принимают пропускную способность сопловых отверстий распылителей форсунок, а работу дизеля осуществляют при температуре топлива на входе в топливный насос высокого давления не ниже 60°С и при повышенной интенсивности проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов через сопловые отверстия в каналы распылителей форсунок путем понижения давления начала подъема запорной иглы распылителя форсунок до 1,0-5,0 МПа.

Способ оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок реализуется следующим образом.

Для оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок используется моторный стенд с трехцилиндровым дизелем MMZ-3LD [4 - Моторный стенд ИТМ-1 для испытаний топлив и масел / И.Д. Глазунов, А.И. Лубенцов, Д.А. Уханов // Труды 25 ГосНИИ МО РФ. - 2022, Вып. 60, С. 273-284] и лабораторный стенд постоянного давления [5 - Стенд постоянного давления для проливки распылителей форсунок / Д.А. Уханов, И.Д. Глазунов, К.В. Шаталов // Сборник статей VI Международной НПК. - Пенза: ПГАУ, 2023, С. 108-113], оснащенные соответствующими датчиками и измерительной аппаратурой. Сущность способа заключается в ускоренных испытаниях дизельных топлив на трехцилиндровом дизеле, работающем при постоянной частоте вращения коленчатого вала 1900±25 мин^-1 в режиме максимального крутящего момента дизеля, на котором создаются условия для максимального закоксовывания распылителей форсунок, снятии форсунок с двигателя, проливке форсунок на лабораторном стенде постоянного давления. В целях ужесточения условий образования отложений путем повышения интенсивности проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов через сопловые отверстия в каналы распылителей форсунок за счет снижения давления начала подъема запорной иглы распылителей до 1,0-5,0 МПа и увеличения температуры топлива на входе в топливный насос высокого давления (ТНВД) свыше 60°С. Экспериментальными исследованиями установлена корреляционная связь температуры топлива на входе в ТНВД с температурой топлива перед запорной иглой распылителя с разницей в 30…40°С [6 - Особенности эксплуатации дизельной топливной аппаратуры / П.А. Власов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 127 с].

Оценочным показателем метода оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок является коэффициент закоксовывания распылителей (К_З), характеризующий относительное изменение пропускной способности отверстий распылителей до и после ускоренных испытаний форсунок.

где V₁, V₂ - объем проливаемого топлива через форсунку в мерный цилиндр до и после испытаний на стенде постоянного давления, мл.

Для определения информационного показателя - коэффициента закоксовывания распылителей, форсунки снимают с двигателя и подвергают проливке на стенде постоянного давления.

Перед проведением ускоренных испытаний на моторном стенде подготавливают рабочие форсунки, которые разбирают, детали очищают и промывают чистым дизельным топливом. Корпуса и иглы распылителей подвергают обработке в ультразвуковой ванне для удаления лаконагарных отложений. Затем производят проливку распылителей в сборе с иглой на стенде постоянного давления. Результаты проливки распылителей заносят в протокол испытаний.

После проливки распылителей на стенде форсунки собирают и регулируют на определенную величину давления начала подъема иглы распылителя на приборе для проверки и регулировки дизельных форсунок BOSCH H-S/KDEP 99 А по ГОСТ 10579-2017 «Форсунки дизелей. Технические требования и методы испытаний».

У рабочей форсунки устанавливают давление на начало подъема запорной иглы распылителя форсунок на величину 1,5±0,1 МПа (у стандартной форсунки 25,0±0,1 МПа). Пониженное давление начала подъема запорной иглы устанавливают с помощью подбора регулировочных шайб под пружину форсунки.

Осуществляют предварительный прогрев дизеля до нормального температурного режима (до температуры охлаждающей жидкости 85±5°С и моторного масла в картере двигателя до 90±5°С) со стандартными форсунками, отрегулированными на нормативное давление начала подъема иглы распылителей, равное 25±0,1 МПа.

Снимают стандартные форсунки и устанавливают рабочие форсунки с давлением начала подъема иглы распылителя 1,5±0,1 МПа.

Затем производят пуск и работу дизеля в режиме максимального крутящего момента в течение 2 часов при частоте вращения коленчатого вала 1900±25 мин^-1, нагрузке на тормозе 60±2 Н м, температуре топлива на входе в ТНВД 80±1°С, температуре охлаждающей жидкости 85±5°С, температуре моторного масла в картере двигателя 90±5°С.

Условия проведения ускоренных моторных испытаний по оценке склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок приведены в таблице 1.

По истечении времени работы дизеля на режимах ускоренного закоксования форсунок (после 2 ч) дизель останавливают. По окончании испытаний форсунки снимают с двигателя и производят визуальную оценку лако-нагарных отложений на наружной поверхности носка распылителя.

При проливке форсунок на стенде постоянного давления полностью освобождают пружину от затяжки, чтобы игла распылителя свободно поднималась до упора в корпусе форсунки. Проходящее через форсунку испытуемое дизельное топливо при постоянном давлении топлива на входе в форсунку, равном Р=5±0,1 МПа, попадает в мерный цилиндр. В трехкратной повторности замеряют количество топлива, поступившего в мерный цилиндр, за время, выбранное оператором. По изменению объема прошедшего через форсунку в мерный цилиндр до и после испытаний определяют коэффициент закоксовывания распылителей (К_З).

Оценка склонности дизельного топлива к закоксовыванию производится по результатам сравнения различных топлив, чем ниже К_З, тем моторное топливо менее склонно к закоксовыванию распылителей форсунок.

Пример. Необходимо оценить и сравнить три различных образца дизельного топлива (ДТ) на склонность к закоксовыванию распылителей форсунок, произведенные на АО «Газпромнефть-ОНПЗ»: летнее ДТ-Л-К5, зимнее ДТ-3-К5, арктическое ДТ-А-К5. Сравниваемые образцы ДТ соответствуют требованиям ГОСТ 32511 (таблица 2, 3).

Результаты определения коэффициента закоксовывания распылителей форсунок после проведения ускоренных испытаний на топливах ДТ-Л-К5, ДТ-3-К5, ДТ-А-К5 представлены в таблице 4.

Из анализа данных таблицы 4 следует, что при одинаковых условиях испытаний коэффициент закоксовывания у летнего топлива ДТ-Л-К5 составил 31,52%, у зимнего ДТ-3-К5 - 25,96%, у арктического топлива ДТ-А-К5 - 21,62%.

Различия в значения коэффициента закоксовывания распылителей форсунок после проведения ускоренных испытаний исследуемых образцов топлив связано с тем, что дизельные топлива отличаются фракционным составом (см. таблицы 2 и 3). Арктическое ДТ состоит из более легких фракций по сравнению с зимним, которые менее склоны к образованию отложений. Данные таблицы 3 показывают, что летнее ДТ имеет в своем составе более тяжелую углеводородную фракцию по сравнению с зимним и арктическим дизельными топливами, что так же видно из таблицы 2.

Таким образом, применение изобретения позволяет оценивать склонность дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок по результатам ускоренных моторных испытаний с меньшей продолжительностью - сокращается с 4 часов (по прототипу) до 2 часов (по изобретению) и существенно экономить материальные и финансовые ресурсы за счет создания условий повышения интенсивности закоксовывания сопловых отверстий распылителей путем увеличения температуры топлива и увеличения проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов.

Изобретение относится к оценке эксплуатационных свойств дизельных топлив на лабораторно-стендовых установках по показателю закоксованности распылителей форсунок. Предложен способ оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок, для этого работу дизельного двигателя осуществляют в режиме максимального крутящего момента при температуре топлива на входе в топливный насос высокого давления не ниже 60°С и при повышенной интенсивности проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов через сопловые отверстия в каналы распылителей форсунок, путем понижения давления начала подъема запорной иглы распылителя форсунок до 1,0-5,0 МПа, с последующим определением коэффициента закоксовывания сопловых отверстий распылителей по относительному изменению пропускной способности распыливающих отверстий до и после ускоренных испытаний. Технический результат: сокращение продолжительности моторных испытаний дизельных топлив при оценке их склонности к закоксовыванию распылителей форсунок, за счет создания условий повышения интенсивности закоксовывания сопловых отверстий распылителей, путем увеличения температуры топлива и увеличения проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов. 4 табл.

Способ оценки склонности дизельных топлив к закоксовыванию распылителей форсунок, включающий работу дизельного двигателя в режиме максимального крутящего момента при постоянных значениях температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и температуры моторного масла в картере двигателя, и последующее определение коэффициента закоксовывания сопловых отверстий распылителей по рассогласованию информационного показателя, полученного до и после ускоренных испытаний, отличающийся тем, что за информационный показатель принимают пропускную способность сопловых отверстий распылителей форсунок, а работу дизеля осуществляют при температуре топлива на входе в топливный насос высокого давления не ниже 60°С и при повышенной интенсивности проникновения высокотемпературных внутрицилиндровых газов через сопловые отверстия в каналы распылителей форсунок путем понижения давления начала подъема запорной иглы распылителя форсунок до 1,0-5,0 МПа.