Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ В ИНЖЕКТОРАХ СИСТЕМ ВПРЫСКА ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к методам оценки эксплуатационных свойств дизельных топлив (ДТ), в частности, к лабораторным способам оценки их склонности к образованию отложений в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и может быть использовано в нефтехимической промышленности как для оценки эффективности известных, так и вновь разрабатываемых ДТ при выработке рекомендаций по их применению в различных топливных системах.

В соответствии с правилами стандарта Евро-5 [1 - UN Regulation No. 49 -Rev. 6.], которые введены в действие на территории России с 2016 года, автомобильный транспорт должен соответствовать нормам на выбросы загрязняющих веществ на протяжении 160 тыс. км пробега, что возможно только при сохранении номинальных (расчетных) параметров рабочего процесса двигателя. В свою очередь, такая работа дизельного двигателя возможна только в случае штатной работы топливной аппаратуры, обеспечивающей заданный режим топливоподачи. Основными критическими элементами, определяющими топливоподачу, являются прецизионные пары топливного насоса и распылителей форсунок (корпус - игла распылителя). Если не рассматривать неисправности топливного насоса, являющиеся следствием механических износов, основными неисправностями топливной аппаратуры являются образование отложений в корпусе форсунки [2 - Никитина Е.А., Портнягин А.И., Каравай В.П., Перетолчин М.В. Новые пакеты многофункциональных присадок BASF для контроля отложений в современных дизельных двигателях. - Мир нефтепродуктов. 2016. - №1. - с. 4-10] и закоксовывание распыливаюших отверстий, в результате чего нарушается смесеобразование и горение, снижается мощность и увеличивается расход топлива, что в конечном итоге сказывается на производительности и экономичности техники, оснащенной дизелями.

Известно, что в дизельном двигателе одновременно происходят два разнонаправленных процесса - образование отложений за счет химических реакций в топливе и вымывание образовавшихся отложений свежей порцией топлива в момент впрыска. Ввиду этого невозможно предсказать склонность к образованию отложений дизельного топлива на основании только его физико-химических показателей, т.к. моющие свойства дизельного топлива не нормируются ни в одном НТД. Безмоторный метод и установка для его реализации должны удовлетворять двум требованиям: максимально воспроизводить реальные условия эксплуатации автомобиля, приводящие к накоплению отложений на деталях форсунок и, в то же время, обеспечивать ускоренное накопление отложений, достаточных для оценки топлив.

Перед авторами стояла задача разработать такой способ оценки склонности ДТ к образованию отложений в распылителях форсунок дизельных двигателей, который отвечал бы следующим требованиям:

экспресс-метод, не требующий длительных моторных испытаний (менее 5 дней);

обеспечение точности и достоверности получаемых результатов в пределах допустимых отклонений.

При просмотре научно-технической и патентной литературы были выявлены технические решения, частично реализующие поставленную задачу оценки склонности ДТ к образованию отложений во впускной системе.

Так известны для оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений на форсунках:

Метод оценки склонности дизельных топлив с присадками к закоксовыванию распылителей форсунок на двигателе Д21А воздушного охлаждения. Метод разработан на двухцилиндровом двигателе Д21А воздушного охлаждения. Сущность метода заключается в 6-часовом цикле испытания с переменными режимами с последующей оценкой коэффициента закоксовывания распылителей форсунок, относительного изменения удельного расхода топлива и дымности отработавших газов. [3 - Решение ГМК №23/1-154 от 05.05.1982].

Метод оценки склонности дизельных топлив и топлив с присадками к закоксовыванию распылителей форсунок на установке НАМИ-2ДК [4 - Решение ГМК №23/1-24 от 17.01.84 г.].

Сущность метода заключается в краткосрочных (4-часовых) испытаниях дизельных топлив и топлив с присадками на одноцилиндровом отсеке двигателя КамА3-740, являющегося составной частью установки НАМИ-2ДК и работающего по циклической нагрузке со сменой 2-х режимов в течение 4-х минут (1 цикл).

Общим недостатком этих методов (как и любых других моторных методов) является громоздкость, низкая ремонтопригодность установок и большой объем проб испытуемого топлива.

Известны также два следующих моторных метода:

Для распылителей форсунок в двигателях непрямого впрыска оценка склонности к образованию отложений оценивается стендовым методом CEC-F-23-01 на двигателе Peugeot XUD 9A/L (1,9-литровый рядный 4-цилиндровый атмосферный дизель водяного охлаждения с вихрекамерой). Испытание проводится на частичных нагрузках в циклическом режиме в течение 10 часов. Склонность топлива вызывать отложения на игле распылителя оценивается по изменению расхода воздуха (продувка) через форсунку до и после испытания.

Для оценки склонности к образованию отложений в распылителях топливных форсунок современных двигателей непосредственного впрыска с системой «Common Rail» используется метод CEC-F-098-08 на двигателе Peugeot DW10 (2-х литровый рядный 4-цилиндровый наддувный дизельный двигатель непосредственного впрыска с системой «Common Rail»). Общая длительность испытания составляет 44 часа. Процедура включает четыре восьмичасовых цикла работы двигателя (32 часа), которые чередуются с четырехчасовыми перерывами в работе двигателя (3 остановки 12 часов). При тестировании на двигателе Peugeot DW10 к испытуемому топливу добавляются следы цинковой соли (1 ppm цинка). Кроме отложений в распыливающих отверстях, приводящих к закоксовыванию распылителей, в современных форсунках системы «Common Rail» наблюдаются отложения на деталях внутри инжектора - на поршне и игле распылителя форсунки, (так называемые, «внутренние отложения») [2 - С. 4-10].

Все указанные выше технические решения относятся к моторным методам, которые позволяют получить результаты оценки наиболее близкие к уровню загрязнения форсунок, получаемому в реальной эксплуатации, но эти методы сложны в реализации и требует дорогостоящего оборудования.

Авторы не выявили лабораторного метода, позволяющего оценить склонность дизельных топлив к образованию отложений в инжекторах систем впрыска.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска, включающий прокачку испытываемого бензина через нагретый до температуры 180±3°С инжектор в циклическом режиме в течение не более четырех суток, в каждые сутки из которых в течение 18 часов осуществляют впрыск топлива через нагретый инжектор в течение 0,2 с с интервалом между впрысками 300 с, а в течение последующих 6 часов этих суток при выключенном нагреве инжектор выдерживают в нерабочем состоянии, по окончании испытания фиксируют цвет поверхности донышка инжектора, который сравнивают с экспериментально полученной градуировочной цветовой шкалой и оценивают склонность испытываемого бензина к образованию отложений в баллах, при этом каждые сутки после нерабочего состояния инжектора дополнительно оценивают герметичность его запорной иглы, при разгерметизации которой бензин считают некондиционным (5 - РФ патент №2576764 - прототип.)

Недостатком известного способа является отсутствие учета отложений, образующихся внутри инжекторов систем впрыска при использовании прототипа для испытания дизельных топлив.

Технический результат изобретения - повышение информативности способа и точности оценки показателя склонности к образованию отложений с одновременным приближением условий испытаний к условиям эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе оценки склонности бензинов к образованию отложений в инжекторах систем впрыска бензиновых двигателей, включающем прокачку испытываемого топлива через нагретый до заданной температуры инжектор в циклическом режиме в течение не более четырех суток, в каждые сутки из которых в течение 18 часов осуществляют впрыск дизельного топлива через нагретый инжектор в течение 0,2 с с интервалом между впрысками 300 с, а в течение последующих 6 часов этих суток инжектор выдерживают в нерабочем состоянии при выключенном нагреве, по окончании испытания фиксируют цвет поверхности донышка инжектора, который сравнивают с экспериментально полученной градуировочной цветовой шкалой и оценивают склонность испытываемого дизельного топлива к образованию отложений в баллах цветовой шкалы, при этом каждые сутки после нерабочего состояния инжектора оценивают герметичность его запорной иглы, при разгерметизации которой топливо считают некондиционным, при этом перед началом испытания замеряют начальную скорость прокачки V_н, осуществляют впрыск анализируемого дизельного топлива в течение 18 часов через исходный инжектор, нагретый до 200°С, а после нерабочего состояния инжектора каждые сутки дополнительно замеряют скорость прокачки V_i (где i - порядковый номер суток испытания) анализируемого дизельного топлива через холодный инжектор, которую сравнивают с значением начальной скорости, при наличии падения скорости прокачки более чем на 0,2 относительно начальной скорости в любые из четырех суток испытание останавливают и топливо считают некондиционным, а при падении скорости прокачки менее 0,2 относительно начальной скорости прокачки продолжают испытание дизельного топлива, по окончании испытания склонность дизельных топлив к образованию отложений оценивают по обобщенному показателю А, рассчитываемому по следующей зависимости:

А=N_б⋅К_з, где

N_б - цвет поверхности донышка по окончании четырех суток испытаний (в баллах цветовой шкалы);

К_з - величина падения скорости прокачки после 4 суток испытания относительно начальной скорости, и при А>0,4 топливо считают склонным к образованию отложений.

Использование бензиновой форсунки вместо дизельной позволяет уменьшить степень турбулентности течения топлива в распыливающих отверстиях и обеспечить ускоренное накопление отложений ввиду минимизации эффекта вымывания отложений турбулентным потоком топлива в цикле впрыска. Для оценки степени турбулентности потока в таблице 1 приведены геометрические характеристики распылителей двух форсунок, использующихся в моторных методах, регламентированных в WWFC и бензиновой форсунки установки ОСВ-01.

Из практики известно, что интенсивное закоксовывание распыливающих отверстий форсунок начинается при следующих температурах носика распылителей: 210-220°С при работе на дизельном топливе; 180-190°С при работе на смеси 25% дизельного топлива и 75% бензина; 150-180°С и выше при работе на чистых бензинах в зависимости от их группового и фракционного состава. [6 - Зеленихин А.И. Исследование влияния разгрузочного объема нагнетательного клапана и хода иглы на коксование сопловых отверстий форсунок ФД-22 // Тр. ЦНИТА. - 1986. - №30. - с. 43-60, 7 - Зеленихин А.И. Исследование процесса коксования сопловых отверстий распылителей при работе дизеля на бензодизельной смеси // Тр. ЦНИТА. - 1966. - №29. - с. 6-12, 8 - Семенов Б.Н., Павлов Е.П., Копцев В.П. - «Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности». - М., Машиностроение, 1990]

Принимая во внимание известные данные, подбор температуры нагревателя форсунки начинали от температуры 180°С. Верхний предел температуры форсунки ограничен диапазоном (210-220)°С. Данный предел обусловлен изменением прочностных свойств стали 18Х2Н4ВА, из которой изготавливают корпус распылителя.

При исследованиях применяли топливо Л-62 по ГОСТ 305-2013 ОАО «Газпромнефть-Омский НПЗ». Проводя исследования дизельных топлив, оптимальной температурой нагрева форсунки является температура 200°С (фиг. 1)

Как видно из графиков на фиг. 1, при температуре нагрева форсунки выше 195°С при прокачке наблюдается резкое возрастание скорости накопления отложений и уже при 205°С дальнейшее увеличение температуры не приводит к уменьшению пропускной способности. При температурах выше 205°С наблюдались случаи зависания форсунки, которые можно считать катастрофическими отказами топливной системы, что не позволяет надежно дифференцировать образцы дизельных топлив по склонности к образованию отложений на форсунках дизельных двигателей. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами А.И. Зеленихина [7].

Таким образом, оптимальной, с точки зрения скорости накопления отложений при сохранении возможности дифференциации дизельных топлив по склонности к образованию отложений на форсунках, является температура испытания на установке ОСВ-01, равная 200°С. Скорость изменения конечной пропускной способности форсунки с температурой составляет 6%/°С. Следовательно, для исключения влияния температуры на прецизионность метода, точность поддержания температуры ячейки должна быть не хуже ±0,2°С. Кроме того, представленные выше расчеты позволяют сделать вывод о приемлемости временных и гидродинамических характеристик метода испытания бензинов на установке ОСВ-01 для проведения испытаний дизельных топлив по оценке склонности к образованию отложений на форсунках дизельных двигателей.

Длительность фазы прокачки ДТ через инжектор выбрана, исходя из условий практики эксплуатации автомобилей с двигателями, оснащенными системой впрыска ДТ. В инжекторе находится примерно 0,4 мл ДТ, расход ДТ через инжектор при перепаде давления 0,3 МПа составляет 2,5 мл/с. Таким образом, для полной смены ДТ в зоне нагрева инжектора достаточно 0,16 с. Для гарантии полной смены ДТ в объеме инжектора продолжительность впрыска выбрана равной 0,2 с. Малая длительность фазы прокачки ДТ через инжектор препятствует смыванию образующихся отложений прокачиваемым топливом.

Длительность фазы выдержки инжектора в выключенном состоянии (интервал между впрысками) (300 с) выбран как компромисс между необходимостью, с одной стороны, достаточно глубокой степени окисления за время нахождения ДТ в зоне прогрева, а с другой стороны - необходимостью осуществления максимально частых впрысков для увеличения скорости накопления отложений.

Таким образом, один цикл впрыска можно описать следующим образом: включение топливного насоса → включение инжектора через 0,8 с → выключение насоса и инжектора через 0,2 с → нагрев свежей порции ДТ 300 с. Такой режим является максимально жестким с точки зрения накопления отложений, что было подтверждено в процессе отработки методики.

Общая продолжительность испытания не более четырех суток соответствует приблизительно 24000 км пробега автомобиля, если принять среднюю скорость автомобиля 40 км/час за 7-ми часовой рабочий день и количество остановок с выключенным двигателем продолжительностью не менее 5 минут 10 раз в день. За это время накапливается достаточное отложений для достоверной оценки склонности ДТ к образованию отложений в распылителях форсунок дизельных двигателей.

Величина падения скорости прокачки (К_з) рассчитывается по формуле:

К=(V_н-V_i)/ V_н,

где V_н - объем топлива, прошедшего за 30 с через инжектор до начала испытаний; V_i - объем топлива, прошедшего за 30 с через инжектор за i суток испытаний. Данный показатель характеризует внутренние потери давления впрыска в каналах форсунки, вызванные внутренними отложениями.

Показатель N_б характеризует внешние отложения влияющих на форму факела распыла ввиду изменения геометрии устья распыливающих отверстий.

Таким образом, коэффициент А равный:

A=N_б⋅K_з

является комплексным показателем характеризущим совместное влияние на характеристики впрыска внутренних отложений (К_з) и внешних отложений (N_б,).

При проведении исследований ДТ различных заводов-изготовителей на установке для определения склонности ДТ к образованию отложений в распылителях форсунок дизельных двигателей была получена градуировочная цветовая шкала (фиг. 2), представляющая собой оценку в баллах от 0 до 6 цвета донышка инжектора с распыливающими отверстиями. Каждый из этих баллов информирует о качестве ДТ и позволяет прогнозировать (рекомендовать) периодичность технического обслуживания топливной системы при работе на данном ДТ.

По предложенной методике были проведены испытания ряда товарных дизельных топлив и их компонентов. Результаты испытаний приведены в фиг. 3. В качестве оценочных показателей использованы: степень потемнения донышка форсунки (согласно бальной шкале) и относительное уменьшение пропускной способности форсунки в конце цикла испытания, а также было проведено сравнение полученного коэффициента А с результатами испытаний дизельных топлив, проведенных по методу СЕС F-98-08 на двигателе Peugeot DW10.

Результаты испытаний отсортированы по возрастанию коэффициента А. При этом уменьшение пропускной способности форсунки не следует прямо за степенью потемнения донышка. При одинаковом потемнении донышка пропускная способность может отличаться как меньшую, так и в большую сторону. Коэффициент корреляции около 0,5. Следовательно, данные показатели можно считать достаточно независимыми для их включения в оценку склонности дизельных топлив к образованию отложений на форсунках дизельных двигателей. Кроме того, из таблицы видно, что коэффициент А хорошо коррелирует с величиной уменьшения мощности стандартного моторного метода оценки склонности дизельного топлива к образованию отложений на форсунках современных дизельных двигателей. Таким образом данный метод может заменить дорогостоящие моторные испытания при сохранении достоверности оценки данного показателя.

Суть изобретения заключается в использовании совокупности известных и отличительных существенных признаков способа оценки склонности ДТ к образованию отложений в распылителях форсунок дизельных двигателей для достижения указанного выше технического результата.

Способ оценки склонности дизельных топлив к образованию отложений в распылителях форсунок дизельных двигателей реализуется следующим образом:

Пример: предварительно отфильтрованный испытываемый образец топлива дизельного класс 3 вид 3 по ГОСТ 32511-2013 в количестве 1000 см³ заливают в топливный бак установки. Устанавливают и закрепляют в распределительную магистраль инжектора (BOSCH 028015811015) с помощью специального фиксатора, предварительно смочив резиновое уплотнение испытуемым топливом. Под установленный инжектор ставят емкость для слива топлива объемом не менее 100 см³. Включают насос и кратковременно инжектор, проверяют отсутствие подтекания испытываемого топлива в инжекторе. Если в процессе или после пролива инжектора наблюдается ее подтекание (падение остаточного давления в магистрали более чем на 0,5 кг/см² через 5 мин после закрытия инжектора и выключения топливного насоса) инжектор признают негодным и заменяют. Проверяют положение переключателей на блоке управления установки.

Для измерения начальной пропускной способности инжектора выполняют следующие операции: под топливный инжектор ставят мерный цилиндр объемом 100 см³ и проводят замер пропускной способности инжектора по следующему алгоритму: включают топливный насос; включают топливный инжектор, проводят замер количества топлива, прошедшего за через инжектор 30-40 сек (в зависимости от вязкости испытываемого топлива), выключают топливный насос. Проводят четыре замера и рассчитывают среднее значение, перед каждым замером мерный цилиндр промывают гептаном и просушивают. Начальная скорость - 3 мл/с. В случае обнаружения негерметичности запорной иглы инжектора, инжектор признается негодным.

После этого на нижнюю часть инжектора надевают нагреватель, подставляют колбу для сбора топлива и на вход нагревателя подают управляющий сигнал, при достижении температуры инжектора, равной заданному значению 200±0,2°С, включают таймер, запуская испытание на сутки, которое включает в себя: работу нагревателя в течение 18 ч поддержания температуры инжектора, когда осуществляется впрыск топлива через каждые 300 с, цикл впрыска включает в себя работу насоса 2 с (для достижения давления 3,0±0,1 кг/см²) и 0,2 с включения инжектора и 6 часов нерабочего состояния инжектора.

После 6 ч выдержки инжектора в нерабочем состоянии проводят пролив инжектора для установления герметичности, при наличии герметичности испытания продолжают, а при отсутствии герметичности - дизельное топливо считают некондиционным. Далее ежедневно замеряют скорость прокачки топлива через холодный инжектор, она составила 2,9; 2,8; 2,8; 2,7 мл/с в первые (вторые, третьи и четвертые сутки соответственно); при наличии падения скорости прокачки более чем на 20% от начальной скорости в любые из четырех суток испытание останавливают и топливо считают некондиционным. Испытания проводят в течение не более четырех суток. После этого испытание считается законченным, проводится облуживание установки, для чего сливают остатки испытываемого топлива из топливного бака и магистралей, инжектор не снимают, заливают в топливный бак 1000 см³ изооктана и прокачивают через инжектор, сливают оставшийся в топливном баке изооктан, снимают нагреватель, инжектор, ополаскивают инжектор в 50 см³ гептана, затем выдерживают инжектор в сушильном шкафу 30 мин при 50°С. После чего проводят обработку результатов испытания путем сканирования донышка инжектора (3 балла) и рассчитывают К_з=(3-2,7)/3=0,1 или 10% от начальной скорости прокачки.

Рассчитывают коэффициент А=3⋅0,1=0,3. Полученный результат меньше 0,4, а, следовательно, топливо дизельное класс 3 вид 3 по ГОСТ 32511-2013 не склонно к образованию отложений в инжекторах систем впрыска дизельного двигателя.

Таким образом, применение изобретения позволит:

- минимизировать время испытания за счет установления продолжительности фазы работы инжектора 0,2 с и фазы выдержки инжектора в выключенном состоянии 300 с, что с одной стороны позволяет полностью сменить топливо в полости инжектора, а с другой - позволяет проводить накопление отложений с теоретически максимальной скоростью;

- повысить точность и достоверность оценки склонности дизельных к образованию отложений в инжекторах систем впрыска за счет приближения условий испытаний к реальным условиям эксплуатации двигателей (применение современного инжектора, нагрев его до температуры, характерной для реального двигателя сразу после остановки - 200±0,2°С и имитация длительной остановки автомобиля путем использования фазы холодной выдержки длительностью 6 часов);

- получить количественные характеристики склонности дизельных топлив к образованию отложений в различных местах инжекторных систем впрыска путем оценки отложения с помощью разработанной градуировочной цветовой шкалы и скоростью забивки каналов форсунки по скорости уменьшения пропускной способности, которые позволяет прогнозировать (рекомендовать) периодичность технического обслуживания топливной системы при работе на данном дизельном топливе;

- снизить затраты за счет сокращения и фиксации времени испытания на уровне не более 96 ч, снижении расхода испытываемого топлива до 1 л и отказа от использования стенда с полноразмерным двигателем.