Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор и анализ зарубежных и отечественных методов оценки моющих свойств автомобильных бензинов 11
1.1. Образование отложений на деталях двигателей и их влияние на
эксплуатационные показатели работы двигателя 11
1.1.1. Состояние вопроса 11
1.1.2. Механизм образования отложений 12
1.1.3. Влияние эксплуатационных свойств бензинов на процесс образования отложений на деталях двигателей 13
1.1.4. Влияние отложений на эксплуатационные показатели работы двигателя 15
1.2. Краткий обзор и анализ зарубежных и отечественных методов
оценки моющих свойств автомобильных бензинов 28
1.2.1. Зарубежные методы оценки моющих свойств автомобильных бензинов 28
1.2.2. Отечественные методы оценки моющих свойств автомобильных бензинов 34
1.2.3. Краткий анализ методов оценки склонности бензинов к образованию отложений 38
1.3 Цель изадачи исследования 40
Глава 2. Теоретическое обоснование разрабатываемой методики оценки 43
2.1. Основания для разработки методики 43
2.2. Требования к методике 43
2.3. Концепция методики 44
2.4. Выбор и обоснование режимов работы двигателя 45
2.4.1. Выбор режимов работы двигателя и оценка их влияния на образование отложений в камере сгорания 46
2.4.2. Отработка методики 56
2.5. Метрологическая аттестация методики оценки склонности автомобильных бензинов к образованию отложений на деталях двигателей 63
2.6. Выводы ко второй главе 72
Глава 3. Экспериментальная установка и оборудование. Методика проведения испытаний 73
3.1. Экспериментальная установка и оборудование для оценки склонности бензинов к образованию отложений на деталях двигателей 73
3.1.1. Экспериментальная установка 73
3.1.2. Двигатель для проведения испытаний 73
3.1.3. Система автоматического регулирования температурного режима двигателя 75
3.1.4. Система автоматического регулирования режимами работы двигателя (частота вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузка) 76
3.1.5. Система частичной рециркуляции отработавших газов 79
3.1.6. Регулирование состава топливовоздушной смеси 81
3.1.7. Вспомогательное оборудование 81
3.2. Методика проведения испытаний 84
3.2.1. Подготовка двигателя к проведению испытаний 84
3.2.2. Проведение испытаний 85
3.2.3. Оценка результатов испытаний 88
3.3. Выводы к третьей главе 90
Глава 4. Экспериментальная оценка моющих свойств товарных и опытных образцов бензинов 91
4.1. Программа испытаний 91
4.2. Результаты испытаний товарных образцов бензинов 91
4.2.1. Объекты испытаний 91
4.2.2. Результаты испытаний 92
4.3. Результаты испытаний опытных образцов бензинов 97
4.3.1. Объекты испытаний 97
4.3.2. Результаты испытаний 98
4.4. Сопоставление результатов оценки бензинов по разработанной методике и по методам, принятым Европейским Координационным Советом (СЕС) 107
4.5. Разработка рекомендаций по составу современных бензинов 109
4.6. Выводы к четвертой главе ПО
Общие выводы 111
Заключение 112
Библиографический список
- Влияние эксплуатационных свойств бензинов на процесс образования отложений на деталях двигателей
- Выбор режимов работы двигателя и оценка их влияния на образование отложений в камере сгорания
- Система автоматического регулирования режимами работы двигателя (частота вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузка)
- Результаты испытаний товарных образцов бензинов
Введение к работе
Актуальность исследований
В связи со значительным ростом автомобильного парка во всех странах к автомобильной технике предъявляются все более жесткие требования по выбросам вредных веществ с отработавшими газами.
По токсичности выбросов автомобили должны соответствовать установленным нормам в течение длительного периода эксплуатации [110].
Выполнение этих требований осуществляется при комплексном решении вопроса: совершенствование конструкции двигателей и улучшение качества топлива.
Одним из важных эксплуатационных показателей качества автомобильных бензинов является их способность предотвращать загрязнение деталей двигателей в процессе эксплуатации (моющие свойства).
Для нормирования этих показателей Европейским Координационным Советом по разработке методов испытаний топлив и смазочных материалов для двигателей (СЕС) одобрены методики испытаний бензинов на серийных двигателях и установлены нормы на показатели качества.
В России решение о допуске к применению новых или модернизированных бензинов для автомобильной техники принимается на основании лабораторных методов оценки (физико-химические показатели качества) и комплекса методов квалификационной оценки (эксплуатационные показатели качества), в котором отсутствуют методики испытаний бензинов на двигателях [66].
В связи с вышеизложенным, актуальными являются исследования, связанные с разработкой методик испытаний на двигателях для оценки технического уровня бензинов, в частности, методик по определению моющих свойств бензинов.
7 Методика должна предусматривать испытания бензинов на двигателе и количественную оценку загрязнения деталей двигателя по окончании испытаний.
Цель работы
Оценка моющих свойств автомобильных бензинов различного компонентного состава, с различными добавками и присадками и оценка их влияния на эксплуатационные свойства автомобилей.
Для достижения этой цели были сформулированы следующие основные задачи: " провести анализ данных по процессу образования отложений на деталях
двигателей и их влиянию на эксплуатационные показатели работы
двигателя; " провести обзор и анализ зарубежных и отечественных методов оценки
склонности бензинов к образованию отложений на деталях двигателя; " теоретически обосновать и разработать методику оценки моющих свойств
автомобильных бензинов на двигателе; " на основе разработанной методики исследовать моющие свойства
автомобильных бензинов различного компонентного состава, с различными
добавками и присадками; " дать рекомендации по составу современных автомобильных бензинов для их
соответствия требованиям по показателю «моющие свойства».
Предмет исследования
Предметом исследования является процесс образования отложений на деталях двигателей и методики его оценки.
Объект исследования
Объектом исследования является состояние качества автомобильных бензинов по показателю «моющие свойства» и способы улучшения данного эксплуатационного показателя.
Основой исследований является методика оценки моющих свойств автомобильных* бензинов на двигателе.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в том, что:
" определено влияние различных факторов (частичная рециркуляция,
обогащение смеси, температура воздуха на входе и др.) на процесс
накопления отложений и выбросы вредных веществ (СО и СН) с
отработавшими газами; . ;:
" построена математическая модель накопления отложений в камере сгорания;
разработана методика оценки моющих свойств автомобильных бензинов на двигателе;
" на основе разработанной методики проведено исследование влияния различного,компонентного состава автомобильных бензинов с различными добавками и присадками на их «моющие свойства», на основе которых разработаны рекомендации по составу современных автомобильных бензинов для их соответствия требованиям по показателю «моющие свойства».
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в оформлении требований к техническому уровню современных и перспективных автомобильных бензинов нашедших отражение в Постановлении Правительства Москвы №952-1Ш от 28 декабря 2004 г. «О стандартах на моторное топливо с улучшенными экологическими характеристиками» и Постановлении Правительства
9 Российской Федерации № 609 от 12 октября 2005 г. «Специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ», направленных на повышение эксплуатационных свойств автомобильной техники.
Реализация результатов работы
Разработанная методика оценки моющих свойств автомобильных бензинов взята за основу при разработке стандарта Ассоциации автомобильных инженеров (СТО ААИ 006-2004) и одобрена специалистами ФГУП «НАМИ» и ОАО «АвтоВАЗ» (письмо № 23/44-/34 от 18.05.2005 г.).
На основе разработанных рекомендаций по составу современных автомобильных бензинов были проведены работы по оценке моющих свойств автомобильных бензинов производства ОАО «Московский НПЗ», ОАО «ЛУКОЙЛ» (бензины «ЭКТО»), ТНК-ВР (бензины «ULTIMATE», «ЕВРОТОП» и «PULSE») с моющими присадками по методу СТО ААИ 006-2004 и, на основе результатов испытаний, даны рекомендации по производству и применению данных бензинов на автомобильной технике.
На защиту выносятся: " математическая модель накопления отложений в камере сгорания; " методика оценки моющих свойств автомобильных бензинов на двигателе; " результаты исследования моющих свойств товарных автомобильных
бензинов; " результаты исследования влияния различного компонентного состава,
различных добавок и присадок на моющие свойства автомобильных
бензинов; " рекомендации по составу современных автомобильных бензинов для их
соответствия требованиям по показателю «моющие свойства».
Апробация работы
Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на III Международной научно-практической конференции «Новые топлива с присадками», г. Санкт-Петербург, Научный Центр РАН (1-3 июня 2004 г.); на 6-ой Международной автомобильной конференции «Двигатели для российских автомобилей», г. Москва, ЗАО «Экспоцентр» (26 августа 2004 г.); на 63-ей научно-методической и научно-исследовательской конференции, г. Москва, МАДИ (ТУ) (январь 2005 г.); на 50-ой Международной научно-технической конференции «Автомобиль и окружающая среда», г. Дмитров-7, автополигон (15-16 июня 2005 г.); на 4-ом международном автомобильном научном форуме приуроченному к 130-ти летнему юбилею Н.Р. Бриллинга, г. Москва, ФГУП «НАМИ» (25-26 октября 2006 г.). '
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ и 22 отчетов о научно-исследовательской работе.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и содержит 160 страниц машинописного текста, 31 таблицу, 32 рисунка, список литературы из 110 наименований и 4 приложения.
Влияние эксплуатационных свойств бензинов на процесс образования отложений на деталях двигателей
Важным фактором, характеризующим склонность топлив к образованию отложений, является его углеводородный состав. Анализ имеющихся данных [24, 54, 73] показывает, что склонность бензинов к образованию отложений в значительной степени зависит от содержания в нем непредельных и ароматических углеводородов.
В присутствии большого количества непредельных углеводородов ароматические углеводороды практически не влияют на процесс образования отложений. При добавлении ароматических углеводородов в бензин, не содержащий непредельных углеводородов, происходит резкое увеличение его склонности к образованию отложений.
Склонность к нагарообразованию бензинов, содержащих непредельные углеводороды, зависит от их строения, химической активности и склонности к превращениям под действием различных температур. Поэтому общее количество непредельных углеводородов в бензине не может служить критерием оценки его склонности к образованию отложений.
Влияние ароматических углеводородов на образование отложений так же зависит от их строения [73].
Современные высокооктановые бензины либо вообще не содержат непредельных углеводородов, либо содержат небольшое количество относительно неактивных углеводородов этого класса. Склонность к нагарообразованию таких бензинов обуславливается количеством и строением ароматических углеводородов. Следовательно, основное внимание при изучении этих бензинов должно быть обращено на содержание в них ароматических углеводородов, которые при хороших антидетонационных качествах повышают склонность бензинов к нагарообразованию [81, 94],
Общей закономерностью для топлив является повышение их склонности к образованию отложений при ухудшении их испаряемости. Иными словами, образование отложений в автомобильном двигателе непосредственно связано с фракционным составом применяемого топлива. На это обращено внимание и в работах, посвященных изучению свойств бензинов и в работах, относящихся к изучению дизельных и реактивных топлив [24, 54, 73].
Склонность бензина к образованию отложений определяется химической стабильностью его высококипящих фракций. Если эти фракции стабильны, то их количество незначительно влияет на нагарообразование, если нестабильны, то содержание их в значительной мере определяет склонность бензина к образованию отложений на деталях двигателя [81, 94].
Увеличение фактических смол в бензинах лишь незначительно влияет на образование отложений в камере сгорания, но в значительной степени увеличивает количество отложений на впускных клапанах [46]..
Применение металлоорганических антидетонаторов приводит к увеличению отложений в камере сгорания и практически не сказывается на количестве отложений на впускных клапанах [6, 30, 31].
Нагарообразующая способность бензинов так же, как и дизельных топлив увеличивается с повышением содержания серы. Об участии сернистых соединений в образовании нагара свидетельствует тот факт, что в составе нагара всегда отмечается большое содержание серы [53, 54].
Данные показывают, что сера, содержащаяся в топливе, влияет не только на количество отложений, образующихся в камере сгорания, но также и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность [73].
Выбор режимов работы двигателя и оценка их влияния на образование отложений в камере сгорания
Как было показано в первой главе наиболее благоприятные условия для образования отложений создаются при работе двигателя на режимах малых нагрузок и холостом ходу, а также на переменных режимах. Длительность работы двигателя на этих режимах также имеет значение с точки зрения накопления отложений.
Длительные испытания не всегда целесообразны как с экономической точки зрения, так и с точки зрения оперативного решения вопросов испытаний новых образцов бензинов.
Поэтому одним из требований, предъявляемых к моторным методам оценки топлив, является минимальная, по возможности, длительность испытаний, при которой достигается накопление достаточного для дифференциации бензинов количества отложений.
Только путем подбора неблагоприятных, с точки зрения образования отложений, режимов работы двигателя, их цикличности трудно обеспечить относительно небольшую длительность испытаний.
В практике создания моторных методов для оценки автомобильных топлив часто ужесточаются условия проведения испытаний за счет внесения в двигатель определенных конструктивных изменений, например, в методе Рено.
Такими конструктивными изменениями могут быть увеличение интенсивности циркуляции картерных газов, обогащение бензовоздушной смеси, введение частичной рециркуляции отработавших газов, изменение теплового режима двигателя и другие.
Обязательными элементами испытательного стенда при создании метода оценки бензинов должны быть система автоматического изменения режимов работы двигателя (скорости вращения двигателя и его нагрузки) и система автоматического регулирования заданных температур впускного воздуха и воды в системе охлаждения.
В основу методики были положены следующие основные предпосылки: - использование циклической нагрузки по крутящему моменту и оборотам двигателя (не менее 4-х режимов, включая режим холостого хода); - введение частичной рециркуляции отработавших газов; - обогащение бензовоздушной смеси; - регулировка холостого хода по СО до уровня 3,0-3,5%; - общая длительность испытаний определяется количеством отложений, достаточных для дифференциации бензинов по их качеству.
Исходя из концепции методики работы проводились поэтапно: - подбирались режимы работы двигателя и тепловой режим двигателя (температуры воды, масла, впускного воздуха) при оптимальных регулировках системы зажигания и питания, при этом фиксировались все выходные параметры двигателя, включая токсичность отработавших газов, а также отложения в карбюраторе и на клапанах при длительности испытаний до 20 часов. Полученные результаты являлись исходными для последующих работ; - вводилась различная степень обогащения топливовоздушной смеси и фиксировалось изменение характеристик двигателя и отложений; - вводилась частичная рециркуляция отработавших газов и также фиксировались изменения в работе двигателя.
Указанным работам предшествовала доводка систем автоматического регулирования режимов работы двигателя и поддержания на заданном уровне температур воды, масла и впускного воздуха.
При выборе режимов работы и последовательности их чередования принимались во внимание следующие факторы: - благоприятность режима с точки зрения образования отложений в карбюраторе и на впускных клапанах; - опыт создания аналогичных зарубежных методов; - возможность накапливать отложения одновременно в карбюраторе и на впускных клапанах.
Наиболее благоприятными режимами с точки зрения отложений являются режимы малых нагрузок, холостой ход, а также частая смена режимов.
Система автоматического регулирования режимами работы двигателя (частота вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузка)
Система автоматического программного управления балансирной машиной и двигателем (рис. 3.2) обеспечивает: 1. Задание в функции времени частоты вращения и нагрузки двигателя, причем могут быть реализованы следующие режимы: - частота вращения - постоянная, нагрузка на двигателе изменяется; - нагрузка постоянная, частота вращения изменяется; - нагрузка и частота вращения изменяются. 2. Число ступеней (режимов работы двигателя) управления по времени - 6 единиц. 3. Минимальное время работы на одном режиме - 12 сек, максимальное - в зависимости от выбранного реле времени. 4. Индикацию положения дроссельной заслонки цифровым табло регулятора в диапазоне 0 -100% и подсчет количества циклов испытаний. 5. Работу при ручном управлении. 6. Аварийную остановку, при этом дроссельная заслонка устанавливается в положение холостого хода, а балансирная машина снижает скорость вращения двигателя до установленной перед началом испытаний или до полной остановки. 7. Работу с использованием ЭВМ.
Структурная схема системы автоматического регулирования режимами работы двигателя приведена на рис. 3.3. Объектами управления и регулирования являются двигатель, снабженный исполнительным механизмом ИМ (электродвигателем постоянного тока типа НТК) с встроенным в него потенциометром, связанным механически с органом топливоподачи - дроссельной заслонкой карбюратора, и тормозная электробалансирная машина (фирма Vsetin, ЧССР, типа DS 736-4/V), электрически связанная с преобразовательным агрегатом ПА и системой управления СУ.
Система программного управления состоит из блока питания 1, блоков программного управления и аварийной защиты 2, управления балансирной машиной 3, управления органом топливоподачи 4, задатчика интенсивности 5.
Блок питания 1 обеспечивает блоки 2, 3, 4 и 5 напряжениями питания 220 В, постоянным напряжением 12 В. и +15-0(-15) В.
Блок питания 2 выдает сигналы в функции времени на переключение задающих потенциометров, входящих в состав блоков 3 и 4, а также на установление органа топливоподачи и частоты вращения электробалансирной машины в положение холостого хода в аварийной ситуации. Блок 3 управления балансирной машиной вырабатывает сигналы задания скорости вращения на систему управления СУ балансирной машины. Блок 4 управления органом топливоподачи вырабатывает сигналы задания положения исполнительного механизма ИМ и соответственно положения дроссельной заслонки и указывает положение дроссельной заслонки в % степени его открытия в цифровой форме на табло, встроенном в этот блок. Блок 5 (задатчик интенсивности) обеспечивает плавное, но достаточно быстрое по времени, изменение напряжения на его выходе при мгновенном его изменении на входе до уровня входного напряжения.
Система автоматического регулирования обеспечивает следующую точность повторяемости режимов работы двигателя: - по скорости вращения двигателя -±10 мин"1; - по нагрузке - ± 0,2 % степени открытия дроссельной заслонки (по показаниям цифрового табло). Частичная рециркуляция отработавших газов введена с целью усиления процесса образования отложений на деталях двигателя для сокращения времени проведения испытаний.
Схема рециркуляции отработавших газов приведена на рис. 3.4. Отбор газа производится непосредственно из выхлопного патрубка двигателя через трубку внутренним диаметром 10 мм. Вход рециркуляционного газа осуществляется перед карбюратором по потоку поступающего в двигатель воздуха в прямолинейной части воздушного патрубка. Перед входом рециркуляционных газов в воздушный патрубок установлен фильтр-отстойник для улавливания конденсата и твердых частиц. В системе предусмотрен кран, позволяющий включать и отключать рециркуляцию отработавших газов. Количество отработавших газов, поступающих на впуск двигателя, регулируется перепадом давления на рециркуляционном трубопроводе с помощью специальной заслонки, установленной в выпускном трубопроводе. Контроль расхода рециркуляционных газов производится по перепаду давления на рециркуляционном трубопроводе.
Результаты испытаний товарных образцов бензинов
Образец № 1 - Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) в концентрации 11 %масс. Наиболее распространенная оксигенатная добавка к автомобильным бензинам. В составе автомобильных высокооктановых бензинов МТБЭ допущен в концентрации до 11 %масс.
Применение МТБЭ позволяет увеличить октановые числа бензинов и снизить содержание в них серы, бензола и ароматических углеводородов за счет замещения углеводородных компонентов. Образец № 2 - Этанол (Высокооктановый компонент моторного топлива (ВКМТ) на основе спирта этилового абсолютированного) в концентрации 7,8 %масс.
Этанол достаточно широко применяется за рубежом в качестве добавки к автомобильным бензинам в концентрации 10-20 % (газохол) в странах со значительными ресурсами спирта, вырабатываемого из растительного сырья. Образец № 3 — N-метиланилин в концентрации 1,3 %масс.
Используется в качестве высокооктановой добавки к автомобильным бензинам в концентрации до 1,3%масс. Более высокое содержание N-метиланилина недопустимо из-за увеличения отложений в камере сгорания и износа деталей двигателя. Образец № 4 — Марганецсодержащая присадка в концентрации 18 мгМп/л.
В составе автомобильных бензинов применяется как одна из мер по расширению ресурсов высокооктановых компонентов на период перехода на производство бензинов, отвечающих нормам Европейского стандарта EN 228:1999 [34]. Образец № 5 - Опытная присадка в концентрации 0,4 %масс. Образец № 6 - Моющая присадка № 1 в концентрации 0,03 %масс. Образец № 7 - Моющая присадка № 2 в концентрации 0,03 %масс. Образец № 8 - Моющая присадка № 3 в концентрации 0,03 %масс. Из представленных данных следует: 1. МТБЭ в концентрации 11 %масс не увеличивает загрязнение карбюратора и камеры сгорания и способствует уменьшению отложений на впускных клапанах. 2. Этанол в концентрации 7,8 % способствует уменьшению отложений на впускных клапанах, но ухудшает степень загрязнения карбюратора. 3. N-метиланилин и марганецсодержащая присадка в представленной концентрации не влияют на степень загрязнения карбюратора и впускных клапанов, но обладают тенденцией к увеличению отложений в камере сгорания. 4. Опытная присадка имеет недопустимо высокую величину отложений в камере сгорания. 5. Моющие присадки предотвращают загрязнение карбюратора и впускных клапанов, но несколько увеличивает количество отложений в камере сгорания, что соответствует практике использования моющих присадок в составе европейских бензинов.
Сопоставление результатов оценки бензинов по разработанной методике и по методам, принятым Европейским Координационным Советом (СЕС).
Для сопоставления результатов оценки бензинов по разработанной методике и по методам, принятым Европейским Координационным Советом (СЕС), на двигателе ВАЗ-11113 были проведены испытания базового бензина, соответствующего приложению ВГ, и базового бензина с моющей присадкой второго поколения.
Результаты испытаний сопоставлены с оценкой базового бензина и бензина с той же присадкой, проведенных на двигателе Рено по методу СЕС-F-03-81 и на двигателе Мерседес-Бенц М102Е по методу СЕС F-05-A-93 (табл. 4.3).
Из представленных в таблице данных следует, что как по степени загрязнения карбюратора, так и по отложениям на впускных клапанах, оценка эффективности моющей присадки оказалась практически одинаковой на двигателе ВАЗ-11113, Рено R-5, и М102Е. Причем количественные величины показателей для впускных клапанов, с учетом разницы в рабочих объемах двигателей (0,749 л и 2,299 л, соответственно, для ВАЗ-11113 и М102Е) испытаний являются достаточно близкими.
Из рассмотрения результатов испытаний можно также сделать вывод о диапазоне значений, характерных для товарных бензинов без добавок и присадок, бензинов с улучшенными свойствами (содержащими моющую присадку) и бензинов с компонентами, которые могут отрицательно повлиять на загрязнение деталей двигателя (табл. 4.4).
