На рис. 1 показаны результаты исследований по методу IP375 топлива с высоким и низким содержанием асфальтенов, согласно которым первое больше способствует отложениям в двигателе. Как известно, качество бункера в мире различно, и содержание асфальтенов может изменяться от 2 % до 11 %.
Рис. 2 показывает изменение содержания асфальтенов в топливе и его удельной плотности за период испытаний на судне в течение 18 месяцев, которые выявили близкую корреляцию этих двух характеристик топлива. Во время этих испытаний двигатель работал в течение 4500 час. на топливе с низким содержанием асфальтенов, и в кулачковом приводе не было обнаружено отложений, но когда топливо сменили на другое, с очень высоким содержанием асфальтенов, то уже через 2000 час. В кулачковом приводе и картере были обнаружены большие отложения. В обоих случаях использовалось одно и то же смазочное масло.
Конечно, при этом вред наносится не только картерам. Топливные отложения образуются в канавках поршневых колец и в подпоршневом пространстве. Отложения в зоне кольца могут привести к их залипанию, а в результате нагарообразования на головке поршня снижается эффективность его охлаждения, что может привести к повышению температуры и прогоранию поршня. Блокирование маслосъемных колец может вызвать повышенный расход цилиндровой смазки.
Каким образом можно уменьшить эти отложения? Установлено, что использование смазочных материалов с высоким содержанием ароматических соединений не обеспечивает решения проблемы асфальтеновых отложений. Это связано с тем, что с течением времени компоненты масла на базе ароматических соединений будут окисляться, и, в конечном итоге, асфальтеновые отложения в двигателе будут образовываться, несмотря на выполнение эксплуатационных действий по очистке двигателя.
Реальное предотвращение асфальтеновых отложений должно обеспечить использование химических средств.
На рис. 3 показано количество высокотемпературных отложений, которые возникают вследствие загрязнения смазочных материалов из-за применения низкокачественного топлива. Как следует из сравнения представленных гистограмм, использование химических добавок в смазочном масле обеспечивает резкое снижение асфальтеновых отложений.
За тот же период, что низкокачественные сорта топлива приобрели широкое распространение, качество легкого дизельного топлива MGO также ухудшилось. Исследования показали, что газойли с высокой степенью парообразования вызывают отложения в двигателе и что высокоциклические углеводороды, в основном ди- или полициклического ароматического типа, будут производить больше отложений вследствие крекинга и окисления, чем парафиносодержащие углеводороды.
Полимеризация несгоревших частиц топлива и конденсация на цилиндровой втулке приводят к образованию лакообразного нагара. Твердый смолообразный материал на втулке цилиндра и в полированных канавках вызывает прекращение действия смазки. Это обычно случается при работе на легком дизельном топливе
четырехтактных двигателей, однако зарегистрированы также подобные случаи и в двухтактных крейцкопфных двигателях.
Циклические углеводороды не сгорают полностью во время такта сгорания (расширения), и небольшая часть образовавшихся отходов прилипает к втулке, вызывая лакообразный нагар. При этом оценка потери эффективности смазки может производиться по величине толщины лакообразующих отложений в канавках втулки после 1000 час. работы двигателя и расходу смазки, который не должен превышать 0,2 ррт сгоревшего топлива.
На рис. 4 показано влияние лакообразующего нагара на эффективность смазывания и расход смазки по результатам экспериментальных исследований на двигателе голландского рыболовного судна, которые подтверждаются данными по другим судам. На этих судах двигатели работали с большими перегрузками и использовали низкокачественное дизельное топливо MGO. При работе двигателей с меньшей мощностью вследствие снижения сопротивления трала расход масла возвращается к нормальному уровню. Это означает, что в случае уменьшения действия этих факторов образование нагара на втулках сокращается.
Хотя применение высокоэффективных смазок и легкого дизельного топлива с содержанием серы на уровне 1 % снижает лакообразующие отложения, еще не найдено удовлетворительное решение проблемы создания смазки, уменьшающей и предотвращающей нагарообразование.
Более непосредственным способом
воздействия на лакообразующие отложения является химическая очистка топлива, основанная на сильнодействующих моющих средствах (детергентах), которые могут обеспечивать чистоту высокотемпературных поверхностей в камерах сгорания. Были проведены испытания комбинации химикатов для очистки топлива на двигателе с большим расходом смазки, обусловленном лакообразующими отложениями на втулке. Результаты экспериментов показали, что для быстрого достижения положительного эффекта минимальная доза присадки должна равняться 1 литр/м3 топлива. Все случаи значительного снижения расхода лубрикаторной смазки были подтверждены эндоскопическим осмотром.
В ближайшем будущем ожидается ухудшение качества топлива из-за повышения содержания в нем асфальтенов. Поэтому поставщики смазочных материалов предложили новые улучшенные продукты. Крупнейшие машиностроители призывают судовладельцев перейти на использование новых сортов масел, которые вместе с химической очисткой топлива должны обеспечить решение проблемы загрязнения двигателей черными асфальтеновыми отложениями.
2.2Влияние присадок на двигатель
При работе дизельного двигателя на форсунках и в камере сгорания образуются отложения, нарушающие подачу топлива и нормальное протекание рабочего процесса. В результате снижается мощность и экономичность двигателя, увеличиваются дымность и токсичность отработавших газов. Моющие присадки, предназначенные для автомобильных бензинов, в данном случае оказываются бесполезны, так как обладают недостаточно высокой термической стабильностью и в жестких условиях дизельного двигателя разлагаются.
За рубежом часто используют специальные присадки к дизельным топливам на основе термостабильных ПАВ. Анализ литературы и патентов показывает, что в общем случае в присадку кроме ПАВ входят модификаторы нагара и небольшое количество катализаторов горения. В качестве модификаторов нагара используются кислородсодержащие соединения, например, оксиалкилированные алкилфенолы, а в качестве катализаторов горения — соединения переходных металлов (железа, меди, редкоземельных элементов). Катализатор горения берется в таких количествах, что концентрация металла в топливе составляет не более 100 млн1. Собственно, каталитическое влияние оказывают оксиды металлов, образующиеся при сгорании присадок с топливом. Металлсодержащие присадки используют не только как антинагарные, но и как антисажевые, снижающие температуру выгорания сажи и препятствующие забивке сажевых фильтров. Так например, фирмой Lubrizol разработана товарная присадка, эффективная в концентрации до 70 млн"1 в расчете на медь [1]. Авторами статьи на основе доступного отечественного сырья разработан образец антинагарной присадки антикокс, представляющий собой композицию термостабильного ПАВ, фракции кислородсодержащих соединений и катализатора горения — топливорастворимой соли меди.
Присадка антикокс характеризуется следующими физико-химическими показателями:
кинематическая вязкость при 20°С, 40
мм2/с, не более
плотность при 20°С, кг/м3 ~880
температура вспышки, °С, не ниже 35
концентрация меди, % мае. ~15
Рекомендуемая концентрация присадки в топливе составляет 0,01-0.02гс в зависимости от способа применения. При постоянном применении достаточно 0,01-0,02%. Возможно также использование присадки в автосервисе: для безразборной очистки двигателя, раскоксовывания поршневых колец и т.д. При этом временно можно использовать дозы, достигающие 0,1%.
На рис. 1-3 приведены результаты испытаний присадки в количестве 0,1% мае. в составе дизельного топлива Л на двигателе 2ч8,5/11. Испытания проведены в АООТ "ЭлИНП" по методике, согласно которой предварительно нарабатывался нагар в течение 50-100 ч на специальном топливе, содержащем большое количество тяжелых фракций. После наработки нагара двигатель разбирали и оценивали количество и распределение образовавшегося нагара в камере сгорания (на головке блока цилиндров), на днище поршня и распылителе форсунки. Нагар отлагался на поверхностях в виде очень плотного слоя неравномерной толщины — до одного и более миллиметров.
Толщина основной массы нагара на головке блока цилиндров и днище поршня достигала 0,5 мм. Что касается форсунки, то около двух третей массы нагара имело толщину от 0,5 до 1,3 мм. Это обстоятельство представляется весьма существенным, так как отложения на форсунке в наибольшей степени влияют на токсичность отработавших газов [2]. После наработки нагара двигатель собирали и проводили нагароочистку в течение 5 ч, работая на стандартном дизельном топливе Л с присадкой.
При введении в топливо присадки в концентрации 0,02-0,05%, нагар удалялся на 25-65' (рис. 4).
Часть нагара, которая не была удален в процессе испытаний, изменила свою природ; Нагар стал рыхлым и легко снимался притиранием поверхности без соскабливания и кипячения. Наибольший эффект наблюдался на распылителе форсунки, где при концентрации пру садки 0,02% в условиях испытаний нагар удалялся наполовину. Интересно отметить, что степень удаления нагара с форсунки и поршня достигала максимума при 0,05% присадки, а из камеры сгорания почти линейно зависела от е концентрации.
Несмотря на то, что медьсодержащие соединения за рубежом успешно используют в качестве антисажевых присадок к дизельному топливу, остается открытым вопрос о влиянии меди на топливо и о токсичности продуктов сгорания присадки, выбрасываемых с отработавшими газами.
Известно, что соединения меди являются сильными промоторами окисления углеводородов. Поэтому было проверено влияние присадки на термостабильность дизельного топлива методом квалификационной оценки Установлено, что после нагрева в течение 16 ч образцов топлива при 100°С их цвет не изменился, а количество осадка и кислотность возросли незначительно (см. таблицу).