Lubricability of bio-kerosene

Full Text

В глобальной проблеме уменьшения мировых парниковых газов в атмосфере Земли Российская Федерация для сохранения своего государственного суверенитета в области энергетической безопасности руководствуется своей климатической доктриной, заключающейся в снижении воздействия на климат без ущерба национальным интересам путем плавного перехода к достижению углеродной нейтральности [1, 2]. Это связано с тем, что в России имеются огромные запасы углеводородного сырья, пригодного для производства топлива для наземного, воздушного и морского транспорта, тепловых электростанций и котельных в течение многих десятилетий. При этом также принимается во внимание факт того, что сегодняшние объёмы вредных веществ и соединений (в основном углекислого газа СО₂), выбрасываемые производственными предприятиями и транспортом страны, практически полностью нейтрализуются её лесными и зелеными массивами. Поэтому для плавного энергоперехода России к углеродной нейтральности, запланированного к 2060 году, на современном этапе для транспорта России необходимо иметь такое альтернативное топливо, которое бы обладало физико-химическими и эксплуатационными свойствами не хуже традиционного нефтяного моторного топлива, но и превосходило его по экологическим и трибологическим показателям. Следует отметить, что в дизеле моторное топливо выполняет не только функции горючего вещества, но и смазки. Топливо, попадая в зазор прецизионных пар дизельной топливной аппаратуры, образует на поверхности сопрягаемых деталей («плунжер-втулка» топливного насоса высокого давления и «запорная игла-корпус распылителя» форсунок) смазочную пленку, которая снижает трение между сопрягаемыми деталями и их износ [3, 4, 11].

Для дизельной транспортной техники таким «заменителем» нефтяного моторного топлива в ближайшей перспективе может стать биокеросин, получаемый смешиванием авиационного керосина и растительного масла [5, 6, 7]. Наиболее известен биокеросин для самолетного турбореактивного двигателя [5], содержащий нефтяной и биологический компоненты: авиационный керосин и рыжиковое масло в равном процентном соотношении 50:50. Основным недостатком такого биокеросина при применении в качестве моторного топлива для транспортных дизелей является его пониженная воспламеняемость по причине низкого цетанового числа (40 ед.). Поэтому, для практического использования биокеросина в транспортных дизелях наземной техники разработан состав топливной композиции [6], включающий в качестве основы авиационный керосин ТС-1 в количестве до 96,7% масс., а в качестве добавки – рапсовое масло от 3% до 60% масс. и цетаноповышающую присадку этилгексилнитрат в количестве 0,3% масс.

В современных условиях для расширения ресурсной базы моторных топлив и перевода работы дизельной транспортной техники с традиционных видов нефтяного топлива на альтернативные возникает необходимость проведения экспериментальных исследований по оценке смазочной способности биокеросина с вышеуказанным компонентным составом [6].

Цель исследований – выполнить экспериментальную оценку смазочной способности биокеросина c различным компонентным и долевым составом по результатам трибологических испытаний на трибометре ТУ и аппарате HFRR.

Задачи исследований – определить смазочную способность рапсового и рыжикового биокеросина по пятну износа опытных образцов трения в сравнении между собой и с товарным нефтяным дизельным топливом.

Материал и методы исследований. Испытания опытных образцов трения проводились на универсальном трибометре ТУ [8] и аппарате HFRR в четырех смазочных средах: нефтяном летнем дизельном топливе марки ДТ-Л-К5, авиационном керосине ТС-1, рапсовом биокеросине и рыжиковом биокеросине в соответствии с ГОСТ ISO20623-2013 [9] и ГОСТ ISO12156-1-2012 [10]. Под рапсовым или рыжиковым биокеросином понимается топливная композиция, состоящая из авиационного керосина ТС-1 с добавлением в него рапсового или рыжикового масла и цетаноповышающей присадки в определенном количестве (по объему). Опытным образцом трения в трибометре ТУ является четырехшариковый узел, в обойме которого размещены три соприкасающихся между собой испытуемых стальных шарика, погруженные в смазочную среду, по поверхности которых скользит приводной металлический шарик, тогда как в аппарате HFRR – стальной шарик, совершающий возвратно-поступательное движение по поверхности неподвижной стальной пластины, погруженной в смазочную среду. Шарики трибометра изготовлены из стали марки ШХ15 с твердостью по шкале Виккерса 179…207 и шкале Роквелла 63…67 с шероховатостью поверхности R_a = 0,08 мкм, шарик и пластина аппарата изготовлены из стали марки ISO 683-17-100Сr6 с твердостью шарика по шкале Роквелла 58…66 и пластины по шкале Виккерса 190…210 с шероховатостью её поверхности R_a < 0,02 мкм.

Испытания опытных образцов трения на трибометре ТУ проводились в течение 15 мин, под нагрузкой 450±5 Н и частоте вращения вала привода 580 мин^-1; на аппарате HFRR – в течение 75 мин, под нагрузкой 200 г, с амплитудой и частотой колебаний возвратно-поступательного движения шарика соответственно 1 мм и 50 Гц. Температура смазочной среды в обоих случаях составляла 60±2ºС.  

По окончании испытаний на трибометре или аппарате определялся средний диаметр пятна износа, образующийся на поверхности того или иного опытного образца трения и скорректированного к стандартному давлению водяных паров 1,4 кПа. Диаметр пятна износа на поверхности каждого из трех испытуемых шариков трибометра ТУ измеряли с помощью электронного микроскопа с точностью до тысячных миллиметра и затем определяли среднее значение диаметра пятна износа по результатам трех измерений. Диаметр пятна износа у испытуемого шарика аппарата HFRR измеряли с помощью микроскопа со стократным увеличением по двум осям координат (оси абсцисс и оси ординат) с точностью до 1 мкм и затем рассчитывали среднее значение диаметра пятна износа по результатам двух измерений.

Результаты исследований. Результаты выполненных трибологических испытаний нефтяного дизельного топлива, авиационного керосина, рапсового и рыжикового биокеросина представлены в таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1

Результаты трибологических испытаний моторных топлив на универсальном трибометре ТУ

Вид и состав испытуемых топлив	Скорректированный диаметр пятна износа, мм
Дизельное топливо ДТ-Л-К5	0,305
Авиационный керосин ТС-1	0,489
Рапсовый биокеросин состава 90% ТС-1 + 10% рапсового масла	0,343
Рапсовый биокеросин состава 80% ТС-1 + 20% рапсового масла	0,307
Рапсовый биокеросин состава 70% ТС-1 + 30% рапсового масла	0,303
Рапсовый биокеросин состава 60% ТС-1 + 40% рапсового масла	0,298
Рапсовый биокеросин состава 50% ТС-1 + 50% рапсового масла	0,282
Рапсовый биокеросин состава 40% ТС-1 + 60% рапсового масла	0,290
Рапсовый биокеросин состава 30% ТС-1 + 70% рапсового масла	0,303
Рыжиковый биокеросин состава 90% ТС-1 + 10% рыжикового масла	0,254
Рыжиковый биокеросин состава 80% ТС-1 + 20% рыжикового масла	0,230
Рыжиковый биокеросин состава 70% ТС-1 + 30% рыжикового масла	0,273
Рыжиковый биокеросин состава 60% ТС-1 + 40% рыжикового масла	0,292
Рыжиковый биокеросин состава 50% ТС-1 + 50% рыжикового масла	0,309

 

Данные таблицы 1 показывают, что по результатам трибологических испытаний на трибометре ТУ содержание рапсового или рыжикового масла в авиационном керосине не должно превышать 20%...40% (по объему), так как при таком их процентном содержании в биокеросине средний диаметр пятна износа опытных образцов трения наименьший. Добавлять в авиационный керосин ТС-1 свыше 40% рапсового или рыжикового масла нецелесообразно по причине некоторого ухудшения смазочной способности биокеросина вследствие роста среднего скорректированного пятна износа на поверхности испытуемых шариков. Поэтому, в целях экономии трудовых затрат и финансовых средств трибологические испытания опытных образцов трения на аппарате HFRR проводились только в смазочной среде рапсового биокеросина с содержанием в авиационном керосине не более 50% рапсового масла (табл. 2).

 

Таблица 2

Результаты трибологических испытаний моторных топлив на аппарате HFRR

Вид и состав испытуемых топлив	Скорректированный диаметр пятна износа, мм
Дизельное топливо ДТ-Л-К5	0,403
Авиационный керосин ТС-1	0,748
Рапсовый биокеросин состава 90% ТС-1 + 10% рапсового масла	0,208
Рапсовый биокеросин состава 80% ТС-1 + 20% рапсового масла	0,188
Рапсовый биокеросин состава 70% ТС-1 + 30% рапсового масла	0,186
Рапсовый биокеросин состава 60% ТС-1 + 40% рапсового масла	0,211
Рапсовый биокеросин состава 50% ТС-1 + 50% рапсового масла	0,220

 

Анализ данных таблицы 2 показывает, что по результатам трибологических испытаний опытных образцов трения на аппарате HFRR происходит снижение среднего диаметра пятна износа шарика в смазочной среде дизельного топлива и авиационного керосина соответственно с 0,403 мм и 0,748 мм до 0,186 мм в смазочной среде рапсового биокеросина состава 70% ТС-1 + 30% рапсового масла, т.е. рапсовый биокеросин такого состава обладает наилучшей смазочной способностью из всех испытуемых составов. Последующее увеличение содержания рапсового масла в авиационном керосине с 30% до 50% приводит к увеличению среднего диаметра пятна износа до 0,220 мм.

Средний диаметр пятна износа у различных образцов рапсового биокеросина находится в пределах 0,186…0,220 мм, тогда как у керосина и дизельного топлива он равен соответственно 0,748 мм и 0,403 мм.
В соответствии с ГОСТ 32511-2013 смазывающая способность моторного топлива для дизельных двигателей считается хорошей, если величина скорректированного диаметра пятна износа при температуре 60ºС не превышает 0,460 мм. Таким образом, все испытуемые образцы рапсового и рыжикового биокеросина обладают относительно хорошими смазывающими свойствами, что в условиях реальной эксплуатации наземного транспорта на биокеросине будет способствовать снижению износа деталей прецизионных пар топливной аппаратуры дизеля.

Повышенная смазывающая способность биокеросина по сравнению с товарным нефтяным топливом и авиационным керосином обусловлена содержанием в рапсовом и рыжиковом маслах высших жирных кислот (ВЖК), обладающих свойствами ПАВ – поверхностно-активных веществ (табл. 3). Такие ВЖК образуют на поверхности сопрягаемых деталях адсорбционную пленку толщиной 0,05…0,1 мкм и более, уменьшающую трение в сопряжении и износ деталей.

 

Таблица 3

Высшие жирные кислоты растительных масел, обладающие свойствами поверхностно-активных веществ

Вид высшей жирной кислоты в растительном масле	Долевое содержание высшей жирной кислоты, %
	рапсовое масло	рыжиковое масло
Олеиновая	59,56	12,77
Линолевая	20,423	24,28
Альфа-линоленовая	9,23	36,377
Эруковая	0,015	2,40
Итого высших жирных кислот	89,228	75,827

Примечание: в таблице 3 приведены сведения хроматографического анализа малоэрукового рапсового и рыжикового масел, полученных соответственно из семян сорта Ратник и Пензяк.

 

Несмотря на то, что процентное содержание ВЖК, обладающих свойствами ПАВ, в рапсовом биокеросине превышает содержание их в рыжиковом биокеросине, смазочная способность рыжикового биокеросина по величине среднего диаметра пятна износа опытных образцов трения несколько лучше, что объясняется по всей видимости лучшими антифрикционными свойствами адсорбционой пленки ПАВ, образующейся на поверхности опытных образцов трения в смазочной среде рыжикового биокеросина.

Заключение. По смазочной способности биокеросин превосходит нефтяное моторное топливо: авиационный керосин ТС-1 и дизельное топливо ДТ-Л-К5. Рациональным составом, обеспечивающим лучшую смазочную способность по наименьшему износу опытных образцов трения на трибометре ТУ и аппарате HFRR, является биокеросин с содержанием в авиационном керосине 20...40% рапсового или рыжикового масла.

About the authors

Denis A. Ukhanov

25-th State Scientific Research Institute of Chemical Pathology of the Russian Ministry of Defense

Email: uxanov_denis_a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9507-893X

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Moscow

Alexander P. Ukhanov

Penza State Agrarian University

Email: dispgau@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-2210-5294

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Penza

Oleg S. Volodko

Samara State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: volodko-75@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8478-1358

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

Alexander P. Bychenin

Samara State Agrarian University

Email: bap63j@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8896-7547

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

References

Supplementary files