The effect of sulfur content in diesel fuel on the reliability of fuel equipment of an automobile engine during the warranty period of operation

Full Text

Введение

Очевидно, что для обеспечения требуемого уровня эксплуатационной надежности автомобильной техники необходимо следовать рекомендациям завода-изготовителя в части применяемых моторных топлив. Основные показатели качества автомобильного дизельного топлива (ДТ) в Российской Федерации регламентируются техническим регламентом Таможенного Союза ТР ТС 013/2011 «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту» и государственным стандартом ГОСТ 32511–2013 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия». Эксплуатационные свойства ДТ характеризуют следующие показатели: цетановое число (цетановый индекс); фракционный состав; вязкость и плотность; степень чистоты; температура вспышки; содержание сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов; содержание ароматических углеводородов; низкотемпературные свойства; смазывающие свойства¹. Отклонение фактических показателей ДТ от нормативных требований может привести к существенному ухудшению технико-эксплуатационных и экологических показателей двигателя, а также снижению его надежности и выходу из строя [6].

Статья посвящена решению актуальной научно-практической задачи количественной оценки фактического состояния качества ДТ в Российской Федерации и его влияния на эксплуатационную надежность топливной аппаратуры дизельных двигателей.

Основной целью научного исследования является повышение эффективности эксплуатации грузовых автомобилей с высокотехнологичными дизелями за счет полноценного обеспечения их качественным топливом.

Решением частной задачи в рамках настоящей статьи является получение модели влияния повышенного содержания серы в ДТ на безотказность топливной аппаратуры автомобильного двигателя в гарантийный период эксплуатации.

Эволюция применяемости дизельного топлива в автомобильных двигателях

Рассмотрим эволюцию применяемости ДТ в автомобильных дизелях на примере 8-цилиндровых V-образных двигателей марки КАМАЗ. В таблице 1 приведены этапы развития таких двигателей КАМАЗ с 1976 года по настоящее время [12]. Условными критериями разделения на этапы является факт появления в производстве двигателя более высокого экологического класса, либо имеющего лучшие удельно-эффективные показатели и показатели топливной экономичности по отношению к имеющемуся в производстве.

 

Таблица 1. Этапы развития двигателей КАМАЗ

Этапы / годы	1 1976–1983	2 1983–1996	3 1996–1998	4 1998–2004	5 2004–2008	6 2008–2012	7 2012–по н.в.
Модели	740.10, 740.10–200	7403.10–260	740.11–240, 740.13–260	740.31–240, 740.30–260, 740.50–360 740.51–320 и др.	740.60–360, 740.61–320, 740.62–280, 740.63–400 и др.	740.70–280, 740.71–320, 740.72–360, 740.73–400, 740.74–420, 740.75–440 и др.	740.705–300, 740.715–320, 740.725–360, 740.735–400, 740.755–440 и др.
Система питания	механ. ТНВД	механ. ТНВД, с наддувом	механ. ТНВД, с наддувом	механ. ТНВД, с наддувом, с ОНВ	электр. ТНВД, с наддувом, с ОНВ	типа Common Rail, с наддувом, с ОНВ	типа Common Rail, с наддувом, с ОНВ
Номинальная мощность (диапазон), л.с.	210–220	260	240–260	240–360	280–400	280–440	300–440
Номинальная частота, мин–1	2600	2600	2200	2200	1900	1900	1900
Минимальный удельный расход топлива, г/(л.с.•ч.)	155	155	152–155	152	152	143	140
Литровая мощность, л.с./л	19,35–20,28	23,96	22,12–23,96	20,41–30,61	23,81–34,01	23,81–37,41	25,51–37,41
Ресурс, тыс. км (в составе магистральных автомобилей)	до 200–400	до 400	до 800	до 800	до 800	до 1000	до 1000
Расход масла на угар, не более % от расхода топлива	0,8–0,6	0,5	0,3	0,2	0,1	0,06	0,06
Группы эксплуатации моторных масел	CC, CD по API	CF–4 по API	CF–4 по API	CF–4, CG–4, CH–4, CI–4 по API	CH–4, CI–4 по API	CH–4, CI–4 по API	CI–4, CJ–4 по API, не ниже E7 по ACEA
Интервал замены масла (для I категории условий эксплуатации), км	до 8000	до 12000	до 16000	до 16000–30000	до 30000	до 30000–50000	до 50000
Объём заправляемого масла, л.	26–28	28–32	28–32	28–32	28–32	33–36	33–36
Удельный объём масла, л/л.с.	0,118–0,133	0,108–0,123	0,108–0,133	0,078–0,133	0,070–0,114	0,075–0,129	0,075–0,110
Норматив применяемого топлива	ГОСТ 305–73	ГОСТ 305–82	ГОСТ 305–82	ГОСТ 305–82	ГОСТ Р52376–2005	ГОСТ Р52376–2005	ГОСТ 32511–2013
Экологический класс	–	Евро–0	Евро–1	Евро–2	Евро–3	Евро–4	Евро–5
Содержание серы в дизельном топливе, ppm	до 5000 до 2000	до 2000	до 2000	до 500	до 350	до 50	до 10

Источник: доработано авторами на основе работы [12]

 

Из таблицы 1 следует, что:

• по мере развития двигателей происходил переход на ДТ с меньшим содержанием серы. Так в 1976 году применялось ДТ с содержанием серы до 5000 ppm или 0,5 %. В дальнейшем применялось ДТ с содержанием серы до уровней 2000, 500, 350, 50 и 10 ppm. Исключение составляет переход в 1996 году на выпуск двигателей уровня Евро–1, когда было продолжено применение ДТ с содержанием серы до 2000 ppm. С 2012 года по настоящее время применяется ДТ с содержанием серы до 10 ppm;
• снижение допустимого уровня содержания серы в ДТ играет ключевую роль в обеспечении требуемых экологических стандартов Евро. Поэтапное ужесточение требований к содержанию серы в ДТ было продиктовано выпуском двигателей требуемого экологического класса, а также действием нормативных документов (ГОСТ 305-82, ТР ТС 013/2011 и ГОСТ 32511-2013). Уровень соответствия двигателей КАМАЗ экологическим стандартам вырос до Евро-5, начиная с 2012 года, за счет применения топлива Евро с содержанием серы до 10 ppm, а также следующих решений: системы питания типа Common Rail, охлаждения наддувочного воздуха (ОНВ), системы селективной каталитической нейтрализации SCR с применением реагента AdBlue;
• применение малосернистого топлива (уменьшение содержания в 500 раз с 5000 ppm до 10 ppm), наряду с моторными маслами более высоких групп эксплуатации (переход с группы CC до группы CI-4 по API), обеспечил для двигателей КАМАЗ увеличение межсервисного интервала более чем в 6 раз – с 8000 км до 50000 км.

Таким образом, эволюция требований к качеству ДТ тесно связана с совершенствованием дизельных двигателей, их систем питания, нейтрализации, смазки и т. д. Переход на применение малосернистых ДТ позволил не только удовлетворить экологические нормы, но значительно увеличить ресурс и периодичность смены моторного масла и, тем самым, расширить периодичность технического обслуживания двигателя. Это существенно улучшило эксплуатационные свойства и потребительские качества автомобиля в целом.

В настоящее время в Российской Федерации для современных грузовых автомобилей обязательно к применению ДТ исключительно экологического класса Евро-5 с содержанием серы менее 10 ppm (0,001 % или 10 мг/кг) по ГОСТ 32511-2013.

Несмотря на то, что завод-изготовитель ПАО «КАМАЗ» рекомендует применять в двигателях исключительно автомобильное ДТ (по ТР ТС 013/2011, ГОСТ 305-73, ГОСТ 305-82 или ГОСТ 32511-2013 в соответствующие периоды времени), в сфере эксплуатации автомобилей всегда присутствовало некачественное топливо. Под этим термином понимается топливо, не соответствующее нормативам и экологическому классу. К ним относятся:

• автомобильные ДТ, в целом соответствующие требованиям нормативных документов, но экологических классов К4 и ниже;
• суррогатные топлива – специальные нефтепродукты (светлое печное топливо, судовое маловязкое топливо, дистиллят газового конденсата, легкий вакуумный газойль, топливо селективной очистки, технологическая фракция дизельного топлива), изготовленные по собственным нормативным документам, которые могут быть использованы как заменители автомобильного ДТ;
• фальсифицированные топлива – нефтепродукты, не в полной мере соответствующие нормативным требованиям (как правило, по содержанию серы), полученные путем смешения автомобильного ДТ экологического класса К5 с аналогичным топливом, но ниже классом, либо с суррогатным топливом.

Проблема некачественных ДТ в России актуальна достаточно длительное время [2; 3; 7; 11]. Такие топлива, по разным оценкам, составляют до 25% от объема рынка, при этом на них спрос остается стабильным². Анализ зарубежной литературы показывает, что проблема несоответствия ДТ требованиям нормативной документации присутствует и в Евросоюзе [9; 19]. Так, по информации ежегодного отчета по мониторингу качества топлива в Европе в 2019 году было отмечено, что 1,2 % проб ДТ имеют несоответствие по ряду показателей [19]. При этом, ряд крупных исследовательских компаний предлагают комплекс услуг по мониторингу качества любого вида топлив для компаний, производящих топлива, их реализующие либо использующие. В качестве примера можно привести компанию Intertec.

Известно, что эксплуатационные качества ДТ оказывают существенное влияние на надежность двигателя, его механизмов и систем, ресурс масла [6; 12], в свою очередь, снижение эксплуатационной надежности двигателя и автомобиля в целом ведет к увеличению себестоимости перевозок [17]. Применение некачественного ДТ ведет к повышенному образованию лаковых отложений, нагара и быстрому износу деталей, что может быть причиной целого ряда отказов: выход из строя элементов топливной аппаратуры (ТА), оплавление поршней, задир элементов цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и др. [16].

По оценкам разных исследователей [1; 4; 6; 16] на двигатель приходится от 11 % до 54 % от суммарного числа дефектов всего автомобиля, из них на ТА – от 6,7 % до 60 % в зависимости от назначения транспортного средства³. Наиболее распространены дефекты топливного насоса высокого давления (ТНВД) – от 3,2 % до 5,0 %, и форсунок – от 8,4 % до 22,2 % всех дефектов двигателя [4; 13; 16; 17]. Основными дефектами ТНВД и форсунок являются износы плунжерных пар и распылителей – на них приходится до 80% всех дефектов. Некоторые исследователи указывают основными дефектами форсунок закоксовывание и износ распылителей [14; 15].

Необходимо отметить, что от качества ДТ так же зависит надежность и эффективность работы предпускового подогревателя – его доля дефектов составляет от 6 % до 22 % в зависимости от назначения автомобиля [13]. Применение высокосернистых топлив в дизеле приводит к ускорению образования нагара, увеличению его твердости, интенсификации процесса окисления и старения моторного масла, увеличению содержания в масле продуктов коксования и золы, и, в целом, повышает износ деталей ЦПГ, элементов ТА, сажевого фильтра и системы рециркуляции отработавших газов [5; 8; 10].

Зарубежные исследователи также отмечают, что снижение содержания серы в ДТ позволяет существенно продлить срок службы систем EGR (при их наличии), а также значительно уменьшить износ двигателя, и, в том числе, сократить затраты на его техническое обслуживание [18].

Таким образом, по результатам проведенного анализа состояния вопроса выдвинута гипотеза, заключающаяся в том, что эксплуатационная надежность ТА дизеля коррелирует с содержанием серы в ДТ. Проверку гипотезы проведем путем построения модели влияния повышенного содержания серы в ДТ на надежность ТА двигателя. Для этого использованы результаты многолетнего мониторинга показателей качества ДТ и дефектов ТА двигателей КАМАЗ.

Динамика по календарным годам в Российской Федерации доли дизельного топлива с повышенным содержанием серы при эксплуатации автомобильной техники

На протяжении с 2003 по 2023 годы проводился мониторинг показателей качества ДТ для оценки его соответствия требованиям нормативной документации (в зависимости от рассматриваемого временного периода) в эксплуатации. Отбор проб ДТ проводился во многих регионах Российской Федерации в ходе эксплуатационных и подконтрольных испытаний автомобилей КАМАЗ, в процессе выполнения регламентных работ по техническому обслуживанию, из баков и при заправке на АЗС. Анализ проб топлива осуществлялся в Центральной лаборатории топлив и масел Научно-технического центра ПАО «КАМАЗ». Общее количество отобранных проб ДТ составило более 2000 шт. В ходе анализа проб топлива определялись следующие показатели: цетановое число и цетановый индекс, кинематическая вязкость, плотность, фракционный состав (выборочно), температура вспышки в закрытом тигле, температура помутнения, предельная температура фильтрования, массовая доля серы, содержание воды, смазывающая способность (выборочно).

Для целей настоящего исследования использовались данные по календарным годам о доле топлива, имеющего превышение содержания серы допускаемой величины 350 ppm в соответствующий временной диапазон ограничений (рисунок 1). На наш взгляд, применение топлива с содержанием серы более 350 ppm наносит наибольший вред надежности ТА.

 

Рисунок 1. Изменение относительной доли проб ДТ с содержанием серы более 350 ppm в период с 2003 по 2023 годы и временные этапы введения требований по содержанию серы в ДТ

Источник: разработано авторами

 

Результаты анализа мониторинга показателей качества ДТ сведены в таблицу 2. Из таблицы следует, что за последние 20 лет в эксплуатации всегда присутствовала существенная доля ДТ, не соответствующего по содержанию серы требованиям нормативных документов.

 

Таблица 2. Результаты анализа мониторинга содержания серы в пробах ДТ

Временной период	Действующие экологические нормы	Ограничение по содержанию серы	Характеристика проб по содержанию серы
с 2003 по 2004 гг.	Евро-2 (ГОСТ 305–82)	до 500 ppm	ДТ с содержанием серы до 500 ppm – менее 10 %. Максимальное содержание серы – 9200 ppm.
с 2004 по 2008 гг.	Евро-3 (ГОСТ 32511–2013)	до 350 ppm	ДТ с содержанием серы до 350 ppm – менее 10 % в начале периода, с увеличением до 50 % к 2008 году. Максимальное содержание серы – 5000 ppm.
с 2008 по 2012 гг.	Евро-4 (ГОСТ 32511–2013)	до 50 ppm	ДТ с содержанием серы до 50 ppm – не более 50 % в течение всего периода. Максимальное содержание серы – 6600 ppm.
с 2012 по 2023 гг.	Евро-5 (ГОСТ 32511–2013)	до 10 ppm	Рост доли ДТ с содержанием серы до 10 ppm с 1,5 % до 80 %. Снижение доли ДТ с содержанием серы более 2000 ppm с 20 % до 0. Снижение доли ДТ с содержанием серы от 10 ppm до 50 ppm с 40 % до 10 %.

Источник: разработано авторами

 

Динамика по календарным годам надежности топливной аппаратуры двигателей КАМАЗ

В период с 2007 по 2019 годы собирались данные о дефектах элементов ТА двигателей КАМАЗ в гарантийный период эксплуатации. Было установлено, что общее число дефектов элементов ТА (включая привод ТНВД, трубопроводов и крепежных изделий) составляет до 12 % от всех дефектов двигателя. Из них доля дефектов ТНВД и форсунок доходит до 20 % в общем числе дефектов ТА. В нашем случае будем рассматривать только дефекты ТНВД и форсунок. Определялась их доля в процентах дефектов этих элементов относительно суммарного количества дефектов двигателя. На рисунках 2 и 3 показаны графики изменения доли дефектов ТНВД и форсунок в исследуемый период.

 

Рисунок 2. Изменение доли дефектов ТНВД в период с 2007 по 2019 годы

Источник: разработано авторами

 

Рисунок 3. Изменение доли дефектов форсунок в период с 2007 по 2019 годы

Источник: разработано авторами

 

В данном случае не проводилось разделение дефектов топливной аппаратуры разных поколений и производителей. Установлено, что доля дефектов существенного уменьшилась – форсунок в 23,2 раза, ТНВД в 7,5 раз. Необходимо отметить, что основную часть дефектов ТА составляют, преимущественно, дефекты форсунок (в среднем 61 %). Это можно объяснить тем, что на один ТНВД приходится 8 форсунок, а также тем, что распылители форсунок в большей степени чувствительны к качеству топлива, и работают, в отличие от ТНВД, в более жестких условиях (высокие температуры, нагаро– и лакообразование, химическая коррозия).

Между долями дефектов ТНВД и форсунок имеется слабая корреляционная связь (рисунок 4).

 

Рисунок 4. Взаимосвязь между долями дефектов ТНВД и форсунок

Источник: разработано авторами

 

Модель влияния повышенного содержания серы в дизельном топливе на надежность топливной аппаратуры двигателя

Анализ рисунков 5 и 6 свидетельствует, что характер изменения доли дефектов ТА и доли ДТ с содержанием серы более 350 ppm от календарного года схожий.

 

Рисунок 5. Изменение доли ДТ с содержанием серы более 350 ppm в период с 2007 по 2019 годы

Источник: разработано авторами

 

Рисунок 6. Изменение доли дефектов ТА в период с 2007 по 2019 годы

Источник: разработано авторами

 

Получена корреляционная зависимость доли дефектов ТА (y, %) от доли ДТ с содержанием серы более 350 ppm (х, %) линейного вида y = 0,1099 x–0,6953 (рисунок 7).

 

Рисунок 7. Корреляционная зависимость доли дефектов ТА от доли ДТ с содержанием серы более 350 ppm

Источник: разработано авторами

 

Из рисунка видно, что рост доли топлива с содержанием серы более 350 ppm ведет к росту доли дефектов ТА. Таким образом, выдвинутая ранее гипотеза о корреляции между надежностью ТА и повышенным содержанием серы в ДТ подтверждена конкретной моделью.

Необходимо отметить, что снижение дефектности ТА при переходе на ДТ ЕВРО с содержанием серы менее 350 ppm достигается не только за счет снижения содержания серы, но и улучшения смазывающей способности топлива. В данных исследованиях смазывающая способность ДТ не рассматривается.

Конечно, на эксплуатационную надежность ТА влияют и многие другие факторы, такие как качество изготовления, регион и сезон эксплуатации, качество применяемых расходных материалов и соблюдение сроков их смены, соблюдение регламента технического обслуживания. Однако качество ДТ имеет одно из решающих значений.

Основные результаты

Анализ эволюции дизельных двигателей КАМАЗ показал взаимосвязь между технологическим совершенством двигателя, его ресурсом и экологическими свойствами, группой эксплуатации применяемого моторного масла, сроком его смены и содержанием серы в ДТ.

Совместный анализ результатов многолетнего мониторинга содержания серы в ДТ и дефектов ТА дизелей КАМАЗ, показал:

• доля качественного ДТ (экологического класса К5) в Российской Федерации в период наблюдений с 2003 по 2023 годы существенно выросла, начиная с 0 % и до стабильного уровня около 80 %, наблюдаемого с 2019 г по настоящее время; в то же время некачественное ДТ, не соответствующее требованиям ГОСТ 32511–2013 и ТР ТС 013/2011, особенно по содержанию серы, продолжает присутствовать в эксплуатации автомобильной техники в значительном количестве;
• выявлено существенное снижение доли дефектов ТА двигателей КАМАЗ в период наблюдений с 2007 по 2019 годы, причем как форсунок, так и ТНВД;
• доля дефектов ТА имеет прямую корреляцию с долей ДТ с повышенным содержанием серы.

Заключение

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в эксплуатации выявлены закономерности изменения по календарным годам доли ДТ с повышенным содержанием серы (более 350 ppm) и доли дефектов ТА двигателей КАМАЗ, что позволило установить между данными показателями тесную корреляционную зависимость с конкретными параметрами.

Теоретическая ценность для развития научной специальности «Эксплуатация автомобильного транспорта» заключается в том, что выявленные закономерности вносят вклад в изучение влияния показателей качества одного из автомобильного эксплуатационного материала – дизельного топлива, на безотказность топливной аппаратуры автомобильных двигателей.

Направлением дальнейших научных изысканий является совершенствование процессов контроля показателей качества дизельного топлива, что будет способствовать повышению эксплуатационной надежности топливной аппаратуры автомобильных двигателей.

 

¹ Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / И. Г. Анисимов [и др.]; Под ред. В. М. Школьникова. Изд. 2-е перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. – 596 с.

² Исследовательская группа «Петромаркет». – URL: http://www.petromarket.ru /?r=public_11 (дата обращения: 16.01.2024).

³ Абдуллаев К. Ф., Свиридов Е. В. К вопросу влияния моторесурса двигателей автомобильной техники на ее надежность // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3–2. – С. 190–192. –EDN: VYXHSV.

About the authors

Maxim F Teterin

Scientific and Technical Center of PJSC KAMAZ

Author for correspondence.
Email: Maksim.Teterin@kamaz.ru
ORCID iD: 0009-0000-2167-1944

Chief Specialist in Chemmotology

Russian Federation, Naberezhnye Chelny

Ruslan F Kalimullin

Naberezhnye Chelny Institute (branch) of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Kazan (Volga region) Federal University»

Email: rkalimullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4016-2381
Scopus Author ID: 6602711766
ResearcherId: E-9031-2015

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Automobile Transport Operation

Russian Federation, Naberezhnye Chelny

Alexander T. Kulakov

Naberezhnye Chelny Institute (branch) of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Kazan (Volga region) Federal University»

Email: alttrak09@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6443-0136
Scopus Author ID: 56454050300
ResearcherId: ADD-9570-2019

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Automobile Transport Operation

Russian Federation, Naberezhnye Chelny

References

Supplementary files