Чтобы понять образуется ли зола, когда нет видимого расхода масла, решил почитать (и перевести, не сам, а с помощью всяких онлайн переводчиков) вот эту статью
http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/50586
"Характер выбросов золы, образующихся при производстве смазочных материалов, и их влияние на производительность системы доочистки дизельного топлива".
Она не новая, 2009 года.
Пока в прелюдии обнаружил, что "Зольность DPF увеличивается с увеличением расхода масла и зольности смазочных материалов".
Фрагмент перевода. Может кому-то будет интересно. В некоторых местах перевод содержит слово "пепел", думаю это та же зола. Просто такой перевод.
2.2 Источники золы
Зола, накапливающаяся в сажевом фильтре, поступает из ряда источников, включая присадки к смазочным материалам, частицы износа двигателя и коррозии, а также микроэлементы, содержащиеся в дизельном топливе. Как правило, зола от смазочных материалов составляет большую часть золы, обнаруживаемой в дизельных сажевых фильтрах в тех случаях, когда не используются топливные катализаторы [24-26]. В то время как обычные смазочные материалы для дизельных двигателей, как правило, состоят из 70–83 % органических базовых масел, произведенных на нефтеперерабатывающих заводах, и 5–8 % модификаторов вязкости, оставшиеся 12–18 % масла, состоящие в основном из пакета неорганических присадок, являются источник большинства выбросов золы.
Смазочные присадки выполняют ряд полезных функций в двигателе и используются, среди прочего, для защиты от износа, предотвращения отложений и коррозии, рассеивания сажи и антиоксидантных функций. Детергенты на основе кальция и магния, а также диалкилдитиофосфаты цинка (ZDDP) для защиты от износа и антиоксидантов являются одними из наиболее часто используемых присадок к смазочным материалам, присутствующих в значительных количествах [22, 27].
Зола от смазочных материалов состоит в основном из соединений Ca, Zn, Mg, P и S в виде различных фосфатов, сульфатов и оксидов [22, 28, 29]. Хотя эти присадки выполняют ряд полезных функций, их накопление в DPF привлекает все большее внимание. Спецификация масла CJ-4 была недавно разработана для сведения к минимуму воздействия золы, образуемой смазкой, на системы доочистки путем установления следующих химических ограничений для смазочного материала:
* Максимальное содержание сульфатной золы: 1,0%
* Максимальное содержание фосфора: 0,12%
* Максимальное содержание серы: 0,4 %
* Максимальная волатильность: 13% [30].
Несмотря на введение спецификации масла CJ-4, влияние конкретных видов золы, образующихся в смазочных материалах, на производительность системы доочистки до сих пор недостаточно изучено.
С точки зрения рецептуры смазочных материалов, связать влияние конкретных присадок к смазочным материалам и уровень зольности сульфатов масла с накоплением золы и, как следствие, ухудшением характеристик DPF, непросто. Многие из методов, используемых для количественного определения содержания золы в смазочных материалах, не точно отражают конкретные механизмы, ответственные за образование золы в системе дополнительной обработки выхлопных газов двигателя. Согласно спецификации ASTM D876, сульфатная зола смазочных материалов определяется как материал, остающийся после обработки масла серной кислотой и нагревания до тех пор, пока вес остаточного материала не станет постоянным [31]. Кроме того, на вариативность метода испытаний влияют масла, в состав которых входят детергенты на основе магния и диспергаторы на основе бора, а также различные соединения фосфора [32, 33].
Не все смазочные присадки расходуются и выбрасываются из двигателя с одинаковой скоростью. Присадки ZDDP, например, разлагаются и образуют противоизносные пленки на поверхностях двигателя. Различия в летучести конкретных компонентов добавок также влияют на относительную скорость их выбросов. Эти различия в расходе присадок приводят к тому, что отдельные элементы присадок накапливаются в DPF в количествах, отличных от их доли в смазочном материале. Оценки уровней выбросов элементов, основанные на объемном потреблении смазочных материалов, показали, что уровни улавливания элементов в DPF составляют от 27% до 31% для магния, от 37% до 42% для кальция, от 37% до 86% для цинка и от 46% до 86% для фосфорные [29, 34]. Различия в летучести присадок и специфицированных нормах расхода создают серьезную проблему для разработчиков рецептур смазочных материалов, чтобы точно определить смазочные материалы, чтобы свести к минимуму накопление золы в дизельных сажевых фильтрах.
2.3 Влияние золы на рабочие характеристики DPF
В последние годы много усилий было направлено на выявление влияния присадок к смазочным материалам на накопление золы и ухудшение рабочих характеристик систем дополнительной обработки дизельных двигателей. В результате была создана значительная база знаний, которая привела к следующим общепринятым наблюдениям:
* Зольность DPF увеличивается с увеличением расхода масла и зольности смазочных материалов [28, 29, 35, 36].
* Зола от смазочных материалов в основном состоит из оксидов, сульфатов и фосфатов Zn, Ca и Mg [22, 28, 29, 37].
* Использование уровней сульфатной зольности смазочных материалов для прогнозирования золы на выходе из двигателя завышает оценку выбросов золы из-за летучести смазочного материала и различий в нормах потребления масла [35, 38, 39].
* Падение давления на сажевом фильтре не является показателем общего уровня зольности [26, 29, 39].
* Определенные элементы присадок, в первую очередь S и P, неблагоприятно влияют на характеристики катализатора, а также способствуют засорению фильтров [40 - 43].
* На накопление золы в ДСФ (образование пробок или равномерное распределение по каналам) влияет стратегия регенерации [44, 45].
Несмотря на значительный прогресс, фундаментальные механизмы, ответственные за многие из перечисленных выше наблюдений, по большей части неизвестны. Например, мало изучены параметры , влияющие на отложение, миграцию и накопление золы в каналах сажевого фильтра (образование пробок, равномерное распределение и скопление золы). Кроме того, считается, что ряд факторов влияет на плотность упаковки золы, что, в свою очередь, влияет на перепад давления; однако эти специфические явления еще предстоит объяснить.
Кроме того, хотя очевидно, что присадки к смазочным материалам и состав образующейся золы влияют на морфологию золы, все еще требуется много работы, чтобы соотнести характеристики золы с основным составом смазочного материала. Более того, хотя Ca, Mg и Zn обычно присутствуют в DPF в тех же пропорциях, что и в исходных смазочных маслах, другие элементы, такие как бор, отсутствуют [29]. Эти несколько примеров подчеркивают необходимость разработки фундаментального понимания конкретных механизмов и параметров, ответственных за широко наблюдаемые и общепризнанные эффекты пепла, перечисленные выше.
2.3.1 Падение давления DPF
Накопление золы в DPF уменьшает доступную площадь фильтрации, что приводит к ограничению потока и закупорке, что обычно измеряется увеличением перепада давления на фильтре (падение давления). В ряде исследований изучалось влияние накопления золы в сажевых фильтрах на увеличение перепада давления, и сводка этих отчетов представлена на рис. 2.3.
Рисунок 2.3. Вклад золы в измеренное увеличение противодавления выхлопных газов в зависимости от смоделированного расстояния вождения [25].
В целом ожидается, что накопление золы приведет к удвоению перепада давления при пробеге от 270 000 до 490 000 км при использовании масла с содержанием сульфатной золы 1,0%. При более высоких уровнях сульфатной золы удвоение противодавления выхлопных газов наблюдается при пробеге от 45 000 до 110 000 км при использовании масла с содержанием сульфатной золы 1,6% [25].
Влияние накопления золы на перепад давления DPF осложняется тем, что масса золы в фильтре не связана напрямую с наблюдаемым увеличением перепада давления . В частности, в исследовании, проведенном Бардашем, использовались десять различных смазочных материалов, каждая из которых содержала различные присадки до уровня сульфатной золы 1,8%. Авторы сообщили об отсутствии корреляции между массой золы в фильтре и измеренным перепадом давления и указали, что химия и морфология золы также играют значительную роль [29].
Характеристики перепада давления DPF из-за накопления золы в течение срока службы DPF также следуют нелинейной тенденции, как сообщается в исследовании Coming 2006 года и показано на рисунке 2.4. В исследовании использовалось масло с сульфатной зольностью 1,7% и высокие коэффициенты нагрузки двигателя, чтобы немного ускорить зольную нагрузку DPF. В ходе лабораторных испытаний два сажевых фильтра подвергались 1720 и 2640 часам нагрузки пеплом на динамометрическом стенде двигателя, что имитировало 300 000 миль и 420 000 миль дорожного движения соответственно [23].
Рисунок 2.4. Реакция DPF на перепад давления в зависимости от зольности, не содержащей сажи и 6 г/л сажи [23]. Обратите внимание на содержание сажи и золы в граммах на номинальный объем DPF. для двух DPF типичны.
В целом оба фильтра демонстрируют медленное и постепенное линейное увеличение перепада давления с увеличением уровня накопления золы в фильтре, зола показана на рис. 2.4 для двух случаев с 0 г/л сажи. Однако комбинированное влияние сажи и золы на реакцию фильтра на перепад давления сильно нелинейно. Для фильтров, содержащих менее примерно 15 г/л золы и 6 г/л сажи, наблюдается начальное снижение перепада давления по сравнению с чистым фильтром . По мере увеличения уровня золы падение давления на фильтре значительно увеличивается для фильтров, содержащих как золу, так и сажу. Кроме того, когда уровни золы превышают 35 г/л, падение давления DPF увеличивается гораздо быстрее при дополнительной загрузке сажей. Нелинейное поведение наблюдаемых трендов перепада давления было связано с различиями в распределении золы внутри фильтра (торцевая заглушка по сравнению со стеновым слоем) [23]. На основании результатов, приведенных в литературе, становится ясно, что не только количество золы в фильтре , но также состав, морфология и распределение накопленной золы играют важную роль в определении реакции DPF на перепад давления.
2.3.2 Влияние химического состава смазочных материалов на перепад давления
Исследования, упомянутые в предыдущем разделе, подчеркивают вклад дополнительных параметров, таких как химический состав смазочного материала и зольности, в дополнение к абсолютной массе золы, захваченной в фильтре, в увеличение перепада давления DPF. наблюдается с накоплением пепла. В исследовании, проведенном компанией Chevron в 2003 году, использовались восемь различных составов смазочных материалов, каждый из которых содержал разное количество диспергаторов на основе бора, ZDDP и детергентов на основе кальция. Сульфатная зольность смазочных материалов колебалась от 0,42% до 1,9%. Заполнение сажевым фильтром золы было ускорено за счет добавления в топливо 5% (по массе) масел-кандидатов. В то время как кальций , по данным ASTM D874-06, вносил наибольший вклад в содержание сульфатной золы в смазочном материале, увеличение перепада давления DPF из-за накопления золы, по-видимому, более тесно коррелирует с концентрацией цинка и фосфора в смазочном материале, чем с кальцием. Интересно, что в DPF бор не обнаружен, хотя он присутствует в смазочных материалах [46].
В отличие от исследования Chevron, в отчете Lubrizol за 2005 год отмечается, что высокие концентрации фосфора в смазочных материалах не связаны напрямую с увеличением перепада давления DPF. В этом исследовании использовались десять смазок с различным содержанием кальция, магния, ZDDP, фосфора и бора. Далее авторы отметили взаимодействие между уровнями платины в DPF и фосфора в золе, что, возможно, создает условия, подходящие для уменьшения размера частиц золы до достаточно малого размера, чтобы они могли пройти через поры DPF. Как и в исследовании Chevron, в отложениях золы , накопившихся в сажевом фильтре, бор не наблюдался [29].
В ряде исследований были предприняты попытки идентифицировать и количественно определить различные компоненты золы, образующиеся в смазочных материалах, которые накапливаются в DPF. В целом было обнаружено, что большая часть золы состоит из сульфатов и фосфатов металлов с гораздо меньшим вкладом оксидов металлов. Сульфат кальция является преобладающим компонентом золы, полученным из смазочных материалов, с концентрациями от 59% до 75% от общей золы [24, 41, 47]. Значительные различия, о которых сообщалось в тестах Chevron и Lubrizol, подчеркивают необходимость понимания на фундаментальном уровне влияния химического состава смазочных материалов и его результирующего влияния на состав и морфологию золы, что в конечном итоге влияет на падение давления DPF.
2.3.3 Влияние условий эксплуатации и распределения золы на перепад давления
Помимо состава золы и результирующей морфологии слоя золы, на перепад давления на фильтре также влияет распределение золы в отдельных каналах DPF и общее распределение золы в DPF. На рис. 2.5 представлены изображения профилей распределения золы при периодической и непрерывной регенерации. Зола, накопленная в DPF, периодически регенерировалась, имела тенденцию преимущественно накапливаться в пробках на конце фильтра, при этом очень небольшое количество золы оседало вдоль стенок канала. С другой стороны, зола , образующаяся в условиях непрерывной регенерации, равномерно распределялась вдоль стенок канала с очень небольшим образованием пробок [45].
Рисунок 2.5. Профили распределения золы DPF для золы, образующейся при периодической регенерации (справа) и непрерывной регенерации (слева) [44].
Зола, осаждающаяся в периодически регенерируемых фильтрах, первоначально рассеивается по слою сажевой корки, которая скапливается вдоль стенок каналов ДСФ. Когда DPF регенерируется, сажа окисляется, оставляя рыхлую сеть агломератов и частиц золы. Авторы предположили, что отложенная таким образом зола образует высокопористую и механически неустойчивую структуру. Со временем отложения золы в конечном итоге разрушаются и разрушаются, позволяя большей части золы накапливаться в пробках ближе к концу фильтра.
С другой стороны, в DPF, подвергающемся непрерывной регенерации, сажа постоянно окисляется, и зола осаждается непосредственно на поверхности DPF. Накопленная таким образом зола сильнее прилипает к стенкам фильтра, что приводит к образованию довольно ровного слоя золы по длине канала. Кроме того, сажевые фильтры с золой, преимущественно упакованной в пробку ближе к концу DPF, показали меньшее увеличение перепада давления, чем фильтры, в которых зола распределялась вдоль стенок канала [44].
Также сообщалось об измерениях профиля зольного слоя DPF, которые, как правило, показывают, что толщина зольного слоя увеличивается в осевом направлении вдоль каналов DPF по направлению к задней части фильтра, как показано на рис. 2.6. В целом, отложения золы, обнаруженные вблизи концов каналов, были почти в два раза толще отложений, измеренных на передней поверхности фильтра. В исследованиях также сравнивались измерения толщины слоя золы для золы, образующейся с использованием ускоренного метода испытаний (добавление масла в топливо) с неускоренными испытаниями. Слои золы, образующиеся в результате легирования топлива, имели тенденцию быть толще, чем слои, наблюдаемые в неускоренных испытаниях, толщина которых варьировалась от 100 до 300 мкм [35].
Рисунок не вставлял
Рисунок 2.6. Измеренные профили толщины слоя золы вдоль каналов DPF [35].
Помимо профилей распределения золы в отдельных каналах фильтра, в других исследованиях изучалось общее распределение золы внутри DPF. Исследование, проведенное Lubrizol, выявило неравномерное радиальное распределение золы, при этом большая часть золы скапливалась вблизи центра фильтра и гораздо меньше золы вблизи периферии DPF [48]. Эти различия в распределении объемной золы, скорее всего, являются результатом неравномерного распределения потока выхлопных газов через фильтр. Основываясь на наблюдаемых различиях в распределении золы и их результирующем влиянии на падение давления DPF, становится ясно, что условия выхлопа и стратегия регенерации также значительно влияют на то, как зола влияет на падение давления DPF.
2.4 Цели проекта
В то время как предыдущие исследования выявили конкретное влияние золы на производительность DPF, они дают мало информации для описания основных фундаментальных механизмов, ответственных за наблюдаемое ухудшение производительности DPF, таких как свойства золы, поступающей в DPF, взаимодействие золы с улавливающей средой. , и влияние условий выхлопа, среди прочего. Кроме того, способ ускорения расхода масла и зольности DPF может оказать значительное влияние на накопление золы и производительность DPF, о чем свидетельствуют часто противоречивые данные, представленные в литературе.
Это исследование пытается заполнить пробелы в базе знаний, выходя за рамки традиционных подходов, перечисленных выше. Благодаря тщательному контролю и мониторингу свойств золы и состава подаваемого газа в этой работе предпринимаются первые шаги по изучению основных характеристик поступления и осаждения золы от смазочных материалов в DPF, а также механизмов, влияющих на производительность DPF. Кроме того, сравнение лабораторных результатов с подробным анализом сажевых фильтров, загруженных золой, обеспечивает не только контрольную точку для сравнения результатов, полученных в лаборатории, но и дополнительное понимание механизмов, влияющих на свойства золы и их влияние на производительность сажевых фильтров.
Работа в рамках этого проекта проводилась для систематической оценки влияния золы, полученной из смазочных материалов, на снижение производительности системы дополнительной обработки дизельного топлива с помощью следующих целевых исследований:
(1) химические и физические характеристики золы на выходе из двигателя, поступающей в сажевый фильтр, попавшей в сажевый фильтр, и прохождение через DPF,
(2) разработка и внедрение реалистичной системы ускоренной загрузки золы для изучения влияния золы на характеристики перепада давления DPF,
(3) корреляция состава смазки, условий выхлопа и результирующих свойств золы с производительностью DPF,
(4) подробный посмертный анализ свойств золы DPF для золы, образовавшейся в лаборатории, и сравнение с фильтрами, выдержанными в полевых условиях,
(5) разработка теоретических моделей для улавливания и помощи в понимании основных механизмов, ответственных за то, как отложения золы влияют Падение давления DPF.
Экспериментальные результаты были применены для расширения текущих теоретических и модельных усилий, чтобы получить более глубокое понимание фундаментальных механизмов, определяющих влияние золы, полученной из смазочных материалов, на закупорку системы доочистки и характеристики перепада давления. Химия смазочных материалов, условные эффекты выхлопных газов и факторы, влияющие на профили отложений золы, были включены в модели для более полного описания комбинированного воздействия золы и сажи на перепад давления DPF и характеристики потока. Кроме того, эти модели обеспечивают дополнительное понимание ключевых параметров системы и были объединены с конкретными экспериментальными исследованиями для углубления концептуального понимания.
Более глубокое понимание этих фундаментальных процессов должно оказаться полезным для сведения к минимуму вредного воздействия золы, образующейся в смазочных материалах, на системы доочистки дизельных двигателей. Если зола скапливается в виде плотно упакованного материала в ловушке, например, в результате спекания, или в местах «вне пути», например, ближе к концам канала, или если некоторые элементы могут быть удалены, например, тяжелые металлы, то это означает могут быть разработаны для существенного улучшения производительности и долговечности дизельных сажевых фильтров. Эти результаты, среди немногих фундаментальных данных такого рода, коррелируют изменения характеристик перепада давления в сажевом фильтре с составом и морфологическими характеристиками золы. Результаты будут полезны для оптимизации конструкции комбинированной системы смазки двигателя, системы выхлопной системы и смазки для будущих дизельных двигателей, уравновешивая требования присадок для надлежащей защиты двигателя с требованиями к надежным системам обработки выхлопных газов.