CC BY
0УДК 621.45.04 https://doi.org/10.24412/0233-5727-2025-2-21-24
Дата поступления рукописи в редакцию: 29.01.2025 г. Дата принятия рукописи в печать: 25.02.2025 г.
Исследование возможности оценки
мицеллообразования в топливомасляных смесях
методом светорассеяния
М.В. СЕЛЕЗНЕВ, канд. техн. наук, С.А. КРИУШИН, А.А. ЕВСЕЕВ, С.О. ТОЛКУНОВА, В.А. СЕРЕДА, канд. техн. наук, А.П. ОЩЕНКО, канд. хим. наук
ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», Москва
Использование сканирующей электронной микроскопии для исследований в области мицеллообразования в топливомасляных смесях имеет ряд недостатков, в том числе высокую продолжительность по времени и стоимость проведения испытаний. Для решения указанной задачи авторами предложено использовать метод светорассеяния. Отмечено, что использование указанного метода позволяет приближенно оценивать процесс мицеллообразования в топливомасляных смесях по количеству и размерам частиц при условии формирования в объёме равномерной ламеллярной структуры. Однако для выявления строения, формы, размеров мицелл требуется применение более точных методов, подобных сканирующей электронной микроскопии.
Ключевые слова: антинагарные свойства, беспилотные летательные аппараты, двухтактные бензиновые двигатели, метод светорассеяния, механизм нагарообразования, мицеллы, моторные масла, топливомасляная смесь, эксплуатация авиационной техники.
Развитие беспилотных летательных аппаратов (БЛА) является одним из наиболее актуальных направлений современной авиационной техники. Среди приоритетных направлений их применения являются оборона и спасательные операции, правоохранительная и природоохранная деятельность, научные исследования и экологический мониторинг [1].
Анализ показывает, что доля поршневых двухтактных двигателей в БЛА самолётного типа превышает 50%, а в БЛА вертолётного типа — более 65% [2]. Этот факт является закономерным, поскольку двухтактные двигатели обладают компактностью, простотой обслуживания в эксплуатации, более лучшими техническими характеристиками по сравнению с поршневыми двигателями другого назначения, совершенствуются высокими темпами и имеют массовый выпуск в производстве [3]. При этом в поршневых двухтактных двигателях БЛА отсутствует классическая система смазки и масло подаётся для смазывания цилиндропоршневой группы в виде топливомасляной смеси, сгорающей вместе с топливом. По указанной причине на деталях цилиндропоршневой группы двигателей откладываются высокотемпературные нагары. Образование нагара снижает мощность двигателя, срок его службы и экономичность, вызывает увеличение эксплуатационных расходов. Отложения могут являться причиной перегрева головок поршней и цилиндров, ухудшения процесса сгорания топлива, повышения требований к антидетонационным свойствам топлива. Также образование нагара нарушает работу электродов свечей зажигания, оказывает абразивное действие на трущиеся детали двигателя, являясь причиной задира. Авторами литературы [4] экспериментально установлено снижение техничес-
ких характеристик двигателя БЛА вследствие образования нагара на головке цилиндра двухтактного бензинового двигателя, свечах зажигания после эксплуатации на масле с низким уровнем антинагарных свойств (рис. 1).
Рис. 1. Пример образования нагара после эксплуатации на масле с низким уровнем антинагарных свойств на головке цилиндра двухтактного бензинового двигателя (а) и на свече зажигания (б)
В статье [5] приведены результаты испытаний топливомасляных смесей, изготовленных из автомобильного бензина АИ-95-К5 и различных моторных масел на минеральных и синтетических основах в соотношении 1:30 на сканирующем электронном микроскопе при разрешении от 3 до 400 цш. При этом полученные данные учитывают многокомпонентную систему и структуру топливомасляной смеси через концепцию квазимицеллярного строения [6, 7]. По результатам испытаний авторами выдвинуто предположение, что уплотнения мицелл в топливомасляных смесях, включающих в состав образцы минеральных масел, вызывают повышенное нагарообразование в двухтактных бензиновых двигателях, поскольку топливомасляная смесь не успевает полностью сгореть в ходе рабочего цикла ввиду образования подобной структуры мицелл, поэтому несгоревшие остатки масла и топлива формируют слой нагара на деталях цилиндропоршневой группы и свечах зажигания. В то же время моторные масла, в которых используется синтетическая основа, вызывают образование ламеллярной структуры мицелл и их равномерное распределение в объёме топливомасляной смеси, что способствует её более полному сгоранию и накоплению минимального (допустимого) количества нагара при эксплуатации указанных двигателей. Авторами статьи также отмечается, что положения концепции квазими-целлярного строения требуют развития в части изучения влияния отдельных компонентов топлив и масел различных марок горюче-смазочных материалов и их концентраций в составе топливомасляных смесей на механизм образования мицелл, их геометрические размеры и формы.
Однако использование сканирующей электронной микроскопии при значительном количестве исследований образцов топливомасляных смесей имеет ряд недостатков. Проведение экспериментов занимает продолжительный период времени, а сами методы являются достаточно дорогостоящими. В литературе [8] отмечено, что визуальное определение количества и размеров частиц в топливах в поле зрения электронного микроскопа по масштабным площадям является трудоёмкой и длительной работой. Также при испарении топлива в вакууме происходит коагуляция частиц при охлаждении, что приводит к искажению результатов испытаний.
Указанное вызывает большие сложности при исследовании многокомпонентной системы и структуры топливомасляных смесей. Одним из вариантов решения указанной задачи является использование более простых методов. В ходе поисковых работ автором [8] используется метод светорассеяния для определения размеров частиц в углеводородных топливах, в том числе возникающих в процессе их окисления. При этом научных работ, посвящённых изучению мицеллообразования в топливомасляных смесях с помощью методов светорассеяния, авторами не найдено.
Для проведения исследований топливомасляных смесей методом светорассеяния был использован автоматический счётчик частиц «ACM 20.2024.EUR» компании Паркер. Испытания проводили при комнатной температуре (20±2°С). Контейнер для отбора пробы топливомасляной смеси трижды промывали небольшим количеством указанной смеси, а затем заполняли порцией пробы объёмом не менее 300 см3. Перед испытанием контейнер с пробой топливомасляной смеси не менее 60 раз переворачивали дном к верху в течение 1-2 мин. Чтобы избежать образования пузырьков воздуха исключали её встряхивание.
В качестве объектов исследования выбраны образцы топливомасляных смесей, изготовленных из автомобильного бензина АИ-95-К5 по ГОСТ 32513 и различных моторных масел в соотношении 1:30. При этом в компонентных составах топливомасля-ных смесей использованы экспериментальный образец масла для двигателей БЛА (Б), три образца товарных отечественных масел (А, В и Г) и зарубежного масла (Д). Компонентные составы исследуемых образцов масел для двухтактных двигателей БЛА следующие:
А — минеральное. На основе базового масла I и II группы по классификации API c добавлением пакета присадок;
Б — минеральное. На основе базового масла II и III группы по классификации API с c добавлением моющей и антиокислительной присадок;
В — минеральное. На основе базового масла II и III группы по классификации API с добавлением пакета присадок;
Г — полусинтетическое. На основе базового масла II и IV группы по классификации API c добавлением беззольного комплекса присадок;
Д — синтетическое. На основе базового масла V группы по классификации API с комплексом высокоэффективных беззольных присадок.
Для повышения сходимости результатов испытаний автомобильный бензин предварительно пропускали через фильтровальную воронку (рис. 2) с кол-
Рис. 2. Внешний вид фильтра после очистки бензина АИ-95-К5
Результаты испытаний образцов топливомасляных смесей на автоматическом счётчике частиц «ACM 20.2024.EUR»
Образец Средняя масса частиц, мг/дм3, топливомасляной смеси
> 4 мкм > 6 мкм > 14 мкм > 21 мкм > 25 мкм > 30 мкм
А 223,7 56,7 2,6 0,6 0,3 0,2
Б 289,6 87,2 6,2 1,6 1,0 0,7
В 205,5 60,8 5,5 1,7 1,4 1,1
Г 1089,7 248,0 15,2 4,1 2,0 1,3
Д 374,2 90,1 6,7 2,2 1,6 1,2
бой Бунзена с использованием фильтра мембранного ацетат целлюлозного типа ФМАЦ — 0,8 мкм и диаметром 50 мм.
В ходе проведения исследований определяли массу и размеры частиц, содержащихся в испытуемых топливомасляных смесях, со средним диаметром от 4 до 30 мкм, а также со средними диаметрами
> 4 мкм, > 6 мкм, > 14 мкм, > 21 мкм, > 25 мкм и
> 30 мкм. По каждой топливомасляной смеси проводили не менее двух измерений, а результаты испытаний приводились к среднему значению (таблица).
По результатам исследования выявлено, что в различных топливомасляных смесях увеличение количества частиц происходит пропорционально — от большего диаметра (> 30 мкм) к меньшему (> 4). В топливомасляных смесях, содержащих моторные масла на полусинтетической и синтетической основах (образцы Г и Д), наблюдается наибольшее количество частиц со средними диаметрами > 4 и > 6 мкм. Результаты испытаний коррелируются с данными, представленными в научной работе [5], в части образования бензином и моторными маслами, в которых используются синтетическая основа, ламеллярной структуры мицелл и их равномерного распределения в объёме топливомасляной смеси, что способствует её более полному сгоранию и накоплению минимального (допустимого) количества нагара при эксплуатации двигателей для БЛА. Также со снижением размера частиц наиболее отчётливо проявляется влияние основы масла и его компонентов на их общее количество в составе топливомасляной смеси. Топливомасляные смеси на основе минеральных масел (образцы А, Б, В) имеют меньшее количество частиц различного размера по сравнению с образцами, включающими синтетические компоненты, что противоречит данным работы [5]. Указанное, вероятно, связано с техническими характеристиками прибора и особенностями метода, которые не позволяют оценивать процесс образования мицелл в топливомасляных смесях без формирования их равномерной ламеллярной структуры.
На основании полученных результатов исследований можно сделать вывод, что использование метода светорассеяния позволяет приближённо оценивать процесс мицеллообразования в топливо-масляных смесях по количеству и размерам частиц при условии формирования в объёме равномерной ламеллярной структуры. Однако для выявления
строения, формы, размеров мицелл требуется применение более точных методов, подобных сканирующей электронной микроскопии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов ГА. Беспилотные летательные аппараты с поршневыми двигателями. Компоновки и конструкции: Монография. — М.: Спутник+, 2010. — 194 с.
2. Михайлов ДА. Разработка в Израиле систем противодействия БЛА // Зарубежное военное обозрение. — 2018. — № 2. — С. 69.
3. Синяткин ДА., Божков А.Ю., Горчаков МА. Создание многофункциональных беспилотных летательных аппаратов: пути решения проблемных вопросов // Военная мысль. — 2018. — № 10. — С. 86-91.
4. Маньшев ДА., Иванов А.В., Криушин С А, Чернышева А.В., Потупчик С.Г. Исследование эксплуатационных свойств масла для малоразмерного поршневого авиационного двигателя // Труды 25 ГосНИИ МО РФ. — 2020 (вып. 59). — С. 253-261.
5. Криушин С.А., Селезнев М.В. Особенности механизма образования нагара в двигателях беспилотных летательных аппаратов // Научный вестник ГосНИИ ГА. — 2023. — № 42. — С. 18-27.
6. Лихтерова Н.М., Агаянц И.М. Феноменологическая модель квазимицеллярного строения светлых погонов нефти и моторных топлив // Наука и технология углеводородов. — 2000. — № 4. — С. 24.
7. Серёгин Е.П., Лихтерова Н.М., Городецкий В.Г. О роли коллоидных систем в образовании осадков реактивными топливами // Химия и технология топлив и масел. — 1990. — № 9. — С. 22.
8. Большаков Г.Ф. Образование гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив. — Новосибирск: Наука, 1990. — 248 с.
Seleznev M.V., Kriushin S.A., Evseev A.A., Tolkunova S.O., Sereda V.A., Oschenko A.P. Federal Autonomous Enterprise «The 25-th State Research
Institute of Chemmotology, Ministry of Defence of the Russian Federation»
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY OF ASSESSING
MICELLE FORMATION IN FUEL AND OIL MIXTURES BY LIGHT SCATTERING
The use of scanning electron microscopy for research in the field of mycelium formation in fuel and oil mixtures has a number of disadvantages, including the high time duration and cost of testing. To solve this problem, the authors proposed using the light scattering method. It is noted that the use of the light scattering method makes it possible to approximate the micelle formation process in fuel and oil mixtures by the number and size of particles, provided that a uniform lamellar structure is formed in the
volume. However, to identify the structure, shape, and size of micelles, more accurate methods such as scanning electron microscopy are required.
Key words: anti-impact properties, unmanned aerial vehicles, two-stroke gasoline engines, light scattering method, carbonation mechanism, micelles, engine oils, fuel and oil mixture, operation of aviation equipment.
References
1. Kuznetsov G.A. Bespilotnyye letatel'nyye apparaty s porshnevymi dvigatelyami. Komponovki i konstruktsii [Unmanned aerial vehicles with piston engines. Layouts and constructions] Moscow, Sputnik+ Publ., 2010, 194 p. (In Russ.).
2. Mikhaylov D.A. Razrabotka v Izraile sistem protivodeystviya BLA [Development of anti-UAV systems in Israel]. Zarubezhnoye voyennoye obozreniye. — 2018, no. 2, p. 69. (In Russ.).
3. Sinyatkin D.A., Bozhkov A.YU., Gorchakov M.A. Sozdaniye mnogofunktsional'nykh bespilotnykh letatel'nykh apparatov: puti resheniya problemnykh voprosov [Creation of multifunctional unmanned aerial vehicles: ways to solve problematic issues]. Voyennaya mysl'. — 2018, no. 10, pp. 86-91. (In Russ.).
4. Man'shev D.A., Ivanov A.V., Kriushin S.A., Chernysheva A.V., Potupchik S.G. Issledovaniye ekspluatatsionnykh svoystv masla dlya malorazmernogo
porshnevogo aviatsionnogo dvigatelya [Investigation of the operational properties of oil for a small piston aircraft engine]. In Trudy 25 GosNII MO RF. — 2020 (issue 59), pp. 253-261. (In Russ.).
5. Kriushin S.A., Seleznev M.V. Osobennosti mekhanizma obrazovaniya nagara v dvigatelyakh bespilotnykh letatel'nykh apparatov [Features of the mechanism of carbon deposits formation in the engines of unmanned aerial vehicles]. Nauchnyy vestnik GosNII GA. — 2023, no. 42, pp. 18-27. (In Russ.).
6. Likhterova N.M., Agayants I.M. Fenomenologicheskaya model' kvazimitsellyarnogo stroyeniya svetlykh pogonov nefti i motornykh topliv [Phenomenological model of the quasi-micellar structure of light distillates of oil and motor fuels ]. Nauka i tekhnologiya uglevodorodov. — 2000, no. 4, p. 24. (In Russ.).
7. Serogin Ye.P., Likhterova N.M., Gorodetskiy V.G. O roli kolloidnykh sistem v obrazovanii osadkov reaktivnymi toplivami [On the role of colloidal systems in the formation of sediments by jet fuels]. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel. — 1990, no. 9, p. 22. (In Russ.).
8. Bol'shakov G.F. Obrazovaniye geterogennoy sistemy pri okislenii uglevodorodnykh topliv [Formation of a heterogeneous system during the oxidation of hydrocarbon fuels]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1990, 248 p. (In Russ.).
Вниманию авторов!
Редакция журнала принимает к публикации материалы по специальностям:
• 2.6.12. Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ (технические и химические науки) — засчитывается ВАК при защите докторских и кандидатских диссертаций
• 1.4.12. Нефтехимия (технические и химические науки) — засчитывается ВАК при защите докторских и кандидатских диссертаций
• 1.4.14. Кинетика и катализ (технические и химические науки) — засчитывается ВАК при защите докторских и кандидатских диссертаций
• 1.5.15. Экология (химическая)
• 2.2.10. Метрология и метрологическое обеспечение
• 2.5.22. Управление качеством продукции. Стандартизация. Организация производства
• 2.6.12. Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ (технические и химические науки)
• 2.6.13. Процессы и аппараты химических технологий (технические и химические)
• 6.2.7. Спецтоплива и ГСМ
Материал для публикации может быть представлен в виде:
• научной статьи. Объём — 6-8 стр. машинописного текста (А4, кегль 11, междустрочный интервал — одинарный) — 5-6 журнальных полос // 0,5-0,7 усл. печ. л. Статья должна содержать новые результаты теоретического, аналитического, практического или экспериментального исследования одного или нескольких авторов;
• обзорной научной статьи. Объём — 12-16 стр. машинописного текста (А4, кегль 11, междустрочный интервал — одинарный) — 10-12 журнальных полос // 1,0-1,4 усл. печ. л. Цель автора обзорной статьи — познакомить читателя с результатами исследований, идеями и мнениями по различным темам в сжатой форме. Фактически — это сбор, анализ и обсуждение опубликованной информации по определённой теме. Для журнала такие статьи предпочтительны.
Правила предоставления материалов для публикации
Необходимые документы
1. Сопроводительное письмо на бланке организации о направлении статьи для публикации в журнале (Название журнала) на имя главного редактора, за подписью ответственного лица и скреплённое печатью организации, от имени которой выступают авторы (образец текста прилагается).
2. Экспертное заключение о возможности открытой публикации, оформленное на гербовом бланке с печатью организации, от имени которой осуществляется публикация.
В обязательном порядке статья должна сопровождаться следующими материалами:
1. Информация об авторах: • ФИО полностью, • место работы, • должность, • учёная степень. Необходимо указать автора для переписки с редакцией и его контактные данные (включая почтовый адрес и электронную почту).
2. УДК статьи.
3. Аннотация (5-10 предложений) и ключевые слова на русском языке.
4. Информация на английском языке: • авторы (транслитерация), • официальное название организации, • название статьи, • ключевые слова, • реферат не менее 300 слов (краткое изложение основного содержания статьи).
При подготовке материала к публикации следует учитывать, что основные положения статей должны быть доступны для понимания специалистам в области нефтепереработки и нефтехимии, работающим по различным направлениям и имеющим различный базовый уровень подготовки. По этой причине, а также во избежание затруднений при редактировании, не следует усложнять чрезмерно свои материалы и избыточно перегружать их. Нужно также иметь в виду, что нельзя дублировать данные в тексте, таблицах и графиках. Терминология статьи должна быть общепринятой для научной литературы.
Вопрос о публикации статей, направленных в редакцию, решается Редакционным советом.
Передачу материалов по электронной почте следует осуществлять по адресу: [email protected]
