Очищенное шинное пиролизное масло в смеси с пальмовым биодизелем: трение и износ в четырёхшариковой машине

Что действительно исследовано

Добавить шинное пиролизное масло к биодизелю и получить лучшее смазывание звучит заманчиво. Но что именно здесь смазывали? В этой работе жидкость находилась между четырьмя стальными шариками, а весь опыт длился 300 с. Авторы сравнили пальмовый биодизель BD, подготовленное шинное масло TPO и смеси BT10 и BT20. У BT10 указаны 90% BD и 10% TPO, у BT20 — 80% BD и 20% TPO; массовые это доли или объёмные, статья явно не уточняет. Главный результат приходится читать вместе с нагрузкой: при малой нагрузке TPO могло проигрывать, а при 80 кг давало меньшее пятно износа. Для нас это способ сравнить жидкости на одном контакте. Ресурс двигателя, топливного насоса или форсунки в таком опыте не измеряли.

Начнём с происхождения масла, чтобы не приписать авторам чужую установку. В §2.1 приведены выходы масла 49%, остатка 44%, газа 7% и поток 5,5–14,5 кг/ч. Но рядом стоит ссылка [12] на Li et al. 2016. То есть эти числа описывают другую работу; собственного материального баланса пиролиза Yaqoob здесь нет. Не установлены и история шин, их состав, удаление корда, гранулометрия и собственный режим реактора. Исследование начинается для нас с подготовки уже полученной жидкости и проверки её трения и износа. По той же причине таблицу 1 статьи читаем как обзор чужих работ, а не как дополнительные опыты этой серии.

Подготовка жидкости и границы воспроизводимости

По этой последовательности уже понятно, что в испытательную чашку попало не сырое масло. Его нагрели, обработали кислотой, выдержали и перегнали. А вот сколько после этих операций осталось полезной жидкости и что именно ушло с отделёнными фазами, статья не показывает. Поэтому расход кислоты на тонну продукта, выход товарного топлива и эффективность обессеривания из такого описания не рассчитать. Слово «очистка» само по себе ничего не говорит об остаточной сере, кислотности и воде: нужны анализы после обработки. Есть и вполне предметный вопрос к кислотной стадии: куда затем направлять коррозионные жидкости и отходы? Их безопасное обращение и стоимость этой операции в работе не проверяли.

Свойства исходного и испытанных продуктов

В исходной таблице есть записи, которые лучше сразу заметить. Температура застывания напечатана как «<40», без минуса; заменять её на привычное «<−40» оснований нет. Для золы указан ASTM D462. Обозначение выглядит подозрительно, но выбирать за авторов другой стандарт мы не будем. Все обозначения оставлены по статье, сами тексты стандартов независимо не проверены. И «теплота сгорания» ниже означает именно авторский показатель: считать его низшей теплотой без уточнения нельзя.

Теперь смотрим на жидкости, которые действительно испытывали. Все значения этой таблицы взяты из таблицы 3, с. 4. Для измерений указаны калориметр IKA C2000 и вискозиметр/плотномер Anton Paar SVM 3000; перечень приборов и их заявленная точность находятся в таблице 4, с. 4. Для вязкости это ±0,35%, для плотности ±0,1 кг/м³. Но точность прибора ещё не говорит, насколько хорошо совпали повторные опыты. Доверительные интервалы самих результатов из этих паспортных характеристик получить нельзя.

Если сопоставить две таблицы, вязкость подготовленного TPO ниже, чем у raw TPO, на 52,95%, плотность выше на 2,05%, а теплота сгорания ниже на 2,97%. Это наш пересчёт опубликованных чисел. Особенно стоит задержаться на плотности: ожидание «после перегонки должно быть легче» не даёт права менять результат. Чтобы объяснить рост, нужны составы фракций и баланс, а их нет. Ещё одна проверка: при условном линейном объёмном смешении BD и TPO плотности смесей составили бы 882,55 и 889,60 кг/м³ вместо опубликованных 886 и 896. Так мы проверяем своё допущение о смешении. Объявлять таблицу ошибочной рано: база долей не раскрыта, объёмы компонентов также не обязаны складываться строго линейно.

Четырёхшариковая проба

Представьте три неподвижных шарика в чашке с жидкостью и четвёртый сверху, который вращается и прижимается к ним. Так устроен этот опыт на DUCOM TR-30L-IAS. В опыте использованы шарики SKF из углеродисто-хромистой стали диаметром 12,7 мм; SKF здесь не марка стали. Скорость 1800 об/мин, температура жидкости 27 °C. После 300 с смотрят, какое пятно осталось на шариках. Поэтому меньший WSD говорит о меньшем диаметре повреждённого участка именно в этих условиях. Из этого ещё не следует, что та же смесь даст меньшее трение на всех стадиях работы: начальные 10 с и последние 100 с авторы разбирают отдельно. Все условия и их локаторы собраны ниже.

К методике авторы привязали ASTM D2266, к измерению пятна ASTM D4172. Само наличие ссылок ещё не подтверждает, что опыт полностью соответствует стандартному испытанию или нормативу топливной смазывающей способности: отдельно это соответствие не проверено. С нагрузкой тоже нужно быть внимательным. В статье она дана в «кг», и подставить такое число в формулу на место ньютонов нельзя. Если авторы имели в виду кгс, диапазон можно пересчитать примерно в 392–785 Н. Это перевод при названном допущении, а не уточнённая запись первичного источника.

Чтобы повторить опыт, нужны понятные шарики и измерительный прибор. Здесь описание местами расходится само с собой. В таблице 6 у шарика указаны, в частности, 10,2% C и 2,15% Zn. Такой набор нельзя без проверки принять за химический паспорт стандартной подшипниковой стали. В таблице 4 оптическому микроскопу приписана модель IKA C2000, а таблица 5 называет Radical instrument. Подставлять подходящую, на наш взгляд, сталь или микроскоп означало бы сочинить методику. Поэтому эти несогласования сохраняем рядом с описанием контакта.

Результаты и противоречия ранжирования

Теперь главный вопрос: какая жидкость оказалась лучше? При 80 кг числа и рисунок 4 дают наименьший диаметр пятна WSD у TPO, затем идут BT10, BT20 и BD. Но §3.2 одновременно говорит о преимуществе BT10 при низких и высоких нагрузках, а заключение рекомендует BT10. Поэтому рецепт «добавить 10%, это оптимум» из статьи не получается. На рисунке 4 при 40 кг у BD визуально меньшее пятно, чем у смесей; при 50–63 кг различия невелики. Эти точки мы не оцифровывали. Насколько различия устойчивы, тоже неизвестно: план и число повторов, а также смысл полос ошибок не раскрыты, статистическую значимость заявлять нельзя.

Полезно отдельно проследить поведение чистого TPO. По §3.2 при 40, 50 и 63 кг оно плохо защищает контакт от износа, а при 80 кг результат улучшается. Заключение 2 описывает благоприятное поведение уже и при низких, и при высоких нагрузках, что с этим текстом не сходится. Кроме того, трение и диаметр пятна отвечают на разные вопросы. Для установившегося трения авторы отмечают неблагоприятное поведение TPO (§3.1, с. 8). То есть удачная приработка ещё не обещает меньшего трения на протяжении всего цикла.

После опыта при 80 кг поверхность посмотрели в SEM. Авторы трактуют различия повреждений как адгезионный износ (§3.4, с. 9–10). Это помогает обсуждать, что происходило на контакте, но по микрофотографии нельзя узнать будущий ресурс двигателя. Объяснение через серу тоже пока остаётся предположением по литературе: в представленных таблицах нет измеренного содержания серы в очищенном TPO и смесях. Без такого измерения опыт не отделяет действие серы от действия остальных изменений состава.

FTP — расчётный индекс, а не температура вспышки топлива

Название FTP может сбить с толку, особенно когда рядом стоят градусы. Посмотрим, откуда взялось число. В уравнении (3), с. 7, записано FTP = F / D^1,4: нагрузка F в кг делится на диаметр пятна D, то есть WSD в мм, в указанной степени. В §3.3 и выводах при 80 кг получены 25,67 для TPO и 14,77 для BD. Авторы ставят °C и в тексте, и на рисунке, однако сама формула даёт кг/мм^1,4. Для перехода к температуре понадобилась бы дополнительная калибровка. Поэтому пользоваться этими числами можно как эмпирическим сравнительным индексом с проблемной единицей в источнике. Ни температуру контакта, ни температуру вспышки топлива по ASTM D93 таким расчётом не измерили.

Проверить арифметику индекса можно без нового опыта. При одинаковой нагрузке FTP(TPO)/FTP(BD) = 1,738. Если взять опубликованное отношение пятен 0,6738 и возвести его в обратную степень, получится около 1,738. Числа согласуются. Но второго независимого свидетельства меньшего износа здесь не возникло: и WSD, и FTP рассказывают об одном измеренном пятне, просто во второй строке оно прошло через формулу.

Куда применим результат

Что из этой работы пригодится на практике? Она позволяет поставить рядом смазывающую способность подготовленного TPO, поведение его смесей, плотность, вязкость и теплоту сгорания. Так видно, что оценивать жидкость по одному свойству неудобно: изменение состава отражается сразу в нескольких показателях. При этом важно не потерять, какую жидкость сравниваем. Анализ исходного масла нельзя автоматически прикрепить к дистилляту или к продукту, названному обессеренным.

Четыре жидкости сравнили на одном типе лабораторного контакта. Этого достаточно для предварительного отбора направлений исследования, но допуска к дизелю такая серия не даёт. Современные форсунки, долговечность двигателя, выбросы и соответствие стандартам дизельного топлива здесь не проверяли. Предложение авторов увеличить ресурс двигателя пока остаётся предложением: ресурсного опыта в работе нет.

Если идти от этой серии к реальному оборудованию, первый пробел находится ещё до испытания: неизвестны прослеживаемая партия, полный режим перегонки и выходы всех потоков. Следом возникает вопрос, что именно подаём в контакт: нужны сера, остаточная кислота, вода, осадок и стабильность жидкости. Затем уже можно обсуждать повторяемость смазывающей способности по применимой топливной методике, коррозию и совместимость материалов. Завершает эту цепочку испытание самого оборудования на стенде. В работе этих данных нет, поэтому переносить лабораторный результат сразу в обещание ресурса было бы преждевременно.