Fuel lubricity and its laboratory evaluation

This literature review paper discusses the subject of lubricating properties of liquid hydrocarbon-based fuels and laboratory bench tests applied in lubricity evaluation. The analysis was made in order to highlight the importance of fuel lubricity evaluation, especially application of relatively rapid laboratory tests. Inadequate lubricity may lead to an excessive wear of fuel injection system components and in some cases – even to catastrophic failure what, in turn, manifests itself in higher replacement costs, shortened service life, inefficient engine performance and increased tailpipe emissions. Nowadays, when more and more rigorous emissions standards for transportation fuels are continuously established, the satisfactory fuel lubricity is of great importance. Lubricity determines the antiwear behaviour of the lubricant over the regime of boundary lubrication when the moving surfaces are separated only by a very thin fluid film adhering to them. The most important role in forming such films is played by polar compounds and aromatic hydrocarbons that are naturally present in crude oil derived fuels. However, the refinery processes applied in fuel production remove them, thus reducing the lubricity. Fuel lubricity problems were first defined in the mid-1960s and resulted from more severe refining and treatment processes applied in the production of aviation kerosene. In those days, injection equipment failures in aircraft turbine engines were reported. Then, in the late 1980s, similar problems were revealed after the implementation by US and NATO forces of “The Single Fuel Forward” policy which mandated that all military vehicles must be operable with kerosene-based fuel. Lubricity problems regarding diesel fuel emerged in the late 1990s when some countries set limits on the sulphur and aromatic hydrocarbon content in this fuel. The paraffinic diesel fuel produced by the Fischer-Tropsch synthesis or hydrotreatment process that is more commonly applied nowadays also possesses very low lubricating properties. Generally, to provide good fuel lubricity, various additives are applied and bench tests are mostly employed to estimate their effectiveness. Since 1960 many test rigs have been developed. Several inter-laboratory test programs were carried out to select the best bench tests that would show good correlation with field experience. Among them, only BOCLE, HFFR, and SLBOCLE test methods become industry standards.

W artykule przedstawiono tematykę właściwości smarnych ciekłych paliw węglowodorowych oraz przegląd laboratoryjnych metod oceny smarności. Celem przeprowadzenia niniejszej analizy była chęć podkreślenia ważności problematyki oceny smarności paliw, w szczególności za pomocą relatywnie szybkich metod laboratoryjnych. Niewłaściwa smarność może prowadzić do nadmiernego zużycia elementów układu wtrysku paliwa, a w pewnych przypadkach – nawet do uszkodzenia aparatury wtryskowej, co w konsekwencji powoduje wyższe koszty wymiany, krótszą żywotność, zmniejszone osiągi silnika i wzrost emisji. Obecnie, w sytuacji kiedy normy emisji są coraz bardziej restrykcyjne, smarność jest szczególnie istotnym parametrem określającym jakość paliw. Smarność określa właściwości przeciwzużyciowe w warunkach tarcia granicznego. Tarcie zachodzi wówczas pomiędzy bardzo cienkimi warstwami substancji smarującej zaadsorbowanymi na powierzchniach współpracujących. Najważniejszą rolę w tworzeniu takich warstw odgrywają związki polarne oraz węglowodory aromatyczne występujące w ropie naftowej. Jednakże, w wyniku procesów rafineryjnych stosowanych podczas produkcji paliw, większość związków polarnych jest usuwana, co w efekcie prowadzi do obniżenia smarności. Problem smarności paliw pojawił się po raz pierwszy w latach sześćdziesiątych XX wieku i był spowodowany stosowaniem głębokiego rafinowania oraz procesów uszlachetniania stosowanych w produkcji nafty lotniczej. Konsekwencją stosowania tak wytwarzanego paliwa było wiele przypadków uszkodzeń aparatury wtryskowej turbinowych silników lotniczych. Później, w latach osiemdziesiątych, problemy wynikające z niedostatecznej smarności paliw pojawiły się po wdrożeniu przez Stany Zjednoczone i NATO tzw. koncepcji jednolitego paliwa pola walki (The Single Fuel Forward”), która polega na stosowaniu we wszystkich pojazdach wojskowych paliwa przeznaczonego standardowo do silników odrzutowych. Z kolei, problem smarności oleju napędowego pojawił się na początku lat dziewięćdziesiątych, kiedy zaczęto wprowadzać ograniczenia dotyczące zawartości siarki i węglowodorów aromatycznych w tym paliwie. Parafinowy olej napędowy produkowany metodą syntezy Fischera-Tropscha lub w procesach uwodornienia, który jest coraz powszechniej stosowany, również charakteryzuje się niską smarnością. Aby nadać paliwom odpowiednie właściwości smarne stosowane są różnego rodzaju dodatki. Ocenę skuteczności działania tych dodatków prowadzi się najczęściej za pomocą metod laboratoryjnych. Od momentu pojawienia się problemów wynikających z niedostatecznej smarności paliw zostało opracowanych wiele metod laboratoryjnych oceny tego parametru. Przeprowadzono również kilka programów badań międzylaboratoryjnych mających na celu wybranie testów wykazujących największą korelację z badaniami w warunkach rzeczywistych. Spośród ocenianych testów tylko BOCLE, HFFR oraz SLBOCLE uzyskały status metod badań normowych.