/
Текст
г
ДЛЯ ВУЗОВ
Г. П. Покровский
ТОПЛИВО, СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ
о
•МАШИНОСТРОЕНИЕ
ДЛЯ ВУЗОВ
Г. П. Покровский
ТОПЛИВО, СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов вузов^ обучающихся по специальностям «Двигатели внутреннего сгорания-» и «Автомобили и тракторы»
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕМ 1985
ББК 31.3 П48
УДК 621.431.36 + 621.892 + 621.564.38 (075.8)
Рецензенты: кафедра «Комбинированные двигатели» МВТУ им. Н. Э. Баумана; засл. деят. науки и техники РСФСР д-р техн, наук проф. А. А. Гуреев
Д й ё И 5-! - L’ г<
Покровский Г. П>
П48 Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Двигатели внутреннего сгорания» и «Автомобили и тракторы». — М.: /Машиностроение. 1985. — 200 с., ил.
55 к.
В учебнике приведены теоретические основы и практические сведения по производству, показателям качества топлив, смазочных материалов и охлаждающих жидкостей для двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены свойства масел и пластичных смазочных материалов и их связь с показателями качества этих продуктов.
„2303020200-165 о. ББК 31.3
038 (01)-85 6П2.2
© Издательство «Машиностроение», 1985 г«
ПРЕДИСЛОВИЕ
Подготовка будущего инженера предусматривает не только передачу ему знаний, накопленных в определенной области, но и развитие у него творческих стремлений, интереса к исследовательской работе, способности воспринимать быстро обновляющийся поток информации, быть творцом новой техники.
В решениях XXVI съезда КПСС, в Продовольственной и Энергетической программах, материалах ноябрьского (1982 г.) и июньского (1983 г.) Пленумов ЦК КПСС предусматриваются задачи интенсификации производства, ускорения научно-технического прогресса, улучшения профессиональной подготовки и идеологического воспитания кадров.
Основное назначение данного учебника — дать студентам материал, необходимый для изучения курса «Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости»: С учетом быстрого развития дви-гателестроения и системно связанной с ним химмотологии особое внимание в учебнике обращено на перспективы и тенденции развития этих научных направлений.
Практически все виды топлив, смазочных материалов и охлаждающих жидкостей, методы их получения, испытания и применения стандартизованы. Любое отклонение от стандарта может привести к нежелательным и серьезным последствиям. Специалист должен овладеть минимумом инженерных знаний в этой области. Он должен уметь также свободно пользоваться стандартами, быстро их находить среди потока технической информации и правильно применять,
ВВЕДЕНИЕ
Происхождение нефти и ее добыча. Нефть была и остается основным сырьем для получения современных топлив и смазочных материалов для двигателей внутреннего сгорания.
Существует три гипотезы происхождения нефти.
Наиболее современной и распространенной является гипотеза органического (биогенного) происхождения, согласно которой нефть образовалась из останков растений и животных, накопившихся в осадочных породах морей и океанов. Оказавшись в недрах земли, они в течение миллионов лет претерпевали сложные химические изменения в условиях высоких температур и давлений в присутствии различных естественных катализаторов. В результате в глубинных областях земной коры образовались первичные месторождения нефти.
Из первичных месторождений нефть постепенно по трещинам, песчаным и пористым породам перемещалась (мигрировала) и скапливалась на различных глубинах в пустотах земной коры, образуя вторичные месторождения, т. е. зоны заполнения, откуда она и добывается в настоящее время.
Существуют сторонники гипотезы неорганического (абиогенного) происхождения нефти. Впервые наиболее полно ее высказал Д. И. Менделеев, который полагал, что нефть образовалась из карбидов металлов и ларов воды в условиях глубинных процессов, происходящих в земной коре при воздействии высоких давлений и температур.
Имеются сторонники и комплексного подхода к вопросу происхождения нефти. Они считают, что могли существовать оба механизма образования нефти (органический и неорганический) в определенной степени дополнявших друг друга или действовавших на различных стадиях процесса.
Рассмотрим более подробно биогенную гипотезу. Основным аргументом ее сторонников является территориальное совпадение нефтяных месторождений и зон осадочных пород. Например, обилие нефтяных месторождений в зоне шельфа морей и океанов, прибрежных зон, зон, где в отдаленные геологические периоды было морское дно, и т. д.
Однако в последние годы обнаружены большие скопления нефти, не связанные в осадочными породами. Это позволило предположить в качестве варианта биогенной гипотезы, что возможны процессы образования нефти из органического материала, попавшего в глубокие недра земли не путем постепенного осаждения, а в результате геологических процессов, характерных для ранних периодов формирования земной поверхности.
По классической биогенной гипотезе начальной стадией процесса образования нефти являлось разложение останков животных и растений под воздействием атмосферного кислорода н бактерий с образованием газов и других продуктов.
Газы (в основном СО2, N2, СН4, NH3) рассеивались в атмосфере, растворялись в воде и поглощались естественными адсорбентами.
Часть исходного органического материала, наиболее устойчивая к окислительным процессам и бактериальному воздействию, оставалась в осадочных породах и постепенно опускалась в их толщу или в результате тектонических процессов ока-вывалась в глубоких недрах земли в нескольких километрах от поверхности. Попав 4
в восстановительную среду под давлением до 30 МПа и при температуре 150—250 °C, в присутствии естественных катализаторов эти продукты (состоящие в основном из жиров) в течение многих миллионов лет превращались в нефть — сложную смесь различных углеводородов и других органических соединений.
Первую в мире скважину пробурил в 1848 г. Ф. А. Семенов — техник небольшого промысла недалеко от Баку.
После появления двигателей внутреннего сгорания, а позднее автомобиля, развитие добычи нефти с каждым годом получало все большие масштабы.
Мировые разведанные запасы нефти к середине 70-х годов составили 82 млрд. т. Уникальные свойства нефти и получаемых из нее топлив обусловили ее главенствующую роль как энергоносителя. Но в связи с огромным потреблением нефти и усложнением ее добычи возникла необходимость решения вопросов о постепенном переходе на новые формы энергетической технологии, базой которой становится ядер-ная, а позднее и термоядерная энергетика. Кроме того, с каждым годом становится все яснее, что уникальные свойства нефтяных топлив трудно реализовать на базе заменителей бензина и дизельного топлива. Поэтому все больше будут разрабатываться угольные месторождения с последующей переработкой углей в синтетическое жидкое топливо.
Найдет, вероятно, широкое применение в качестве топлива водород, получаемый из воды путем использования термоядерной и солнечной энергии.
Фракционный, групповой и элементный состав нефти и продуктов ее переработки. Нефть представляет собой вязкую, маслянистую жидкость с характерным запахом. Цвет ее зависит от растворенных в ней смол: темно-бурая, буро-зеленоватая, а иногда светлая, почти бесцветная. На свету нефть слегка флуоресцирует. Она легче воды и всегда образует на водной поверхности растекающиеся (до моно-молекулярного слоя) пятна. Плотность нефти зависит от месторождений и колеблется от 770 до 880 кг/м3.
Кинематическая вязкость большинства нефтей редко превышает 40—60 мм2/о при 20 °C. В воде нефть не растворяется, а при интенсивном перемешивании образует стойкие, медленно расслаивающиеся эмульсии. Так как нефть представляет сложную смесь индивидуальных углеводородов, то она не имеет определенных физических констант, таких, как температура кипения, температура застывания и др. При рассмотрении физических и химических свойств нефти различают три вида ее составов: фракционный, групповой химический и элементный.
Фракционный состав нефти. При атмосферном давлении и повышении температуры из нефти испаряются последовательно различные индивидуальные углеводороды. В зависимости от температурного интервала, в котором выкипают нефтепродукты, они сгруппированы в различные фракции. Следовательно, фракцией называется группа углеводородов, выкипающая в определенном интервале температур. Ниже приведены интервалы температуры (°C), в которых выкипают общепринятые фракции нефти.
Бензин .............................................................. 35—205
Толиво для реактивных двигателей .................................... 120 — 315
Дизельное топливо.................................................... 180—360
Газойль................................................................ 230—360
После отгона этих фракций остается вязкая темная жидкость, называемая мазутом (от арабского слова макзулат, что означает «отброс»). Долгое время, до конца XIX в., мазут в промышленности не применяли, он был отходом нефтепереработки. Это объяснялось тем, что дальнейшая его переработка была связана с большими трудностями, так как температура перегонки мазутных фракций при атмосферном давлении выше, чем температура их термической деструкции, т. е. разрыва молекул на части под действием температуры. Разделить мазут на фракции удалось только при пониженном давлении (4—6 кПа), Этот процесс, называемый вакуумным, позволил получить из мазута соляровые фракции и дистиллятные смазочные масла (легкие, средние и тяжелые), в том числе и базовые масла для двигателей внутреннего сгорания.
После отгонки из мазута масляных фракций остается гудрон или полугудрон, которые используют для получения остаточных масел и битума.
Групповой химический состав нефти и продуктов ее переработки. Групповым химическим составом нефти называют содержание в ней углеводородов определен-
б
вых химических групп, характеризуемых соотношением и структурой соединени5Г атомов углерода и водорода.
Химические группы (гомологические ряды) углеводородов характеризуются прежде всего количественным соотношением атомов углерода и водорода. Это соотношение выражается общей формулой группы.
Рассмотрим основные группы углеводородов, содержащихся в нефти и про-дуктах ее переработки.
Алканы (парафиновые углеводороды) являются насыщенными углеводородами (в них отсутствуют двойные связи). Общая химическая формула алканов СпН2п+2 (где п — число атомов углерода).
Количество алканов в нефтях зависит от месторождения нефти и составляет 25—30 %. В нефтях некоторых месторождений, с учетом растворенных в них газов, содержание алканов достигает 50—70 %. В различных фракциях одной и той же нефти содержание алканов обычно неодинаково и уменьшается по мере увеличения молекулярной массы фракции и температуры конца ее кипения. Например, в головной фракции нефти, выкипающей до 300 °C, содержание алканов достигает 88 % ♦ В остаточных фракциях их содержание снижается до 5—10 %.
По своей структуре алканы бывают нормальные и изоалканы.
Структура нормальных алканов представляет собой нсразветвленную цепочку атомов углерода, свободные валентности которого заняты водородом.
Если цепочка атомов углерода имеет одно или несколько разветвлений, структура называется изомерной, а имеющие такую структуру алканы называют изоалканами. Общая формула при этом сохраняется (СпН2п+2).
Изомерная структура алканов существенно влияет на их физические и химические свойства. Температура кипения жидких и температура плавления твердых изоалканов, как правило, ниже, чем у нормальных алканов. Нормальные алканы при низких и умеренных температурах обычно очень инертны, в том числе и по отношению к кислороду. Это способствует, например, высокой химической стабильности бензинов, содержащих нормальные алканы. Изоалканы при умеренных температурах обладают меньшей стабильностью.
С повышением температуры стабильность нормальных и изоалканов постепенно понижается, причем понижение стабильности у нормальных алканов происходит сначала примерно таким же темпом как и у изоалканов, но при температуре 250— 300 °C скорость взаимодействия с окислителем у нормальных алканов резко увеличивается и становится значительно выше, чем у нзоалканов с той же молекулярной массой. В зависимости от числа атомов углерода алканы имеют газообразное, жидкое или твердое агрегатное состояние. Алканы, у которых число атомов углерода п = = 1 ... 4, при нормальных условиях являются газами (метан, этан, пропан, бутан). При п = 5 ... 15 это — жидкости, и после п = 16 (гексадекан) нормальные алканы — твердые вещества (находящиеся в нефти и продуктах ее переработки в растворенном состоянии).
Цикланы (нафтеновые углеводороды) также являются насыщенными углеводородами.
Они имеют циклическую структуру, их общая формула СПН2П> Впервые цикланы в нефти были найдены известными русскими химиками В. В. Марковниковым и В. Н. Оглоблиным. Содержание цикланов в различных нефтях составляет от 25 до 75 %, а в отдельных фракциях некоторых нефтей — до 80 %. Цикланы содержатся во всех фракциях нефти, и по мере увеличения молекулярной массы и температуры конца кипения фракции количество их в ней возрастает.
Цикланы могут состоять из моноциклических структур обычно пяти или шести членов (т. е. групп CHj), а также бициклических, реже соединений из трех колец. Для полициклических соединений общие формулы имеют вид СПН2П_2; СпН2п.л и СПН2П_9 в зависимости от количества циклов (т, е. колец). Цикланы, состоящие из трех или четырех колец, в нефтях не обнаружены.
По химическим свойствам и особенно по окислительной стабильности цикланы при нормальных температурах практически также стабильны, как и нормальные алканы, а при высоких температурах (400 СС и выше) приближаются по стойкости к изоалканам, т, е. обладают большей химической стабильностью, чем нормаль» ные алканы.
Некоторые моноцикланы и полицикланы имеют гибридную структуру, в которой к кольцам присоединены цепочки алкановых структур.
6
В продуктах переработки нефти, особенно в бензинах термического крекинга, содержится значительное количество ненасыщенных углеводородов — алкенов и алкадиенов (олефинов и диолефинов).
Алкены (их общая химическая формула СПН2П) отличаются от алканов наличием одной двойной связи между атомами углерода. Двойная связь с ее способностью к легкому разрыву обусловливает малую химическую стабильность алкенов. Они легко вступают в реакцию присоединения, что является причиной их быстрого окисления и окислительной полимеризации. Этим объясняется недостаточная окислительная стабильность бензинов термического крекинга, в которых содержание ненасыщенных углеводородов достигает 40 %.
Алкены, так же как и алканы, имеют нормальные и изомерные структуры, причем изоалкены более разнообразны, чем изоалканы, так как изменяют свои свойства в зависимости не только от расположения и количества боковых цепей, но и от места двойной связи.
Алкадиены имеют две двойные связи, и это вызывает еще большую их нестабильность и реакционную способность, чем у алкенов. Их общая формула СпН2п_2.
Присутствие в нефтепродуктах алкадиенов придает им ряд отрицательных качеств, в том числе склонность к смолообразованию.
Алкены и алкадиены — ненасыщенные углеводороды, и их присутствие в топливах крайне нежелательно, так как сокращает срок возможного их хранения. В нефтях они практически не содержатся.
Простейшим углеводородом ароматического ряда (ареном) является бензол С6Нв. Oil имеет шестизвенную кольцевую структуру с тремя чередующимися двойными и одинарными связями.
Для моноциклических аренов общая формула имеет вид СПН2П_6.
Структура более сложных полициклических аренов (например, нафталина) имеет в своей основе соединения двух или нескольких бензольных шестизвенных колец.
Двойные связи аренов устойчивы и не разрываются даже при воздействии азотной и серной кислот, когда происходит реакция замещения одного из атомов водорода (а не реакция присоединения). Разрыва двойных связей у аренов можно добиться только при высокой температуре и в присутствии катализаторов.
Общее содержание аренов в нефтях относительно невелико. В бензиновых фракциях их содержание обычно не превышает 5—25 % и зависит от месторождения нефти. В более тяжелых фракциях содержание арепов может достигать 35 %.
Элементный состав нефти. Элементным составом нефти называют содержание в ней отдельных химических элементов, выраженное в процентах по массе.
Анализ нефтей различных месторождений показал, что их элементный состав меняется мало. Основные элементы, входящие в состав нефти и в продукты ее переработки, это углерод и водород. Содержание углерода в среднем 83,5—87 %, а водорода 11,5—14 %. Кроме углерода и водорода в нефти содержится серы 0,01—5,8 %, кислорода 0,1—1,3 %, азота 0,03—1,7 % и следы металлов.
Углерод и водород входят в состав нефти в виде различных соединений углеводородов; кислород и азот находятся обычно в связанном виде (нафтеновые кислоты, смолы, фенолы, амины и др.). Сера может быть как в связанном, так и в свободном состоянии.
Сера особенно отрицательно влияет на эксплуатационные свойства продуктов, получаемых из нефти, поэтому ее содержание является важным критерием для оценки качества нефти.
Примеси, содержащиеся в нефтях, влияют на качество получаемых из нее топлив и смазочных материалов. Современные методы переработки нефти позволяют полностью освободить ее от примесей и, в первую очередь, от'особо вредных, таких, как сера и ее соединения, нефтяные смолы и ряд других. Однако следует учитывать, что очистка нефти или полученных из нее продуктов связана со значительными затратами энергии, реактивов, времени и рабочей силы, а некоторые способы очистки — и с потерей определенного количества ценных продуктов и загрязнением окружающей среды.
Сера в нефтях находится в основном в органических соединениях и смолах. Смолы, содержащиеся в нефти, представляют собой высокомолекулярные соединения, в которых кроме углерода имеются кислород, сера, азот и металлы. Содержание смол в нефти изменяется в широких пределах (от 1 до 40 % и более).
Краткие сведения о химмотологии. В современном мире образовалась и действует своеобразная система, в которую входят человек, техносфера и биосфера» Под техносферой понимают все технические средства, созданные человеком, под биосферой — окружающую человека живую природу. Ядром техносферы является комплекс машина—энергия. В этом комплексе двигатель, как преобразователь энергии топлива в механическую энергию, играет важную, если не ведущую роль. А так как одним из главных условий нормальной и эффективной работы двигателя является качество и правильное применение топлив, смазочных материалов и охлаждающих жидкостей, то они становятся важнейшим связующим звеном всей биотехнической системы.
Химмотология — молодая наука, она только начинает развиваться, но, поскольку отдельные вопросы в настоящем учебнике рассмотрены с химмотологиче-ских позиций, специалисту в области двигателестроения полезно ознакомиться с общими, принципиальными положениями этой науки.
Химмотология как наука сложилась на стыке химии и моторостроения. Современный специалист в области двигателестроения должен быть знаком с основами химмотологии. Оптимальные конструктивные решения, которые следует принимать при создании любого двигателя внутреннего сгорания, могут быть найдены и реализованы только при учете свойств и возможностей топлив и смазочных материалов.
В настоящее время стала очевидной необходимость системного подхода к комплексному развитию как моторостроения, так и нефтеперерабатывающей промышленности. При обеспечении оптимальных показателей системы двигатель—топливо— смазочные материалы—охлаждающие жидкости появляется возможность получить наибольшую эффективность использования всех компонентов этой системы.
При современных масштабах применения двигателей внутреннего сгорания изменение даже доли процента использования энергетического потенциала топлив приводит к экономии или перерасходу миллионов тонн горючего. Нецелесообразное использование смазочных материалов, несоответствие показателей качества моторных масел конструкции двигателя могут привести не только к перерасходу топлива и смазочных материалов, но и к существенному сокращению надежности двигателя, к увеличению его вредного воздействия на биосферу.
Ежегодное потребление горючесмазочных материалов во всем мире в настоящее время достигло нескольких сотен миллионов тонн. Несмотря на существенное повышение топливной экономичности двигателей, потребление топлива и смазочных материалов продолжает возрастать вследствие увеличения числа двигателей. Суммарная мощность только автомобильных двигателей в ближайшем будущем достигнет 30 млрд. кВт, а расход бензина составит более 400 млн. т в год.
В последние годы советское двигателестроен не добилось больших успехов, В автомобильной промышленности реализуется обширная программа дизелизации автомобилей, которая позволит сэкономить миллионы тонн топлива (без учета перевода части грузовых автомобилей на природный и нефтяной газ). Применение средств электроники, в том числе использование микропроцессорной техники в управлении двигателем и трансмиссией, дает возможность повысить топливную экономичность бензиновых двигателей на 10—15 %.
Очень важной предпосылкой для изучения химмотологии является также существенное влияние показателей качества топлив и смазочных материалов на среду обитания. Целенаправленное управление экологической системой невозможно без знания химмотологии. Установлена, например, определенная связь токсичности отработавших газов двигателей с фракционным и групповым химическим составом топлива, наличием в нем серы и т. д.
Особую важность экологическая проблема приобретает в нашей стране и странах социалистического содружества, где охрана здоровья человека и тесно связанная с этим охрана биосферы в целом имеют огромное значение. Поэтому не случайно в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года», принятых на XXVI съезде КПСС, записано: «Усилить охрану природы, земли и ее недр, атмосферного воздуха, водоемов, животного и растительного мира. Обеспечить рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов». В этом же направлении ведется большая работа в странах Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ),
8
ГЛАВА 1
ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Классификация топлив
Классификацию топлив проводят по следующим Крите* рИЯМ!
агрегатному состоянию;
теплоте сгорания;
исходному сырью и способам производства;
целевому назначению или области применения.
По агрегатному состоянию различают топливо твердое, жидкое и газообразное.
Твердое топливо для двигателей внутреннего сгорания применяют редко и только после газификации в газогенераторных установках или в пылевидном состоянии.
Газогенераторные автомобили в сороковые годы получили некоторое распространение и сыграли положительную роль, особенно в тылу во время Великой Отечественной войны, высвободив тысячи тонн бензина для фронта. Для газификации обычно использовали древесные чурки или торф, и в относительно компактных газогенераторах, установленных непосредственно на автомобиле, перерабатывали твердое топливо в генераторный газ, на котором работали двигатели.
Опыты по применению для газификации каменного угля были неудачны, так как зона горения быстро забивалась шлаком. Позднее, в связи с развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, газогенераторные автомобили потеряли свое прежнее значение. Пылевидное угольное топливо также не нашло применения в связи с его высокой зольностью.
Жидкое топливо является основным видом топлива для двигателей внутреннего сгорания всех типов и назначений.
Газообразное топливо с каждым годом приобретает все большее значение как заменитель жидкого топлива. По ряду свойств оно превосходит жидкое топливо, поэтому следует ожидать дальнейшего расширения области его применения.
По теплоте сгорания классификация важна в тех случаях, когда необходимо оценить топливо как энергоноситель, а также при тепловых расчетах двигателей, расчете объемов топливных баков и др. По этому признаку различают три группы топлив:
высококалорийные—с теплотой сгорания более 42 000 кДж/кг; среднекалорийные — с теплотой сгорания 25 000—42 000 кДж/кг;
9
низкокалорийные — с теплотой сгорания меньше 25 000 кДж/кг.
По происхождению топливо классифицируют, если возникает необходимость оценить сырьевую базу или способы получения топлив.При этом все топлива делят на две группы: нефтяного и ненефтяного происхождения.
Часто топливо ненефтяного происхожедния называют альтернативным топливом, желая тем самым противопоставить его топливу нефтяного происхождения. К альтернативным топливам относятся спирты, водород и почти все виды синтетических углеводородных топлив, т. е. искусственно полученные из ненефтяного сырЬ51 бензины, дизельные топлива и т. д. Особо рассматриваются природный газ и топлива, полученные из горючих сланцев (например, сланцевый бензин).
Поскольку методы переработки нефти имеют существенное значение для оценки показателей качества, то при классификации топлив по их происхождению нефтяные топлива можно дополнительно классифицировать по их технологическим признакам. Например, бензины могут быть подразделены на бензины, полученные прямой перегонкой (прямогонные), бензины термического или каталитического крекинга и т. д.
По целевому назначению топлива делятся на топлива для двигателей с искровым зажиганием (к ним относятся в основном бензины), дизельное топливо, топливо для турбореактивных двигателей и т. д. Эта классификация может быть и более подробной. Например, дизельное топливо различают для быстроходных двигателей (автомобильных, тракторных и ряда других транспортных машин), для средне- и малооборотных дизелей (судовых, стационарных) и др.
Энергетический потенциал топлив
Важнейшим показателем качества топлива является его энергетический потенциал, т. е. то количество тепловой энергии, которое топливо способно выделить при сгорании. Количественно этот показатель измеряется теплотой полного сгорания топлива при сжигании определенной его массы.
Под теплотой сгорания топлив для двигателей внутреннего сгорания подразумевается низшая теплота сгорания, которая учитывает потери теплоты на испарение воды, возникшие при сжигании водорода топлива. Эта теплота может выделиться только при конденсации паров воды, находящихся в отработавших газах, что происходит уже вне цилиндра поршневого или за турбиной газотурбинного двигателя. Теплоту сгорания топлив можно определить по их элементному составу, так как при полном сгорании каждого из горючих элементов, входящих в топливо, выделяется вполне определенное количество теплоты.
Исходя из этого простого принципа, Д. И. Менделеев предложил формулу, по которой может быть подсчитана высшая теплота сгорания любого топлива. В СИ эта формула имеет вид
= 33913С + 102995Н — 10885 (О — S),
10
где Qb — теплота сгорания (кДж): С. Н, О, S — массовые доли элементов, входящие в данное топливо.
Соответственно низшая теплота сгорания меньше на величину 2512 W (где IT — количество водяных паров, кг, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива).
В табл. 1 приведена теплота сгорания некоторых топлив и их стехиометрических смесей с воздухом, которые применяют или могут применять для двигателей внутреннего сгорания.
Таблица t
Топливо Теплота сгорания, кДж/кг G * иВ. Г кг/кг
топлива стехиометри* ческой смеси с воздухом
Водород 103 000 2880 27,7
Бензин 44 000 2780 15,0
Дизельное топливо 42 700 2770 14,5
Этанол (этиловый спирт) 26 000 2760 9,0
Метанол (метиловый спирт) 22 000 2760 6,5
* Минимальное (стехиометрическое) количество воздуха, кг, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива
Теплота сгорания стехиометрической горючей смеси различных топлив с воздухом примерно одинакова и равна 2770—2780 Кдж/кг, так как чем выше теплота сгорания топлива, тем большее количество воздуха необходимо для его полного сгорания.
Топливовоздушные смеси и их сгорание
Поршневые двигатели внутреннего сгорания относятся к двигателям с дискретным преобразованием химической энергии топлива в механическую. Это преобразование происходит с помощью промежуточного звена — тепловой энергии. В поршневых двигателях сгорание топлива, т. е. его химическое взаимодействие с кислородом воздуха, происходит дискретно, отдельными порциями, в изолированном объеме камеры сгорания цилиндра.
Установлено, что полнота и скорость сгорания топлива зависят от соотношения количеств топлива и воздуха, характеризуемого коэффициентом избытка воздуха, который представляет собой отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива
& Д^В. Т’
Рассматривая в качестве окислителя воздух, следует учитывать, что на каждые 1000 мг его приходится только 232 хмг собственно окислителя, т, е. кислорода. Инертный азот (768 мг), который яв
11
ляется частью рабочего тела, в химических процессах при сгорании топлива практически не участвует. При максимальных температурах сгорания образуются оксиды азота, но в столь малых количествах, что практически на теплоту сгорания горючей смеси они не влияют, а только увеличивают токсичность продуктов сгорания.
Учитывая, что в настоящее время вновь начинают применять композиции топлив, в том числе смеси бензина и спирта, топливоводяные эмульсии, примем, что топливо состоит из трех элементов: С, Н, О и, следовательно, С + Н + О = 1.
Тогда количество кислорода, необходимого для полного сгорания 1 мг топлива, равно
8/3 С + 8 Н — О мг или
C/12 + Н/4 — 0/32 моль.
Количество воздуха, мг, в котором содержание кислорода со* ставляет 23 % массы и 21 % объема, получим
/0 = (8/3 С + 8 Н - О)/0,23 мг или
£0 = (С/12 + Н/14 - О/32)/0,21 моль,
/о = 29,2 Lq,
где Zo и Lo — теоретически необходимое соответственно массовое и молярное количество воздуха для сгорания единицы массы топлива; 29,2 — коэффициент, связывающий в последнем уравнении /0 и До, выражает среднюю молекулярную массу воздуха.
§ 2. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ
Принципы получения топлив
Получение топлив для двигателей внутреннего сгорания — сложный процесс, включающий получение первичных его компонентов, их смешивание и улучшение присадками до товарных показателей качества в соответствии с требованиями стандартов. Первоначальным сырьем топлив традиционно является нефть.
Различают две группы способов переработки нефти с целью получения топлив и смазочных материалов: 1) способы, не изменяющие индивидуальных углеводородов; 2) способы термокаталитической деструкции индивидуальных углеводородов.
В первую группу входят процессы прямой перегонки, т. е. разделение нефти на отдельные фракции в зависимости от температуры их кипения. Перегонка нефти (дистилляция) — процесс, обязательный для получения естественных фракций бензина, дизельного топлива и других содержащихся в нефти фракций.
В зависимости от месторождения нефть содержит 10—15 % бензиновых фракций, 15—20 % топлива для реактивных двигателей, 15—20 % дизельного топлива и примерно 50 % мазута, который, в свою очередь, является сырьем для получения различных смазочных материалов.
1£
Вторая группа включает процессы вторичной переработки нефти, принцип которой основан на термическом разложении индивидуальных углеводородов, позволяющем существенно увеличить выход из нефти бензиновых и других фракций, улучшить их показатели качества (детонационную стойкость, химическую стабильность и пр.).
К способам вторичной переработки относят термический и каталитический крекинг, каталитический риформинг, пиролиз, гидрокрекинг, алкилирование и пр.
Рассмотрим способы переработки нефти более подробно.
Первичная (прямая) переработка
Все современные нефтеперерабатывающие установки имеют секции первичной переработки. Их задача — разделить нефть на отдельные фракции. Для этого используют сложный комплекс автоматизированных аппаратов.
Фракции, выкипающие до 330—350 °C, выделяются на установках под атмосферным давлением. Такие установки носят название атмосферных. Отгонять из нефти фракции, выкипающие при более высокой температуре, при атмосферном давлении нельзя, так как в этих условиях разложение углеводородов (крекинг) начинается раньше, чем их выкипание.
Для более глубокого фракционирования, т. е. выделения масляных фракций, давление в установках понижают до 4—-6 кПа. При этом понижается температура кипения углеводородов, что позволяет продолжить дистилляцию (перегонку) и получить уже не только топливные, но и масляные фракции. Такие установки называют вакуумными. Объединенные в единый комплекс атмосферная и вакуумная установки носят название атмосферно-вакуумной установки.
В атмосферных секциях выделяются следующие фракции:
1) углеводородный нефтяной газ;
2) бензин, выкипающий в диапазоне 35—205 °C;
3) топливо для реактивных двигателей (120—315 °C);
4) дизельное топливо (180—360 сС).
Оставшийся мазут подается в вакуумные секции, где под вакуумом фракционируется на легкие, средние и тяжелые масла. Если мазут предназначается для использования в качестве котельного топлива, отгоняют только его фракцию. После отгона из мазута дистиллятных масляных фракций или фракций котельного топлива остается гудрон. Гудрон уже при 30—40 °C застывает, образуя твердую массу. Его используют как сырье для приготовления битума или масел очень высокой вязкости.
Для перегонки нефть нагревают в трубчатых печах.
Это большие и сложные сооружения, нагревающие до 1000 т сырья в 1 ч при тепловой нагрузке до 4,2*10° кДж/ч и КПД печи 70—80 % (КПД печи — отношение теплоты, переданной продукту, к теплоте, полученной при сгорании топлива). Из трубчатой печи нагретую до высокой температуры нефть и испарившиеся фракции направляют в специальную установку, называемуюректификацион-
13
Газовая фракция
Бензин
— —>
Дизельное топливо
— ~ - >
Рис. 1. Комплексная атмосферно-вакуумная установка переработки нефти
Таблица 2
Фракционный со* став и потери Нефть типа ромаш-кинской (ТатАССР), % Нсфтъ ТИПА Самотлорской (Запад-н ая Сибирь), %
Углеводородный 1,0 1,1
газ
Бензин 12,0 18,3
Топливо для реак- 16,3 17,9
тивных двигателей
Дизельное топливо 17,0 20,3
Масляный дистил-
лят:
легкий 7,0 8,3
средний 8,4 7,5
тяжелый 6,6 5,9
Гудрон 30,8 19,8
Потери и вода 0,9 0,9
ной колонной, которая представляет собой вертикально установленный прочный металлический цилиндр с наружной теплоизоляцией.
Внутри колонны поперек цилиндра расположены перегородки с отверстиями, прикрытыми колпачками (колпачковые тарелки). Часть колонны, лежащая на уровне ввода нагретого в трубчатой печи продукта, является испарительной (эвапорационной) зоной. Пары из этой зоны поднимаются в верхнюю часть колонны, проходя
через колпачковые тарелки, где постепенно охлаждаются и конденсируются на тарелках различного температурного уровня. Чем выше расположены колпачковые тарелки, тем более легкие (т. е. более низкокппящис) фракции на них конденсируются. Для лучшей конденсации в верхней части колонны установлено устройство для орошения. В качестве орошающей жидкости используют фракции нефти того температурного диапазона, продукты которого выводятся из колонны в паровой фазе.
Схема комплексной атмосферно-вакуумной установки современного нефтеперерабатывающего производства приведена на рис. 1.
Результаты первичной переработки нефти на. атмосфер но-вакуумной установке приведены в табл. 2.
Вторичная переработка нефти методами термической деструкции и синтеза
Возрастающая потребность в производстве топлив и ограниченность их содержания в исходном сырье сделали необходимым применение вторичной переработки нефти, позволяющей значительно
14
увеличить выход топливных фракций (например, выход бензина может возрасти с 20 до 60 %).
Идея практического использования расщепления углеводородов нефти путем воздействия высоких температур была выдвинута русским инженером В. Г. Шуховым еще в 1891 г. Теоретические основы этой идеи разработал русский химик А. А. Летний, описавший в 1875 г. процесс разложения тяжелых углеводородов на более легкие путем их нагревания. Слово «крекинг» от английского crack (расщепляться) обозначает ряд процессов термической деструкции углеводородов.
Разработаны, изучены и нашли практическое применение несколько видов крекинга: термический, каталитический, гидрокрекинг, каталитический риформинг.
Термический крекинг. Механизм и направление термической деструкции зависят от термодинамической вероятности протекания определенного процесса в данном направлении до достижения равновесного состояния. Термодинамическая вероятность протекания какого-либо процесса деструктивных превращений определяется величиной изменения энергии Гиббса, т. е. части внутренней энергии тела, которая может быть превращена в работу.
Механизм распада алканов осповап на различной энергии диссоциации связей С—С и С—Н. Энергия диссоциации связи С—С меньше, поэтому деструкция нормальных алканов, как правило, происходит вследствие разрыва связи С—С. Место разрыва зависит в основном от давления и температуры. Чем выше температура и меньше давление, тем ближе к концу молекулы происходит ее разрыв. Таким образом, представляется возможность управлять процессом деструкции.
При температуре около 450 сС деструкция алканов происходит посередине цепи. Например, алкан С19НЗУ (октадекан), имеющий температуру кипения 317,5 °C и плотность 782 кг/м3, распадается на алкан С9Н2() (нонан) с температурой кипения 150,8 °C и плотностью 718 кг/м3 и на алкен С9Н18 (нонилен) с температурой кипения 146,9 °C и плотностью 729 кг/м3 (плотность указана при температуре 20 °C).
Значительно сложнее механизм крекинга алкенов и алкадиенов. Несмотря на то, что в исходных продуктах этих групп углеводородов чаще всего пет, возникновение их в процессе термической деструкции и их последующие превращения серьезно влияют на состав конечных продуктов.
В ненасыщенных углеводородах не все связи С—С равнопрочны. Наименьшей прочностью обладают так называемые 0-связи; по ним и происходят наиболее вероятные разрушения молекул алкенов и алкадиенов, причем последние расщепляются менее активно, чем алканы, а значительная их часть полимеризуется и уплотняется.
Цикланы в условиях крекинга теряют боковые цепи, которые, отделившись от кольца, расщепляются так же, как алканы; одновременно происходит дегидрирование цикланов.
15
В настоящее время термический крекинг из-за низкого качества получаемых продуктов (бензинов), не удовлетворяющих требованиям современных двигателей, почти полностью вытеснен другими, более современными методами вторичной переработки нефти. Новые установки термического крекинга теперь не строят, а действующие по возможности переоборудуют в установки каталитического крекинга и других современных процессов.
Каталитический крекинг. Основным современным методом, позволяющим получать высококачественный и стабильный бензин из тяжелых фракций, выкипающих при температуре 300—500 °C, является каталитический крекинг. От термического он отличается применением катализаторов, в присутствии которых процессы деструкции идут в направлении образования изомерных, наиболее ценных для бензинов углеводородов.
Процесс протекает при давлении 0,14—0,18 МПа и температуре 450—500 °C. В качестве катализатора используют природные алюмосиликаты; пористая структура катализатора (1 г катализатора обладает активной поверхностью до 400—500 м2) обеспечивает высокую активность алюмосиликатов.
В последнее время ряд установок переводят на новые цеолит-содержащие катализаторы, которые активнее алюмосиликатов, а главное — еще больше повышают содержание в бензине изомерных соединений и уменьшают количество ненасыщенных углеводородов. Необходимо обеспечить периодическое удаление с поверхности катализатора смолистых отложений и кокса, образующихся от соприкосновения с углеводородами сырья и получаемых продуктов. Чаще всего смолистые отложения просто выжигают при температуре 550— 680 °C пропусканием через катализатор воздуха.
Характерной особенностью каталитического крекинга является избирательная активность к различным типам углеводородов, а также высокая скорость протекания реакций, значительно большая, чем при термическом крекинге. Кроме того, здесь активно развиваются процессы изомеризации, обусловливающие особую ценность получаемых продуктов, и особенно бензина.
В результате каталитического крекинга получаются продукты, в которых содержание изоалканов и ароматических углеводородов достигает 55 %, цикланов 20—25 %; алкены и алкадиены, характерные для продуктов термического крекинга и являющиеся основной причиной их низкого качества, составляют всего 5—9 %; общий выход бензиновых фракций достигает 50 % и более.
Целевым продуктом каталитического крекинга является бензин высокой детонационной стойкости (октановое число от 87 до 91 по исследовательскому методу).
Гидрокрекинг. В продуктах термического и даже каталитического крекинга всегда наблюдается недостаток водорода. Это основная причина содержания в них непредельных углеводородов; поэтому и выход бензинов не превышает 40—50 % от исходного сырья. Гидрокрекинг представляет собой разновидность каталитического крекинга в присутствии водорода. Гидрокрекинг кроме увеличения 16
выхода целевого продукта может быть использован и для гидроочистки продукта, в первую очередь, от серы, что имеет большое значение, особенно при переработке сырья с высоким ее содержанием.
Гидрокрекинг осуществляют при температуре 420—500 °C и давлении 3—10 МПа. Массу исходного сырья вместе с катализатором пропускают через реактор, в который под давлением подается водород. В результате первой стадии процесса получается обычно широкая фракция с концом кипения 300—350 °C. Этот продукт подвергается дальнейшей обработке, при которой температуру снижают до 380—450 °C, а давление водорода поддерживают на уровне 10 МПа.
В качестве катализатора используют сульфиды вольфрама и молибдена, а также другие соединения, в том числе на основе платины. Последнюю не применяют при переработке сырья с высоким ('одержанием сернистых соединений, которые оказывают отрицательное влияние на платиновый катализатор. В качестве носителя ката' лизатора применяют синтетические алюмосиликаты.
Изменяя режим гидрокрекинга (давление, температуру и объемную скорость подачи реагентов), можно получать необходимые фракционный и групповой химические составы целевого продукта (бензина, реактивного или дизельного топлива). Остаточные продукты переработки можно вводить в процесс повторно.
Гидрокрекинг, в частности, широко используют при получении топлив для турбореактивных двигателей из сернистых мазутов. Сырьем могут быть и бензиновые фракции, тогда целевым продуктом являются сжиженные газы (бутан-пропановые фракции).
Процесс осуществляется под давлением водорода до 25 МПа.
Каталитический риформинг. В отечественной нефтеперерабатывающей промышленности риформинг занимает важное место и является основным способом производства высококачественных бензинов (в частности, бензинов АИ-93 и АИ-98). Если в качестве катализатора используют платину, то риформинг называют платформингом. Сырьем для. риформинга являются бензиновые фракции с началом кипения обычно выше ПО °C. Каталитический риформинг осуществляют при температуре 470—530 °C и давлении 2—4 МПа.
Утилизация тяжелых остатков крекинга может быть проведена коксованием, которое проводится при атмосферном давлении и температуре 550 'С. При таком режиме тяжелые углеводороды превращаются в кокс и жидкие фракции, из которых можно получить бензин; кроме того, образуются нефтяные газы.
Высокооктановые компоненты бензина получают из побочных продуктов крекинга и коксования. Целевыми продуктами процесса являются изооктан (октановое число 100), алкилат (алкилбензин) и алкилбензол.
Все эти продукты широко применяют как добавки к товарным бензинам для повышения их детонационной стойкости. В нефтеперерабатывающей промышленности широко внедряются комплексные автоматизированные установки. В перерабатывающие комплексы включаются установки по вакуумной перегонке мазута и висбре
17
кинга (легкого термического крекинга) гудронов, а также установки гидрокрекинга. Это позволяет значительно увеличить выход светлых нефтепродуктов.
Очистка, легирование и получение топлив товарных марок
Для удаления из топлив нежелательных и вредных продуктов применяют различные методы очистки. Наиболее традиционным методом является щелочная очистка, которая позволяет удалить из топлива органические кислоты, сероводород и другие соединения серы. Нефтяные кислоты образуют со щелочью соли, хорошо растворимые в воде и таким образом выводимые из очищаемого продукта. Для щелочной очистки бензинов и дизельных топлив применяют 10 0/6-ный раствор NaOH. Причем при очистке бензинов каталитического крекинга важно обеспечить концентрацию щелочи к моменту окончания очистки не менее 4 %, так как иначе содержание фактических смол в очищенном бензине может оказаться чрезмерно высоким.
Перспективны методы избирательной адсорбции с применением молекулярных сит (цеолитов), существенно улучшающие показатели качества бензинов.
Самым эффективным и перспективным методом очистки является гидроочистка. Принципы ее сходны с принципами гидрокрекинга. В присутствии катализатора и водорода идет процесс гидрирования (насыщения) непредельных углеводородов; одновременно почти полностью удаляются соединения серы. Поэтому продукты гидрокрекинга обычно не нуждаются в дальнейшей очистке.
Для улучшения низкотемпературных свойств топлив (в первую очередь дизельных) применяют депарафинизацию, т. е. селективное удаление парафина. В качестве растворителей используют ацетон, жидкий пропан, дихлорэтан и другие жидкости с низкой температурой кипения. Смесь охлаждают и после застывания парафина фильтруют. Парафин остается на фильтре, а растворители после их отгонки снова используют для очистки топлива.
Присадки к топливам подразделяют по их целевому назначению. Разработаны и широко применяют следующие группы присадок.
I группа. Присадки, улучшающие процесс сгорания топлива в двигателях. В эту группу входят антидетонаторы, присадки, уменьшающие нагарообразование, сокращающие задержку воспламенения, и противодымные присадки.
II группа. Присадки, способствующие сохранению первоначальных показателей качества топлива. К ним относятся антиокисли-тельные присадки, замедляющие процессы окислительной полимеризации в топливе, присадки-деактиваторы металлов и диспергирующие присадки, препятствующие выделению различных осадков из топлив.
III группа. Присадки, предотвращающие вредное воздействие топлив на топливную аппаратуру, топливопроводы, емкости для
18
хранения и топливные баки. К этой группе относятся противоиз-иосные и противокоррозионные присадки.
IV группа. Присадки, облегчающие эксплуатацию двигателей при низких температурах. Сюда входят вещества, понижающие температуру застывания топлив (депрессаторы), а также присадки, предотвращающие выделение кристаллов льда. В зависимости от назначения топлив в них вводят композиции из перечисленных видов присадок. Для бензинов, например, чаще всего применяют антидетонаторы и антиокислительные присадки.
Получение газообразных топлив
Газообразные топлива получают разными путями: природные газы добывают из газовых месторождений, нефтяные газы получают при переработке нефти как побочный продукт различных крекинг-процессов или как головные фракции прямой перегонки нефти, коксовый и доменный газы образуются при коксовании углей и при выплавке чугуна.
Каким бы способом не получали газ, его перед тем, как использовать в качестве топлива для двигателей, подвергают очистке и другим процессам, повышающим его качество (например, метами-зации, т. е. обогащению метаном для увеличения теплоты сгорания).
В настоящее время практическое применение как топливо для двигателей получили только природные и нефтяные газы, а из них в основном пропан и бутан, которые используют в сжиженном состоянии.
Получение топлив синтезом из газов
Синтез жидких углеводородных топлив типа бензинов может быть осуществлен без использования такого уникального невосста-навливаемого природного сырья, каким является нефть. Запасы нефти в мире ограниченны, и поэтому получение синтетических топлив имеет большое значение.
- Принципиальная возможность получения углеводородов из оксида углерода и водорода была доказана в 1908 г. русским химиком Е. И. Орловым. В современных процессах синтеза в присутствии торий-кобальт-магниевого катализатора при соотношении 1 : 2 исходного сырья СО и Н2 и температуре 180—210 °C углеводороды образуются по схеме
гсСО (2д 1) Н2 —> СЛН2П+3 4- пН2О
или лСО “|- 2пН2 -> СпН2п + пН2О.
При проведении процесса при атмосферном давлении получают бутан-пропановую и легкие бензиновые фракции. Газовые фракции используют в качестве топлива в виде сжиженных газов, а бензиновые фракции подвергают полимеризации в присутствии катализатора при давлении до 20 МПа. Далее продукт фракционируется на бензин, дизельное топливо, тяжелую жидкую фракцию и парафин.
19
Таблица S
Продукты синтеза Выход продуктов синтеза в % по массе при давлении Продукты синтеза Выход продуктов синтеза в % по массе при давлении
атмосферном НО 1Ы-шенном атмосферном повышенном
Газы Бензин 7—15 40—45 9—10 20—28 Парафины:
Дизельное топливо 15—20 18—20 мягкий 6—8 12—21-
Тяжелые фракции 10—17 16—23 твердый 2—3 10—12
По групповому химическому составу синтетический бензин и дизельное топливо близки к соответствующим прямогонным продуктам. В них преобладают нормальные алканы, ароматических углеводородов не более 3—5 %.
В табл. 3 приведен примерный выход продуктов синтеза СО и Н2 при атмосферном и повышенном давлениях.
Для синтезирования углеводородных топлив из ненефтяного сырья могут быть использованы природные запасы каменного угля.
ГЛАВА 2
ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
§ 3. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
Требования к топливам
К двигателям с искровым зажиганием относятся поршневые и роторно-поршневые карбюраторные двигатели, двигатели с системой впрыскивания топлива и двигатели, работающие на газообразном топливе.
Исследования процесса воспламенения и сгорания топлива в этих двигателях показывают, что при заданной мощности и продолжительности искрового разряда эффективность сгорания топливовоздушной смеси во многом зависит от физико-химических свойств топлива.
При изучении влияния различных свойств топлив на мощностные и экономические показатели двигателей, их надежность, токсичность и другие показатели определились основные требования к топливу для двигателей с искровым зажиганием. Прежде всего, топливо должно быть эффективным и удобным для применения энергоносителем, т. е. обладать большой теплотой сгорания.
20
Кроме того, при всех условиях физико-химические свойства топлива должны обеспечивать:
возможность бесперебойной его подачи из топливного бака к карбюратору, форсункам системы впрыскивания или газовому смесителю;
образование гомогенной горючей смеси, т. е. тонкое распиливание и быстрое, по возможности полное испарение;
нормальное сгорание, без самовоспламенения и детонации;
минимальное коррозионное воздействие на детали двигателя;
минимальное отложение нагара в камере сгорания и смолистых отложений во впускном трубопроводе, на клапанах и деталях системы питания;
возможно большую физическую и химическую стабильность при длительном хранении, транспортировании и хранении в баках транспортных средств;
невысокую токсичность до сгорания и минимальное образование продуктов особо высокой токсичности после сгорания.
Кроме того, топливо должно иметь широкую и недефицитную сырьевую базу, а стоимость его производства, хранения, транспортирования и стоимость заправки транспортных средств должны быть экономически целесообразны.
Свойства топлив, влияющие на их подачу к приборам питания
Нарушение подачи жидкого топлива из топливного бака к приборам питания происходит обычно вследствие образования в топливе паровоздушных пробок или присутствия в нем механических примесей и воды.
Паровоздушные пробки нарушают сплошность потока топлива 1 в топливопроводе, и топливный насос перестает действовать, Особенно часто паровоздушные пробки возникают при высокой температуре окружающего воздуха, когда топливо в подкапотном пространстве автомобиля может нагреться до температуры, превышающей температуру начала его кипения. Обычно это происходит или на линии всасывания в топливный насос, или в самом насосе, где этому способствует не только высокая температура топлива, но и пониженное его давление.
Между насосом и карбюратором возникновение паровоздушных пробок происходит реже, так как на данном участке давление топлива несколько повышено, и это затрудняет паровыделение.
В системах впрыскивания топлива (например, в современных системах с электронным управлением) опасность возникновения паровоздушных пробок практически исключена даже в самых неблагоприятных условиях, поскольку топливо подается к форсункам специальным насосом (с автономным приводом от электродвигателя), расположенным не в подкапотном пространстве, а у самого топливного бака (обычно или на уровне бака, или даже ниже его). Кроме того, топливо в насос поступает практически самотеком, а не под
21
действием разрежения, создаваемого насосом. Большая подача насоса позволяет применить циркуляционную систему подачи, при которой топливо непрерывно циркулирует по кольцу от бака к двигателю и обратно и поэтому не может сильно нагреться в подкапотном пространстве. К тому же, в кольцевой магистрали топливо находится под сравнительно высоким давлением (—0,2 МПа), что также препятствует образованию паровоздушных пробок.
При прочих равных условиях вероятность возникновения паровоздушных пробок зависит от давления насыщенных паров топлива (чем выше давление, тем больше эта вероятность). Давление насыщенных паров многокомпонентной жидкости, какой, например, является бензин, зависит не только от температуры, но и от соотношения жидкой и паровой фаз, т. е. от объемов жидкого и испарившегося топлива.
Для топлив стандартизован метод определения давления насыщенных паров при температуре +38+0’3 °C и соотношении жидкой и паровой фаз 1 : 4. Определение производится в лабораторных условиях с помощью специального прибора.
Давление насыщенных паров подсчитывают по формуле
Р9 = р' + l(Pa — Pt) (/о — 38)/(273 + /0)] — (р38 — pt),
где р' — давление в верхней камере прибора при температуре 38 °C; ра — атмосферное давление во время опыта; pt и р38 — давление насыщенных паров воды соответственно при начальной температуре (/п, СС) и конечной (/ = 38 °C) в верхней камере прибора.
Для предотвращения образования паровоздушных пробок стандартом на автомобильные бензины предусмотрено ограничение по давлению насыщенных паров для летних видов бензинов (независимо от их марки): ps должно быть не более 67 кПа, для зимних видов — не более 67—93 кПа. Образование паровоздушных пробок возможно и при более высоком значении ps, особенно при недостаточно большой подаче топливного насоса.
На образование паровоздушных пробок влияют и головные фракции бензинов, т. е. фракции, характеризующиеся температурой начала кипения и температурой, при которой выкипает 10 % объема бензина. Поэтому температура начала кипения всех марок автомобильных бензинов не должна быть ниже 35 °C. Практически автомобильные бензины начинают кипеть при температуре 40—45 °C, что обычно исключает нарушение подачи топлива из-за образования паровоздушных пробок.
Подача топлива может нарушиться не только при высоких, но и при низких температурах воздуха.
Низкотемпературные свойства топлива, влияющие на их подачу, определяются температурой помутнения, начала кристаллизации и застывания.
Температурой помутнения называют температуру, при которой обезвоженное, постепенно охлаждаемое топливо теряет свою прозрачность. Помутнение топлива происходит в результате образования в нем микроскопических кристаллов застывших углеводородов, например, парафина. Потерявшее прозрачность топливо еще обла-22
дает достаточной текучестью, но образовавшиеся кристаллики оса ждаются на поверхности фильтрующих элементов, уменьшая их пропускную способность или даже полностью прекращая подачу топлива.
При дальнейшем охлаждении кристаллики увеличиваются и становятся видимыми невооруженным глазом. Температуру, при которой наблюдается это явление, называют температурой начала кристаллизации. И, наконец, при более глубоком охлаждении кристаллики сращиваются, образуя общий неподвижный каркас, и текучесть топлива прекращается.
Температуру, при которой поверхность топлива в специальном приборе при наклоне последнего на 45° к горизонту в течение 1 мин остается неподвижной относительно степок, условно называют темпер ату рой застывания.
Низкотемпературные свойства у основного вида топлива для двигателей с искровым зажиганием (обычно у бензинов) не являются препятствием к его применению, так как температура застывания бензинов ниже —60 СС. Содержащийся в бензинах гексан С6НП имеет температуру застывания —95,3 сС, поэтому он улучшает их низкотемпературные свойства. Наоборот, ароматические углеводороды существенно повышают температуру застывания топлива. Например, добавление к бензину 20 % бензола повышает температуру его застывания от —60 до —40 °C. Вода в бензинах растворяется в очень небольших количествах (0,04—0,08 %). Чем выше температура, влажность воздуха и атмосферное давление, тем выше растворимость воды в бензине. При попадании в бензин относительно большого количества воды могут образоваться стойкие эмульсии, которые при охлаждении расслаиваются, и тогда кристаллики выделившегося льда быстро забивают сетку топливоприемника и поверхности фильтрующих элементов.
Нарушение подачи топлива, вызываемое засорением жиклеров карбюраторов или форсунок систем впрыскивания, происходит относительно редко, так как на современных двигателях предусмотрена эффективная система фильтрации топлива.
Требованиями стандартов не допускается присутствие в топливе механических примесей и воды. Однако практика показывает, что в процессе храпения, транспортирования и особенно заправки в топливо попадают пыль, песок и вода. Постепенно накапливаясь в топливных баках, эти примеси, несмотря на наличие системы фильтрации, могут явиться причиной нарушения подачи топлива к приборам питания. Особенно опасно скопление воды, которая зимой может образовать ледяные пробки и остановить поступление топлива. Поэтому следует регулярно спускать из баков воду и скопившиеся в них загрязнения.
Свойства топлив, влияющие на процесс смесеобразования
Процесс смесеобразования в двигателях с искровым зажиганием условно можно рассматривать состоящим из стадий дозирования и испарения топлива. В карбюраторных двигателях эти стадии вза-
23
•имосвязаны, так как в дозирующей системе карбюратора протекают одновременно две стадии, причем испарение происходит здесь только частично.
В системах впрыскивания дозирование топлива производится или специальным дозирующим комплексом, или форсунками с электрическим управлением, для которых командный импульс формируется электронным блоком или специальным микропроцессором. Системы непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр сохранились только в поршневых авиационных двигателях, а в автомобильных двигателях распространены системы с подачей топлива в зону впускных клапанов или в зону дроссельных заслонок (центральное впрыскивание).
В системах впрыскивания стадия дозирования и стадия испарения топлива четко разделены во времени и пространстве.
На дозирование топлива влияют в основном его физические свойства — плотность и вязкость.
лотнжть топлив зависит от их химического состава, молекулярной массы и температуры. Ее влияние на работу систем питания заметно проявляется изменением уровня в поплавковой камере карбюратора и расхода топлива в системах дозирования (жиклерах, форсунках, дозаторах и т. д.). Плотность определяют обычно нефтеденсиметрами — специальными ареометрами. Но существуют и другие методы, применяемые при лабораторных исследованиях нефтепродуктов, такие, как взвешивание на аналитических весах небольших специальных колб (пикнометров), имеющих строго определенный объем находящегося в них топлива, или погружение в топливо тел определенного объема и массы, подвешенных к специальным очень точным весам.
Для приведения плотности, определенной при произвольной температуре t топлива, к плотности при температуре 20 °C пользуются формулой
Р20 = + ?(* — 20),
Где р( — плотность топлива при температуре определения; у — температурная поправка.
Плотность топлива для товарных марок бензина не нормируется, но* ее необходимо точно знать не только при расчете дозирующих систем приборов питания, ею и при пересчете объемных единиц в массовые и массовых в объемные при определении расходов топлива во время испытаний двигателей.
Плотность топлив и их компонентов (кг!мэ) для двигателей с искровым зажиганием
Бензин А-72: летнего вида ......................................................... 733
зимнего вида......................................................... 726
Бензин А-76 летнего вида.................................................. 784
Бензин АИ-93 летнего вида................................................. 755
Бензины: каталитического риформинга............................................ 758
каталитического крекинга . ....................................... 785
24
термического крекинга ........................................... 734
Метанол (метиловый спирт) ........................................... 791
Этанол (этиловый спирт)...........................................» . 789
Аммиак.............................................................. 680
Скипидар............................................................. 865
Бензол............................................................. 879
Изооктан............................................................. 692
Вязкость — это проявление внутримолекулярного трения. С увеличением молекулярной массы вязкость нефтепродуктов увеличивается, а с повышением температуры — уменьшается. Зависимость вязкости от температуры — важный показатель любых нефтепродуктов, в том числе и топлив, называемый вязкостно^температурной характеристикой. На рис. 2 в качестве примера показаны вязкостно-температурные характеристики двух марок бензинов с различными вязкостно-температурными свойствами, обусловленными их групповым химическим составом.
Определяют вязкость специальными приборами — вискозиметрами. За единицу динамической вязкости (сокращенно — вязкости) принята вязкость такой жидкости, единица поверхности которой при градиенте скорости сдвига, равном единице, требует для своего-перемещения усилие, равное единице силы. Единицей динамической вязкости является Па-с.
Отношение вязкости жидкости к вязкости воды при той же температуре называют относительной вязкостью, а к вязкости воды при 0 °C — удельной вязкостью.
Кроме динамической вязкости существует также понятие кинематической вязкости, которая равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре, т. е.
vc = nt/Pb =vtPb
где гц — динамическая вязкость при температуре t\ pt — плотность жидкости при температуре /; — кинематическая вязкость при температуре /.
При расчете пропускной способности жиклеров в карбюраторе или дозирующих устройств систем впрыскивания надо иметь в виду, что с понижением температуры возрастают одновременно вязкость и плотность топлива. При понижении температуры вязкость топлива
Рис. 2. Вязкостно-температурные характеристики автомобильных бензинов
Рис. 3. Влияние вязкости бензинов на цикловые расходы в системах впрыскивания с электронным управлением
25
увеличивается в 8—10 раз быстрее, чем его плотность, поэтому массовый расход через дозирующие устройства уменьшается (рис. 3). Кроме того, понижение температуры топлива обычно происходит зимой и совпадает с понижением температуры воздуха на впуске, увеличивающим массовый расход воздуха. Все это вместе взятое, если не принять специальных мер, может привести к недопустимому обеднению горючей смеси.
В современных системах впрыскивания с электронным управлением изменением температуры топлива и воздуха программа дозирования топлива корректируется автоматически, что исключает обеднение горючей смеси.
Но для нормальной работы двигателя еще недостаточно точно реализовать программу дозирования топлива. Очень важно, чтобы топливо перед сгоранием испарилось и образовалась горючая смесь с воздухом.
Образование горючей смеси топлива и воздуха зависит как от физических свойств самого топлива, так и от условий, в которых происходит этот процесс, т. е. от относительной скорости топлива и воздуха и ее изменения в течение всего времени смесеобразования; температуры воздуха и топлива; количества теплоты, подводимой к топливу и воздуху в течение всего времени смесеобразования; продолжительности процесса смесеобразования.
Если перечисленные условия считать постоянными, то на полноту испарения топлива влияют давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, коэффициент диффузии, вязкость, скрытая теплота парообразования, теплоемкость и фракционный состав.
При одинаковых условиях в двигателе более полно испарится то топливо, у которого больше давление насыщенных паров, коэффициент диффузии и теплоемкость и у которого меньше поверхностное натяжение, скрытая теплота парообразования и вязкость. Во всех случаях, чем легче фракционный состав топлива, т. е. чем ниже температура выкипания его фракций, тем лучше (полнее и быстрее) протекает процесс испарения.
Рассмотрим физические свойства топлива, влияющие на его испарение.
^Давление насыщенных паров определяет процесс испарения топлива. Чем оно больше, тем быстрее испаряется топливо. Следовательно, этот показатель лимитируется только условием предупреждения образования паровоздушных пробок. Давление насыщенных паров многокомпонентной жидкости зависит не только от свойств отдельных компонентов, но и от соотношения жидкой и паровой фаз. В жидкой фазе всегда меньше легких компонентов, чем в паровой. Поэтому для определения насыщенных паров бензинов по стандарту должно быть выдержано определенное отношение паровой и жидкой фаз, равное четырем.
В реальных условиях испарения топлива соотношение его паровой и жидкой фаз значительно больше. Например, на установившемся режиме работы во впускном трубопроводе прогретого двигателя соотношение указанных фаз может достигать 9—12 тыс.; при
26
пуске холодного двигателя оно уменьшается до 700 и даже 500. Таким образом в двигателе насыщения горючей смеси парами топлива не возникает»
^Ловерх ноет ное натяжение выражается величиной работы, необходимой для выхода молекул из объема жидкости в поверхностный слой площадью 1 см2.
Поверхностное натяжение зависит от температуры топлива. При температуре кипения каждого индивидуального углеводорода его поверхностное натяжение становится равным нулю. Определить значение поверхностного натяжения можно прибором, главной частью которого является капиллярная трубка строго определенного диаметра. Трубку погружают в топливо на глубину 1—1,5 мм и потом приподнимают с таким расчетом, чтобы смачивающее ее топливо удерживалось на конце трубки. После этого в трубку постепенно нагнетают воздух, давление которого контролируют с помощью водяного пьезометра. При образовании на конце капилляра пузырька воздуха замеряют (пьезометром) его давление,
Поверхностное натяжение подсчитывают по формуле а = 0,5р7?,
где р— давление воздуха внутри пузырька; R — радиус капилляра.
Для углерводородных топлив (бензин, дизельное топливо) поверхностное натяжение приближенно определяют по эмпирической формуле
о = 51,51О-Зрт — 16,6,
где аг — коэффициент поверхностного натяжения, мН/м; рт — плотность топлива, кг/м3.
В табл. 4 приведены значения поверхностного натяжения различных жидкостей, которые могут быть использованы как топлива (или их компоненты) для двигателей с искровым зажиганием. Для сравнения там же дано поверхностное натяжение воды.
Таблица 4
Топливо Температура, СС
10 20 30
Бензин автомобильный 24,0 23,0 21,1
Бензол моторный каменноугольный 29,2 28,0 25,8
Спирт:
этиловый 28,5 22,6 21,1
метиловый 24,0 23,1 22,6
Вода 74,01 72,53 71,03
Поверхностное натяжение влияет на тонкость распиливания топлива как в карбюраторном двигателе, так и в дизеле.
В карбюраторном двигателе скорость истечения топлива из распылителя мала по отношению к скорости воздушного потока
27
в диффузоре. Топливо захватывается воздушным потоком и образует тонкие жгуты, пленки, бусообразные структуры, которые начинают быстро распадаться на капельки различной величины и формы. В этот момент поверхностное натяжение способствует разрушению пленок и жгутов топлива, так как оно сопровождается уменьшением их поверхности.
Образовавшиеся капли топлива в результате аэродинамических воздействий деформируются и начинают дробиться на более мелкие капли. Поверхностное натяжение при этом препятствует распиливанию топлива, поскольку общая поверхность топлива увеличивается.
Для количественной оценки критической деформации капли, при которой наступает ее разрушение, используют аэродинамический критерий Вебера
We = (pBylBdK)/oT, где рв и уо.в— соответственно плотность воздуха и его скорость относительно капли топлива; — диаметр капли; от — коэффициент поверхностного натяжения топлива.
Экспериментально установлено, что при критерии We > 14 происходит многократное дробление капли. Вместе с тем критерий деформации в реальном потоке быстро убывает, так как уменьшается •относительная скорость воздуха и капли, причем, чем мельче капля, тем быстрее уравнивается скорость ее движения со скоростью потока. Поэтому «зона действия» аэродинамического критерия деформации -ограниченна. При полном открытии дроссельной заслонки карбюратора эта зона не распространяется дальше начала впускного трубопровода. На частичных режимах, когда в зоне дроссельной щели скорости потока резко возрастают и наступает как бы второй этап «разгона» капли, эта зона распространяется несколько дальше. В каждом отдельном случае зоны действия критерия зависят от конструктивных особенностей карбюратора и впускного трубопровода, режима работы двигателя, теплообменных процессов, фракционного состава топлива, так как дробление капли происходит одновременно с ее испарением, а следовательно, с уменьшением ее размера.
На скорость испарения топлива влияет коэффициент диффузии его паров в воздух. Существует молекулярная диффузия, которая происходит в спокойной среде, и внхревая или турбулентная диффузия — в турбулентном потоке. В реальных условиях смесеобразования общий перенос паров топлива в воздушную среду характеризуется суммой молекулярной и турбулентной диффузии. Коэффициент молекулярной диффузии можно определить методом, предложенным проф. А, С. Ирисовым, который заключается в определении скорости возрастания давления паров жидкости в закрытом термостатированном сосуде.
По закону Дальтона скорость нарастания давления dp/dx = k' (ps — р), где т — время с момента начала испарения; k' — коэффициент пропорциональности, равный произведению коэффициента диффузии D на постоянную прибора &п, зависящую от размера и формы сосуда, в котором происходит испарение: fe' = Dkt
28
После интегрирования уравнения Дальтона получим зависимость давления в данный момент времени от давления насыщенных па* ров при температуре опыта
Р = Ps (1 -
Подставляя в уравнение k' — получим для вычисления коэффициента диффузии следующую зависимость:
D = 1/[й (т3 — т,) ] In l(pa — pt)!(ps — p2) ],
где pA и p2 — парциальные давления соответственно в моменты времени Tj и отсчитанные с начала определения.
Суммарный коэффициент диффузии D ±ОТ зависит от температуры и др. В табл. 5 приведены значения суммарного коэффициента
диффузии паров бензина в воздух (D + £)т)106, м2/с, в зависимости от температуры и скорости воздушного потока.
При расчетах испаряемости следует учитывать теплоемкость топлив. С повышением температуры теплоемкость углеводородных топлив увеличивается, с ростом давления — понижается. Групповой химический состав также влияет на теплоемкость углеводородов. При одинаковых температуре, давлении и числе атомов углерода углеводороды
Таблица 5
Скорость воздуха, м/с Температура воз* духа, СС
100
0 9 14,6
10 16,6 26,8
80 42 68,2
различных групп в порядке возрастания теплоемкости располагаются в такой последовательности: ароматические — цикланы—
изоалканы — нормальные алканы.
Вязкость топлива влияет не только на его дозирование, но через тонкость распиливания топлива и на полноту испарения, так как чем тоньше распиливается топливо, тем больше его поверхность испарения.
Испаряемость топлива является параметром, позволяющим оценить ряд его важнейших эксплуатационных свойств. Ее характеристикой служит фракционный состав. Его определяют в лабораторных условиях с помощью специального прибора (рис. 4).
В стеклянную колбу прибора наливают 100 мл исследуемого топлива и закрывают горловину колбы пробкой со вставленным в ней термометром. Нижний конец термометра должен находиться на уровне боковой трубки, соединенной с холодильником. Мерный цилиндр, которым отмеривали и заливали в колбу топливо, ставят у выходной трубки холодильника для сбора конденсата.
При нагревании колбы находящееся в ней топливо постепенно прогревается и начинает испаряться. По мере повышения температуры из колбы последовательно выкипают и поступают в холодильник все более тяжелые фракции. По данным наблюдений за термометром и мерным цилиндром, в котором собираются выкипевшие и сконденсировавшиеся фракции, можно составить таблицу, а затем построить график зависимости количества испарившегося топлива от температуры. За температуру начала кипения принимают температуру, при которой из холодильника в мерный цилиндр упала первая капля топлива.
29
1
Рис. 4. Схема прибора для определения фракционного состава топлив:
1 — термометр; 2 — колба; J — верхний кожух; 4 — исследуемое топливо; 5 — ткппо?
6 — нижний кожух; 7 — газовая горелка (может быть заменена электронагревателем);
8 — водяная ванна холодильника; 9 — трубка холодильника; 10 — измерительный цилиндр иа 100 мл
Перегонка считается законченной, когда прекратится рост температуры и наступит ее небольшое падение. Это состояние свидетельствует о прекращении потока паров топлива и переноса вместе с ним теплоты; наивысшая достигнутая температура считается температурой конца кипения топлива.
Определение проводят в строгом соответствии с действующим стандартом на стандартном приборе и стандартном режиме.
В стандарте на бензины нормированы характерные точки. К ним относятся температура начала кипения и температура, при которой выкипает 10, 50 и 90 % топлива (по объему). Кроме того, нормированы температура конца кипения, остаток топлива в колбе после окончания перегонки, а также суммарный остаток и потери при перегонке.
Перечисленные константы и показатели качества топлива из-за сложности процесса испарения в реальном двигателе могут быть использованы только для сравнительной оценки испаряемости различных топлив или для выявления действия на этот процесс каких-либо факторов. Поэтому стало необходимым разработать метод оценки испаряемости топлива, который был бы ближе к реальным условиям его испарения в двигателе.
Одним из первых в СССР такой комплексный метод оценки испаряемости моторных топлив был предложен проф. А. С. Ирисовым.
На специальной безмоторной установке имитируют условия, близкие к реальным. Топливо подается карбюратором; процесс испарения происходит в испарительной трубе, через которую воз-30
дух просасывается не двигателем, а мощным вентилятором (воздушным насосом). В трубе устанавливают специальные уловители, предназначенные для улавливания неиспарившегося топлива.
Количественную оценку проводят по показателю динамической испаряемости. Этот показатель представляет собой отношение количества испарившегося топлива к количеству топлива, прошедшему через карбюратор и поданному в испарительную трубу. Выражают динамическую испаряемость обычно в процентах.
Изменяя скорость воздушного потока, его температуру, состав горючей смеси, можно проводить исследования испаряемости топлив в условиях, приближенных к реальным. На установке удобно выявлять зависимость полноты испарения от температуры воздуха при заданных скоростях потока горючей смеси или от скорости потока при заданных температурах. Установив постоянную скорость потока и температуру, можно сравнивать различные параметры топлива,
В настоящее время методика оценки динамической испаряемости значительно усовершенствована.
Современная аппаратура позволяет с высокой точностью измерять температуры жидкой и паровой фаз, осциллографировать изменения температуры, создавать пульсацию потока и многое другое.
^Скрытая теплота испарения — одна из важных характеристик топлива. Процесс испарения топлива происходит в условиях сложного теплообмена между топливом, воздухом и стенкой впускного тракта. Если предположить, что вся теплота, необходимая для испарения топлива, передается ему от воздуха и самого топлива, можно определить строгую зависимость между скрытой теплотой испарения и понижением температуры горючей смеси. При применении спирта в качестве топлива такое понижение температуры настолько значительно, что широко используется для уменьшения тепловой напряженности форсированных двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов. В табл. 6 приведены данные, показывающие влияние скрытой теплоты испарения различных топлив на понижение температуры стехиометрической горючей смеси (а == 1).
Таблица 6
Топливо Теплота испарения топлива, кДж/(кг» °C) Удельная теплоемкость, кДж/(кг« °C) Понижение температуры горю-* чей смеси. СС
Бензин А-76 297 1,17 18
Бензин АИ-93 305 1,96 19
Этиловый спирт 915 2,38 80
Метиловый спирт 1100 2,42 123
Для компенсации понижения температуры в зоне интенсивного испарения топлива подогревают впускной трубопровод, что позволяет предотвратить образование инея; при большой влажности
31
воздуха в неподогреваемом впускном тракте двигателя иней образуется в таких количествах, что может перекрыть все сечение трубопровода и вызвать остановку двигателя.
В стандарте на автомобильные бензины из всех рассмотренных физических свойств, влияющих на процесс смесеобразования, нормируются только фракционный состав и давление насыщенных паров.
^Рассмотрим влияние фракционного состава топлива на важнейшие эксплуатационные показатели двигателей.
Температура начала перегонки (начала кипения) tu. к ограничена в сторону уменьшения: так, она не должна быть меньше 35 СС для всех марок бензина летнего вида. Этим условием предусматривается гарантия от возникновения паровоздушных пробок при сохранении в то же время пусковых свойств топлива. Кроме того, дальнейшее понижение этой температуры, особенно летом, увеличило бы потери бензина от испарения при хранении и транспортировке, а также пожарную опасность при его применении. Температура выкипания 10 % топлива /10 так же, как и температура начала кипения, характеризует пусковые свойства топлива и должна быть не выше определенной стандартом температуры, например, для летнего вида автомобильных бензинов не выше 70 СС, а для зимнего — не выше 55 °C. Фракции топлива, выкипающие до температуры перегонки 10 % объема топлива, условно называют «пусковыми», так как они определяют температуру окружающего воздуха, при которой еще возможен пуск непрогретого двигателя.
Зная температуру перегонки 10 % объема топлива и температуру начала кипения, можно определить приближенно по эмпирической формуле предельную температуру воздуха fmln, ниже которой пуск двигателя практически уже невозможен:
= 0,5/10 - 50 + (/п. к - 50)/3.
Для стандартных автомобильных бензинов зимнего вида эта формула дает значение imln примерно —28 °C. В реальных условиях эксплуатации предельная температура воздуха, при которой возможен пуск холодного двигателя, может отличаться от расчетной, так как она зависит еще от многих факторов, таких, как вязкость масла, состав горючей смеси, частота вращения вала двигателя и др.
В настоящее время имеются средства, позволяющие обеспечить пуск двигателя при низких температурах. К ним относятся предпусковые подогреватели, пусковые жидкости, пусковые устройства в карбюраторах и системах впрыскивания топлива.
Температура перегонки 50 % объема топлива /Б0 является характеристикой скорости прогрева двигателя и его приемистости, т. е. способности быстро увеличивать частоту вращения коленчатого вала при резком открытии дроссельной заслонки. Чем ниже температура /ь0, тем быстрее прогревается двигатель и тем лучше его приемистость. В соответствии с действующим стандартом температура для летнего вида бензинов должна быть не выше 115 °C, а для зимнего — не выше 100 °C. При таких значениях температуры все
32
-Рис. 5. Характеристика фракционного состава бензина А-76:
•' — летний; 2 — зимний
современные двигатели как с жидкостным, так и с газовым подогревом впускного трубопровода быстро прогреваются и имеют хорошую приемистость. Дальнейшее снижение температуры дает незначительное улучшение этих показателей.
Температура /9(Ь при которой перегоняется 90 % топлива, и температура конца кипения /ьч к характеризуют полноту его
испарения и необходимую интенсивность подогрева впускного трубопровода. Полнота испарения топлива во многом предопределяет топливную экономичность двигателя, его мощность, токсичность отработавших газов и, наконец, износ цилиндропоршневой группы, так как неиспарившееся топливо, попадая на зеркало цилиндров, смывает с него масляную пленку.
Для автомобильных бензинов летнего вида в соответствии с требованиями стандарта температура /д0<180°С, а температура к < 195 °C; для бензинов зимнего вида эти температуры должны быть соответственно не более 160 и 185 °C. Уменьшение температуры конца кипения современных бензинов в сравнении со снятыми с производства бензинами дало возможность уменьшить износ цилиндропоршневой группы на 20—25 %.
Для индивидуальных углеводородов, например, изооктана, бензола или спиртов (метанола, этанола) понятия фракционный состав не существует, так как эти жидкости выкипают при постоянной температуре, которая для каждой из них является константой.
На рис. 5 приведены характеристики фракционного состава бензина А-76. В прил. II дана номограмма для оценки зависимости важнейших эксплуатационных свойств топлива от значения характерных точек его фракционного состава.
Детонационная стойкость топлив
Процесс детонации и механизм ее возникновения очень сложны. Главный критерий детонации — скорость распространения фронта пламени. При нормальном сгорании пламя распространяется со скоростью 30—50 м/с, при детонации скорость возрастает до 1500— 2300 м/с.
Детонацию в двигателях изучают уже более 60 лет. Ведущая роль в создании фундаментальной теории детонации принадлежит советским ученым и, в первую очередь, акад. Н. Н. Семенову и его школе.
2 Покровский Г. П 33
Детонирует обычно относительно небольшая часть горючей смеси, сгорающая в последнюю очередь. При определенных условиях температура этой части смеси поднимается выше температуры самовоспламенения, и смесь воспламеняется по всему объему за столь короткое время, что сгорание приобретает характер взрыва. От очага воспламенения с высокой скоростью распространяется ударная волна, и даже если детонация возникла лишь в небольшой части несгоревшей смеси, эта волна рождает новые и более интенсивные очаги детонации. Процесс сгорания при детонации протекает с очень высокими скоростями потому, что начинает действовать механизм, характерный для разветвляющихся цепных реакций. Существенное значение имеет и преддетонационное состояние горючей смеси, в которой накапливаются продукты неполного окисления углеводородов (альдегиды, оксид углерода, перекисные и другие соединения), характерные для предпламенного процесса.
Если детонация очень интенсивная и продолжается относительно долго, то поршни начинают разрушаться и двигатель приходит в полную негодность. Легкая и непродолжительная детонация обычно повреждений не вызывает, но топливная экономичность двигателя при этом ухудшается, в отработавших газах появляется дым.
Механизм возникновения и протекания детонации управляется химическими и физическими факторами. Среди химических— главным является склонность топлива к образованию перекисных соединений, при критической концентрации которых возникает детонация. Перекисные соединения крайне неустойчивы, продолжительность их существования измеряется тысячными долями секунды, поэтому за время преддетонационной стадии сгорания наблюдается процесс их образования и распада. Распад перекисных соединений происходит с выделением теплоты и возникновением «холодного» пламени, фронт которого движется впереди видимого «горячего» пламени. Фронт распространения холодного пламени носит диффузионный характер, насыщая горючую смесь продуктами распада перекисей, которые содержат много активных центров, способствующих возникновению фронта горячего пламени.
Из физических факторов наибольшее влияние оказывает степень сжатия двигателя. При ее увеличении растет и давление и температура в камере сгорания. В результате последняя порция рабочей смеси оказывается в особо неблагоприятных условиях для нормального сгорания и при наступлении критических значений давлений и температуры воспламеняется и сгорает со скоростью взрыва.
Различают три группы факторов, влияющих на возникновение и интенсивность детонации: зависящие от конструкции двигателя эксплуатационные и связанные со свойствами топлива.
Многолетний опыт показывает, что детонация усиливается, если при прочих неизменных условиях повышена степень сжатия, увеличен размер цилиндра (в основном его диаметр), применены чугунные головки и поршни. Эти факторы определяются особенностями конструкции дви г ат ел ей.
34
Рис. 6. Универсальная установка УИТ-65 для определения 04 по моторному и исследовательскому методам:
1 — электронный детонометр ДП-60; 2 — указатель детонации УД-50; 3 — нагреватель воздуха на впуске; 4 — карбюратор; 5 — конденсатор термосифонно-испари-тельной системы охлаждения; 6 — валик привода механизма для изменения степени сжатия (рукоятка снята); 7 — картер двигателя
Детонация также усиливается, если при постоянной частоте вращения коленчатого вала увеличивается нагрузка двигателя или при постоянной нагрузке уменьшается частота вращения; если увеличивается угол опережения зажигания, возрастает температура охлаждающей жидкости, уменьшается влажность воздуха, увеличивается
слой нагара в камере его
рання.
Эти факторы относятся к группе эксплуатационных. Фактором, связанным со свойствами топлива, является его детонационная стойкость. Причем при фракционировании топлива в процессе смесеобразования (вследствие различной детонационной стойкости отдельных фракций) детонация также может усилиться.
Детонационная стойкость топлива является важнейшим фактором, влияющим на допустимую степень сжатия двигателя, и, следовательно, фактором, определяющим его мощностные и экономические показатели. Стойкость топлива к возникновению детонационного сгорания зависит от его группового химического состава, количества в нем стойких к детонации соединений и наличия антидето-национных присадок (антидетонаторов). В настоящее время детонационную стойкость топлив практически повсеместно оценивают октановыми числами (04).
Октановым числом называется процентное (по объему) содержа* ние изооктана в его смеси с нормальным гептаном при условии, что эта смесь при стандартном методе испытания обладает такой же детонационной стойкостью, как и испытуемое топливо.
Разработан и стандартизован ряд методов определения 04. В частности, для автомобильных марок бензина применяют два метода — моторный и исследовательский, которые различаются режимами работы моторной установки для определения 04. Для бензинов А-72, А-76 04 определяют по моторному методу (04М). Для бензинов АИ-93, АИ-98 04 определяют обоими указанными методами (О4М и 04И).
Оценка 04 одновременно двумя методами дает возможность определить чувствительность топлива к изменению режима. Чувстви
2*
35
тельность оценивают разностью ОЧ, полученных исследовательским и моторным методами»
Рассмотрим моторный метод определения ОЧ»
Установка У ИТ-65 для определения ОЧ. Главным агрегатом установки УИТ-65 (рис. 6) является одноцилиндровый четырехтактный двигатель с устройством, позволяющим изменять степень сжатия во время работы в диапазоне от 4 до 10.
Установка снабжена электродвигателем, генератором постоянного тока и специальным ресивером для поддержания постоянной влажности воздуха. В комплект установки входят также электронная аппаратура для измерения интенсивности детонации и пульт управления.
Режим работы установки при определении октановых чисел моторным методом
Частота вращения коленчатого вала, мин'1 ..... 900 ± 10
Угол опережения зажигания 8.................. Меняющийся с измене-
нием степени сжатия. При е= 5 0 = 26° до ВМТ Температура, °C:
воздуха на вхоце в карбюратор............. 40—50
горючей смеси . . 149±1
охлаждающей воды ............................... 100±2
Влажность воздуха на входе в карбюратор, г воды на кг воздуха.................................... 3,5—4
Состав горючей смеси..........................Соответствующий мак-
симуму детонации
Определение ОЧ производится в следующем порядке:
1) двигатель после предварительного прогрева масла выводят на температурный режим испытаний;
2) двигатель переводят на работу на испытуемом топливе;
3) постепенно увеличивая степень сжатия, доводят процесс сгорания до детонации. Интенсивность детонации должна соответствовать отклонению стрелки гальванометра на 40—45 делений;
4) изменением уровня топливного бака доводят состав горючей смеси до такого, при котором детонация по показанию прибора достигает максимальной интенсивности;
5) добившись максимальной интенсивности детонации по составу смеси, вновь увеличивают степень сжатия до тех пор, пока стрелка прибора достигнет 55 + 3 деления шкалы, т. е. стандартной интенсивности детонации. После этого степень сжатия сохраняют постоянной;
6) по микрометрическому указателю детонации определяют установленную степень сжатия, а по таблице — ОЧ;
7) зная приблизительное значение ОЧ топлива, подбирают два вторичных эталона. Один из них должен иметь ОЧ на единицу больше приблизительно оцененного ОЧ топлива, а другой на единицу меньше;
8) эталонные топлива заливают в бачки установки и двигатель переводят на питание сначала одним» потом другим эталонным топливом. Состав смеси должен так же, как и в испытуемом топливе, соответствен ать макс и му м у де г онаци и;
36
9) если в результате испытаний окажется, что по интенсивности детонации испытуемое топливо не попадает в интервал между двумя эталонами, то один из них заменяют эталоном с большим или меньшим октановым числом;
10) для более падежного результата двигатель трижды переводят на питание исследуемым топливом и двумя эталонами, после чего берут среднее значение показаний прибора.
Окончательный расчет искомого ОЧ топлива X ведут по формуле
X = А + (А - А) а' ~а ,
где — содержание изоокгана в смеси первичных эталонных топлив, детонирующей сильнее испытуемого топлива; А2 — то же для смеси, детонирующей слабее испытуемого топлива; а — среднее арифметическое из отсчетов по указателю детонации для испытуемого топлива; С7| — то же для смеси первичных эталонных топлив Лт; а2— то же для смеси первичных эталонных топлив А2.
Особенностью установки УНТ-65 является возможность определения на ней ОЧ как моторным, так и исследовательским методами (раньше для исследовательского метода использовали специальную установку ИТ9-6). При исследовательском методе режим работы установки менее напряженный, поэтому октановые числа, определенные этим методом, получаются более высокими, чем при моторном методе.
Режим работы установки У ИТ -65 при исследовательском методе определения ОЧ
Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1 .... 600±6
Температура, °C: охлаждающей воды............................................ 100±2
воздуха на входе в карбюратор............................... 52=^1
Угол опережения зажигания...................................Постоянный, 13°
до ВМТ
Определение детонационной стойкости топлив на специальных лабораторных установках отличается высокой сходимостью результатов отдельных определений, хотя испытания проводят в очень далеких от реальных условиях применения топлив на современных двигателях. Поэтому разработана специальная методика оценки детонационной стойкости топлив на реальных полноразмерных автомобильных двигателях при работе их на моторных тормозных стендах, или в составе всего автомобиля на стенде с беговыми барабанами, имитирующими движение в дорожных условиях, или, наконец, непосредственно в дорожных условиях.
Такая методика позволяет определить фактические значения детонационной стойкости топлив (то же в единицах ОЧ), но для конкретного двигателя. Этот метод применяют обычно для подбора топлив при создании новых образцов двигателей и автомобилей с широким диапазоном их эксплуатационных режимов.
Определение детонационной стойкости современных топлив, и в частности бензинов, полученных способами каталитического крекинга и риформинга, осложняется специфическим групповым составом этих топлив, высокая детонационная стойкость которых
37
обусловлена содержанием в них ароматических углеводородов с относительно высокой температурой кипения. Поэтому в реальных условиях эксплуатации, особенно на переменных режимах, свойственных автомобильным двигателям, в процессе смесеобразования происходит частичное фракционирование бензина. Легкокипящие фракции, обладающие более низкой детонационной стойкостью, могут попасть в цилиндры раньше, чем тяжелые фракции ароматических соединений, и вызвать интенсивную детонацию. К фракционированию самого топлива при некоторых условиях может прибавиться фракционирование антидетонаторов, когда они, имея более высокую температуру кипения, вместе с высококипящими фракциями топлива оседают на стенки впускного трубопровода и попадают в цилиндры с некоторым опозданием и значительной неравномерностью по отдельным цилиндрам. Этот крайне нежелательный процесс также может вызвать значительную нестабильность детонационной стойкости топлива.
Повышение детонационной стойкости топлив. Повышать ОЧ топлив можно несколькими способами. Первый способ — применение современных технологий получения топлив, например, каталитического крекинга, риформинга и др. Современная технология дает возможность получить базовые бензины с ОЧ 75—80 по моторному методу и 80—94 по исследовательскому методу.
Второй способ повышения ОЧ заключается в добавлении в базовые бензины высокооктановых компонентов, таких, как изооктан, алкилбензол и др., которые обладают ОЧ по моторному методу около 100 ед. Таких компонентов добавляют в базовый бензин до 40 %, значительно повышая его детонационную стойкость.
Третьим способом повышения детонационной стойкости топлив является добавление к ним антидетонаторов, т. е. химических соединений, которые при очень незначительной их концентрации в топливе (десятые доли грамма на 1 кг топлива) существенно увеличивают его детонационную стойкость.
Самым известным и эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ (С2Н5)4. ТЭС — бесцветная или слегка желтоватая жидкость высокой плотности (р ~ 1652 кг/м3), хорошо растворяется в бензине. Температура кипения около 200 °C. Эффективность ТЭС в 600 раз выше, чем у бензола; по своим антидетона-ционным свойствам он практически не имеет себе равных. Большим недостатком ТЭС является высокая токсичность этого соединения, поэтому обращение с ним требует самых строгих мер предосторожности и защиты.
В чистом виде этот антидетонатор применять нельзя, так как при его сгорании образуются нелетучие соединения свинца, которые откладываются на поверхности камеры сгорания и электродах свечей. Во избежание этого используют смесь ТЭС с выносителями, обеспечивающими вынос соединений свинца с отработавшими газами и тем самым предотвращающими образование отложений. Смесь ТЭС с выносителями называется этиловой жидкостью. Для этилирования автомобильных бензинов применяют жидкость марки Р-9.
38
Состав этиловой жидкости Р-9
Внешний вид............................................Прозрачная жидкость
темно-синего, красного или оранжевого цвета, без
осадка
Плотность р20, кг/ма......................................... 1470—1510
Реакция ................................................... Нейтральная
Состав:
ТЭС, % по массе, не менее................................ 54,0
бромэтан, % по массе, не менее .................. 33,0
хлорнафталин, % по массе ...................... 6,8+0,5
наполнитель (бензин Б-70), %..................... до 100
краситель в 1 г на 1 кг жидкости: синий.................................................... 0,46
красный ....................................... 1
желтый......................................... 2
Повышение ОЧМ после добавления 2 мл ЭЖ на 1 кг сме-
си 70 % изооктана с 30 % н-гептана, ед. октановой шкалы 17
Увеличение октанового числа в зависимости от количества добавленной к топливу этиловой жидкости происходит нелинейно (рис. 7), поэтому добавлять жидкость в количествах, больших чем 1—2 г на 1 кг топлива, нерационально, а с учетом высокой токсичности тетраэтилсвинца недопустимо.
Поэтому предельные концентрации ТЭС в бензинах жестко ограниченны, и, например, для автомобильных бензинов не должны превышать 0,5 г/кг топлива.
Учитывая высокую токсичность этилированных бензинов, применение их запрещено в ряде крупных городов, а также в курортной местности, в связи с чем нефтяная промышленность выпускает часть автомобильных бензинов в неэтилированном варианте.
В нашей стране было предложено в качестве заменителя тетраэтилсвинца органическое соединение циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ). По своим антидетонационным свойствам ЦТМ практически не уступает тетраэтилсвинцу, но по токсичности он
ТЭС, ЦТМ ТЭС
а) S)
Рис. 7. Влияние антидетонаторов на ОЧ бензинов:
а — влияние на ОЧМ бензина, полученного на установках жесткого риформинга; б -=• влияние ТЭС на бензины; 1 ТЭС; 2 — ЦТМ; 3 -» каталитического крекинга; 4 —» термического крекинга
39
не опаснее обычного неэтилированного бензина. Основным недостатком ЦТМ является интенсивное образование окиси марганца на электродах свечей, быстро приводящее к замыканию искрового промежутка и, следовательно, к остановке двигателя.
Следует отметить, что при одинаковых условиях применения ЦТМ вызывает меньше отложений на поверхности камеры сгорания, чем ТЭС; кроме того, фракционирование ЦТМ на переменных режимах работы двигателя вследствие более низкой температуры его кипения также меньше, чем у этиловой жидкости. При сильной освещенности ЦТМ разлагается, образуя в топливе хлопья нерастворимого в бензине осадка. Однако этот процесс можно замедлить или совсем остановить добавлением в топливо специального красителя, защищающего ЦТМ от воздействия света.
Одним из способов повышения детонационной стойкости бензин является использование относительно малотоксичных, но достаточно эффективных присадок, таких, как метилтретичнобутиловый эфир, вторичный бутиловый и третичпобутиловый спирты.
Неуправляемое воспламенение
Одной из форм аномального сгорания является сгорание, вызванное неуправляемым воспламенением, когда горючая смесь воспламеняется не от искрового разряда свечи в точно установленный момент, а произвольно от перегретых частиц нагара или поверхности камеры сгорания. Источником воспламенения в этом случае является электрод свечи или нижняя часть керамического электрода, находящихся в камере сгорания. Реже неуправляемое воспламенение возникает от обращенной внутрь камеры сгорания поверхности выпускных клапанов.
Неуправляемое (калильное) воспламенение нарушает нормальное сгорание, а следовательно, ухудшает мощностные и экономические показатели двигателя. Неуправляемое сгорание сопровождается глухими ударами, резкими с большой амплитудой колебаниями двигателя, появлением дымного выпуска; при этом двигатель продолжает работать на режиме холостого хода даже при выключенном зажигании.
Для современных двигателей с высокой степенью сжатия возникновение неуправляемого воспламенения может привести к другим отрицательным явлениям, например, детонации. Особенно опасно, когда неуправляемое воспламенение возникает до искрового разряда. При этом наблюдаются явления, характерные для очень раннего угла опережения зажигания: резкое возрастание давления и температуры (в момент, когда кривошипный механизм на 80—90° не дошел до ВМТ) вызывает увеличение нагрузки на поршень, шатун и коленчатый вал.
Большая поверхность теплопередачи резко увеличивает потери в стенки, а преждевременное воспламенение горючей смеси действует аналогично слишком раннему опережению зажигания и вызывает детонацию.
40
Практика показывает, что неуправляемое зажигание и детонация тесно связаны. Например, детонационная волна, разрушая нагар и отрывая его частички, образует выступы, которые накаливаясь в процессе сгорания предыдущих циклов, могут вызвать неуправляемое воспламенение в последующих.
Большое влияние на вероятность неуправляемого зажигания имеет температура изолятора и центрального электрода свечи. Все эти факторы следует учитывать при разработке конструкции свечей зажигания. Имеются специальные тепловые ряды свечей, в которых свечи различаются по калильным числам.
Калильное число — величина безразмерная, индекс» пропорциональный среднему индикаторному давлению, при котором во время испытаний свечей на специальной моторной установке возникает калильное зажигание.
На процесс нагарообразования большое влияние оказывает групповой химический состав топлива. Чем больше в топливе ароматических углеводородов, тем больше образуется нагара. Смеси богатых составов также способствуют возникновению нагарообразования.
Предотвращение неуправляемого воспламенения осложняется тем, что нагар, в отличие от металлических деталей камеры сгорания, является не просто аккумулятором теплоты, а горючим материалом. При определенных условиях частицы нагара в процессе впуска не охлаждаются, а разгораются, как угли в горне. Это создает повышенную опасность неуправляемого воспламенения.
Уменьшить опасность неуправляемого калильного зажигания можно правильным подбором свечей.
Установлено также, что большое значение имеют структура и состав нагара. Плотный нагар, состоящий из чистого углерода, устойчив к самовоспламенению и редко вызывает неуправляемое воспламенение; температура его самовоспламенения более 500 сС. Такой нагар образуется при длительной работе двигателя на неэтилированном бензине с малым содержанием ароматических углеводородов.
При работе на этилированном бензине в нагаре появляются соединения свинца и галоидов. Это делает нагар рыхлым, атемпература его самовоспламенения резко понижается и обычно составляет 200—300 °C. Такой нагар является основной причиной неуправляемого воспламенения.
\/ Коррозионная активность топлив
Образование коррозии на поверхности деталей, соприкасающихся с топливом, а также коррозионное изнашивание трущихся деталей зависят от содержания в топливе водорастворимых кислот и щелочей, органических кислот, серы и ее соединений.
Водорастворимые кислоты и щелочи вследствие их большого коррозионного воздействия на металлы должны (по нормам действующих ГОСТов) в топливах отсутствовать. При их обнаружении
41
топливо необходимо браковать и не допускать к применению. Присутствие в топливе водорастворимых кислот и щелочей определяют качественной пробой с получением результата «да» или «нет».
Для этого в делительную воронку наливают 50 мл предварительно перемешанного бензина и столько же дистиллированной воды. Содержимое воронки взбалтывают в течение 5 мин. После отстаивания водную вытяжку отбирают в две пробирки. В одну из пробирок прибавляют две капли раствора метилового оранжевого, в другую — три капли раствора фенолфталеина. Бензин может быть допущен к применению только при неизменяющейся окраске индикаторов в его водной вытяжке, свидетельствующих о полном отсутствии в нем водорастворимых кислот и щелочей.
Органические кислоты, как менее активные, в топливе допускаются в очень небольших количествах. Основными органическими кислотами, содержащимися в топливе, являются нафтеновые кислоты, которые включают в себя карбоксильную группу СООН, присоединенную чаще всего к углеводороду группы цикланов. Нафтеновые кислоты обладают высокой избирательностью действия на различные металлы. На сталь, чугун и алюминий они действуют слабо или совсем не действуют, но на медь, цинк и особенно свинец действие этих кислот крайне агрессивно.
В табл. 7 приведены данные, характеризующие степень воздействия раствора нафтеновых кислот на различные металлы (уменьшение массы контрольных пластинок, погруженных в раствор кислот).
Таблица 7
Металл
Уменьшение массы, г
Металл
Уменьшение массы, г
Свинец Цинк Медь Олово
6,10 4,68 0,56 0,18
Сурьма Железо Алюминий
0,11
0,08 0,00
Количественно содержание водонерастворимых кислот в топливе оценивается кислотностью. Кислотностью называют количество мг КОН, необходимое для нейтрализации 100 мл испытуемого нефтепродукта.
В отличие от кислотности в технических нормах на масла и смазочные материалы указывается предельно допустимое кислотное число (масел, смазочных материалов и т. д.), которое означает количество мг КОН, необходимое для нейтрализации 1 г испытуемого нефтепродукта.
Кислотность топлива определяют путем извлечения из него органических кислот кипящим этиловым спиртом и последующим титрованием спиртовым раствором КОН.
42
Рис. 8. Схема прибора для определения активной серы (проба на медную пластинку):
1 — водяная баня; 2 — колба с исследуемым топливом; 3 — пластинка из рафинированной меди; 4 — обратный холодильник
Стандартом установлена для всех марок автомобильных бензинов кислотность не более 3 мг КОН на 100 мл топлива, для бензинов с государственным Знаком качества — не более 1 мг КОН на 100 мл топлива.
Крайне нежелательно содержание в топливах серы.
Активной серы, обладающей сильным коррозионным воздействием на металлы, в топливах быть не должно. К этому виду серы относят свободную серу, сероводород и меркаптаны (соединения вида RSH). Другие соединения серы условно считают неактивными, но жестко нормируют; их
содержание в автомобильных бензинах не
должно превышать 0,1 %, а для бензинов с государственным
Знаком качества—0,01 %.
Для контроля топлив на отсутствие в них активной серы разработаны стандартные методы испытания «на медную пластинку», так как особенно сильно сера и ее соединения воздействуют на медь и ее сплавы. Принято два метода испытания топлив на медную пластинку — стандартный и ускоренный. По стандартному методу испытание длится 3 ч при температуре 50 °C, по ускоренному методу— 18 мин при температуре 100 °C (рис. 8).
Если на пластинке появились черные, бурые, коричневые или
серо-стальные пятна и налет, топливо считают не выдержавшим испытания и бракуют. При всех других изменениях (порозовение и пр.) или при отсутствии изменений цвета пластинки топливо счи
тается выдержавшим испытание.
Механизм коррозионного действия неактивной серы сложен и изучен еще не полностью. Все соединения неактивной серы, содержащиеся в топливе, образуют при сгорании двуокись серы SO2. При взаимодействии ее с водой получается сернистая кислота H2SO3, пары которой вместе с другими продуктами сгорания частично прорываются в картер, конденсируются там, накапливаются и, окисляясь, превращаются в серную кислоту H2SO4, обладающую очень сильным коррозионным воздействием на металл. Некоторые неактивные соединения серы (например, полисульфиды) при небольшом нагревании уже во впускном трубопроводе хмогут расщепляться на сульфиды и свободную серу, которая является активной. При этом наблюдается интенсивное коррозионное изнашивание впускных клапанов, их гнезд и стержней, которые обычно имеют высокую температуру, способствующую повышенной агрессивности серы.
43
Химическая стабильность топлив
Химическая стабильность топлива зависит в основном от группового химического состава топлива, от количества нестабильных ненасыщенных углеводородов (алкенов и особенно алкадиенов). Если к тому же в топливе много нефтяных смол, которые действуют каталитически на окислительные процессы, стабильность его быстро понижается.
Количественно химическую стабильность топлив оценивают индукционным периодом, т. е. интервалом времени в минутах, в течение которого топливо, находясь в специальном герметическом сосуде (бомбе) в атмосфере чистого кислорода под давлением 0,7 МПа и с температурой 100 °C, не вступает с кислородом в реакцию окисления. О начале вступления топлива во взаимодействие с кислородом судят по падению давления в бомбе, свидетельствующем о переходе газообразного кислорода в химические соединения с углеводородами топлива. Для автомобильных бензинов индукционный период должен быть, в зависимости от марки, не меньше 450—900 мин. Бензины с государственным Знаком качества должны иметь индукционный период не меньше 1200 мин.
Для повышения химической стабильности бензинов их подвергают очистке от смол. Предельное количество смол в ГОСТе указано как на месте производства бензинов, так и на месте их потребления. Это необходимо потому, что в процессе хранения и транспортировки количество смол в бензине непрерывно возрастает. В современных автомобильных бензинах, выпускаемых отечественными нефтеперерабатывающими заводами, количество смол на месте производства не должно превышать 5 мг на 100 мл т<Лива, а на месте потребления 7 мг на 100 мл. Небольшое увеличение количества смол обеспечивается достаточно совершенным методом очистки и, главное, применением эффективных антиокислительных присадок, добавляемых в топливо.
Особенно важно добавлять антиокислители в бензины, содержа' щие продукты термического крекинга и коксования. В качестве антиокислителей применяют сс-ксидифениламин (0,007—0,01 %), древесно-смоляной антиокислитель или пиролизат (0,05—0,15%) и ФЧ-16 (0,05—0,10 %).
Процессы окислительной полимеризации углеводородов, приводящие к образованию смол, зависят главным образом от температуры и различных катализаторов. Смолы чаще всего откладываются на горячих частях впускного тракта. Особенно нежелательны отложения на тарелках впускных клапанов. Высокая температура поверхности клапана способствует глубокой полимеризации смол, превращению их в твердые и нерастворимые даже в самых сильных растворителях отложения, которые достигают размеров, при которых начинают существенно уменьшать сечение проходных каналов й тем самым снижать мощность двигателя на 15—20 %.
Отложение смол на стержне клапана еще опаснее, так как при остывании смолы твердеют, что приводит к зависанию клапанов и 44
выходу двигателя из строя. Причем восстановить подвижность клапанов очень трудно, так как для этого приходится разбирать двигатель, что связано с большой потерей времени.
Смолы откладываются в топливных баках, топливоприемниках, фильтрах, на деталях карбюратора, форсунках систем питания с электронным управлением, вызывая прилипание якоря-клапана форсунки к седлу и полное прекращение подачи топлива. Смолистые отложения плохо растворяются даже в сильных растворителях» таких. как бензол и ацетон. Из топливного бака смолы можно удалить пропариваниехМ острым паром. Относительно небольшие по габаритам детали (впускные трубопроводы, топливоприемники и т. д.) можно очистить от смол кипячением их в мыльных или содовых растворах, но следует иметь в виду, что сода активно действует на алюминий и его сплавы, поэтому алюминиевые детали можно обрабатывать только мыльными растворами.
§ 4. АВТОМОБИЛЬНЫЕ БЕНЗИНЫ
Бензины как основной вид топлива для двигателей с искровым зажиганием
Согласно ГОСТ 2084—77* автомобильные бензины выпускают пяти марок: А-72, А-76, АИ-93, АИ-98 и бензин «Экстра». Буква А обозначает целевое назначение бензина — автомобильный, буква И — метод определения октанового числа — исследовательский. Число выражает минимально допустимое ОЧ; для бензинов А-72 и А-76 — по моторному методу, а для бензинов АИ-93, АИ-98 — по исследовательскому. Для бензина «Экстра» в марке ОЧ не указано, но его фактическое значение должно быть не ниже 95 по исследовательскому методу.
Специальных маркировок бензинов по признаку сезонности применения нет. Но в периоде 1 апреля по 1 октября все бензины, кроме АИ-98 и «Экстры», выпускаются летнего вида, а с 1 октября по 1 апреля — зимнего вида. Бензины зимнего вида можно применять в любое время года в северных и северо-восточных районах, а бензины летнего вида — в южных районах страны.
Бензины «Экстра» и АИ-98 сезонных различий не имеют. Сезонность вида бензина определяется только двумя показателями его качества — фракционным составом и давлением насыщенных паров.
Бензин А-72—пеэтилированный, готовят на основе бензинов каталитического крекинга. В качестве компонента добавляют бензин прямой перегонки и небольшое количество бензина термического крекинга.
Бензин А-76 готовят на основе бензинов каталитического риформинга и каталитического крекинга с добавлением 15—30 % легкого бензина прямой перегонки. Допускается этилирование бензина, но содержание ТЭС ограничено 0,24 г/кг топлива (здесь и далее в пересчете на свинец).
45
Таблица 8
Показатель А-72 А-76 я 9Z-V АИ-93 • АИ-93 АИ-98 ♦ сю о « «г
Детонационная стойкость: ОЧМ, не менее 72 76 76 85 85 89 89
ОЧИ, не менее Не нормируется 93 93 98 98
Масса свинца, г/1 кг бензина, — 0,24 — 0,50 0,50
не более Фракционный состав: /н, К°С, не ниже * * 35 35 35 35 35 1 35 35
70 70 70 70 70 70 70
f10°C, не выше 55 55 55 55 — —
115 115 115 115 115 115 115
Z60°C, не выше 100 — 100 100 100 -
180 180 180 180 180 180 180
f80 С, не выше 160 — 160 160 160 -
195 195 195 195 195 195 195
/к,к С, не выше 185 * 185 185 185 - —
Остаток в колбе, %, не бо- 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1.5 1,5
лее Остаток и потери, %, не бо- 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3,5 4,0
лее Давление насыщенных паров, кПа: летнего вида, не более 50 50 50 50 50 50 50
зимнего вида 50—70 —— 50—70 50—70 50—70
Кислотность, мг КОН на 3,0 1,0 3,0 0,8 3,0 1,0 3,0
100 мл бензина, не более Содержание фактических смол, мг на 100 мл бензина, не более: на месте производства 5 3 5 5 3 5
на месте потребления 10 8 10 2 7 5 7
Индукционный период на ме- 600 1200 900 1200 900 1300 900
сте производства бензина, мин, не менее Массовая доля серы, %, не 0,12 0,02 0,10 0,01 0,10 0,05 0,10
более Цвет Же л- Оран- Си-
тый жевый ниЙ
качества.
* Бензин выпускают с
**Для топлива зимнего
государственным Знаком вида не нормируется.
Примечание. В числителе даны значения для летнего вида топлива, в знаменателе — для зимнего.
46
Бензин А И-93 имеет октановое число по моторному методу не менее 85. Выпускают его в этилированном и неэтилированном вариантах. Содержание ТЭС ограничено 0,5 г/кг топлива.
Бензин АИ-98 имеет октановое число по моторному методу не менее 89. Выпускают его также в этилированном и неэтилированном вариантах. При этилировании количество ТЭС не должно превышать 0,5 г/кг топлива. Готовят на основе неэтилированного варианта бензина АИ-93.
Неэтилированные бензины А-76, АИ-93 и АИ-98 выпускают с государственным Знаком качества. Бензин «Экстра» выпускается только в неэтилированном варианте. Готовят на базе бензина ката* литического крекинга легкого режима с добавлением изоалкановых и ароматических компонентов. Основные показатели качества автомобильных бензинов в соответствии с ГОСТ 2084—77* приведены в табл. 8.
В бензинах всех марок не должно быть водорастворимых кислот и щелочей, воды и механических примесей. ГОСТами допускается вырабатывать бензины, предназначенные для применения в южных районах, со следующими показателями по фракционному составу:
не выше 75 °C; /50 не выше 120 °C. Для бензинов А-76, АИ-93 и АИ-98 летнего вида, изготовленных с применением компонентов каталитического риформинга, допускается повышение до 205 °C, для подобных бензинов А-76 и АИ-93 зимнего вида—до 195 °C.
Заменители бензина
Опыт прошлых лет и современные исследования показали, что практически заменителями бензина могут быть три вида жидких топлив: спирты (метиловый и этиловый), аммиак, скипидар. Причем ни одно из перечисленных жидких топлив полноценным заменителем бензина быть не может, хотя по отдельным показателям качества некоторые из них, например спирты, превосходят бензины.
В табл. 9 приведены химико-физические свойства спиртов в сравне-нении с бензином.
Анализируя данные табл. 9, можно сделать вывод, что применение в качестве топлива спиртов требует прежде всего увеличения пропускной способности жиклеров в карбюраторе или изменения программы дозирования в системах питания с электронным управлением. При желании сохранить запас хода автомобиля необходимо увеличить объем топливных баков примерно в 2,3 раза для метанола и в 1,6 раза для этанола. Это объясняется существенно меньшей теплотой сгорания этих топлив по сравнению с бензином. Вязкость метилового спирта и бензина практически одинакова, а вязкость этилового спирта в 3,5 раза больше, что требует увеличения сечения жиклеров карбюратора. Высокая скрытая теплота испарения спиртов, особенно метилового, ухудшает пуск холодного двигателя, вызывая тем самым необходимость более интенсивного подогрева впускного трубопровода. Для достижения удовлетворительных пусковых свойств к спиртам добавляют небольшое количество димети-
47
Таблица 9
Ноказаге-ъ Бензин АИ-98 «Метанол Этано 1
Плотность 100 111 112
Теплота сгорания 100 44 62
ОЧИ 100 ПО 105
Теплота испарения Теплоемкость 100 360 290
Температура застывания Коэффициент диффузии 100 85 77
Поверхностное натяжение 100 100 118
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива 100 42,6 60
Вязкость 100 НО 350
Токсичность Высокая Очень высокая Умеренная
лового эфира или других легковоспламеняющихся соединений (бензина и др.).
Одна из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение спиртов в качестве автомобильного топлива, заключается в их чувствительности к воде. Вода несколько улучшает детонационную стойкость спиртов; например, ОЧ метанола, по моторному методу равное 90 ед., при прибавлении к нему 10 % воды увеличивается на 3 ед. Вместе с тем присутствие в спирте воды снижает и без того низкую его теплоту сгорания, увеличивает коррозию деталей двигателя и особенно топливной аппаратуры.
Применение спиртов вместо бензинов возможно, но связано с рядом трудностей, все еще сдерживающих их широкое применение. Особенно следует иметь в виду высокую токсичность метилового спирта. Даже 20—30 мл метанола, попавшие в организм человека, вызывают острые отравления, приводят к полной потере зрения и смертельному исходу.
По ряду показателей спирты приближаются к бензинам и даже превосходят их. Высокая скрытая теплота испарения, ухудшающая пусковые показатели двигателя, при прогретом двигателе сущест-ственно (до 15 %) увеличивает цикловое наполнение цилиндров горючей смесью, что при высокой детонационной стойкости спиртов и связанной с этим возможностью повышения степени сжатия до 14 позволяет увеличить литровую мощность двигателя, что объясняется значительным понижением температуры горючей смеси и увеличением ее плотности. Возможностью понижения температуры заряда широко пользуются при подборе топлива для гоночных высокофорсированных двигателей.
В настоящее время в ряде стран спирты начинают применять как заменители бензина, поскольку для их использования не требуется принципиальных изменений конструкции обычных бензиновых двигателей, хотя необходимо учесть отмеченные особенности этих топлив, например высокую токсичность. Особо следует отметить целе-48
сообразность использования спиртов как добавок к бензинам. Практически добавляют к бензину до 15 % метанола. За рубежом эти смеси называют газохолом, стоимость их на 30 % ниже стоимости бензина.
Серьезной проблемой при использовании спиртов является увеличение износа двигателя, особенно на режимах прогрева, так как образующиеся при неполном сгорании этанола уксусная и муравьиная кислоты резко увеличивают коррозионно-механическое изнашивание цилиндров.
Считают также, что спирт, попадая на масляную пленку цилиндра, разрушает ее интенсивней, чем бензин, так как соединяясь с водой, спирт быстро образует устойчивую водомасляную эмульсию, которая резко понижает смазывающие свойства масел и тем самым способствует увеличению износа двигателя. Применение масел специальных марок, стойких к образованию эмульсий, показало, что увеличенные износы при применении чистого этанола прекратились и практически стали равными взносам при применении бензина. Увеличения износов при применении бензина с 20 % спирта в странах с жарким климатом не наблюдалось.
Токсичность отработавших газов при использовании в качестве топлива спиртов (например, метанола) несколько снижается. Это прежде всего объясняется более низкими средними температурами в зоне сгорания, а следовательно, и меньшим образованием оксидов азота. Кроме того, содержание в отработавших газах углеводородов снижается в среднем в 20 раз.
Оксид углерода при применении спиртов и а < 1 сохраняется на том же уровне, что и при работе на бензине. Только в зоне стехиометрического состава горючей смеси (а = 1) наблюдается резкое сокращение СО и при самом незначительном дальнейшем обеднении смеси (а-= 1,01) — полное его исчезновение. Существенно уменьшается содержание в отработавших газах ароматических и особенно полициклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами.
Применение спиртов при относительно невысокой степени сжатия двигателей увеличивает содержание альдегидов почти в 2 раза, а при повышении степени сжатия до 10—14 их содержание в отработавших газах снижается.
Использование спиртов (метанола и этанола) для автомобильных ГТД показало, что главным их преимуществом является снижение количества оксидов азота в отработавших газах. По всем другим показателям они примерно равноценны аналогичным показателям дизельного топлива. На режимах полной мощности содержание оксида углерода и углеводородов на метаноле несколько выше, чем при использовании нефтяного топлива.
Так же как и в поршневых двигателях, благодаря низкой теплоте сгорания спиртов их расход при одинаковой мощности более чем в два раза превышает расход нефтяного топлива. Если пуск поршневых двигателей (особенно при низких температурах) на метаноле затруднителен и требует принятия специальных мер, то на авто-
49
мобильных газотурбинных двигателях пусковые свойства метанола и нефтяного топлива благодаря интенсивному распиливанию топлив форсунками практически были одинаковы, но токсичность отработавших газов при пуске была меньше на нефтяном топливе.
Все приведенные данные о применении спиртов в качестве топлива получены на поршневых бензиновых или газотурбинных двигателях, не созданных специально для применения этого вида топлив.
При учете специфических свойств спиртовых топлив и, главным образом, их высокой теплоты парообразования, коррозионной активности показатели двигателей будут несколько лучше. Но во всех, даже самых совершенных двигателях, сконструированных специально для спиртовых топлив, такой их недостаток, как низкая теплота сгорания, всегда проявляется в увеличении расхода топлива.
Применение вместо бензина аммиака NH3 выгодно тем, что сырьевая база для его производства практически неограниченна, поскольку сырьем для получения аммиака являются вода и воздух. Это открывает большие возможности автономного получения аммиака на специализированных установках с мощным ядерным энергетическим комплексом. Технологию его получения можно представить следующим образом. Из воздуха получают азот, из воды — водород. Далее идет синтез целевого продукта. Побочным продуктом является кислород. Такие установки могут быть доставлены и смонтированы в любом труднодоступном районе, куда доставка обычного топлива невозможна.
К положительным свойствам аммиака как топлива для двигателей внутреннего сгорания следует отнести исключительно высокую детонационную стойкость (ОЧМ-111, ОЧИ-132), позволяющую увеличить степень сжатия до 12, что дает возможность в значительной мере компенсировать его высокую температуру самовоспламенения и низкую скорость сгорания.
В двигателях, в которых предполагается применять в качестве топлива аммиак, должна быть создана высокая турбулентность заряда и повышена мощность искрового разряда (например, с использованием плазменного разряда).
Пожарная опасность аммиака значительно меньше, чем бензина, ио токсичность, особенно при вдыхании паров, требует при обращении с ним специальных мер предосторожности. Более перспективно использовать аммиак не в чистом виде, а в смеси с гидразином N2H4. Опыт использования гидразина позволяет прогнозировать более эффективное сгорание бинарного топлива, чем чистого аммиака.
Токсичность отработавших газов при работе на азотоводородных топливах меньше, чем на нефтяных и спиртах, так как продуктами их сгорания являются азот и вода.
Детонационная стойкость бинарных топлив меньше, чем чистого аммиака, так как гидразин обладает большой склонностью к детонации. Высокое ОЧ аммиака позволяет добавлять к нему гидразин» не снижая существенно детонационную стойкость смеси.
Добавление в бинарное топливо воды также способствует удержанию его детонационной стойкости на приемлемом уровне. При этом 50
следует иметь в виду, что теплота сгорания, которая у аммиака и гидразина почти в 2,5 раза меньше, чем у бензина, может стать неприемлемо низкой (значительно ниже, чем у спиртов).
Таким образом, рассмотренные виды топлива, если учесть всю совокупность их показателей, уступают бензинам. Поэтому, вероятнее всего, в определенных условиях спирты получат применение в качестве моторных топлив, но равноценными заменителями бензина они стать не смогут. Скипидар и аммиак могут использоваться только в случае крайней необходимости. Более перспективными видами топлив окажутся синтетические углеводородные топлива, полученные по усовершенствованной и экономически выгодной тех* нологии из каменных углей различных месторождений и кондиций.
ГЛАВА 3
ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА И ТОПЛИВА ДЛЯ ТГТД
§ 5. ТРЕБОВАНИЯ К ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВАМ
В отличие от двигателей с искровым зажиганием в дизелях происходит самовоспламенение топлива при его впрыскивании в камеру сгорания двигателя. Температура воздуха для надежного самовоспламенения топлива в момент начала подачи топлива должна составлять 500—600 °C. Для достижения такой температуры воздуха степень сжатия должна быть значительно выше, чем у двигателей с искровым зажиганием, и достигать 16—17, а в некоторых случаях и 23.
При турбонаддуве, когда в цилиндры поступает предварительно сжатый и нагретый в турбокомпрессоре воздух, степень сжатия может быть понижена до 10—13, а при высоком наддуве — до 8.
Для нормальной работы дизеля топливо должно обладать оптимальной способностью к самовоспламенению. Эго свойство зависит от группового химического состава, гак как различные углеводороды обладают и различной склонностью к самовоспламенению.
Высокая степень сжатия, необходимая для воспламенения топлива, является также основным фактором, определяющим топливную экономичность дизелей, которая на 30—40 % выше, чем у двигателей с искровым зажиганием. Это в основном способствует более широкому применению дизелей во всех отраслях народного хозяйства.
В настоящее время на судах морского и речного флота, железнодорожном транспорте, тракторах и сельскохозяйственных машинах осуществлена полная дизелизация.
51
С каждым годом все большее распространение получает дизели-зация автомобилей. Большегрузные автомобили и карьерные самосвалы имеют теперь только дизельные силовые установки.
Важнейшее эксплуатационно-техническое требование к дизельным топливам состоит в том, что так же, как топлива для двигателей с искровым зажиганием, они должны быть эффективным энергоно-ситетем, т. е. обладать высокой теплотой сгорания. Кроме того, при всех возможных условиях применения должны быть гарантированы:
бесперебойная подача топлива как из' бака к топливной аппаратуре, так и в цилиндры двигателя;
надежное смесеобразование, г. е. обладание оптимальными вязкостью, плотностью, фракционным составом, поверхностным натяжением и давлением насыщенных паров;
надежная воспламеняемость, мягкая работа двигателя, полное сгорание без образования сажи и особо токсичных и канцерогенных продуктов в отработавших газах;
минимальное образование нагара и отложений в зоне распылителей форсунок и в камере сгорания;
минимальная коррозионная активность;
возможно большая физическая стабильность при длительном хранении и транспортировке;
невысокая токсичность.
Топливо должно также иметь широкую и недефицитную сырьевую базу, а стоимость его производства, хранения, транспортировки и заправки транспортных средств должна быть экономически целесообразной.
Существует определенная закономерность: чем больше частота вращения вала двигателя, тем выше требования к топливам. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения уменьшается время, за которое должны произойти процессы смесеобразования и сгорания топлива. Для современных дизелей легковых автомобилей это время составляет 1,5—2,0 мс. Поэтому для обеспечения удовлетворительного протекания подготовительных и основных процессов сгорания применяют разделенные камеры сгорания и легкий фракционный состав топлив.
Для мало- и среднеоборотных двигателей используют более тяжелые топлива, причем их ЦЧ не нормировано, так как задержка воспламенения в таких дизелях всегда хорошо согласуется со скоростью (законом) подачи топлива.
Судовые двигательные установки (особенно на крупнотоннажных судах) всегда имеют систему предварительной подготовки топлива (подогрев и очистка), поэтому требования к вязкости и загрязнению этих топлив ниже, чем для топлив быстроходных автомобильных и тракторных дизелей.
Тепловозные двигатели по быстроходности занимают промежуточное место, однако в целях упрощения структуры сортамента дизельных топлив их питание осуществляют топливом для быстроходных дизелей.
52
§ 6. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
Свойства топлива, обеспечивающие его бесперебойную подачу
На подачу топлива влияют присутствие в топливе механических примесей и воды; вязкостно-температурные свойства топлива; температура помутнения и застывания.
Как известно, в топливоподающей аппаратуре дизелей имеются прецизионные детали (зазор в плунжерной паре топливного насоса 1,5—2,0 мкм), и это предопределяет очень высокие требования к чистоте дизельного топлива. Механических примесей и воды в дизельном топливе быть не должно. Контроль за выполнением этого требования осуществляется специальным стандартным методом.
Через доведенный до постоянной массы бумажный фильтр отфильтровывают разбавленное бензином дизельное топливо.
Увеличение первоначальной массы фильтра, отнесенное к массе пропущенного через фильтр топлива, выраженное в процентах, и характеризует количество механических примесей.
Опыт применения топлив, особенно в сельском хозяйстве, показывает, что при нарушении правил их транспортировки, складирования, перекачки и заправки в баки в топливо попадают вода и различные примеси, которые не только резко увеличиваю! износ топливной аппаратуры и двигателя, но могут зызвати и отказы их работы. Этому способствует то, что загрязнения, вследствие большей вязкости дизельного топлива, оседают на дно топливных баков и емкостей для хранения значительно медленнее, чем в бензине.
Показатели качества дизельного топлива существенно ухудшаются при попадании в топливо воды. Вода присутствует в топливе в свободном или в растворенном состоянии. Но чаще всего наблюдается присутствие воды в обоих состояниях одновременно.
Свободная вода находится в топливе в виде эмульсии, причем если размер капель составляет доли микрона, то топливо даже не теряет прозрачности; с увеличением размера капель топливо постепенно мутнеет и становится непрозрачным. Растворимость В'.щы в топливе зависит от температуры и может изменяться or 0,003 % при 0 °C до 0?01 % при 2'7 °C.
Загрязнение дизельного топлива значительно возрастает при работе автомобилей и тракторов в запыленных условиях. При содержании пыли в воздухе 1—2,5 г/м3 загрязнений в топливе в 2— 3 раза больше, чем в момент заправки. Рекомендуется, например, перед заправкой дизельного топлива в баки отстаивать его в емкостях в течение 10 дней.
С повышением вязкости топлив их предварительное отстаивание теряет свою эффективность; поэтому вязкие топлива, применяемые для судовых силовых установок, подвергаются обычно центробежной очистке в специальных сепараторах, часто непосредственно на борту судов. При предварительной сепарации маловязких дизельных топлив содержание в них механических примесей уменьшается на 70—80 %, а вода полностью удаляется. Средневязкие
53
главное, нагретое топливо желательному окислению,
Рис. 9. Вязкостно-температурные характеристики дизельных топлив:
I — летнего; 2 — зимнего
топлива (флотский мазут Ф5) при сепарации освобождаются от механических примесей на 50—60 %, а от воды — на 95 %. Вместе с тем при сепарировании теряется до 2—3 % топлива, увеличиваются энергетические затраты, поскольку перед сепарацией топливо нагревают до 50—100 °C, а во время сепарации подвергается невызывающему повышение содержания
в нем смол и органических кислот.
Самым надежным способом очистки дизельного топлива является
фильтрация, поэтому топливоподающая система дизелей обязательно включает фильтры, назначение которых — максимально возможно защитить топливный насос высокого давления, форсунки и двигатель в целом от механических примесей, которые по тем или иным причинам накапливаются в топливе.
С учетом решающего значения фильтрации для обеспечения чистоты топлива, в стандарты на топливо для быстроходных дизелей введен новый показатель качества — коэффициент фильтруемости (ГОСТ 19006—73).
Сущность определения этого показателя состоит в пропускании 10 порций топлива по 2 мл каждая через фильтровальную бумагу, закрепленную в специальной державке прибора. Время прохождения топлива через фильтр замеряют секундомером. Коэффициент фильтруемости представляет собой отношение времени фильтрации последних 2 мл топлива к времени фильтрации первых 2 мл. Обычно у товарных дизельных топлив коэффициент фильтруемости меньше трех, что удовлетворяет требованиям стандарта.
Основное влияние па фильтруемость дизельных топлив оказывают групповой химический состав и кислотность топлива. Нафтеновые кислоты, особенно в присутствии воды, образуя студенистые осадки, резко снижают фильтруемость топлив.
Большое значение для бесперебойной подачи топлива имеют его вязкость и вязкостно-температурные свойства (вязкостно-температурные характеристики дизельных топлив показаны на рис. 9). Чем меньше вязкость дизельных топлив, тем надежнее их подача, лучше фильтруемость и низкотемпературные свойства. Однако при слишком малой вязкости (меньше 2,5—3 мм2/с при 20 °C) начинает сказываться перетекание топлива через зазоры секций насоса высокого давления и форсунок, и коэффициент подачи насоса уменьшается. При этом ухудшаются смазывающие свойства топлива, что приводит к увеличению износа плунжерных пар. Поэтому в стандарте вязкость нормируется диапазоном от минимальной до максимальной при 20 °C, Понятно, что при пуске и прогреве холодного двигателя,
54
особенно зимой, вязкость топлива значительно выше, а при номинальном тепловом режиме — ниже указанных в стандарте предельных значений.
Определяют вязкость дизельных топлив, как и бензинов, капиллярным вискозиметром.
При низких температурах, близких к температуре помутнения, в дизельных топливах могут проявляться признаки структурной вязксти, при которой вязкость зависит не только от температуры, как в ньютоновской жидкости, но и от градиента скорости сдвига слоев жидкости. Чем выше этот показатель, тем меньше вязкость топлива при той же температуре.
С увеличением давления (в современных топливоподающих системах давление впрыскивания может превышать 100 МПа) вязкость топлива повышается. Уже при давлении 20 МПа вязкость топлива увеличивается в 2 раза, при давлении 60 МПа — в 4 раза, при давлении 100 МПа — в 10 раз.
С понижением температуры вязкость дизельных топлив возрастает, затрудняя наполнение секций насоса высокого давления; однако практически нарушение подачи топлива наступает только при температуре ниже температуры его помутнения. Помутнение топлива связано с образованием в нем при охлаждении микрокристаллов алканов (парафина), имеющих высокую температуру застывания. При дальнейшем понижении температуры число и размеры кристаллов увеличиваются, они начинают сращиваться, образовывать структурные решетки, текучесть топлива постепенно уменьшается, и топливо застывает.
Применять топливо можно только до его помутнения. При помутнении кристаллики парафина постепенно забивают фильтры, и подача топлива прекращается. В зависимости от группового химического состава топлива температура его помутнения на 5—10Q выше температуры застывания. Если в топливе хотя бы в очень небольших количествах имеется вода, помутнение начинается уже при температуре минус 1—0 °C.
В целях понижения температуры застывания в топливо добавляют депрессоры, т. е. вещества, которые благодаря своей высокой поверхностной активности обволакивают тончайшей пленкой микроскопические кристаллики застывшего парафина, предотвращая таким образом их дальнейший рост и сращивание в пространственные структуры. Снижение те^мпературы застывания имеет большое практическое значение, так как дает возможность перекачивать и сливать топлива при низкой температуре. При благоприятных условиях 1 % депрессорной присадки понижает температуру застывания на 20 °C и более.
Депрессорные присадки не предотвращают образование кристаллов парафина и не снижают температуру помутнения, не снижают они и опасность забивания фильтров парафином и кристалликами льда.
При размещении топливных фильтров на автомобилях и тракторах необходимо помнить о низкотемпературных свойствах дизельных
55
топлив. Наиболее целесообразным является их размещение в подкапотном пространстве.
Эффективным средством улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив является их депарафинизация, т. е. частичное или полное удаление парафинов вымораживанием с последующим отделением застывших парафинов на специальных фильтрах. Депарафинизацию проводят только для арктических марок дизельных топлив, температура застывания которых не должна быть выше —60 °C.
Таким образом, на бесперебойную подачу топлива влияют чистота топлива, вязкость и вязкостно-температурные характеристики и низкотемпературные свойства (температура помутнения и температура застывания).
Испаряемость дизельных топлив
Процесс испарения дизельных топлив происходит в условиях высоких температуры и давления, а также интенсивных вихревых движений воздуха, характерных для внутренней полости камеры сгорания дизеля в конце такта сжатия.
Время, отводимое на нагревание, зависит от частоты вращения вала двигателя и составляет: от 50 мс для тихоходных двигателей до 0,5 мс для быстроходных (с частотой вращения 6000 мин"1). На испарение дизельного топлива влияют те же физико-химические свойства его, что и на испарение бензинов в двигателях с искровым зажиганием, но количественно условия испарения в бензиновом двигателе и дизеле различны. Поэтому, несмотря на то, что такие физические параметры, как давление насыщенных паров, коэффициент диффузии, поверхностное натяжение, фракционный состав топлива, значительно отличаются от аналогичных показателей бензина, поданное в камеру сгорания дизельное топливо успевает испариться.
Процессы внутреннего смесеобразования, характерные для дизелей, нельзя рассматривать отдельно от процессов воспламенения и сгорания топлива.
Рассмотрим количественные значения основных физико-химических свойств топлива, оказывающих влияние на процесс смесеобразования.
Все топлива, применяемые для дизелей, имеют более тяжелый фракционный состав, чем бензины. Начало их кипения находится в интервале температур, в котором кончают выкипать бензины, или несколько ниже. Диапазон кипения дизельных топлив обычно 150— 360 СС: для тихоходных, стационарных и судовых дизелей используют более тяжелое топливо, выкипающее при температуре 230— 360 °C (газойль), или соляровые фракции с температурой перегонки 300—400 °C (для судовых тихоходных дизелей, имеющих систему подготовки топлива, можно использовать и более тяжелые топлива, например топливо ДМ — мазут).
Особый класс представляют собой топлива широкого фракционного состава (ТШФС), применение которых с каждым годом будет
56
Рис. 10. Влияние температуры на поверхностное натяжение:
J — бензин; 2 — дизельное топливо: й — метиловый спирт
значительное увеличение этих
увеличиваться. Температура кипения их 60—350 °C. Все температуры кипения указаны при атмосферном давлении.
При оценке испаряемости топлив в реальных условиях процесса в дизелях необходимо учитывать
температур в связи с высоким давлением среды, где происходит испарение, К моменту подачи топлива в камеру сгорания давление воздуха в ней составляет: в двигателях без наддува 5—6 МПа, а при наддуве 7—10 МПа.
На процесс испарения дизельных топлив большое влияние оказывает поверхностное натяжение: чем меньше поверхностное натяжение, тем тоньше и однороднее распыливание топлива форсунками, способствующее ускорению процессов испарения и смесеобразования.
Поверхностное натяжение дизельного топлива при одинаковой температуре на 30—40 % больше, чем у бензина, но так как его распыливание происходит при более высокой температуре, то практически такой разницы не ощущается. Например, уже при температуре 100 °C поверхностное натяжение дизельного топлива становится практически равным поверхностному натяжению автомобильного бензина при температуре 30 °C. Зависимость поверхностного натяжения дизельных топлив от температуры показана на рис. 10.
Давление насыщенных паров дизельного топлива меньше влияет на процесс его испарения, чем давление паров бензина в двигателе с искровым зажиганием, поскольку это давление при характерных для дизеля соотношениях жидкой и паровой фаз очень нестабильно и процесс испарения происходит при высоком давлении среды.
Склонность топлива к самовоспламенению.
Цетановое число
Воспламенение топлива в дизеле — сложный и многостадийный процесс. Поскольку посторонних источников воспламенения топлива дизель не имеет, то важнейшим показателем дизельного топлива является склонность его к самовоспламенению. Топливо при впрыскивании в камеру сгорания воспламеняется не сразу. Всегда происходит определенная задержка воспламенения. Чем она меньше, тем более плавно идет процесс сгорания, а следовательно, двигатель испытывает меныние динамические нагрузки, работает мягко, без стуков.
Для четкой и однозначной оценки склонности топлива к самовоспламенению стандартизован специальный показатель—цетановое число.
57
Рис. 11. Установка ИТ9-ЗМ для определения ЦЧ топлив по методу совпадения вспышек:
/ — пульт управления; 2 — бачки для исследуемого и эталонных топлив; 3 — система впуска и подогрева воздуха; 4 — зеркало для наблюдения через визирную трубку расположения вспышек неоновых ламп; 5 — маховички для управления механизмом изменения степени сжатия; 6 — картер двигателя; 7 — рукоятка (маховичок) для фиксации поршня; 8 — рукоятка (маховичок) для перемещения поршня; 9 — направляющая поршня; 10 —• замок (пружинящая звездочка), фиксирующий поршень; 11 — поршень, изменяющий объем предкамеры
Цетановым числом (ЦЧ) называют процентное (по объему) содержание цетана в смеси его с а-метилнафталином при условии, что эта смесь на стандартной установке и стандартном режиме имеет такую же задержку воспламенения, как и исследуемое топливо.
Определение ЦЧ производится на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69, основным агрегатом которых является одноцилиндровый предкамерный дизель рабочим объемом 652 см3 и переменной степенью сжатия (рис. 11).
В качестве эталонных топлив используют два индивидуальных углеводорода — цетан (нормальный гексадекан С1вН34) и а-метил-нафталин (ароматический углеводород CnH1(J). Цетан обладает высокой склонностью к самовоспламенению (имеет малую задержку самовоспламенения), и его воспламеняемость условно принята за 100 ед. а-метил нафталин, наоборот, имеет большую задержку самовоспламенения, и его воспламеняемость принята за 0.
Составляя смеси цетана и а-метилиафталина в объемных процентах, можно получить топливо с ЦЧ от 0 до 100. ЦЧ определяют методом совпадения вспышек. Сущность этого метода заключается в следующем.
К маховику двигателя установки крепят специальный обод, на котором монтируют две неоновые лампы, расположенные на ободе маховика таким образом, что центральный угол между ними состав-58
ляет 13°. В ободе маховика напротив ламп выполнены прорези, которые можно наблюдать через специальную визирную трубку. Первая лампа вспыхивает в момент начала подачи топлива: контактное устройство, включающее ее (индикатор впрыскивания), смонтировано на форсунке. Вторая лампа вспыхивает в момент начала воспламенения топлива; индикатор воспламенения, управляющий ею, замыкает цепь при резком изменении давления в цилиндре.
Во время работы двигателя обе лампы периодически вспыхивают, и наблюдатель четко видит две светящиеся полоски. Полоска от неоновой лампы, фиксирующая момент впрыскивания, независимо от режима работы вспыхивает под визирной нитью смотровой трубки, так как угол опережения впрыскивания по условию постоянен и равен 13° до ВМТ, а полоска от лампы, фиксирующей момент воспламенения топлива, оказывается под визирной нитью только в том случае, если задержка воспламенения соответствует углу опережения, т. е. 13°. Если задержка воспламенения больше 13°, то вторая полоска видна за визирной нитью по направлению вращения вала двигателя, а если меньше 13е, то до визирной нити.
В процессе испытаний добиваются, чтобы задержка воспламенения при работе на испытуемом и эталонном топливах была одинаковой (равной 13°). Тогда острые концы световых полосок совпадают и оказываются под визирной нитью смотровой трубки. Отсюда и название метода «совпадение вспышек» (СВ).
Режим работы двигателя при определении ЦЧ топлив
Частота вращения вала двигателя, мин’1 .................. 900± 10
Температура, °C: охлаждающей жидкости...................................... 100±2
всасываемого воздуха (перед поступлением в цилиндр двигателя) ............................................. 65± 1
масла в картере...................................... 50—65
воды, охлаждающей форсунку........................... 38±3
Давление, ЛШа: в масляной магистрали ................................... 0,17—0,24
впрыскивания топлива...................................... 10,6±0,4
Угол опережения впрыскивания............................. 13° до ВМТ
Расход топлива, мл/мин......................................... 134^0,5
Ниже приведен порядок определения ЦЧ.
1. Двигатель пускают, прогревают и выводят на стандартный режим.
2. Устанавливают расход топлива 13 мл/мин, подбирая подачу топливного насоса.
3. Устанавливают угол опережения впрыскивания 13е до ВМТ. Для этого включают неоновую лампу индикатора впрыскивания и регулируют зазор между контактами индикатора, пока в смотровой трубе не появится светящаяся черта. После этого, вращая микрометрический винт, связанный с механизмом изменения угла опережения впрыскивания, добиваются такого положения, при котором конец светящейся полоски совпадает с визирной нитью смотровой трубы. При достижении этого совпадения угол опережения впрыскивания точно равен требуемому.
4. Определяют критическую степень сжатия на одном из эталонных и исследуемом топливах. С этой целью открывают крап на выпускной трубе и, отпустив контрящую рукоятку, вращают штурвал, уменьшая степень сжатия до появления пропусков воспламенения. Появление пропусков сопровождается белым дымом
59
на выпуске. После появления пропусков степень сжатия постепенно увеличивают до исчезновения белого дыма на выпуске, затем кран на выпускной трубе закрывают.
Законтрив штурвал, записывают показания на шкале микрометра и по номограмме определяют критическую степень сжатия.
5. Определяют степень сжатия, при которой наблюдается совпадение вспышек неоновых ламп на маховике. При этом необходимо, чтобы степень сжатия, соответствующая совпадению вспышек, была на 2 ед. больше критической. При несовпадении вспышек степень сжатия изменяют до тех пор, пока пе наступит необходимое совпадение светящихся полос в смотровой трубе.
Сравнение испытуемого образца с эталонами заключается в подборе двух смесей эталонных топлив, причем одна из смесей должна давать совпадение вспышки при большей степени сжатия, чем на испытуемом топливе, а другая — при меньшей (следует помнить, что при изменении степени сжатия нужна специальная регулировка контактов индикатора воспламенения).
Каждая из определяемых степеней сжатия требует трехкратного проведения испытаний, после чего подсчитывают ее среднее арифметическое значение (для испытуемого топлива и для каждой из двух эталонных смесей).
На основании полученных данных подсчитывают процент содержания цетана в эталонной смеси X, равноценной по воспламеняемости испытуемому топливу»
Расчет выполняют по формуле
где Л! — содержание цетана в эталонной смеси, которая дает совпадение вспышек при большей степени сжатия, чем на испытуемом топливе; Л2 — то же» ПРИ меньшей степени сжатия, чем было на испытуемом топливе; a, а2 — среднее арифметическое степеней сжати?], при которых наблюдалось совпадение вспышек на испытуемом топливе и эталонных смесях.
ЦЧ современных топлив для быстроходных дизелей должно быть не менее 45, для топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей ЦЧ не нормируется. Значение ЦЧ топлив для быстроходных двигателей важно знать потому, что этот показателль достаточно полно характеризует период задержки воспламенения, от которого зависит скорость нарастания давления в цилиндре, а следовательно, и жесткость работы дизеля.
Экспериментально установлено, что для' нормальной мягкой работы дизеля скорость нарастания давления dpldq не должна превышать 0,5—0,7 А\Па на Г поворота коленчатого вала двигателя. При больших значениях dpldq работа двигателя становится недопустимо жесткой. Внешне это проявляется стуками, повышенной вибрацией, ухудшением топливной экономичности и дымным выпуском.
При малой задержке воспламенения основная масса впрыскиваемого топлива сгорает по мере его поступления в камеру сгорания. В этих условиях процесс сгорания топлива зависит от закона его подачи и, следовательно, может быть управляемым При большой задержке первые порции поданного топлива не воспламеняются, топливо накапливается в камере сгорания, а потом сразу сгорает в очень короткий промежуток времени, вызывая быстрое повышение давления, которое резко воздействует на поршень. Максимальное тепловыделение при этом начинается в период расширения, в результате чего топливная экономичность ухудшается, происходит неполное сгорание топлива, в отработавших газах появляется дым.
60
Число атомов углерода.
Рис. 12. Зависимость ЦЧ от числа атомов углерода и структуры углеводородов:
1 — н-алканы; 2 — алкены; 3 — моноалкил алканы; 4 — моноцикланы: 5 — ароматические
Рис. 13. Зависимость продолжительности пуска дизеля в секундах от ЦЧ топлива и температуры, °C:
1 — минус 10; 2 — минус 7: 3 — минус 1;< 4 — минус 4
Задержка воспламенения зависит не только от свойств топлива, но и от ряда других факторов. Она сокращается при:
повышении степени сжатия;
росте температуры и давления воздуха на впуске; уменьшении угла опережения впрыскивания;
интенсификации распиливания топлива;
оптимальном законе подачи.
При прочих равных условиях решающим фактором, определяющим склонность топлива к самовоспламенению, является его групповой и индивидуальный химические составы. Наибольшей склонностью к самовоспламенению обладают нормальные алканы, причем чем больше молекулярная масса такого алкана, тем лучшей самовоспламеняемостью он обладает и, следовательно, более высоким ЦЧ. При одинаковом числе атомов углерода в порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются в следующем порядке: алканы, моноцикланы, ароматические углеводороды.
Зависимость ЦЧ различных углеводородов от числа атомов углерода показана на рис. 12. В табл. 10 приведены ЦЧ некоторых индивидуальных углеводородов.
От ЦЧ зависят и пусковые свойства топлива. Чем оно меньше, тем хуже пусковые свойства. На рис. 13 приведены зависимости продолжительности пуска дизеля от ЦЧ топлива при различных температурах окружающего воздуха. Чрезмерное увеличение ЦЧ, несогласованное с его испаряемостью, также нецелесообразно, так как при этом очаги рано воспламенившегося топлива встречаются с еще яеиспарившимся, неподготовленным к сгоранию топливом, что приводит к вялому, неполному с оранию и, следовательно, к ухудшению топливной экономичности двигателя при одновременном увеличении дымности отработавших газов. В меньшей степени это проявляется при пленочном и объемно-пленочном смесеобразовании.
61
Таблица 10
Угле -водороды Структура ЦЧ
сн3—(CH2)t0— CHj 72
^12^26 сн3—сн2—сн—(сн2)6—сн3 С2Н5 47
Ci2H26 сн3—(сн2) 2—с н—сн—(сн2)2—сн3 с2н5 с2н5 сн3 сн3 20
^12^26 сн3—с—сн2—сн—сн2—с—сн3 9
сн3 сн3 сн3
^16Н34 • сн3—( СН2)—СН3 100
с]6н34 сн3—(сн2)5—сн—сн—(сн2) 5—сн3 40
СНд СН3
СцНзв сн3—(сн2)3—CJ1—сн—(сн2)5—сн3 CJ45 \2Н5 67
С сн3—(сн2)7—сн—сн—(сн2)7—сн3 СН, сн, 60
24* ^50 сн3—(сн2)7 сн—(сн2)7 сн3 88
С;Н|5
Для современных дизелей вполне достаточно ЦЧ топлива, равное 45; для быстроходных дизелей (с частотой вращения 5000— 6000 об/мин) нужны топлива с более высокими ЦЧ.
Коррозионное воздействие топлива на двигатель и топливоподающую аппаратуру
Основной причиной коррозионного воздействия дизельных топлив на металлы являются содержащиеся в них соединения серы. В отличие от бензинов в дизельном топливе допускается содержание небольшого количества меркаптановой серы, которая относится к ее активным соединениям.
62
Общее содержание серы в топливе зависит от способов его очистки и 01 того, из каких нефтей получают это топливо. В топливе из малосернистых нефтей допускаемая норма серы составляет 0,2 %. В неочищенном топливе из сернистых нефтей содержание серы может достигать 1 и даже 1,3 %, поэтому эти топлива обязательно подвергают гидроочистке. Поскольку процесс гидроочистки удорожает стоимость производства топлив, то стандарт предусматривает выпуск двух видов дизельных топлив: 1) с предельной нормой серы — 0,2 %, 2) с содержанием серы до 0,5 % (ГОСТ 305—82).
Для топлив, применяемых в средне- и малооборотных двигателях, предельная норма содержания серы повышается до 1,5, а иногда и до 3 %. Использование топлив с высоким содержанием серы допустимо только с одновременным использованием масел со специальными присадками, уменьшающими вредное воздействие серы на двигатель.
Высокую эффективность нейтрализации коррозионного воздействия соединений серы обеспечивают также специальные присадки, вводимые непосредственно в дизельное топливо. Их действие основано или на химической нейтрализации агрессивных продуктов непосредственно в цилиндре двигателя, или на образовании защитных пленок на зеркале цилиндров и поршневых кольцах.
В двигателе возможны два механизма действия соединений-серы, влияющих на интенсивность коррозии и коррозионного износа:
1) высокотемпературный механизм, действующий в полости цилиндра, где происходит газовая коррозия, которую вызывают образующиеся при сгорании топлив сернистый и серный ангидриды (SO2 и SO3). Коррозионное воздействие SO3 в несколько раз больше, чем SO2;
2) низкотемпературный механизм действия, обусловленный образованием сернистой и серной кислот, которые накапливаются в картерном масле и в низкотемпературных отложениях (шламе).
Стендовые и дорожные испытания показали, что изнашивание
поршневых колец и стенок цилиндра увеличивается пропорционально возрастанию содержания серы в топливе (рис» 14). Действие серы по второму механизму в значительной степени зависит от температуры охлаждающей жидкости, возрастая при ее понижении. Содержание серы в топливе способствует увеличению количества углистых
отложений в высокотемпературных зонах и значительно увеличивает их твердость, вызывая интенсивное абразивное изнашивание цилиндров и поршневых колец.
Контроль общего содержания серы в топливе производится в лабораторных условиях. С этой целью в стандартной
Рис. 14. Влияние содержания серы в топливе «а износ двигателя (оценка износа производилась по содержанию в масле железа):
J — содержание серы С.З %; 2 •== содержание серы 1,0 %
63
Д' насосу
Рис. 15. Прибор для определения содержания серы в топливе ламповом способом:
1 — дефлегматор (улавливатель брызг); 2 — реактивы поглотителей; 3 ламповое стекло; 4 лампа, в которой сжигается исследуемое топливо
лампе сжигают определенное количество топлива (рис. 15). Продукты сгорания улавливаются, и из них поглощается сернистый газ. По количеству образовавшегося сернистого газа рассчитывают содержание серы в топливе; наличие активной серы определяют пробой на медную пластинку.
Наряду с серой коррозионное воздействие на металлы оказывают н содержащиеся в топливе водонерастворимые нафтеновые кислоты, количественно оцениваемые показателем кислотности топлива.
По действующим нормам кислотность дизельных топлив не должна превышать 5 мг КОН на 100 мл топлива.
Кислотность топлива влияет не только на изнашивание деталей
топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы двигателя. Установлена связь кислотности с количеством нагара и закоксован-постью распылителей форсунок. Действие нафтеновых кислот при этом аналогично действию соединений серы.
Присутствие водорастворимых кислот и щелочей в дизельных топливах, как и в бензинах, не допускается. Контроль за этим ведут индикацией водной вытяжки топлива на нейтральность.
Влияние свойств топлива на образование нагара
Образование нагара на деталях двигателя, омываемых горячими газами, ухудшает его экономические и мощностные показатели.
В реальных условиях существует равновесное состояние, при котором количества образующегося и выгорающего нагара становятся равными, и его рост на поверхности камеры сгорания, на распылителях форсунок и в других местах прекращается. Основное влияние на равновесное состояние оказывает режим работы двигателя. Чем больше нагрузка двигателя и выше его температурный режим, тем при более тонком слое нагара устанавливается его равновесное состояние. При определенных условиях нагар может почти полностью выгорать и вновь образовываться и т. д. Интенсивность образования нагара зависит от многих факторов, в том числе и от свойств топлива.
Влияние серы на образование нагара связано с более интенсивным процессом окислительной полимеризации углеводородов в присутствии соединений серы, в том числе продуктов ее сгорания. Из табл. 11 видно влияние содержания в топливе серы на количество отложений*
64
Таблица II
Содержание серы в топ- Нерастворимые примеси Нагар на кольцах и коль
ливе, % в масле, г цевых канавках, г
0,06 11 2,1
0,85 29 5,8
2,9 52 9,0
Присутствие в топливе смол также увеличивает нагар и закоксо-ванность колец. Смолы в топливе являются вредными примесями, и их количество строго ограничивается стандартом. В зависимости от марки дизельного топлива содержание смол не должно превышать 30—50 мг на 100 мл топлива.
Достаточно полно определяет влияние топлива на образование нагара показатель его коксуемости. Содержание коксующихся веществ в топливе относительно невелико, и для повышения точности метода коксуемость определяют в 10 %-ном остатке топлива после отгонки из него более легких фракций. Коксуемость топлив зависит от группового химического состава и наличия в них продуктов окислительной полимеризации, а также от количества углеводородов, обладающих низкой термоокислительпой стабильностью.
Коксуемость дизельных топлив должна быть не более 0,3 %, а для некоторых топлив повышенного качества — не более 0,035 %.
Анализы нагара, образовавшегося в камере сгорания дизелей, показали, что в нем кроме органических соединений имеется негорючий компонент — зола, которая вызывает абразивное изнашивание деталей двигателя, так как в ней содержатся частицы высокой твердости.
Для ограничения и контроля негорючих компонентов в стандарты введен показатель зольности, которая в дизельных топливах не должна превышать 0,01 %. Методика определения зольности состоит в выпаривании навески топлива, а затем прокаливании ее в фарфоровом тигле, массу которого предварительно определяют на аналитических весах. В результате все органические компоненты топлива выгорают, и в тигле остается негорючая зола. Масса золы, отнесенная к массе навески топлива и выраженная в процентах, называется зольностью топлива.
Таким образом, чем больше в топливе серы, смол, золы, чем выше его коксуемость, тем сильнее при прочих равных условиях следует опасаться образования нагара в зоне поршневых колец и на распылителях форсунок. Увеличение содержания в топливе ароматических и непредельных углеводородов (алкенов и алкадиенов), а также утяжеление фракционного состава тоже усиливают образование нагара.
3 Покровский Г. П. 65
§ 7. ПРИСАДКИ, УЛУЧШАЮЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ
Показатели качества дизельного топлива определяются в основном составом исходного сырья (нефти), а также способом получения топлив, включая метод и качество его очистки.
Вместе с тем непрерывно возрастающая потребность в топливе и ограниченность сырьевых ресурсов заставляют искать другие методы повышения качества дизельных топлив, не зависящие от качества исходного сырья и способов его переработки.
Надежным и перспективным методом улучшения показателей качества дизельного топлива является использование присадок, воздействующих на химические и физические процессы, происходящие в топливе.
При необходимости в дизельные топлива вводят следующие присадки (в скобках указано примерное массовое содержание присадок в топливе):
1) повышающие ЦЧ (0,25—0,2 %);
2) противодымные — уменьшающие дымность отработавших газов (0,25—0,5 %);
3) антиокислительные — повышающие термоокислительную стойкость топлив (0,001—0,1 %);
4) депрессорные — понижающие температуру застывания топлива (0,01—2,0 %);
5) антикоррозионные — понижающие коррозионную агрессивность топлив (0,0008—0,005 %);
6) биоцидные — подавляющие размножение микроорганизмов (0,05—0,5 %);
7) многофункциональные (0,01—0,5 %).
Рассмотрим механизм действия некоторых присадок. Установлено, что соединения типа алкилнитратов RCH2ONO3 или RCH2ONO, перекисные соединения RCH2OOH, тионитраты RSNO и ряд других способствуют увеличению ЦЧ топлива. Полагают, что при разложении этих присадок образуются соединения, способствующие более энергичному развитию цепных предпламенных реакций, сокращающих тем самым период задержки воспламенения. Для азотсодержащих присадок такими соединениями могут быть оксиды азот,а.
В качестве присадки, увеличивающей ЦЧ дизельных топлив, применяют изопропилнитрат. Присадки, увеличивающие ЦЧ, одновременно улучшают и пусковые свойства топлива.
Противодымные присадки, улучшая сгорание топлива и снижая в отработавших газах содержание сажи, могут в значительной степени отодвинуть предел дымления дизелей.
Изучение природы возникновения сажи и ее влияния на окружающую среду показало, что очаги ее образования начинают возникать еще в предпламенных процессах в локальных областях, в которых содержание кислорода недостаточно для эффективных окислительных процессов. В этих областях начинается частичная дегидрогени-66
зация, сопровождаемая крекингом и образованием микрочастичек сажи. В дальнейшем, при более интенсивном развитии процесса сгорания, часть образовавшихся микрочастиц сажи, попадая в очаги пламени, выгорает, а оставшиеся частицы в результате высокой турбулентности газов равномерно распределяются в них, образуя характерную для дыма среду пониженной прозрачности.
Ослабить интенсивность образования дыма можно или повысив интенсивность выгорания микрочастиц сажи, или снижая интенсивность их образования. Современные противодымные присадки содержат кальций, барий, марганец и ряд других элементов. Для высокооборотных дизелей хорошие результаты дает применение двойной присадки. Необходимость в применении противодымных присадок связана с работой двигателей в закрытых или плохо вентилируемых помещениях.
Присутствие сажи в отработавших газах резко увеличивает уровень токсичности, так как многочисленными исследованиями было точно установлено ее канцерогенное влияние.
В табл. 12 приведены данные, характеризующие влияние различных противодымных присадок на снижение дымности отработавших газов при их добавлении в количестве 0,5 %.
Таблица 12
Присадка Снижение дымности. % Образование нагара, %
Отсутствует 0 100
АД-17 60 208
АД-31 67 136
АД-42 79 106
Наиболее эффективные противодымные присадки содержат соединения бария, которые усиливают нагарообразование в камере сгорания и в зоне поршневых колец. Поэтому оценивая противодымный эффект присадки, необходимо учитывать и ее влияние на интенсивность образования нагара. Например, из приведенных в таблице присадок лучшая (АД-42) снижает дымность на 79 %, увеличивая нагар только на 6 %.
Для понижения температуры застывания топлив применяют депрессорные присадки (депрессоры). Механизм действия депрессорных присадок основан на полярной активности молекул депрессора, которые покрывают мономолекулярным слоем микрокристаллики застывающего парафина и препятствуют их сращиванию. Если в качестве депрессоров используют соединения полимерного типа (сополимеры этилена и винилацетата), то основную роль здесь играют низкозамерзающие растворы полимера с растворенной в топливе водой. Действие депрессорной присадки зависит от ее количества в топливе при самых малых ее концентрациях (примерно от 0,01 до 2 %). При дальнейшем увеличении содержания присадки темпе-
3*
67
ратура застывания топлива практически не понижается, Эффективность действия присадки при малых концентрация зависит от группового химического состава топлива и, в первую очередь, от количества в нем алканов. Нефтяные смолы снижают действие депрессоров.
Влияние депрессорных присадок на температуру помутнения и застывания дизельных топлив показано в табл. 13.
Таблица 13
Топливо Температура,
помутнения астыоаиия
Дизельное топливо Л (умеренной климатической зоны):
без присадки —5 —10
с 0,1 % сополимерной присадки —5 —35
с 0,5 % присадки АзНИИ Дизельное топливо 3 (умеренной климатической зоны): —5 —30
без присадки —25 —25
с 0,5 % сополимерной присадки —25 —51
с 0,1 % присадки АзНИИ —25 —55
§ 8. ВИДЫ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Топлива широкого фракционного состава
В перспективе при больших масштабах дизелизации народного хозяйства наиболее выгодным будет применение единого для всех видов дизелей топлива — топлива широкого фракционного состава (ТШФС). ТШФС принято называть топливо, выкипающее в диапазоне температур от 60 до 360 СС. Получить такое топливо можно методом прямой перегонки нефти. Потребителем ТШФС должны стать дизели любых размеров и любой быстроходности. Особенно экономически и технически выгодным ТШФС станет при достаточно полной дизелизации народного хозяйства. Производство единого ТШФС значительно упростит весь комплекс нефтеперерабатывающей промышленности.
Из особенностей применения ТШФС следует отметить прежде всего пониженную способность этих топлив к самовоспламенению. ЦЧ их в основном зависит от нефтяного сырья и составляет не более 35—40 ед. Многие существующие дизели могут достаточно мягко работать при цетановом числе, равном 40. При дальнейшем уменьшении этого показателя жесткость работы дизелей постепенно становится недопустимо высокой, поэтому придется использовать специальные присадки, повышающие цетановое число ТШФС до общепринятых величин.
Вязкость ТШФС вполне достаточна для нормальной работы топливоподающей аппаратуры и практически всегда превышает допустимый нижний предел этого параметра. Особенно выгодно от л li
es
'чается ТШФС от обычных дизельных топлив своими низкотемпературными свойствами. Присутствие в нем легких фракций улучшает фильтруемость и прокачиваемость ТШФС и понижает температуру застывания, что особенно важно для северных и северо-восточных районов нашей страны, в которых уже в настоящее время широко используют автомобильный и другие виды транспорта с дизельными силовыми установками.
Можно представить те огромные преимущества, которые будет •иметь в народном хозяйстве использование единого типа двигателей, и главное — единого для этих двигателей топлива. Это значительно упростит не только получение топлива, но и его хранение, транспортировку и процесс заправки автомобилей, тракторов, тепловозов, теплоходов и других транспортных средств. Вместе с тем очевидны и трудности, которые необходимо преодолеть для эффективного и массового перехода на единое топливо широкого фракционного состава, предполагающего перестройку всей нефтеперерабатывающей промышленности страны, дизелизацию всех областей народного хозяйства, в которых используются двигатели внутреннего сгорания, и прежде всего автомобильного транспорта.
Маркировка дизельных топлив
В Советском Союзе стандартизовано пять марок дизельного топлива, показатели качества которых определены в двух стандартах: ГОСТ 305—82 (три марки) и ГОСТ 1667—68* (две марки). ГОСТ 305—82 ’(распространяется на топлива для быстроходных дизелей и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники. По этому ГОСТу маркировка топлив характеризует прежде всего сезонность или географическую область применения: Л — лет. ее топливо, 3 — зимнее и А — арктическое (табл. 14). Кроме того, для каждой марки отдельно обусловлена климатическая зона — умеренная или холодная, а также виды топлива — I и II. Климатическая зона применения дает возможность подразделить топливо одной и той же марки по температуре помутнения и застывания, вид топлива — по предельному допустимому содержанию в нем серы. Топлива для умеренной климатической зоны имеют более высокую температуру помутнения и застывания, топлива для холодных климатических зон — более низкую. Это дает возможность правильно распределить ресурсы топлив, учитывая большой диапазон климатических условий, в основном температурных, на огромной территории Советского Союза.
Топливо Л. предназначено для применения летом в умеренной и холодной климатических зонах при условии, что температура окружающего воздуха даже временно не опускается ниже 0 °C. Топливо 3 — для двух климатических зон: для умеренной с температурой воздуха не ниже —20 °C и для холодной — с температурой не ниже —35 °C. Топливо А арктическое, имеет температуру застывания —55 °C. Температуру помутнения для него не нормируют, так как предполагается, что это топливо подвергается глубокой
69
Таблица 1Ф
Показатель качества Марка
Л 3 А
Цетановое число, не менее 45 45 45
Фракционный состав: 50 % перегоняется при температуре, °C, не выше 280 280 255
96 % перегоняется при температуре, °C, не 360 340 330
выше Кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с 3,0—6,0 1,8—5,0 1,5—4,0
Температура застывания, °C, не выше: — 10 —35
для климатических зон —45 —55
Температура помутнения, °C, не выше: —5 —25
для климатических зон —35 —
Массовая доля серы в топливе, %, не более: I вида 0,2 0,2 0,2
II вида 0,5 0,5 0,4
Концентрация фактических смол, мг/100 см3, не бо- 40 30 30
лее Коэффициент фильтруемости, не более 3 3 3
Коксуемость 10 % -ного остатка, %, не более 0,30 0,30 0,30
Зольность, %, не более 0,01 0,01 0,01
Плотность’ при 20 °C, кг/м3, не более 860 840 830
Испытание на медной пластинке t выдерживает
Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствуют
Кислотность, мг КОН на 100 см:] топлива, не более 5 5 5
Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более 6 6 6
Содержание механических примесей Отсутствуют
Содержание воды £
Примечания: 1. В числителе приведены значения для умеренной зоны, в знаменателе — для холодной.
2 Дизельное топливо марок Л, 3, А, которым присвоен государственный Знак качества, выпускается со следующими показателями (не более):
Массовая доля серы, % ................... 0,2
Концентрация фактических смол, мг на 100 см3 топлива .... 25
Йодное число, г йода на 100 г топлива.............. 5
Зольность, % .................................... 0,008
Коксуемость 10 %-ного остатка, %................. 0,20
Коэффициент фильтруемости ....................... 2
70
депарафинизации. Так же как и другие две маркиг арктическое топливо ДБ1йускают двух видов. В малосернистом виде (вид I) содержание серы не должно быть более 0,2 %, в сернистом (вид II) — не более 0,4 %, т. е. на 0,1 % меньше, чем в летнем и зимнем топливах.
В соответствии со стандартом, при обозначении летнего топлива указывают предельное содержание серы и температуру “вспышки, допустимые для данного топлива, например, топливо дизельное Л-0,2-40 (ГОСТ 305—82). Норма серы показывает вид топлива, а температура вспышки — область применения, так как топливо, предназначенное для тепловозных и судовых дизелей, а также для газовых турбин, температуру вспышки, определяемую в закрытом тигле, должно иметь на 21 °C выше, чем для дизелей общего назначения.
При обозначении зимнего топлива вместо температуры вспышки указывают температуру его застывания, например,топливо дизельное 3-0,2, —35 °C (ГОСТ 305—82). При обозначении арктического топлива указывают только предельное содержание серы, например, топливо дизельное А-0,4 (ГОСТ 305—82) или топливо дизельное А-0,2 (ГОСТ 305—82).
Если любой из указанных марок дизельного топлива присвоен государственный Знак качества, то независимо от вида топлива содержание в нем серы не должно превышать 0,2 %, фактических смол — 25 мг на 100 см3, а зольность <0,008 %.
По ГОСТ 1667—68* для средне- и малооборотиых дизелей, к которым в основном относятся судовые двигатели, выпускают топливо двух марок — ДТ и ДМ (табл. 15). Топливо ДТ используют в дизельных силовых установках без предварительной подготовки (подо-
Таблица 15
Показатель качества Марка
ДТ ДМ
Плотность при 20 °C, кг/м3, не более 930 970
Фракционный состав, до 250°C выкипает, %, не более 15 10
Кинематическая вязкость при 50 сС, мм2/с, не более 36,0 —
Условная вязкость, °ВУ 5,0 20,0
Коксуемость, %, ие более 3,0 10,0
Зольность, %, не более Содержание серы, %, не более: 0,04 0,15
в малосернистом топливе 0,5 —
в сернистом топливе 1,5 3,0
Содержание воды, %, не более 1,0 1,5
Содержание механических примесей, %, не более 0,1 0,2
Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °C, не ниже 65 85
Температура застывания, °C, не выше —5 10
Содержание сероводорода и водорастворимых кислот и щелочей Отсутствуют
71
грева, сепарационной очистки, фильтрации), а топливо ДМ специальную подготовку должно проходить обязательно. Кроме того, для лучшей фильтруемости и распиливания топливо подогревают до температуры 60—70 °C. Содержание серы в топливе ДМ может доходить до 3 %, а зольность — до 0,15 %♦
Топливо для ТГТД
Одним из существенных преимуществ ТГТД являются его меньшие требования к топливу. В камере сгорания этих двигателей может эффективно сгорать широкий ассортимент топлива. Такие показатели, как ОЧ или ЦЧ, которые для поршневых двигателей имеют решающее значение, на эффективность работы ТГТД влияния не оказывают. Некоторые показатели топлив, такие, например, как теплота сгорания, низкотемпературные свойства, испаряемость, содержание серы и ряд других, должны сохранять свое значение, но не в такой степени, как это требуется в топливах для поршневых двигателей.
Принципиально для изготовления топлива для ТГТД можно использовать все товарные марки бензинов (авиационные и автомобильные), все марки дизельных топлив, включая тяжелые топлива для малооборотных двигателей. Может быть использовано также и газообразное топливо (природный газ, сжиженные нефтяные газы и даже водород). Надежно работают ТГТД и на таких топливах, как метанол, этанол и их смеси с бензином. Практически ТГТД пока не получили широкого распространения; в качестве топлива для этих двигателей удобнее всего применять дизельное топливо.
Отличные результаты получаются при использовании любых марок авиационных топлив для турбореактивных двигателей, дозвуковых и сверхзвуковых летательных аппаратов. Эти топлива отличаются низкой температурой застывания (минус 55—60 °C), что делает их очень удобными для применения в северных и арктических районах. Кроме того, высокая термическая стабильность и ограниченное содержание ароматических углеводородов благоприятно сказываются на работоспособности топливных форсунок: они практически не закоксовываются. Это очень важно при эксплуатации двигателей.
Без всяких затруднений, когда в этом будет необходимость, для ТГТД можно использовать топливо широкого фракционного состава. Для крупных газотурбинных силовых установок созданы и специальные топлива. Выпускают две марки таких топлив: ТГ — обычное и ТГВК — высшей категории качества (ГОСТ 10433—75). Основные показатели качества этих топлив приведены в табл. 16. Их характерной особенностью является высокое содержание серы (до 2,5 %). Это подтверждает, что ТГТД менее чувствительны к соединениям серы, чем поршневые двигатели, и предназначенные для них топлива могут иметь относительно высокое содержание серы. Это снижает стоимость топлива, но неблагоприятно влияет на окружающую среду, повышая токсичность отработавших газов.
72
Таблица 16
П о к азател j-
Марка
ТГ
Условная вязкость при 50 СС, СВУ, не более Низшая теплота сгорания, кДж/кг, не менее 3,0 39 800 3,0 39 800
Зольность, %, не более 0,01 0,01
Содержание ванадия, %, не более 0,0002 0,0004
Содержание серы, %, не более 1.0 2,5
Коксуемость, %, не более 0,5 0,5
Содержание водорастворимых кислот и щелочей Отсутствуют
Содержание воды, %, не более 0,2 0,5
Температура застывания, °C, не более 5 5
Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более 20 45
Топливо имеет несколько пониженную теплоту сгорания (Q =s = 40 МДж) и очень высокую плотность (до 935 кг/м3).
Следует отметить так называемую ванадиевую коррозию, которая особенно опасна для ТГТД. Установлено, что пятиоксид ванадия V?O5 в жидком состоянии интенсивно растворяет защитные окисные пленки на поверхности деталей (например, па лопатках газовой турбины). Достаточно очень небольшого содержания ванадия (0,001 %), и ванадиевая коррозия приобретает очень интенсивный, разрушительный характер. Так как пятиокись ванадия имеет температуру плавления 675 °C, а ее действие наблюдается только в жидком агрегатном состоянии, то самым простым методом борьбы с ванадиевой коррозией является понижение температуры газов перед турбиной до 600 °C, но это пе всегда приемлемо, так как ухудшает топливную экономичность двигателя. Поэтому чаще пользуются присадками, которые повышают температуру плавления соединений ванадия и тем самым предотвращают их вредное влияние в а двигатели.
Заменители дизельного топлива
Для заменителей дизельных топлив спирты, аммиак и скипидар неудобны тем, что имеют очень малое ЦЧ, которое определяет задержку воспламенения (хотя применяя специальные присадки, склонность топлив к самовоспламенению можно искусственно увеличить). Положительным фактором является снятие ограничения по уровню дыма, так как при работе на спирте дизель пе дымит: Это позволяет значительно увеличить максимальный крутящий момент при сохранении мощности, а следовательно, увеличить коэффициент приспособляемости двигателя, что имеет большое значение при эксплуатации тяжелых грузовых автомобилей в горных условиях.
На чистом этаноле вихрекамерпый дизель достаточно мягко работает при е = 19. Для смазывания плунжерных пар в спирт добавляли до 1 % дизельного топлива. Проводили опыты по добавлению в спирты дизельного топлива, при этом отпадала необходи-
73
мость в дорогих присадках, но возникали трудности благодаря плохой растворимости дизельного топлива в спирте. Для получения стойких эмульсий требовались специальные эмульгаторы непосредственно на автомобиле, что существенно усложняло и удорожало всю систему питания в целом.
Пробовали применять в качестве дизельного топлива различные растительные масла. Например, соевое масло обладает такой же склонностью к самовоспламенению, как и дизельное топливо-(ЦЧ-45). Но применение растительных масел в качестве дизельного топлива осложнилось тем, что их низкая термоокислительная стабильность приводит к интенсивному нагарообразованию в поршневой группе и на распылителях форсунок. Плохие вязкостно-температурные свойства растительных масел также затрудняют их использование как заменителей дизельного топливу (табл. 17).
Таблица 17
Параметры Мета -НОЛ Этанол Соевое масло Бензин Дизель-ное топливо
Плотность, кг/м3 791 789 930 740 840
Теплота сгорания, МДж/кг 22 26 37 43,80 42,7
Теплота сгорания смеси стехиометрического состава (давление 0,1 МПа, 20 °C), МДж/дм3 3175 3318 3504 3439 3475
Масса воздуха для сжигания 1 кг топлива 6,4 9,0 12,7 14,9 14,6
Скрытая теплота испарения (давление 0,1 МПа), Дж/кг 1397 1030 —“- 446 297
Температура кипения (давление 0,1 МПа), °C 64,7 78,5 180—360 30—190 170—360
ОЧ по исследовательскому методу ПО 100 — - 92 ——'-
ЦЧ Смешиваемость: с водой с углеводородным топливом 3 Хо П; 8 рошая зохая 40—50 14 Плохая Хорошая 45—55
Электрическая проводи- мость, Ом'1-см-1 4,4-10'7 1,35-10'’ — ~10"13
Вязкость (при 20 °C), мм2/с 0,50 1,00 49 0,35 2,74
Содержание кислорода, % ho массе 50 35 -11,4 '—'О <-^0
Были попытки добавлять в эти масла спирты, что в известной мере решало задачу улучшения их вязкостно-температурных характеристик, но неизбежно приводило к снижению ЦЧ.
Видимо, и для дизелей наиболее эффективным заменителем дизельных топлив станут синтетические углеводороды заданных молекулярной массой и строения, обладающие заданными показателями качества. Исходным сырьем таких топлив станет дешевый каменный уголь, неглубоко залегающий (например, Экибастузских или подобных им месторождений).
74
Жидкости, облегчающие пуск двигателей при низких температурах
При низких температурах пуск бензиновых двигателей и дизелей затруднен в основном из-за высокой вязкости моторного масла, уменьшенной емкости аккумуляторных батарей и недостаточной испаряемости топлива. В известной мере пусковые жидкости компенсируют только одну из этих причин — недостаточную испаряемость топлива. Поэтому применение пусковых жидкостей эффективно в том случае, если в двигателе используют соответствующее моторное масло с пологим протеканием вязкостно-температурной характеристики и при исправной и полностью заряженной аккумуляторной батарее.
Основным компонентом применяемых в нашей стране пусковых жидкостей «Холод Д-40» и «Арктика» является диэтиловый эфир. Он обладает хорошей испаряемостью и воспламеняемостью.
При использовании в качестве пусковой жидкости чистого эфира увеличивается износ цилиндропоршневой группы (эфир практически полностью смывает масляную пленку с зеркала цилиндра), а также возникает жесткая работа дизеля на режимах пуска и прогрева. Для устранения повышенного изнашивания цилиндров в состав жидкостей добавляют масло, а для уменьшения жесткости работы — изопропилнитрат.
Состав пусковых жидкостей зависит от типа двигателей, для которых они предназначены. Например, жидкость «Холод Д-40», предназначенная для облегчения пуска дизелей, содержит диэтилового эфира 58—62 %, изопропилнитрата 13—17 %, очень легкого бензина 13—17 %, смазочного масла 9—11 %.
Пусковая жидкость «Арктика», применяемая для карбюраторных двигателей, содержит диэтилового эфира 54—56 %, легкого бензина 38—43 %, изопропилнитрата 2—4 % и смазочного масла 1,5— 2,5 %.
ГЛАВА 4
ГАЗООБРАЗНЫЕ ТОПЛИВА
§ 9. ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Применять газ в качестве топлива для двигателей начали •еще в середине XIX в. с появлением первых газовых двигателей Ленуара. Эти двигатели были несовершенны, работали без предварительного сжатия. После появления бензиновых (или, каких тогда называли, газолиновых) двигателей к газообразному топливу обращались только когда возникали трудности с жидким топливом.
75
В настоящее время газообразное топливо приобретает большее значение как удобный и эффективный энергоноситель для всех отраслей народного хозяйства. Закономерен и тот интерес, который все больше проявляется к газу как к моторному топливу.
Широкое использование газообразного топлива, особенно для транспортных (главным образом, автомобильных) двигателей, связано с трудностями его хранения на транспортных средствах и их заправкой. Поэтому при массовом переводе двигателей с жидкого топлива на газообразное необходимо будет создать надежные модификации двигателей и топливоподающей аппаратуры и построить разветвленную сеть газонаполнительных и компрессорных станций.
Использование газообразных топлив дает следующие преимущества:
1) появляется возможность ввести в сферу применения дополнительный энергоноситель, что позволит сохранить для химической промышленности нефть — ценнейшее химическое сырье;
2) снижается токсичность отработавших газов, что при современной концентрации автомобилей существенно оздоровит воздушный бассейн, особенно в крупных городах;
3) появляется возможность не только частично использовать принцип качественного регулирования, но и улучшить топливную экономичность двигателя (работа па более бедной горючей смеси), так как газовоздушные смеси по своему составу имеют более широкий диапазон воспламеняемости;
4) снижается изнашивание цилиндропоршневой группы и увеличивается срок службы моторного масла, так как газовоздушная смесь не смывает масляную пленку с зеркала цилиндров и не разжижает масло в картере;
5) высокая детонационная стойкость газообразных топлив позволяет повысить степень сжатия двигателя, а следовательно, его мощность и топливную экономичность;
6) отпадает необходимость подогрева впускного трубопровода, что увеличивает наполнение цилиндров и связанную с этим мощность двигателя;
7) улучшается равномерность распределения * горючей смеси по цилиндрам.
Однако эти преимущества не всегда удается реализовать при замене жидкого топлива газообразным, поскольку чаще всего для работы на газе обычно переоборудуют бензиновые двигатели, реже дизели. Только на компрессорных установках, предназначенных для перекачки газа по газопроводам, применяют специальные газовые двигатели.
В последнее время для перекачки газа все чаще применяют ТГТД, работающие на перекачиваемом газе. Для того чтобы использовать потенциальные возможности газообразного топлива, нужны специальные газовые двигатели: с увеличенной степенью сжатия, без подогрева впускного трубопровода, с большими сечениями впускного тракта, специально подобранными фазами газораспределения,.
76
со своими характеристиками автоматов угла опережения зажигания и т. д.
Перевод с жидкого топлива па газообразное сейчас проще всего осуществляется для четырехтактных бензиновых двигателей: достаточно заменить или установить дополнительно специальную газовую то пл и во пода гощу ю а п и а р ат у р у.
По ряду причин мощность бензинового двигателя при переводе его на природный газ, состоящий в основном из метана, уменьшается на 16—20 %. Самым простым способом компенсации потери мощности является увеличение степени сжатия до 8,5—9. Более сложный и дорогой путь — применение турбонаддува. При переходе с бензина на сжиженный бутан-пропановый газ мощность двигателя уменьшается всего на 7—10 %; уменьшение мощности может быть компенсировано повышением степени сжатия до 8—8,5.
Двухтактные двигатели тоже могут быть переведены на газообразное топливо, но для этого необходимо на двигатель кроме газовой топливогюдающей аппаратуры установить систему- принудительной подачи масла.
Перевод дизелей па газообразное топливо сопровождается некоторым увеличением мощности благодаря возможности использовать богатую горючую смесь без дымления и одновременно ухудшением топливной экономичности из-за обогащения горючей смеси и вынужденного уменьшения степени сжатия (обычно до 8—9).
Переводят дизель иа газообразное топливо двумя методами.
Первый метод — вместо дизельной топливной аппаратуры устанавливают систему зажигания, в отверстия для форсунок — свечи, на впускном трубопроводе монтируют смеситель с дроссельным патрубком, между блоком и головкой цилиндров ставят прокладку для уменьшения степени сжатия.
Второй метод — в цилиндры вместо воздуха подают газовоздушную смесь определенного состава, а воспламеняется она в результате впрыска небольшого количества дизельного топлива, не превышающего 10—20 % его расхода при дизельном цикле. Этот метод не требует серьезного переоборудования дизеля, к тому же при желании можно быстро перевести двигатель опять на дизельный цикл.
Газообразное топливо классифицируют по агрегатному состоянию, способу получения, теплоте сгорания и др. Газы называют природными и промышленными, сжатыми и сжиженными, высококалорийными, средиекалорийными и т. Д.
Под природными подразумевают газы, получаемые непосредственно из скважин. Промышленные газы — это обычно побочные продукты различных технологических процессов — коксования углей (коксовый газ), выплавки чугуна (доменный газ). Под сжиженными газами чаще всего имеют в виду пропан-бутановые смеси.
Газообразные топлива принято разделять на две группы: газы с относительно высокой критической температурой, сжижаемые при обычной температуре и давлении 0,15—0,2 МПа, и газы с низкой критической температурой, сжижаемые только при низких (криогенных) температурах. Хранить и перевозить их приходится в ежа-
77
том состоянии при давлении 20 МПа или в жидком виде при очень низких (криогенных) температурах в специальных термостатических сосудах с вакуумной или другой эффективной термоизоляцией.
§ 10. ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ
Горючие газы, сжижаемые без понижения температуры
Горючие газы, сжижаемые без понижения температуры, получили наибольшее распространение в качестве моторных топлив. К ним относятся пропан-бутановые фракции нефтяных (попутных) газов. В этих газах кроме бутана и пропана в небольших количествах содержатся пропен, бутен, изобутан и изобутен. В табл. 18 приведены основные показатели качества этих газов.
Данные табл. 18 свидетельствуют о том, что газы, сжижаемые без понижения температуры, представляют собой как бы предбензи-новые фракции нефти и по многим параметрам близки к бензину. По своему химическому строению они являются алканами, изоалканами и алкенами, что определяет их основные химические свойства, детонационную стойкость, химическую стабильность и др. Их можно рассматривать как газы, которые при давлении 1,5—2,0 МПа в условиях обычных температур становятся бензиноподобной жидкостью (плотность бензинов 720—730 кг/м3, а сжиженных газов около 600 кг/м3).
Таблица 18
Показатель качества Пропан СаН3 *нвэ Hdirodn Бутан С4Н10 Бутен-I с«н8 Изобутан иС< Н10 Изобутен иС«Н8
Температура кипения, °C —42 —48 — 1 —7 — 12 —7
Критическая температура, 9С 97 92 152 146 135 145
Плотность, кг/м3 582 514 579 595 557 594
Низшая теплота сгорания, МДж/кг Теплота парообразования, кДж/кг: 46 46 45,5 45,2 45,5 45,2
при температуре кипения 427 440 386 392 368 396
при 25 °C 340 365 364 365 330 368
Количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг 15,7 14,8 15,6 14,8 15,6 14,8
ОЧМ 100 85 90 82 92 88
Поэтому эти газы очень удобно применять в качестве топлива для автомобильных двигателей. Достаточно заменить бензиновый бак специальным тонкостенным баллоном, а карбюратор смесителем, поставить редуктор-дозатор и небольшой теплообменник для испарения сжиженного газа.
78
Горючие газы, сжижаемые при пониженной температуре
К таким газам относится метан, который является основным компонентом природного газа. Его применение в качестве моторного топлива дает возможность использовать огромный энергетический потенциал газовых месторождений. Вместе с тем сжижение метана и его транспортировка в жидком состоянии связаны с существенными трудностями. Для хранения и транспортировки жидкого метана (имеющего температуру ниже минус 160 °C) требуется специальная термостатическая тара с вакуумной или другой надежной терми-изоляцией. Вызывает осложнения заправка жидким метаном; при сжижение резко увеличивается стоимость метана. И, наконец, главное заключается в том, что потери метана при испарении даже в условиях вакуумной изоляции (сосуды Дьюара) составляют 7—8 % в сутки, причем это не только потеря топлива, но и резкое увеличение риска пожара и взрыва.
В то же время объем жидкого метана почти в 3 раза меньше, чем объем сжатого до 20 МПа, а масса термостатических сосудов в 8 раз меньше массы баллонов для сжатого газа (1 кг массы тары на 1 кг газа), Кроме того, предложены различные способы уменьшения и даже полного устранения потерь с помощью дренажа газа при неработающих двигателях. Во время работы испаряющийся газ по дренажным трубам через специальные клапаны направляют в двигатель, и его потери практически прекращаются.
Водород также может быть отнесен к газам, сжижаемым только при низких температурах, и все сказанное о метане целиком относится и к водороду, только для сжижения водорода требуются температуры еще более низкие, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. В результате применение водорода в жидком состоянии по сравнению с метаном связано с еще большими трудностями.
Горючие газы, сжатые при высоком давлении
К этим газам относится горючее с температурой кипения от —253 до —103 °C. Поскольку их значительно проще сжимать при обычной температуре, чем сжижать при низких температурах, то они применяются обычно в сжатом состоянии под давлением до 20— 25 МПа, Основные данные компонентов газов, сжимаемых без понижения температуры, приведены в табл. 19. Основной недостаток этих газов — большая масса баллонов (0,5 на 1 кг газа), которые приходиться размещать на автомобиле или другом транспортном средстве. Например, масса баллонов при переводе двигателя автомобиля ЗИЛ-130 на природный газ составляет почти 500 кг, и, следовательно, на столько же сокращается грузоподъемность автомобиля .
По теплоте сгорания сжимаемые газы, применяемые в качестве топлива, могут быть разделены на следующие группы: высоко'
79
Таблиц? 19
Показатель качества Метан СН4 Этан с,н. Этен С2Н4 Оксид углерода СО
Температура кипения, °C Критическая температура, °C — 160 —82 —89 —32 — 104 —92 —92 — 139
Плотность (по воздуху), кг/м3 0,555 1,049 0,975 0,967
Низшая теплота сгорания: кДж/м3 кДж/кг Количество воздуха, м3, теоретически 35 715 49 783 9,6 46 853 16,8 46 371 14,4 12 038 10 384 2,4
необходимое для сгорания 1 м3 газа ОЧМ 104 102 76 100
калорийные (37 800—23 100 кДж/м3); среднекалорийные (23 100— 14 700 кДж/м3); низкокалорийные (менее 14 700 кДж/м3).
В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания обычно применяют высококалорийные, реже среднекалорийные газы. Низкокалорийные газы, такие, как генераторный в настоящее время в качестве моторного топлива не применяют. К высококалорийным газам относятся попутные нефтяные газы, полученные в процессе добычи и переработки нефти, и газы, добываемые из газовых месторождений, — природные газы.
Природный газ, так же как нефть и уголь, является традиционным источником энергии, одним из главных компонентов энергетического баланса. Природный газ в зависимости от месторождения имеет несколько различный состав компонентов, но неизменным в нем остается метан.
В табл. 20 приведены данные, характеризующие высококалорийные газы. По теплоте сгорания эти газы превосходят бензины, а детонационная стойкость может превышать 100 (по ОЧМ). Там же указаны основные свойства водорода. Обращает на себя внимание умеренная детонационная стойкость этого газа (70 ОЧМ) и очень небольшая теплота сгорания единицы объема (9363 кДж/м3, тогда как у метана 35 600 кДж/м3).
Таблица 20
Месторождение Состав газа, % Низшая теплота сгорания, МДж/м1
СЩ с2н« csH< Ci * Ню C5Hi2 со2 H2S
Урицкое 91,2 2,8 0,9 0,6 0,7 0,5 3,3 37,1
Елшанское 93,4 2,1 0,8 0,4 од 0,3 2,7 36,5
Газлинское 93,0 3,1 0,7 0,6 — 0,1 2,5 36,8
Щебелинское 93,3 4,0 0,6 0,4 0,3 0,1 1.3 37,8
Ставропольское 98,7 0,3 0,1 0,1 Следы 0,1 0,7 35,8
Дашавское 98,3 0,3 0,1 0,2 — W 0,1 1,0 35,8
Бсрезовское 95,1 1,1 0,3 0,4 3,0 35,3
80
Эту вторую особенность водорода следует иметь в виду при оценке его как топлива. Имея высокий энергетический потенциал ед. массы (119 757 кДж/кг, что почти в 3 раза больше, чем у бензина), он из-за малой плотности неудобен в качестве топлива силовых установок транспортных средств.
При проведении тепловых расчетов двигателей теплота сгорания газовых смесей (?г, см (кДж/м3) может быть с достаточной точностью определена по формуле
Qr. см = 0,01 (QMM + + Qz3' + QHH + QcoCO),
где С?э» Фэ» Q н» Осо ~“ теплота сгорания компонентов смеси: метана, этана, этена, водорода и оксида углерода, кДж/м3; М, Э, Э', Н, СО — содержание в % по объему в смеси указанных компонентов.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания газовой смеси определяют по формуле
/0 = 0,048 (2М 4- 3,5Э 4- ЗЭ' 4- - V- - О'),
§ 11. ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Высокая теплотворная способность единицы массы, практически неисчерпаемые сырьевые ресурсы (вода), относительно низкая токсичность отработавших газов (только оксиды азота), которые при определенных ограничениях температуры сгорания могут быть сведены к минимуму, — все это делает водород очень перспективным топливом. Однако на пути к широкому использованию водорода в качестве моторного топлива нужно еще преодолеть большие трудности.
В табл. 21 приведены основные физико-химические свойства водорода в сравнении с метаном и изооктаном.
Существенное значение имеют размеры баков для жидких топлив или баллонов для газа. Несмотря на то, что теплота сгорания 1 кг водорода в 2,7 раза больше, чехм 1 кг бензина, объем бака для хранения водорода должен быть в 3,7 раза больше, чем объем бака для бензина, содержащего равное с водородом количество тепловой энергии, так как плотность жидкого водорода в 10 раз меньше, чем плотность бензина. Кроме того, следует учитывать высокую стоимость изготовления криогенного бака, которая в десятки раз превышает стоимость обычно бензобака. Этот недостаток частично компенсируется положительными сторонами применения водорода в качестве моторного топлива. К тому же известны способы хранения водорода не в баке, а с помощью металлогидридных соединений, способных поглощать или выделять водород. В этом направлении проводятся большие исследовательские работы.
Более серьезной причиной, препятствующей применению водорода в ближайшем будущем, является его высокая стоимость производства.
Решение проблемы широкого применения водорода как топлива для двигателей внутреннего сгорания зависит от совершенства
81
Таблица 2Г
Параметр н, СН, С,н„
Температура кипения, °C —253 —166 100
Относительная молекулярная масса Плотность в состоянии, кг/м3: 2,016 16,043 114,23
газообразном 0,086 0,67
жидком Низшая теплота сгорания *: 71 415 670
кДж/м3 10 226 33 858 213 527
кДж/кг 119 994 49 802 43 752
Теплота сгорания стехиометрической топливовоздушной смеси, кДж/м3 Количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания единицы количества водорода: 3 027 3 224 3 563
м3/м3 2,38 9,52
кг/кг 27,7 14,2 12,35
Температура самовоспламенения, °C 550—600 590—690 480—522
Коэффициент молекулярного изменения 0,851 1,0 1,058
ОЧМ 70 107—120 100
Температура сгорания стехиометрической смеси, °C 2 230 2 020 2 100
Максимальная нормальная скорость распространения пламени, м/с 2,5 0,34—0,37 0,41
Минимальная энергия воспламенения, мДж 0,02 0,28 0,28
Коэффициент избытка воздуха, соответствующий пределам воспламенения 0,14—9,85 0,65—1,88 0,29—1,18
* При температуре 15 °C, давлении 0,1013 МПа.
технологии его производства. Только при условии обеспечения экономически и энергетически целесообразной технологии, когда затраты энергии на получение водорода будут скомпенсированы его энергетическим потенциалом и общим экономическим эффектом, это топливо займет соответствующее место в общем энергетическом балансе.
При рассмотрении перспектив применения водородной энергетики в будущем на первый план выступают сырьевые и экологические факторы. В этом отношении водород как энергоноситель не имеет конкурентов. Сырьевые ресурсы для получения водорода неограниченны, энергозатраты для его получения в свободном состоянии могут быть обеспечены на базе ядерной энергетики, а в более отдаленном будущем и на базе термоядерного синтеза. И в экологическом плане применение водорода дает ряд бесспорных преимуществ, так как в отработавших газах должны отсутствовать теоретически выбросы СО и CnHm, хотя практически они становятся-в десятки раз меньше, чем при использовании углеводородных топлив (при использовании водорода они появляются только при сгорании моторного масла).
82
Рассмотрим показатели качества водорода, влияющие на процесс его сгорания в двигателе.
Детонационная стойкость водорода из-за возможности спонтанного детонационного сгорания в локальном месте камеры сгорания очень нестабильна. Поэтому существующие методы определения детонационной стойкости топлив дают очень широкий диапазон ОЧ (по моторному методу от 45 до 70).
Коэффициент молекулярного изменения при сгорании водорода значительно меньше единицы (р = 0,85). Для преобразования теплоты в механическую работу это плохо. Этот недостаток несколько компенсируется более высокой температурой сгорания воздушноводородных смесей (при а = 1), но все же при прочих равных условиях среднее индикаторное давление для водорода меньше, чем для бензина и других газов.
Минимальная энергия, необходимая для воспламенения воздуш-но-водородной смеси, меньше, чем для бензина и других газов (метана или пропана), и составляет 0,02 мДж. Это позволяет уменьшить соответственно мощность искрового разряда в системе зажигания водородного двигателя. При сохранении мощности искрообразования надежность воспламенения воздушно-водородной смеси значительно выше, чем у бензовоздушной, что обеспечивает высокую идентичность последовательных циклов.
Пределы воспламенения воздушно-водородной смеси значительно шире, чем для других видов топлива. У бензина эти пределы находятся в диапазоне коэффициента избытка воздуха а от 0,3 до 1,25, у водорода а от 0,14 до 9,85. Это свойство водорода позволяет реализовать комбинированное качественно-количественное регулирование двигателя, но создает повышенную взрыво- и пожароопасность водорода, особенно при неисправностях топливоподающей аппаратуры.
Таким образом, с учетом сырьевых и экологических факторов, водород станет, очевидно, одним из основных видов топлива для тепловых двигателей будущего.
ГЛАВА 5
СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
§ 12. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Классификация
Особое значение приобрели смазочные материалы с появлением паровых машин, а позднее — двигателей внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что в тепловых машинах к механическим нагрузкам прибавилась тепловая напряженность узлов трения, вызванная не только их естественным нагревом, но и высокой температурой используемого в них рабочего тела. И если темпера
83
тура пара даже в самых совершенных паровых машинах достигала на входе в цилиндр максимум 230—280 °C, то температура газов в двигателях внутреннего сгорания оказалась значительно вышв (2100—2400 °C),
Кроме того, непрерывно возрастала и механическая напряжен-ность таких узлов, как механизм газораспределения, коренные и шатунные подшипники. Поэтому к основному назначению смазочных материалов уменьшать трение добавилось еще одно — быть средой для охлаждения, т. е. отвода тепла из узла трения.
Классифицируют смазочные материалы так же, как и топлива: по агрегатному состоянию, по роду исходного сырья, способу получения и по целевому назначению.
По агрегатному состоянию смазочные материалы различают: жидкие, называемые маслами; пластичные, называемые смазками, и твердые или сухие.
По роду исходного сырья: нефтяные (минеральные), животные, растительные и синтетические.
В свою очередь, нефтяные масла делят на дистиллятные и остаточные.
Перечень масел по целевому назначению очень обширен. В стандартных и технических условиях по этому признаку различают масла: моторные (для различных двигателей внутреннего сгорания), трансмиссионные и осевые, индустриальные, турбинные, компрессорные, электроизоляционные, приборные и технологические.
Для специалистов в области двигателестроения особый интерес представляют моторные масла.
Моторные масла в зависимости от типа двигателей разделяются на масла для карбюраторных двигателей и дизелей.
Эта классификация и маркировка моторных масел (ГОСТ 17479—72) распространяется на моторные масла, предназначенные для всех поршневых двигателей (кроме авиационных).
Основные сведения о трении
Наука о трении в настоящее время получила фундаментальное развитие и имеет огромное научное и народнохозяйственное значение. Известно, что 30 % производимой в мире энергии теряется на преодоление сил трения. Эти потери принято оценивать механическим КПД, который представляет собой отношение эффективных показателей двигателя к индикаторным:
Ям 5=3 ^и,
где и Агн — мощность двигателя соответственно эффективная и индикаторная.
Потери на трение в двигателе зависят от многих причин и в значительной степени от вязкости применяемого моторного масла. В общем эти потери на полной нагрузке двигателя составляют до 20 %, а иногда и более. Чем меньше нагрузка двигателя, тем больше относительная величина этих потерь, а на холостом ходу вся индикаторная мощность двигателя расходуется только на преодоление сил трения.
По своей природе трение может быть без смазочного материала, т. е. такое трение двух поверхностей, между которыми нет не только специально введенного смазочного материала, но нет и других каких-либо веществ, например, влаги, окисных пленок, случайных загрязнений или даже мономолекулярных слоев газа (например, воздуха),
84
Тем более нельзя назвать трением без смазочного материала, если используются те или иные сухие смазывающие материалы (например, графит, дисульфид молибдена и т. д.).
Трение может быть также граничным, когда трущиеся поверхности разделены смазкой, но ее слой очень тонкий — соизмеримый с размерами молекул масла, и жидкостным, когда между деталями расположен слой масла, определяемый зазорами между деталями.
В двигателе существуют два вида трения.
Жидкостное трение наблюдается в коренных, шатунных и других подшипниках двигателя. Граничное трение возникает в цилиндропоршневой группе, чередуясь с жидкостным трением. Трение без смазочного материала в двигателе наблюдается только при нарушении граничного и всегда сопровождается повреждением деталей: задиром, выкрашиванием, интенсивным изнашиванием. В реальных условиях граничное трение переходит в жидкостное и обратно. Все зависит от величины-нагрузок, вязкости и поверхностной активности масла, т. е. прочности его масляной пленки. С повышением температуры вязкость и маслянистость уменьшаются, и вероятность возникновения трения без смазочного материала возрастает. Причем оно возникает не по всей поверхности, а местами, где наибольшая высота микронеровностей, которые всегда имеются на трущихся деталях.
Комплексное влияние вязкости, скорости и нагрузки на коэффициент трения, которые выражают всю совокупность взаимодействия двух смазанных и скользящих относительно друг друга тел, дает график, приведенный па рис, 16. На графике* имеется три зоны. Зона / — жидкостное (гидродинамическое) трение — наблюдается в нормально работающих цилиндрических или плоских подшипниках (например, в коренных и шатунных подшипниках двигателей, в крейцкопфных механизмах, опорных подшипниках и т. д.). Характерной особенностью этой зоны является полное разделение трущихся деталей масляной пленкой, причем ее толщина значительно больше неровностей поверхности тел. Трение прч этом обусловлено только вязкостью смазывающего материала, а режим работы подшипника полностью определяется гидродинамикой жидкости. Механического, г. с. обусловленного соприкосновением деталей, изнашивания в этом случае нет (кроме жидкостной эрозии, усталостного и кавитационного износа).
При изменении условий работы системы тело—мссло—тело (например, при уменьшении скорости v относительного скольжения, вязсости масла г| или при увеличении нормальной нагрузки) зазор между телами начвнает уменьшаться, и когда выступы микронеровностей станут задевать друг друга, наступит режим граничной смазки (зона //), в котором существенную роль начинают играть поверхностно-активные свойства смазочного материала, т. е. его маслянистость. В этом режиме сопротивление, вызываемое трением, обусловлено процессами сдвига масляной пленки и непосредственным контактом (взаимодействием) неровностей. И чем меньше становится зазор, тем большее значение приобретает маслянистость масла, обусловленная поверхностно-активными молекулами, образующими мономолекуляриый слой смазывающего материала (зона ///).
Рассмотрим более подробно механизм жидкостного (гидродинамического) режима, характерного для самых напряженных подшипников двигателя — шатунных и коренных (рис. 17). При неработающем двигателе коленчатый вал своей массой выдавливает масло из зазоров между шейками и вкладышами и ложится на нижнюю их поверхность. Их разделяет тончайшая пленка масла, прочность и толщина которой зависят от полярной активности молекул, входящих в масло.
Рис. 16. Три режима трепня:
I — режим жидкостного (гидродинамического) трения, когда масляный слой больше высоты микронеровиостей па поверхности трущихся тел; II — режим граничной смазки, когда масляный слой одного порядка с высотой микронеровиостей; II! — режим трения, когда высота микрснеров-нос1ей больше толщины масляной пленки
85-
Рис. 17. Эпюра давлений в зазоре цилиндрического подшипника в режиме гидродинамической смазки
При пуске двигателя вал начинает вращаться и увлекает за собой масло, которое, проходя через узкий зазор между вкладышами и валом, создает давление, под действием которого вал приподнимается. Когда двигатель начинает работать и частота вращения вала увеличивается, возрастает давление в нижней половине зазора до узкого сечения, заставляя вал «всплыть» на слое масла, несмотря на возросшие газовые силы и силы инерции. Пройдя узкое сечение зазора, масло попадает в его расширяющуюся часть, и давление в зазоре резко падает. Такое представление о работе цилиндрического подшипника подтверждено и теоретически и экспериментально и считается общепринятым.
Характерной особенностью работы подшипника в гидродинамическом режиме является способность системы вал—масло—подшипник к саморегулированию. Этот процесс происходит следующим образом. В результате повышения частоты вращения
увеличивается выделение теплоты и, как следствие этого, растет температура масла, С увеличением температуры уменьшаются вязкость масла и внутреннее трение в слое, и температура стабилизируется на каком-то определенном уровне.
В реальных условиях процесс автоматического регулирования не всегда происходит в полной мере, так как через подшипник для его охлаждения непрерывно прокачивается большое количество масла. Поэтому температурный режим подшипника управляем и зависит от конструкции двигателя и его смазочной системы, т. е. подачи масляного насоса, наличия масляного радиатора, его эффективности и ряда других факторов.
Таким образом, жидкостное (гидродинамическое) трение зависит от процессов внутреннего трения в смазочном масле, т. е. от его вязкости.
Граничное трение зависит как от свойств трущихся поверхностей, так и от свойств смазочных материалов и, в первую очередь, от прочности масляной пленки, т. е. от полярной активности молекул смазочного материала.
Трение без смазочного материала наблюдается в том случае, если поверхности трущихся деталей соприкасаются между собой и между ними нет не только смазывающих материалов, но и других тел или сред.
Каждый из трех видов трения различно влияет на сопряженные детали.
Жидкостное трение оказывает минимальное влияние на изнашивание деталей, так как их взаимодействие происходит при наличии слоя смазочного материала, причем толщина этого слоя полностью исключает соприкосновение, а следовательно, и взаимное разрушение поверхностей трущихся деталей. Коэффициент трения -в этом случае зависит только от вязкости жидкости и обычно в условиях двигателей изменяется в пределах 0,002—0,01.
Граничное трение—трение на границе опасного сближения трущихся деталей. Разделяющая детали тонкая, соизмеримая с размерами молекул пленка не выравнивает микронеровности поверхностей, и риск непосредственного контакта зависит только от прочности этой пленки и прочности соединения ее с металлом трущихся деталей.
Трение без смазочного материала в подвижных механизмах приводит к интенсивному изнашиванию, задиру поверхностей трения и заеданию механизма и поэтому недопустимо.
Способы получения моторных и трансмиссионных масел
Смазочные, моторные и трансмиссионные масла получают из той части нефти, которая остается после отгонки топливных фракций. Эта часть нефти называется мазутом.
S6
Если нагревать мазут при атмосферном давлении, то многие индивидуальные углеводороды начинают разлагаться при более низкой температуре, чем их температура кипения. При понижении давления понижается температура кипения, что позволяет выделить нужные фракции. Процесс этот называется вакуумной разгонкой. Для его реализации сооружаются специальные установки, позволяющие из мазута получать различные по вязкости масла. Особенно четко удается произвести разгонку в установках с двукратным испарением, применяемым в современных нефтеперерабатывающих комплексах. Эти масла называют дистиллятными маслами. Их получение предусматривает перегонку или испарение с последующей конденсацией отдельных фракций жидкостей или их смесей (в данном случае нефти или отдельных ее фракций).
В результате вакуумной перегонки получают базовые дистиллятные масла, а оставшиеся продукты (полугудрон и гудрон) используют для получения остаточных масел. Характерной особенностью дистиллятных масел являются их хорошие вязкостно-температурные свойства и высокая термоокислительная стабильность. Но в этих маслах мало соединений, обладающих высокой маслянистостью, т. е. прочностью масляной пленки.
Остаточные масла, наоборот, обладают высокой естественной маслянистостью, но плохими низкотемпературными и вязкостнотемпературными свойствами. Высокая маслянистость остаточных масел связана с находящимися в них продуктами окислительной полимеризации (нефтяными смолами)
Существуют две схемы переработки мазута — топливная и масляная. При топливной получают только одну фракцию (350—500 сС), используемую обычно как базовый продукт для каталитического крекинга или гидрокрекинга. При масляной переработке—три фракции: легкие дистиллятные масла (выкипающие при 300—400 °C), средние дистиллятные масла (выкипающие при 400—450 °C) и тяжелые дистиллятные масла (выкипающие при 450—500 °C).
Для получения товарных марок масла подвергают сложным технологическим операциям. Для удаления нежелательных примесей масло очищают. Из него удаляют продукты окислительной полимеризации, органические кислоты, нестабильные углеводороды, серу и ее соединения. Для улучшения низкотемпературных свойств масла подвергают депарафинизации и деасфальтизации. Очищенные продукты при необходимости смешивают для получения нужного уровня вязкости. Дистиллятные масла используют для приготовления масел, от которых не требуется особо высокой естественной прочности масляной пленки. Остаточные — для масел, высокая маслянистость которых имеет особое значение. Например, для дизельных масел обычно смешивают дистиллятные и остаточные масла в необходимой пропорции.
Л1асла, используемые в качестве основных моторных масел, называют базовыми маслами. Например, для зимних и летних мотор* вых масел выпускают следующие базовые масла;
М-6 — дистиллятное;
87
М-8 — дистиллятное с добавлением не менее 14 % остаточного компонента;
М-11 —смесь дистиллятного и не менее 30 % остаточного компонента;
М-14 — смесь дистиллятного и не менее 40 % остаточного компонента;
М-16 — смесь дистиллятного и не менее 50 % остаточного масла;
М-20 — состоит только из остаточных масел.
Для двигателей автомобилей ВАЗ вырабатывают специальное базовое масло, состоящее из дистиллятного масла с пологой вязкостно-температурной характеристикой (масло АСВ-6), или масло АСВ-10 — смесь дистиллятного и не менее 25 % остаточного масла.
Для получения всесезонных масел или масел для северных и арктических районов используют в качестве базовых масел глубоко депарафинизированные дистиллятные масла малой вязкости (веретенное АУ, АС-5 и др.).
Технология очистки базовых масел влияет на их свойства. Применяют еле дующие методы очистки масел.
1. Выщелачивание. Это самый простой способ. Масло обрабатывают раствором щелочи (NaOH), которая нейтрализует органические кислоты. Продукты окислительной полимеризации (нефтяные смолы и другие вредные примеси) при щелочной очистке не удаляются, поэтому этот способ для моторных масел не применяют,
2. Кислотно-щелочная и кислотно-контактная очистка. При этом методе очистки основным реагентом, входящим в соединения с нежелательными примесями, является серная кислота, которую добавляют в дистиллятное масло до 6 %, а в остаточное — до 10 %.
Серная кислота разрушает смолисто-асфальтовые и ненасыщенные соединения, которые вместе с непрореагировавшей кислотой выпадают в осадок, образуя кислый гудрон. Наиболее ценные для масел циклановые углеводороды серной кислотой не затрагиваются и после отделения кислого гудрона промываются водным раствором щелочи, которая нейтрализует остатки серной кислоты и кислого гудрона. Очистка заканчивается промывкой масла водой и просушиванием перегретым паром или горячим воздухом.
Для предотвращения возможности образования стойких водомасляных эмульсий обработку щелочью заменяют контактным фильтрованием с использованием отбеливающих глин, обладающих большой адсорбционной способностью поглощать полярно-активные вещества, к которым относятся продукты взаимодействия с серной кислотой.
Кислотную очистку с контактным фильтрованием через отбеливающие земли называют кислотно-контактной очисткой.
Применение для очистки моторных масел серной кислоты имеет существенные недостатки:
при современных масштабах производства моторных масел это приводит к огромным безвозвратным расходам серной кислоты — ценного продукта, широко используемого во многих химических производствах.
Кислый гудрон, который является отходом при этом способе очистки, очень токсичный и вредный продукт; дальнейшее использование его по ряду причин нерентабельно, и его огромные скопления являются источником очень вредного воздействия на окружающую природу.
3. Очистка масел селективными растворителями. Это современный и эффективный способ очистки масел.
Особенностью этого метода является возможность в процессе очистки многократного использования селективных растворителей. В качестве селективных растворителей применяют фурфурол, фенол и ряд других веществ.
Принцип селективной очистки заключается в следующем. Подбирают растворитель, который при определенной температуре и количественном соотношении 88
с очищаемым маслом выборочно (селективно) растворяете себе все вредные примеси ii плохо или совсем не растворяет очищаемый продукт, в данном случае — масло.
При смешивании очищаемого масла с селективный растворителем основная часть вредных примесей растворяется и переходит в растворитель, который, не смешиваясь с маслом, легко с ним разделяется при отстаивании. Получается слой очищенного масла (рафинадный слой) и слой растворителя с вредными, удаленными из масла примесями. Этот слой называют экстрактом. Слои разделяют. Стой очищенного масла доочищают отбеливающими глинами, а экстракт подвергают регенерации, при которой селективный растворитель отделяется от вредных продуктов и опять вводится в процесс очистки.
Очень важно правильно выбрать как соотношение масла и растворителя, так н температуру, при которой осуществляют процесс очистки. Например, при использовании в качестве селективного растворителя фенола температуру следует поддерживать в диапазоне 50—300 СС, а соотношение масла и растворителя 1 : 1 или I : 2.
При применении фурфурола соотношение очищаемого продукта варьируют в зависимости от желаемой глубины очистки очищаемого масла от 1 : 1,5 до 1 : 4.
Для получения качественной очистки высоковязких остаточных масел используют метод парных растворителей. Причем один из них должен выборочно растворять вредные примеси, а другой — очищаемое масло. Происходит как бы разделение полезного и вредного продукта. При растворении примесей применяют креозол с 30—50 % фенола, а при растворении рафината — пропан. С целью поддержания пропана в жидком состоянии очистку производят под давлением до 2 МПа.
В последнее время все шире применяют гидрогенизацию, которая является наиболее совершенным способом очистки масел. Процесс аналогичен гидроочистке топлив. Проводят его под давлением до 2 МПа в присутствии водорода при температуре 380—400 °C.
Для улучшения низкотемпературных свойств масел (что имеет особое значение при эксплуатации двигателей зимой, находящихся на открытой стоянке автомобилей и тракторов) подвергают деасфальтизации и депарафинизации. Удаление из масла этих соединений, обладающих высокой температурой застывания, повышает низкотемпературные свойства масел.
Деасфальтизацию проводят с помощью жидкого пропана, который под давлением 2—4 МПа смешивают с очищенным маслом в пропорции до 10 : 1. Процесс протекает в специальных колоннах. Очищаемое масло поступает в среднюю часть-кол онны, пропан — в нижнюю. Выводится битум из самого нижнего уровня колонны. Раствор очищенного ог асфальта масла выводится из верхней части колонны, после чего очищенное масло отделяется от растворителя.
Депарафинизацию масла, т. е. выделение из него парафина и церезина, производят путем его глубокого охлаждения. Перед охлаждением в масло добавляют растворители и смесь нагревают на 15—20° выше температуры полного растворения парафина и церезина. Затем смесь подвергают охлаждению и фильтрации или центрифугированию. Застывший парафин и церезин остаются на фильтрах. Освобо* жденное от парафина я церезина масло при его охлаждении в условиях реальной эксплуатации обладает повышенной текучестью, что значительно облегчает пуск двигателя при низких температурах.
В последнее время появляются методы очистки масел, основанные на его фильтрации через специальные мембраны, фильтрующие на молекулярьом уровне, которые, например, пропускают молекулу углеводородов и задерживают молекулу продуктов окислительной полимеризации и другие нежелательные примеси. Этот метод еще не получил широкого применения при очистке моторных масел*
§ 13. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
Эксплуатационно-технические требования
Высокие температуры и удельные давления в узлах трения, влияние агрессивных сред, паров воды, отработавших газов, высокая распыленность в картере двигателя и постоянный контакт с кислородом воздуха — все это очень неблагоприятно отражается на по* казателях качества масла. Осложняет работу также широкий ди а-
S3
пазон изменения температуры окружающего воздуха и нагрузки, при которых приходится работать двигателям.
Основные эксплуатационно-технические требования к моторным маслам:
Г) бесперебойное поступление ко всем узлам трения двигателя;
2) образование надежных и прочных масляных пленок на трущихся поверхностях (для снижения механических потерь в двигателе и его изнашивания);
3) надежное охлаждение трущихся деталей и отвод теплоты от узлов трения;
4) вынос продуктов изнашивания из зоны трения и защита этой зоны от проникновения в нее вредных примесей из внешней среды;
5) отсутствие коррозионной агрессивности по отношению к деталям двигателя, защита от вредного воздействия кислорода воздуха, паров и прорвавшихся картерных газов;
6) возможно большая химическая стабильность: отсутствие способности к окислению в условиях высоких температур и непосредственного контакта с горячими деталями и к образованию нагара, лаковых пленок и липких отложений (шлама) на внутренних поверхностях двигателя;
7) противопенные свойства (способность не образовывать устойчивую и медленно спадающую пену);
8) минимальная токсичность;
9) низкая стоимость и широкая сырьевая база,
Такие требования, очень разнообразные и противоречивые, делают задачу создания надежных и эффективных масел исключительно трудной. Требуется прежде всего установить и количественно определить показатели качества масла, которые обеспечивали бы надежное выполнение этих требований, зафиксировать их на уровне государственных стандартов, разработать методы оценки и контроля этих качеств. Методы контроля и применяемая для этих целей аппаратура, установки и контрольно-измерительные приборы тоже должны быть стандартизованы; это даст возможность повсеместно и достоверно сопоставлять результаты контрольных испытаний.
Удовлетворение перечисленных требований возможно только при условии, что моторное масло обладает необходимыми физико-химическими свойствами, такими, например, как вязкость, температура застывания, химическая стабильность и ряд других.
Вязкостно-температурные свойства
Вязкость и ее зависимость от температуры являются важнейшим показателем качества моторных .масел.
От вязкости масла зависит его способность обеспечить жидкостное, гидродинамическое трение в подшипниках, а следовательно, их нормальную работу. Вязкость масла влияет на изнашивание шеек коленчатого вала и вкладышей подшипников. От вязкости масла зависит количество отводимой от узла трения теплоты. Чем меньше вязкость, тем лучше охлаждается подшипник, так как через него 90
Рис. 18. Вязкостно-температурная характеристика в координатах Вальтера
прокачивается больше масла, а следовательно, и больше теплоты отводится вместе с ним из зоны
•||)РПИЯ»
Выбор оптимальной вязкости масла усложняется тем, что она очень зависит от температуры. Например, при понижении темпе-ратуры от 100 до 50 °C вязкость может увеличиться в 4—5 раз. При охлаждении моторных масел до 0
°C и тем более до отрицательных
температур их вязкость увеличивается в сотни и тысячи раз. За мно-
гие годы изучения зависимости вязкости от температуры было предложено много способов построения вязкостно-температурных характеристик и формул, выражающих эту зависимость. Но лишь
немногие из них дают удовлетворительную сходимость результатов расчета и практического определения вязкости вискозиметром. Это объясняется в первую очередь тем, что масла представляют собой жидкости, молекулы которых, имея сложное строение, образуют различные структуры, зависящие как от молекулярной массы, так н от группового химического состава масла.
Для описания зависимости вязкости моторных масел от температуры практически используют уравнения Вальтера и советского химмотолога Рамайя.
Формула Вальтера в экспоненциальной форме имеет вид
(vt + а) = еа'те9
где vt — кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре /, °C; Т — абсолютная температура; а — коэффициент, зависящий от индивидуальных свойств жидкости.
После двойного логарифмирования уравнение приобретает вид, удобный для построения специальной координатной сетки, в которой ‘вязкостно-температурные характеристики масел спрямляются:
Iglg (Vt + а) = А + В 1g Т,
где Л и Б — коэффициенты, характеризующие вязкостнотемпературную характеристику данного масла; а — постоянная.
Для современных масел лучшие совпадения с опытными данными получаются при а = 0,6.
На рис. 18 приведена логарифмическая сетка координат Вальтера, позволяющая построить полную вязкостно-температурную характеристику любого моторного масла, зная v100, v5l) н температуру засты-1Ш11ИЯ этого масла. v50 можно определить, также зная v100 и индекс вязкости данного масла.
Формула Рамайя имеет вид
1/TgT] == А + В/Т9
91
где т]—динамическая вязкость масла; Т — абсолютная температура; Ди В — коэффициенты, постоянные для данного масла.
Формула позволяет представить вязкостно-температурную характеристику масла в координатах аргумент 1/Т — функция |/ 1g т).
Практическое применение обеих формул показало удовлетворительное совпадение результатов расчета с опытными данными. Несколько большую точность дает формула Рамайя. Принципиальным недостатком этих уравнений является их эмпирический характер, не вскрывающий сущности физических явлений, происходящих в маслах при изменении их температуры.
На основе уравнений Вальтера и Рамайя построены и напечатаны специальные координатные сетки, на которых можно быстро по
строить вязкостно-температурные кривые различных моторных масел. При использовании координатной сетки Вальтера характеристику строят по предложению советского химмотолога Г. В. Виноградова не по двум точкам, а по трем: если v50 < 20 мм2/с, то используют значения кинематической вязкости v0, v50 и v70; если v50 = 214-125 мм2/с, то построение выполняют по точкам v0, v60 и vioo» проводя прямую как можно ближе ко всем трем точкам.
Практически зависимость кинематической вязкости от температуры можно изображать в трех системах координат, В диапазоне температур 50—100 °C проще всего вязкостно-температурную характеристику строить в координатах t и v (рис. 19). Если интересующий нас температурный диапазон, напримее, 0—100 °C, то может быть рекомендована сетка Вальтера: lg Т; Iglg (v + 0,6) (см. рис. 18). При еще более широком диапазоне температур, например, от температуры застывания масла до 100 °C, рекомендуется применять сетку координат Рамайя (рис. 20).
Очень важной является задача количественной оценки крутизны вязкостно-температурной кривой. Предложено несколько таких
Рис. 19. Вязкостно-температурная характеристика масла в координатах вязкость—температура
оценочных параметров.
1. Отношение кинематических вязкостей v50 и vJ00. Этот простой и надежный параметр характеризует крутизну вязко-
Рис. 20. Вязкостно-температурная характеристика масла в координатах Ра* майя
92
Рис. 21. Оценка вязкости о-температурной характеристики масла пи [IB:
J — эталонное масло с ИВ = 0; 2 — к» же, с ИВ — 100; 3 — исследуемое
Г.1 пело
Рис. 22. Номограмма для определения ИВ масла по его вязкости
стно-температурной кривой в относительно узком диапазоне температур прогретого масла, но не позволяет оценить ее в наиболее важной области низких температур, оказывающих решающее влия-пне на пусковые характеристики двигателя. Для моторных масел, применяемых летом или в условиях жаркого климата, v50/vJ00 < 6; для масел, предназначенных к применению зимой и особенно в северных районах, v50/vi00 < 4.
2. Температурный коэффициент вязкости (ТКВ) при температурах от 0 до 100 °C
ТКВ0_100 = (v0 v100)/v50.
При оценке крутизны вязкостно-температурной кривой в условиях низких температур ТКВ дает более четкую картину, чем отношение v50/v100. Для зимних масел ТКВ0_100 < 22, для всесезонных < 25, для летних с 35—40.
3. Индекс вязкости (ИВ). В современных отечественных и зарубежных стандартах для оценки крутизны вязкостно-температурной кривой применяют показатель ИВ, основанный на сравнении масла с двумя эталонами.
Один из этих эталонов’ характеризуется крутой вязкостно-температурной кривой, а другой — пологой. Эталону с крутой кривой присвоен индекс вязкости, равный 0, а эталону с пологой кривой — 100. Чем выше ИВ масла, тем более пологая вязкостно-температурная кривая и тем лучше масло для зимней эксплуатации.
На рис. 21 приведен график, поясняющий принцип определения вязкостно-температурных свойств масел с помощью ИВ. На графике и юбражены вязкостно-температурные характеристики трех масел1 лнух эталонных (верхняя и нижняя кривые) и одного исследуемого (средняя кривая).
93
Практически ИВ вычисляют по формуле (ГОСТ 25371—82)
ИВ = (v — V})/(y — v2) или ИВ = (v — VjJ/vg,
где v — кинематическая вязкость масла при 40 °C с ИВ = 0 и имеющим при 100 °C такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм2/с; Vj — кинематическая вязкость испытуемого масла при 40 °C, мм2/с; v2 — кинематическая вязкость масла при 40 °C с ИВ = 100 и имеющим при 100 °C такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм2/с; v3 = v — v2.
На рис. 22 приведена номограмма, по которой, зная кинематическую вязкость масла в мм2/с при 50 и 100 °C, можно определить-его ИВ. Для массовых отечественных товарных масел ИВ в зависимости от марки и целевого назначения масла находится в пределах от 80 до 130.
Хотя ИВ и принят сейчас как основной показатель вязкостнотемпературных свойств масел, он, как и два предыдущих показателя v50/v100 и ТКВ, не отображает в полной мере всю вязкостнотемпературную характеристику масла, особенно в области низких температур. (Об этом свидетельствует то, что при определении ИВ используют данные о вязкости масла только в области положительных температур.)
Вязкость масел зависит также и от давления. Если давление в узлах трения относительно невелико, то его значением можно пренебречь. Но в современных двигателях давления в ряде узлов могут достигать 25—30, а иногда 80 МПа (подшипники поршневого пальца). В этих случаях при конструировании двигателя необходимо учесть влияние давления на вязкость.
Экспериментально установлено, что при увеличении давления динамическая вязкость масла возрастает по степенному закону
где Чо и т]р — динамическая вязкость соответственно при атмосферном давлении и при давлении р; а — постоянный коэффициент, для минерального масла а = = 1,002 ... 1,004 (в зависимости от его химического состава).
Следует отметить одинаковый характер изменения вязкости масла при увеличении давления и понижении температуры. Давление и температура больше влияют на высоковязкие масла, в которых содержится значительное количество асфальто-смолистых и цикланоароматических компонентов.
Зависимость вязкости масла от температуры и давления оказывает в реальных условиях его работы в подшипниках благоприятное влияние на работоспособность этого узла. При увеличении нагрузки на подшипник растет давление в масляном слое и его вязкость. В свою очередь, повышение вязкости приводит к увеличению гидродинамических потерь, тепловыделения в подшипнике, температуры, а затем и к уменьшению вязкости масла. Таким образом, осуществляется авторегулирование вязкости масла и несущей способности подшипника. В этом процессе одинаково важны чувствительность вязкости к изменению температуры и чувствительность
94
Рис. 23. Определение температуры» при которой начинается проявление структурной вязкости масла (по нарушению линейного протекания вяз-костно-темпер атур н ой хар а ктер истики)
Рис. 24. Построение характеристики высоко индексного масла загущением маловязксй основы полимерным загустителем (поли изобутилен ом):
/ — базовое маловязкое масло с пологой вязкостно-температурной характеристикой (масло веретенное АУ); 2 — базовое маслозагущенное полиизобутиленом; 3 — обычное моторное масло той же вязкости при 100 °C
вязкости к изменению давления. Очень важно сбалансировать эти факторы или целенаправленно управлять их соотношением.
Исследование моторных масел в области низких температур показывает, что существует предел их охлаждения, при котором начинают проявляться признаки структурной вязкости, обусловленной возникновением в масле структур из застывших углеводородов. Это явление хорошо прослеживается по вязкостно-температурной кривой масла. На рис. 23 показана такая кривая в широком диапазоне температур. Изменение угла наклона вязкостно-температурной кривой свидетельствует о нарушении структуры застывших углеводородов. Особенно отчетливо структурная вязкость проявляется при наличии в масле парафинов, которые при сравнительно неглубоком охлаждении легко кристаллизуются, понижая его текучесть.
Для структурной вязкости характерна ее зависимость не только от температуры, но и от градиента скорости сдвига. Чем больше градиент скорости сдвига, тем меньше эффективная вязкость. При работе моторного масла в подшипниках или в цилиндропоршневой группе градиенты скорости сдвига достигают нескольких тысяч единиц градиента (с-1), что значительно понижает эффективную вязкость масла при низких температурах и уменьшает сопротивление движению механизмов.
Зависимость вязкости моторых масел от температуры затрудняет их правильный выбор. Если при температуре 100—150 °C вязкость должна быть достаточной для осуществления жидкостного трения в подшипниках и создания надежной защитной пленки в цилиндропоршневой группе и газораспределительном механизме, то при низких температурах вязкость не должна быть чрезмерно высокой, затрудняющей проворачивание коленчатого вала двигателя стартером. Поэтому при производстве моторных масел необходимо любыми доступными и эффективными методами уменьшить зависимость
95
вязкости масла от температуры, т. е. увеличить их ИВ и понизить температуру застывания. Это относится в первую очередь к зимним и всесезонным маркам масел.
Наиболее действенным методом повышения ИВ является метод загущения масел. Сущность этого метода заключается в следующем. В маловязкое масло, обладающее хорошими низкотемпературными свойствами и пологой вязкостно-температурной кривой, добавляют загуститель (например, полимер типа полиизобутилена), количество и вязкость которого выбирают таким образом, чтобы вязкость загущенного масла была достаточной для обеспечения надежного смазывания двигателя при рабочих температурах. При этом характер вязкостно-температурной кривой загущенного масла сохраняется примерно тот же, что и у его маловязкой основы (рис. 24), так как добавление загустителя более интенсивно увеличивает вязкость масла в зоне высоких температур (80—120 сС), чем в зоне низких. Полагают, что это связано с состоянием молекул загустителя. Его длинные цепи при высоких температурах развертываются, а при охлаждении свертываются в клубочки, которые увеличивают вязкость основы в меньшей степени, чем развернутые цепи в зоне рабочих температур.
В разработку теории механизма получения загущенных масел большой вклад внес советский ученый, профессор Е. Г. Семенидо, который еще в начале 50-х годов получил и глубоко исследовал первые отечественные загущенные масла.
Принцип получения высокоиндексных загущенных масел оказалось нелегко осуществить на практике, поскольку высоковязкие присадки, имеющие большую молекулярную массу (10 000—20000), при работе двигателя быстро разрушаются, их молекулярная масса уменьшается, загущающая способность падает, что приводит к изменению первоначальных свойств загущенного масла.
При малой молекулярной массе загустителя для получения нуЖ’ ного эффекта приходится слишкохм много добавлять его в базовое масло, которое начинает терять свои другие ценные свойства (например, маслянистость). К тому же необходимо добиться совместимости загустителя с другими присадками масла. В современных загущенных маслах все эти трудности преодолены, что позволило получить масла с ИВ больше 100 ед., т. е. выше, чем у лучших эталонов, принятых в свое время для оценки ИВ.
При загущении масел применяют различные загустители. Первые опыты по загущению были проведены с использованием естественного каучука. Сейчас используют полиизобутилен, полиметакрилаты, вини полы и др. В зависимости от свойств загустителя его добавляют от 1 до 10 %.
Очень важно, чтобы базовое масло имело высокий ИВ и низкую температуру застывания. Хорошие результаты получают при использовании в качестве основы веретенного масла АУ, обладающего пологой вязкостно-температурной кривой и низкой температурой застывания — 45 СС. Полученное на его основе загущенное масло имеет вязкость при температуре —18 °C всего 1300—2600 мм2/с. 96
Это обеспечивает хорошую прокачиваемость масла и пуск двигателя в условиях низких температур.
Для загущенных масел проявление структурной вязкости характерно в более широком интервале низких температур, чем для обычных масел, поэтому следует осторожно пользоваться сеткой Вальтера или Рамайя для построения их вязкостно-температурных характеристик. Линейная зависимость характеристик в указанных координатах нарушается еще до температуры застывания таких масел.
Смазочные свойства
Смазочные свойства моторного масла, как и масел для других машин и механизмов, обусловлены его вязкостью и маслянистостью, влияние и механизм действия которых различны.
Вязкость как свойство, связанное с внутренним (молекулярным) трением, проявляет себя при жидкостном (гидродинамическом) трении. Маслянистость же масла важна при возникновении граничного трения. В этих условиях прочность масляной пленки является решающим фактором, препятствующим непосредственному контакту трущихся деталей.
Установлено, что прочность масляной пленки зависит от полярной активности молекул масла, т. е. от их спосэбности образовывать прочные слои строго ориентированных молекул так» как это схематично изображено на рис. 25.
Ориентировочное поле полярно-активных молекул образует на поверхности трущихся деталей своеобразный ворс. Чем длиннее полярно-активные молекулы масла и чем прочнее они соединяются с поверхностью трущихся деталей, тем выше маслянистость масла. Но это очень упрощенное объяснение, позволяющее понять лишь основную сущность этого явления.
В действительности в реальных условиях возникают обычно не мономолекулярные, а мультимолекулярные ориентированные слои, в которых внутримолекулярное трение приобретает особый характер, заключающийся в том, что происходит трение между отдельными слоями молекул, а не между отдельными молекулами. При соответствующем подборе полярно-активных веществ, входящих в масло, число слоев может доходить до тысячи и более, а их суммарная толщина до 1,5—2 мкм. С повышением температуры верхние слои, не имеющие прочной связи с поверхностью детали, дестабилизируются и разрушаются, но первый мономолекулярный слой разрушить трудно. Экспериментально установлено, что коэффициент трения между деталями мало зависит от числа мономолекуляриых слоев и практически одинаков как при одном, так и при нескольких десятках таких слоев. Этим можно объяснить тот факт, что достаточно добавить в масло очень немного веществ, обладающих высокой полярной активностью, как маслянистость масла, г. е. прочность его масляной пленки резко возрастает.
Процессы, связанные с маслянистостью, изучают на специальных машинах трения. Количественное определение смазывающих свойств масел ведут с помощью че-1ырехшариковой машины (ГОСТ 9490—75*). Принцип действия этой машины заклю-
4 Покровский Г. П. 97
Когезий
Рис. 25. Механизм образования моно- е полимолекулярных слоев, обусловливающих высокую прочность масляной пленки:
и — адгезии полярно-активных молекул (физическая адсорбция): б — адгезия молекул при химической адсорбции; ь — условное изображение двух мономолекулярных слоев на поверхностях трущихся деталей; е *• механизм образования яолимолекулярных слоев
б) 6)
Рис. 26. Принцип действия четырехшариковой машины для определения противо-износных и противозадирных свойств масел:
и — схема нагружения шармксвой пирамиды: б — схема чстырехшариковой обоймы; в — конструкция основного узла; 1 — неподвижные шарики; 2 — вращающийся шарик; 3 — и< следуемое масло
чается в следующем. Три шарика диаметром 12,7 мм из стали ШХ-15 (подшипниковой серии) устанавливают неподвижно в виде треугольника в специальной чашеобразной обойме, в которую затем наливают испытуемое масло. На эти шарики накладывают сверху такой же шарик (четвертый), закрепленный во вращающемся, как у сверлильного станка, шпинделе. Частота враще<ия шпинделя 1460+70 мин”1. Проворачивание нижних шариков при испытании не допускается.
На четырехшариковой машине проводят серию определений, каждое из которых выполняют на новой пробе испытуемого масла и новых шариках. На машине определяют критическую нагрузку, нагрузку сваривания, индекс задира и показатель износа. При определении первых трех параметров продолжительность испытаний составляет 10+0,2 с, при оценке показателя износа — 60—0,5 мин. Режим осевой нагрузки должен быть выдержан в соответствии со стандартом.
Индекс задира и критическая нагрузка характеризуют способность масла защищать трущиеся поверхности от повреждений и задиров, а нагрузка сваривания оценивает предельную нагрузку, которую может выдержать данное масло. Показатель износа определяет влияние смазочного материала па изнашивание смазываемых поверхностей. Его оцени па ют по диаметру пятен (следов) на всех трех нижних шариках. Измерения осуществляют посредством микроскопа с 24-кратным увеличением н отсчетной шкалой с ценой деления не более 0.01 мм. Каждое пятно измеряют в двух направлениях: в направлении скольжения и перпендикулярном ему. Результатом считается среднее арифметическое всех измерений по трем нижним шарикам.
Принцип действия четырехшарнковой машины показан па рис. 26,
Термоокислительная стабильность
В двигателя внутреннего сгорания сосредоточены все основные условия, вызывающие ухудшение масла, т. е. его интенсивное старение. Большое значениев этом процессе имеет окисление углеводородов, 4* 99
Способность масла противостоять старению называется термо окислительной стабильностью.
Скорость окисления зависит от группового химического состава масла, наличия в нем специальных соединений (присадок), замедляющих этот процесс, и от условий, в которых происходит окисление) температуры, поверхности соприкосновения и наличия катализаторов.
Температура, при которой работает моторное масло в определенных зонах, достигает 200—300 °C. При такой высокой температуре процессы окисления любых углеводородов происходят очень интенсивно.
Поверхность соприкосновения масла с кислородом воздуха благодаря тонкой распыленности масла очень велика (она достигает сотен квадратных метров). И, наконец, в масле всегда есть продукты изнашивания двигателя (различные металлы), которые являются сильными катализаторами, ускоряющими процесс окисления.
Общепризнан следующий порядок окисления масла в двигателе]
Смолы —>- Асфальтены —Карбены
\ Угле в одороды
Кислоты —Оксикислоты —>- /Асфальтогенные кислоты
Фундаментальные исследования термоокислительных процессов в масле проведены советскими исследователями Н. И. Черножуко-вым и С. Э. Крейном. Ими установлено, что не все углеводороды, входящие в моторное масло, обладают одинаковой термоокислительной стабильностью. Наиболее устойчивыми являются ароматические углеводороды без боковых цепей. Затем следуют цикланы, и самыми неустойчивыми являются алканы.
Всем перечисленным группам углеводородов свойственно уменьшение термоокислительной стабильности по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле, а для ароматических и цикланов — при наличии боковых цепей.
Термоокислительная стабильность алканов зависит и от температуры, резко снижаясь при температурах выше 200 сС, т. е. при температурах, характерных для некоторых деталей двигателей внутреннего сгорания. Реальное моторное масло представляет собой сложную смесь различных углеводородов, основную часть которых составляют полицикланы. Наличие в маслах ароматических углеводородов повышает их термоокислительную стабильность, причем для каждого группового состава масла существует оптимальная концентрация ароматических, при которой термоокислительная стабильность масла достигает максимума.
В реальных условиях работы масла в двигателях наблюдаются как действия катализаторов, которыми являются в основном металлические мелкодиспертированные продукты изнашивания двигателя, так и действия, замедляющие окислительные процессы, 100 1
которыми обладают сами продукты окислительной полимеризации, например смолы.
При небольшой концентрации в масле смолы язляются эффективными антиокислителями. Однако основным фактором, определяющим интенсивность окислительных процессов, происходящих в моторном масле, является температура. При низких температурах (до 30— 40 ~С) процессы окисления масел идут настолько медленно, что практически их можно не учитывать. Масла в этих условиях могут храниться годами в резервуарах и бочках, не изменяя своих свойств. По уже при повышении температуры до 70—80 °C (т. е. до значений температуры масла в поддоне картера двигателя) окислительные процессы резко увеличиваются, вызывая интенсивное старение масла. Особенно быстро и глубоко происходит окисление масла при высоких температурах и мелкораспыленном его состояния, т. е. в условиях, характерных для двигателей. В системе смазки масло находится в состоянии интенсивной циркуляции, барботажа и тонкодисперсионного распыливания при непрерывном контакте с воздухом.
В зонах поршневых колец, направляющих клапанов, на поверхности поршней и цилиндров, в зазорах подшипников масло находится в виде тонких пленок на горячих металлических поверхностях. Все это создает исключительно благоприятные условия для его окисления и окислительной полимеризации.
Особенно неблагоприятно на работоспособность масла влияют продукты, образующиеся в процессе его работы: нагар, лакообразные пленки и липкий вязкий осадок (шлам).
Нагар образуется в высокотемпературных зонах, на поверхности камеры сгорания, в канавках поршневых колец и на самих кольцах. Он обладает плохой теплопроводностью, что вызывает перегрев и без того теплонапряженных деталей. Закоксовывание дренажных отверстий в кольцевых канавках маслосъемных колец увеличивает попадание масла в цилиндр, что еще больше ускоряет образование нагара, приводящее к полному закоксовыванию (заклиниванию) поршневых колец и резкому ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя.
Вместе с тем следует помнить, что в реальных условиях процесс образования нагара очень сложен и зависит не только от химических свойств масла, но и от топлива. Образование нагара начинается с появления лаковых пленок, которые постепенно утолщаются, отвод теплоты с их внешней поверхности ухудшается, лак начинает обугливаться, постепенно превращаясь в нагар. Толщина нагара увеличивается до определенной величины и затем стабилизируется, так как отвод теплоты от его внешнего слоя ухудшается, температура возрастает и нагар начинает выгорать. Происходит автоматическая стабилизация толщины нагара. Причем для каждой зоны нагаро-образования существует своя толщина стабилизации, зависящая от теплового потока через эту зону. В нагарах накапливается зольная часть некоторых применяемых в настоящее время присадок. Состав нагара зависит от многих факторов, в том числе и от места его образования. Например, нагар, снятый с поршня, содержит до 70 %
101
углерода, 4—5 % водорода и до 20 % кислорода. Кроме того, в нагаре могут оказаться сера, свинец и активные элементы присадок.
Содержание серы и соединений свинца в топливе отражается на скорости нарастания и твердости нагара. Фракционный состав топлива, например, повышение температуры выкипания конечных, фракций, также сказывается на количестве и плотности нагара. Особенно большое влияние на образование нагара оказывает дизельное топливо. Это объясняется тем, что в продуктах сгорания этих двигателей всегда образуется некоторое количество сажи, которая является одним из важных факторов образования нагара. Количество ее в отработавших газах дизеля при прочих равных условиях зависит оз коэффициента избытка воздуха ос.
Рассматривая зависимость нагарообразования от термоокислительной стабильности самого масла, можно сделать вывод о том, что чем выше это свойство масла, тем меньше образуется нагара, тем надежнее работает двигатель.
Одной из форм проявления термоокислительных процессов в масле является образование на деталях, имеющих высокую температуру, тонких лакообразных отложений. Кажется, что деталь покрыта тонким слоем лака. Толщина лакообразной пленки бывает от долей микрона до 100—200 мкм. Образование лака ухудшает теплопроводность деталей, вызывает их перегрев и, как следствие этого, задир цилиндра и заклинивание поршневых колец, а иногда и самого поршня. Лаковая пленка очень прочно удерживается на деталях и не растворяется в самых сильных растворителях.
Механизм образования лаковых пленок сложен и зависит от многих факторов. Существенное влияние оказывает на этот процесс и групповой состав масла.
Установлено, что особенно сильно влияет на лакообразование содержание в масле смолисто-асфальтовых веществ, а также полициклических углеводородов с алкильными цепями. Так как в свежих маслах смолисто-асфальтовых веществ очень мало (они удаляются в процессе очистки масел), то лакообразование особенно интенсивно при длительной работе масла в двигателе, когда в нем накапливаются продукты окислительной полимеризации,
Склонность моторных масел образовывать лаковые пленки можно определить по лабораторному методу, предложенному К. К. Папок, известным советским химмотологом. В специальном устройстве, называемом лакообразователем (рис. 27), имеется гладкая металлическая плита (диск), на которую устанавливают четыре стандартных кольца с проволочными дужками. Когда плита с кольцами нагреется до 250 °C, на плиту внутри кольца капают пипеткой 0,05 г исследуемого масла. После того как масло превратится в лаковую пленку, приклеившую кольцо к пластине, ее вынимают из прибора и охлаждают. Затем динамометром за проволочную дужку отрывают кольцо от пластины. Усилие отрыва зависит от склонности масла к лакообразованию и времени образования лака, следовательно, можно, повторив опыт несколько раз с различным временем лако-образования, построить кривую, по которой найти время, соответ-102
Рис. 27. Лакообразователы
'> — прибор в сборе; б — пластина и кольца; t — корпус прибора; 2 — стеклянная дверца; .1 — отверстия для поступления воздуха; 4 — электронагреватель; 5 — нагреваемый мае* гиьный металлический диск; 6 пластина; 7 — стержень для прижатия пластины к диску 5? s — термометр
ствующее усилию отрыва кольца от пластинки, равному 1 к'г. Это время в минутах и будет количественной оценкой склонности данного масла к лакообразованию. Чем оно больше, тем выше термоокислительная стабильность масла. Для масел группы Г этот показатель не должен быть меньше 70 мин (для масла М12Г), и не меньше 40 мин (для масла М63/10Г).
В последнее время все большее внимание уделяется моторным методам оценки масел. Разработан и стандартизован отечественный метод оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений (ГОСТ 20991—75). Метод предназначен для оценки масел групп А, Б, В и Г для карбюраторных двигателей и предусматривает испытание масла на специальной одноцилиндровой установке НАМИ-1М в течение 120 ч. После испытаний двигатель разбирают л определяют количество отложений нагара и образования лака на поршне.
Низкотемпературные отложения (шлам) загрязняют двигатель липкими, мазеобразными массами. Скопление шлама в зоне масло-приемника может серьезно нарушить циркуляцию масла и тем самым вызвать повреждение двигателя. Это самые опасные отложения, способные внезапно вызвать полную или частичную закупорку масляных каналов.
юз
Особенно интенсивно шлам образуется в изношенных двигателях с большим прорывом газов в картер, ускоряющих окислительные процессы в масле, так как установлено, что на образование низкотемпературных отложений существенно влияют находящиеся в отработавших газах оксиды азота.
Конденсация паров воды и топлива, характерная для низкотемпературных условий эксплуатации (зимой, на режимах прогрева, при частых остановках и т. д.), особенно способствует образованию и отложению шлама.
Шлам откладывается в клапанных коробках, в различных карманах и углублениях картера и поддона, на маслоприемниках, в отстойниках фильтров и на фильтрующих элементах. Анализ шламовых осадков показывает, что это эмульсия воды в масле, так как вода составляет до 35 % массы этих продуктов. Кроме того, в этой мазеобразной массе скапливаются тяжелые фракции топлива, сажа, асфальтены, карбены, карбоиды, негорючие продукты (зола), соединения серы и ряд других продуктов.
Коррозионная активность
Одним из важных назначений моторного масла является предохранение деталей двигателя от коррозии, т. е. от интенсивного разрушения поверхности в результате химических взаимодействий металла с коррозионно-агрессивными веществами и соединениями. Поэтому недопустимо, чтобы само масло было причиной коррозии или коррозионного износа ответственных деталей двигателя.
Причины коррозионной активности масел тесно связаны с накоплением в них химических соединений, повышающих коррозию металлов.
Механизм коррозионного влияния масла на детали двигателя сложен. Содержание сильнодействующих водорастворимых кислот в свежих маслах стандартами не допускается, но при использовании топлив с высоким содержанием серы в масле накапливаются соединения серы, обладающие высокой коррозионной активностью. Органические кислоты, практически не действующие на сталь и чугун, оказывают разрушительное действие на цветные металлы и особенно на свинец, входящий в состав свинцовистой бронзы, из которой часто изготовляют коренные и шатунные подшипники коленчатого вала. Кроме того, установлено, чго при коррозии существенную роль играют перекисные соединения. Именно совместное* действие перекисей и органических кислот особо активно действует на свинец и его сплавы. Поэтому коррозионную агрессивность масел прежде всего определяют по его действию на свинец. Для этого имеется три метода определения потери массы на 1 м2 поверхности свинцовых пластинок при их периодическом контакте с исследуемым маслом и воздухом за определенное время.
Метод Пинкевича. Пластинки погружают в пробирки с маслом, нагретым до 140 °C (15 погружений в минуту). Испытания проводят в течение 50 ч. Разработан специальный прибор, в котором эту процедуру выполняет несложный, приводимый 104
Рис. 28; Прибор НАМИ ДК-2 для определения потенциальной коррозионной агрессивности масел:
1 — система электроподогрева; 2 — вращающаяся кассета в колбами; 3 — термометр; 4 —• редуктор; 5 — электродвигатель привода; 6 — образец металла; 7 — колба
от электродвигателя механизм. Температура воздуха, с которым соприкасаются пластинки, значительно ниже температуры масла (практически эго температура в лаборатории).
Метод, разработанный в НАМИ. По этому методу (рис. 28) свинцовые пластинки укрепляются в специальных фасонных колбах, в которые до определенного уровня наливают исследуемое масло. Колбы установлены во вращающейся кассете, помещенной в масляной бане. Прибор с помощью специального приспособления устанавливают под некоторым углом к горизонту, кассета приводится во вращение через червячный редуктор от электродвигателя. Благодаря наклонному расположению колб уровень масла в них периодически, соответственно вращению кассеты, меняетс,ч, свинцовые пластинки го оголяются, то вновь погружаются в исследуемое масло.
Температура воздуха и масла в приборе примерно одинакова и равна 140 °C. Эго ускоряет процессы коррозионного воздействие на пластинки и позволяет сократить время испытания с 50 до 10 ч, т. е. в 5 раз. Прибор НАМИ ДК-2 надежен в работе. Результаты, полученные обоими методами, практически совпадают.
Метод и установка ПЗЗ. Горячее масло насосом прокачивается через камеру, в которой установлена кассета с пластинками. В циркулирующее масло непрерывно на входе в насос подается воздух.
Интенсивность циркуляции масла через систему составляет 125 л/ч, а воздуха—50 л/ч. Температура масла 125—225 °C. Время испытания 2 ч. С помощью установки определяю! не только коррозионную агрессивность масла, но и его испаряемость и окислительную стабильность. Интенсивная циркуляция, большой поверхностный контакт с воздухом и высокая температура — все это делает условия испытания очень похожими на условия работы масла в двигателе.
Содержание в масле кислот, которое раньше выражалось кислотным числом, для современных товарных мае л не определяют, так как специальные присадки полностью и с запасом нейтрализуют их, В стандартах и ТУ нормируется обязательная щелочность масел в мг КОН на 1 г масла, которая в зависимости от группы применения
105
не должна быть меньше определенной величины (для группы В от 3 до 6 мг КОН/г, а для группы Г от 8 до 9 мг КОН/г). Кислотное число* нормируют только для базовых масел, т. е. до введения в них комплекса присадок. Кислотным числом называется количество щелочи КОН, мг, необходимое для нейтрализации 1 г масла.
Моющие свойства
Для современных двигателей любого типа и назначения огромное значение имеют моющие свойства масел. Опыт показывает, что напряженные и разнообразные условия эксплуатации, наличие в двигателе очень горячих зон, температура которых доходит до 250 °C и более, и зон относительно холодных, высокая степень дисперсности масла во внутренних полостях двигателя, масляный туман, возможность обводнения и многие другие факторы приводят к интенсивному образованию нагара, лака, шлама и сложных их сочетаний. Все это может вызвать опасное для нормальной работы загрязнение двигателя и нарушить его работоспособность. Поэтому очень важным показателем качества масла в последние годы считают его моющие свойства.
Применение специальных моющих присадок показало, что, улучшая способность масел растворять (смывать) различного рода отложения, можно добиться хороших результатов. Например, поршни двигателя, работающие па маслах без моющих присадок, очень быстро покрывались лаком и нагаром, кольца поршней пригорали и теряли способность уплотнять зазор и снимать масло с зеркала цилиндра. При работе на маслах с хорошими моющими свойствами в течение сотен часов работы поршни оставались совершенно чистыми, не теряли свой первоначальный металлический блеск, а кольца сохраняли нормальную подвижность. Для количественного выражения моющих свойств масел разработан метод ПЗВ, который основан на визуальной оценке степени загрязненности поршня, проработавшего определенное время в специальной установке (рис. 29), представляющей собой модель небольшого одноцилиндрового двигателя с диаметром цилиндра 52 мм, вал которого приводится во вращение от электродвигателя, а необходимая температура масла в картере, стенок цилиндра и головки обеспечивается электроподогревом.
Для определения моющих свойств 250 мл исследуемого масла заливают в картер установки. Система электрического подогрева обеспечивает с высокой точностью тепловой режим установки (головка 300 ± 1 °C, средняя часть пилиндра 225 ± 1 °C, воздух на anvcKe 220 2 °C, масло в кар-
тере 125 ± 1 СС).
Рис. 29. Схема безмоторной установки ПЗВ для определения моющих свойств масел:
1 — электродвигатель; 2 — макег двигателя; 3 — электроподогрев
106
Рис. 30. Эталонная шкала для оценки моющих свойств масел на установке ПЗВз 9 ... 6 — баллы
Частота вращения коленчатого вала 2500 ч- 50 mmh"11.
После двухчасовых испытаний установку разбирают, из нее извлекают поршень и визуально определяют степень загрязненности с точностью до 0,5 балла. У современных моторных масел моющая способность должна быть не хуже 0,5— 1 балла (рис. 30).
Для оценки способности моющей присадки обеспечивать высокую дисперсность загрязнений в масле разработан стандарт на определение моющего потенциала масла.
Определение моющего потенциала производится в термостате—лакообразо-вателе. Моющий потенциал численно представляет собой максимальное процентное содержание эталонного вещества в испытуемом масле, при котором оно еще способно сохранять высокую агрегативную устойчивость (т. е. жидкое агрегатное состояние без возникновения коагуляции и выпадения в осадок) продуктов окислительной полимеризации. Этот метод применяют при определении моющих свойств современных моторных масел, моющий потенциал которых должен быть не менее 70 -80 % (для масел группы В).
Присадки
Присадки должны хорошо растворяться в масле и составлять с ним стабильную и трудно разделимую систему. В процессе работы масла в двигателе действие присадок, как правило, ослабевает, присадки срабатываются. Длительность их действия должна соответствовать периодичности смены масла.
Для улучшения одновременно нескольких показателей в масло добавляют несколько присадок, составляя нужную их композицию с обязательным соблюдением условия полной совместимости, а в некоторых случаях взаимного усиления действия. Кроме того, разрабатывают так называемые многофункциональные присадки, введение которых улучшает сразу несколько свойств масла.
107
На нефтеперерабатывающих заводах присадки добавляют, как правило, в процессе изготовления масла, и с этого момента они становятся неотъемлемой частью той или иной марки товарного масла. При этом должны быть учтены и целевое назначение масла, и условия его работы, и сроки срабатываемости присадок. Поэтому в процессе эксплуатации дополнительно присадки никогда не вводят и отдельно от масел присадки потребителям товарных масел не отпускают, за исключением случаев, когда проводят какие-либо специальные исследования масел.
По целевому (функциональному) назначению различают при-садки:
моющие (их добавляют в количестве 3—20 %);
противозадирные (5—10 %);
вязкостные (0,5—10 %);
антиокислительные:
а) термоокислительные (0,5—3 %);
б) ингибиторы (0,005—0,5 %);
противоизносные (0,1—2 %);
депрессорные (0,1—1 %);
антикоррозионные (0,1—1 %); антипенные (0,0001—0,003 %). Многие из современных присадок, являясь целевыми, улучшают одновременно несколько функций масла, связанных с основной направленностью действия присадки. Например, антиокислительные присадки, замедляя процессы окислительной полимеризации масел, одновременно улучшают противокоррозионные и пр от иво-износные их свойства.
Для высокофорсированпых двигателей, особенно при применении топлив с высоким содержанием серы, потребовались масла с такими свойствами, которыми не обладали естественные углеводороды, входившие в состав обычных масел. Необходимо специализированное, с точным целевым назначением легирование (улучшение) масел с помощью введения в них присадок.
Моющие (гетергентные) присадки обладают широким, многофункциональным действием. Характерной особенностью поршневых двигателей внутреннего сгорания являются благоприятные условия образования лаковых отложений и нагара в зоне поршневых колеи и на других деталях, которые ухудшают работоспособность двигателя и могут привести к залеганию (закоксовыванию) поршневых колец. Моторные масла, полученные из нефтяного сырья, способны образовывать высокотемпературные отложения. Поэтому еще более полувека назад, когда начали появляться двигатели с достаточно высокой форсировкой, возникла идея добавления к маслам химических соединений, обладающих способностью размягчать и смывать нагар, лак и другие отложения, загрязняющие ответственные узлы и детали двигателя. Так появились моющие присадки. Механизм их действия был схож с действием любых моющих средств. Поэтому в качестве первых присадок были предложены бариевые или кальциевые соли жирных кислот. Современные моющие присадки представляют
Ю8
собой сульфонаты кальция и бария. Эти соединения действуют подобно солям жирных кислот водорастворимых щелочей, т. е, привычным нам мылам. Обладая высокой полярной активностью, сульфонаты покрывают мономолекулярными пленками поверхности де-залей, препятствуя отложению на них продуктов окислительной полимеризации; кроме того, моющие присадки адсорбируются на поверхностях продуктов старения масла, замедляя или приостанавливая их дальнейшее образование. Примером моющих сульфонатных присадок могут быть присадки МПСя (бариевая или кальциевая), присадка СБ-3 (бариевая соль сульфокислот), присадка С-300 (высокощелочная сульфонатная присадка), увеличивающая щелочное число масла, замедляющая окислительные процессы, обладающая высокими моющими свойствами.
Алкилфенольные присадки также являются эффективными моющими присадками, обладающими противоизносными, противокоррозионными и антиокислительными свойствами. Эти присадки хможно считать многофункциональными, но основными являются их моющие свойства. Примером алкилфенольных моющих многофункциональных присадок являются присадки ЦИАТИМ-339, ВНИИНП-360, ВНИИНП-370, ИХП-101, БФК, которые широко применяют в современных моторных маслах, особенно в маслах, предназначенных для форсированных дизелей.
Анпшокислшпельные присадки делятся на низкотемпературные ингибиторы, которые замедляют процесс окисления углеводородов при относительно невысоких температурах (150—2С0 СС), и присадки, замедляющие окисление масел в тонких слоях при высоких температурах и называемые термоокислительпыми.
Для моторных масел особое значение имеет вторая группа присадок, в качестве которых чаще всего используют соли сложных диэфиров дитиофосфорных кислот, главным образом, дитиофосфаты цинка.
Присадка ВН И ИН П-354 представляет собой эффективное химическое соединение на базе цинка. Применяют ее как антиокислитель-ную и антикоррозионную присадку для дизельных масел.
Депрессорные присадки (депрессаторы) служат для понижения температуры застывания, добавляют их не только в масла, но и в топлива.
Депрессаторы понижают температуру застывания нефтепродуктов, препятствуя росту кристалликов парафина и других соединений, имеющих более высокую температуру застывания, чем основная масса продукта. Примером таких присадок может быть присадка АзНИИ-ЦИАТИМ-1. Это не только депрессатор, но и многофункциональная присадка, обладающая моющими и антикоррозионными свойствами. Депрессатор АзНИИ — хорошо себя зарекомендовавшая и пришедшая длительную проверку депрессорная присадка универсального применения. Добавляют ее как в масла, так и в дизельное топливо.
Присадка АФК — алкилфенольная кальциевая. Очень эффективный депрессатор, способный понизить температуру застывания
109
масел в зависимости от их группового химического состава на 15— 20 °C.
Вязкостные присадки применяют для получения высокоиндексных (загущенных) масел. Они представляют собой полиизобутилены высоких молекулярных масс или полиалкилметакрилаты.
Поли изобутилен для загущения масел выпускают трех марок— КП-5 (молекулярная масса 2000—6000), КП-10 (молекулярная масса 9000—15000) и КП-20 (молекулярная масса 15000—25000); вязкость всех трех марок должна быть не более 1000 мм2/с при 100 °C. Все три присадки представляют собой раствор полиизобутилена в индустриальном масле.
Полиметакрилаты, выпускающиеся для загущения масел, должны удовлетворять определенным требованиям. Полиметакрилатная присадка В-1 имеет условную молекулярную массу 3000—4300 и кинематическую вязкость 200—280 мм2/с при 100 °C. Полиметакрилатная присадка В-2 имеет условную молекулярную массу 12000—17000 и кинематическую вязкость соответственно 1100 и 1700 мм2/с. Добавление вязкостных присадок в маловязкне базовые масла позволяет получить так называемые загущенные масла с очень высоким ИВ (125).
Противоизносные присадки увеличивают маслянистость масла, повышают прочность масляной пленки и тем самым уменьшают износ двигателя. Присадки добавляют в количестве 0,1—2 % от массы масла.
Противопенные присадки уменьшают образование пены. Вспенивание масла ухудшает теплоотвод и нормальное его поступление к зонам трения. Чем больше поверхностно-активных веществ, тем сильнее вспенивается масло, тем медленнее опадает пена. Было замечено, что полисилаксаны могут значительно повышать противо-пенные свойства масел.
Противопенная присадка полиметилсилоксан МПС-200А при ее добавлении к маслу в очень малых количествах (не более 0,001— 0.005 %) позволяет существенно уменьшить пенообразование. При больших концентрациях эта присадка начинает подавлять другие ценные свойства масел и, в первую очередь, их маслянистость. Поэтому увеличение концентрации противопенных присадок недопустимо.
Присадки открывают огромные возможности перед разработчиками моторных масел. Особое значение присадки начинают приобретать не только для улучшения основных свойств нефтяных моторных и других масел, но и для придания требуемых показателей качества синтетическим маслам, которые постепенно приходят на смену смазочным материалам, полученным на базе нефтяного сырья. Синтезированные, с заранее заданными свойствами присадки, которые уже сейчас составляют почти 1/4 массы масла, станут необходимыми компонентами принципиально новых синтетических смазочных материалов.
ПО
§ 14. ТОВАРНЫЕ МАРКИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ Маркировка
Каждый современный инженер-двигателгст должен твердо и уверенно знать действующую единую систему классификации и маркировки моторных масел. Эта система маркировки распространяется на моторные масла с присадками для двигателей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и дорожных иашин, тепловозов, морских и речных судов и др. По этой системе все моторные масла делятся на шесть основных групп по области их применения — А, Ь, В, Г, Д и Е (табл. 22) и на семь классов вязкости. Кроме того, для обозначения загущенных масел имеется четыре дополнительных класса вязкости, в которых кроме основного класса, указываемого р знаменателе, в числителе указан условный класс с индексом 3, •ио означает загущенное (табл. 23). Для этих масел разработаны дополнительные требования к вязкости при температуре —18 сС.
Таблица 22
Группа масла но эксплуатациейп ым CROUCTBP.M Применение для двигателей
А Бензиновых, автомобильных, тракторных и мотоциклетных нофсрсированных
Г> Б, Б.. Ка р бюр атор н ы х м ал офор сиро в а нв ы х Дизельных малофорсированньх
В В., К а р бюр а тор н ы х ср с л н ефо р си рова и н ы х Д из ел ь пы х с р с д нефор с и р ова н и ых
Г Г, г» Карбюраторных высокофорсированных Дизельных высокофорсированных
д Высокофорсированных дизелей, работающих в тяжелых условиях
Е Малооборотпых дизелей с лубрнкаторной смазочной системой, работающих на тяжелом топливе с содержанием серы до 3,5 %
Из шести групп (см. твбл. 23) три группы D, В и Г имеют подгруппы, обозначенные индексами 1 и 2. Индекс 1 означает, что масло предназначено только для двигателей с искровым зажиганием, к которым относятся карбюраторные двигатели с впрыскиванием топлива и двигатели, работающие на газообразном топливе: индекс 2— что масло предназначено только для дизелей.
Т а б л и ц я 23
Класс вязкости Предел вязкости при 100 °C, мм*/с Предел вязкости при —18 °C, ммг/с Индекс вязкости, не менее
6 6±0,5 90
8 8+0,5 — 90
10 10±1 — 90
12 12±0,5 — 90
14 14± 1 — 90
16 16± 1 90
20 20*2 — 80
43/6 6+0,5 Не менее 1300 и менее 2600 125
43/8 8±0,5 То же 125
43/10 о н-о СП » 125
63/10 10+0,5 Не менее 2600 и менее 10 400 125
Если группа масла не имеет индекса, это значит, что масло можно применять как для дизелей, так и для бензиновых двигателей. Исключение составляют масла групп Д и Е — они предназначены только для дизелей.
В табл, 24 приведена система маркировки моторных масел, в основу которой положены принципы классификации. Для примера расшифруем несколько наиболее распространенных марок масел, обозначенных в соответствии с действующей системой маркировки.
Таблица 24
А Б в г д
Б, Б2 В, В. П гг
- М-6Б, — - - M-6BJ - М-6ГХ -
М-8А M-8BJ М-8Б. М-8В, М-8В. М-8Г, М-8Г2 М-8Д
М-10А М-ЮБх М-ЮБп M-lOBi М-10В. М-10Г! М-10Е, М-10Д
— — М-12Б» М-12В2 — М-12Г2 М-12Д
" — М-14Б2 — М-14В2 — М-14Г2 М-14Д
- -- - М-16Б. М-16В, — М-16Г2 М-16Д
— — М-20Б.. —♦ М-20В« М-20Г2 М-20Д
— — М-43/6Б — М-43/6В2 — —
- —“ МЛэ/вБ, М-43'8Б2 М-4з/8Вг М-43/ 8В2 — — ——
М-43/ 10В, М-43' 10В- — —
— — М-63/ 10Bi М-63/ 10В» М-63/ 10Гг М-63/ ЮГ.
М-8ВГ—буква М обозначает, что это масло моторное, цифра 8 — уровень вязкости, мм2/с, при 100 °C, буква В с индексом 1 — масло предназначено для среднефорсированных карбюраторных двигателей;
М-4 /SBt — загущенное высокоиндексное масло для карбюраторных двигателей вязкостью 6 мм2/с при 100 °C;
112
М-63/10В — всесезонное загущенное масло, вязкостью 10 мм2/с для карбюраторных двигателей и дизелей;
М-10Б2 — дизельное масло вязкостью 10 мм2/с для среднефорсированных двигателей;
М-10Г2 — дизельноз масло вязкостью 10 мм2/с при 100 СС для высокофорсированных двигателей.
Однако действующая система маркировки и классификации моторных масел хотя и более информативна, чей старая, но все же не подчеркивает некоторые важные особенности той или иной марки моторного масла. Поэтому в марку добавляют буквы, уточняющие какие-либо особенности этого масла.
Например, для возможности применения топлив с высокими содержанием серы были разработаны специальные масла М-16Е30 и М-16Е60. В этих маслах цифры 30 и 60 показывают щелочность масел. Масло со щелочностью 30 позволяет работать на топливе с содержанием серы до 2 %, а со щелочностью 60 — на топливе с содержанием серы до 4,5 %.
Особенно следует отметить так называемые долгоработающие масла, которые в современных двигателях иогут без смены работать до 20 тыс. км пробега. Особенностью долгоработающих масел является специально подобранная композидия присадок, причем общее их содержание может достигать 15 % массы масла. Присадки обеспечивают высокие противоокислительные свойства этих масел в широком диапазоне температур, высокие моющие и диспергирующие свойства, малое количество высокотемпературных и низкотемпературных отложений.
Обязательным условием, позволяющим использовать потенциальные свойства долгоработающих масел, является надежная и стабильно действующая система очистки воздуха, топлива и самого масла. Промышленностью выпускается долгоработающее масло под маркой M-63/IOB (ДВ-АСЗп-10).
Выпускают масла с индивидуальной маркировкой. Например, МТЗ-10п, МТ-16п, М-16ИХП-3 и многие другие. Всего замаркировано около 40 различных моторных масел. На данном этапе развития химмотологии и нефтеперерабатывающей промышленности еще нет возможности сократить сортамент моторных масел, так как очень высоки и разнообразны предъявляемые к ним требования. Но постепенно число марок моторных масел сократится, а показатели качества каждой — повысятся. В будущем на базе синтетических пли многокомпонентных масел с композициями присадок высокой эффективности будут созданы универсальные единые масла.
Для подробного ознакомпления с показателями качества моторных масел следует обращаться к сборникам, выпускаемым издательством стандартов «Нефтепродукты, масла, смазки, присадки». Очень важно знать год издания, так как стандарты периодически пересматриваются. В табл. 25 приведены основные показатели качества неко-|<>рых масел для бензиновых двигателей (группы А, Б, В и Г), в табл. 26 — то же для масел групп В и Г. Эти данные соответствуют рекомендуемым действующими стандартами.
113
Таблица 25-
Показатель г. г чести а М-8А ЛА-8 В, ЛА -8 Г, Мб,/ 10 Г J ЛА12Г,
Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре, СС:
100 8+0,5 8+0,5 8+0,5 8+0.5 10+0,5 12 ± 0,5
0, ие более 1200 1200 1200 1 1000 —
Индекс вязкости, не менее 90 90 90 100 125 95
Щелочное число, мг/г, не менее 1,2 3,4 4,0 8,5 10,5 8,5
Зольность, ие более 0,45 1,0 0,95 1,3 1,65 1,3
Моклцие свинства ПЗВ, баллы, не более 1,5 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5
Коррозионность на пластин- 8 10 10 Отсутствует
ках из свинца, г-'м2, не более Температура:
вспышки, сС, не ниже 200 200 200 210 210 220
застывания, °C, не выше —25 —25 —25 —30 —32 —20
Моторные испытания В ы д е J ) ж и в а ю т
i а б л и н .1 /6
Почезатель качеств'! М-"В2 ЛА-1 0В2 М 812 М-1СГ2 М-8Г2к
Кине\fатическая вязкость. мм2/с, при 100 °C 8+0+ 11+0.5 8+0,5 11+0,5 8±0,5 11+0,5
Индекс вязкости, ие менее 90 90 90 90 95 90
Щелочность, мг/г, не менее 3,5 3,5 6 6 6 6
Зольность, %, нс более 1,3 1,3 1,65 1,65 1,15 1,15
Моющие свойства по ПЗВ, баллы, не более 1,0 1,0 1.0 1,0 0,5 0,5
Температура вспышки, °C, не ниже 200 205 200 205 200 205
Температура застывания, °C, не выше Моторные испытания —25 —15 В -25 ы д е р — 15 ж и в а к —30 з т — 15
Все новые двигатели перед тем как они смогут принять полную нагрузку и работать на номинальном режиме, должны пройти период обкатки. В этот период обычно рекомендуется ограничить нагрузку и частоту вращения двигателя, чаще менять масло и фильтрующие элементы для удаления продуктов приработки и технологических загрязнений (стружки, формовочные смеси, окалины и др.).
Для сокращения времени обкатки и улучшения ее качества разработаны специальные обкаточные циклы, позволяющие в условиях стендовых испытаний, еще до установки двигателя на шасси автомобиля или другого транспортного средства произвести его обкатку. Специальные обкаточные масла позволяют значительно сократить непроизводительный и экономически нецелесообразный процесс обкатки. Примером такого масла может служить масло ОМ-2, 114
которое приготовляют на базе дизельного масла ДС-8 с присадкой ЦИАТИМ-338 (2 %), ПМС (1 %) и Д в количестве 2 %.
Выпускают и другие вспомогательные масла узконаправленного действия, например, промывочные (масло ВНИИНП ФД) или мало-вязкие индустриальные масла И-12А и веретенное АУ.
Для промывки двигателей часто используют обычные масла, на логорых эксплуатируется данный двигатель, разжиженные дизельным топливом или маловязким маслом.
Моторная оценка качества
В технических условиях на моторные масла приведены химико-физические показатели, характеризующие их различные эксплуатационные свойства. Определение этих показателей производится лабораторными методами, основанными на использовании специального химического оборудования и модельных установок, имитирующих условия работы масла в двигателе (например, установка ПЗВ, прибор ДК НАМИ и т. д.). Однако при оценке масел по этим методам не удается полностью воспроизвести совокупность процессов, происходящих в реальном двигателе, и учесть все факторы, воздействующие на масло при его работе.
Поэтому физико-химические показатели масел и лабораторные методы их оценки используют при определении общего типа масел с точки зрения исходного нефтяного сырья, способов очистки и наличия присадки при оперативном контроле качества масел на нефтеперерабатывающих заводах и в нефтесбытовых организациях. Эти данные также имеют вполне определенную ценность для оценки интенсивности процесса старения масла, установления оптимальных сроков смены масла и фильтрующих элементов.
Поскольку лабораторная оценка не может дать окончательного заключения о поведении масла в двигателях различных типов, моторные испытания масел проводят на специальных одноцилиндровых или серийно выпускаемых полноразмерных двигателях.
В соответствии со стандартом моторные испытания масел для карбюраторных двигателей групп А, Бх, Вг и Гх и универсальных масел групп Б, В и Г проводят;
на установке НАМИ-1м по методам оценки склонности масел ь образованию высокотемпературных (ГОСТ 20991—75) и низкотемпературных (ГОСТ 20994—75) отложений в двигателе и на установке ИКМ-1 по методу оценки антиокислитсльных свойств (ГОСТ 20457— 75*) и на установке «Питтер W-1» по методу оценки антиокисли-1ельпых и противокоррозионных свойств.
Моторные испытания масел для дизельных двигателей и универсальных масел проводят;
на установке УИМ-6 HATH по методу оценки моющих свойств чисел (ГОСТ 21490—76) или на двигателе СМД-14 (масла групп Б, Г> В и В2);
на установках УИМ-6 НАТИ с наддувом и ИМ-1 по ме-шдам оценки моющих свойств масел (ГОСТ 21490—76 и ГОСТ
115
Показатель качества, подлежащий оценке Метод испытаний
Склонность к образованию низ-котсм пе ра тур н ы х от л ожени й на установке НАМИ-1м По ГОСТ 20994—75
Склонность к образованию высокотемпературных отложений По гост 20991—75
Защитные свойства па ке НАМИ-1м установ- На установке НАМИ-1м
Моющие свойства на ке ИМ-1 уставов- По ГОСТ 20303—74*
Антиокн сл ител ь н ые на установке ИКМ-1 свойства По методу И КМ-40
Антис ж целительные и противокоррозионные свойства на установке «Питтер-Wb 1Р 176/69
Таблица 27
Время испытаний и оценка степени загрязнения Применение метода
120 ч, по степени загрязнения поршня и отложениям в центрифуге Масла для карбюраторных двигателей и дизельные, кроме групп Д н Е
То же То же
30 ч, по индукционному периоду коррозии и суммарной площади оцениваемых деталей л
96 ч, по степени загрязнения поршневой группы. Определяют также антикоррозионные и протнвопзпоспые свойства (по коррозии вкладышей шатунных подшипников и износу поршневых колец)
40 ч, по приросту вязкости (%) при 50 °C Дизельные масла, кроме групп Д и Е
36 ч, по состоянию поршня и изменению массы медно-св и нцовых вкладышей подшипников Дизельные масла, кроме групп Д и Е
Метод испытаний
Показатель качества, подлежащий оценке
Моющие и противоизпосные свойства на установке УИМ-6 НАТИ (группы Б и В) По ГОСТ 21490—-76
Моющие и лротивоизпоспые свойства на установке УИЛ!-6 ИДТИ (группа Г, двигатель с наддувом) По ГОСТ 21490—76
Моющие свойства на дизеле СМД-14 На 11 еты ре х ин л в и д р о-вом четырехтактном дизеле СМД-14
Противокоррозионные свойства на дизеле Я АЗ-204 На четырехцилиндровом днухта ктном дизеле Я АЗ -204
Моющие и алтпокислительные свойства па дизеле ЯМЗ-238 НЕ На восьмпцилиндровом четырехтактном дизеле ЯМЗ-238 НБ
Продолжение т а л. 27
Время испытаний и оценка степени загрязнения Применение метода
120 ч, по загрязненности поршневой группы и по износу поршневых колец и гильзы цилиндра То же
То же »
960 ч, по лако- и нагарообразованию на поршнях »
125 ч, по уменьшению массы вкладышей подшипников из свинцовистой бронзы »
960 ч, по лако- и нагарообразованию на поршнях Дизельные масла, кроме групп Д и Е
20303—74*) или на двигателе ЯМЗ-238 НБ (масла групп
Г2 и Д):
на установке НАМИ-1м по методу оценки склонности масел к образованию низкотемпературных отложений (ГОСТ 20994—75), на установке «Питтер W-1» по методу оценки антиокислительных и противокоррозионных свойств или на двигателе Я АЗ-204 по методу оценки противокоррозионных свойств (дизельные масла всех групп).
Защитные свойства всех автотракторных масел определяют на установке НАМИ-1м. Наиболее распространены моторные испытания масел на специальных одноцилиндровых установках НАМИ 1м и УИМ-6 НАТИ. В табл. 27 приведены моторные методы испытаний масел.
§ 15. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ
Основные факторы, влияющие на изменение показателей качества масел
Условия работы масла в современных двигателях настолько сложны и напряженны, что его первоначальные свойства начинают изменяться, причем, как правило, в худшую сторону. Высокие температуры и контакт с кислородом воздуха являются основной причиной окислительной полимеризации углеводородов. Важным фактором ухудшения показателей масла является накопление в нем продуктов износа двигателя (в основном железа и его соединений), а также загрязнений, попадающих в масло из внешней среды.
Содержащаяся в топливе в виде органических соединений сера способствует ухудшению свойств моторного масла. Кроме того, появляющаяся в масле вода (от конденсации водяных паров, прорвавшихся в картер отработавших газов и паров воды, всегда имеющихся в воздухе) также способствует образованию веществ, вредно влияющих на качество масла. Следует иметь в виду, что в условиях реальной эксплуатации двигателей эти факторы действуют одновременно, и их влияние оказывается очень сложным.
При определении изменения показателей качества работающего масла обычно отбирают его пробу в количестве 200—250 мл. В лабораторных условиях по стандартизованным методам определяют вязкость масла, содержание топливных фракций, воды, горючих (органических) и негорючих примесей, водорастворимых кислот и щелочей, коксуемость и температуру вспышки. При более тщательных исследованиях определяют количество продуктов износа (в основном железа) активных элементов присадок (Са, Ва и др.).
На вязкость масла в процессе его работы влияют три фактора.
1. Образование продуктов окислительной полимеризации. Эти продукты, обладая высокой вязкостью, при накоплении в масле увеличивают и его вязкость. Чем меньшей термоокислительной стабильностью обладает масло и чем выше температурный режим его работы, тем в большей степени увеличивается его вязкость. Ухуд-
118
шлются при этом и вязкостно-температурные звойства масла (уменьшается ИВ), и может значительно повыситься температура застывания, так как продукты окислительной полимеризации обладают плохими вязкостно-температурными свойствами.
2. Попадание в масло топливных фракций, которые понижают его вязкость. Поэтому всегда рекомендуется при оценке изменения вязкости масел определять в нем количество топливных фракций. В этом легко убедиться, проведя исследования масел при работе-двигателя на жидком и газообразном топливе. При использовании газа в качестве топлива разжижения масла топливом не происходит, и его вязкость всегда увеличивается.
3. Механическая деструкция загустителя (полиизобутилена и др.) под действием высоких механических нагрузок в узлах трения дви-нтгеля. Этот фактор действует только на специальные загущенные масла. Молекулы загустителя (имеющие молекулярную массу 10000— 15000) разрушаются, вязкость его уменьшается, и, как следствие этого, уменьшается вязкость масла.
Вязкость масла в процессе его применения может изменяться не только от продолжительности его работы, ю и от таких факторов, как режим работы и степень износа двигателя. Например, длительная работа двигателя па холодных режимах может вызвать увеличение количества топливных фракций и, следовательно, снижение вязкости масла. Наоборот, напряженная эксплуатация при высокой окружающей температуре существенно повышает вязкость масла. При использовании всесезонных загущенных масел наблюдается обратное явление. Присутствие в масле топливных фракций может быть определено по температуре вспышки. Недостаток этого метода заключается в необходимости иметь для сравнения некоторое количество свежего масла, которое было использовано для заправки двигателя, той же марки и той же партии, а это ie всегда оказывается возможным.
Определение кислотного числа для современных масел, содержащих комплексные присадки, может оказаться малоэффективным, так как свежее масло обладает значительным «запасом» щелочности. Более надежным и методически правильным является определение коррозионной активности масла или на приборе ДК-2 (НАМИ), или по Пинкевичу.
Серьезным фактором, ухудшающим качество масла в процессе его работы, является загрязнение (рис. 31). Рассмотрение структуры процесса загрязнения показывает, что старение моторного масла происходит по следующим направлениям;
сложные процессы химических превращений самих углеводородов масла (окислительная полимеризация и др.):
загрязнение продуктами сгорания топлгва: загрязнение продуктами срабатывания присадок; загрязнение продуктами изнашивания двигателя и продуктами, попавшими в масло из внешней среды.
Все эти загрязнения постепенно накапливаются в масле в процессе его работы.
Н9
Продукты неполного сгорания
Топливо
Пасло
Отложения
Снопы и лак
Продукты окислитель ной полимеризации
Воздух
а)
СО,)
Дизель
Предпла-ненные продукты
Топливо
воздух
пасло
Окисленные мономеры N0x;H2D;02;S0z
Бензиновый
двигатель
Продукты полимеризации
Продукты окислительной полимеризации + 5ЭЛ РЫ-NOy
Углерод, смолы, лак
S)
нагар,
лак, шлам
ш
ш
Рис. 31, Структурная схема процесса образования загрязнения, а — дизель; б — бензиновый двигатель
Для определения содержания примесей применяют метод, основанный на фильтрации маета через специальные беззольные бумажные фильтры в лабораторный условиях.
С высокой точностью на аналитических весах определяют массу фильтра до отложения на нем осадка и после. По разности масс вычисляют суммарную массу осадка, находящегося в определенной навеске исследуемого масла. Затем, используя последовательно различные растворители (бензол, хлороформ, четыреххлористый углерод, пиридин), промывают фильтр. После каждой промывки бумажный фильтр доводят до постоянной массы. И по разности определяют количество оставшегося на фильтре компонента примесей. Так определяют состав органических примесей, состоящих обычно из асфальтенов, карбенов и карбоидов.
Цля определения массы негорючего компонента беззольный фильтр вместе с оставшимися на нем после промывки примесями сжигают в муфельной печи, а оставшаяся после сжигания масса представляет собой негорючие компоненты. Обычно так определяют и зольность масла. В золе содержатся и металлы солей органических кислот, находящихся в масле в растворенном состоянии, которые при промывке суммарных примесей удаляются и не попадают в негорючий компонент. Типичное суммарное содержание примесей в работавшем масле, по данным многочисленных анализов, находится в пределах 1—4 % массы масла. По отдельным компонентам эти примеси состоят из следующих веществ (%):
Асфальтены....................................................... 0,4 —1,4 %
Карбены и карбоиды ....................................... 0,6 — 2 %
Негорючие вещества.......................................... 0,01 — 0,6 %
Изменение показателей качества моторных масел
Рассмотрим характер изменения показателей качества.
На графике (рис. 32) показана динамика старения моторного масла в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации легко
го
Рис. 32. Динамика старения масла
вого автомобиля такси (ГАЗ-24) при его работе в большом городе. Резкие разгоны, торможение, короткие и длительные остановки, низкий температурный режим картерного масла, сочетающийся с высокой тепловой напряженностью цилиндропоршневой группы и шатунных подшипников, — все это очень неблагоприятно влияет на состояние масла.
Окисление масла (кривая 5) в первые 10 тыс. км пробега быстро прогрессирует, потом темп постепенно снижается и после 50 тыс. км пробега практически стабилизируется. В масле накапливаются продукты с высоким содержанием органических кислот (в основном карбонильные и нитроэфирные группы). Примерно тот же характер, что и окисление масла, имеет процесс срабатывания присадки, о чем можно судить по уменьшению щелочного числа (кривая 2).
В результате накопления продуктов окислительной полимеризации, изнашивания деталей двигателя и попадания в масло примесей из внешней среды непрерывно растет в масле количество суммарных примесей (кривая 3). За 80 тыс. км пробега их количество достигает 1 %. С четко выраженным максимумом при 50 тыс. км пробега изменяется отношение общего (суммарного) содержания примесей к количеству крупнодисперсных частиц, что свидетельствует о сложной зависимости диспергирующих свойств масла от длительности его работы (кривая 4), Срабатывание диспергирующей присадки характеризуется непрерывным уменьшением индуктивного периода осадкообразования (кривая /).
При системном рассмотрении процесса старения масла особенно четко проявляется вся сложность этого явления, На рис. 3.3 показана системная связь двигателя, топлива, масла и их взаимное влияние. Причем все три входящих в систему компонента можно рассматривать как самостоятельные подсистемы. Рассмотрим динамику этой системы. Двигатель в зависимости от типа, конструкции, степени форсирования, условий эксплуатации предъявляет как топливу,
121
так и смазывающему его маслу ряд требований. Полагаем, что перед началом эксплуатации и топливо и масло в основном удовлетворяли этим требованиям. Как только началась работа двигателя, началось и взаимовлияние всех трех компонентов системы. Эти связи могут быть классифицированы как прямые и обратные.
Примером прямых связей является разжижение масла топливом, когда тяжелые (хвостовые) фракции бензина, не успев испариться, попадают на масляную пленку цилиндра, частично смывают ее и затем, попадая в картерное масло, разжижают масло, понижая его противоизпосные свойства. Одновременно начинает действовать -обратная связь. В результате смывания масляной пленки с зеркала цилиндра начинается интенсивное изнашивание цилиндропоршневой группы. Прогрессирующее изнашивание создает благоприятные условия для увеличения прорыва отработавших газов в картерное пространство, что ускоряет процессы старения картерного масла. Накопление в масле продуктов окислительной полимеризации также влияет на его противоизносные свойства. Таким образом возникает замкнутый контур взаимовоздействий топлива, масла и двигателя.
В реальных условиях работы двигателя образуется несколько подобных контуров, которые начинают взаимодействовать между собой, и тогда их влияние друг на друга принимает сложный многоконтурный системный характер. Рассмотрим пример многоконтурного (многомерного) взаимодействия топливо—двигатель—масло по критерию топливной экономичности. Первый контур образуется системой топливо—рабочий цикл—гидромеханические потери— топливная экономичность. Второй контур масло—вязкость—гидромеханические потери—топливная экономичность.
Таким образом, оба контура взаимодействуют через критерий гидромеханических потерь и имеют общий выходной (критериальный) параметр — топливную экономичность.
Главным командным параметром первого контура является детонационная стойкость применяемого топлива, так как рассматривается двигатель с искровым зажиганием.
Главным командным параметром второго контура является индекс вязкости масла, т. е. его вязкостно-температурная характеристика. Общим выходным параметром обеих систем является топлив*
Рис. 33. Химмотологическая система топя иво—дв ига-
тель—смазывающие материалы
122
ная экономичность двигателя. Промежуточные звенья первого ков-гура детонационная стойкость — степень сжатия — индикаторный КПД — механический КПД. Промежуточные звенья второго контура вязкостно-температурная характеристика пасла — температура масла — гидромеханические потери — механический КПД.
Таким образом, оба контура имеют одно сбщее промежуточное звено, через которое они объединяются в общую двухконтурн\ю (двумерную) систему, имеющую один общий шход — эффективный КПД, т. е. критерий топливной экономичности, По этому принципу системного подхода могут быть смоделированы и найдены оптимальные количественные взаимосвязи многомерных систем, связывающих в общий комплекс топливо, смазывающие и охлаждающие материалы.
Охлаждающие материалы тоже могут быть включены в системный анализ как самостоятельная подсистема.
На примере простейшей двухконтурной системы были показаны большие возможности, которые открываются при использовании системного подхода в химмотологии.
По многомерным структурам могут быть составлены соответствующие программы для ЭВМ, по которым, в свою очередь, определены оптимальные показатели качества топлива, смазочных и охлаждающих материалов, надежности двигателя, по критерию его-применения в экстремальных условиях (в Арктике, тропиках, высокогорных условиях, при работе в карьерах и т. д.).
Регенерация отработанных масел
При работе масла в двигателе только относительно небольшая его часть претерпевает необратимые изменения. Качество масла при его применении в основном ухудшается из-за накапливания в нем продуктов окислительной полимеризации, изнашивания топливных фракций и воды. Кроме того, присадки, добавленные в масло для повышения его качества, постепенно срабатываются и теряют эффективность. Поэтому для восстановления качества отработанного масла следует как можно полнее удалить из него накопившиеся вредные примеси.
С этой целью в автохозяйствах во время технического обслуживания при смене масла отработанное масло собирают в специальные сосуды и отправляют на специализированные предприятия, оборудованные регенерационными установками, или в цехи регенерации автохозяйств.
Перед регенерацией масло отстаивают в специальных сосудах, представляющих собой вертикальные цилиндры с коническими днищами, обогреваемые паром или электрическим током. В них осаждаются вода и крупнодисперсные примеси. Отстой удаляется из нижней части сосуда, отстоявшееся масло забирается из верхней часто. Затем масло нагревается в трубчатом нагревателе. Масла карбюраторных двигателей нагревают до температуры 280 °C, а масла дизелей — до температуры 330 °C. Нагретое масло подается в испаритель, в котором специальным насосом создается давление ниже ат
123
мосферного. В этих условиях топливные фракции быстро испаряются и отделяются от масла.
Освобожденное от топливных фракций масло поступает в мешалку, где перемешивается с отбеливающей глиной. На поверхности частиц глины адсорбируются продукты окислительной полимеризации (асфальтены, карбены и другие продукты старения масла). Затем масло под давлением пропускают через фильтры, после чего в него добавляют соответствующие присадки.
Сдаваемые на регенерацию масла подразделяют на две группы; МАЮ (масла моторные отработанные) и СНО (смесь нефтепродуктов отработанных). /Наела группы ММО должны обладать кинематической вязкостью не менее 5 мм2/с и температурой вспышки не ниже 120 °C. Механических примесей должно быть не более 2 %, воды не более 5 %. Если эти показатели не выдержаны, то на стандартных установках без предварительной подготовки масла регенерировать нельзя.
При использовании регенерируемых масел в них следует добавлять свежее масло (не более 20—25 %). В перспективе, как показали испытания, регенерированные масла не будут уступать по своим показателям качества новым маслам.
§ 16. СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА БАЗЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Современная химическая технология позволяет получить соединения, которые могут заменить традиционные нефтяные масла синтетическими продуктами. Изучено огромнее количество целых классов соединений, которые могут быть использованы в качестве моторных масел. Такие соединения (кремниевые, полиэфирные, галогено-углеродные и ряд других) уже в настоящее время начинают применять в качестве компонентов для приготовления моторных масел.
Стремление получить смазывающие материалы, по своим свойствам превосходящие нефтяные масла, задача сложная и многоплановая. Неблагоприятным свойством углеводородных смазочных масел является большая зависимость их вязкости от температуры. Несмотря на принятые меры — от подбора месторождения нефти, до сложных процессов деасфальтизации, депарафинизации и приготовления высокоиндексных загущенных масел, — пока не удается существенно улучшить их вязкостно-температурные свойства.
В отличие от углеводородных масел очень пологими вязкостно-температурными характеристиками отличаются кремнийорганиче-ские соединения — полисилоксаны (силиконы). ;
Силиконовые масла сохраняют свою текучесть при таких низких! температурах и имеют такую пологую вязкостно-температурную характеристику, которые не наблюдались ни у одного масла неф^ тяиого происхождения.
Сравним два масла — нефтяное и силиконовое, имеющие примернс одинаковую вязкость при 100 °C. Одно из лучших по вязкостно* температурным свойствам всесезонное масло М63/10Г, высокоиндекс
124
л
ное загущеное, с вязкостью, при 100 °C близкой к 10 мм2/с. ИВ этого масла не менее 120. При охлаждении до —18 °C его вязкость увеличивается в среднем в 500—600 раз, а п,и температуре —30 °C оно застывает, а силиконовая жидкость, имеющая такую же вязкость при 100 °C, при охлаждении до —В °C увеличивает вязкость всего в 7—8 раз, а застывает при —50 °C.
Эти свойства силиконовых жидкостей давно замечены разработчиками моторных масел. Но поскольку эти соединения обладают недостаточными смазывающими свойствами, их пока нельзя использовать в современных двигателях внутреннего сгорания с характерными для них высоконапряженными узлами трения. Высокая термоокислительная стабильность при условии повышения смазывающих свойств, например, введением специально для них разработанных присадок, может сделать их маслами будущего.
По строению силиконы напоминают уг.1еводороды алкановой группы. Но вместо углерода в них цепочка чередующихся атомов кремния и кислорода. Причем к атомам кремния могут быть присоединены различные радикалы, в том чиспе и углеводородные, Чем больше в силиконах углеводородных радикалов, тем хуже их термоокислительная стабильность и низкотелпературные свойства. Особой стабильностью обладают силиконы, в которые входят метильные и фенильные радикалы. Они могут выдерживать в присутствии воздуха и при температуре 250 СС более 1500 ч работы, не теряя своих первоначальных свойств.
Полиэфирные масла, в отличие от силиконовых, обладают высокой полярной активностью молекул, что обеспечивает им хорошие смазывающие свойства, сочетающиеся с другими ценными показателями качества. Являясь продуктами реакции спиртов и жирных кислот, диэфиры обладают отличными вязкостно-температурными и низкотемпературными свойствами. Температура застывания этих масел достигает —70 СС. Они хорошо смешиваются с нефтяными маслами, обладают высокой термоокислительной стабильностью и очень малой испаряемостью, что позволяет на их базе готовить долгоработающие масла. Полиэфирные масла ссобенно хорошо зарекомендовали себя при применении в турбореактивных и турбовинтовых двигателях в авиации.
В поршневых двигателях эти масла целесообразно использовать в экстремальных условиях, например, в райснах очень низких температур или, наоборот, в районах с очень жарким климатом. Следует иметь в виду, что для применения в поршневьп двигателях полиэфирные масла требуют введения специальных загустителей, так как вязкость базовых полиэфирных масел редко превышает 4 мм2/с при 100 °C, что может оказаться недостаточным для смазывания подшипников скольжения с гидродинамическим режимом (например, шатунных и коренных подшипников).
Фосфорорганические масла используют в механизмах с высокими механическими и термическими нагрузками. Образовывая на поверхности трения прочные, обладающие высокими защитными и антифрикционными свойствами пленки, эти масла обеспечивают очень
125
Таблица 28
Показатель качества Сложные эфиры карбеновых кислот Си ль -кон ы Фгор и фтор-хлор-углероды Пол и-гликоли и их эфиры Фосфорорганические соединения Эфиры кремниевой кислоты
Индекс вязкости 4—5 5 1 4—5 3-4 5
Противоизносные свойства 4 2—4 2—5 3—4 5 з—:
Коррозионная активность к металлам 4—5 4 — — 3 4
Теплостойкость 4 3—5 5 3—4 2—3 2
Термоокислительная стабильность 3—4 4 5 00 1 OJ 4 2—3
Стойкость к гидролизу 4 4 5 3—4 3—4 2—3
Испаряемость 4—5 4—5 — 3—4 4 4—5
Горючесть (по отно-тению к нефтяным маслам) Как у нефтяных масел Ниже чем у нефтяных масел Не горят Как у нефтяных масел
Воздействие на резину 2 3 1 3
высокую износостойкость механизмов и малые механические потери. Как химические соединения фосфорорганические масла представляют собой сложные эфиры ортофосфорной кислоты.
Диалкилбензольные масла применяют в условиях с холодным климатом при необходимости поддерживать высокую готовность автомобильного транспорта к движению при безгаражном содержании. Технология их производства основана на использовании алкилбен-золов с прямой цепью. Они удачно сочетают в себе хорошие низкотемпературные свойства с термоокислительной стабильностью.
В настоящее время во всем мире ведут исследовательские работы в области создания принципиально новых синтетических моторных масел, которые бы сочетали в себе все наиболее ценные свойства, необходимые для обеспечения высоких эксплуатационно-технических показателей использующей их техники. К настоящему времени синтезировано к изучено несколько тысяч кремний-, фтор-, хлор-и фосфорорганических соединений различных классов. Все эти соединения были тщательно исследованы и испытаны по критерию возможности их использования в качестве смазочных масел. К сожалению, только несколько десятков таких соединений были квалифицированы как соединения, способные эффективно выполнять функции смазывающих материалов, и совсем немногие из них функции моторных масел современных двигателей внутреннего сгорания.
И все же некоторые из этих масел обладают таким уникальным сочетанием показателей качества, какое совершенно недоступно традиционным моторным маслам, полученньш из нефтяного сырья.
126
Сравнительные показатели качества синтетических смазочных материалов по пятибалльной шкале (чем выше балл, тем лучше синтетическое масло) приведены в табл. 28.
Данные табл, 28 свидетельствуют о том, что наиболее перспективными в качестве синтетических моторных ыасел являются сложные эфиры карбоновых кислот. В будущем масла этого класса будут получать все большее распространение в качестве всесезонных универсальных моторных масел. Основным фактором, ограничивающим массовое применение смазочных материалов на базе синтетических соединений, является их высокая стоимость.
ГЛАВА 6
ТРАНСМИССИОННЫЕ МАСЛА
§ 17. УСЛОВИЯ РАБОТЫ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Трансмиссионные масла предназначены для механизмов и агрегатов трансмиссии автомобилей, тракторов и других транспортных средств. Условия работы трансмиссионных масел имеют ряд особенностей: высокие удельные давления в зоне зацепления зубчатых колес, условия граничного трения, тепловые вспышки в зоне контакта, высокие скорости относительного скольжения зубьев и др. К тому же условия работы смазочных материалов в различных механизмах трансмиссий не одинаковы. Поэюму трансмиссионные масла различают по целевому назначению. Например, масла для коробок передач, для механизмов рулевого управления, для гипоидных передач и т. д. Но даже в одном определенном механизме трансмиссии, например, в главной передаче автомобиля и трактора, условия работы масла изменяются в очень широких пределах как по температурному режиму, так и по удельному давлению и скорости скольжения в зоне контакта. Это очень осложняет процесс правильного подбора и применения трансмиссионных масел.
Для гидромуфт и гидротрансформаторов с их специфическими условиями используются специальные марки масел.
Наиболее перспективным является создапие универсальных и желательно всесезонных трансмиссионных масел, пригодных для всех основных механизмов трансмиссий. Такче масла уде созданы и применяются.
С помощью трансмиссии и ее отдельных агрегатов передается и преобразовывается крутящий момент от двигателя к движителю, т. е. к колесам, гусеницам, гребному винту и т. д., причем это сопровождается смягчением динамических нагрузок демпфированием вибрациями и снижением уровня шума.
Практически в каждом агрегате трансмиссии шмеются зубчатые передачи, подшипники и уплотнения, нормальная работа которых во многом, а часто полностью, определяется свойствами п показа
127
телями качества смазочных материалов. В отличие от других механизмов, для механизмов трансмиссии требуются масла с определенными специфическими качествами и прежде всего с высокой прочностью масляной пленки. Основным узлом трения в механизмах трансмиссии является зубчатая передача, поэтому требования к смазочным материалам этого узла следует считать основными в определяющими. Экспериментально установлено, что даже в самых простых и умеренно нагруженных цилиндрических и конических передачах давление между зубьями в зоне их зацепления достигает 200— 600 МПа. В спиральных конических передачах оно возрастает в 2— 3 раза и достигает 1—2 ГПа. Особо высокими удельными давлениями отличаются гипоидные зацепления, наиболее часто применяемые в главных передачах легковых, а в последнее время и грузовых автомобилей.
Даже без учета динамических и ударных нагрузок, характерных для автомобильных трансмиссий в зоне зацепления гипоидных передач, наблюдаются удельные давления до 4—4,5 ГПа. Трудные условия работы масла в гипоидных передачах усугубляются еще тем. что в этом зацеплении происходит относительное скольжение соприкасающихся участков зубьев со скоростями до 10 м/с, что приводит к выдавливанию масла из зоны зацепления, локальному повышению температуры до 350—400 °C (тепловой вспышке).
Хорошие вязкостно-температурные свойства, т. е. пологая вязкостно-температурная характеристика, имеющая важное значение для моторных масел и смазочных материалов, работающих в агрегатах трансмиссии, приобретают особое значение. Известно, что скорость прогревания масла в трансмиссии (в главной передаче, в раздаточной коробке, в рулевом механизме) значительно меньше, чем в двигателе. Даже при испытаниях на стенде с беговыми барабанами масло в главной передаче прогревается в 2—4 раза медленнее, чем в двигателе. Малый приток тепловой энергии и большие поверхности теплоотвода замедляют прогрев масла, и автомобиль или трактор значительное время работает при очень высокой его вязкости. Это вызывает большие потери энергии в трансмиссии, а следовательно, существенно снижается топливная экономичность (на 8—12 %, а иногда и более).
Долгое время в качестве трансмиссионных масел применяли остаточные неочищенные масла, например, нигрол вязкостью 20— 35 мм2/с при 100 °C. Эти масла при понижении температуры из-за высокого содержания в них смолистых и ряда других естественных поверхностно-активных веществ резко увеличивали свою вязкость, достигавшую 50 000—100 000 мм2/с при 0 СС. При отрицательных температурах эти масла настолько становились вязкими, что без предварительного прогрева заднего моста движение автомобиля было невозможно. При температуре масла, близкой к 0 °C, потери мощности в трансмиссии достигали 45—50 % мощности двигателя.
В настоящее время получение трансмиссионных масел основано на иных принципах. Их высокая маслянистость достигается введением специальных присадок.
128
Поэтому лучшие современные трансмиссионные масла могут работать в очень широком диапазоне температур от 100 до —45 сС, причем их кинематическая вязкость при температуре —45 °C составляет не более 2500 мм2/с, а температура застывания —50 °C.
Учитывая условия работы трансмиссионных масел, можно сформулировать основные требования к их показателям качества:
1) невысокая кинематическая вязкость при рабочих температурах и возможно пологая вязкостно-температурнал характеристика, особенно в области отрицательных температур;
2) возможно большая прочность масляной пленки, обеспечивающая надежное и по возможности полное разделение поверхностей зубьев в зоне контакта.
Кроме этого, трансмиссионные масла должны обладать высокими антипенными свойствами, минимально возможной коррозионной агрессивностью, хорошими защитными свойствами, высокой стабильностью, т. е. неизменностью первоначальных свойств, и не должны разрушать уплотнительные материалы узлов трансмиссии.
§ 18. СВОЙСТВА МАСЕЛ
Вязкостно-температурные и низкотемпературные свойства
Пологая вязкостно-температурная характеристика масел — одно из самых важнейших требований к маслам, работающим в широком диапазоне температур. Вязкость масел нефтяного происхождения в силу ряда причин, в основном связанных со структурой молекул углеводородов, очень чувствительна к изменению температуры. Вязкостно-температурные кривые этих масел (рис. 34) имеют вид гипербол, причем низкотемпературная часть этих кривых особенно сильно изменяется с изменением температуры.
Известно несколько способов улучшения вязкостно-температурных свойств трансмиссионных масел. Самым простым и доступным является их разжижение маловязкими маслами или дизельным
топливом.
Исследования показывают, что любое разжижение вязкого масла маловязким компонентом, уменьшая вязкость, снижает концентрацию поверхностно-активных веществ, обладающих высокой маслянистостью. Таким образом, маслянистость разбавленного (разжиженного) исходного масла ммг/с
всегда понижается, а следовательно, понижается и способность масла выдерживать высокие удельные давления. Вместе с тем, при избыточном содержании поверхностно-ак-
Рие. 34. Вязкостно-температурные характеристики трансмиссионных масел:
J ТАД-17; 2 - ГСй-9гип
129
5 Покровский Г. П.
тивных веществ в базовом масле его разжижение маловязким компонентом до определенных пределов вполне допустимо. Опыт показывает, что при разжижении вязкого масла улучшается поступление его в зону зацепления зубчатых колес и вынос из этой зоны продуктов изнашивания. Это действует благоприятно и на тепловое состояние узла трения, и на его долговечность. Необходимо помнить, что при разжижении маловязкими компонентами трансмиссионных масел, имеющих при 100 °C вязкость 30мм2/с, существуют определенные ограничения оптимальной степени этого разжижения.
Критериями оптимизации являются три фактора: а) механический КПД смазываемого агрегата; б) износ агрегата и его долговечность; в) физическая и химическая стабильность разжиженного масла.
Разжижать готовые трансмиссионные масла товарных марок (хотя это и делают в эксплуатационных условиях довольно часто) следует только в исключительных случаях. Добавление 10 % дизельного зимнего топлива или 20 % веретенного масла значительно улучшает вязкостно-температурные свойства высоковязких трансмиссионных масел.
Более перспективным способом обеспечения пологой вязкостнотемпературной характеристики трансмиссионных масел является принцип загущения относительно маловязкой основы различного рода загустителями.
Следует отметить особые трудности, связанные с возможной деструкцией загустителя в зоне зацепления и уменьшением его загущающей функции. Во всех случаях использования в качестве основы трансмиссионных масел маловязких или высокоочищенных компонентов необходимая для этих масел прочность пленки достигается добавлением в масло специальных присадок.
Хорошие низкотемпературные свойства, характеризуемые температурой застывания масел, обеспечиваются специальным подбором углеводородного состава основы, ее депарафинизацией и деасфальтизацией. Понизить температуру застывания можно с помощью специальных присадок — депресеаторов.
Нижний температурный предел зависит от температуры, при которой масло достигает критической вязкости. Критическая вязкость для механизмов трансмиссии автомобилей имеет для разных видов зацеплений различное значение: для цилиндрических и конических зацеплений 350 ... 400 Па*с, для гипоидных зацеплений 500 ... 600 Па-с.
Маслянистость, противозадирные и противоизносные свойства
Характерной особенностью работы зубчатой передачи являются высокочастотные циклические законы нагружения в зоне зацепления.
В этих условиях в сочетании с трением качения и скольжения, характерных для зубчатых зацеплений, механизм действия смазочных материалов очень сложен. Большое значение имеет масляни-130
стость масла, которая обеспечивает образование прочных защитных мономолекулярных слоев масла на поверхности зубьев.
В определенные моменты цикла, когда /дельные давления до* стигают максимума, вероятность разрушения мономолекулярных слоев возрастает, увеличивается число непосредственных контактов микровыступов на поверхностях зубьев и локальных тепловых вспышек. При этом даже масла с очень высокой естественной маслянистостью не могут обеспечить целостность масляной пленки.
Естественные противозадирные и противоизносные свойства трансмиссионных масел недостаточны для предотвращения питтинга и задиров зубьев в современных механизмах трансмиссии (особенно в главной передаче с гипоидным зацеплением). Поэтому для всех трансмиссионных масел, предназначенных для современных автомобилей и других транспортных средств, должен быть предусмотрен комплекс присадок.
Для защиты поверхности зубьев от задира и интенсивного износа решающее значение имеет адсорбционный граничный слой полярно активных молекул. По своим механический свойствам этот слой близок к кристаллическим структурам твердых тел и способен выдержать очень большие давления. Причем воспринимая и выдерживая высокие напряжения сжатия, граничные слои очень податливы тангенциальным усилиям. Это особенно важно для работы гипоидных зацеплений, у которых высокие удельные гагрузки сочетаются со скольжением трущихся поверхностей.
Небольшое количество воды несколько улучшает противозадирные свойства масел. Это объясняется тем, что вода, взаимодействуя с присадками, содержащими хлор или серу, гидролизует эти соединения, усиливая их полярную активность. Вместе с тем вода, как правило, способствует коррозионному изнашиванию, и ее отрицательное влияние может оказаться преобладающим.
Коррозионная активность
В некоторых современных узлах трансмгссии (например, в раздаточных коробках автомобилей высокой и сверхвысокой проходимости) температура в районах жаркого климата и на форсированных режимах достигает 150—160 °C. В этих условиях присадки начинают быстро разрушаться, а реакции окислительной полимеризации ускоряются, кислотное число масла увеличивается, процессы коррозионно-механического изнашивания могут принять опасный характер. Коррозионная активность трансмиссионных масел приобретает особое значение, так как может стать неуправляемой.
Смена масел в агрегатах трансмиссии производится значительно реже, чем в двигателях, а в перспективных конструкциях главных передач и коробок передач вообще не предусматриваются сливные пробки, так как масло заливают на заводе на весь срок службы агрегата.
В стандартах на товарные трансмиссионные масла нормируются следующие показатели качества, влияющие на коррозионную агрес
5* 131
сивность: кислотное число, содержание водорастворимых кислот и щелочей, содержание воды и коррозия стальных и медных пластинок.
Содержание серы не является прямым признаком коррозионной агрессивности, так как сера, фосфор и ряд других элементов должны присутствовать в масле в составе противоизносных и противозадирных присадок, и их содержание в нем хотя и может вызвать потемнение и коррозию деталей из меди и ее сплавов, но это считается одним из видов управляемой коррозии, которая полностью компенсируется высокими противоизносными и противозадирными свойствами масла.
Кислотное число обычно нормируют только для масел без присадок; оно не должно быть более 0,1—0,2 мг КОН/г.
Водорастворимые кислоты и щелочи во всех марках трансмиссионных масел должны отсутствовать, и только в маслах, предназначенных для планетарных и автоматических коробок передач (масло МТ8П и масло А), допускается щелочная реакция. Вода в трансмиссионных маслах должна отсутствовать.
Наиболее важной и надежной проверкой трансмиссионных масел на коррозионную агрессивность являются пробы на стальную, медную и свинцовую пластинки. Масла, как правило, должны выдерживать эти испытания. Но для некоторых гипоидных масел допускается потемнение медной пластинки, свидетельствующее о наличии активной серы. Эти масла не рекомендуется применять в агрегатах с деталями из латуни и бронзы.
§ 19. ПРИСАДКИ И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕЙСТВИЯ
Присадки к трансмиссионным маслам стали необходимы в связи с повышением напряженности работы агрегатов трансмиссии, а главное, с изменением принципа получения этих масел. Обеспечить требуемые их вязкостно-температурные свойства оказалось возможным только с переходом на маловязкие базовые масла. С уменьшением вязкости противоизносные и противозадирные свойства этих масел, их естественная маслянистость оказались недостаточными.
В современные трансмиссионные масла вводят обычно несколько присадок или комплексные присадки, улучшающие сразу несколько показателей качества масла. Противоизносные и противозадирные присадки являются необходимыми для трансмиссионных масел, приготовленных на маловязкой основе. К числу таких присадок относятся серосодержащие, хлорсодержащие и фосфорсодержащие присадки.
К серосодержащим присадкам относятся осерненные терпены (присадка ЭЗ-5), диизопропилксантат этилена (присадка ЛЗ-23) или осерненные масла (смолки) и другие серосодержащие соединения.
Хлорсодержащие присадки должны быть изготовлены так, чтобы при высоких температурах, свойственных зоне контакта зубьев, они разлагались (срабатывались) с выделением свободного хлора, 182
Примером присадки, содержащей все 'три противоизносных и противозадирных компонента, является присадка ЛЗ-ЗО9/2, представляющая собой триэфир дитиофосфорнок кислоты. Промышленность вырабатывает и другие присадки, повышающие противоизнос-ные и противозадирные свойства. Например, присадка ЭФО кроме противоизносных свойств повышает антиокислительные свойства и обладает депрессорными действиями, понижая температуру застывания масла.
Механизм действия этих присадок очень сложен. В момент тепловой вспышки в зоне контакта возникают на короткое время высокие температуры, при которых присадка высвобождает активный элемент (серу, хлор или фосфор), которые взаимодействуют с металлом шестерни и образуют пленки из сульфидов, хлоридов и фосфидов или металлофосфатов. Эти пленки предупреждают интенсивное изнашивание и задиры. Причем в одних случаях пленка является как бы сухой смазкой, в других — твердым покрытием. Но чаще эти два механизма действуют одновременно.
Большое значение для трансмиссионных масел имеют противо-пенные свойства. Установлено, что чем прочнее масляные пленки, чем больше поверхностное натяжение, тем интенсивнее пенообразо-вание.
Для уменьшения этого явления используют противопенные присадки — полисилоксаны и другие соединения. Например, про-тивопениая присадка ПМС-200А представляет собой полиметил-силоксан. Присадку вводят в масла в очень небольших количествах (0,001—0,005 %). Механизм действия присадки состоит в понижении поверхностного натяжения масла. Концентрируясь на поверхности всплывших пузырьков воздуха, присадка способствует их разрыву, а следовательно, быстрому гашению пены.
§ 20. МАРКИРОВКА И АССОРТИМЕНТ
Маркировка трансмиссионных масел не лмеет единого принципа. Есть масла, которые называются по своем/ целевому назначению. Например, масло для коробки и рулевого управления (далее указывают номер ГОСТа). Некоторые масла маркируют буквами, представляющими собой первые буквы слов, указывающих назначение, и т. д.; цифры в марке — это, как правило, значение вязкости масла в мм2/с при 100 °C.
Трансмиссионные масла можно разделить на группы по критерию находящихся в них присадок.
1-я группа. Масла без присадок.
В эту группу входят масла трансмиссионные для промышленного оборудования (нигролы); раньше они применялись для трансмиссий автомобилей и тракторов.
2-я группа. Масла с противоизносными присадками.
Масло ТЭ-15-ЭФО применяют в качестве всесезонного тракторного трансмиссионного масла в районах с жарким и умеренным климатом.
133
Масло для коробки передач и рулевого управления вырабаты* вают в ограниченном количестве, так как его успешно заменяют масла ТАп-15В и ТСп-14.
3-я группа. Масла с противозадирными присадками.
Масло трансмиссионное ТС-Ю-ОТП рекомендуется для агрегатов трансмиссий автомобилей, строительных и дорожных машин, осевых редукторов локомотивов и других механизмов, работающих при низких температурах.
Масло трансмиссионное ТАп-15В предназначено для спиральноконических, конических и цилиндрических передач автомобилей и других машин, работающих при температурах окружающего воздуха до —30 °C.
Масло трансмиссионное ТСп-14 совместно с маслами ТС-Ю-ОТП и ТАп-15В применяют для спирально-конических и цилиндрических передач автомобилей. По вязкостно-температурным свойствам, термоокислительной стабильности и смазывающим свойствам несколько превосходит масло ТАп-15В.
4-я группа. Масла для гипоидных передач.
Масло, предназначенное для гипоидных передач легковых авто-* мобилей ЗИЛ-114, «Чайка», «Волга», «Москвич».
Масло, предназначенное для гипоидных передач грузовых автомобилей ГАЗ-41, ГАЗ-52-04, ГАЗ-53А, ГАЗ-66, ЗИЛ-133Г1 и ЗИЛ-133Д1.
Масло трансмиссионное арктическое ТСз-9гип предназначено для гипоидных, спирально-конических и цилиндрических передач грузовых автомобилей и других машин, работающих при низких температурах окружающего воздуха (от —50 до —55 °C).
Масло автомобильное трансмиссионное ТАД-17и предназначено для гипоидных, спирально-конических, конических, цилиндрических и червячных передач автомобилей в качестве всесезонного сорта в жаркой и средней климатических зонах страны.
5-я группа. Масла для планетарных коробок передач.
Масло МТ-8п применяют для планетарных коробок передач, планетарных бортовых передач и в системе гидроуправления гусеничных машин в качестве всесезонного в жаркой и умеренной климатических зонах страны.
Масло трансмиссионное ТСЗп-8 используют для тех же объектов, что и масло МТ-8п. Оба масла можно смешивать в любых соотношениях. Масло ТСзп-8 является всесезонным для всех климатических вон страны.
6-я группа. Масло для гидромеханических (автоматических) коробок передач.
Масло марки А для гидромеханических коробок передач автомобилей (ТУ 38 101179—71) предназначено для гидротрансформаторов и гидромеханических (автоматических) коробок передач легковых и грузовых автомобилей, автобусов и других машин в качестве всесезонного сорта в жаркой и умеренной климатических зонах страны.
В 1973 г. страны — члены СЭВ предложили классификацию транс-миссионных масел и приняли рекомендации, по которым все транс-134
миссионные масла должны быть разделены на шесть классов по критерию их вязкости (6, 9, 12, 18, 34 и 43—цифры, обозначающие среднее значение вязкости при 100 °C, мм2/с). Кроме того, предложено пять групп по эксплуатационным свойствам масел — ТМ-1, ТМ-2, ТМ-3, ТМ-4 и ТМ-5^
Основным критерием для объединения групп является предельно допустимое контактное напряжение и предельная температура масла в объеме, т. е. в картере узла. Например, масла группы ТМ-1 имеют предельные параметры 1000 МПа и 90 °C, группы ТМ-2 — 2000 МПа и 120 °C, группы ТМ-3 — больше 2000 МПа и больше 120 °C, группы ТМ-4 — масла для гипоидных передач, работающих при температуре в объеме не выше 135 °C, и масла ТМ-5 для гипоидных передач, работающих при высоких ударных нагрузках и скоростях при температурах выше 135 °C.
При такой классификации:
в группу ТМ-1 могут быть включены, налример, нигролы (класс вязкости для зимних — 18, для летних — 34); масло ТС-14,5 (класс — 18);
в группу ТМ-2 — масла ТСп-10, ТЭп-15 и др.;
в группу ТМ-3 — ТАП-15В, ТСп-15к и др. с присадкой ОТП;
в группу ТМ-4 — ТС3-9гип, ТСп-14гип 1 др.;
в группу ТМ-5 — ТАД-17 и др.
Современные моторные масла имеют прстивоизносные и противозадирные свойства на таком уровне, что некоторые из них можно применять и в качестве трансмиссионных. Например, установлено, что в коробках передач автомобилей ЗИЛ-13(1, «Урал-375», КрАЗ-214 такие моторные масла, как АСЗп-10 (Мбз'ЮГ!) и ДСЗп-8, могут работать в качестве трансмиссионных. Видимо, таким универсальным моторно-трансмиссионным маслам и принадлежит будущее.
ГЛАВА 7
ПЛАСТИЧНЫЕ, ТВЕРДЫЕ
И САМОСМАЗЫБАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ
§ 21. ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗОЧНЫЕ М\ТЕРИАЛЫ
Общие сведения и область применения
Раньше их называли тавотами, затем, до недавнего времени — консистентными смазками, теперь — пластичными смазочными материалами. По существу, это все че же мазеобразные вещества, полученные загущением жидкого минерального масла различными загустителями. Их используют для смазывания механизмов и узлов трения, где по тем или иным причинам трудно или даже не-135
возможно применить жидкие масла. К современным пластичным смазочным материалам предъявляют более высокие требования, чем к консистентным смазкам или тавотам, поэтому изучению и разработке технических требований к современным пластичным смазочным материалам и налаживанию их массового производства в настоящее время уделяется очень большое внимание, Их потребление резко возросло. Прежние сырьевые источники (в основном животные и растительные жиры) уже не обеспечивают возросшую в них потребность, стало необходимо заменять их другими видами жирных кислот, полученными из нефтяного сырья.
Кроме универсальных пластичных смазочных материалов разрабатывают различные специальные, предназначенные для определенной области применения. Количество марок смазок с каждым годом возрастает.
Отличительным свойством пластичных смазочных материалов является способность сохранять форму, не растекаться по поверхности, не вытекать из смазываемых узлов, т. е. обладать определенной прочностью, свойственной твердым телам. Но поскольку прочность их мала, они занимают промежуточное место между жидкими и твердыми телами.
Способность сохранять форму позволяет смазкам держаться на смазываемых поверхностях без специальных уплотнений, очень упрощает конструкцию смазываемого узла и применение самих смазок. Это свойство способствует предохранению смазываемого узла от попадания в него пыли, воды и других вредных веществ, что позволяет обойтись без специальных сальников и уплотнений.
Вместе с тем пластичные смазочные материалы в узлах трения при относительно небольших силовых воздействиях ведут себя как очень вязкие жидкости: их можно закачивать (нагнетать) в смазываемые узлы через ниппельные масленки. Поэтому для смазывания ряда узлов трения автомобиля, трактора, тепловоза и их двигателей широко применяют пластичные смазочные материалы (особенно для подшипников ступиц колес и опорных катков, шарниров рулевых механизмов и подвески, подшипников электрических генераторов и водяных насосов, стеклоочистителей и др.).
Противоречивые свойства пластичных смазочных материалов, такие, как прочность твердых тел, и в то же время способность легко деформироваться (нагнетаться в смазочные узлы) заложены в их сложной структуре.
В отличие от жидких, пусть даже самых вязких веществ, пластичные смазочные материалы представляют собой сложные системы, состоящие как минимум из двух компонентов — основы и загустителя. В качестве основы используют жидкое масло, в качестве загустителя — различные твердые вещества.
Если твердые вещества находятся в жидкой основе в мелко раздробленном (диспергированном) состоянии и не вступают с ней в химические реакции, то такая смесь называется дисперсной системой, которая в зависимости от размера твердых частиц условно
136
подразделяется на ионно-дисперсные, молекул яр но-дисперсные, коллоидные, эмульсии и суспензии.
Ионно- и молекулярно-дисперсные системы являются истинными растворами и не обладают свойствами сохранения формы, так как в них отсутствуют структурные образования.
В коллоидных системах размер частиц таков, при котором может произойти раздел поверхностей дисперсной среды (жидкого масла) и дисперсной фазы (т. е. загустителя). Загуститель при такой степени дисперсности может образовывать структуры, обладающие определенной прочностью, что и придает смазкам свойства твердого тела. Вместе с тем прочность этих структур так незначительна, что предел касательных напряжений при сдвиге (при температуре 50 °C) обычно не превышает 100 Па (в твердых телах, даже самых непрочных, он на два, три порядка больше).
Таким образом, обязательным признаком пластичного смазочного материала является его коллоидно-дисперсная структура. Но при этом необходимо, чтобы смазка имела мазеобразную консистенцию и обладала способностью к упругой деформации. Частицы загустителя образуют структуру, напоминающую губку, а основа, т. е. жидкое масло, как бы пропитывает эту губку. При разрушении структуры возникает очень ценное свойство—текучесть.
Из двух основных назначений смазочных материалов (смазывание и охлаждение) при применении пластичны! смазочных материалов в основном выполняются только функции смазывания. Поэтому их не применяют в узлах трения, где необходим большой отвод теплоты (в подшипниках коленчатого вала, шатунах и т. д.). Для таких узлов необходим циркуляционный принцип смазывания, который может быть реализован только на базе жидких смазочных материалов.
Масла, применяемые в качестве основы пластичных смазочных материалов
В качестве основы пластичных смазочных материалов используют обычно минеральные (нефтяные) масла, которые определяют их смазочные свойства и вязкостно-температурные и низкотемпературные характеристики.
Применяют обычно средние индустриальные масла с вязкостью 15—50 мм2/с при температуре 50 °C и смеси этих масел с веретенным и трансформаторным. Для получения низкотемпературных смазок используют загущенные масла с высоким индексом вязкости или полисилоксановые жидкости. Для изготсвления смазок, работающих при температурах 200 °C и более, используют только синтетические жидкости (полисилоксаны, сложные эфиры и др.). Основой изготовления специальных смазок могут быть и более вязкие масла, такие, как трансмиссионные, авиационные и др.
Жидкая основа, ее вязкостно-температурные и низкотемпературные свойства, химический состав существенно влияют на показатели качества смазки в целом. Поэтому выбору основы уделяется особое внимание.
137
Загустители, применяемые для получения пластичных смазочных материалов
Загуститель обычно составляет 10—25 % массы смазки, но егс^ вид и концентрация решающим образом влияют на основные показатели качества: теплостойкость, прочностные свойства, водостойкость и т. д. Поэтому целесообразно классифицировать смазочные материалы по признаку входящего в смазку загустителя.
По виду загустителя различают смазки, загущенные мыльными загустителями (мылами), и смазки, загущенные немыльными загустителями.
В качестве мыльных загустителей используют мыла жирных и смоляных кислот. В качестве немыльных загустителей применяют парафины, церезины, воск, бентонитовые глины и другие вещества.
Мыльные загустители. Мыла, представляющие собой соли жирных кислот, являются продуктами нейтрализации кислот щелочами. Поэтому, если для нейтрализации применена натриевая щелочь NaOH, то полученное мыло называют натриевым, а загущенную этим мылом смазку натриевой. Соответственно при использовании кальциевой щелочи Са(ОН)2 получается кальциевое мыло и соответственно кальциевая смазка.
Кроме упомянутых кальциевых и натриевых можно получать литиевые, алюминиевые, цинковые и другие смазки, а при использовании для загущения одновременно двух видов мыла — каль-циево-натриевые.
Используемые для приготовления пластичных смазочных материалов мыла изготовляют или на животных и растительных жирах, состоящих из высших жирных кислот и глицеринов, или на синтетических жирных кислотах. Причем по качеству изготовленные на синтетических жирных кислотах смазки не уступают загущенным мылами животных и растительных жиров (касторовому маслу, сало-массу и др.).
Усовершенствование технологии получения жирных кислот из парафина позволило выделять их узкие фракции, практически полностью омыляемые при варке мыла.
Немыльные загустители. В качестве немыльных загустителей используют в основном парафин, церезин, а также петролатум, озокерит, бентонитовую глину и др.
Смазки, загущенные немыльными загустителями, отличаются, как правило, очень высокой коллоидной и химической стабильностью и часто применяются в качестве консервационных. Наиболее известен приготовленный на немыльном загустителе (парафине и церезине) технический вазелин. Его используют не только для консервации деталей и механизмов, но и как антифрикционный смазочный материал для легконагруженных механизмов, работающих в условиях невысоких температур (не более 30—40 °C).
Различают две технологические схемы приготовления пластичных смазочных материалов:
138
первая — предполагает совмещение процессов омыления жирных кислот и загущения полученным мылом жидкой основы;
вторая — предварительное приготовление мыла, не зависящее от процесса загущения основы.
Как варку мыла, так и загущение проводят при атмосферном давлении или в закрытых автоклавах. Это дает возможность ускорить процесс омыления.
Для получения стабильной системы основа — загуститель и предотвращения ее расслаивания большое значение имеют стабилизаторы. Например, для кальциевых смазок (сэлидолов) таким стабилизатором является вода. Содержание воды в них в отдельных случаях достигает 4—5 %. Вода препятствует коагуляции (слипанию и укрупнению) частичек мыла и тем самым предотвращает его выпадение из жидкой основы. Кроме того, небольшая часть воды гидрирует кальциевое мыло и замедляет его растворение в жидком масле.
В натриевых смазках (консталинах) тоже присутствует вода, но в очень небольших количествах. В отличие от солидолов, благодаря растворимости натриевых мыл в воде, она не содержится в виде механических примесей, а поглощается натриевым мылом. Стабилизация консталинов в большой степени зависит от режима его приготовления, так как стабилизирующие вещества получаются в процессе варки этих смазок (возможно, это продукты окисления жирных кислот, обладающие высокой поляэной активностью).
В качестве других компонентов, улучшающих качество смазок, в них вводят различные сухие (твердые) смазывающие вещества — чаще всего графит, дисульфид молибдена и др.
Основные показатели качества пластичных смазочных материалов и методы их определения
Теплостойкость. Установлено, что пластичные смазочные материалы с повышением температуры постепенно размягчаются и теряют свои упругие свойства, но происходит этот процесс постепенно. Поэтому они не имеют определенной температуры плавления. Теплостойкость их определяют по температуре каглепадения, т. е. по той минимальной температуре, при которой под действием силы тяжести образуется первая капля, вытекающая из специального прибора (рис. 35).
Многолетними наблюдениями установлено, что температура смазываемого узла трения должна быть обязательно на 20—25 °C ниже температуры ее каплепадения. Например, температура каплепа-дения смазки, применяемой для подшипников насоса системы охлаждения, должна быть не ниже 125—135 сС, так как температура охлаждающей жидкости (антифриза) может в некоторых случаях достигать 110—120 °C.
Температура подшипников ступиц колес автомобиля, как показали специальные исследования, может достигать 120—150 °C. Поэтому подшипники ступиц колес нельзя смазывать солидолом, температура каплепадения которого обычно не более 75—80 °C.
139
Рис. 35. Прибор для определения температуры каплепадения:
1 — водяная баня; 2 — специальный термометр с капсулой; 3 — стеклянная пробирка (воздушная баия); 4 — мешалка; 5 — капсула с исследуемым материалом; 6 — электроподогрев; 7 — штатив
Теплостойкость зависит от загустителя. Если в качестве загустителя применен церезин или парафин, то смазки относятся к группе низкоплавких (технический вазелин), его температура каплепадения обычно не превышает 55—60 сС, и применяют их чаще для консервации и предохранения от коррозии (отсюда название «консерваци-онный»),
Самыми распространенными являются солидолы, относящиеся к среднеплавким смазкам. Их температура каплепадения 65— 100 °C, в качестве загустителя используют кальциевое мыло. Солидолами смазывают узлы трения подвески, шарниры рулевого подвижные сочленения,температура которых 30—40 °C.
управления и другие не поднимается выше
Для подшипников ступиц колес, насосов систем охлаждения и других узлов, где температура может достигнуть 100—150 °C, применяют только тугоплавкие смазки. Их готовят, используя литиевые или натриевые мыла. Можно применять также комплексные каль-циево-натриевые мыла, так как смазки, приготовленные только на натриевых мылах (консталины), неводостойкие, что препятствует их использованию для ступиц колес, где возможно попадание воды.
Прочностные свойства. В процессе эксплуатации автомобилей было установлено, что некоторые пластичные смазки, заложенные в ступицы колес при температуре значительно меньшей температуры их каплепадения, стекали с сепараторов конических подшипников, что приводило к быстрому перегреву и разрушению подшипников. В ряде случаев это было причиной серьезных аварий.
Для выяснения причины этого явления были изготовлены специальные стенды, имитирующие работу смазки в ступице колеса.
Нагрузочные механизмы обеспечивали радиальные и осевые нагрузки, электрический привод вращал ступицу с необходимой частотой, а термопары измеряли температуру во внутренней ее полости в зоне подшипников. В результате лабораторных исследований выяснилось, что температура каплепадения не может быть однозначным критерием при подборе смазки подшипников ступиц колес. Решающим фактором здесь оказался предел прочности сдвига смазки. Стало очевидным, что под действием центробежных сил смазка сбрасывается с сепаратора подшипника при температурах на 100—• 120 °C ниже, чем температура их каплепадения. Были разработаны и стандартизованы специальные приборы, точно определяющие предел прочности сдвига смазок при данной температуре. 140
Исследованиями установлено, что для предотвращения сброса смазок с сепараторов подшипников предел прочности сдвига должен быть не менее 180—200 Па при температуре 50 °C, и предел прочности сдвига т50 был введен как важнейший показатель качества смазок в* государственные стандарты. Кроме того, был разработан стандартный метод определения т50 на сгециальном приборе, называемом пластом ер К-2 (рис. 36).
Сущность метода заключается в определении давления, при котором происходит сдвиг смазки в специальном металлическом капилляре, представляющем собой трубку диаметром 8 мм, перегороженную наборсм тонких шайб с внутренними отверстиями 4 мм. Перед испытаниями предварительно подготовляют пробу смазки, для чего ее загружают в корпус мешалки и выдерживают в термостате при 20 СС в течение 30 мин. После подогрева пробу перемешивают, проделав поршнем 100 двойных качаний.
Капилляр прибора вставляют в воронку так, чтобы окна капилляра совпали g окнами гнезда воронки, затем воронку навинчивают на нижнюю часть корпуса мешалки (сняв предварительно крышку). Поршнем мешалки выдавливают смазку в капилляр до тех пор, пока смазка не появится в противоположном окне капилляра. Концевые отверстия капилляра должны быть зажаты пальцами. После заполнения капилляр вынимают из воронки и, закрыв верхний конец заслонкой, вставляют в оправку.
Наружную поверхность капилляра и внутреннюю поверхность оправки покрывают смазочным слоем. Заполняют смазкой и чаше-щу на нижнем конце капилляра. Заправленную оправку устанавливают в корпус прибора. Внутреннюю полость пластомера заполняют маслом, пока его уровень не достигнет верхнего обреза буртика оправки, после чего оправку окончательно закрепляют гайкой.
Рис. 36. Пластомер К-2:
/ — капилляр с внутренним оребрением; от нагрева жидкость; 4 — нагреватель
2 исследуемая смазка; 3 —• расширяющаяся
141
Для прогрева и термостатирования всей системы корпус пластомера помещают в термостат, причем уровень жидкости должен быть на 30 мм выше верхнего конца капилляра. Прогрев системы длится в течение 20 мин, а заданную температуру выдерживают с максимальной погрешностью ±1°. Во время прогрева кран воронки держат открытым. После прогрева системы определяют предел прочности. С этой целью закрывают кран воронки, включают электропрогрев, регулируя интенсивность нагрева так, чтобы скорость повышения давления в системе составляла примерно 5 кПа в 1 мин (для капилляра длиной 100 мм). Для капилляра длиной 50 мм скорость повышения давления должна быть в 2 раза меньше. Важно зафиксировать с точностью до 0,001 МПа максимальное давление р в системе, при котором происходит сдвиг смазки в капилляре.
После фиксации этого давления подогрев выключают и оправку вынимают из прибора.
Определяют т/ по следующей формуле:
= 1000 (Ртах^)/(2/)»
где т/ — искомый предел прочности при сдвиге, Па; ртах — максимальное показание манометра, МПа; г — радиус капилляра, см; I — длина капилляра, см.
Вязкость* Вязкость пластичных смазок принципиально отличается от понятия вязкости жидкостей. Пластичные смазки обладают структурной вязкостью» которая имеет совершенно иную природу. Особенностью структурной вязкости является ее зависимость не только от температуры» но и от градиента скорости сдвига отдельных слоев или частичек относительно друг друга. Причем, чем больше эта скорость, тем меньше вязкость смазки.
Рассмотрим природу этого явления. Известно, что вязкость любой жидкости зависит от внутреннего трения ее слоев при течении» т. е. при взаимном перемещении этих слоев. При очень тонких слоях (когда их толщина становится соизмеримой с размерами молекул жидкости) можно говорить о вязкости» как о внутримолекулярном трении.
Когда касательные напряжения, возникающие в слоях смазки, превышают определенное значение, смазка начинает вести себя как очень вязкая жидкость» вследствие того, что кроме внутримолекулярного трения, характерного для жидкой основы, возникает сопротивление, оказываемое загустителем, который в смазке обычно образовывает упругий каркас. Причем, чем выше градиент скорости сдвига отдельных слоев смазки относительно друг друга, тем меньше кажущаяся вязкость смазки.
Упрощенно этот механизм можно себе представить как скольжение слоев каркаса загустителя один по другому. Чем выше градиент скорости между слоями каркаса загустителя, тем меньше взаимодействие между этими слоями. Поверхности слоев ориентируются в направлении скольжения, что внешне проявляется как уменьшение внутреннего трения или» что одно и то же, как уменьшение вязкости.
Вместе с тем установлено, что вязкость пластичной смазки при любом, даже очень высоком градиенте скорости сдвига, всегда несколько выше вязкости базового масла при той же температуре.
Таким образом, в отличие от жидких смазочных материалов, например, моторных масел» вязкость которых зависит только от температуры, вязкость пластичных смазок зависит от двух условий:
142
от температуры и градиента скорости сдвига. Причем, чем выше градиент скорости сдвига, тем меньше вязкость смазки при данной температуре.
Единицей градиента скорости является с"1.
Если указывают вязкость пластичного смазочного материала? то эта вязкость обязательно относится к определенному градиенту скорости сдвига смазки.
Регулируя зависимость вязкости смазочного материала от градиента скорости сдвига, можно обеспечить прокачиваемость и заполнения узлов трения с необходимой способностью смазочного материала удерживаться в этих узлах.
Прокачиваемость особенно важна для пресс-солидолов, которые закачиваются в узел трения через специальную масленку с помощью солидолонагнетателей.
Проходя через узкие каналы и щели с большой скоростью, смазка временно уменьшает свою вязкость и относительно легко проходит и заполняет все свободные объемы в смазываемом узле, выполняя свои смазочные функции и предохраняя трущиеся детали от песка, воды, пыли и других вредных веществ.
Консистентность (густота). Для определения консистентности смазок используют пенетрометр.
Консистентность выражается числом пенетрации, которое представляет собой глубину проникновения иглы пенетрометра в смазку, выраженное в десятых долях миллиметра, год действием силы 1,5 Н в течение 5 с.
Число пенетрации всегда указывают при температуре 25 °C; оно обратно пропорционально консистенции. Чем мягче смазка, тем больше число пенетрации.
Коллоидная стабильность. Под коллоидной стабильностью пластичных смазок понимают свойство не выделять жидкое масло (основы) в течение длительного времени.
Для современных пластичных смазок коллоидная стабильность стала важнейшим показателем их качества, поскольку все больше появляется узлов и механизмов, в которые закладывается смазка в процессе сборки узлов на весь срок их эксплуатации. К ним относятся шаровые шарниры, подшипники качения ступиц колес, электрических генераторов, опорные подшипники первичного валика коробки передач (устанавливаемые в махсвики двигателя). В наиболее современных конструкциях они смазываются только при их сборке на заводе. Это требует очень высокой коллоидной стабильности применяемых смазок, которые ве должны расслаиваться в течение нескольких лет.
Чем выше вязкость базового масла и чем мельче структура загустителя, тем, как правило, выше коллоидная стабильность смазок.
Показатель коллоидной стабильности определяют в специальном приборе по количеству масла, выдавленного из смазки и выраженного в процентах к общей массе исходного продукта. Все факторы, способствующие разрушению каркаса смазки или уменьшению вязкости его основы, способствуют уменьшению коллоидной ста-
143
бильности. Наи лучшей коллоидной стабильностью обладают смазки, загущенные литиевыми мылами. Их обычно и применяют в узлах, которые смазывают только при сборке на заводе.
Расслоение смазочного материала обычно наблюдается при его длительном хранении, при этом значительно снижаются его первоначальные свойства, он густеет, покрывается коркой и становится непригодным к применению.
Химическая стабильность. Под химической стабильностью понимают способность отдельных компонентов и смазки в целом сопротивляться окислительным процессам. Химическая стабильность пластичных смазок, так же как и жидких, зависит от окислительных процессов, но в данном случае ее закономерности носят более сложный характер. Химическая стабильность связана не только с химической стабильностью базового масла (хотя это очень важно), но и с химической стабильностью загустителя и его взаимодействием с базовым маслом.
Меньше других на окислительные процессы базового масла влияют такие загустители, как парафин и церезин. Поэтому полученные на их основе смазки (технические вазелины) обладают очень высокой химической стабильностью.
Смазки, полученные на мыльных загустителях (солидолы, кон-сталины, литолы), обычно обладают меньшей химической стабильностью, чем базовые масла, так как мыла, использованные при их изготовлении, будучи сложными химическими соединениями, часто являются наименее стабильным компонентом смазки. Кроме того, мыла действуют и на окислительные процессы базового масла, как своего рода катализаторы сложных многостадийных окислительных процессов.
Маркировка и ассортимент
Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент различных марок пластичных смазочных материалов. Для того чтобы можно было при таком разнообразии правильно выбрать тот или иной смазочный материал или дать рекомендации по его применению, необходима четко разработанная система маркировки и классификация, основанная на целевом назначении и области их применения. Причем смазки с близкими показателями качества и в основном имеющие универсальное применение могут быть объединены в группы по критерию теплостойкости, водостойкости, морозостойкости и т. д.
В настоящее время действует общесоюзный стандарт на наименование и обозначение пластичных смазочных материалов (ГОСТ 23258—78). Наименование смазки в соответствии с ГОСТом должно состоять из одного слова. Для различения модификаций допускается использовать буквенные и цифровые индексы.
Обозначение пластичной смазки должно характеризовать ее назначение, основные свойства и состав. Оно состоит из пяти букв и цифровых индексов, расположенных в следующем порядке: группа, определяющая назначение смазки, условное обозначение загустителя (например, кальциевое мыло — Ка, натриевое — На, литиевое — 144
Ли и т. д.). Температурный интервал, в котором данная смазка эффективно работает, обозначается дробью: в числителе — округленно уменьшенная в 10 раз температура низкотемпературной зоны применения, в знаменателе — высокотемпературная зона (например, индекс 4/15 соответствует температурному интервалу от —40 до + 150 °C). Далее указывают индекс консистентности, устанавливаемый по приводимой в ГОСТе таблице в зависимости от числа пенетрации. Всего индексов семь. Чем выше индекс, тем плотнее смазка.
Самая распространенная смазка общего назначения — солидол имеет обозначение СКа 2/8-2. С — смазка общего назначения; Ка —-загуститель — кальциевое мыло; отсутствие индекса дисперсной' среды (основы) свидетельствует о том, что смазка приготовлена загущением нефтяного масла; 2/8—температурный диапазон применения от —20 до +80 °C; 2 — индекс класса консистенции, в который входят смазки с числом пенетрации 265—295 при 25 °C.
По этому принципу с помощью имеющихся в стандарте таблиц могут быть обозначены любые пластичные смазывающие материалы.
По применению смазки можно разделить на 12 групп: антифрикционные общего назначения; многоцелевые; высокотемпературные; низкотемпературные; приборные; стойкие в агрессивной среде; индустриальные; железнодорожные; специализированные автомобильные; консервационные общего назначения; канатные; уплотнительные.
Для инженера-двигателиста особый интерес представляют антифрикционные смазки общего назначения, многоцелевые, специализированные автомобильные и уплотнительные.
Антифрикционные смазки общего назначения. Среднеплавкие смазки. В качестве наиболее массовых смазок общего назначения применяют кальциевые (солидолы), которые могут быть синтетическими и жировыми.
Стандартизованы две марки синтетических солидолов — солидол С и пресс-солидол С. Базовым маслом Д1я них являются индустриальные масла (v60 = 17 ... 33 мм2/с), загустителем — кальциевые мыла синтетических жирных кислот (не менее 12 % мыла).
Солидол С применяют для всех узлов трения, работающих в диапазоне от 30 до 70 °C. Относительно высокий предел прочности сдвига (т51} = 200 Па) обеспечивает надежное сохранение солидола в узле трения при вибрации и тряске.
Пресс-солидол С очень удобен для смазки узлов солидолонагне-тателями. Надежно прокачивается через пресс-масленки. Имеет улучшенные низкотемпературные свойства и может быть использован при температурах от —40 до +50 °C. Содержание мыла не менее 9 %. Пониженный предел прочности (т5() 100 Па) несколько
ограничивает его использование. Применяют для смазки узлов трения подвески и рулевого управления автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин.
Графитная смазка УСсА (разновидность синтетического солидола) представляет собой масло цилиндровое легкое, загущенное
145
кальциевым мылом, с добавлением 10 % графита ГС-4. Предназначена для тяжелонагруженных тихоходных механизмов, рессор, открытых зубчатых передач лебедок, подвесок тракторов. Непригодна для подшипников качения и других узлов трения, изготовленных с высокой точностью. Предельная температура узлов трения 70 °C.
Жировые солидолы УС-1 и УС-2 (универсальные среднеплавкие} отличаются от синтетических только загустителем, в качестве которого применяют мыла, полученные омылением хлопкового масла и саломасла. В солидол УС-1 добавляют не менее 9 % мыла, а в солидол УС-2 — не менее 11 %. Жировые солидолы в последние годы выпускают в ограниченном количестве. Это объясняется резким повышением качества современных синтетических солидолов, которые практически не уступают по всем основным показателям жировым»
Области применения жировых и синтетических солидолов одинаковы.
Тугоплавкие смазки. При всей своей универсальности при температуре узла 50—55 °C солидолы начинают работать ненадежно, а при температуре выше 70 °C их применение недопустимо. В этом случае следует использовать кальциево-натриевые смазки 1-13 или их синтетический вариант ЯНЗ-2, которые рекомендованы для подшипников ступиц колес автомобилей и других транспортных средств.
Смазку 1-13 получают загущением индустриальных масел и их смесей с трансформаторным и веретенным маслами. Смеси приготовляют так, чтобы их кинематическая вязкость при 50 °C была не менее 19 мм2/с, а температура застывания не более —40 °C. В качестве загустителя используют 20 % натриевого и 4 % кальциевого мыла касторового масла. Высокий предел прочности (400—700 Па) гарантирует надежную работу смазок без сброса их с сепараторов подшипников современных машин и механизмов. Температурный диапазон работы от —25 до +110 °C.
В отличие от водостойких солидолов, загущенных только кальциевым мылом, смазка 1-13 имеет пониженную водостойкость, так как натриевые мыла, входящие в кальциево-натриевый загуститель этой смазки, иеводостойки.
К тугоплавким антифрикционным смазкам общего назначения относятся натриевые смазки — консталины УТ-1 и УТ-2. Базовое масло их не отличается от масла в смазке 1-13. Загуститель — натриевое мыло касторового масла. Смазки неводостойки. Даже небольшое попадание воды ее разрушает, растворяя натриевое мыло. Температура, при которой смазка сохраняет работоспособность, + 190сС. При низких температурах консталин сильно густеет, его консистентность возрастает, поэтому применять его при температурах ниже —20 сС не следует. Предел прочности сдвига даже при температуре 80 °C сохраняется высоким (для УТЧ т80 == &= 150...300 Па, для УТ-2 т80 = 800 Па).
Многоцелевые смазки. Многоцелевые смазки наиболее перспективны. Они должны обладать полным комплексом важнейших показателей качества: тугоплавкостью, водостойкостью, хорошими низ-146
котемпературными и прочностными свойствами, пологими вязкостнотемпературными характеристиками, высокой коллоидной стабильностью. С применением их значительно сократится число марок смазок, устранятся ошибки при выборе и эксплуатации.
Многоцелевые смазки разработаны и выпускаются отечественной промышленностью. Самой распространенней современной универсальной смазкой является литиевая смазка Литол-24. Рабочий температурный диапазон от —60 до +130 °C Водостойка. Обладает высокой механической стабильностью и хорошими смазывающими свойствами. Предел прочности тб0 = 400 ...600 Па, т80 — не менее 150 Па. Литол-24 можно применять для вс^х узлов трения и агрегатов автомобилей, тракторов и других машин.
Приготовляют Литол-24 путем загущения смеси 1 : 1 дистиллятных масел (v50 = 24 ... 26 мм2/с) и смеси дистиллятных и остаточных масел (v50 = 50 ... 70 мм2/с) с литиевым мылом. В литиевое мыло оксистеариновой кислоты добавляют в количестве 12 %, кроме того, 0,5 % дифениламина и 3 % полиизобутилена.
ФИОЛ-1 —многоцелевая литиевая смазка с широким температурным диапазоном применения от —40 да +120 °Q. По пределу прочности несколько уступает смазке Литол-24 (т50 = 200 ... 2о0 Па).
ФИОЛ-2М — литиевая смазка. Содержит 2 % дисульфидмолиб-дена, повышающего ее антифрикционные свойства, особенно в условиях граничного трения, предотвращает зациры трущихся поверхностей, температурный диапазон от —40 до +120 °C.
Специализированные автомобильные смазки. Несмотря на освоение Литола-24, промышленность выпускает в относительно небольших количествах специальные смазочные материалы для ряда узлов новых марок автомобилей.
ШРБ-4 — приготовляют загущением масла индустриального 20 бориевым мылом хлопкового масла и уксусной кислоты с добавлением 0,5 % дифениламина и 0,5 % а-нафтиламина. Водостойкая, с широким температурным диапазоном от —40 до +150 °C. Имеет малый предел прочности (т50 = 130 Па), что препятствует ее применению в ступицах колес и других узлах с высокой частотой вращения. Рекомендуется для шаровых шарниров подвески и тяг рулевого управления автомобилей ВАЗ.
Данные других специализированных автомобильных смазок приведены в табл. 29. Все они могут быть заменены смазкой Литол-24.
Уплотнительные. Применяют в основном для уплотнения кранов и резьбовых соединений в топливоподгющей аппаратуре.
Бензиноупорная. Смазка очень плотная с ограниченным температурным диапазоном. Приготовляется загущением окисленного касторового масла с 4 % глицерина цинковым мылом касторового масла (30 % мыла).
Для уплотнения газовой аппаратуры. Стабильна к углеводородным газам. Приготовляют загущением касторового масла. В качестве загустителя используют кальциевое мыло этого же масла, Для стабилизации содержит до 3,5 % воды.
147
Таблица 29
Показатель Солидол Ж Соли -дол С Г рафнтн «Зя УСсА Жировая L-13
Температура каплепадения, СС, не ниже Предел прочности, Па, не менее: при 50 °C при 80 °C Эффективная вязкость при 0 °C и градиенте скорости 10 с"], Па-с, не более Пенетрация при 25 сС Содержание воды, %, не более 75 200 250 230—290 3,0 200 200 270—330 2,5 77 Не менее 250 3,0 120 150 500 250—299 0,75
Показатель ЦПАТПМ-201 Литол «24 Зимол
Температура каплепадения, °C, не ниже Предел прочности, Па, не менее: при 50 °C при 80 °C Эффективная вязкость при 0°С и градиенте скорости 10 с’1, Па-с, не более Пенетрация при 25 °C Содержание воды, %, не более 175 250 При —50 °C 1100 270—320 Her 180 150 280 220—250 Нет 190 200 При —50 °C 2000 240—290 Her
Перечисленные смазочные материалы не исчерпывают всего ассортимента, их более часто применяют для смазки узлов трения транспортных средств и их силовых установок.
§ 22. ТВЕРДЫЕ И САМОСМАЗЫ БАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ
Механизм действия и область применения
Твердые и самосмазывающиеся материалы применяют обычно в экстремальных условиях, в которых жидкие или пластичные теряют свою работоспособность.
К таким условиям следует отнести высокие или криогенные температуры, вакуум, большие удельные давления и радиацию. Кроме того, этот вид смазочных материалов может быть использован в качестве одного из компонентов жидких масел или пластичных смазок. Например, добавление коллоидного графита в пластичную смазку значительно повышает ее антифрикционные свойства. Повышаются смазочные свойства и масел при добавлении в них дисульфида молибдена, дисульфида вольфрама, графита и некоторых других веществ.
Значение твердых и самосмазывающихся материалов в ближайшее время должно возрасти в связи с разработкой модификаций двигателей и топливной аппаратуры, предназначенных для альтер-148
нативных топлив, в том числе топлив, прикеняемых при криогенных температурах (сжиженный метан, водород и др.).
Сухие и самосмазывающиеся материалы могут оказаться полезными для газотурбинных двигателей, двигггелей Стирлинга и ряда других транспортных силовых установок будущего.
Рассмотрим, от чего зависят смазочные свойства различных смазочных материалов. Механизм действия сухих смазочных материалов до конца пока не раскрыт. Смазывающие свойства этих материалов объясняются строением их кристаллической решетки, в которой атомы, образующие слой, расположены ближе друг к другу, чем расстояния между слоями. Например, у графита расстояния между атомами в слое равны 0,142 нм, а расстояния между слоями 0,344 нм. Однако объяснить строением кристаллической структуры смазывающую способность сухих смазочных материалов полностью не удается. Например, тальк, применяющейся широко для предотвращения слипания поверхности камеры с покрышкой в пневматических шинах, тоже имеет слоистую гексагональную структуру, но совершенно не обладает смазывающими свойствами в металлических узлах трения. То же относится и к слюде.
Существенное значение имеет адгезия —способность прилипания смазочного материала к поверхности трения. У талька и слюды такой способности нет, а у графита, дисульфида молибдена и других видов сухих смазок такая способность ярко выражена.
Имеет значение и фактор адсорбции молекул воды и кислорода на поверхности смазок. Коэффициент треняя при применении этих смазочных материалов в вакууме увеличивается. При влажности более 30 % коэффициент трения также начинает увеличиваться.
При применении дисульфида молибдена скольжение происходит между слоями серы, так как она обладает высокой адгезией к металлам. Вместе с тем коэффициент трения при скольжении серы по сере больше, чем при скольжении дисульфида молибдена.
Таким образом, смазывающие свойства слоистых смазок зависят от многих факторов, но решающими из них являются их слоистое строение, малая энергия связи между слоями и высокая адгезия на поверхностях узла трения.
Твердые смазки на основе слоисгых материалов
Графит. Это одна из самых распространенных сухих смазок. Известен как одно из аллотропных состояний углерода. Имеет гексагональную структурную решетку, в которой параллельные слои вещества расположены на расстоянии 3,44 А. Графит хорошо заполняет технологические неровности микропрофиля поверхности трения, образуя гладкую зеркальную поверхность. Скорость относительного скольжения мало влияет на коэффициент трения графита, в то время как удельная нагрузка оказывает на него существенное воздействие,
При увеличении удельной нагрузки до 450—500 Н/мм2 коэффициент трения быстро уменьшается (примернэ до 0,03). При дальнейшем увеличении нагрузки коэффициент трения начинает возрастать,
149
изнашивание становится более интенсивным. Большое значение имеет материал трущихся деталей. Графит АГ-1500 лучше всего работает в паре с чугуном и хромом, графит Е — со сталью и хромом. Чем прочнее пленка оксида металла, тем лучше работает графит. Хуже всего графит работает по меди. Его износ в этом случае в 18 раз больше, чем при работе по хрому, что является одной из причин быстрого изнашивания щеток электродвигателей и генераторов.
Повышение температуры узла трения при работе в вакууме уменьшает коэффициент трения в одноименной паре. Например, при изменении температуры от 20 до 0 °C f уменьшился с 0,4 до 0,15. Трение графита марки АГ-1500 по коррозионно-стойкой стали при температуре 800 °C вызывает резкие скачки коэффициента трения и увеличение его от 0,25 до 0,4. На воздухе удельные нагрузки на пары графит—металл могут быть увеличены в 3—5 раз.
Применяют графит как добавку к различным смазочным материалам (например, солидолу УСсА), как сухой смазочный материал в виде тонкого порошка или как самосмазывающийся материал.
Основные свойства графита и других слоистых материалов приведены в табл. 30.
Дисульфид молибдена MoS2. Свойства его как смазывающего Материала были известны еще в XVI в. В последнее время проведено много исследований по применению этого соединения в качестве смазочного материала. Установлено, что MoS2, как и графит, имеет гексагональное строение. Расстояние между ближайшими атомами молибдена в решетке равно 2,41 А, а между атомами серы в ближайших слоях 3 А.
При температуре 350 °C начинается процесс окисления MoS2. Вместе с тем в вакууме он выдерживает температуру до 1000 °C. Природный MoS2 получают из молибденового блеска при добыче медных руд.. Цвет серо-стальной. Кристаллы имеют игольчатое строение. Плотность 4800 кг/м3. Коэффициент трения с увеличением удельной нагрузки уменьшается, достигая 0,02 (при 2800 МПа). Применяют как сухой смазочный материал или как добавку в жидкие и пластичные смазочные материалы. Основные свойства MoS2 приведены также в табл. 30.
Дисульфид вольфрама WS2. Структура WS2 гексагональная, слоистая. На воздухе WS2 может работать, не окисляясь, до температуры 510 °C, а его несущая способность в 3 раза больше, чем дисульфида молибдена. Химически WS2 очень стабилен, не растворяется в сильных кислотах и щелочах, воде, маслах, ацетоне. На него имеют небольшое воздействие при высокой температуре только газообразный фтор, серная и плавиковая кислоты. WS2 не вызывает коррозии металлов. При приготовлении коллоидных суспензий WS2 со смазочными маслами необходимо учитывать большую разность плотностей, вызывающую нестабильность системы. Поэтому предпочтительны смеси, состоящие из WS2 и пластичных смазочных материалов или специальных паст. Основные свойства WS2 приведены также в табл. 30.
150
Таблица 30
Твердая смазка d, A C, A C/d Плот-н ость, кг/м3 Температура, °C Коэффициент трения
окисления на воз- духе плавления
Графит 2,460 6,750 2,74 1400, 700 450 3650 0,04
BN 2,520 6,690 2,66 2250 500—900 3000 0,67
MoSa 3,160 12,320 3,90 4800 400 1185 0,03
MoSen 3,288 12,900 3,92 6900 400 1200 0,02
ws2 3,290 12,970 3,94 9220 350 1200 0,02
WSe2 3,187 12,525 3,90 7400 510
HbSe3 3,439 25,188 7,32 6250 350 800 0.06
Cd J 3 4,260 6,860 1,61 5700 — 388 —
PbJ2 4,550 6,890 1,51 6160 — 412 —
BiJ з 7,500 20,650 2,75 5700 1,11 408
SbgSg 3,838 11,223 2,92 4640 "R 550 0,14
AgJ 4,589 7,500 1,20 5670 552 0,17
К слоистым смазочным материалам, имеющим гексагональную решетку, следует отнести соединения селена — диселениды молибдена MoSe2, вольфрама WSe2, ниобия NbSe2, нитрида бора BN, а также соединения, обладающие несколько худшими смазывающими свойствами и относительно невысокой температурой плавления, —SdJ2, PbJ2, Sb2S2, AgJ.
Самосмазывающиеся конструкционные материалы
Принцип создания самосмазывающихся материалов прост: в основу, представляющую собой прочные и стабильные полимеры (например, из группы полиамидных смол), вводят наполнители, обладающие смазывающими свойствами, — дисульфид молибдена или графит. Наполнитель вводят или в процессе полимеризации основы, или в расплав готового полиамида. Твердость готового материала растет с увеличением количества введенного наполнителя, достигая максимума при содержании его 30—35 %. При дальнейшем увеличении количества наполнителя твердость начинает резко падать, причем одновременно уменьшается ударная прочность, что снижает конструкционную ценность материала, так как он становится хрупким.
Наилучшие результаты получаются при применении в качестве наполнителя полиамидных смол MoS2. Ценные самосмазывающиеся материалы получаются при армировании фторопласта-4 медной стружкой. Износостойкость композиции повышается в 10 тыс. раз. Наименьший коэффициент трения фторопласта-4 получается при введении в расплав основы стружки бронзы (f = 0,17). Наименьшее трение наблюдается у металло- или стеклофторопластовых компо-
151
зиций при их работе по коррозионно-стойкой стали (из-за отсутствия окисной пленки).
Хорошим самосмазывающимся конструкционным материалом являются фенольные смолы с добавкой тефлона. Несущая способность этих композиций увеличивается при добавлении наполнителя не более 15 % тефлона.
Технология порошковой металлургии позволила создать ряд самосмазывающихся материалов на базе порошковых. Особенностью этих структур, выгодно отличающей их от полимерных композиций, является высокая теплопроводность, обеспечивающая хороший отвод теплоты из узла трения.
Основой таких материалов является пористая структура наполнения смазывающим веществом. В качестве смазывающего вещества можно использовать различные сухие смазочные материалы. Хорошие результаты были получены при применении графита, дисульфида молибдена и даже полимерных смазывающих материалов, например, фторопласта. Для спекания основы используют медь, молибден, железо и другие металлы. Пропитку вводят так, чтобы включения смазывающего материала равномерно были распределены по всему объему основы.
Наиболее распространены бронзографитовые и железографитовые порошковые материалы. Для улучшения смазывающих свойств поры материала пропитывают жидким смазочным материалом. Коэффициент трения по стали этих материалов 0,04—0,09.
При применении металлокерамических самосмазывающихся материалов надо иметь в виду их относительную хрупкость и малую прочность на растяжение. В остальном эти материалы хороши для направляющих клапанов, теплонапряженных элементов золотникового и гильзового распределения, узлов трения для двигателей Стирлинга и ряда других узлов трения, в которых трудно или невозможно использовать обычные смазочные материалы.
ГЛАВА О
ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ
§ 23. НАЗНАЧЕНИЕ, ВИДЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Технические требования
Назначение охлаждающих жидкостей — воспринимать и отводить тепловой поток от тех зон и деталей двигателя, перегрев которых вызывает нарушение нормальной работы или разрушение. Основной тепловой поток образуется теплотой, которая, согласно второму закону термодинамики, не может быть преобразована в механическую работу. Это та самая теплота, которая должна быть передана холодному источнику. Количество ее зависит от разности температур горячего и холодного источника при заданной массе и 152
теплоемкости рабочего тела. Если бы удалось осуществить адиабатный (без обмена тепла) рабочий цикл, то такой двигатель мог бы работать без системы охлаждения: количество теплоты, которое должно быть отдано холодному источнику, удалялось бы из двигателя с отработавшими газами.
В настоящее время делаются попытки создать такой двигатель, рабочий цикл которого максимально приблизился бы к адиабатическому циклу.
К сожалению, в реальном двигателе часть теплоты, которая должна была бы при адиабатическом цикле превратиться в полезную работу, в процессе расширения рабочею тела отводится через стенки цилиндров, днища поршней, когда нз полностью не расширился, определенная часть теплоты отрабогавших газов уходит в систему охлаждения после их выхода из цилиндра. Отвод теплоты происходит через стенки выпускных канатов, находящихся в головке цилиндра и тоже омываемых охлаадаюшерй жидкостью.
Наиболее точно определить количество теплоты Q2> отводимое системой охлаждения, можно только экспериментальным путем, при оценке теплового баланса двигателя. Структура теплового баланса современных двигателей внутреннего сгорания показывает, что система охлаждения должна воспринять и рассеять в пространстве примерно 1/3 тепловой энергии сгоревшего топлива. Это очень большой поток теплоты, соизмеримый с потоком, уносимым отработавшими газами, и с теплотой, превращенной в полезную работу. Распределение теплоты в двигателе зависит ьак от его типа (бензиновый или дизель), так и от режима работы. 3 табл. 31 приведен типичный тепловой баланс при работе на номинальном режиме.
Таблица 31
Тепловой ноток Бензиновый двигатель Дизель
Преобразованный в эффективную работу 24—28 32—38
Унесенный с отработавшими газами 34—36 27—30
Отведенный в систему охлаждения 30—32 25—8
Прочие потери (излучение и др.) 8 10
Всего, % 100 100
Моторные масла и топливо тоже можно отнести к категории охлаждающих жидкостей, поскольку кроме прямых своих функций они способствуют охлаждению узлов и механизмов двигателя, а в ряде случаев их используют только для охлаждения поршней и других деталей.
Эффективное действие систем жидкостного охлаждения во многом определяется физическими и химическими свойствами охлаждающей жидкости. Процесс отвода теплоты от двигателя и передача его в окружающую среду зависят от теплоемкости и теплопроводности жидкости: чем выше показатели, тем лучше охлаждается двигатель. С увеличением теплоемкости увеличивается количество теплоты,
153
которую жидкость способна воспринять при заданном повышении температуры, а с увеличением ее теплопроводности теплота отводится быстрее.
Таким образом, с увеличением теплоемкости можно уменьшить количество жидкости, циркулирующей в системе, а с увеличением теплопроводности — уменьшить скорость ее циркуляции и получить более равномерную ее температуру.
В жидкостных системах охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания применяют два типа охлаждающих жидко-стей — воду и низкозамерзающие жидкости (антифризы). Являясь промежуточным звеном в цепи передачи теплоты, охлаждающая жидкость должна удовлетворять ряду определенных требований, несоблюдение которых может вызвать серьезные нарушения в работе системы и всего двигателя в целом. Для этого они должны обладать возможно большей теплоемкостью и теплопроводностью; оптимальной вязкостью (1 мм2/с); температурой замерзания не выше —60 °C; температурой кипения не ниже 120 °C; высокой физической стабильностью.
В то же время охлаждающие жидкости не должны разрушать металлы, из которых изготовлены блок и головка цилиндров, радиатор, отопитель, предпусковой подогреватель, резиновые шланги, и другие материалы, с которыми она соприкасается; не должны образовывать накипь и другие отложения на внутренних поверхностях системы; должны быть нетоксичными и пожаробезопасными. Стоимость их изготовления и сырья должна быть минимальной.
Охлаждающая жидкость должна обладать оптимальной вязкостью. Это требование вызвано тем, что при слишком высокой вязкости жидкости ее циркуляция в системе, как принудительная, так и термосифонная, затруднена, и затраты мощности на привод насоса велики. Вместе с тем при очень малой вязкости устранить подтекание и потери жидкости через уплотнения насоса на стыках патрубков и шлангов значительно труднее. Многолетний опыт показал, что кинематическая вязкость жидкости должна быть близка к вязкости воды, т. е. 0,9—1,1 мм2/с при 20 °C.
Очень неудобно, особенно зимой, если охлаждающая жидкость имеет высокую температуру замерзания, как, например, вода. В этих случаях при длительных перерывах в работе двигателя воду приходится сливать или содержать автомобили в теплых гаражах. Поэтому желательно, чтобы температура замерзания охлаждающей жидкости была возможно ниже (например, не более —60 °C). Вместе с тем для двигателей, работающих летом или в районах с жарким климатом, а также для судовых двигателей это требование необязательно.
Температура кипения охлаждающей жидкости должна быть во всех случаях достаточно высокой (100—120 °C), т. е. на 30—40° выше допустимой рабочей. Совершенно недопустима нестабильность охлаждающей жидкости. Особенно надо следить за качеством воды, за содержанием в ней солей, вызывающих накипь. Образование накипи приводит к снижению теплопередачи и, как следствие, к пере-154
греву двигателя. Поэтому вода, предназначенная для применения ее в качестве охлаждающей жидкости, должна иметь минимальную жесткость. Лучше всего применять дистиллированную, дождевую или снеговую воду.
В последнее время все чаще отказываются от применения воды для охлаждения автомобильных двигателей, применяя специальные жидкости, замерзающие при низкой температуре, — антифризы. Раньше их применяли только зимой, а теперь с разработкой герметичных систем охлаждения антифризы применяют в любое время года как несменяемые жидкости, заливаемые на заводе-изготовителе в систему охлаждения автомобиля на весь срок его эксплуатации (до капитального ремонта). Важное значение имеет стоимость сырья и изготовления жидкости, ее доступность и простота транспортировки и хранения. Особенно перспективны эзи жидкости для применения в системах охлаждения, предусматривающих заполнение их па длительный или на весь срок эксплуатации автомобиля.
Самой простой и в то же время доступной охлаждающей жидкостью, достаточно полно удовлетворяющей основным требованиям, является вода. Ее применяли в самых ранних конструкциях двигателей, широко применяют для двигателей с жидкостным охлаждением и для крупных двигателей, таких, как тепловозные и судовые; вода является пока наиболее целесообразной охлаждающей жидкостью.
Топливо
Являясь источником тепловой энергии в процессе сгорания, топливо до сгорания, благодаря теплоемкости и скрытой теплоте испарения в определенных условиях, может играть существенную роль в понижении тепловой напряженности двигателя. Эта особенность жидких топлив была замечена еще на самых ранних этапах развития двигателестроения и в ряде случаев широко использовалась для охлаждения теплонапряженных дезалей и двигателя в целом. Особенно широко этой способностью топлив пользовались для понижения теплового режима высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов.
В автомобильных двигателях с системой непосредственного впрыскивания топлива в цилиндры факел топлгва форсункой направляют всегда в сторону головки выпускного клапана. Этим обеспечивается быстрое и полное испарение топлива и одновременно охлаждение клапана.
В карбюраторных двигателях малой и средней степени форсирования (18—40 кВт/л) охлаждающую способность топлива обычно не используют; наоборот, для интенсивного и полного его испарения впускной трубопровод имеет систему подогрева (жидкостную или газовую), которая компенсирует понижение температуры во впускной трубе двигателя подводом теплоты.
В высокофорсированных двигателях (со степенью форсирования более 45—50 кВт/л) скрытую теплоту испарения топлива часто использовали для снижения их тепловой напряженности*
155
Особенно эффективно действуют как охлаждающие жидкости такие топлива, как этиловый и метиловый спирты, обладающие высокой скрытой теплотой парообразования. Это свойст! о спиртов широко используют для снижения тепловой напряженности спортивных, автомобильных и мотоциклетных двигателей.
Снижение температуры повышает не только надежность работы двигателей, но и мощность их, так как благодаря понижению температуры горючей смеси увеличивается ее плотность на 20—25 %.
Для топлив, используемых как охлаждающие жидкости, важны такие физические свойства, как теплота испарения, теплопроводность и теплоемкость (табл. 32).
Таблица 32
Топливо Скрытая теплота парообразования. кДж/кг Теплопроводность, Вт/м Теплоемкость, кДж/кг
Этиловый спирт 906 0,1686 2,47
Бензин 289 0,1204 2,00
Дизельное 240 0,1169 2,00
Для реактивных двигателей Т-1 238 0,1192 2.08
Масло
Моторное масло в двигателе можно использовать как смазывающий и охлаждающий материал. Причем маслом охлаждают наиболее теплонапряженпые детали двигателя и, в первую очередь, поршни, система масляного охлаждения которых может быть выполнена различно.
Наиболее простой способ — подача масла под давлением на внутреннюю поверхность днища поршня. Этот способ особенно удобен для двигателей средних размеров с диаметром цилиндров 100—150 мм, так как здесь не требуется специальной усложненной конструкции поршней. Форсунки, подающие масло, могут быть установлены неподвижно на картере двигателя или на верхней головке шатуна» Установка на верхней головке шатуна требует специального канала вдоль всего шатуна или трубки, подводящей масла от нижней головки, смазываемой под давлением, к верхней, причем улучшается ее смазка.
Второй способ масляного охлаждения поршня называют «взбалтыванием».
Для этого в верхней внутренней полости поршня выполнена специальная чашеобразная полость, в которую через форсунку, установленную в верхней головке шатуна, подается масло. Благодаря силам инерции это масло взбалтывается и интенсивно омывает верхнюю внутреннюю поверхность поршня, охлаждая ее.
Наиболее сложны и самые эффективные — циркуляционные и смешанные системы, их применяют обычно в тепловозных и судовых 156
двигателях большой мощности с диаметром цилиндров более 200— 250 мм.
В табл. 33 приведены данные, показывающие снижение температуры поршня в двух наиболее характерных точках: в середине днища со стороны камеры сгорания и в канавке верхнего поршневого кольца.
Таблица 33
Способ охлаждения поршня Среднее снижение температуры, °C Способ охлаждения поршня Среднее снижение температуры, °C
в середине днища со стороны камеры сгорания в канавке верхнего поршневого кольца в середине днища со сторон ы камеры сгорания в канавке верхнего поршневого кольца
Струйный 75 35 Циркуляционный 110 90
Взбалты- 75 30
ваннем Смешанный по НО
Для предварительных расчетов систем масляного охлаждения, кроме вязкости масел, которая оказывает решающее влияние на гидродинамические течения, необходимо знагь их теплоемкость и теплопроводность. Теплоемкость масла примерно в 2 раза меньше теплоемкости воды и зависит от его плотности н температуры. Зависимость теплоемкости от температуры следует учитывать обязательно, так как в режиме охлаждающей жидкости масло может нагреваться до высоких температур (100—150 °C).
Вода
Наиболее распространенной охлаждающей жидкостью для двигателей внутреннего сгорания является вода. Она удовлетворяет необходимым требованиям, но не всем и не в полной мере. Вместе с тем исключительная доступность воды, ее практически повсеместные запасы (водопровод, реки, озера, дожди, снега) делают воду очень удобной для применения. Но есть три существенных недостатка у воды как у охлаждающей жидкости.
1. Вода замерзает при О °C, что очень осложняет ее применение зимой. К тому же при замерзании вода увеличивает свой объем на 10 %. Поэтому при образовании льда (замерзании) в системе охлаждения возникают давления до 200—300 МПа, что приводит к серьезным повреждениям двигателя и радиатора, после чего требуется сложный и трудоемкий ремонт (сварка, пайка или полная замена блока, головки цилиндров и радиаторе). Поэтому приходится внимательно следить за тем, чтобы не «разморозить» двигатель: сливать воду или, периодически пуская двигатель, прогревать систему. Одно время на некоторых автомобилях устанавливали специальные автоматические пусковые устройства, с помощью которых
157
при охлаждении воды пускали двигатель и останавливали его после прогрева воды до 80—85 °C. Недостаточная надежность автоматов привела к тому, что эти устройства не стали применять.
2. Вода имеет низкую температуру кипения, что приводит иногда к ее закипанию в радиаторе.
Для предотвращения больших коррозионных износов и поддержания оптимальной вязкости масляной пленки на деталях цилиндропоршневой группы температуру охлаждающей жидкости необходимо поддерживать в диапазоне 85—95 °C. Эта температура близка к температуре кипения воды, и даже небольшие отклонения от нормальных условий эксплуатации вызывают ее закипание. Кроме того, поддержание температуры на таком уровне ведет к интенсивному испарению воды, что связано с необходимостью часто доливать воду в радиатор. Это тоже неудобно при эксплуатации.
С уменьшением барометрического давления, например, в горных условиях, температура кипения воды понижается, вероятность ее закипания увеличивается, особенно при преодолении крутых подъемов, когда двигатель работает на больших нагрузках и отдача теплоты в воду возрастает.
Для увеличения температуры кипения и уменьшения потерь воды при испарении современные системы охлаждения выполняют герметичными. Давление в них повышается до 0,135—0,2 МПа, а температура кипения соответственно до ПО—120 °C. Это уменьшает потери воды от испарения, но приводит к понижению мощности двигателя из-за уменьшения массового наполнения цилиндров. Кроме того, увеличивается склонность топлива к детонации.
3. Вода содержит минеральные соли, образующие на внутренней поверхности водяной рубашки и радиатора накипь, которая, обладая плохой теплопроводностью, ухудшает теплопередачу и снижает эффектви ность ох л аждени я.
§ 24. ВОДА КАК ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ
Характеристика природной воды
Различают три вида природной воды: поверхностная (реки, озера, моря и океаны), атмосферная (дожди, снег) и подземная (колодцы, скважины, родники).
Поверхностная вода. Пригодность этой воды для систем охлаждения двигателей зависит от водоема. Например, морская вода, какой бы она прозрачной и чистой не выглядела, для систем охлаждения без предварительного опреснения непригодна из-за высокого содержания в ней солей.
Пресная вода рек и озер содержит всегда больше примесей, чем атмосферная. Причем в некоторых реках вода настолько засорена нерастворимыми органическими и неорганическими примесями, что даже по внешнему виду можно судить о ее непригодности. Такая вода бывает зеленовато- или коричнево-мутной. Труднее определить пригодность прозрачной и на вид чистой воды. Как правило, если вода в реке или озере летом очень холодная (10—1 <5 СС), то она содержит больше различных солей, попавших в нее вместе с родниковой и ключевой водой. Качество поверхностных вод зависит от времени года и погодных условий.
Атмосферная вода. Если при сборе этой воды в нее не попадут различные примеси, то это наиболее чистая и пригодная (кроме дистиллированной) для систем охлаждения вода. Поэтому, если есть возможность собрать дождевую или получить воду из чистого снега и льда, ей всегда надо отдавать предпочтение»
158
Подземная вода. Внешне — прозрачна и чиста. Механических примесей в ней практически нет (благодаря естественной фильтрации при прохождении песчаных слоев). Но в подземных водах растворено всегда большое количество различных солей и газов.
Таким образом, основным показателем, характеризующим пригодность воды для системы охлаждения, является содержание примесей.
Примеси, ухудшающие свойства юды как охлаждающей жидкости
Примеси в воде можно разделить на три группы: механические — к ним относятся частички различных нерастворимых в воде веществ размером более 0,1 мкм. Больше всего механических примесей в поверхностных водах. Примеси в водах рек и озер — это частички песка, ила, глины, остатки водэрослей и т. п.
От механических примесей легко освободиться гутем отстаивания воды или ее фильтрации. В качестве фильтров могут быть использованы или толстые (до 1 м) слои крупного хорошо промытого кварцевого песка, или многослойные фильтры из плотного льняного полотна.
Кроме механических примесей в воде могут быть вацества, находящиеся в очень мелкодиспергированном, практически в коллоидном состоянии. Размеры таких частиц колеблются от 0,01 до 0,001 мкм. Эти примесь тоже можно отфильтровать специальными фильтрами после предварительной коа)уляции (укрупнения частиц вследствие их слипания и объединения в более крутые структуры).
Коллоидные растворы в воде образуются соединениями алюминия, кремния, железа, а также мелкими частицами продуктов распада растений и животного мира водоемов.
Особенно опасны примеси, находящиеся в воде в состоянии истинных растворов. Если растворенные вещества не являются красителями, то без химического анализа обнаружить их присутствие невозможно. А именно от этих примесей зависит образование отложении (накипи) в системе охлаждешя, а также коррозионное влияние воды на поверхности охлаждения и теплообмена.
Жесткость воды
Количество растворенных в воде солей (карбонатов и сульфатов) определяет ее жесткость. Чем больше в воде растворено этих солей, тем больше отложений (накипи) образуется на стенках системы охлаждения. В зависимости от вида растворенных солей различают временную и постоянную жесткости. Временная, или карбонатная жесткость определяется содержанием в воде эикарбонатов магния и кальция. При нагревании воды эти соли разлагаются и образуют нерастворимые в воде СаСО3 и МпСО3, которые в виде накипи осаждаются на стенках системы охлаждения. Временной эта жесткость называется потому, что достаточно нагреть воду до кипения, и она делается более мягкой.
Присутствие в воде сульфатов, хлоридов и силикатов, щелочноземельных металлов, которые не разлагаются при ее нагревании, особенно нежелательно. Наличие этих солей в воде определяет некарбонатную или постоянную жесткость. Например, сульфат кальция CaSO4 (гипс) при повышении температуры выгадает из раствора, оса-ждаясь на стенки системы вместе с другим! солями. Это придает накипи особую прочность, затрудняющую ее удаление из системы. Следует иметь в виду, что теплопроводность накипи значительно уменьшается при попадании в систему охлаждения нефтепродуктов
159
(особенно масла). Поэтому недопустимо заливать воду в радиатор, пользуясь посудой, на которой сохранились остатки топлива или моторного масла.
Измеряется жесткость миллиграмм-эквивалентом солей жесткости на 1 л воды (мг-экв/л). 1 мг-экв соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция или 12,16 мг иона магния.
По жесткости вода классифицируется на очень мягкую, мягкую, .среднежесткую, жесткую и очень жесткую (табл. 34).
Таблица 34
Группа жесткости Общая жесткость, мг-экв/л Влияние на накипсобразование
Очень мягкая =51.5 Накипи не образует
Мягкая 1,5—4,0 Накипи почти не образует
Среднежесткая 4,0—8,0 Образует накипь. Необходимо не реже 2 раз в год удалять из системы охлаждения
Жесткая 8,0—12,0 Быстро откладывается значительная накипь. Не рекомендуется применять воду без предварительного умягчения или использования присадок
Очень жесткая >12,0 Система охлаждения очень быстро забивается накипью. Воду применять без умягчения нельзя
Очень мягкая и мягкая вода практически не образует накипи, и при ее использовании система охлаждения не требует специального наблюдения. При применении среднежесткой воды за системой необходимо наблюдение, и рекомендуется 2 раза в год удалять накипь. Мероприятия по уменьшению образования накипи приведены в табл. 35. Для частичного смягчения воды (устранения временной жесткости) рекомендуется предварительно прокипятить ее в течение 30—40 мин, отстоять, а затем профильтровать. Для более тщательной обработки в теплую воду надо добавить кальцинированную соду или три натрийфосфат из расчета 53 мг соды или 55 мг тринатрийфосфата на каждую единицу жесткости в 1 л умягчаемой воды.
Хорошие результаты получаются при фильтровании воды любой жесткости через катионитовые фильтры, т. е. вещества, способные вступить в обменную реакцию с ионами кальция, магния и других щелочно-земельных металлов.
Удаление накипи. Удалять накипь следует только в том случае, если есть условия для последующего ремонта системы охлаждения (замены шлангов, пайки радиатора и т. д.). Это объясняется тем, что часто после удаления накипи, хотя и плохо, но работавшая система начинает течь и выходит из строя. Трещины и другие дефекты радиатора, временно закупоренные накипью, после ее удаления начинают пропускать воду, и система требует разборки, серьезного ремонта или замены радиатора.
Перед удалением накипи необходимо полностью слить воду из всей системы (радиатора, блока цилиндров, отопителя), а затем вынуть термостат. Для удаления накипи преимущественно карбонатного состава используют кислотные растворители; накипь сульфатного состава удаляют щелочными растворителями.
Состав растворов и режимы удаления накипи приведены в табл, 36,
160
Таблица 35
Операция Реагент и его действие Указания по применению
Смена воды —— Менять зоду в двигателе как «ожно реже. При смене про лывать систему охлаждения
Введение антинаки- Дихромат калия К^СгО? Приготовить концентрат
пинов Смягчение воды: или азотнокислый аммоний NH4NO3: переводят соли накипи в растворимое состояние. Гексаметафосфат (NaPO3)e, гексамет: удерживают соли накипи в растворимом состоянии Три натрийфосфат Na3PO4: удерживает соли накипи во взвешенном состоянии 100 г реагента на 1 л воды. Ча 1 л воды средней жесткости добавляют 30—50 мл кон-хентрата; для жесткой 100— L20 мл /л. При помутнении юды в системе охлаждения избавляют свежий концентрат Независимо от жесткости во-Хы добавить 5—6 мг/л. Периодически спускать шламо-зый отстой Добавить в воду средней ►кесткости 0,2 г/л, а в жест-су ю 0,3 г/л. Периодически :пускать отстой шлама через ?пускные краники
перегонкой Растворимые соли остаются в перегонном кубе Получить воду без солей; «ест кость ее должна соот ветствовать жесткости воды, трименяемой для аккумуляторных батарей
кипячением Соли карбонатной и ча стично сульфатной жесткости выпадают в осадок. Остаточная временная жесткость до 1—2 мг-экв/л. Общая жесткость может повыситься Кипятить воду 20—30 мин, отстоять и профильтровать □т выпавшего осадка
обработкой хи- Кальцинированная сода Теплую (горячую) воду пе-
мическими реа- Na2CO3 — 53 мг/л на еди- ремешать с реагентом 20—
тентами ницу жесткости. Трива-трийфосфат — 55 мг/л на единицу жесткости. Остаточная общая жесткость не более 0,5—1,5 единицы 30 мин, отстоять и профильтровать от выпавшего осадка
катионным обме Ионообменные синтетиче- Фильтровать через кати они-
ном ские смолы, глауконит, пермутит и др. Остаточная общая жесткость 0,5—1,0 единица товый фильтр
6 Покровский Г, П.
161
Таблица 36
I Состав раствора Количество на 10 л воды, г Время, необходимое для разрушения накипи, ч
Для всех, двигателей
Техническая молочная кислота 600 1,0—3,0
Хромпик или хромовый ангидрид 200 8,0—10,0
Ингибитированная соляная кислота 600—800 0,5—1,0
Смесь:
кальцинированная сода 1000—1200 10—12
хромпик 20—30
Смесь:
фосфорная кислота 1000 0,5—1,0
хромовый ангидрид 50
Для двигателей с чугунной головкой блока
Техническая соляная кислота 250—300 0,5—1,0
Каустическая сода 700—1000 7,0—10,0
Смесь:
три натрийфосфат 450
кальцинированная сода 550 10—12
Трин атри йфосфат 300—500 2,0—3,0
§ 25. ЖИДКОСТИ, НЕ ЗАМЕРЗАЮЩИЕ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Технические требования
В последнее время широко применяют всесезонные охлаждающие жидкости, не замерзающие при низкой температуре (низкозамерзающие, или антифризы), основным преимуществом которых является низкая температура застывания.
Технические требования к этим охлаждающим жидкостям содержат все требования, которые относятся ко всем охлаждающим жидкостям в целом. Кроме общих требований они должны обладать возможно меньшей коррозионной агрессивностью, так как в их состав, как правило, входят многоатомные спирты. Поэтому низкозамерзающие жидкости должны содержать комплекс антикоррозионных присадок.
Низкозамерзающие жидкости — это смеси компонентов, обладающие неодинаковыми физическими и химическими свойствами, поэтому особым требованием к ним должна быть максимально возможная физическая и химическая стабильность. Кроме того, эти жидкости не должны вспениваться во время работы.
Основные компоненты охлаждающих жидкостей должны быть недефицитны и иметь невысокую стоимость.
Принцип приготовления
Самой распространенной низкозамерзающей жидкостью является смесь воды с двухатомным спиртом — этиленгликолем.
162
Рис. 37. Эвтектический график низкозамерзающих смесей воды и этиленгликоля:
/ — кривая плотности: 2 — кривая температуры замерзания
Температура застывания чистого технического этиленгликоля —12 °C, поэтому применять его в чистом виде нецелесообразно. К тому же у него высокая вязкость и небольшая теплоемкость. Но ценным свойством этиленгликоля является
его хорошая растворимость в воде. Причем его смеси с водой обладают свойством эвтектических растворов, т. е. их температура застывания ниже, чем у каждого компонента смеси в отдель
ности .
На рис. 37 показана эвтектическая диграмма различных (по соотношению компонентов) смесей воды и этиленгликоля. На диаграмме отчетливо видно, что самую низкую температуру застывания (—75 сС) имеет смесь, содержащая 33 % води и 67 % этиленгликоля. Этим свойством эвтектических растворов пользуются при пр и готов* лении антифризов. Образующийся гидра~ этиленгликоля имеет также низкую температуру застывания.
В табл. 37 приведены основные физические данные компонентов антифризов — воды и этиленгликоля. Теплоемкость и теплопроводность этиленгликоля значительно меньие тех же показателей воды. Коэффициент объемного расширения несколько больший. Это еще раз подтверждает, что в чистом виде этиленгликоль применять для охлаждения двигателей нецелесообразно.
Таблица 37
Показатель Вод.' Этиленгликоль технический
Формула НгО С,Н4(ОН)8
Молекулярная масса 18,01 62,07
Плотность при 20°C. кг/м3 998,2 1113
Температура замерзания. °C 0 — 12
Температура кипения при ОД МПа, °C 100 197,7
Теплоемкость при 20 °C. кДж/(кг»°С) 4,184 2,422
То же, при 0°С 2,04
Удельная теплопроводность кДж/(ч*м*°С) 2,179 0,955
Вязкость при 20 °C, мм2/с 1,0 19—20
Теплота испарения, Дж/кг 2258 800
Теплота плавления, Дж/кг 332,7 182,3
Коэффициент объемного расширения (в преде- 0,00040 0,00062
лах от 4 до 100 °C)
Температура вспышки (прибор с от крытым тиг- —— 122
лем), СС
6*
163
Стандартные жидкости, замерзающие при низкой температуре, •состоят из воды, этиленгликоля и специальных присадок, уменьшающих коррозионное действие этой смеси на внутреннюю поверхность •системы охлаждения. Для защиты от разрушения меди, алюминия и свинпово-оловянистого припоя вводят сложный углеводород — декстрин (1 г/л), для защиты чугуна, стали и латуни — динатрий-фосфат (2,5—3,5 г/л) и против коррозии цинковых и хромовых покрытий — молибденово-кислый натрий (7—8 г/л).
Маркировка, состав и рекомендации к применению
Маркировка антифризов связана с температурой их застывания. Для климатических зон с умеренным климатом, где морозы зимой не превышают —35 СС, рекомендуется применять антифриз, маркируемый цифрой 40; это значит, что его температура застывания не выше —40 °C.
Для северных и восточных районов, а также для Арктики и Антарктиды приготовляют антифриз 65, имеющий температуру застывания не более —65 °C.
Кроме того, выпускают полуфабрикат антифриза, представляющий собой технический этиленгликоль с набором антикоррозионных присадок. Его маркируют цифрой 40 с индексом к (40к). Если добавить к 1 л этой жидкости 0,73 л мягкой (или, что лучше, дистиллированной) воды, то получим готовый к применению антифриз 40.
В табл. 38 приведены основные показатели качества стандартных этиленгликолевых жидкостей.
Для новых марок автомобилей ВАЗ, АЗЛК и КамАЗ выпускают жидкости, не замерзающие при низкой температуре, рассчитанные на длительное всесезонное применение: ТОСОЛ А40 и ТОСОЛ А65 (табл. 39). Эти жидкости заливают в систему (обычно ТОСОЛ А40) на заводе — изготовителе автомобилей е расчетом на пробег автомобиля примерно 60 тыс. км (т. е. на эксплуатацию примерно в течение двух лет).
Выпускают и концентрированный ТОСОЛ 40, имеющий температуру застывания —20 °C. И только после разбавления его дистиллированной водой до соотношения 54 % концентрата ТОСОЛа А40 и 46 % дистиллированной воды ТОСОЛ-40 приобретает стандартные свойства, т. е. температуру застывания —40 °C. Применение жидкостей, замерзающих при низкой температуре, имеет свои особенности. Следует помнить, что любой антифриз состоит из двух компонентов с разной температурой кипения. Этиленгликоль кипит при нормальном давлении при температуре 198 °C, а вода — при 100 °C. Поэтому в процессе эксплуатации выкипание воды всегда больше, чем выкипание этиленгликоля. В результате оптимальное их соотношение в антифризе нарушается в сторону увеличения концентрации этиленгликоля.
В систему охлаждения, заправленную антифризом, при его испарении следует доливать не антифриз, а дистиллированную воду» Иначе их равновесие постепенно нарушится в сторону увеличения .164
Таблица 38
Показатели Мариа жидкости
40 40м 4 0к 65 65м
Внешний вид Светло-желтая слегка мутная жидкост» Оранжевая слегка мутная жидкость
Плотность при 20 °C, кг/м3 1067- -1072 ИЮ-1116 1085- -1090
Коэффициент преломления при 20 °C, не менее 1,390 1,429— 1,431 1,400
Температура замерзания, °C, не более Состав: —40 —40 —65 -65
этиленгликоль, % по массе, не менее 52 52 94 64 64
вода, % по массе, пе более 47 47 5 35 35
потери при разгонке, % по массе, не более антикоррозионные присадки: 1 1 1 1 1
декстрин, г/л, не менее динатрийфосфат, г/л 1 1 1,85 1 1
2,5—3,5 2,5—3,5 4,4—5,6 3,0—3,5 3,0—3,5
мол ибден ово- кислый натрий, г/л 7.5—8,0 — 8,0—10,0
Содержание хлоридов (С1), %, не более 0,0007 0,0007 0,0012 0,0007 0,0007
Механические примеси, %, не более 0,005 0,005 0,009 0,005 0,005
Зольность, %, не более Вязкость, мм3/с: 0,4 — 0,7 0,4
при 20 °C 4,4 28,5 4,4 28,5 20 7,3 52,0 7,3
при —20 °C 52,0
Теплоемкость при 20 °C» кДж/(кг-°О 3,22- -3,26 3,00- -3,05
Таблица 39
Показатель качества госол А ТСЕОЛ A4V ГОСОЛ А 65
Цвет Плотность при 20 >С, кг/м3 Температура кипения, °C, не ниже °C Водородный показатель pH при 20 °C Температура кристаллизации, °C, не выше Голубовата, без меха) прим 1120—1140 170 7,5—8,5 ♦ -35 ♦ я жидкость нических [ecei ЮГ8—1085 108 <5—8,5 —40 Красная жидкость без механических примесей 1085—1095 115 7,5—8,5 —65
* Показатели для жидкости ТОСОЛ А. разбзвлеьной на 50 % дистиллированной водой.
165
содержания этиленгликоля. Это вызовет увеличение вязкости и по* нижение теплоемкости смеси, а главное — повышение температуры его застывания (до —12 ... 15 °C).
Если потеря антифриза из системы связана не с процессом его естественного испарения, а с негерметичностью соединений или вытеканием из радиатора, отопителя или подогревателя, то восполнять систему жидкостью следует только после полного устранения неисправности и только полноценным антифризом.
Следует также учитывать, что антифриз имеет больший коэффициент теплового расширения, чем вода. Поэтому, если система не имеет расширительного бачка, то количество заливаемого антифриза должно быть примерно на 6—8 % меньше нормы для воды.
Если до применения антифриза систему охлаждения длительное время заправляли водой и на ее стенках накопилась накипь, то перед заправкой антифризом необходимо полностью удалить накипь. Если этого не сделать, накипь вступит в реакцию с ди натри йфосфа-том (который находится в антифризе для защиты от коррозии черных металлов и латуни) и тем самым резко увеличит коррозионную агрессивность антифриза. При обращении с жидкостями, замерзающими при низкой температуре, необходимо соблюдать определенную осторожность. Этиленгликоль — сильный пищевой яд. Попадание его даже в небольших количествах в организм вызывает сильные отравления. Смертельная доза этиленгликоля составляет всего 20—30 г.
В заключение следует особо подчеркнуть перспективность антифризов, которые с каждым годом все больше применяют не только зимой, но и как всесезонные жидкости длительного действия, заправляемые в систему охлаждения на автомобильном заводе в рас* чете на весь срок эксплуатации автомобиля.
В высокогорных условиях и при напряженных тепловых режимах форсированных двигателей находят применение охлаждающие
Таблица 40
Показатель качества
Жидкости с температурой кристаллизации
— 40 °C — 60 °C
Цвет
Плотность при 20 °C, кг/м8
Температура кипения, °C:
начала конца
Содержание механических примесей, %, не более
Зольность, %, не более
Вязкость кинематическая мм2/с. при температуре —35 °C, не более
Прозрачная бесцветная или слабомутная желтоватая жидкость
1100
130—145
0,005 0,8—1,0 500
1050
130—140 195—210 0,005
0,8—1,0 320
166
жидкости с высокими температурами кипения, представляющие собой смеси высокомолекулярных спиртов и эфиров с температурой кипения 140—145 °C. При повышении температуры в системе охлаждения улучшается теплопередача, что позволяет уменьшить поверхности теплообмена и сократить металлоемкость и габариты теплообменных устройств. Кроме того, с повышением температуры стенок цилиндров уменьшаются потери теплоты в охлаждающую среду. Все эти факторы не только расширяют эксплуатационные возможности транспортных средств, но и повышают топливную экономичность двигателей. Основные показатели качества охлаждающих жидкостей, кипящих при высокой температуре, приведены в табл. 40.
ГЛАВА 9
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 26. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ
Экономическая эффективность применения топлив и смазочных материалов приобретает все большее значение в связи с увеличением использования двигателей внутреннего сгорания в народном хозяйстве. Поэтому потребление топлив и смазочных материалов возрастает в таком объеме, что экономия или перерасход даже доли процента их в масштабах всего народного хозяйства приводит к весьма ощутимым изменениям топливного баланса.
При определении эффективности применения этих материалов необходимо учитывать затраты труда и материалов на всех этапах — от добычи исходного сырья до получения эффекта их применения. Так, повышенную стоимость этих материалов необходимо компенсировать более эффективным их использованием. Очень важно, чтобы одновременно с увеличением производства топлива его качество обеспечивало большую топливную экономичность, больший ресурс и безотказность двигателей.
Поэтому инженер-химмотолог, разрабатывающий новый вид топлива или улучшающий показатели качества уже существующих топлив и смазочных материалов, должен всегда иметь в виду получение итоговой экономической эффективности этих продуктов. Этот принцип оценки экономической эффективности должен быть положен в основу оценки новой конструкции двигателя, особенно если его создание требует применения топлив и смазочных материалов со специфическими, более высокими показателями качества.
Особенно внимательного подхода требуют принципиально новые конструкции двигателей, существенно изменяющие традиционные требования к эксплуатационным материалам. Например, разрабатываемый двигатель отличается от существующего более совершенной конструкцией и технологией изготовления, применением более
167
дорогих материалов, но в то же время предъявляет значительно меньшие требования к важнейшим показателям топлива, а следовательно, к его стоимости, тем самым расширяя сырьевые ресурсы. В этих случаях прогнозирование итоговой народнохозяйственной эффективности массового использования таких двигателей имеет первостепенное значение.
В настоящее время разработан ряд методических рекомендаций экономических прогнозов, и их выполнение на самых ранних стадиях разработки эксплуатационных материалов, а также при создании новых конструкций двигателей следует считать обязательным.
В последнее время уделяют большое внимание функциональностоимостному анализу (ФСА) при оценке экономической эффективности как новых машин и механизмов (в том числе и двигателей внутреннего сгорания), так и применяемых при их эксплуатации топлив и смазочных материалов. Принцип этого анализа состоит в следующем. Оптимальным признается такое техническое решение, которое обеспечивает минимальные производственные затраты при определенном заданном качестве исполнения тех или иных функций. При экономической оценке топлив и смазочных материалов, это условие состоит в обеспечении минимальных производственных затрат при соблюдении заданных стандартом показателей качества топлива или смазочного материала.
В общем виде метод ФСА состоит из трех элементов: анализа функций исследуемого материала (например, новой марки топлива), анализа производственных затрат и анализа качества исполнения этих функций, включая эксплуатационные расходы при применении нового материала. Например, при ФСА нового бензина на базе системного подхода определяют минимально допустимый уровень показателей качества, регламентируемых действующим стандартом (октановое число, фракционный состав, допустимое количество серы, смол, кислотность, индукционный период и т. д.). Анализируют только те функции, которые прямо или косвенно отражаются на показателях двигателя, его мощности, топливной экономичности, долговечности, токсичности бензина и отработавших газов и др.
После анализа функций исследуют производственные затраты для обеспечения этих функций. Причем учитывают не только стоимость технологического процесса, обеспечивающего выполнение этих функций, но и стоимость сырья: его добычи, доставки, предварительной подготовки.
Существуют достаточно определенные зависимости между показателями качества топлива и топливной экономичностью двигателя. Основным показателем является детонационная стойкость топлива, которая для двигателей с искровым зажиганием определяет максимально допустимую степень сжатия двигателя, а степень сжатия, в свою очередь, определяет топливную экономичность двигателя. Из теории двигателя известна зависимость использования теплоты от степени сжатия, а следовательно, от октанового числа топлива. Причем детонационная стойкость топлива при заданной степени сжатия должна соответствовать оптимальному значению угла one-168
режения зажигания и состава горючей смеси При этом важно знать зависимость эффективного КПД бензиновою автомобильного двигателя от детонационной стойкости топлива при максимально допустимой степени сжатия, оптимальном угле опережения зажигания и составе горючей смеси, обеспечивающей максимальную топливную экономичность.
Кроме детонационной стойкости на топливную экономичность бензиновых двигателей оказывает влияние испаряемость топлива. Чем лучше испаряемость топлива, тем более гомогенная горючая смесь поступает в цилиндры двигателя, равномернее ее распределение по цилиндрам, более полно протекает .троцесс сгорания, выше индикаторный КПД двигателя, а следовательно, выше его топливная экономичность.
Исследуя влияние топлив на экономические показатели дизелей, следует проследить закономерности, связынающие топливную экономичность и склонность топлива к самовоспламенению, т. е. с его цетановым числом и фракционным составом. На базе экспериментальных исследований анализируют зависимость таких важнейших показателей дизеля, как мощность, удельный расход топлива, скорость нарастания давления и время пуска, от цетанового числа и количества топлива, перегоняемого до заданной температуры.
Значительного улучшения экономических показателей применения топлив и смазочных материалов можно добиться обеспечением должного порядка в организации служб транспортировки, хранения и заправки. Установлено, что только от испарения, особенно в условиях жаркого климата, можно потерять до 2 % бензина за период от его производства до момента заправкв в баки транспортных средств. В настоящее время принимают все возможные меры по сокращению этих потерь. Например, окраска резервуаров для хранения бензина в алюминиевый цвет может уменьшить потери на испарение почти на 35 % (по сравнению с потерями от испарения в емкостях, окрашенных в темные цвета).
Установлено, что техническое состояние автомобилей, тракторов и других транспортных средств, на которых в качестве силовой установки используют двигатели внутреннего сгорания, оказывает заметное влиягие на расход топлива и смазочных материалов. Особенно сильно влияют на перерасход топлива пониженное давление воздуха в шинах, неправильная регулировка подшипников ступиц колес.
Нарушение правильных регулировок карбюраторов, систем за< жигания или топливной аппаратуры дизелей может привести к увеличению расхода топлива до 40 % и более. Современная система технического обслуживания автомобильной и другой транспортной техники с ее совершенными приборами диагностирования и контроля позволяет свести эти потери к минимуму.
Большое значение здесь приобретут средства электроники как на самих автомобилях, так и в системах технического обслуживания и диагностирования. Современные автомобили, на которых установлены комплексные микропроцессорные системы управления двига-
7 Покровский Г . П. 16**
телем и трансмиссией, позволяют улучшить топливную экономичность на 30—35 %. Основным преимуществом этих систем является возможность автоматического поддержания оптимальных программ дозирования топлива, угла опережения зажигания и теплового режима двигателя, а также установка наивыгоднейшей передачи в зависимости от режима и условий движения автомобиля.
Большие резервы экономии топлива кроются в повышении культуры и мастерства вождения автомобиля. Специальное изучение этого вопроса показало, что вследствие оптимизации стиля вождения автомобиля можно добиться экономии топлива до 20 %.
Существенным резервом экономии смазочных материалов является регенерация (восстановление) отработанных моторных масел, когда на специальных установках производится очистка этих масел от накопившихся в них загрязнений, топливных фракций, продуктов старения, отработавших компонентов присадок.
Если регенерации подвергается масло без присадок, то его показатели практически полностью восстанавливаются; если регенерируется масло с присадками, то перед применением его следует или заново легировать соответствующими данной марке присадками, или смешать со свежим маслом данной марки. В этом случае содержание регенерированного масла в смеси должно быть не более 20 %.
Большое значение для снижения стоимости эксплуатации двигателей имеет расход масла. В результате совершенствования конструкции двигателей, в частности, цилиндропоршневой группы и смазочной системы, расход масла за последние 20 лет уменьшился вдвое с 5—6 % от расхода топлива до 2—3 % в зависимости от типа и совершенства конструкции двигателей.
Расход масла при эксплуатации двигателей складывается из двух основных компонентов — угара и замены. Количество угара масла в основном зависит от совершенства конструкции, технического состояния ее и условий эксплуатации. Периодичность смены масла — от совершенства фильтрации и стабильности показателей его качества. Специальные марки масел могут без замены работать 20— 25 тыс. км пробега автомобиля. Массовые товарные масла при соответствующем уровне технического обслуживания автомобилей работают без замены до 10 тыс. км пробега.
Для некоторых отечественных автомобильных двигателей при применении масла М-бд/ЮГ]. периодичность смены масла может быть доведена до 50 тыс. км.
Вместе с тем экономический эффект достигается не только в результате уменьшения расхода масла. Исследованиями, проведенными в последние годы, установлено, что наиболее ощутимый экономический эффект может быть получен благодаря улучшению качества масла и связанного с этим увеличения коэффициента технической готовности автомобилей, уменьшения стоимости технического обслуживания и увеличения межремонтных пробегов.
Для определения экономического эффекта от применения нового моторного масла взамен масла, рекомендованного заводом-изготовителем, необходимо сравнить изменение приведенных затрат на его 170
производство с изменением этих затрат при его применении в реальных условиях эксплуатации.
В масштабах всего народного хозяйства даже незначительное изменение разности приведенных затрат дает значительный положительный или отрицательный экономический эффект, так как более половины всех выпускаемых в нашей стране масел составляют смазочные материалы для двигателей внучреннего сгорания. При оценке экономического эффекта использования пластичных смазывающих материалов большое значение имеет их коллоидная стабильность.
Современные марки пластичных смазывающих материалов на литиевых загустителях при надежной герметичности узла трения могут работать без замены несколько лет. Созданы, например, ступицы колес автомобилей, в которых пластичный смазывающий материал не заменяют в течение всего срока эксплуатации. Есть также конструкции шаровых шарниров, смазка которых в процессе эксплуатации не производится. Заложенный в них при сборке пластичный смазывающий материал нормально работает в течение всего срока эксплуатации автомобиля.
Применение долгоработающих смазочных материалов обеспечивает экономический эффект не только благодаря экономии самих материалов, но и вследствие экономии трудозатрат при техническом обслуживании.
§ 27. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РАЦИОНАЛЬНОМУ
ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТОПЛИВ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Экономия и рациональное использование топлив в двигателях внутреннего сгорания могут быть достигнуты тремя комплексами мероприятий:
а) усовершенствованием конструкции и технологии производства двигателей;
б) улучшением эксплуатации двигателей;
в) повышением качества топлива и смазочных материалов.
А1етод изучения проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов должен быть построен на строго системном подходе. Рассмотрим структуру этой системы, т. е. ее основные компоненты и взаимосвязи. В общем виде она должна рассматриваться как замкнутая система с обратными связями, состоящая из трех основных звеньев: двигатель — топливо и смазочные материалы (ТСМ) — комплекс эксплуатационного воздействия (КЭВ).
Каждое из этих звеньев системы в свою очередь состоит из отдельных элементов с прямыми и обратными связями. Следовательно, совокупность элементов в реальной эксплуатации представляет собой сложную, находящуюся в движении подсистему.
При эксплуатации двигателя на его топливную экономичность оказывают влияние следующие элементы, составляющие подсистемы каждого из звеньев.
7*
171
Звено ДВС: 1 — рабочий цикл; 2 — преобразователь индикаторной работы в эффективную (поршневая группа и кривошипно-шатунный механизм); 3 — техническое состояние двигателей.
Звено ТСМ: 1 — теплота сгорания топлива; 2 — детонационная стойкость, склонность к самовоспламенению (ОЧ, ЦЧ); 3 — фракционный состав; 4 — вязкостно-температурные свойства ТСМ.
Звено КЭВ: 1 — научно обоснованная система нормирования расхода ТСМ; 2 — уровень и эффективность контроля за расходованием топливно-энергетических ресурсов; 3 — организация перевозок грузов и пассажиров; 4 — техническое состояние транспортных средств; 5 — квалификация и дисциплина технического персонала, занятого в сфере эксплуатации транспортных средств.
Для обеспечения экономии топлива необходимо осуществить ряд организационно-технических мероприятий. По первому звену: двигатель должен соответствовать современному, а лучше перспективному техническому уровню. Различными конструктивными и технологическими мерами его топливная экономичность по ездовому циклу должна быть доведена до уровня лучших мировых образцов. Если применить наиболее эффективные средства повышения топливной экономичности, например, двигателей с искровым зажиганием (комплексную адаптивную микропроцессорную систему управления силовым агрегатом, расслоение заряда, интенсификацию его вихре-образования и ряд других), то можно ожидать улучшения топливной экономичности по ездовому циклу до 15 %.
По второму звену системы: для эксплуатации транспортного средства, имеющего адаптивную систему угла опережения зажигания по критерию детонации, как показывают опытные данные, при неизменной степени сжатия октановое число бензина может быть понижено на 5—7 единиц. Например, бензин АИ-93, рекомендуемый для данного двигателя без адаптивной системы, может быть заменен бензином А-76 (имеющим меньшую стоимость).
Следует полагать, что для нового двигателя будут применены высокоиндексные моторные масла с антифрикционными присадками. Использование таких масел позволит не только уменьшить расход топлива в период пуска и прогрева (сократив их продолжительность и понизив гидродинамические потери), но и увеличить механический КПД (путем уменьшения коэффициента трения). Эти мероприятия позволят сократить расход топлива на 5—10 %.
По третьему звену: комплекс КЭВ на различных этапах действий его элементов положительно воздействует на эксплуатационно-топливную экономичность транспортного средства в целом.
В реальных условиях все элементы этих звеньев не всегда могут дать положительный эффект, но несомненно, что их положительное или отрицательное влияние в той или иной мере проявится.
Г Л А В A 10
ТОКСИЧНОСТЬ ТОПЛИВ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Токсичность топлив и смазочных материалов общеизвестна. Углеводороды, оксиды углерода и азота представляют собой те соединения, которые являются основной причиной вредного воздействия на биосферу при работе двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, несовершенство методов добьпи и транспортировки нефти, а также технологических процессов ес переработки приводит не только к большим потерям энергетического потенциала этого исключительно ценного сырья, но и к загрязнению атмосферы планеты, ее суши, рек, морей и океанов.
В настоящее время проблема загрязнения среды обитания обострилась до такой степени, что приобрела глобальное значение.
В нашей стране в 1974 г. был принят закон об охране природы и окружающей среды. Особая важность этой проблемы и необходимость принятия неотложных мер по ее решению нашли отражение в Конституции СССР.
Практическая реализация записанных в Конституции СССР положений нашла отражение в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1931—1985 годы и на период до 1990 года», утвержденных XXVI съездом КПСС.
В ряде стран появились различные нормативы и директивные документы, строго ограничивающие выброс токсичных веществ в окружающую среду.
Особенно губительно действуют нефть и нефтепродукты на животный и растительный мир морей и океанов. Исследователи гидросферы планеты считают, что присутствие различных нефтепродуктов в водах рек, морей и океанов уменьшило в них холичество живых организмов за последние 20 лет примерно на 40 %.
Все топлива и смазочные материалы относятся к токсичным веществам, но их токсичность различна.
К бензинам, как к самому распространегному виду топлива для двигателей внутреннего сгорания, давно все привыкли, но их вредное воздействие на живую природу, и в частности на человека, очень велико. При вдыхании паров бензила возникают головные боли, тошнота, а при высоком содержании паров в воздухе (более 50 мг/л) человек теряет сознание, наступает глубокий обморок, и если не принять немедленных мер, то и смерть от паралича дыхательных центров. Поэтому в помещениях, где возможно испарение больших количеств бензина (склады нефтебаз, заправочные станции, лаборатории, в которых исследуют топлива, проводят безмоторные и моторные испытания двигателей и их агрегатов), должна быть обеспечена интенсивная приточно-вытяжная вентиляция.
Токсичность бензина высока для всех марок, но она еще больше возрастает при добавлении в него этиловой жидкости, содержащей тетраэтилсвинец. Этот эффективный антидетонатор является одним
173
из сильнейших биологических ядов. Поэтому добавляют этиловую жидкость в бензин и другие топлива только на нефтеперерабатывающих заводах с помощью специальной автоматической аппаратуры* с соблюдением самых строгих мер предосторожности и защиты, под контролем специально подготовленного персонала. Этилирование бензинов в условиях его применения категорически запрещено, и любые нарушения этого порядка уголовно наказуемы.
Несмотря на то, что количество добавляемой в бензин этиловой жидкости строго ограничено действующими стандартами и не должно превышать 0,5 г на 1 кг топлива (в пересчете на свинец), этилированные бензины являются, так же как и тетраэтилсвинец (ТЭС), сильнодействующими ядами и обращаться с ними следует крайне осторожно.
Этилированные бензины появились более 60-ти лет назад; за время их применения накоплен большой и полезный опыт, который позволяет до минимума уменьшить опасность отравлений. И тем не менее, каждый, кто имеет дело с этилированным бензином, должен в совершенстве знать все правила обращения с этим бензином.
ТЭС — сильнодействующий яд. Все действия, связанные с ТЭС* для персонала любого уровня, не имеющего специального разрешения, строго запрещены.
Этиловая жидкость, так же как и ТЭС, является сильнейшим ядом, и обращение с ней строго запрещается персоналу любого уровня.
Только люди, прошедшие специальную подготовку, имеющие официальное разрешение, одетые в специальные защитные костюмы, в противогазах, резиновых сапогах и резиновых перчатках, при наличии охраняемых помещений, в которых приняты все необходимые меры предосторожности и защиты, могут быть допущены к обращению с ТЭС и этиловой жидкостью. После окончания работы с этиловой жидкостью или ТЭС сотрудники должны пройти дегазацию, костюмы и инструмент передать на хранение, принять горячий душ, затем надеть обычную одежду и только после этого вступить в общение с остальными сотрудниками.
ТЭС способен даже при малых концентрациях, таких, как в этилированных бензинах, постепенно накапливаться (аккумулироваться) в организме, вызывая очень тяжелые последствия.
Автомобильный этилированный бензин можно применять только по его прямому назначению для заправки автомобильных баков, т. е. в качестве топлива для двигателя. Строго запрещается использовать этилированный бензин для зажигалок, паяльных ламп, отопительных приборов, в качестве растворителей лаков и красок, для мытья рук и деталей, для стирки спецодежды и чистки инструмента, сведения пятен с одежды и других предметов.
Особую осторожность следует соблюдать при чистке отложений нагара с поршней, клапанов, головок цилиндров и других деталей двигателя и топливной аппаратуры, если двигатель хотя бы несколько часов работал на этилированном бензине.
Опыт показывает, что нагар и отложения могут содержать 50 % и более опаснейших соединений свинца, и их попадание с мельчай-174
шей пылью в организм вызывает быстрое я глубокое отравление. Нагар с деталей двигателя, работавшего на этилированном бензине, разрешается счищать только после его смачивания дизельным топливом или маловязким маслом (не бензином или растворителями). Эти работы можно производить только в резиновых перчатках, респираторе, спецодежде и головном уборе, в непосредственной близости от зонта вытяжной вентиляции.
Перед ремонтом все детали, соприкасавшиеся с этилированным бензином, следует тщательно промыть дизельным топливом. Необходимо иметь в виду, что соединения свинца попадают и в картерное масло, и в низкотемпературные отложения (шлам), и в отложения масляных фильтров и центрифуг. Поэтому при замене масла, фильтрующих элементов или очистке роторов центрифуг тоже необходимо соблюдать меры предосторожности.
Этилированный бензин нельзя переливать из канистры в бак через шланг, подсасывая его ртом для образования сифонной струи. При крайней необходимости можно применять специальный шланг с резиновой грушей и двумя клапанами.
При случайном попадании этилированного бензина на кожу нужно это место промыть дизельным топливом, насухо вытереть и вымыть горячей водой с мылом. Следует тщательно охранять от попадания этилированного бензина пищевые продукты. В жирах, хлебе, мясе соединения свинца легко накапливаются, и, поскольку они не имеют запаха и неприятного вкуса, аогут вместе с пищей попасть в организм и вызвать тяжелое отравление. При попадании на кожу он не вызывает воспалений или других отрицательных проявлений. При попадании в организм соединений свинца признаки отравления проявляются медленно (через несколько часов), а при малых дозах даже через несколько дней. При острых отравлениях пострадавший испытывает головную боль, слабость, потливость, понижается температура, редкий пульс, часто наступают серьезные психические расстройства, галлюцинации, плохой сон, суетливость, возникает чувство страха, которые резко ухудшают общее состояние.
При отравлениях тетраэтилсвинцом в основном нарушаются функции центральной нервной системы, включая головной мозг. Поэтому последствия отравления бывают очень длительными и тяжелыми, как правило, необратимыми. Хровические слабые отравления опасны тем, что при этом отсутствуют четкие симптомы: ощущается ухудшение сна, слабость, быстрая утомляемость* вялое реагирование на окружающие события.
При соблюдении мер предосторожности и правил обращения с этилированными бензинами отравлений обычно не происходит. Надо иметь в виду, что соединения свинца вместе с отработавшими газами выбрасываются в атмосферу. Именно поэтому в крупных городах и населенных пунктах, а также в курортной зоне применение этилированных бензинов запрещено. Для таких городов все марки бензина, включая высокооктановые АИ-93 и АИ-98, выпускаются в неэтилированном варианте (их детонационная стойкость обеспе
175
чивается добавлением высокооктановых компонентов). Бензин «Экстра» выпускают без этилирования.
Рассмотрев особо сильную токсичность этилированных бензинов, следует отметить, что и неэтилированные бензины, особенно содержащие ароматические компоненты, обладают достаточно высоким уровнем токсичности и требуют осторожного обращения. Высокая испаряемость бензинов делает особенно опасным вдыхание их паров.
Предельно допустимые концентрации токсичных веществ в воздухе, мг!мА
Бензин ............................................................. 300
Дизельное топливо ................................................. 300
Пары смазочных масел................................................ 300
Бензол ............................................................. 100
Метиловый спирт...................................................... 5
Этиловый спирт ................................................... 1000
Аммиак.............................................................. 20
Ацетон ............................................................. 200
Четыреххлористый углерод............................................ 20
Сероводород......................................................... 20
Серный ангидрид..................................................... 10
Тетраэтилсвинец (ТЭС) ............................................ 0,0005
Необходимо обратить внимание на такие вещества, как бензол, альфа-метилнафталин, метиловый спирт (метанол) и окись углерода (угарный газ), которая является основным горючим компонентом в газогенераторном топливе.
Дизельные топлива благодаря меньшей испаряемости обладают меньшей опасностью, и острые отравления ими относительно редки. Вместе с тем при его попадании в организм человека отравления принимают тяжелый характер.
Моторные масла и пластичные смазочные материалы менее опасны. Осторожно следует обращаться только с отработанными маслами, в которых обычно содержатся топливные фракции и, в случае применения этилированного бензина, соединения свинца.
Современные масла, в которых содержится до 10—15 % различных присадок, значительно токсичнее масел без присадок. В некоторых присадках много токсичных компонентов (соединения фосфора, серы, бария и др.); при неосторожном обращении они могут вызвать серьезные отравления.
Смазочные материалы представляют серьезную опасность при их испарении. Отравления парами масла обычно более серьезны, чем отравления топливом, так как тяжелые углеводороды медленнее выводятся из организма.
Особое место по своей токсичности занимают топлива и смазочные масла ненефтяного происхождения. К топливам такого рода относят спирты (метиловый и этиловый), аммиак, скипидар, генераторный и природный газы. Особо следует рассматривать как опаснейшей яд метанол (метиловый спирт). Даже непродолжительное вдыхание его паров неизбежно приводит сначала к полной и необратимой слепоте, затем к летальному исходу. При попадании метанола 176
в пищевой тракт отравление наступает еще быстрее и имеет более тяжелый характер и, как правило, летальный исход.
Очень опасен аммиак, особенно при попадаши его паров в легкие. Начинаются тяжелые воспалительные прощссы, которые осложняются отеком легких и приводят к летальном? исходу. Опасно попадание аммиака в глаза.
Необходимо помнить, что однократно выявленная предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе — величина очень нестабильная и отклоняется как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Поэтому в помещениях и в зонах, где могут возникнуть предельные концентрации опасных для здоровья веществ, должны быть обеспечены надежная вентиляция с нормальной кратностью обмена воздуха, специальные индикаторы опасных концентраций токсичных веществ, а также индивидуальные защитные средства и средства оказания первой помощи.
Особенно высокой токсичностью обладает этиленгликоль, который является составным компонентом антифризов. Этиленгликоль при попадании в желудочно-кишечный тракт вызывает тяжелейшие отравления; высокая ядовитость свойственна и антифризам.
Несмотря на высокий уровень токсичности топлив и смазочных материалов, проблема снижения их вредного 1лияния на организм человека все же является локальной; ее решение зависит от уровня технической культуры и комплекса мер по технике безопасности, которые применяет круг людей, непосредственно соприкасающихся с этими продуктами.
Опасность вредного воздействия токсичных компонентов отработавших газов на среду обитания усиливается счень сложным и разнообразным составом выбросов двигателей внутреннего сгорания. В них обнаружено около 1200 различных соединений, из которых известно только 200, так как углеводороды тотлива и масла в процессе сгорания претерпевают сложнейшие окислительно-деструк-ционные преобразования.
За последние годы проведена огромная работа по снижению выбросов токсичных компонентов отработавших газов. В табл. 41 приведены выбросы вредных веществ различных типов двигателями
Таблица 41
Выброс "оксичнык веществ, г/км
Двигатель СО СП N4X А
Бензиновый 14,40 1,37 2,5
Дизель 3,12 2,13 2,5
Транспортный газотурбинный 1,50 0,14 0,6
Приведенные данные показывают, что тип двигателя оказывает решающее влияние на количество вредных компонентов в отработавших газах, так как по токсичности топлив (бензин и дизельное
177
топливо) все три типа двигателей находились в одинаковом положении.
Картина существенно меняется при использовании нетрадиционных топлив, например, водорода. Основным продуктом сгорания водорода является вода, но поскольку температура горения высока 0=^3200 °C), образуются побочные продукты реакции — оксиды азота NOX и перекись водорода Н2О2, концентрация которых в отработавших газах значительно выше, чем при работе на бензине. Кроме того, в отработавших газах двигателя, работающего на водородном топливе, могут присутствовать в небольших количествах оксиды углерода СО и углеводороды СН, представляющие собой продукты сгорания масла.
Применение спиртов в качестве моторных топлив обеспечивает снижение концентрации всех трех нормируемых токсичных компонентов в отработавших газах двигателя. Спирты обладают пониженной, в сравнении с бензином, температурой горения, что вызывает уменьшение выбросов NOX, кроме того, сгорание спиртов в двигателях с искровым зажиганием происходит более эффективно и полно, обеспечивая уменьшение концентраций СО и СН в отработавших газах. Вместе с тем в отработавших газах двигателя появляется значительное количество альдегидов.
По данным многочисленных испытаний, применение спиртов в двигателях с искровым зажиганием обеспечивает снижение выбросов СО до 50 %, СН — от 10 до 40 %, a NOV до 20—60 %. Несколько иной результат имеет применение спиртов в дизелях из-за различия рабочих процессов, протекающих в этих двигателях. Так, выбросы NOX и СО, а также дымность дизелей понижаются соответственно на 40, 30 и 60 %, но концентрация СН в отработавших газах увеличивается почти в 3 раза.
Таким образом, применение водорода, спиртов и некоторых других нетрадиционных видов топлив влечет за собой уменьшение суммарной токсичности двигателей внутреннего сгорания (по нормируемым компонентам), но не решает полностью проблемы создания нетоксичного двигателя. Эта проблема многозначна, и решение ее должно осуществляться на всех стадиях разработки и создания силовых установок будущего.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
МОТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТОПЛИВ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
Наиболее известными моторными испытанный топлив для двигателей с искровым зажиганием является определение их детогационной стойкости. Разработанные и стандартизованные различные методы квалификЕЦионных испытаний этих топлив на специальных моторных установках позволяют проводить объективную оценку и ряда других показателей качества топльв, определение которых безмоторными методами или затруднительно или невозмскно.
Определение склонности топлив к образованию отложений во впускной системе двигателя. Метод заключается в определении массы отложений, образующихся на сменной пластинке (помещенной внутри впускного трубопровода одноцилиндрового двигателя) за время расхода 1,5 л бензина на постоянном режиме испытаний. Метод количественно характеризует содержание в бензинах тех веществ, которые не испаряются в условиях впускного трубопровода и образуют отложения на его стенках. В качестве двигателя используют одноцилинхровый двигатель установок УИТ-65 или ИТ9-2, предназначенных, как известно, для определения детонационной стойкости. Двигатель дооборудуется специальным впускным патрубком, представляющим гобой вертикальную трубу с наружным э;ектрообогревом и позволяющим обеспечить постоянный нагрев стенки трубы во вэемя испытаний до заданной температуры. Температуру стенки трубы и топливо-воздушной смеси контролируют с помощью термопар.
Во впускной патрубок при проведении испытания устанавливают специальную сменную пластину из листового алюминия толщиной 0,' мм и размером 445Х 105 мм.
Режим работы установки при оценке склонности бензинов к образованию отложений во опускной системе
Частота вращения коленчатого вала, об/мин 900
Степень сжатия о
Расход бензина, кг/ч , , , ................................................. 1,2
Угол опережения зажигания, ° до МВТ , . . .................................. 26
Температура, °C:
стенки впускного патрубка 130
воздуха перед карбюратором 52
охлаждающей воды а.,,. , 100
топливо-воздушной смеси ..................................................60
Продолжительность испытания (навеска 1,5 кг беюина) составляет 75 ± 5 мин. После испытания сменную пластинку из патрубка извлекают, охлаждают и взвешивают. Увеличение массы пластины за время испытаний и есть количество смолистых отложений.
Склонность бензина к образованию отложений во впускной системе двигателя оценивается среднеарифметическим значением массы отложений, полученных на пластинах за два параллельных определения. Результаты двук определений массы отложений при испытании одной и той же пробы беьзина не должны отличаться более чем на 10 % от среднеарифметического значение массы отложений.
Определение антиобледенительных свойств бензинов. Лабораторный моторный метод оценки антиобледенительных свойств бензинов и присадок, разработанный ВНИИНП, как и предыдущий метод, предусматривает использование серийной одноцилиндровой установки УИТ-65 (или ИТ9-2), в д1игатель которой между кар
179
бюратором и впускным трубопроводом вставлена специальная перегородка с отверстиями или тканая сетка с квадратными ячейками размеоом 0,4 мм из нержавеющей проволоки диаметром 0,15 мм.
Метод заключается в определении времени работы двигателя до обледенения перегородки в условиях, благоприятных для обледенения карбюратора. О степени обледенения перегородки судят по увеличению разрежения во впускном трубопроводе после перегородки или уменьшению разрежения до перегородки.
Режим работы двигателя при проведении оценки антиобледенительных свойств бензина
Частота вращения коленчатого вала, об/мин , ....................... . . , 900
Степень сжатия «........................................................., 5
Расход топлива, л/ч .......................................................... 2,3
Температура, СС: воздуха перед карбюратором................................................ 6
охлаждающей воды на выходе......................................... >60
Перед испытаниями установку переоборудуют: теплоизолируют воздухопровод от колонки со льдом до карбюратора, снимают подогреватели воздуха и топливо-воздушной смеси, заменяют замкнутую термосифонную систему охлаждения двигателя на прямоточную из системы водоснабжения.
Для проверки установки, сравнения результатов, получаемых на различных установках, и разработки количественной оценки антиобледенительных свойств предусмотрено использование базового топлива, состоящего из 80 % нормального пентана (н-пентана) и 20 % толуола. Кроме того, готовят эталонные топлива путем введения в базовое топливо различного количества изопропилового спирта.
Антиобледенительные свойства испытуемого бензина оценивают по скорости обледенения перегородки при постоянном расходе топлива. За скорость обледенения перегородки принимают отношение изменения давления во впускном трубопроводе ко времени, за которое произошло это изменение. Одновременно определяют скорость обледенения перегородки на эталонных топливах (базовое топливо, содержащее изопропиловый спирт). При этом подбирают две смеси эталонных топлив, которые различаются содержанием изопропилового спирта не более, чем на 0,5 % и, одна из которых обладает более высокой, а другая более низкой скоростью обледенения, чем испытуемый бензин.
Антиобледенительные свойства бензинов и антиобледенительная эффективность присадок выражаются изопропиловым эквивалентом. Изопропиловый эквивалент показывает процентное содержание изопропилового спирта в базовом топливе, эквивалентном по скорости обледенения испытуемому топливу. Сходимость результатов повторных определений антиобледенительных свойств одной пробы бензина или присадки находится в пределах ±0,37 изопропилового эквивалента при доверительной вероятности 0,95.
Определение моющих свойств бензинов. Моющие свойства бензинов и присадок определяют на серийной одноцилиндровой установке УИТ-65 (или ИТ9-2). Для оценки моющих свойств в двигатель между карбюратором и впускным трубопроводом устанавливают металлическую фильтровальную сетку саржевого плетения С-90, на которой и образуются отложения.
Характерной особенностью метода является подача во опускную систему специального загрязнителя. Это позволяет вводить заданное количество загрязнений и дает возможность численно определить моющие свойства бензинов. В качестве загрязнителя используют смесь мазута и битума, которые вводят в двигатель в растворе изооктана в концентрации 0,2 % (по массе) каждый. В качестве базового топлива используют технический эталонный изооктан, который обладает плохими моющими свойствами.
Режим работы двигателя установки при определении моющих свойств бензина
Частота вращения коленчатого вала, об/мин , , . . ............ 900
Степень сжатия............................................................ 6
Начальный расход базового топлива, л/ч ................................... 2,0
Угол опережения зажигания, ° до МВТ , . .................................. 22
Температура воздуха перед карбюратором, °C . ............................. 70
Оценка моющих свойств бензинов проводится по времени, за которое испытуемый образец смывает с сетки отложения, образующиеся на ней при работе на базовом топливе с подачей загрязнителя.
180
Испытание начинается с того, что на сетке песле карбюратора накапливают отложения. Двигатель при этом работает на изоокгане, и отдельно во впускную систему подают раствор загрязнителя. Двигатель работает на заданном режиме до образования на сетке определенного количества этложеьий, о количестве которых судят по увеличению сопротивления прохождению горючей смеси через сетку. После увеличения сопротивления на сетке на 20 ^Па, которое происходит при-хмерно через 90 мин работы двигателя, переходят к испьганию моющих свойств бензина. Прекращают подачу базового топлива и |аствора загрязнителя и двигатель переводят на испытуемый бензин. Работа двиггтеля продолжается до тех пор, пока разрежение во впускном трубопроводе не достигнет значения, которое было в начале испытания, т. е. до полного удаления отлоаений с сетки. Моющие свойства бензина оценивают временем, необходимым для пенного удаления с сетки накопленных отложений.
Определение распределения детонационной стоимости по фракциям автомобильных бензинов. Метод оценивает распределение детонационной стойкости по фракциям автомобильных бензинов с учетом особенностей 1роцессй их испарения во впускном трубопроводе карбюраторного двигателя на переменных режимах работы. Бензин предварительно разгоняют в лабораторных условиях из колбы объемом 1 л с отводом без дефлегматора на легкую фракцию, выкипающую при температуре до 100 °C, и тяжелую, выкипающую при температуре выше 100 °C. Для полученных фракций определяют ОЧ по исследовательском] методу. В качестве оценочного показателя установлен коэффициент распределения детонационной стойкости, вычисляемый как частное от деления ОЧ легкой фракции на ОЧ тяжелой фракции с точностью до 0,01. Чем ближе значение коэффишеита распределения к единице, тем равномернее распределение детонационной стойкости то фракциям бензинов.
Определение склонности автомобильных бензиюв к нагарообразованию. Для количественной оценки нагарообразовапия в камеэу сгорания одноцилиндрового двигателя монтируют специальный сменный пробоотборник, названный нагарником. Нагарник представляет собой часть поверхности камеры сгорания площадью около 15 см2: изготовлен из алюминиевого сплава той же 1арки, что и головка цилиндров двигателя. Применение сменного нагарника позволяет определить массу отлагающегося нагара по результатам взвешивания нагаршка до и после испытаний.
Режим испытаний
Частота вращения коленчатого вала, об/мин............................ .
Крутящий момент, Н*м........................................... . . .
Степень сжатия......................................................4 , ,
Расход топлива, кг/ч ................................... . . ,
Температура масла в картере? °C ................., ................. , .
Продолжительность испытаний, ч ..........................................
1600
3,4
7,5 0,6
80
1,0
Для контроля за состоянием двигателя применяют эталонное топливо: смесь 20 % толуола и 80 % изооктана,
ПРИЛОЖЕНИЕ II
НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА БЕНЗИНА НА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
Первый сектор — температура выкипания 10 % объема топлива; второй — температура выкипания 50 % объема топлива, третий — температура выкипания 90 % объема топлива. На номограмме цифрами обозначены следующие зоны:
1 — возможного образования паровоздушных пробок;
2 — легкого пуска холодного двигателя;
3 — затрудненного пуска холодного двигателя;
4 — невозможного пуска холодного двигателя;
5 — быстрого прогрева и хорошей приемистости двигателя;
6 — медленного прогрева и плохой приемистости двигателя;
7 — незначительного разжижения масла в картере;
8 — заметного разжижения масла в картере и повышенного износа цилиндров;
9 — интенсивного разжижения масла в картере и износа цилиндров.
Температура окружающего воздуха обозначена на рис. /в.
ПРИЛОЖЕНИЕ III
НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДЕКСА ВЯЗКОСТИ МАСЛА
*^so, мн*/с 2000
1800
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
360
200
180
160
150
140
130
120
110
100
20 21 22 23 24 25262728 30 32 34 36 38 40 45
2000 1800
1600
1500 1400
1300 1200
1100
1000
900
800
700
600
5ОР
400
300
180
160 150 140 150
120 110 100
Для определения индекса вязкости масла необходимо знать его кинематическую вязкость при температурах 50 и 100 °C. Отложив на соответствующих осях номограммы значения вязкостей и восстановив и. этих точек перпендикуляры, в точке пересечения перпендикуляров находят линию, соответствующую искомому индексу вязкости,
ПРИЛОЖЕНИЕ IV
НОМОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ СМЕСЕЙ ДВУХ МАСЕЛ, ВЯЗКОСТЬ И ОБЪЕМНОЕ СООТНОШЕНИЕ КОТОРЫХ ИЗВЕСТНЫ, И НЕОБХОДИМОГО СООТНОШЕНИЯ ДВУХ ОБЪЕМОВ МАСЕЛ, ВЯЗКОСТЬ КОТОРЫХ ИЗВЕСТНА, ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСИ ЗАДАННОЙ ВЯЗКОСТИ
Для определения вязкости смеси двух масел, если объемное соотношение и вязкость каждого из них известны, на левой оси ординат откладывают вязкость одного масла, на правой — другого. Точки соединяют прямой линией. Из точки на оси абсцисс, соответствующей соотношению смешиваемых масел, восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линией, соединяющей точки значений вязкостей. Из точки пересечения проводят горизонтальную линию в сторону оси, на которой отложено большее значение вязкости. Пересечение горизонтальной линии с линией, на которой отложена большая вязкость, будет соответствовать искомой вязкости смеси.
Для определения объемного соотношения двух масел заданной вязкости, при котором получается смесь требуемой вязкости, следует через точку значения вязкости смеси на оси ординат провести горизонтальную линию до пересечения с линией, соединяющей вязкости двух смешиваемых масел. Перпендикуляр, опущенный из точки пересечения горизонтальной линии па шкалу соотношений, покажет необходимое соотношение двух смешиваемых масел.
ПРИЛОЖЕНИЕ V
ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАЧЕСТВА Б1НЗИН0В И ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ
При длительном хранении бензина и попадании i него вэды его качество ухудшается. Обычно происходит испарение легких фракций, что ухудшает пусковые свойства. Процессы окисления повышают содержание смол, а обводнение уменьшает количество выносителя в этилированных бензина', увеличивает коррозионную агрессивность, вызывает забивание фильтров льдом.
Если возникли опасения в потере качества бензина, прежде всего необходимо взять его пробу и определить фракционный состав, содержание фактических смол и воды.
При значительных отклонениях показателей качества эензина от требований ГОСТа следует восстановить его качество. Большинство показателей качества таких как, например, октановое число, содержание фактических смол, кислотность, проще всего восстановить путем смешения бензина изме>енного качества с бензином, имеющим определенный «запас» качества по этим показателям.
Для определения количества свежего топлива, которое следует добавить для восстановления бензина, потерявшего первоначал1ные показатели, можно воспользоваться простой зависимостью. Установлено, чю перечисленные выше показатели меняются по закону прямой пропорциональнос'и в зависимости от количеств смешиваемых топлив. Количество массы К топлив (в %) лучшего качества, необходимое для улучшения топлива худшего качества, (предел яется по формуле:
К - (Х3 -K2)/(Ki - К2) 100,
где Ki — значение исправляемого показателя качества лучшего топлива; К2 — значение исправляемого показателя в топливе, качество которого ухудшилось; К3 — значение исправляемого показателя качества, которое желательно иметь после смешения двух топлив.
При желании исправить сразу несколько поюзателей, естественно, следует провести расчеты по всем исправляемым показателем и взять наибольшее значение К, т. е. наибольшее количество лучшего топлива.
Исправлять (повышать) октановое число бензина можно только смешивая его с бензином, обладающим большей детонационной стойкостью. В эксплуатационных условиях восстанавливать октановое число добавлением этгловой жидкости ввиду ее очень высоком токсичности строжайше запрещается. Причем перед добавлением свежего бензина в бензин, долгое время хранившийся в балленах, последний следует профильтровать для удаления продуктов разложения тетраэтилсвинца.
От воды и механических примесей топливо очищается отстаиванием и фильтрацией. Для бензина время отстоя равно 3—4 ч, для дизельных топлив 5—10 сут. После отстаивания топлива необходимо его отфильтровать через тканевые фильтры.
Следует иметь в виду, что восстановление качества топлива связало с большими трудностями, а также неизбежными его потерями. Поэтому правильная организация хранения, транспортирования и заправки топлива — первое и основное условие сохранения его качества.
ПРИЛОЖЕНИЕ VI
МАРКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ (ЗАМЕНИТЕЛЕЙ) ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
Автомобили (марка и тип) СССР НРБ ВНР ГДР П H P CPP СФРЮ ЧССР
ВАЗ моделей: 2101, 2102, 2103, 2106, 21011; М-81\; М-12Г1-, М-68/10Г1 «Диона Суппер» (6W/16D) Mult is Zuper M-SE 15 W/50 MS-244 Selektol Spezial MZOW/40 Super-1 Optima LD SAE 20W/40, M3AD (Matid
«Москвич» моделей: 1500, 2137, 2140, 2734 М-8ГИ, М-12ГИ, М-1 ОГИ «Диона» 10; 6W/8 SD/SAE 10W/30; 20W/40 Selektol SC SAE 20W/30 Optima Super-visk SAE 15 W/50, Optima Supcr-visk SAE 10 W/50 Special), M7AD (Matid Super), M8AD (Mogul Supee), M5AD (Mogul Special)
М24 «Волга», М2401; М2402 М-8Г(; М-12Гь М-бд/ЮГ! То же To же MV-232 Selektol Spezial SD SAE To же To же To же
«Запорожец» моделей: 968; 968А М-8БгУ; М-8П; М-8ГИ; М-1 ОГИ: М-12ГХ «Селена» (10; 6W/8) Multis Zuper M-SE 15 W/50 MV-232 10W/30; 20W/40 »
«Москвич» моделей: 1360; 2136; 2138; 2133; 2733 АС-8; М-8Б1У; M-8Bj «Велана» (10; 6W/8, МДС-40, МДС-60 MV-232 M30 Extra, M20/20W Extra Optima LD SAE 20W/40
co
Автомобили (марка и тип) СССР НРБ
ЗИЛ-130 АС-6; АС-8; АС-10; M-8Bjy M-8Bi; М-бд/ЮВ «Селена» (10, 6W/8) «Диона» 6W/8
ГАЗ-53; ГАЗ-66 То же «Велана> (10; 6W/8)
МАЗ-500; МАЗ-503; КрАЗ-255В1; КрАЗ-256 М-8В2; М-10В2 «Селена» (10; 6W/8)
КамАЗ-5320 и модификации М-8Г2к; М-10Г2к. МО3/ЮВ «Диона» (10; 6W/8)
БелАЗ-548А М-8ГУ, М-10Г» «Диопа» 10
БелАЗ-549Б М-8Дм; М-ЮДм
БелАЗ-549 М-14В2; М-14В2:, «ж
Продолжение п р и л о ж. VI
ВНР ГДР ПНР СРР СФРЮ ЧССР
МДС-40 МДС-60 — — •—
То же — Superol 11WW; 8WW —— — ——
M-SE 20W/20; 33 МД-302 ML-70CT Marino) 211 DS-30 Super-1 —* M6ADV
PS—2—60 Lumarol MS-300 Marinol 211 М-30 Super-2 M-6AD-11
PS—2—G) То же To же — M-6AD-11
— — * —
СООТВЕТСТВИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ
Классификация масел по RS-3993 — 73 СССР НРБ ВНР
сорт группа
9 ТМ2 ’ МТ-8п, ТУ 38 101277—72 — С—80 MSZ1323 9/2—73
34 Для коробок передач л рулевого управления, ГОСТ 4002—53 Толина 140, БДС 9797—72 —
9 ТМЗ ТСп-10 Толина 80, БДС 9797—72 —
18 ТЛИ- 15В ТСп-14 Толина 90, БДС 9797—72 ——
9 ТМ4 ТС3-9гип, ОСТ 38 101158—78 Улита 80 ЕР, БДС 9797—72
18 ТСп- 14гип Улита 90 ЕР, БДС 9797—72 ——
34 Гипоидное Улита 140 ЕР, БДС 9797—72 —
9 ТМ5 ТМ5-12РК, ТУ 38 101844—80 Улита 80 ЕР, БДС 9797—72 Hykomol К 80 (NY-K-80), MSZ 13239/4—73
18 ТАД-17и Улита 90 ЕР, БДС 9797—72 Hykomol К 90 (HY-K-90), MSZ 13239/4—73
34 Улита 140 ЕР, БДС 9797—72 Hykomol К 140 (HY-К-140) MSZ 13239/4—73
188
ПРИЛОЖЕНИЕ VII
ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ
ГДР ПНР 1 CFP 1 ЧССР
Motorenol MD 202 TGL 21 148/07 Superol 8w Zn-7/Mpch/NF-73 H4, PND 32-117-72
Schmierol GL 240, TGL 21 160 —I T 140, Tin 1, STAS 3tf—79 PP 44, CSN 65 6641—70
Schmierol GL 60 TGL 21 160 — —
Schmierol GL 125, TGL 21 160 — — P 19, CSN 65 6640—72 PP 13. CSN 65 6641—70
—— Hipol 10, PN-66/C-96075 T 80 EP-2, STAS 8960—79 PP 80, PND 23—024 и 23—024
Hipol 15, PN-66/C-96075 T 90 EF-2, STAS 9560—79 PP 90, PND 24—024 и 23—024
— Hipol 30, PN-66/C-96075 Г ипоиднэе NID 1446-60 T 80 EP-2, STAS 8^60—79
Schmierol GS 240, TGL 21 160
Schmierol GH 125, TGL 21 160 Hipol 15 F ZN-71/Mpch/NF—73 T 90 EP-2, STAS 8*60—79 PP 90 H, PND 24—024 и 23—024
189
ПРИЛОЖЕНИЕ VIII
ТЕМПЕРАТУРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ (°C) ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НЕКОТОРЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Содержание н поди ом растворе. % по массе
Соединение 10 20 30 40 8с 60 70 80
Спирт:
метиловый —6 —15 —25 —40 —53,5 —60 —
этиловый —4 —10 —22 —31 —37 —45 —55 —60
изопропиловый —3 —5 -8 —9 —10 —10,5 —12 -16
Ацетон —2 —5 —9 —12 —20 —25 -32,5 —45
Метил целлозольв —8 — 12 — 17 —28 —45 —55 —60 —
Этил целлозольв —2 —8 — 14 —21 —30 —40 —55 -60
Диэтилами но-3-ами-попропан о —5 — 10 —21 —26 —37 —50 —60
Диэтилэта иол ам и и —3 —8 — 13 —23 —28 —41 —53 —60
Диэтилоксиэтанола* мин —4 — И —23 —33 —42 —51 —60
Триметилтри мет и* пентриамин —3 —6 — 12 —23 —35 —40 1 —
ПРИЛОЖЕНИЕ IX
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТОПЛИВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПЛОТНОСТИ
Плотность Коэффициент теплового □ асщирения Плотность ло °4 Коэффициент теплового расширения
0,7000—0,7200 0,001255 0,8600—0,8800 0,000782
0,7200—0,7400 0,001183 0,8800—0,9000 0,000734
0,7400—0,7600 0,001118 0,9000—0,9200 0,000688
0,7600—0,7800 0,001054 0,9200—0,9400 0,000645
0,7800—0,8000 0,000995 0,9400—0,9600 0,000604
0,8000—0,8200 0,000937 0,9600—0,9800 0,000564
0,8200—0,8400 0,000882 0,9800—1,0000 0,000526
0,8400—0,8600 0,000831
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев А. Ф., Кувайцей И. Ф. Автотракторные эксплуатационные материалы. М.: Воениздат, 1979. 214 с.
2. Гуреев А. А., Иванова Р. Я.» Щеголев Н. В. Автомобильные эксплуатационные материалы. М.: Транспорт, 1974. 277 с.
3. Гуреев А. А., Камфер Г. М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. М.: Химия, 1982. 264 с.
4. Григорьев М. А., Бунаков Б. М., Долецкий В. А. Качество моторного масла и надежность двигателей. М.: Издательство стандартов, 1981. 232 с.
5. Двигатели внутреннего сгорания. Устройства и работа поршневых и комбинированных двигателсй/Под ред. А. С. Орлина, А. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1980. 288 с.
6. Двигатели внутреннего сгорания. Теория псршневых и комбинированных двигателе й/Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Кругловг. М.: Машиностроение, 1983. 376 с.
7. Итинская Н. И., Кузнецов Н. А. Автотракторные эксплуатационные материалы. М.: Высшая школа, 1978. 232 с.
8. Павлов В. П., Заскалько П. П. Автомобильные эксплуатационные материалы. М.: Транспорт, 1982. 208 с.
9. Папок К. К. Химмотология топлив и смаючных масел. М.: МО СССР, 1980. 192 с.
10. Синицин В. В. Пластичные смазки в СССР. Л4.: Химия, 1979. 272 с.
И. Химия нефти и газа/Пол ред. В. А. Проскурякова, А. Е. Драбкина, Л4 Химия, 1981. 360 с.
12. Чихос X. Системный анализ в трибонике. Л.: Мир, 1982. 352 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Активность коррозионная 41
— полярная 97
Алкадиены 7
Алканы 6
Алкены 7
Алюмосиликаты 16
Альфа-метил нафталин 58
Аммиак 50
Анализ функционально-стоимостной 168
Антидетонаторы 38
Антиокислители 44
Антифризы 162, 163, 165
Арены 7
Ареометр 24
Б
Бензин этилированный 47
Бензины автомобильные (марки) 45, 46
— заменители 47
— зимний вид 45
Бутан 78
В
Вазелин технический 138
Вальтера уравнение 91
Вебера критерий 28
Вискозиметр 25
Водород 81—83
Воспламенение неуправляемее 40
Воспламеняемость топлива 58
Вязкости единица 25
— индекс (ИВ) 93
Вязкость 25
— динамическая 25
— кинематическая 25
— относительная 25
— структурная 142
— удельная 25
Г
Газы сжиженные 77—79
Гидрогенизация 89
192
Гидрозин 50
Гидрокрекинг 16, 17
Гидроочистка 18
Графит 149
Гудрон 87
Д
Давление паров насыщенных 22, 26
Дальтона за кон 28
Деасфальтизация 89
Депарафинизация 18, 89
Детонация 35
Дисульфид вольфрама 150
— молибдена 150
Диффузии коэффициент 28, 29
Ж
Жесткость воды 159
— работы дизеля 60
Жидкость низкозамерзающая 162, 163, 165
— охлаждающая 152
----вода 157—162
— пусковая 75, 76
— этиловая 38, 39. См. также Антидетонатор
3
Загустители смазок мыльные 138
----немыльные 138
Заменители дизельного топлива 73
Зольность топлива 65
И
Износ двигателя, причины 33, 49
Изомеры 6, 7
Испаряемость 30
— динамическая 31
К
Кислотное число. См. Число кислотное
Кислотность топлив 42, 43
Кислоты водорастворимые 41 * 42 органические 42 — нафтеновые 42
Классификация топлив. См. Топливо, классификация
Коксуемость 65
Колонна ректификационная 13, 14
Консталины 146
Коррозия ванадиевая 73
Коэффициент вязкости температурный 93
— молекулярного изменения 83
— трения. См. Трение, коэффициент
Крекинг каталитический 16
— термический 15
— алканов 15
— алкенов 15
— цикланов 15
Л
Литол 147, 148
М
Мазут 86, 87
Масла 84, 86—106, 111 — 123
— базовые 87, 88
— дистиллятные 87
— остаточные 87
—, классификация 83
—, маркировка 111 —114
— моторные 84
— гипоидные 134
«—долгоработающие ИЗ
— загущенные 96, 112
— обкаточные 114
—, охлаждающий материал 156
— промывочные 115
— смазывающий материал 156
—, регенерация 123
— синтетические 124—126
— диалкилбензольные 126
— полиэфирные 125
— силиконовые 124
— фосфорорганические 125
Маслянистость 97, 130
Материалы са моема зывающиеся 151, 152
Метанол. См. Спирт метиловый Метод определения ОЧ исследовательский 37
-------моторный 36
----моющих свойств масел ПЗВ 106, 107
----потери массы ПЗЗ 105
— Пинкневича 104
Н
Нагар 41 65, 101
Накипь 159, 160
Нефтеденсиметр 24
Нитрид Бора 151
О
Оксид азота 49
— углерода 19, 80
Отл ожен и я 102—104
— лаюобразные 102
— низкотемпературные 103
Оценка качества масел моторная 115— 117
Очистга масла 88, 89
— топлив 18
— щелочная 18
П
Перегонка нефти прямая 12
Переработка нефти первичная 13
Печь трубчатая 13
Платформинг. См. Риформинг каталитический
Плотность топлива 24
Поверхностное натяжение топлива 27
Пол и изобутилен НО
Поликеризация окислительная 121
Пол и метакрилат НО
Потенциал моющий 107
— энергетический 10
Присадки ан~идетонационные 38, 39
— ангикоррозионные 66
— ан?иокислительные 66, 108
— а н₽и пенные 108
— биоцидные 66
— вязкостные 108, НО
— депрессорные 55, 66, 68, 108
— комплексные 109
— многофункциональные 66
— моощие 108
— повышающие ЦЧ 66
— пр пи воды иные 66, 67
— пр пивоза дир ные 108
— противоизносные 108
— противокоррозионные 108
—, срабатывание 108
—, характеристика 109, НО, 132, 133
Пробки пароьоздушные 21, 22
Р
Регенерация масла. См. Масла, регенерация
Риформинг каталитический 17
С
Самовоспламенение топлива 57
----задержка 58
Свойства пусковые 61
Сгорание нормальное 21
Сера активная 43
Синтез топлива 19
J93
Скорость нарастания давления 60
— сгорания топлива 33
Смазочные материалы пластичные 135—148 -----антифрикционные 145 -----бензиноупорные 147 -----жировые 138 -----, маркировка и ассортимент 144— 148 -----многоцелевые 146, 147 ----- низкоплавкие 140 -----специализированные 147 ----- среднеплавкие 140, 145 -----кальциевые. См. Солидолы ----- тугоплавки 146 -----натриевые. См. Консталины -----уплотнительные 147 Смазочные материалы твердые 149— 151 Смесь эвтектическа я 163 Совпадение вспышек 59 Солидолы 140, 145, 148 — жировые 146 Состав нефти групповой химический 5, 6 -----фракционный 5 -----элементный 5, 7 Спирт метиловый 49, 156 — этиловый 47—49, 156 Стабильность коллоидная 143 — химическая 44 Стойкость детонационная 35, 83
Т
Температура застывания 23, 55
— каплепадения 139
— конца кипения 33
— начала кристаллизации 23
— начала перегонки 32, 33
— помутнения 22, 55
Теплота сгорания 10, 11
Тетраэтилсвинец (ТЭС) 38
Токсичность антифризов 166
— отработавших газов 49, 52
— различных веществ 176
— спиртов 176
— тетраэтилсвинца 174
Топливо бинарное 50
— высококалорийное 9
— газообразное 9, 75—83
-----дизельное (марки) 69, 71
— жидкое 9
— классификация 9, 10
— низкокалорийное 9
— охлаждающая способность 155
— реактивное 72
— среднекалорийное 9
— твердое 9
— фильтрация 54, 89
Трение без смазочных материалов 84
— граничное 85
— жидкостное 85
— коэффициент 86
У
Углеводороды ароматические 7
Установка атмосферно-вакуумная 14 — для определения ОЧ 35, 36 -------ЦЧ 58
Ф
Фракции 13
Фракционный состав широкий 68, 69, 72
X
Характеристика вязкостно-температурная 25, 54
Химмотология 8
ц
Цикланы 6
Ч
Число кислотное 42
— октановое 35
— цетановое 58, 59
Ш
Шлам 103, 104
Щ
Щелочи водорастворимые 41, 42
Э
Этанол. См. Спирт этиловый
Этиленгликоль 163, 166
Эфир ди метиловый 48
— диэтиловый 75
Предисловие ........................................................... 3
Введение................................................................ 4
Глава 1. Топливо для двигателей внутреннего сгоания..................... 9
§ 1. Общие сведения ....................................... 9
§ 2. Основные способы получения то in и в.................. 12
Глава 2. Топливо для двигателей с искровым зажиганием ................. 20
§ 3. Основные показатели качества.......................... 20
§ 4. Автомобильные бензины.................................. 45
Глава 3. Дизельные топлива и топлива для ТГТД.......................... 51
§ 5. Требования к дизельным топливам....................... 51
§ 6. Основные свойства..................................... 53
§ 7. Присадки, улучшающие показатели дизельных топлив . . 66
§ 8. Виды дизельного топлива............................... 68
Глава 4. Газообразные топлива......................................... 75
§ 9, Применение газообразных топлив для двигателей внутреннего сгорания........................................ 75
§ 10. Горючие газы....................................... 78
§ 11. Водород как топливо для двигателей внутреннего сгорания ................................................... 81
Глава Смазочные материалы для двигателей внутреннего сгорания ... 83
§ 12. Общие сведения....................................... 83
§ 13. Основные показатели качества ........................ 89
§ 14. Товарные марки моторных масел............... Ill
§15. Изменение свойств моторных мас<л в процессе работы . . 118
§ 16. Смазочные материалы на базе сттетических соединений 124
Глава О. Трансмиссионные масла...................................... 121
§ 17. Условия работы и эксплуатационно-технические требования .................................................... 127
§ 18. Свойства масел ..................................... 129
§ 19. Присадки и механизм их действия..................... 132
§ 20. Маркировка и ассортимент............................ 133
Глава 7. Пластичные» твердые и самосмазывающнсся материалы.......... 135
§ 21. Пластичные смазочные материалы...................... 135
§ 22. Твердые и самосмазывающиеся материалы............... 148
195
Глава 8. Охлаждающие жидкости........... ....................... 152
$ 23. Назначение, виды и основные требования............. 152
§ 24. Вода как охлаждающая жидкость ..................... 158
§ 26. Жидкости, не замерзающие при низкой температуре. . . 162
Г лава 9. Экономическая эффективность применения топлив и смазочных материалов.................................................... 167
§ 26. Общие принципы оценки.............................. 167
§ 27. Системный подход к рациональному использованию топлив и смазочных материалов............................... 171
Глава 10. Токсичность топлив и смазочных материалов................. 173
Приложения ..................................................... 179
Список литературы.................................................. 191
Предметный указатель .............................................. 192
Георгий Павлович Покровки и
ТОПЛИВО, СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ
Редактор £. П. Корсун
Художественный редактор С. С. Водчиц. Технический редактор Н. Н> Скипникова Корректор Т. В. Багдасарян.
ИБ № 3777
Сдано в набор 22.06.84. Подписано в печать 23.11.84. Т-20278. Формат 60Х901/1в. Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая.
Усл. печ. л. 12,5. Уел. кр.-огт. 12,75. Ут.-изд. л. 14,52. Тираж 19500 экз. Заказ 460 Цена 55 к
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение».
i07076, Москва, Стромынский пер,. 4
Отпечатано в Ленинградской типографии № 2 головном предприятии ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой «Союзполиграфпэома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 198052 г. Лени н рал, Л-52, Измайловский проспект, 29 с матриц Ленинградской типографии № 6 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграф-прома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
НОВАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЮ
Выпуск 1985 года
Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/С. И. Ефимов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Ор л и на, М. Г. Круглова. — 3-е изд., перераб. и доп. 40 л., ил. В пер.: 2 р.
Дмитриевский А. В., Шатров Е. В. Топливная экономичность бензиновых двигателей. 15 л., ил. (Экономия топлива и электроэнергии). 80 к.
Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей/ А. М. Кригер, М. Е. Д и с к и н, А. Л. Новен-ников и др. 14 л., ил. 70 к. (По подписке)
Крутов В. И., Горбаневский В. Е., Кислов В. Г. Топливная аппаратура автотракторных двигателей: Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». 15 л., ил. 50 к.
Технико-токсические характеристики транспортных газотурбинных двигателей и энергоустановок/ В. А. Лотаре в, В. А. X р и с т и ч, П. М. К а н и л о и д р. 17 л., ил. В пер.: 1 р. 20 к.
Уокер Г. Двигатели Стирлинга: Сокр. пер. с англ. 36 л.> ил. В пер.: 2 р. 80 к.
Ч и ж к о в Ю. П., К в а й т С. М., Сметнев Н. Н. Электростартерный пуск автотракторных двигателей. 8 л., ил. 45 к.
По всем вопросам приобретения новых книг, в том числе оформления предварительных заказов, читателям следует обращаться непосредственно в местные магазины, распространяющие техническую литературу, а также в специализированные магазины — опорные пункты издательства ^Машиностроением
Уважаемый чшпателъ!
Линия отрезка
С целью получения информации о качестве наших изданий просим Вас в прилагаемой анкете подчеркнуть позиции, соответствующие Вашей оценке этой книги.
1. Необходимость издания:
значительная незначительная
2. Эффективность книги с точкь зрения практического вклада в отрасль:
высокая
незначительная
3. Эффективность книги с точки зрения теоретического вклада в отрасль:
высокая
незначительная
4. Материал книги соответствует достижениям науки и техники в данной отрасли:
з полной мере
частично
слабо
5. Книга сохранит свою актуальность:
1—2 года
в течение 5 лет
длительное время
6. Название книги отвечает содержанию:
в полной мере
частично
7. Оформление книги:
дорхгшее^
удовлетвор ительное
Фамилия, имя, отчество
Ученое звание ____________________________________
Место работы, должность __________________________
Стаж работы ______________________________________
Дополнительные замечания приложите отдельно.
Благодарим Вас за помощь издательству.
Заполненную анкету вышлите по адресу: 107076, Москва, Стромынский пер., д. 4 Издательство «Машиностроение .
Г, П. Покровский
ТОПЛИВО, СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ