Курс лекции. Курс лекций по дисциплине эксплуатационные материалы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Лекция 5 Альтернативные виды топлив Цели: иметь представление: - о назначении альтернативных топлив, их агрегатном состоянии и способах получения; знать: - преимущества и недостатки сжиженных нефтяных газов, сжатых природных газов, газоконденсатных топлив, спиртов и водородного топлива; марки и применение альтернативных топлив. Газообразные топлива В настоящее время наибольшее распространение получили два вида газообразного топлива: сжиженный нефтяной газ (СНГ) и сжатый природный газ (СПГ). Существует ещё сжиженный природный газ, но он не получил широкого распространения из-за сложности криогеннных установок, необходимых для перевода газа в жидкое состояние. Сжиженные газы Основные компоненты сжиженных газов - это пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 и их смеси. Получают их из газов, выходящих из буровых скважин вместе с нефтью и из газообразных фракций, получаемых при переработке нефти. Оба углеводорода при небольшом давлении (без охлаждения) можно перевести в жидкое состояние. К примеру, при +20 0 С пропан сжижается при 0,716, а бутан - при 0,103 МПа. Сжиженные газы хранят в баллонах, рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. В таких условиях даже чистый пропан находится в жидком виде, что позволяет эксплуатировать автомобили на СНГ круглогодично на всей территории страны, кроме южных районов в летнее время (где t выше 48,5 0 С). Для газобаллонных автомобилей в соответствии с ГОСТ 20448 - 90 выпускают сжиженные газы двух марок: СПБТЗ (смесь пропана и бутана техническая зимняя) и СПБТЛ (смесь пропана и бутана техническая летняя). В состав СНГ добавляют специальные вещества - одоранты, обладающие сильным запахом, так как СНГ обычно не имеют запаха и цвета, и обнаружить их утечку очень трудно. Наиболее распространённый одорант - этилмеркаптан С 2 Н 5 SH, его ощущают уже при концентрации 0,2 г на 1000 м 3 воздуха или газа. Автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и автомобили, работающие на бензине. Сжиженные газы транспортируются в обычных автомобильных или железнодорожных 31 цистернах. Заправка ими автомобилей осуществляется с помощью простых газозаправочных устройств. Автомобили, работающие на СНГ не рекомендуется запускать при температуре ниже -5 0 С. При низких температурах снижается надёжность газового оборудования, запуск двигателя затруднён. Препятствием для дальнейшего расширения применения СНГ в качестве топлива является ограниченность ресурсов сжиженного нефтяного газа и большая ценность его, как сырья для химической промышленности. Более перспективен в этом плане сжатый природный газ. Следует учитывать огромные запасы этого газа, его дешевизну и высокий уровень развития газовой промышленности. Сжатые газы Основные компоненты сжатых газов - метан СН 4 , окись углерода СО и водород Н 2 - получают преимущественно из природных газов (возможно получение из попутных, нефтяных, коксовых и других газов). При высокой температуре, даже при высоком давлении эти газы не могут быть сжижены: для этого необходимы низкие температуры. Для сжатого газа применяют газобаллонные установки, рассчитанные на работу при высоком давлении - 20 МПа. Для заправки автомобилей применяют две марки сжатого природного газа (СПГ) - А (95 % СН 4 по объёму) и Б (90 % СН 4 по объёму). На автомобиле СПГ храниться в толстостенных стальных баллонах ёмкостью по 50 литров. Батарея таких баллонов имеет достаточно большой вес (около 500 кг), в результате чего снижается грузоподъёмность автомобиля. Это же обстоятельство является основным препятствием использования СПГ на легковых автомобилях. Дальность ездки на одной заправке газом значительно меньше по сравнению с заправкой бензином и не превышает 200 - 250 км. Более перспективной считают криогенную технологию хранения СПГ на автомобиле. Это направление является этапным на пути создания водородных двигателей СПГ воспламеняется при температуре 630 - 645 0 С, что в три раза выше температуры воспламенения бензина. Это затрудняет запуск двигателя собенно при низких температурах. Водород В настоящее время всё более широко ведутся работы по применению в качестве топлива водорода, а также его смесей с бензином. Характерные особенности водорода заключаются в следующем: 32 водород самый лёгкий элемент, даже в жидком состоянии он в 14 раз легче воды; в единице массы водород содержит в 3 раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Однако, чтобы его разместить, необходимы довольно большие объёмы; водород обладает способностью моментально смешиваться с другими газами и, в частности, с воздухом атмосферы; водород горит в газообразном состоянии с образованием паров воды. Для сжигания 1 кг водорода необходимо в 2 раза больше воздуха, чем для сжигания бензина; отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине. Использование водорода в чистом виде требует значительного усложнения конструкции системы питания и двигателя в целом. Но использование водорода в качестве добавки к бензовоздушной смеси не требует таких изменений. Эксплуатация автомобилей на бензоводородных смесях в условиях интенсивного городского движения позволяет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом снизить загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отработавших газов. Так, например, если расход бензина составлял 12,2 кг/100 км, то в данном случае он снизится до 5,5, а расход водорода составит всего 1,8 кг. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, окислов азота - в 5 раз, углеводородов - на 30 %. Следует иметь в виду, что по стоимости водородное топливо не выше других синтетических топлив. Основными факторами, сдерживающими широкое применение водородного топлива являются сложности, связанные с его хранением и распределением. Производство водородного топлива также связано с определёнными сложностями. Преимущества и недостатки применения газовых топлив Преимущества: - снижается токсичность отработавших газов; увеличивается срок службы масла (в 2 - 2,5 раза); более мягкая работа двигателя (октановое число более 100); увеличивается моторесурс и надёжность работы двигателей; снижаются затраты на перевозки (низкая стоимость топлива). Недостатки: ухудшаются пусковые качества двигателей при низких температурах; 33 снижаются мощность и топливная экономичность двигателя (особенно на СПГ); увеличивается трудоёмкость технического обслуживания; увеличивается стоимость автомобиля (особенно на СПГ); повышается пожарная опасность эксплуатации автомобилей (особенно на СНГ). Синтетические спирты Всё большее развитие получают процессы синтеза жидкого искусственного топлива из угля, природного газа, известняка, бытовых отходов, отходов лесного хозяйства, растительных продуктов. Из выпускаемых промышленностью синтетических спиртов практический интерес представляет метанол. В качестве сырья для производства метанола перспективны природный газ, нефтяные остатки и более всего угль. Метанол и этанол при использовании их в качестве топлива для автомобильных двигателей характеризуются высоким октановым числом, меньшей по сравнению с бензинами теплотворной способностью, высокой скрытой теплотой испарения, низкой упругостью паров и температурой кипения (отсюда, однако, двойное снижение запаса хода автомобиля и ухудшение пусковых качеств двигателя). В то же время метанол, как автомобильное топливо обусловливает рост мощности и к.п.д. двигателя. При работе на нём обеспечивается снижение теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы, закоксовывания и нагарообразования. К достоинствам применения чистого метанола можно отнести также ощутимое расширение пределов эффективного обеднения топливовоздушной смеси и пределов регулирования, существенное уменьшение токсичности отработавших газов. Рассмотренные достоинства метанола не позволяют тем не менее рекомендовать его к повсеместному применению, так как сохранение технико - эксплуатационных показателей автомобиля в этих условиях влечёт за собой конструктивные изменения топливной аппаратуры, двигателя и в какой - то мере самого автомобиля. Поэтому в настоящее время метанол может быть практически использован в качестве добавки к бензину. Метилтретичнобутиловый эфир Метилтретичнобутиловый эфир (МТБЭ - СН 3 ОС 4 Н 9 ) используется, как добавка к бензину. Его получают путём синтеза 65 % изобутилена и 35 % метанола в присутствии катализаторов. Положительные стороны применения МТБЭ таковы: возможно получение неэтилированных высокооктановых смесей; нет необходимости изменять регулировку топливной аппаратуры; 34 облегчается фракционный состав бензинов, а следовательно, и их пусковые качества. Однако несколько возрастает опасность образования паровых пробок; несколько улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя; снижается токсичность отработавших газов. Возможное использование метилтретичнобутилового эфира справедливо рассматривается сегодня, как одно из перспективных направлений расширения ресурсов высокооктановых неэтилированных бензинов. Газовые конденсаты Газовые конденсаты (жидкие углеводороды, конденсирующиеся при нормальных условиях из природных газов) рассматриваются, как дополнительный источник сырья для получения автомобильного топлива. Уровень физико - химических и эксплуатационных свойств газоконденсатов близок к дизельным топливам. Считают наиболее целесообразным использовать газовые конденсаты в качестве топлива для дизелей на местах их добычи без сложной переработки. Анализ газовых конденсатов рассматриваемых месторождений позволяет разделить их по составу на две группы: тяжёлые газовые конденсаты относительно узкого фракционного состава и лёгкие более широкого фракционного состава. Конденсаты первой группы по основным свойствам незначительно отличаются от стандартных арктических и зимних дизельных топлив, а конденсаты второй группы имеют меньшие значения плотности, вязкости, температур вспышки и застывания, чем стандартные дизельные топлива. Газоконденсатное топливо рекомендуется для эксплуатации дизелей в северных условиях при температуре воздуха минус 45 0 С и выше. Вопросы для самопроверки 1 Перечислите основные виды газообразных топлив. 2 Назовите основные компоненты сжиженных газов. 3 Какие марки сжиженных газов используются в нашей стране, как автомобильное топливо? 4 Как изменяются технические характеристики автомобилей при переводе их на сжиженный газ? 5 Что является препятствием для дальнейшего расширения применения сжиженных газов, на автомобильном транспорте? 6 Назовите основные компоненты сжатых газов, используемых, как автомобильное топливо. 35 7 Какие марки сжатого газа применяются для заправки автомобилей, в чём их различие? 8 Опишите условия хранения сжатого природного газа при использовании его на автотранспорте. 9 Перечислите характерные особенности водорода, как автомобильного топлива? 10 Каковы наиболее перспективные направления использования водорода в качестве автомобильного топлива? 11 Назовите основные преимущества и недостатки применения газовых топлив на автомобильном транспорте. 12 Что является сырьём для производства синтетических спиртов? 13 Какие синтетические спирты являются наиболее перспективными для использования в качестве автомобильного топлива? 14 Назовите основные преимущества и недостатки применения синтетических спиртов в качестве автомобильного топлива. 15 Какие преимущества даёт применение метилтетичнобутилового эфира, в качестве добавки к автомобильным бензинам? 16 Какова область применения газовых конденсатов, как автомобильного топлива? 36 Лекция 6-9. Моторные масла Цели: знать: - назначение масел; условия работы масла в двигателе; причины старения масла в двигателе; вязкостные свойства масел для двигателей, моющие свойства, противокоррозионные свойства масел; классификацию моторных масел по эксплуатационным свойствам, по вязкости; марки моторных масел и их применение Общие понятия о трении и износе Под трением (внешним) понимают сопротивление относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательной к ним. Уменьшение потерь на трение и снижение интенсивности изнашивания поверхностей деталей - основное назначение смазочных материалов. По наличию смазочного материала различают три вида трения: трение без смазки, граничное трение и жидкостное трение. Трение без смазки - это трение двух твёрдых тел при отсутствии на рабочих поверхностях введённого смазочного материала. Граничное трение возникает в том случае, когда рабочие поверхности разделены слоем смазки настолько малой толщины (менее 0,1 мкм), что свойства этого слоя отличаются от объёмных свойств, а сила трения зависит только от природы и состояния трущихся поверхностей. Режим граничного трения очень неустойчив, это предел работоспособности узла трения. Поведение граничных слоёв определяется взаимодействием молекулярных плёнок масла с поверхностью металла. Установлено, что толщина и прочность граничных слоёв зависит от химического состава масла и входящих в него присадок, особенностей, химической структуры и состояния поверхностей трения. При жидкостном трении смазочный слой полностью отделяет взаимоперемещающиеся поверхности и имеет толщину, при которой проявляются нормальные объёмные свойства масла. Сила трения в этом случае определяется лишь внутренним трением слоёв в смазочном материале. Устойчивость смазочного слоя, необходимого для жидкостного трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения, скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей, удельного давления на них, вязкости смазочного материала, площади трущихся поверхностей, величины зазора между ними, температурного состояния узла трения и др. Основные требования к качеству масел Основными типами смазочных масел, применяемых на автотранспорте являются моторные и трансмиссионные масла, предназначенные для смазки, 37 соответственно, двигателей и элементов трансмиссии. Форсирование нагрузочных и скоростных режимов работы автомобилей, уменьшение удельной ёмкости систем смазки приводят к росту температуры основных деталей. Вследствии этого, требования предъявляемые к смазочным маслам постоянно ужесточаются. Основная функция, которую выполняют смазочные масла, - это снижение трения и износа деталей за счёт создания на их поверхностях прочной масляной плёнки. Одновременно масла должны обеспечивать: уплотнение зазоров в сопряжениях, в первую очередь деталей цилиндропоршневой группы; эффективный отвод тепла от трущихся деталей; удаление из зон трения продуктов износа и других посторонних веществ; снижение вибрации и шума шестерен и защита их от ударных нагрузок; надёжную защиту рабочих поверхностей деталей от коррозионного воздействия продуктов окисления масла и сгорания топлива; предотвращение образования всех видов отложений (нагары, лаки, зольные отложения, шламы) на деталях двигателя и элементов трансмиссии при работе на различных режимах; высокую стабильность при окислении, механическом воздействии и обводнении, как в многообразных условиях применения, так и при длительном хранении; малый расход масла при работе двигателя; большой срок службы масла до замены без ущерба для смазываемого узла; минимальное воздействие на резинотехнические уплотнительные материалы, лаки краски и пластмассы. Для выполнения указанных функций масла должны удовлетворять ряду эксплуатационных требований: - обладать оптимальными вязкостными свойствами (оптимальная вязкость в области рабочих температур, пологая вязкостно - температурная характеристика, малая вязкость в области низких температур); иметь хорошую смазывающую способность (высокие противозадирные и противоизносные свойства); обладать достаточной химической стойкостью; обладать устойчивостью к процессам испарения, вспенивания и образования эмульсий, а также к выпадению присадок; надёжно защищать трущиеся поверхности и другие металлические детали от атмосферной коррозии. 38 Свойства смазочных масел Вязкостные свойства Вязкость, это одно из важнейших свойств масла, имеющее многостороннее эксплуатационное значение. От вязкости в значительной мере зависит режим смазки пар трения, отвод тепла от рабочих поверхностей, уплотнение зазоров, величина энергетических потерь, быстрота запуска двигателя и прокачивание масла по системе смазки. С понижением температуры взаимодействие между молекулами усиливается, и вязкость масла увеличивается. Так, например, при изменении температуры от 0 до 100 0 С вязкость может изменяться в 300 раз. Вязкостные свойства масел исходя из этого характеризуются в стандартах величинами вязкости при 100 0 С и 0 0 С (для некоторых масел при 18 0 С) и индексом вязкости. Индекс вязкости - условный показатель, характеризующий степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры и являющийся результатом сопоставления вязкстно - температурных свойств данного масла с двумя эталонными маслами, вязкостно - температурные свойства одного из которых приняты за 100, а второго - за единицу. Масла с повышенной вязкостью требуются для двигателей и механизмов трансмиссии высоконагруженных, низкооборотных или работающих в условиях напряжённого теплового режима. Масла с меньшей вязкостью применяются для легконагруженных высокооборотных двигателей и механизмов трансмиссии. В этом случае легче запуск двигателя, меньше энергетические потери, лучше прокачиваемость масла по системе смазки, отвод тепла от деталей и их очистка от механических примесей. Увеличение вязкости масел с понижением температуры приводит к значительным трудностям при эксплуатации автомобилей, что особенно сказывается в зимнее время при пуске двигателя. Поэтому для облегчения пуска холодного двигателя при отрицательных температурах мотрные масла должны обладать низкой вязкостью в области отрицательных температур, иными словами - хорошими пусковыми свойствами. Для трансмиссионных масел предельно допустимая вязкость определяется величиной вязкости при минимальной рабочей температуре, допускающей свободное троганье автомобилей (без ущерба для зубчатых зацеплений и подшипников). В то же время, при установившемся рабочем режиме вязкость должна быть достаточной для предотвращения износа при больших контактных нагрузках. Для получения масел с хорошими вязкостно - температурными свойствами в качестве базовых используют маловязкие масла ( 100 < 5 мм 2 /с) и добавляют в них вязкостные присадки. Такие масла называют загущенными. 39 Они отличаются необходимым уровнем вязкости при рабочих температурах, пологой кривой изменения вязкости и, следовательно, высоким индексом вязкости (115 - 140 ед.). Принцип действия вязкостных присадок объясняется изменением объёма макромолекул полимера: с понижением температуры он уменьшается (молекулы "свёртываются" в клубки) и вязкость снижается, а при положительных температурах наоборот - клубки макромолекул "разворачиваются" в длинные развёрнутые цепи, присоединяя молекулы базового масла, вязкость возрастает. Широкое применение загущенных масел даёт существенный технико - экономический эффект: облегчается пуск двигателей, сокращается время прогрева, снижаются механические потери на трение, и, как следствие, экономится топливо, увеличиваются долговечность деталей и срок службы масел. К недостаткам загущенных масел относят низкую стабильность загущающих присадок при высоких температурах, что вызывает ухудшение вязкостно - температурных характеристик масел при длительной бессменной работе их в двигателях. Температура при которой масло теряет текучесть, называют температурой застывания. Нижний температурный предел применения масла на 8 - 12 0 С выше температуры застывания. Снижения уровня температуры застывания масел добиваются путём депарафинизации и добавления присадок - депрессаторов в процессе их производства. |