Учебное пособие. Тортбаева Д Уч пособие. Учебное пособие для студентов специальностей 5В071300 Транспорт, транспортная техника и технологии
 Скачать 4.3 Mb.
|
|
Глава 4. Газовое топливо 4.1 Классификация газовых топлив, их достоинства и недостатки В качестве топлива для автомобильных двигателей используются наряду с жидкими фракциями нефти и газообразные продукты (газовые топлива). Газобаллонные автомобили работают на готовом газовом топливе, запас которого возится в баллонах в виде сжиженных или сильно сжатых газов. Газовое топливо легко транспортировать на значительные расстояния по газопроводам, а в сжиженном виде — железнодорожным и другими видами транспорта. Кроме того, многолетний опыт многих автотранспортных предприятий показывает, что газобаллонные автомобили экономически себя полностью оправдывают: себестоимость перевозок при работе на газовом топливе и на бензине практически одинакова. Особо необходимо отметить то, что при работе двигателей на газовом топливе в отработавших газах содержится в 3—4 раза меньше окиси углерода, чем при использовании бензина, что имеет большое значение в борьбе за чистоту воздуха в промышленных центрах. Внедрение газового топлива встречает на своем пути и ряд трудностей. Использование его невозможно без сооружения дорогих газонаполнительных станций и без установки на автомобилях специальной тары для хранения сжиженных или сжатых газов — баллонов в сравнении с топливными баками более тяжелых и дорогих. Сжиженные и сжатые газы применяют в основном не на специальных газовых двигателях, а на универсальных, рассчитанных для работы и на бензинах. Поэтому качество газовых топлив необходимо оценивать по тем же требованиям, которые были сформулированы применительно к бензинам. 4.2 Сжиженные и сжатые газы Основными компонентами современного топлива для двигателей в виде сжиженных газов являются два углеводорода:пропан С3Н8, бутан С4Н10 и их смеси. Эти углеводороды извлекаются из газов, выходящих из буровых скважин вместе с нефтью, и из газообразных фракций, получаемых при различных видах переработки нефтепродуктов. Критическая температура пропана равна + 97° С, а бутана +126° С. Следовательно, при температурах ниже критических оба углеводорода при соответствующих давлениях можно перевести в жидкое состояние. В частности, при +20° С для сжижения пропана и бутана требуются давления, равные соответственно 7,3 кгс/см2 я 1,05 кгс/см2. Для хранения сжиженных газов газобаллонные автомобили имеют баллоны (объемом до 250 л), рассчитанные на рабочее давление 16 кгс/см2. Этого давления достаточно для того, чтобы поддерживать даже чистый пропан в жидком виде при температурах ниже +48,5° С, т. е. при круглогодичной эксплуатации газобаллонных автомобилей на всей территории страны, кроме южных районов в летнее время. Под давлением собственных паров сжиженный газ поступает из баллона в испаритель (рис. 30), где он (при прогретом двигателе) полностью испаряется и через редуктор, снижающий давление получаемых паров до значения, близкого к атмосферному направляется через дозатор и карбюратор-смеситель во впускной трубопровод.  Рис 30. Принципиальная схема системы подачи сжиженного газа 1 — топливный баллон, 2 — магистральный вентиль, 3 — испаритель, 4 — фильтр, 5 — двухступенчатый редуктор, б — дозатор газа, 7 — карбюратор-смеситель, 8 — манометры В связи с тем что испарение топлива заканчивается до поступления его в двигатель, к концу такта сжатия обеспечивается очень тщательное перемешивание паров с воздухом и, следовательно, совершенный процесс сгорания. Так как в камеру сгорания не попадает топливо в жидком виде, то поэтому по сравнению с работой на бензине очень сильно уменьшается нагарообразование и полностью исключается как смывание масла с поверхностей цилиндро-поршневой группы, так и разжижение его в картере. В результате при работе на сжиженных газах износы деталей двигателей значительно снижаются, а срок бессменной работы масла в несколько раз увеличивается. Октановые числа пропана и бутана соответственно равны 100 и 92 и поэтому при переводе карбюраторных двигателей на газовое топливо исключается всякая возможность появления детонации. Больше того, высокая детонационная стойкость сжиженных газов позволяет поднять мощность за счет установки более раннего зажигания и увеличения степени сжатия. Основными компонентами сжатых газов являются метан СН4 окись углерода СО и водород Н2. Их получают из горючих газов различного происхождения — природных, попутных нефтяных, коксовых и т. д. Наивысшую критическую температуру из трех названных компонентов имеет метан. Она равна минус 82° С. Следовательно, сжатые газы невозможно перевести в сжиженное состояние даже при самых низких температурах, с которыми приходится встречаться при эксплуатации автомобилей. Чтобы тара для перевозимого на автомобилях запаса газового топлива была бы не слишком, громоздкой, это газовое топливо хранят под высоким давлением — 200 кгс/см2.  Рис. 31. Принципиальная схема системы подачи сжатого газа 1 — баллоны с газом под высоким давлением; 2 — наполнительный вентиль; 3 — подогреватель газа; 4— выпускной трубопровод (глушитель); 5— манометры; 6 — магистральный вентиль; 7— фильтр, 8— редуктор; 9— дозатор; 10— карбюратор-смеситель Процессы образования горючей смеси из сжиженных и сжатых газов не имеют существенных различий. То же можно сказать о процессах сгорания. Различают следующие газообразные топлива для автомобилей и подвижной наземной техники: сжиженный нефтяной газ (СНГ), компримированный (или сжатый) природный газ (КПГ) и сжиженный природный газ (СПГ). Газовые топлива являются полноценными заменителями бензина и частично дизельного топлива. Природный газ уступает нефтяным топливам по самовоспламеняемости, применение в дизелях возможно только в сочетании с запальным количеством дизельного топлива до 20 %. Ограничения применения сжиженного природного газа возникают из-за трудности хранения и заправки, сложности конструкции аппаратуры и криогенных топливных баков (большие размеры). Газообразные и альтернативные топлива должны обеспечивать нормальную эксплуатацию двигателей и превосходить современные нефтяные топлива (бензин, дизельное топливо) в первую очередь по экологическим свойствам. Газообразные топлива для автомобильных двигателей должны удовлетворять следующим требованиям: -при всех режимах работы двигателя газовое топливо с воздухом должно образовывать однородную по составу горючую смесь; -иметь высокие антидетонационные свойства; обеспечивать полное сгорание горючей смеси с возможно более высокой теплотой сгорания; -не содержать коррозионно-активных газов и соединений, способных разрушать оборудование для хранения и применения горючих газов или детали двигателя; -иметь минимальное количество примесей непредельных углеводородов, механических примесей и паров воды; -иметь высокую стабильность — возможно меньше изменять состав и свойства при транспортировании и хранении. 4.3 Марки газообразных топлив В соответствии с ГОСТ 27578-87 сжиженные газы марок пропан автомобильный (ПА) и пропан-бутан автомобильный (ПБА), используемые в газобаллонных автомобилях, имеют показатели, приведенные в таблице 11. Сжиженные газы с завода транспортируют в специально оборудованных железнодорожных или автомобильных цистернах, а также в баллонах разной вместимости, которые заправляют на газонаполнительных станциях. Перед заполнением газ очищают от сероводорода и других вредных примесей для снижения коррозионного износа, добавляют одорант, а в холодное время года осушают от паров воды. В емкостях над жидкостью должно быть пространство для испарения газа, поэтому их заполняют не более чем на 90 % полной вместимости. Таблица 11 Показатели качества сжиженных газов марок ПА и ПБА
В газах отсутствует жидкий остаток при температуре 40 °С и не содержатся свободная влага и щелочи. Для автомобилей выпускают компримированный (сжатый) природный газ по ГОСТ 27577-2000. Основными компонентами газа являются горючие газы метан (90 %) и этан (4 %). В газе ограничивают содержание негорючего компонента азота (N2). На газонаполнительной компрессорной станции горючий природный газ, поступающий по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, компримируют и удаляют примеси по технологии, не предусматривающей изменения компонентного состава. Таблица 12 Характеристика природного компримированного газа:
4.4 Особенности применения газообразных топлив Мировые прогнозные запасы природного газа достигают 200...300 трлн м3, в том числе разведанные — более 100 трлн м3. Перевод автомобильного транспорта на газовое топливо осуществляется во всех развитых странах мира. Разработаны проекты автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) различной производительности. Современные композитные материалы позволяют выпускать газобаллонное оборудование, облегченное в 2 — 3 раза. Газообразные топлива имеют ряд существенных преимуществ перед жидкими углеводородными топливами. Газообразные топлива наиболее дешевые виды топлива, так как могут использоваться непосредственно после получения с газовых, нефтяных месторождений или других источников без дополнительной переработки, иногда лишь после неглубокой очистки. Себестоимость производства топлив из природного газа в 2 — 3 раза ниже, чем топлива из нефти. В то же время газовые топлива сопоставимы с нефтяными по энергетическим показателям, так как теплота сгорания стехиометрической смеси топливо/воздух для всех видов топлив близка и находится в пределах 2,8...3,4 МДж/кг (3,0...3,6 МДж/л). Газообразные топлива имеют высокую детонационную стойкость, что позволяет использовать их в двигателях с большой степенью сжатия и соответственно высокими технико-экономическими показателями. Высокая антидетонационная стойкость газовых смесей позволяет на 20... 25% повысить степень сжатия в двигателях. При использовании газообразных топлив в результате лучшего смесеобразования (равномерного распределения газовоздушной смеси по цилиндрам) и более совершенного протекания процесса сгорания (обедненная смесь, а = 1,20... 1,25) образуется меньшее количество отложений в двигателе, в отработавших газах уменьшается содержание токсичного компонента — оксида углерода, сокращается загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлив. Так, в грузовых автомобилях при использовании бензина и скорости движения 20.л80 км/ч содержание оксида углерода в отработавших газах составляет 0,8...3,5%, а на газовом топливе — 0,1...0,8%. Применение газообразных топлив повышает долговечность двигателя. Отсутствие жидкой фазы топлива предотвращает смывание масляной пленки со стенок цилиндра и колец и тем самым значительно снижает износ цилиндропоршневой группы. Ресурс работы двигателей увеличивается в 1,4—1,8 раза, свечей зажигания — на 40... 50 %, срок службы моторного масла — в 2,0 — 2,5 раза. Опытные образцы грузовых автомобилей (грузоподъемностью 6 т), работающие на сжиженном природном газе, оснащают криогенными баллонами вместимостью 160 л. Запас хода таких автомобилей на одной заправке — 300 км. Из-за сложности хранения криогенных емкостей применение СПГ предпочтительно только на морских судах, магистральных тепловозах и в авиации. Разработаны и выпускаются комплекты газобаллонного оборудования для работы на газомоторном топливе автобусов, грузовых и легковых автомобилей. Газобаллонные автомобили предполагают работу как на газовом, так и нефтяном топливах. Отказаться от двухтопливной системы питания газ — бензин, учитывая крайне ограниченную сеть газонаполнительных станций, в нашей стране пока невозможно. Газодизельный цикл предполагает работу дизелей на смеси 80 % газа и 20 % дизельного топлива. В автомобилях наиболее целесообразно применение высококалорийных сжатых природных газов. Газовые баллоны, арматура, редукторы, газопроводы рассчитаны на работу при высоком давлении (20 МПа). Стальные толстостенные цилиндрические баллоны выпускаются вместимостью 50 л (по воде) и содержат 10 м3 газа при нормальных условиях. При установке батареи из 6 — 8 баллонов грузоподъемность автомобиля, работающего на сжатом газе, снижается на 0,5 т (на 10... 15 %), пробег на одной заправке газом в 2 раза меньше по сравнению с бензином. При использовании сжиженных и сжатых газов несколько снижаются мощность и крутящий момент, что отрицательно влияет на скоростные характеристики двигателя. Снижение эффективной мощности двигателя составляет 3... 10 %. Мощность падает прежде всего из-за снижения коэффициента наполнения, затем из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси, снижения механического КПД цикла и некоторых других причин. На грузовые автомобили и автобусы, работающие на компримированном (сжатом) природном газе, устанавливают 4—10 баллонов емкостью по 50 л и давлении газа 19,6 МПа, обеспечивающих пробег 200... 300 км на одной заправке. Легковые и коммерческие автомобили оснащают 1 —3 баллонами суммарной емкостью 50... 100 л, пробег на одной заправке газом составляет 180... 300 км. Газобаллонные грузовые автомобили и автобусы, работающие на сжиженном нефтяном газе, оснащают 1—2баллонами емкостью 120... 225 л и давлении газа 1,6 МПа, обеспечивающими пробег 400... 750 км от одной заправки, который равен или даже превышает на 10... 15 % пробег при работе на бензине. На легковые автомобили в багажнике устанавливают по одному баллону емкостью 50... 90 л, обеспечивающий пробег 400... 600 км. Газобаллонная аппаратура инжекторных двигателей с распределенным впрыском с газовыми форсунками, катализатором и датчиком кислорода (λ-зондом) на рынке представлена устройствами только зарубежного производства. Сжиженный нефтяной газ не является перспективным газомоторным топливом из-за дефицита и ограниченных ресурсов. Сжиженный пропан-бутан — это ценное сырье для нефтехимической промышленности, он также используется в бытовых целях. Наиболее перспективны газомоторные топлива — компримированный (сжатый) и особенно сжиженный природный газ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1.Какие требования предъявляют к качеству газообразных топлив? 2.Каков ассортимент газообразных топлив? 3.Каковы основные показатели качества газообразных топлив? 4.В чем состоят особенности применения газобаллонного оборудования автомобилей? 5.Каковы перспективы производства и применения газомоторных топлив? 6.В чем заключаются достоинства и недостатки применения газового топлива на автомобильном транспорте? 7. Каковы основные компоненты сжиженных газов? 8. Как хранится сжиженный газ на автомобиле? 9. Каковы достоинства и недостатки сжатых углеводородных газов? Глава 5. Автомобильные смазочные материалы 5.1 Классификация, назначение смазочных масел и требования к их качеству Смазочными маслами, именуемыми в дальнейшем для краткости просто маслами, называют фракции нефти, основу которых составляют углеводороды с температурами кипения выше 350° С.По внешнему виду масла представляют собой прозрачные или непрозрачные сравнительно с бензинами и дизельными топливами значительно более вязкие жидкости, окрашенные не полностью удаленными из их состава смолами в цвета от желтого до черного. Как и топлива, они легче воды (плотность их при 20° С укладывается в пределы от 0,87 до 0,95 г/см3) и практически в ней не растворяются. При эксплуатации автомобилей масла используются в значительно меньших количествах, чем бензины и дизельные топлива. Например, по существующим нормам средний расход моторных масел должен составлять (в зависимости от типа и состояния двигателя) 3,5—5,0% от расхода топлива. Однако любое автомобильное масло значительно дороже бензинов и дизельных топлив, поэтому затраты на его приобретение оказывают заметное влияние на себестоимость перевозок. Что касается качества масел, то от него сильно зависят долговечность и безотказность в работе автомобиля, а следовательно, расходы на его обслуживание и ремонт. Таким образом, знание свойств автомобильных масел и умение правильно их применять является важным фактором, определяющим эффективность использования автомобилей и рентабельность автотранспортных предприятий. Конструктивно-технологические исполнения и условия работы узлов трения разнообразны. В зависимости от конструкции, технологии изготовления и условий работы (скорости, рабочей температуры, нагрузки, агрессивности Поэтому один вид смазочного материала не может быть использован для всех трущихся поверхностей. В точках смазки современного автомобиля используют до 10 видов смазочных материалов. Наибольший объем потребления приходится на моторные, трансмиссионные и индустриальные масла общего назначения. Области применения масел приведены в таблице 13. Широкий ассортимент смазочных материалов вызывает определенные трудности при хранении, транспортировании, заправке и их выбору потребителя. Поэтому стараются сократить ассортимент и унифицировать марки топлив, масел и смазок по их применению. Все масла нефтяного происхождения делятся на четыре типа. Масла любого типа выполняют ряд различных функций, из которых основными являются: уменьшение износа деталей; снижение потерь энергии на трение; герметизация зазоров между деталями (например, между поршнем и гильзой цилиндра двигателя); отвод тепла циркулирующим маслом от нагретых деталей; вынос из зон трения продуктов износа и перенос их в фильтрующие устройства систем смазки; защита металлических поверхностей от коррозии. Все перечисленные функции или только часть из них могут успешно и в течение достаточно длительного срока выполняться маслами только при условии, что качество их будет удовлетворять ряду эксплуатационных требований. Важнейшие из этих требований, если их сформулировать в самом общем виде, следующие: масла должны иметь возможно более низкую температуру застывания и определенные вязкостные свойства, быть в необходимой степени физически и химически стабильными, обладать минимальным коррозионным воздействием на металлы и не содержать механических примесей и воды. Кроме того, необходимо учитывать стоимость и пожарную опасность масел. Таблица 13 Области применения масел в автомобилях подвижной и наземной технике
Каждое из эксплуатационных требований выражается одним или несколькими показателями, величины которых для масел различных назначений нормированы соответствующими ГОСТ. Ниже рассматривается сущность основных показателей качества масел и указывается влияние свойств, отражаемых этими показателями, на долговечность и безотказность в работе двигателей, а также других узлов автомобилей. 5.2 Температура застывания масел и методы ее понижения При некоторой температуре, достигаемой в процессе охлаждения, масла становятся нетекучими. Переход в нетекучее состояние вызывается либо выпадением кристаллов высокоплавких углеводородов и образованием из них кристаллического каркаса, как это происходит в дизельных топливах, либо возрастанием вязкости у охлаждаемого масла до достаточно большой величины. Большинство масел нефтяного происхождения теряет свою текучесть при охлаждении одновременно по той и другой причинам. Во всех случаях температуру масел, соответствующую потере ими подвижности, определяют тю методике, используемой для дизельных топлив, и называют температурой застывания. Применение масла с выделившейся из его состава твердой фазой и тем более потерявшего подвижность недопустимо. Поэтому к любому маслу предъявляется требование, ограничивающее предельно высокое значение температуры застывания. В процессе производства масел осуществляется ряд мер, направленных на снижение температуры застывания получающихся продуктов. К этим мерам относится удаление наиболее высокоплавких углеводородов при помощи депарафинизации и введение в очищенные масла депрессорных присадок (депрессоров), вызывающих сильное снижение (депрессию) температуры застывания. Из одно функциональных депрессорных присадок раньше других начал применяться депрессор АзНИИ, введение которого в количестве 0,5% снижает температуру застывания некоторых масел на 15—20° С. В число других присадок входит АФК, многофункциональная присадка АзНИИ-ЦИАТИМ-1, полиметакрилат Д. Высокая эффективность депрессора объясняется тем, что его молекулы обволакивают зарождающиеся углеводородные кристаллы и тем самым тормозят их рост и сращивание в жесткий кристаллический каркас. Благодаря этому температурная граница, при которой теряется подвижность масел, опускается на указанную величину депрессий. Необходимо иметь четкое представление об эксплуатационном значении температуры застывания. По ней можно судить о возможности проведения складских операций, заправки систем смазки без применения подогрева и т. д. Но по температуре застывания не следует решать вопрос о возможности пуска холодного двигателя. 5.3 Вязкостные свойства масел Вязкость масел при рабочей температуре. Важнейшим из требований к маслам является требование в отношении вязкостных свойств, которое можно выразить так: смазочные масла должны обладать определенной (оптимальной) вязкостью при рабочей температуре, возможно меньше изменяющейся в зависимости от температуры. Масла с чрезмерно низкой вязкостью легко выдавливаются из зазоров между деталями, что ведет к повышенному износу механизмов и увеличенному расходу смазочного материала. Наоборот, при слишком высокой вязкости, с одной стороны, затрудняется подача масла в зазоры, следствием чего опять является интенсивный износ, а с другой — возрастает расход, энергии на относительное перемещение смазанных или погруженных в масляную ванну деталей. Рабочая температура масла в механизмах и агрегатах различного назначения не должна быть и фактически не бывает одинаковой. В многочисленном промышленном оборудовании она составляет примерно + 50° С, поэтому в стандартах на индустриальные масла обязательно дается вязкость при +50° С. За рабочую температуру масел для двигатели принято значение +100° С, т. е. среднее значение температуры масла в низкотемпературной зоне (картер, коленчатый вал) двигателей внутреннего сгорания. Максимальная температура масла в трансмиссиях большинства автомобилей близка к +100° С, поэтому основным вязкостным показателем трансмиссионных масел является также вязкость при + 100° С. Вязкость при 100° С включается в маркировку всех моторных и некоторых трансмиссионных масел. Например, в марке М-8Б1 цифра 8 означает номинальную вязкость в сантистоксах при 100° С. Вязкостно-температурные свойства масел. Непостоянство условий эксплуатации, связанное с пуском автомобилей и доведением их до установившегося режима, изменение скоростных и нагрузочных факторов, переходы от зимы к лету и наоборот неизбежно отражаются на температуре работающего масла, а это, в свою очередь, влечет за собой изменение его вязкости. Чтобы при максимально возможных колебаниях температуры не происходило чрезмерно большого отклонения вязкости от оптимальной ее величины, к маслам предъявляется еще требование о возможно меньшем изменении их вязкости в зависимости от температуры.Количественно это требование выражают рядом показателей, которые иногда называют вязкостно-температурными характеристиками, или сокращенно ВТХ. Наглядное представление о темпах, с которыми возрастает вязкость масел нефтяного происхождения в процессе их охлаждения, дано на рис. 31 на примере трех масел марок (М10Б), (М6Б) и (М6ВЗ). Например, при охлаждении летнего автомобильного масла марки (М10Б) сo 100°С до 0°С его вязкость увеличивается в 200 раз. В качестве простейшей вязкостно-температурной характеристики используют отношение вязкостей, взятых для данного масла при +50 и +100° С. К наиболее серьезным недостаткам ВТХ в виде этого отношения относится охват ограниченного интервала температуры и к тому же в области наиболее высоких ее значений (от 50 до 100°С). Учитывая это обстоятельство, стандартами на масла для двигателей устанавливается еще максимальная величина вязкости при 0°С. В некоторых случаях возникает потребность в вычислении длят данного масла вязкости при температурах, отличающихся от стандартных. Еще важнее умение решать обратную задачу—устанавливать ту температуру, при которой вязкость масла достигает заданного конкретного значения. С решением последней задачи, в частности, связана оценка пусковых свойств масел для двигателей. На основе ряда исследований установлено, что пуск двигателей оказывается достаточно легким и не сопровождается, как и последующий прогрев, интенсивным износом только при условии, если вязкость масел не превосходит критического значения, равного для автомобильных двигателей (округленно) 1∙104 сСт. Оценка пусковых свойств заключается в том, чтобы найти расчетным путем температуру, при которой вязкость используемого масла равна 1∙ 104 сСт.∙ Один из эффективных способов получения масел с хорошей ВТХ основан на введении в маловязкие нефтепродукты вязкостных присадок, наиболее распространенной из которых является полиизобутилен с молекулярной массой в пределах 10000—20000. На базе легких индустриальных и специальных масел удается получать с помощью относительно небольших количеств полиизобутилена (концентрация его от 2 до 5%) продукты, отвечающие по вязкости при 100° С современным маслам для двигателей и одновременно превосходящие по ВТХ незагущенные масла с той же вязкостью при рабочей температуре. Получение загущенных масел базируется на следующих двух принципах: 1) чем меньше вязкость нефтепродукта, тем лучше при прочих равных условиях его ВТХ. Следовательно, отношение вязкостей, соответствующих нижней и верхней границам заданного температурного интервала, будет наименьшим у бензина, а затем по мере утяжеления последовательно отбираемых фракций (керосин, дизельное топливо, легкие индустриальные масла и т. д.) оно увеличивается м достигает наибольшей величины у высоковязких дистиллятных и остаточных масел; 2) полиизобутилен и другие присадки этого типа представляют собой очень вязкие (каучукоподобные) вещества, обладающие по отношению к нефтепродуктам высокой загущающей способностью. В результате растворения их в количестве от 2 до 5% вязкость загущенного продукта по сравнению с исходным возрастает многократно, причем и при высоких и при низких температурах практически в одинаковое число раз. Отсюда следует очень важный вывод — загущенное масло практически не будет отличаться по вязкостно-температурным свойствам от исходного. 5.4 Стабильность масел, коррозионное воздействие их на металлы и содержание механических примесей и воды в маслах К маслам, как и к топливам, предъявляются требования в отношении минимального коррозионного воздействия их на металлы и недопустимости в них механических примесей и воды.Поэтому при отгрузке с нефтеперерабатывающих заводов масла не содержат механических примесей, воды, водорастворимых кислот, щелочей и имеют в своем составе ограниченное количество нафтеновых кислот, которое в ГОСТ выражается кислотным числом, т. е. числом миллиграммов щелочи КОН, потребным для нейтрализации всех нафтеновых кислот в 1 г масла. Исключением является ряд масел, в которых допускаются следы воды (не более 0,025%) и сотые доли процента механических примесей, а в масла для дизельных двигателей сознательно вводится присадка, сообщающая им щелочную реакцию и вследствие этого уменьшающая коррозию деталей двигателей продуктами сгорания сернистых соединений. Все масла, полученные из мазута, обладают при температурах ниже +50° С высокой физической и химической стабильностью. При транспортировании и длительном хранении они заметно не изменяют своих свойств, если не считать обратимого нарушения однородности, вызываемого кристаллизацией парафинов при охлаждении и исчезающего при нагревании. Поэтому запасы масел разрешается хранить пять и более лет. В тех случаях, когда температура масла превышает +50° С, с чем часто приходится встречаться на практике, их стабильность как физическая, так и химическая, недопустимо снижается, а коррозионное воздействие сильно возрастает. Чтобы обеспечить при высоких температурах надежную работу автомобилей, улучшают качество масел с помощью различного рода присадок. Масла для двигателей и очень часто трансмиссионные в основном работают при температурах выше +50г С. 5.5 Специфические свойства масел для двигателей Условия работы масел. Масла в двигателях внутреннего сгорания выполняют ряд важных функций. При этом они работают в очень тяжелых условиях, испытывая воздействие изменяющихся во времени давлений, достигающих внекоторых узлах 1000 кгс/см2, и высоких температур, превышающих для продуктов сгорания топлива 2000° С. В зависимости от условий работы масла в двигателе можно выделить три зоны: 1) высокотемпературную, включающую камеру сгорания, обращенную к ней поверхность днища поршня и верхнюю часть цилиндра. Некоторые детали, окаймляющие эту зону, нагреваются до 400° С (днище поршня) и даже до 800° С (выпускной клапан), а температура горящих газов может достигать 2500° С; 2) среднетемпературную, охватывающую весь поршень с поршневыми кольцами и пальцем, верхнюю часть шатуна и стенки цилиндра. Максимальная температура в этой зоне развивается в области поршневых колец, где она может достигать 300 и даже 350° С; 3) низкотемпературную, к которой относится область коленчатого вала, область картера и т. п. Наиболее высокая температура в этой зоне — до +180° С может быть в области коренных и шатунных подшипников. Физическая стабильность масел при повышенных температурах. В средне- и низкотемпературной зонах прогретого двигателя масло способно интенсивно испаряться. В этом проявляется его недостаточная физическая стабильность при повышенных температурах. В результате количество масла в системе смазки уменьшается, а качество его ухудшается. Чтобы уменьшить расход и изменение свойств масел в процессе применения, необходимо подбирать их для конкретных условий эксплуатации по испаряемости. Но определение фракционного состава масел относится к разряду сложных анализов, в, частности оно требует создания довольно глубокого вакуума. Поэтому прибегают к более простому анализу — определению температуры вспышки. Температурой вспышки называется минимальная температура нефтепродукта (в том числе и масла), при которой его пары от нагревания в стандартном приборе образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую от пламени определенных размеров. Для определения температуры вспышки применяют две разновидности приборов—с закрытым и открытым тиглем. В приборе с закрытым тиглем созданы более благоприятные условия для образования необходимой концентрации паров (практически отсутствует их рассеивание в атмосферу), поэтому получаемая в этом случае температура вспышки оказывается на 20—30° С ниже, чем в приборе открытого типа. По температуре вспышки можно составить приближенное суждение об испаряемости масел, а также установить наличие в них легколетучих фракций. Чем выше температура вспышки, тем меньше испаряемость масла и, следовательно, лучше физическая стабильность. Нормы на температуру вспышки введены в ГОСТ не только на масла для двигателей, но и на масла другого назначения. Температура вспышки дизельных топлив определяется в приборе закрытого типа и характеризует их в пожароопасном отношении при складских операциях, заправке автомобилей и т. п. Роль масла в высокотемпературной зоне двигателя. При работе двигателя масло неизбежно попадает в некотором количестве в высокотемпературную зону и там в основном сгорает. Несгоревшие порции его вместе с остатками топлива, также не успевающими сгорать, претерпевают глубокие химические превращения, в результате чего на деталях этой зоны со временем образуется слой нагара. Нагар вредно отражается на работе двигателя. Он ухудшает теплоотвод от деталей, облегчает возникновение детонации и калильного зажигания, а отрываясь от стенок загрязняет работающее масло твердыми частицами. Но количество его мало зависит от качества как масла, так и топлива, а обусловлено в основном тепловым режимом двигателя. Поэтому борьба с нагарообразованием основана главным образом на эксплуатационных мероприятиях, обеспечивающих поддержание нормального теплового состояния двигателя. Лакообразование в среднетемпературной зоне двигателя, антиокислительные и моющие присадки. В среднетемпературной зоне в отличие от высокотемпературной масло уменьшает силы трения и износ деталей, а также уплотняет зазоры между поршнем и цилиндром. Типичным для этой зоны является пребывание его в виде тонкой пленки, покрывающей детали, нагретые до 200—300°С и находящейся в соприкосновении с горячим воздухом. В этих условиях углеводороды и другие компоненты масел становятся недостаточно химически стабильными. Они окисляются и образуют плохо испаряющиеся, высоковязкие, практически нерастворимые в масле вещества (асфальтены и кислые смолы), осаждающиеся на деталях тонким темным блестящим слоем, называемым лаковым отложением. Способность масел, находящихся в виде тонкого слоя на нагретых поверхностях, к лакообразованию в присутствии кислорода воздуха называется термоокислительной стабильностью. Наибольшую опасность лаковое отложение представляет для поршневых колец. Заполняя зазоры, образованные поршневыми кольцами и канавками, проточенными в поршнях, оно снижает подвижность колец. Одновременно с образованием лакового отложения происходит внедрение в него попадающих из высокотемпературной зоны сажи, пыли и других твердых частиц. По истечении некоторого времени лаковое отложение с внедрившимися в него твердыми частицами вызывает пригорание поршневых колец, внешне проявляющееся в полной потере ими подвижности. Одной из мер борьбы с лакообразованием является повышение химической стабильности масел и, в частности, введение в них антиокислительных присадок. В качестве присадок такого типа используются соединения, одновременно содержащие фосфор и серу, а в ряде случаев и некоторые металлы (цинк, барий и кальций). Действие этих соединений объясняется способностью обрывать на начальном этапе реакции окисления и снижать каталитическое влияние металлов на окислительные процессы. Присадки, обладающие антиокислительным действием ДФ-11, ВНИИ НП-354, ИХП-21 и др. Однако существующие антиокислительные присадки не могут в необходимой степени затормозить окисление масел в среднетемпературной зоне и полностью предотвратить образование в ней лакообразующих веществ. Учитывая это обстоятельство, прибегают к использованию дополнительно еще другого типа присадок, которые тормозят отложение возникающих смолисто-асфальтовых веществ на поршнях и связанных с ним деталях. В результате те и другие в течение длительного срока работы сохраняются чистыми, как бы вымытыми, откуда и происходит название присадок этого типа — моющие. Смолисто-асфальтовые вещества появляются в виде чрезвычайно мелких частиц, поэтому, попадая в циркулирующее масло и находясь в нем во взвешенном состоянии, они беспрепятственно вместе с ним проходят по зазорам между смазываемыми деталями и через фильтрующие устройства, не вызывая заметных осложнений в работе двигателя. Но в последующем мельчайшие первоначальные частицы соединяются друг с другом и образуют настолько крупные частицы, что они оказываются неспособными проходить через фильтры и узкие смазочные каналы. В итоге и в тех и в других довольно быстро прекращается циркуляция масла. В связи с этим возникает задача по поддержанию образующихся смолисто-асфальтовых веществ, нерастворимых в масле, в тонкораздробленном (сильно диспергированном) состоянии. Эту функцию (диспергирующую) обычно выполняют те же моющие присадки, молекулы которых обволакивают появившиеся мелкие частицы смолисто-асфальтовых веществ и тем самым препятствуют их сращиванию в крупные агрегаты (рис. 32).  В результате циркулирующее в двигателе масло со временем приобретает все более и более интенсивную черную окраску, но этот факт не означает, что оно потеряло работоспособность. Изменения масла в низкотемпературной зоне двигателя. Антикоррозионные и антипенные присадки. Несмотря на довольно мягкий тепловой режим в низкотемпературной зоне двигателя, там также происходит окисление масла. Этому способствует пребывание части масла в мелкораспыленном (туманообразном) состоянии и наличие в этой зоне большого числа веществ, каталитически ускоряющих окислительные процессы. Типичными продуктами окисления масла в низкотемпературной зоне являются органические кислоты,частично растворяющиеся в нем и тем самым повышающие его кислотное число и частично переходящие в кислые смолы, осаждающиеся на различных деталях этой зоны (картер, фильтры и т. д.) в виде липких осадков. Вновь образовавшиеся в масле и растворившиеся в нем кислоты очень агрессивны и, в первую очередь, по отношению к свинцу. Защита его (как и других металлов) достигается с помощью антикоррозионных присадок, в молекулах которых имеется сера и фосфор.В результате взаимодействия присадки со свинцом на поверхности детали (например, вкладыша из свинцовистой бронзы) образуется пленка, предотвращающая непосредственный контакт органических кислот с металлом и устраняющая каталитическое действие его на процессы окисления масла. Коррозионное воздействие в двигателе создается не только органическими кислотами. Оно может быть вызвано и другими кислыми продуктами, возникающими, например, при сгорании топлив. Из продуктов этой категории, в первую очередь, надо назвать сернистый и серный ангидриды. Борьба с коррозией этого вида ведется с помощью мероприятий эксплуатационного порядка. К основным из этих мероприятий относятся тщательная вентиляция .картера и предотвращение работы двигателя при пониженных тепловых режимах. Обе меры в совокупности направлены на создание условий максимально возможного выноса из низкотемпературной зоны летучих кислот, ангидридов, паров воды и несгоревшего топлива. Часть коррозионно-агрессивных веществ все же не успевает выбрасываться из двигателя в процессе его вентиляции и, контактируя с металлами, вызывает их коррозию. Чтобы нейтрализовать такого рода кислые продукты, маслам сообщаются с помощью присадок щелочные свойства. Влияние щелочности масла на износ деталей дизельного двигателя, работающего на сернистом топливе, показано на рис. 33.  Следует иметь в виду, что щелочная реакция масла должна сохраняться в течение всего срока его работы. Рассмотренные антикоррозионные присадки способны защищать двигатель от коррозии только в отсутствии воды, т. е. во время его работы. Однако после остановки и охлаждения двигателя они становятся неэффективными, так как на деталях конденсируется вода, под пленкой которой развивается вместо химической так называемая электрохимическая (атмосферная) коррозия, именуемая ржавлением. Борьба с атмосферной коррозией ведется с помощью противоржавейных присадок (ингибиторов ржавления). Они образуют на поверхности деталей адсорбированные или окисные пленки, изолирующие металл от влаги. В качестве ингибиторов ржавления применяется много различных веществ и в том числе обработанное азотной кислотой (нитрованное) нефтяное масло (присадка АКОР-1). В процессе работы моторные масла способны сильно вспениваться, что приводит к недостаточной подаче их в узлы двигателя, выбросу через маслоналивное отверстие и т. д. Торможение пенообразования и пеногашение достигается введением в масла противопенных присадок.Наиболее распространенными из них являются полисилоксаны (присадка ПМС-200А), от небольших количеств которых (0,001—0,005%) происходит эффективное пеногашение. В упоминавшихся выше липких осадках (шламе), окрашенных в бурый или черный цвета, содержатся нефтенаты и кислые смолы, образующиеся в картере, нагар, пыль, продукты износа деталей и смолисто-асфальтовые вещества, попадающие из высоко- и среднетемпературной зон, а также масло и вода. Осадки вредно отражаются на работе двигателя: они тормозят и даже нарушают циркуляцию масла. Борьба с их образованием основана на соблюдении общеизвестных правил эксплуатации двигателя, включающих: поддержание оптимального теплового режима, обеспечение исправной работы системы вентиляции картера, своевременное обслуживание фильтров. Противоизносные и многофункциональные присадки. В настоящее время уделяется большое внимание противоизносным свойствам масла, зависящим, в первую очередь, от его вязкости. Однако многим узлам автомобиля часто приходится работать на таких режимах (например, в периоды пуска и остановки двигателя), при которых невозможно осуществить гидродинамическую (жидкостную) смазку. В этих случаях решающее влияние на снижение износа деталей и коэффициента трения оказывают уже не вязкостные показатели масла, а его способность образовывать на твердых поверхностях тонкие пленки, обладающие комплексом специфических свойств. Такого рода пленки, улучшающие противоизносные свойства масла, проще всего создавать с помощью противоизносных присадок. Одни из противоизносных присадок способны хорошо адсорбироваться на деталях, образуя на них тонкую прочную масляную пленку (граничный слой). Про такие вещества говорят, что они обладают высокой смазывающей способностью. Другие имеют в своем составе серу и фосфор, вступающие при определенных условиях в химическую реакцию с металлом деталей и образующие на; их поверхностях тонкие слои из серо- и фосфоросодержащих соединений. Как масляные пленки, так и поверхностные слои из продуктов химического взаимодействия присадок с металлами способствуют уменьшению износов двигателей, но особенно велика их роль в обеспечении надежной длительной работы узлов трансмиссии. В связи с этим важнейшие типы противоизносных присадок более детально описаны при рассмотрении трансмиссионных масел. К разряду противоизносных присадок принадлежат вещества, имеющие в своем составе серу и фосфор. Но ранее уже указывалось, что эти же вещества выполняют антиокислительные и антикоррозионные функции. Следовательно, соединения, содержащие серу и фосфор, являются многофункциональными присадками. В качестве примера можно назвать присадку ДФ-11, одновременно выполняющую антиокислительную, антикоррозионную и противоизносную функции. Ассортимент многофункциональных присадок довольно обширен. К ним относятся присадки марок ЦИАТИМ-339, МНИ ИП-22к, ВНИИ НП-360, ВНИИ НП-370, БФК, СБ-3 и др. Все они улучшают моющие свойства, имеют щелочную реакцию и, кроме того, усиливают одну или две других функции масла. Исследования показывают, что ни одна из многофункциональных присадок не может обеспечить одновременно улучшение целой серии свойств в той степени, в какой это диктуется прогрессом в. автомобилестроении. Поэтому сейчас считается целесообразным использовать смеси (композиции) эффективных моно- или бифункциональных соединений, позволяющие в каждом конкретном случае более направленно, чем с помощью многофункциональных присадок, изменять отдельные свойства масел. При подборе композиции присадок приходится учитывать возможность их взаимодействия. Композиция признается удачной, если при ее использовании происходит явление синергизма, т. е. значительного повышения эффективности компонентов вследствие их взаимодействия. Неприемлемым сочетанием присадок считается то, при котором имеет место только суммирование их действия и тем более взаимное подавление их эффективности — антагонизм. 5.6 Классификация моторных масел По российской классификации (ГОСТ 17479.1—85) моторные масла подразделяют на классы по вязкости (табл. 14) и на группы по уровню эксплуатационных свойств и их назначению (табл. 15). По классу вязкости моторные масла относят к одному из видов: летние 10, 12, 14, 16, 20, 24; зимние 6, 8 и всесезонные 3з/8, 4з/6, 4з/8,4з/10, 5з/10, 5з/12и 6з/16. Класс всесезонных (загущенных) масел с улучшенными вязкостно-температурными свойствами изображают дробью, в числителе которой указывают кинематическую вязкость при -18 °С, а в знаменателе при 100 °С. Например, 5з/10 означает, что вязкость масла при -18 °С равна (не более) 6 000 мм2/с, а при 100°С находится в пределах 9,3... 11,5 мм2/с. Буква «з» в индексе соответствует наличию вязкостной (загущающей) присадки. По эксплуатационным свойствам стандартом предусмотрено пять групп масел — Б, В, Г, Д и Е. В обозначении масел указывают: буква М — масло моторное; цифра или дробь — класс или классы вязкости для всесезонных масел; одна или две буквы обозначают уровень эксплуатационных свойств и область применения масла. Масла, используемые в бензиновых двигателях, имеют индекс 1, а в дизелях — индекс 2. В маслах, предназначенных для использования как в бензиновых двигателях, так и в дизелях, индекс не указывают. Условное обозначение масел расшифровывается следующим образом. Марка масла М-8В: буква М — масло моторное, класс вязкости 8, зимнее, универсальное, для среднефорсированных бензиновых двигателей и дизелей, группа В. Масло марки М-6з/12-Г,: масло моторное, всесезонное, класс вязкости 6з/12, вязкость при -18 °С составляет 10 400 мм2/с, индекс «з» — содержит загущающую вязкостную присадку, 12 — вязкость при 100 0С, мм2/с, группа Г1 — для смазывания высокофорсированных бензиновых двигателей. Таблица 14 Классы вязкости моторных масел
Таблица 15 Группы моторных масел
Масло марки М-10Г2к: масло моторное, класс вязкости 10, летнее, для высокофорсированных дизелей без наддува, группа Г2, индекс «к» — разработано для дизелей автомобилей КамАЗ. Масло марки М-4з/8-В2Г1: масло моторное, всесезонное, универсальное для среднефорсированных дизелей (группа В2) и высокофорсированных бензиновых двигателей (группа Г1). Наиболее распространенные марки моторных масел: для бензиновых двигателей M-4з/6-B1, М-5з/10-Г1, М-6з/12-Г1; универсальные М-8-В,М-6з/10-В; для дизелей — М-8-Г2, М-10-Г2, М-8-Г2к, М-10-Г2к, М-8-Д2(м), М-10-Д2(м). 5.7 Ассортимент масел для двигателей Масла для бензиновых двигателей группы B1, Г1 обеспечивают эксплуатацию двигателей различного уровня форсирования (табл. 16). Универсальные всесезонные масла М-8В, М-6з/10В, М-4з/6В, применяют для всех типов среднефорсированных автомобильных двигателей (3M3-53, ЗИА-130, ЗИЛ-508.10 и др.), работающих на бензине с ОЧ до 80. Масла содержат комплекс присадок, обеспечивающих хорошие моющие и антиокислительные свойства. Их применение позволяет повысить сроки смены масла, снизить расход топлива и сократить трудоемкость обслуживания. Масло М-8В используют всесезонно в среднефорсированных карбюраторных двигателях с периодичностью замены до 18 тыс. км пробега и как зимнее масло для среднефорсированных дизелей. Долгоработающее масло М-6з/10В содержит композицию присадок (загущающей, моюще-диспергирующих, антиокислительной, антипенной) и имеет высокие эксплуатационные свойства, что позволяет использовать его как в дизелях, так и в бензиновых двигателях с увеличенным до 18 тыс. км пробега автомобилей сроком смены. Низкая температура застывания и небольшая вязкость при отрицательной температуре загущенного масла M-43/6B1 обеспечивает холодный пуск бензиновых двигателей при -30 °С. В северной климатической зоне это масло применяют всесезонно, а в районах с умеренными климатическими условиями — как зимнее для всех российских автомобилей (кроме автомобилей АвтоВАЗ). Масла группы Г1 обеспечивают надежную работу высокофорсированных бензиновых двигателей, работающих на бензине с ОЧ > 90. Масла выпускают из высококачественного нефтяного сырья с тщательно подобранной композицией присадок, что обеспечивает их высокие эксплуатационные качества. Вязкостно-температурные характеристики зимнего и всесезонного масел обеспечивают легкий пуск двигателей в холодное время года. Загущающие присадки обладают высокой стабильностью, и масла сохраняют уровень качества длительное время. Таблица 16 Показатели масел для бензиновых двигателей
Содержание механических примесей не должно превышать 0,015…0,02%; должны отсутствовать следы воды. Все масла должны выдерживать испытания по комплексу моторных методов. Масло М-5з/10Г1 используют в климатических районах с низкими зимними температурами как всесезонное. Масло М-6з/12Г1 всесезонно используют в регионах с умеренными климатическими условиями при температуре окружающего воздуха -20...+45 °С. Масло М-12Г1 используют при летней эксплуатации автомобилей. Масло М-8Г1 содержит в своем составе пакет импортных или композицию отечественных присадок. Как зимний вид это масло обеспечивает холодный пуск двигателей при температуре воздуха до -20 °С. Для двухтактных двигателей — пусковых, мотоциклов, различных дорожно-транспортных средств (снегоходов и др.), лодочных моторов и бензомотоинструмента в качестве компонента бензина используют масло М-12-ТП в соотношении масло — бензин 1:40. Показатели качества масла М-12-ТП: кинематическая вязкость при 100 °С — 11... 12 мм2/с; индекс вязкости — 85; сульфатная зольность не более 0,3 %; щелочность не менее 2,3 мг КОН/г; температура застывания не выше -15 °С; плотность при 20 °С не выше 900 кг/м3. Современные двухтактные двигатели форсированы по мощности за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала и предъявляют к бензомаслосмеси требования быстрого и полного сгорания без образования нагара. Дизельные масла в форсированных автотракторных дизелях работают в особо тяжелых условиях — высоких температур, нагрузки и скорости. Масла группы В2 (табл. 17) — зимнее М-8В2 и летнее М-10В2, предназначены для эксплуатации среднефорсированных автотракторных дизелей старых моделей. Масла повышенной вязкости М-14В2 с композицией присадок (6... 8 %) используют для смазывания двигателей карьерных автосамосвалов БелАЗ, МАЗ, «Урал», КрАЗ с дизелями ЯМЭ-236, ЯМЗ-238, ЯАЗ и т.п. Таблица 17 Показатели качества масел группы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||