Введение в предмет Автомобильные эксплуатационные материалы
 Скачать 1.05 Mb.
|
|
1 Введение в предмет «Автомобильные эксплуатационные материалы» Химмотология (от химия, лат. motor – приводящий в движение и греч. logos – наука) — это прикладная наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей. В автомобильном транспорте химмотология выявляет закономерности, определяющие взаимозависимость между качеством ГСМ (горюче-смазочных материалов), конструкцией двигателя и условиями его эксплуатации (рис.1). Xиммотология возникла и развивается на стыке орг., физ. и коллоидной химии, нефтехимии, физики, экономики и экологии. Формирование химмотологии в самостоятельное направление науки обусловлено увеличением объёмов потребления ГСМ, возрастанием их значения в обеспечении надёжности и долговечности техники. Кроме того, перед химмотологией в последнее время остро встали две относительно новые проблемы: 1) стабилизация добычи нефти и получение моторных топлив из альтернативного сырья; 2) изучение и улучшение экологичности свойсв ГСМ в связи с тем, что влияние многих видов транспорта на окружающую среду зависит от состава и свойств применяемых топлив и масел (прекращение производства этилированных бензинов, разработка городского дизельного топлива, снижение расхода смазочных масел на угар и т.д.). Название новой науки было предложено советским учёным в области смазочных материалов профессором Папоком Константином Карловичем в 1964год , автором более 280 научных трудов, в том число книг: «Словарь по топливам, маслам, смазкам и специальным жидкостям», «Химмотология топлив и смазочных масел», организатором постоянно действующего семинара «Химмотология – теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов в технике». В результате изучения курса «Автомобильные эксплуатационные материалы» - одного из основных разделов химмотологии, технику- механику необходимо знать: важнейшие свойства и показатели качества автомобильных топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей; ассортимент, назначение и эффективность применения данных материалов в зависимости от их качества, технических характеристик автомобилей и условий эксплуатации; методы лабораторной оценки и контроля качества топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей в условиях автотранспортных предприятий: назначение, важнейшие свойства и применение основных разновидностей неметаллических материалов, необходимых при технической эксплуатации и ремонте автомобилей. Папок К.К. (1908-1977) ( 2 Нефть Начало использования нефти человеком теряется в глубине веков. Установлено существование нефтяного промысла на берегах Евфрата за 4 – 6 тысяч лет до нашей эры. Около 700 лет назад итальянский путешественник Марко Поло при посещении Кавказа обратил внимание на «земляное масло», которое нельзя есть, но можно жечь или лечить с его помощью верблюдов. В 1823 году впервые в мире русские мастеровые братья Дубинины построили в Моздоке простейшую нефтеперегонную установку для получения керосина - первого целевого продукта, выработанного из нефти. Нефть в переводе с персидского и аккадского через турецкое neft обозначает «вспыхивать», «воспламенять» или «просачиваться». В осадочных породах Земли нефть залегает на глубине от нескольких десятков метров до 6 километров. Как образовалась нефть Современная мировая экономика не может обойтись без нефти. Именно поэтому ее все чаще сравнивается с золотом. Спрос на этот энергоресурс возрастает с каждым днем. Нефть состоит из: Метановых, парафиновых, нафтеновых и других углеводородов. Смолистых веществ и асфальтенов. Серосодержащих веществ. Азотистых и кислородных соединений. Меньше 1% составляют тяжелые металлы. Дубинины Василий, Герасим и Макар Марко Поло (1254-1324) 3 Откуда взялась нефть на нашей планете? Проанализировав состав этого вещества ученые разработали несколько теорий происхождения нефти. Причем каждая из них имеет многочисленное число сторонников и ярых противников остальных теорий. Наиболее популярные гипотезы происхождения нефти: Биогенная Неорганическая Космическая Биогенное происхождение нефти является одной из самых популярных гипотез образования «черного золота» в недрах нашей планеты. Согласно ей, эта жидкость возникла в результате разложения растений и животных на дне различных водоемов. Останки в результате различных химических процессов разлагались. Находящиеся на глубине более 3000 метров они высвобождали углеводороды. Органическая теория происхождения нефти может быть возможной только в условиях высоких температур (140 – 160 градусов). Жидкие углеводороды, освободившись из органической массы, заполняют собой пустоты. Сегодня их называют месторождениями. Биогенную теорию происхождения «черного золота» впервые в России сформулировал Михайло Васильевич Ломоносов. Абиогенная (неорганическая) теория происхождения нефти Не прошел мимо этого вопроса и Дмитрий Иванович Менделеев. Видный ученый считал, что нефть образовалась в результате реакции воды, попадающей в разломы горных пород и встречающейся с карбидами железа. Успех этой, карбидной, теории связан с удачными экспериментами по выявлению этого вещества из минерального сырья в лабораториях. Неорганическое происхождение нефти в конце XIX века стала одной из главных гипотез происхождения этого маслянистого вещества. Известный химик считал, что земля состоит из расплавленного железа. Карбиды, которые являются Ломоносов М.В. (1711-1765) Менделеев Д.И. (1834-1908) 4 спутниками этого металла, являются исходным материалом для образования самого значимого полезного ископаемого в истории человечества. Этот процесс, по мнению сторонников гипотезы, происходит постоянно. Поэтому, уменьшение запасов «черного золота» не грозит человечеству. Главной альтернативой вышеописанных гипотез является космическая теория происхождения нефти. Ее основоположник, Владимир Дмитриевич Соколов считал, что образование этого ресурса стало возможным благодаря попаданию на землю неорганических компонентов из космоса. Теория стала возможным, после подтверждения наличия углеводородных радикалов на звездах и метеоритах. По сути, образование жидких углеводородов по этой версии можно отнести как к органической, так и неорганической теории. Уже доказано, что метеориты могут принести на землю не только минералы, но и различные бактерии и микроорганизмы, которые могут стать сырьем для нефти. Сегодня популярна альтернативная теория происхождения нефти, разработанная российскими учеными из Института проблем нефти и газа РАН. Специалисты сформулировали свою теорию, основываясь на круговороте углерода и воды в природе. Согласно этой гипотезе, таким образом формируется 90% нефти и только 10% ее было получено в результате разложения органических останков животных и растений. Как и в случае с абиогенной теорией, скорость восстановления нефтяных запасов происходит не тысячелетиями, а всего лишь, десятками лет. При этом, основоположники этой теории считают, что чем интенсивнее человек будет перерабатывать углеводороды, тем быстрее они будут попадать обратно в земли образовывать новые нефтяные массы. «Черное золото» сравнивают с кровью экономики. Ведь главным вопросом, который занимает большинство умов, является не природа образования нефти, а та скорость, с которой восстанавливаются запасы углеводородов. Ведь чем быстрее происходит образование этого ресурса, тем дольше человечество сможет прожить до перехода на новый. Соколов В.Д. (1855-1917) 5 Физический состав нефти Нефть–это вязкая, маслянистая жидкость от почти бесцветного до темно-бурого (почти черного) цвета. Удельная теплоёмкость нефти 1, 7 – 2.1 кДж /кг∙К Теплота сгорания 43 000 – 45 000 кДж/кг. Легковоспламеняющаяся жидкость, растворяющаяся в органических растворителях и не растворяющаяся (в обычных условиях) в воде. Химический состав нефти а) элементный, %: С (углерод) – 82-87; Н (водород) – 11,0-14,5; S(сера) – 0,01- 6,0 (редко до 8); N(азот) - ) 0,001-1.8; О(кислород) – 0.005-0.35 (редко до 1.2) и другие. Всего в состав нефти входит около 50 химических элементов. б) групповой: нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть жидкие углеводороды (более 500 или 80- 90% по массе). В основном, это парафины (алканы) – 30-50%, нафтены (циклоалканы) – 25-75%, ароматические (арены) 10-35%. Содержание гетероатомных соединений (содержащих в своей молекуле другие химические элементы) обычно не превышает нескольких процентов. Число углеродных атомов в углеводородах, встречающихся в нефти, - 1-50, где 1-4 – газы, 11-15 – жидкости от 16 – твердые углеводороды. Нефть – это раствор газообразных и твердых углеводородов, а также некоторых гетероатомных (многоатомных) соединений в сложной смеси жидких углеводородов. 6 Строение и свойства углеводородов, используемых в создании ГСМ Парафины (алканы) Цепь углеродных атомов может быть прямой (н-парафины) и разветвленной (изопарафины). С 1-4 (газы) обладают высокой детонационной стойкостью. Октановые числа их (оценка детонационной стойкости) по моторному методу – 100 и выше. Парафины, содержащиеся в топливах и маслах, обладают высокой химической стабильностью при нормальных условиях, а при повышении температуры и давления н- парафины легко окисляются, в то время как изопарафины устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах. При окислении углеводородов происходит образование органических перекисных соединений, способствующих возникновению детонации. Поэтому при получении высококачественных автомобильных бензинов желательно присутствие изопарафинов, а н- парафины имеют самую низкую детонационную стойкость, что оценивается самыми низкими октановыми числами. В то же время, лекгоокисляющиеся н-парафины предпочтительны в дизельных топливах, т,к, уменьшают время с момента подачи топлива до его воспламенения, способствуя более плавному нарастанию давления. Многие н-парафины имеют высокие температуры застывания, поэтому их применение в холодное время затруднено. Для обеспечения текучести такие ГСМ при производстве подвергают депарафинизации, что способствует улучшению низкотемпературных свойств. Из всех классов углеводородов н-парафины имеют самую большую теплоту сгорания. Их присутствие в нефтепродуктах не оказывает вредного влияния на резиновые изделия. Нафтены (циклоалканы) Цепь углеродных атомов имеет циклическую структуру. Обладают большей стойкостью к окислению, чем н-парафины, но меньшей по сравнению с изопарафинами. Из всех классов углеводородов обладают самыми лучшими низкотемпературными и вязкостно- температурными свойствами. улучшают маслянистость ГСМ, поэтому их желательно применять в производстве масляных фракций (автомобильных масел и пластичных смазок). 7 Ароматические углеводороды (арены) В составе молекул содержат одно или несколько бензольных колец. Обладают самой большой стойкостью к окислению, что способствует самой большой детонационной стойкости, оцениваемой высокими октановыми числами, но содержание ароматических углеводородов углеводородов в товарных бензинах, как правило, не превышает 40-45% из-за большой нагарообразующей способности, самой низкой теплоты сгорания и агрессивности к резиновым изделиям. В дизельных топливах их присутствие нежелательно из-за высокой термической устойчивости, приводящей к жесткой работе дизельного двигателя. Олефины (алкены) Непредельные углеводороды, содержащие в составе молекул двойную связь, по которой проходят реакции присоединения и полимеризации. В результате таких преобразований олефины превращаются в смолы (особенно при хранении), которые засоряют впускные трубопроводы и жиклёры, поэтому их присутствие в ГСМ нежелательно. В сырой нефти отсутствуют, но образуются в процессе её переработки. Сера Самая вредная примесь нефти, которая вызывает коррозию деталей и понижает показатели качества ГСМ – уменьшение мощности двигателя, увеличение удельного расхода топлива, скорости износа двигателя и образования различных отложений. Помимо эксплуатационных убытков, использование высокосернистого топлива наносит большой вред окружающей среде, т.к. при сгорании образуются оксиды серы, которые очень вредны для здоровья человека. Поэтому для уменьшения концентрации сернистых соединений из автомобильных топлив применяют различные способы очистки. Кислород Основные кислородсодержащие продукты нефти – органические (нафтеновые) кислоты и смолистоасфальтеновые вещества. Органические кислоты вызывают коррозию деталей, особенно цветных металлов, а смотистоасфальтеновые вещества образуют отложения на поверхности деталей, стенках каналов и трубопроводов, а также понижают смазывающую способность масел. 8 |