Курс лекции. Курс лекций по дисциплине эксплуатационные материалы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ» 2022 г. 2 Курс лекций содержит основные сведения по производству и применению автомобильных эксплуатационных материалов. В данном курсе рассмотрены свойства топлив, смазочных материалов, технических жидкостей, влияющих на качественную работу автомобилей. 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 Автомобильные бензины 14 Дизельные топлива 24 Альтернативные виды топлив 30 Моторные масла 36 Трансмиссионные масла 53 Пластичные смазки 57 Технические жидкости 65 Изменение качества материалов при хранении и эксплуатации Пути экономии автомобильных эксплуатационных материалов 73 Список литературы 82 4 Лекция 1 Введение Цели: иметь представление: - о назначении топлив, их классификации, о зависимости между теплотворной способностью топлива и его расходом. знать: - способы получения автомобильных топлив из нефти; методику доведения топлив до норм стандарта их отчисткой и введением присадок; виды альтернативных топлив и способы их получения. Так как автомобильный транспорт потребляет значительную часть жидкого топлива, проблема экономии горюче-смазочных материалов для этой отрасли является наиболее острой. В связи с повышением роли и значения ГСМ в экономике страны, как фактора увеличения надёжности, долговечности и экономичности работы техники, возникла потребность иметь научную основу их применения. Это привело к появлению на стыке ряда научных дисциплин новой прикладной отрасли науки, получившей название "химмотология" от слов "химия", "мотор" и "логос" (наука). Химмотология - это направление науки и техники, занимающееся изучением эксплуатационных свойств и качеств топлив, смазок и специальных жидкостей, теорией и практикой их рационального применения в технике. Химмотологию сегодня рассматривают, как составную часть единой взаимосвязанной четырёхзвенной системы: конструирование и изготовление техники - разработка и производство ГСМ - эксплуатация техники - химмотология. С учётом эксплуатационных условий применения ГСМ на автомобильном транспорте эта система (двигатель - топливо - смазочное масло - эксплуатация) может быть охарактеризована следующей сложной взаимосвязью между её звеньями Один из основных разделов химмотологии - это теория и практика применения ГСМ на автомобильном транспорте, что является основным содержанием данного курса. Компоненты нефти и их влияние на нефтепродукты Нефть используется человеком очень давно. Археологи нашли остатки нефтяного промысла на берегах Евфрата за 4–6 тыс. лет до нашей эры, а известный путешественник Марко Поло около 700 лет назад при посещении Кавказа обратил внимание на «земляное масло», используемое как горючее вещество и средство для лечения верблюдов Сначала собирали нефть, скапливающуюся в углублениях на поверхности земли, а затем стали добывать из-под земли. Первую в мире скважину 5 пробурил в 1848 г. Ф. А. Семёнов – техник небольшого промысла недалеко от Баку. Нефть – жидкое горючее ископаемое от светло-коричневого до тёмно- бурого цвета со специфическим запахом, плотностью 650–1050 кг/м 3 . Нефть плотностью ниже 830 кг/м 3 называют лёгкой, 831–860 – средней и выше 860 кг/м 3 –тяжёлой. С, теплота сгорания – 43,7–46,2 МДж/кг. Температура начала кипения нефти, как правило, от +26 Атомарный состав нефти: углеводород – 82–87%, водород – 11–14%, сера – до 7%, азот и кислород – до 3%. Основа нефти – жидкие соединения углерода с водородом (углеводороды), в которых растворены твёрдые и газообразные вещества: 1. С n H 2n+2 – алканы или парафины. Это насыщенные углеводороды, т. е. отсутствуют двойные связи. Количество алканов в нефтях зависит от месторождения и составляет в основном 25–30%. В нефтях некоторых месторождений, с учётом растворённых в них газов, содержание алканов достигает 50–70%. По своей структуре алканы бывают нормального строения, например октан и изоалканы с разветвлёнными цепями (изооктан). 2. В отличие от цепочного строения (нормальные или изомерные парафины) атомы углерода могут быть замкнуты в кольцо (нафтеновые углероды). Во втором случае у каждого атома углерода две связи идут на соединение с соседними углеродными атомами, а две – с атомами водорода. Структурная формула С n H 2n , например циклогексан. 3. В нефти присутствуют и ароматические углеводороды с двойной связью в кольце – например бензол С 6 H 6 . Общая структурная формула С n H 2n- 6 Общий признак этих трёх классов углеводородов – химическая устойчивость при нормальных температуре и давлении. Непредельных углеводородов в сырой нефти нет. При переработке нефти почти всегда образуются непредельные ненасыщенные углеводороды (олефины). Это различной длины парафиновые цепи с одной или двумя двойными связями, например бутен С 4 H 8 или бутадиен С 4 H 6 :Перечисленные углеводороды весьма существенно влияют на свойства нефтепродуктов. Нормальные парафиновые углеводороды очень неустойчивы к повышенным температурам, легко окисляются и вызывают взрывное 6 сгорание (детонацию). Их присутствие в бензинах нежелательно.Изомеры (изооктан), напротив, имеют высокую детонационную стойкость. Для высокооборотных дизелей эти свойства обеспечивают оптимальный режим работы, однако их содержание в дизельных топливах ограничивают вследствие высокой температуры застывания. Нафтеновые углеводороды занимают по свойствам промежуточное положение между парафиновыми и ароматическими. Они пригодны и для бензина, и для дизельного топлива. Из-за низкой температуры застывания нафтены – основа зимних видов топлива. Ароматические углеводороды в дизельном топливе нежелательны, так как трудно окисляются, вызывая жёсткую работу двигателя. При понижении температуры их вязкость сильно возрастает. Низкомолекулярные арены (бензол и его производные) входят в состав автомобильных бензинов (в дизельном топливе нежелательны). Непредельные углеводороды очень непрочны, для них характерны реакции присоединения по месту разрыва двойной связи. Они легко окисляются, образуя смолы, органические кислоты и другие соединения. Чем выше температура и больше концентрация кислорода (летом в незначительно заполненных топливных баках), тем быстрее и интенсивнее протекают реакции окисления. Олефины склонны также к соединению нескольких молекул в одну с большей молекулярной массой (полимеризация) и присоединению отдельных молекул к исходному веществу (конденсация). В результате в топливе накапливаются высокомолекулярные смолисто-асфальтовые соединения, резко ухудшающие их свойства. Непредельные углеводороды значительно снижают стабильность (неизменность состава) нефтепродуктов, их присутствие нежелательно. По содержанию серы нефти разделяют на малосернистые – до 0,5%, сернистые 0,5–2,0% и высокосернистые – более 2%. Сера присутствует в нефти и нефтепродуктах в свободном состоянии и в виде химических соединений. Элементарная сера, находясь в растворённом или взвешенном состоянии, способна вызывать сильную коррозию металлов даже при низких температурах. Сероводород (газ с неприятным, резким запахом) хорошо растворяется в воде и в значительно меньшей степени в углеводородах, на чём основано его удаление из нефтепродуктов. В присутствии воды он обладает свойствами слабой кислоты и способен замещать свой водород на металлы, активно корродируя их. 7 Меркаптаны RSH ввиду наличия атома водорода действуют на металлы аналогично. Элементарная сера S, сероводород H 2 S и меркаптаны RSH относятся к активным сернистым соединениям способным корродировать металлы при нормальных условиях. Неактивные сернистые соединения (в основном сульфиды углеводородов) при нормальных условиях металлы не корродируют. Но при полном сгорании в двигателе они образуют сернистый SO 2 и серный SO 3 ангидриды. При взаимодействии с водой получаются сернистые и серные кислоты, чрезвычайно агрессивные. Кислоты воздействуют на конструкционные материалы двигателя, а попадая в атмосферу, образуют мельчайшие капельки, которые переносятся ветром на большие расстояния, вызывая кислотные дожди. Смолисто-асфальтовые вещества содержатся как в нефти, так и в нефтепродуктах, особенно тяжёлых. Они вызывают отложения в системе смазки, лако- и нагарообразование. Другие соединения имеются в нефти в весьма незначительных количествах и заметного влияния на свойства топлив и смазочных материалов не оказывают. Получение нефтепродуктов Получение нефтепродуктов из нефти ведётся по двум направлениям: прямая перегонка (дистилляция) и деструктивная переработка. Сначала нефть подвергали только дистилляции, сейчас этот способ переработки называют первичным или физическим. При этом средний выход бензиновых компонентов колеблется в зависимости от состава нефти от 15 до 25%, а на долю остальных топлив обычно приходится 20–30% получаемых дистиллятов. В связи с ростом потребления горюче-смазочных материалов русскими учёными (А. А. Летний – 1875 г., В. Г. Шухов – 1891 г. и др.) были разработаны методы вторичной или химической переработки, позволившие значительно увеличить выход нефтепродуктов – до 55–60% от общего количества переработанной нефти. Прямая перегонка нефти 8 Для получения компонента нефти – керосина – русские мастеровые братья Дубинины в 1823 г. построили простейшую нефтеперегонную установку, Рис.Нефт еперегонная установка братьев Дубининых, 1823 г.: 1 – нефть, 2 – вода, 3 – керосин Принцип действия дистиллятора основан на разных температурах кипения углеводородов с различной молекулярной массой. Вначале закипают и выкипают наиболее лёгкие дистилляты, затем более и более тяжёлые. Причём при достижении температуры кипения какого-либо углеводорода, рост температуры до его полного выкипания прекращается. Тепло идёт на испарение. Повышение количества подводимого тепла вызывает более бурное кипение. При температуре от 30 до 200 о С отбирают бензиновую фракцию (группу дистиллятов), от 200 до 300 о С – дизельную. Остаток после перегонки – мазут (около 80%) подают в дистилляционную колонну, в которой поддерживают разрежение. При пониженном давлении температура кипения понижается, что упрощает технологический процесс. Прямая перегонка нефти при атмосферном и пониженном давлении называется атмосферно-вакуумной перегонкой. В результате вакуум-перегонки получают соляровые фракции и полугудрон. Соляровый дистиллят (температура кипения 280…300 о С) является сырьём для получения химическим способом бензинов, а также дистиллятных масел: индустриальных, цилиндровых, моторных и т. д. 9 Прямая перегонка является первичным и обязательным процессом переработки нефти. Практически она осуществляется испарением нефти в трубчатой печи при нагреве до 300…350 о С (рис. 1.2). Затем нефть подаётся в среднюю часть ректификационной колонны. Жидкий остаток стекает вниз, а углеводородные пары поднимаются вверх и конденсируются на ректификационных тарелках. Эти тарелки установлены по высоте колонны. На нижних конденсируются тяжёлые углеводороды, более лёгкие – на последующих, выше. Газообразные углеводороды отводятся из верха колонны. В атмосферной ректификационной колонне получают топливные дистилляты. После перегонки остаётся мазут, который может подвергаться дальнейшему разделению, либо использоваться для вторичной переработки. Испарение мазутов осуществляют в вакуумных трубчатых установках, а их разделение – в вакуумных ректификационных колоннах. В верхней части вакуумной колонны конденсируются соляровые фракции, ниже – масляные, идущие на приготовление товарных масел. Жидкий остаток наиболее тяжёлых фракций мазута – полугудрон или гудрон – собирается в нижней части вакуумной колонны. 10 Деструктивная переработка нефти При деструктивной (вторичной, химической) переработке дистиллятов, полученных атмосферно-вакуумной перегонкой, применяют методы химической переработки тяжёлых нефтепродуктов. Тяжёлые углеводороды при изменении трёх основных составляющих процесса температуры, давления и катализаторов расщепляются на более лёгкие, в том числе и бензиновые фракции. Первая промышленная установка, в которой был реализован разработанный русскими исследователями метод расщепления высоко- молекулярных углеводородов, была построена не в России, а в США, и поэтому метод получил название крекинг-процесс. Крекинг в переводе с английского означает «расщепление, растрескивание». В зависимости от вариации давления, температуры и катализаторов различают следующие основные способы вторичной (деструктивной) переработки нефти [3]: 1. Каталитический крекинг позволяет перерабатывать соляровую фракцию, получаемую в результате вакуумной перегонки. Она представляет собой смесь углеводородов с числом атомов углерода от 16 до 20. Процесс происходит при температуре 450…550 о С и давлении 0,07–0,3 МПа. В качестве катализатора обычно применяют алюмосиликаты (75–80% окиси кремния и 10–20% окиси алюминия). С помощью каталитического крекинга получают бензин с октановым числом до 85 ед. и керосино-газойлевые фракции, используемые в качестве дизельного топлива. Возможно получение бензинов с более высоким октановым числом – до 98, но необходимо использовать более дорогие катализаторы – алюмомолибденовые или алюмоплатиновые. Давление 3 МПа. При термическом крекинге образуется много ненасыщенных углеводородов – олефинов. Эти бензины имеют низкую химическую стабильность и невысокую детонационную стойкость. Этот процесс сейчас не применяют. 2. Гидрокрекинг происходит при давлении до 20 МПа и температуре 480…500 о С, в среде водорода с катализатором, что исключает образование ненасыщенных углеводородов. Химическая стабильность продукта высокая. Сырьё – полугудрон. 3. Каталитический риформинг применяют для повышения качества бензина прямой перегонки. Процесс идёт в присутствии водорода при температуре 460…510 °С и давлении 4 МПа. При этом идёт перестройка молекул и образование ароматических углеводородов (бензола, толуола, 11 ксилолов и др.) из алканов и нафтенов, что повышает детонационную стойкость горючего. 4. Коксование тяжёлых фракций процессов крекинга проводят при температуре 550 °С и атмосферном давлении. При этом образуются кокс, газо-образные углеводороды и жидкая фракция, из которой извлекают бензин. 5. Синтезирование побочных газообразных продуктов кренинга и коксования проводят с целью получения высокоактивных компонентов – изооктана, алкилата, алкилбензола, метилтретичнобутилового эфира и других нефтепродуктов, используемых в качестве добавок для улучшения качества бензинов. 12 Получение горючего Горючее для современных двигателей – бензин и дизельное топливо – представляет собой смесь различных углеводородов и добавляемых веществ – присадок, значительно повышающих качество. Именно смесь различных веществ может обеспечить легкий запуск и бесперебойную, экономичную работу мощных и высокооборотных современных двигателей на всех режимах. Получаемые компоненты топлив содержат различные нежелательные примеси, от которых необходимо избавиться. Поэтому все получаемые нефтепродукты подвергают очистке. Очистка является заключительной стадией подготовки базовых продуктов. Их необходимо очистить от избытка сернистых соединений, органических кислот, смолисто-асфальтеновых веществ и застывающих при высоких температурах парафиновых и некоторых циклических углеводородов. Гидроочистка применяется для удаления сернистых, азотистых, кислородных, металло-органических и непредельных соединений. В процессе гидроочистки соединения, содержащие серу, азот или кислород при реакции с водородом переводят в газообразные, легко удаляемые продукты. Гидроочистку проводят при температуре 300…430 °С и давлении 5–7 МПа в присутствии водорода и катализатора. Гидроочистку применяют для обессеривания дизельных топлив, а также при подготовке сырья для некоторых вторичных процессов переработки нефти. Карбоновые кислоты нейтрализуют щёлочью с последующей промывкой водой для удаления солей и сушкой для удаления остатков воды. Смолы удаляют обработкой серной кислотой, а затем последовательно промывают щелочным раствором и чистой водой, после чего производят сушку. Застывающие при сравнительно высоких температурах парафины и нафтены удаляют, используя различные методы депарафинизации. При производстве дизельных топлив зимних марок распространение получила карбамидная депарафинизация. Топливо смешивают с карбамидом (мочевиной) (NH 2 ) 2 CO. В результате реакции с парафинами образуются нормального строения кристаллические комплексы, выпадающие в осадок. После фильтрации 13 дизельное топливо может сохранять текучесть даже до минус 60 °С. Фильтрацию производят на специальных фильтрах – прессах. Топлива, прошедшие очистку и отвечающие требованиям по фракционному составу обеспечивают работу современных высокофорсированных двигателей. Вопросы для самопроверки 1 Какими направлениями занимается химмотология, как наука и как область практической деятельности? 1 Что представляет собой четырёхзвенная система: топлива - смазочные материалы - двигатели - эксплуатация? 2 Каким образом классифицируются автомобильные эксплуатационные материалы? 14 Лекция 2. Автомобильные бензины Цели: иметь представление: - о назначении бензина и его агрегатном состоянии; - о температурах кипения нефтяных фракций; знать: - свойства, влияющие на подачу топлива и смесеобразование, на процесс сгорания бензина и образование отложений; факторы, влияющие на коррозийность; марки бензинов и их применение; Сгорание топлива в двигателе Под "сгоранием" применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и содержащихся в топливе соединений с кислородом воздуха, сопровождающуюся свечением и выделением значительного количества тепла. На процесс сгорания в значительной степени влияет количество подаваемого воздуха. Количество воздуха L0 в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Отношение действительного количества L воздуха к стехиометрическому называют коэффициентом избытка воздуха . = L / L0, (2.1) Как недостаток (<1, богатая смесь), так и избыток (>1, бедная смесь) воздуха приводит к уменьшению скорости горения и снижению эффективности тепловых процессов. Обогащение топливо-воздушной смеси, помимо этого, приводит к повышению токсичности отработавших газов двигателя. Одной из важнейших характеристик топлива является теплота его сгорания. Теплота сгорания (теплотворность, теплотворная способность) - количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объёма топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. За высшую теплоту сгорания НВ принимают всё тепло, выделившееся при сгорании 1 кг топлива, включая количество тепла, которое выделяется при конденсации паров воды. При определении низшей теплоты сгорания НН тепло, выделяющееся при конденсации паров воды из продуктов сгорания, не учитывается. Оценивая теплоту сгорания топлива, обычно пользуются значениями низшей теплоты сгорания. Теплота сгорания топлива влияет на топливную экономичность: чем она выше, тем меньше топлива содержится в 1 м 3 смеси, так как с увеличением 15 теплоты сгорания топлива возрастает количество воздуха, теоретически необходимого для его полного сгорания. Структуру процесса сгорания топлива можно представить, как две фазы образование очага горения (участок 1-2 и образование пламени (участок 2- 3). Первая фаза - период скрытого сгорания или период задержки воспламенения характеризуется более интенсивной подготовкой рабочей смеси к сгоранию, чем в период сжатия. Вторая фаза - непосредственное сгорание (сопровождается более быстрым, чем при чистом сжатии, повышением давления) продолжается до максимального подъёма давления и обычно заканчивается спустя несколько градусов после верхней мёртвой точки. Скорость сгорания при нормальном развитии процесса зависит от следующих основных факторов: химического состава топлива; количества топлива; соотношения количества топлива и воздуха; количества остаточных газов в цилиндре; температуры рабочей смеси в момент подачи искры; давления рабочей смеси в момент подачи искры; конструкции камеры сгорания; степени сжатия; частоты вращения коленчатого вала. При нормальном сгорании процесс проходит плавно с почти полным протеканием реакций окисления топлива и средней скоростью распространения пламени 10 - 40 м/с. Рисунок 1- Диаграмма процесса сгорания в двигателе с зажиганием от искры Когда скорость распространения пламени резко возрастает (почти в 100 раз) и достигает 1500 - 2000 м/с, возникает детонационное сгорание, характеризующееся неравномерным протеканием процесса, скачкообразным изменением скорости пламени и возникновением ударной волны. 16 Согласно перекисной теории (она в настоящее время общепризнанна), при детонации образуются первичные продукты окисления топлива - органические перекиси. При присоединении молекулы кислорода к углеводородам по С - С связи образуется перекись, по С - Н связи - гидроперекись. Перекиси, образующиеся в процессе предварительного окисления, накапливаясь в несгоревшей части рабочей смеси, распадаются (по достижении критической концентрации) со взрывом и выделением большого количества тепла. Детонация приводит к потере мощности двигателя, его перегреву, прогару поршней, клапанов и поршневых колец, нарушению изоляции свечей, растрескиванию вкладышей шатунных подшипников, повышению токсичности отработавших газов. Когда детонирует около 5 % смеси, появляются внешние признаки детонации. Если детонирует 10 - 12 % смеси, наблюдается детонация средней интенсивности. Очень сильная детонация характерна для 18 - 20 % детонирующей смеси |