Классификация эксплуатационных материалов
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРОИЗВОДСТВО
Создание поршневого двигателя послужило причиной появления сложных задач, связанных с применением топлив и смазочных масел. Решать эти практические задачи призвана одна из прикладных отраслей науки - химмотология.
Химмотология - наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, смазок и специальных жидкостей.
Основными специфическими понятиями химмотологии являются:
· эксплуатационные свойства
· химмотологические процессы.
Эксплуатационные свойства - это объективная особенность эксплуатационного материала, которая характеризуется совокупностью физико-химических свойств, обуславливающих протекание какого-либо химмотологического процесса, и проявляется при его производстве, транспортировании, хранении и применении.
Эксплуатационные свойства характеризуются совокупностью физико-химических свойств, которые в свою очередь зависят от показателей качества эксплуатационных материалов.
Показатели качества эксплуатационных материалов:
· класса чистоты,
· содержания примесей,
· температуры помутнения, застывания, вспышки,
· динамической и кинематической вязкости,
· коэффициента трения, теплопроводности,
· предела прочности и других).
Химмотологические процессы:
· подачи,
· испарения,
· воспламенения,
· горения,
· коррозии,
· образования отложений,
· трения, изнашивания,
· охлаждения и другие.
Признаки химмотологических процессов при их классификации не имеют строгих ограничений. Перечень этих процессов может изменяться со временем, в связи с разработкой и внедрением новых топлив и смазочных материалов.
Современные топлива, смазочные масла, основы пластичных смазок и специальные технические жидкости являются в основном продуктами переработки нефти.
Нефть
· маслянистую горючую жидкость,
· темного цвета, со своеобразным запахом.
· плотность нефти составляет 0,8...0,87 г/см3.
· температура кипения нефти колеблется в широких пределах 70...25О °С.
· теплотворная способностью -42 тыс. кДж/кг (использование нефти в качестве энергетического сырья связано с ее максимальной теплотворной способностью для минеральных топлив, в то время как теплотворная способность торфа составляет 10,5 тыс. кДж/кг, а каменного угля - 21 тыс. кДж/кг.)
Состав нефти:
1. углерод (83...87 %)
2. водород, содержание которого обычно колеблется от 12 до 14 %.
3. сера – 0,5…2 %, в зависимости от содержания серы нефти делятся на
§ малосернистые (до 0,5 %),
§ сернистые (0,5...2 %)
§ высокосернистые (свыше 2 %).
4. азот, кислород, фосфор, ванадий, никель, железо.
Углерод и водород в нефти содержится в виде углеводородов, отличающихся исключительным разнообразием, изменчивостью состава и строения.
Углеводороды по соотношению углерода и водорода делятся на три большие группы:
§ парафиновые (алканы),
§ нафтеновые
§ ароматические.
Существенную часть в нефти составляют смолы и асфальтены, представляющие собой вещества тёмного цвета, содержащие помимо углерода и водорода еще и кислород, азот, серу.
Содержание смол - может достигать 60 % от массы нефти,
Содержание асфальтенов - 16 %.
Зная химический состав нефти, можно правильно оценивать возможное и целесообразное направление ее переработки.
Основы переработки нефти
Впервые переработку нефти на заводской установке, представляющей собой перегонный куб периодического действия, осуществили русские крепостные братья Дубинины в 1823 г.
Прежде чем нефть поступает на переработку, она подвергается специальной подготовке в целях удаления из нее воды вместе с растворенными солями.
В современных условиях первичная переработка нефти проводится на нефтеперерабатывающих установках (рис. 4.1), состоящих из трубчатой печи, ректификационной колонны, холодильника, теплообменника, конденсатора-газоотделителя, испарительной колонны и насоса.
Процесс разделения нефти на топливные, а мазута на масдистилляты происходит следующим образом.
Подаваемая насосом нефть под давлением около 1 МПа проходит через теп-обменники дистиллятов и поступает в небольшую испарительную колонну, откуда легкокипящая часть нефти идет в ректификационную колонну, а основная масса поступает в трубчатую печь. Нефть, проходя по змеевику, плавно нагревается топочными газами, движущимися сверху вниз, до температуры 330...350 °С, а затем частично испаряется. Смесь паров нефти и неиспарившейся ее части из змеевика трубчатой печи поступает в ректификационную колонну.
Легкокипящие фракции в паровой фазе достигают верха колонны и вместе с испарившимся оросителем отводятся из колонны в конденсатор-газораспределитель, где одна часть их переходит в жидкую фазу, а другая остается газообразной.
Более тяжелые топливные фракции отводятся из колонны через холодильники и отбираются при температуре дистиллята:
§ бензиновый - 40...205 °С,
§ керосиновый - 140...300 °С,
§ газойлевый - 230...250 °С.
В остатке получается мазут, который далее используется в качестве сырья для получения масляных дистиллятов по аналогичной схеме.
При разгоне мазута на ректификационной колонне получаются из легкокипящих фракций маловязкие смазочные масла типа индустриальных, из высококипящих — средние и тяжелые масла, в том числе и моторные.
Этот способ переработки нефти называется физическим.(процесс протекает без нарушения структуры углеводородов конечного продукта и исходного сырья.)
Для увеличения количества и качества получаемых продуктов нефть подвергается деструктивной переработке за счет изменения структуры углеводородов высокомолекулярного исходного сырья. Этот способ называется химическим.
Основными методами деструктивной переработки нефти являются
§ термический и
§ каталитический крекинги.
Термический крекингпредусматривает переработку сырья при температуре 450...500 °С и давлении 2...5 МПа. Под действием температуры и давления сложные молекулы сырья расщепляются на менее сложные, входящие в состав бензина и газа.
Сырьем термического крекинга являются тяжелые остатки от перегонки нефти.
Впервые патент на процесс термического крекинга и установку по химической переработке нефти получил в 1891 году русский инженер В.Г. Шухов.
Каталитический крекингпротекает при температуре 430...530° С и атмосферном давлении (в отличии от термического крекинга, где давления достаточно высокие) при наличии катализатора, который способствует образованию в составе получаемого бензина наиболее желательных углеводородов.
Сырьем для каталитического крекинга является вакуумный дистиллят, получаемый при первичной перегонке нефти, а также дизельные фракции, газойли коксования термического крекинга и гидрокрекинга.
В качестве катализатора применяют алюмосиликаты.
Впервые каталитический крекинг в промышленных масштабах был реализован Э. Гудри в 1936 году.
В последние годы широкое распространение получил
риформинг - процесс преобразования линейных и нециклических углеводородов в бензолоподобные ароматические молекулы. Ароматические углеводороды имеют более высокое октановое число, чем молекулы других углеводородов, и поэтому они предпочтительней для производства современного высокооктанового бензина.
При термическом риформинге, как и при каталитическом крекинге, основная цель состоит в превращении низкооктановых бензиновых компонентов в более высокооктановые. Процесс обычно применяется к парафиновым фракциям прямой перегонки, кипящим в пределах 95...205° С. Более легкие фракции редко подходят для таких превращений.
Два основных вида риформинга - термический и каталитический.
В первом соответствующие фракции первичной перегонки нефти превращаются в высокооктановый бензин только под воздействием высокой температуры; во втором преобразование исходного продукта происходит при одновременном воздействии как высокой температуры, так и катализаторов.
Если бензин является предпочтительным продуктом, то почти весь риформинг осуществляется на платиновых катализаторах, нанесенных на алюминийоксидный или алюмосиликат-ный носитель.
Все большее распространение получает гидрокрекинг -процесс каталитической переработки нефтяных фракций и остаточных продуктов дистилляции нефти (мазута, гудрона) под давлением водорода в целях получения бензина, дизельного топлива и топлива для реактивных двигателей. Гидрокрекинг осуществляется при температуре 260...450 °С и давлении 5...20 МПа на цеолитсодержащих катализаторах.
Для улучшения качества топлива и масла подвергаются очистке. Снижение кислотности, удаление сероводородов и уменьшение содержания меркаптанов достигаются щелочной очисткой топлива.
Для повышения химической стабильности топлива к нему добавляют антиокислительные присадки (ингибиторы).
Для удаления вредных компонентов из масел они подвергаются депарафицизации, кислотной или селективной очистке, доочистке отбеливающими землями, гидрогенизационной очистке.
Остальные продукты, кроме того, подвергаются деасфальтизации, т. е. удалению асфальтосмолистых веществ. Для улучшения свойств базовых масел к ним добавляют различные присадки.
В настоящее время промышленностью выпускается широкая гамма товарных сортов продукции как нефтяного происхождения, так и полученной синтетическим путем.
Классификация эксплуатационных материалов
ТОПЛИВА ДЛЯ ДВС
На современных серийных машинах в основном устанавливаются двигатели двух типов - бензиновые и дизельные, которые различаются между собой системами подачи топлива, процессами его смесеобразования и сгорания.
У бензиновых двигателей топливо подается в цилиндры в виде готовой смеси с воздухом. Смесеобразование происходит в карбюраторе путем ввода распыленного топлива в струю поступающего в цилиндр воздуха. Топливовоздушная смесь сжимается поршнем и воспламеняется от электрической свечи.
В дизелях в цилиндры поступает, а затем сжимается только чистый воздух, необходимый для горения. Топливо подается отдельно форсункой при подходе поршня к верхнему крайнему положению. К этому моменту давление воздуха в цилиндре достигает З...3,5 МПа, а температура 500...600 °С. Топливо в таких случаях самовоспламеняется без постороннего источника воспламенения.
Внедрение систем впрыска бензина в серийные автомобили началось в 60-е годы, когда впервые возникла необходимость снизить токсичность отработавших газов. Вначале это были чисто механические системы, в которых количество впрыскиваемого топлива напрямую зависело от степени открытия дроссельной заслонки. С развитием электротехники на смену механическим системам пришли электронные.
В зависимости от количества форсунок и места подачи топлива системы впрыска делятся на три типа - одноточечный, многоточечный и непосредственный.
В инжекторных системах питания требования к качеству используемого топлива более высокие, чем в карбюраторных системах.
АВТОМОБИЛЬНЫЕ БЕНЗИНЫ
Автомобильные бензины являются смесями бензиновых дистиллятов прямой перегонки, термического крекинга, платформинга и каталитического крекинга. По мере совершенствования процессов каталитического крекинга и риформинга доля дистиллятов этих процессов в автомобильных бензинах увеличивается за счет снижения доли дистиллятов прямой перегонки и термического крекинга.
Это бесцветная жидкость с пределами кипения 40...205 °С и плотностью 700...780 кг/м3.
Существуют и синтетические бензины - синтины, которые получаются из оксида углерода и водорода, а также гидрогенизации углей и переработкой сланца. Однако из-за большой стоимости получения широкого применения они не получили.
Качество топлива является одним из важнейших факторов, обусловливающих технико-экономические показатели двигателя и машины в целом. Поэтому оно должно обладать определенными эксплуатационными свойствами. Эти свойства регламентируются требованиями, т.е. значениями ряда физико-химических показателей, закрепленных в соответствующих ГОСТ.
Для топлива, применяемого в бензиновых двигателях, можно выделить следующие основные эксплуатационные свойства:
· карбюрационные свойства;
· детонационная стойкость;
· теплотворная способность;
· склонность к образованию отложений;
· химическая стабильность;
· коррозионные свойства;
· небольшие стоимость и токсичность.
Карбюрация - процесс приготовления в карбюраторе смеси горючего с воздухом (рабочей смеси).
Карбюрационные свойства бензина оказывают существенное влияние на надежное и качественное образование горючей смеси, что во многом определяет полноту сгорания бензина и в целом экономичную работу двигателя. Смесеобразование при различных условиях эксплуатации двигателя зависит, прежде всего, от плотности, вязкости и испаряемости бензина.
Плотность влияет на массовое количество подаваемого в смесительную камеру бензина и на его уровень в поплавковой камере. Увеличение плотности против нормального значения вызывает всплывание поплавка, что затрудняет подачу бензина в смесительную камеру. Уменьшение плотности может вызвать переливание бензина через жиклеры даже при неработающем двигателе. Изменение плотности более чем на 60...80 кг/м3 вызывает необходимость в регулировке положения поплавка.
Вязкость влияет на объемную скорость протекания бензина через жиклеры. Для компенсации последствий изменения вязкости в связи с сезонными изменениями температуры необходимо своевременно регулировать проходное сечение жиклера.
Испаряемость зависит от фракционного (химического) состава топлива, в физическом смысле - его способности переходить из жидкого в газообразное состояние и влияет на образование горючей смеси. В двигателе горючее сгорает, только находясь в газообразном состоянии, поэтому сгоранию должно предшествовать его полное испарение и качественное перемешивание образовавшихся паров с воздухом.
Испаряемость бензина оценивается фракционным составом, характеризующим температурные пределы выкипания его отдельных частей (фракций).
От фракционного состава зависят легкость и надежность пуска, длительность прогрева, приемистость и другие эксплуатационные показатели двигателя.
На рис. 4.3 показана кривая фракционной разгонки автомобильного бензина марки А-76. Стандарты на бензины предусматривают обязательное определение температуры начала кипения, температуры выкипания 10, 50 и 90 % бензина и температуры конца его кипения (98 %).
Давление его насыщенных паров показывает наличие в бензине растворенных газов и легкоиспаряющихся фракций.
С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает. Чем выше давление насыщенных паров, тем лучше испаряемость горючего, тем меньше тепла потребуется для испарения при образовании горючей смеси. Вместе с тем использование горючего с высоким давлением насыщенных паров также недопустимо, поскольку это приводит к образованию паровых пробок, снижению наполнения цилиндров и т.д. Поэтому ГОСТ регламентирует значения давления насыщенных паров для летних и зимних сортов бензина.
Теплотворная способность (наибольшая теплота сгорания) является важнейшим эксплуатационным свойством бензина. Сгорание представляет собой окислительный процесс соединения горючего с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением значительного тепла и излучением света. Процесс сгорания определяет мощностные и экономические показатели двигателя, а характер его протекания существенно влияет на надежность и долговечность двигателя.
Теплота сгорания горючей смеси, поступающей в двигатель, зависит от общего коэффициента избытка воздуха. Вычисление теплоты сгорания смеси при различных значениях коэффициента избытка воздуха и полноты сгорания проводится по формуле
Коэффициент избытка воздуха а представляет собой отношение массы воздуха, расходуемого двигателем, к массе воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива.
Рабочая смесь в пределах воспламеняемости может быть теоретической или нормальной (при а= 1), бедной (при а > 1) или богатой (при а < 1).
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг бензина различных сортов составляет около 12,5 кг при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С.
Высший предел воспламеняемости - не менее 5 кг воздуха на 1 кг топлива - при таком содержании паров горючего в воздухе, когда дальнейшее обогащение смеси делает ее невоспламеняемой. (а - 0,45...0,5)
Низший предел - до 20 кг воздуха на 1 кг топлива - при недостатке паров горючего в воздухе, когда дальнейшее обеднение смеси делает ее невоспламеняемой. (а = 1,35... 1,4)
В обычных условиях двигатели работают на слегка обедненной горючей смеси при а = 1,05... 1,15, что обеспечивает полное сгорание горючего и создает наиболее экономичный режим.
Детонационная стойкость - способность топлива сгорать с нормальной скоростью.
Различают нормальное сгорание - скорость распространения пламени - 20...40 м/с, и детонационное сгорание - достигая 1500...2000 м/с.
Детонационная волна, ударяясь о стенки камеры сгорания, многократно отражается от них в виде ударных волн, что вызывает вибрацию деталей двигателя. В результате взрывного горения часть горючего не успевает полностью сгореть и выбрасывается в атмосферу, при этом мощность двигателя падает.
Лучшей детонационной стойкостью обладают ароматические и изопарафиновые углеводороды, худшей - парафиновые углеводороды нормального строения. Ненасыщенные и нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение.
Таким образом, можно сделать вывод, что в состав высококачественных бензинов должны входить изопарафиновые и ароматические углеводороды, обладающие наивысшей детонационной стойкостью.
Способность горючего противостоять детонации (детонационная стойкость) оценивается октановым числом (ОЧ), которое определяется двумя методами: моторным и исследовательским. Различаются они режимом проведения испытаний.
Октановое число бензина есть условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная процентному (по объему) содержанию изооктана в смеси его с нормальным гептаном, эквивалентным по детонационной стойкости испытуемому горючему.
Сущность определения октанового числа сводится к сравнению на моторных установках ИТ-9-1, ИТ-9-М испытуемого бензина с эталонными сортами горючего, которые составляются путем смешивания двух химически чистых углеводородов: изооктана и нормального гептана. Изооктан детонирует только при высокой степени сжатия; его детонационная стойкость принимается равной 100 октановым единицам. Нормальный гептан обладает плохими антидетонационными свойствами; его октановое число принимается за нуль.
Например, если смесь состоит из 76% изооктана и 24% нормального гептана, то считается, что октановое число бензина равно 76.
Октановое число характеризует детонационную стойкость горючего на бедных смесях. Чем выше октановое число, тем лучше детонационная стойкость горючего.
Исследовательским методом детонационную стойкость бензина определяют на установке ИТ9-6 в режиме работы легкового автомобиля при его движении в условиях города. В этом случае в марку бензина включают букву «И», например, АИ-95 — автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не менее 95.
Разница в ОЧ, определенных по исследовательскому и моторному методам, составляет 7-10 единиц (при исследовательском методе величина ОЧ выше).
Октановое число, приближенно соответствующее ОЧ по исследовательскому методу, может быть определено по формуле:
где: t ср — средняя температура разгонки топлива, 'С; р20 — плотность топлива при температуре +20 *С.
Среднюю температуру разгонки топлива определяют по формуле:
где: t НР — температура начала разгонки топлива, 'С; t КР — температура конца разгонки топлива, 'С.
Применение на двигателях бензинов с более высокими октановыми числами позволяет:
· увеличить степень сжатия двигателя,
· что при прочих равных условиях обеспечивает более высокую мощность
· и лучшую экономичность.
Однако ресурсы получения высокооктановых бензинов ограничены, а стоимость высока.
Антидетонаторы
В топлива, антидетонационные свойства которых не соответствуют эксплуатационным требованиям, добавляют высокооктановые компоненты (бензол, этиловый спирт) или антидетонаторы. Самые дешевые из них — тетраэтилсвинец (ТЭС) или тетраметилсвинец (ТМС) в составе этиловой жидкости.
Тетраэтилсвинец РЬ(С2Н5)4 представляет собой тяжелую маслянистую бесцветную и очень ядовитую жидкость, легко растворяющуюся во всех нефтепродуктах и не растворяющуюся в воде (плотность 1652 кг/м3, ). Тетраметилсвинец РЬ(СН3)4 имеет более низкую температуру кипения (110°С) и более высокое давление насыщенных паров. В чистом виде тетраэтилсвинец не применяют, так как это приводит к отложению окислов свинца в камере сгорания, на клапанах и поршневых кольцах и даже выходу двигателя из строя. Поэтому в бензин вводят этиловую жидкость, представляющую собой смесь ТЭС с выносителями и красителями. В зависимости от химического состава бензина при добавлении этиловой жидкости 0Ч увеличивается на 8-12 единиц. Наибольший эффект дает добавление антидетонатора в количестве 0,5-1,0 г/кг топлива.
Этилированные бензины являются источником свинцовых загрязнений окружающей среды и препятствием к использованию каталитических систем нейтрализации отработавших газов на автомобилях, так как их каталитическая основа быстро разрушается оксидами свинца. Поэтому, несмотря на высокие антидетонационные свойства ТЭС, поиск и разработка новых, в частности, менее токсичных антидетонаторов продолжается.
Антидетонационная присадка на основе метилтретбутилового эфира (МТБЭ) не ядовита, отличается более высокой теплотой сгорания, хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, не агрессивна к конструкционным материалам. При добавке 10 % МТБЭ октановое число бензинов повышается на 2,1-5,8 единиц (по исследовательскому методу), при добавке 20 % — на 4,6-12,6 единиц. Кроме того, при введении МТБЭ в бензин в количестве 11 процентов минимальная температура холодного пуска двигателя снижается на 10-12 °С. Максимально допустимое содержание МТБЭ (ТУ 38.103704-90) или его смеси «Фетерол» (ТУ 301-03-130-93) в отечественных бензинах составляет 15 %.
В качестве антидетонационных присадок применяют также составы, содержащие марганец и железо. Они имеют высокие антидетонационные свойства и менее токсичны по сравнению с ТЭС.
Однако бензины с марганцевыми антидетонаторами (ЦТМ, МЦТМ) образуют повышенные отложения на поверхностях свечей зажигания и катализаторах дожигателя, снижая эффективность их работы. Кроме того, соединения марганца при вдыхании обладают нейротоксичным действием и при массовом применении в местах скопления автомобилей на закрытых стоянках или в ремонтных зонах могут превысить предельно допустимую концентрацию. Поэтому их применение ограничено Межведомственной комиссией (МВК) при Госстандарте РФ по времени и не должно носить массового характера.
Железосодержащие присадки (ферроцены) не токсичны, сравнительно дешевы и эффективны, но вызывают повышенный износ деталей двигателей, интенсивное нагарообразование и отложение лаковых пленок.
Исходя из постоянно возрастающих требований к надежности и экологическим характеристикам двигателей, этилированный бензин признан несоответствующим по техническому уровню стандарту EN 228, и его производство в России и других странах мира прекращено.
Применение бензинов с металлосодержащими присадками рассматривается как временная альтернатива этилированным бензинам. Производство высококачественных неэтилированных бензинов позволит отечественной промышленности освоить выпуск и оборудовать все выпускаемые автомобили с бензиновыми двигателями каталитическими нейтрализаторами отработавших газов, что значительно снизит концентрацию в них токсичных компонентов.
Применение на двигателях бензина с октановым числом, меньшим требуемого, ведет:
· к возникновению детонации в цилиндрах,
· которая может вызвать перегрев двигателя,
· привести к его ускоренному износу и
· повышению расхода бензина,
· а также к нарушениям в работе двигателя
· и отказам из-за прогара прокладки головки блока цилиндров,
· детонационного разрушения днищ поршней и т. д.
Использование бензина с октановым числом, большим требуемого, приводит к увеличению теплонапряженности двигателя и возможного прогара выпускных клапанов. Кроме того, такое применение экономически невыгодно.
Частично устранить вредные последствия применения нерекомендуемого бензина можно изменением угла опережения зажигания. В первом случае угол уменьшается, во втором - увеличивается.
Другими способами подавления детонации являются прикрытие дросселя, и увеличение частоты вращения коленчатого вяла (за счет перехода на более низкую передачу).
Склонность к образованию отложений в двигателях связана главным образом с химическим составом горючего (температурные условия и качество топлива).
В процессе работы двигателя в сборочных единицах топливной системы на деталях газораспределительного механизма, на поверхностях деталей камеры сгорания отлагаются смолистые вещества различной консистенции.
Если в баке, фильтре и карбюраторе эти отложения сравнительно мягкие и липкие, то уже во всасывающем патрубке, где температура неизмеримо выше, они плотнее, а на стержнях клапанов настолько плотны, что мешают нормальной работе газораспределительного механизма (зависание клапанов). На поверхностях камеры сгорания образуется уже твердое отложение в виде нагара, который может служить причиной замыкания электродов свечей.
Весьма существенно на мощностных и экономических показателях двигателя сказывается образование в жиклерах карбюратора смолистых отложений, которые уменьшают их проходное сечение, обедняя горючую смесь.
Важной характеристикой применяемого горючего служит содержание в нем фактических смол, т. е. находящихся в горючем различных нестойких соединений (непредельные углеводороды), которые под действием времени, повышенной температуры, кислорода и других факторов переходят в смолы.
Содержание фактических смол нормируется стандартами. Если их содержание отвечает требованиям стандартов, двигатели длительное время работают без повышения смоло- и нагаро-образования.
Склонность бензина к накоплению смолистых веществ (стабильность) оценивается индукционным периодом, который характеризует способность горючего сохранять неизменный состав при правильных условиях перевозки, хранения и использования.