1. Общая характеристика топлив

1. Общая характеристика
топлив
В настоящее время основными видами топлив для ДВС являются
продукты переработки нефти (бензины, керосины дизельные топлива и
т.п.), используется также природный газ. С целью сокращения расхода
нефти ведутся разработки по применению других видов сырья в качестве
моторного топлива (спирты, уголь, водород, растительные масла и т.п.).
Топливо – это вещество, умышленно сжигаемое для получения
теплоты. Оно должно отвечать следующим требованиям:
- иметь высокую теплоту сгорания;
- легко воспламеняться;
- обладать хорошими смесеобразующими свойствами;
- иметь низкую температуру застывания;
- сохранять стабильность при транспортировке и хранении;
- иметь высокую детонационную стойкость;
- не образовывать нагара;
- не вызывать коррозию деталей двигателя;
- быть экологически безопасным;
- иметь широкое распространение в природе;
- быть дешевым при добыче и переработке.
Топливо состоит из горючей и негорючей части.
Горючая часть – смесь различных органических соединений
углерода, водорода, азота, серы и др. В нефти содержится 80 – 85%
углерода, 12 – 14% водорода, остальное примеси
Углерод – основная, горючая часть топлива. С увеличением его
содержания тепловая ценность топлива возрастает. Содержание в топливе
колеблется от 50 до 95%.
Водород – содержание в топливе 10 – 25%, теплота сгорания в
четыре раза больше, чем у углерода.
Сера выделяет при сгорании тепло, но продукты ее окисления
вызывают газовую, а при соединении с водой и жидкостную коррозию
деталей двигателя. Содержание ее в топливе по ГОСТ не должно
превышать 0,2%.
Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей (зола,
влага). Балласт бывает внешним и внутренним. Первый попадает в
топливо извне, второй входит в его химический состав.
Азот окисляется, но эта реакция идет с поглощением теплоты,
поэтому, как и кислород, он является внутренним балластом топлива.
Зола – негорючий твердый компонент, который вызывает
абразивный износ деталей двигателя.
1
Вода в основном также является нежелательным компонентом, т.к.
часть теплоты расходуется на ее испарение, в зимнее время возможно
нарушение топливоподачи из-за ее замерзания, в ее присутствии
усиливается коррозия.
Качество топлива характеризуется, прежде всего, теплотой его
сгорания. Количество теплоты, выделяемое при горении, зависит от
теплоты сгорания топлива и состава топливовоздушной смеси, который
определяется коэффициентом избытка воздуха  .
Коэффициентом  называют отношение количества воздуха
израсходованного на сжигание топлива к количеству воздуха теоретически
необходимого для полного окисления горючего (примерно 15 кг воздуха).
Значение этого коэффициента зависит от вида топлива, условий его
сжигания (температура деталей, объем смеси и т.п.), конструкции
двигателя.
Если  < 1, топлива смесь называется обогащенной. Работа
двигателя на такой смеси приводит к повышенному расходу топлива,
повышению токсичности выхлопа. Растет содержание угарного газа (СО) в
отработавших газах. С другой стороны некоторое повышение  позволяет
повысить мощность двигателя.
При  > 1 возрастают потери тепла на подогрев избыточного
воздуха, смесь горит медленнее, из-за чего снижается мощность двигателя,
но с другой стороны повышается его экономичность.
В тоже время и при  = 1 все топливо в цилиндре не успевает
сгореть ввиду сложности получения однородной по составу смеси во всем
объеме камеры сгорания.
№
1
2
3
4
Таблица 1 Теплота сгорания топлив при  = 1.
Теплота сгорания, кДж/кг. Расчетное количество
Вид топлива
воздуха, кг/кг.
Топливо
Смесь
Бензин
44000
2800
14,9
Дизельное
42700
2750
14,4
топливо
Этиловый
спирт
26000
2700
8,5
Сжиженный
водород
22000
-
-
С увеличением теплоты сгорания потребность в воздухе возрастает.
На средних и малых нагрузках двигатель работает на обедненной смеси,
что обеспечивает наиболее экономичный режим работы. На холостом
ходу, при повышенных нагрузках и при разгоне двигателя смесь
обогащается.
2
Воспламенение смеси зависит от состава и вида топлива. Например,
верхний предел воспламеняемости бензино-воздушной смеси при  = 0,45
– 0,50, нижний при  = 1,35 – 1,40.
На воспламеняемость смеси оказывают влияние температура и
давление: с их повышением увеличиваются и пределы воспламеняемости.
Для технико-экономического обоснования применения того или
иного топлива необходимо проанализировать его запасы, трудности
переработки, пригодность для тех или иных двигателей и др.
Очень важным показателем, характеризующим
трудность
переработки топлива, является к.п.д. производства – А.
А = Есг /(Есг + Епол)*100%,
(1)
где Есг - энергия сгорания топлива, Дж;
Епол – энергия, затраченная на получение топлива, Дж.
Таблица 2. Значение коэффициента А для различных топлив.
Коэффициент А,
№
Сырье
Получаемое топливо
%
Нефть
Бензин,
дизельное
1
90 - 98
топливо
Уголь
Угольный
порошок,
2
бензин,
дизельное
37 – 95
топливо, спирт
Горючие слантцы
Бензин,
дизельное
3
63 – 75
топливо
Промышленные
Горючие газы, спирт
4
95 – 100
газы
5 Биомасса
Спирт
25 – 30
Ядерная энергия
Водород,
6
азотводородные
17 - 20
соединения
3
2. Бензины и их эксплуатационные
свойства.
Бензин – почти бесцветная смесь различных углеводородов с
температурой замерзания около –600С и удельным весом 0,696 – 0,716
г/см3 при температуре 200С.
Получают бензин путем прямой перегонки нефти, крекинга и
гидрокрекинга тяжелых углеводородов, каталитического реформинга и др.
Полученные при различных процессах топливные компоненты не
используются в качестве готовой продукции. Завершающим этапом
изготовления бензина является компаундирование (смешивание)
различных компонентов и введение присадок, улучшающих те или иные
свойства топлива.
Важным фактором, от которого зависят технико-экономические
показатели двигателя (мощность, расход горючего), является качество
применяемого топлива. Поэтому оно должно обладать определенными
свойствами, которые характеризуются значениями его физико-химических
показателей (испаряемость, фракционный состав, детонационная
стойкость, кислотность и др.). Эти показатели задаются ГОСТами на
топливо. Для бензинов это ГОСТ Р 51105-97 «Топлива для двигателей
внутреннего сгорания. Неэтилированные бензины».
Воспламенение топливовоздушной смеси зависит от ее состава
(коэффициента избытка воздуха α), вида топлива, давления и температуры
в камере сгорания. При повышении двух последних расширяются пределы
воспламеняемости горючей смеси (для бензина  = 0,4 – 1,5).
За верхний предел воспламеняемости принято такое содержание
топлива в воздухе, при котором дальнейшее обогащение смеси делает ее
не воспламеняемой.
Нижний предел характеризуется недостатком топлива, при котором
дальнейшее обеднение смеси делает ее невоспламеняемой.
При увеличении нижнего предела воспламеняемости повышается
экономичность двигателя, т.к. возрастает индикаторный к.п.д
(ηi), который оценивает степень использования теплоты в реальном
рабочем цикле.
ηi = Li/(G*Hu),
(2)
где Li – индикаторная работа, МДж;
Hu – удельная теплота сгорания, МДж/кг;
G – расход топлива, кг.
4
Увеличение ηi происходит из-за снижения температуры продуктов
сгорания, степени их диссоциации, общей теплоотдачи и т.п.
Полнота сгорания топлива зависит также от скорости
распространения фронта пламени. На скорость влияют коэффициент
избытка воздуха , давление и температура смеси, частота вращения
коленчатого вала двигателя, вид горючего и др. Наибольшая скорость
сгорания при слегка обогащенной рабочей смеси (рис.1.). Отклонение от
этого соотношения приводит к значительному снижению скорости из-за
недостатка кислорода или нагрева избыточного воздуха.
Рис. 1. Зависимость скорости сгорания топливовоздушной смеси от
коэффициента избытка воздуха .
2.1. Смесеобразующие свойства топлив.
Качество топливовоздушной смеси, которое влияет на полноту ее
сгорания, зависит от конструкции и технического состояния системы
питания двигателя и физико-химических свойств топлива. Основное из
них – испаряемость, т.е. способность переходить из жидкого состояния в
газообразное. Испаряемость зависит от химического состава топлива и
характеризуется давлением насыщенных паров и фракционным составом.
В двигателе сгорает топливовоздушная смесь, поэтому
предварительно жидкое топливо необходимо испарит и перемешать пары с
воздухом в определенной пропорции. Если все топливо не испариться,
топлива жидкая его фаза не будет сгорать, что приведет к смыву смазки
образованию нагара, повышению токсичности отработанных газов (ОГ) и
т.п. Полнота испарения повышается при возрастании температуры и
относительной скорости перемещения воздуха и топлива.
Фракционный состав характеризуется температурными пределами
выкипания отдельных частей топлива – фракций. Фракция – часть топлива,
которая выкипает в определенном интервале температур.
Фракционный состав определяют путем перегонки 100 мл топлива в
специальном приборе (рис. 2.). Топливо нагревают до кипения, а затем
5
пары направляют в холодильник 3, в качестве которого используется бак с
холодной водой. Конденсат поступает в мерный цилиндр 4. При этом
фиксируется температура в емкости 1. Момент падения первой капли
считается температурой начала кипения топлива. Затем фиксируют
температуру выкипания каждых 10% топлива. Перегонку заканчивают,
когда температура в емкости после достижения наивысшего значения
начинает снижаться, обычно это происходит при выкипании 96 – 98%
топлива. Объем оставшегося в емкости топлива (остатка) замеряют
отдельно. Разность между первоначальным объемом (100 мл) и суммой
объемов в мерном цилиндре и остатка (по ГОСТ не более 1,5%) – это
потери, характеризующие летучесть топлива. По результатам испытаний
строят кривую фракционной разгонки топлива (рис. 3.).
ГОСТ на бензин предусматривает определение температур начала
кипения, выкипания 10, 50 и 90% топлива и температуру конца кипения
(выкипание 96 – 98% топлива). Знание фракционного состава позволяет
подобрать оптимальное топливо для конкретных условий работы.
Рис. 2. Прибор определения фракционного состава топлива.
1 – емкость, 2 – термометр, 3 – холодильник, 4 – мерный цилиндр.
6
Рис. 3. Кривая фракционной разгонки бензина.
1, 2, 3 – пусковая, рабочая и хвостовая фракции бензина.
Пусковая фракция (tнк – t10) – характеризует пусковые свойства
топлива, чем ниже температура выкипания этой фракции, тем легче пуск
двигателя при низких температурах и его прогрев. Для зимних сортов
бензина t10 не должна превышать 600С. Минимальная температура воздуха
(tв), при которой возможен пуск двигателя при частоте вращения 30 – 40
об/мин, без предпусковой подготовки, можно определить по эмпирической
формуле:
tв = 0,5t10 – 50,5 + (tнк – 50) /3.
(4)
Для летних бензинов
t10 не должна быть выше 700С, т.к.
температура воздуха под капотом довольно высока и легкие фракции
будут испаряться в системе топливоподачи, что может привести к
образованию паровых пробок и прекращению подачи топлива. Во
избежание этого рекомендуется применять бензин с t10
больше tв,
определенной по формуле:
t10 ≥ 0.5tв + 46,5.
(5)
Бензин с максимальной t10 должен обеспечивать легкий пуск
холодного двигателя зимой, а с минимально допустимым надежную
работу прогретого двигателя без образования паровых пробок.
Температура начала кипени бензина (tнк) должна быть не ниже 350С.
При этом уменьшаются потери легкокипящих углеводородов при
хранении и транспортировке.
Рабочая фракция (t10 – t90) характеризуется температурой выкипания
50% топлива (t50 = 100 – 120 0С). Чем однороднее состав углеводородов,
тем круче поднимается кривая разгонки в своей средней части (выкипание
идет в малом интервале температур). Это позволяет двигателю устойчиво
работать на всех эксплуатационных режимах. Увеличение t50 ухудшает
работу двигателя на переходных режимах, снижается приемистость.
Хвостовая фракция (t90 – tкк) - наиболее тяжелые углеводороды,
выкипающие при температуре 190 – 200 0С. Наличие этих фракций в
топливе нежелательно, т.к. они способствуют неполному сгоранию
топлива, что увеличивает его расход и токсичность ОГ, повышает смоло и
нагарообразование в двигателе. Оседая на стенках камеры сгорания
тяжелые углеводороды, смывают смазку и разжижают смазочное масло,
что повышает износ деталей. Чем меньше интервал t90 – tкк бензина, тем
выше качество топлива.
7
Рис. 4. Влияние температуры конца кипения бензина на его
эксплуатационные показатели: 1 - износ двигателя; 2 - расход топлива.
Давление насыщенных паров – давление, которое развивают пары
топлива, находящиеся в условиях равновесного состояния с жидкостью
при данной температуре. При повышении температуры это давление
возрастает.
Чем выше давление насыщенных паров, тем выше испаряемость
топлива (меньше теплоты требуется образования топливовоздушной
смеси). Но при чрезмерном его повышении возрастает опасность
образования паровых пробок (перебои в работе двигателя) и уменьшению
коэффициента наполнения цилиндров, что приведет к потере мощности.
При разгонке бензина на стандартном аппарате невозможно оценить
особо легкие фракции (потери при разгонке), наиболее опасные с точки
зрения образования паровых пробок, поэтому давление насыщенных паров
определяют в герметично закрытых приборах при температуре 380С.
По ГОСТ давление насыщенных паров для летних бензинов не
должно превышать 0,667 кПа, для зимних бензинов 0,667 – 0,933 кПа.
От этого давления зависит также возможность пуска двигателя (рис.
5.). При давлении ниже 0,3 кПа пусковые свойства топлива резко
ухудшаются.
Рис. 5. Зависимость температуры воздуха, при которой возможен
пуск двигателя без подготовки, от давления насыщенных паров топлива.
На качество топливовоздушной смеси и равномерность ее
распределения в карбюраторном двигателе, кроме вышеперечисленных
8
факторов, оказывают влияние также вязкость, плотность, поверхностное
натяжение и скрытая теплота испарения топлива.
Из-за наличия пленки тяжелых фракций на стенках впускного
коллектора и разного расстояния цилиндров от карбюратора в них
попадает разное количество топлива. Например, при разгоне падает
разряжение в диффузоре, тяжелые фракции испаряются хуже и смесь
обогащается легкокипящими фракциями, т.е. во впускном коллекторе
происходит фракционирование, а в цилиндр при разгоне попадает
паровоздушная смесь, т.к. она обладает меньшей инерционностью.
Следовательно, в каждом цилиндре будет разный коэффициент избытка
воздуха. В связи с этим топливо в каждом цилиндре будет несколько
разным по фракционному составу, что скажется на равномерности работы
двигателя.
Чем меньше плотность топлива, тем глубже опускается поплавок и
выше уровень топлива в поплавковой камере, что ведет к обогащению
смеси. Чем больше плотность, тем больше по весу вытекает топлива. При
снижении температуры плотность и вязкость топлива возрастают, но
вязкость играет большую роль и расход бензина через жиклер снижается
(смесь обедняется).
2.2. Детонационное сгорание топлива.
Процесс воспламенения горючей смеси это совокупность двух
процессов - зажигания и самовоспламенения. Распространение фронта
пламени по подготовленному заряду может происходить за счет
теплопроводности, либо лучеиспусканием.
При нормальном сгорании смеси сначала воспламеняется только ее
часть. В результате повышается давление, которое перемещает
несгоревшую часть впереди фронта пламени. Скорость распространения
фронта при этом 30 – 50 м/с, давление в цилиндре нарастает плавно.
Скорость возрастает при повышении давления и температуры.
Максимальное значение скорости при  = 0,95.
Окисление топлива начинается с образования перекисных
соединений. Они не стойки и обладают большой избыточной энергией.
Такие соединения образуются и при хранении топлива, но они не
накапливаются, а окисляются дальше до смолистых веществ. Чем выше
температура и давление, тем выше скорость образования перекисных
соединений, а, следовательно, и накопление их до критической
концентрации. Такие условия получаются после формирования в камере
сгорания фронта пламени. В момент, когда количество перекисей в
несгоревшей части смеси достигнет критического значения, произойдет
тепловой взрыв (детонация). В этом случае скорость распространения
фронта пламени возрастает скачкообразно до 2000 – 2500 м/с.
9
При
детонации
образуются
ударные
волны,
которые
взаимодействуют со стенками камеры сгорания, вызывая их усиленную
вибрацию. При этом возникает характерный металлический стук.
При детонации часть топлива не успевает полностью сгореть, что
приводит к дымному выхлопу. В результате взаимодействия ударных волн
с деталями двигателя на них передается большое количество тепла, что
ведет к перегреву и падению мощности (снижается термический к.п.д.
двигателя). В сочетании с ударными нагрузками перегрев приводит к
разрушению поршней, колец, клапанов, резко возрастает износ цилиндров
и вкладышей. Двигатель в целом работает неуравновешенно.
Интенсивность процесса зависит от объема детонирующего топлива.
Если он превышает 20% объема смеси, то процесс считается аварийным.
Наиболее благоприятные условия перехода к детонационному
сгоранию создаются при горении последних частей рабочей смеси.
Пути снижения детонации.
Условием не возникновения детонации является:
τфп ≤ τз,
(5)
τфп – время распространения фронта пламени, с;
τз – время задержки зажигания (самовоспламенения), с.
Для устранения детонации необходимо, чтобы время перемещения
фронта пламени до стенок камеры сгорания было меньше периода
задержки самовоспламенения рабочей смеси. К этому приводят все
мероприятия направленные на снижение температуры и давления в камере
сгорания.
1.Снижение температуры рабочей смеси (оптимизация формы
камеры сгорания, применение материалов с более высокой
теплопроводностью).
2.Уменьшение прохождения фронта пламени (применение двух
свечей зажигания).
3.Уменьшение угла опережения зажигания.
4.Повышение частоты вращения коленчатого вала. Это вызывает
усиление вихревых движений смеси, что приводит к увеличению
поверхности фронта пламени и времени на его распространение.
5.Уменьшение частоты вращения коленчатого вала , т.к. возрастает
количество остаточных газов в рабочей смеси, концентрация кислорода
снижается, что препятствует образованию перекисей.
6.Обогащение или обеднение горючей смеси. Т.к. максимальная
скорость образования перекисей при  = 0,9 – 1,1, то при обогащении
смеси не будет хватать кислорода для их образования, а при обеднении
теплота будет расходоваться на подогрев излишнего воздуха.
10
7.Впрыск воды в цилиндр. Часть тепла пойдет на ее испарение, что
снизит температуру смеси. Кроме того, водяной пар будет действовать как
инертный газ, препятствуя образованию перекисей.
8.Удаления нагара, т.к. он препятствует теплоотводу и повышает
степень сжатия.
9.Удаление накипи из системы охлаждения, которая имеет низкий
коэффициент теплопроводности.
10.Применение топлива с более высокой детонационной стойкостью.
11.Использование антидетонаторов.
Оценка антидетонационных свойств топлива.
Для определения детонационной стойкости бензинов используют
метод сравнения с известной детонационной стойкостью эталонного
топлива. Это топливо состоит из изооктана (С8Н18), детонационная
стойкость которого принята за 100 единиц и нормального гептана (С7Н16) с
детонационной стойкостью в 0 единиц. Оценочным показателем
детонационной стойкости является октановое число.
Октановое число (ОЧ) – это процентное содержание (по объему)
изооктана в искусственно приготовленной смеси с н-гептаном по
детонационной стойкости равноценное испытуемому топливу.
Для определения ОЧ существует два метода: моторный и
исследовательский. Испытания проводят на одноцилиндровом двигателе с
переменной степенью сжатия (установка УИТ-65). При этом
сопоставляется интенсивность детонации на исследуемом топливе и двух
эталонных, полученных смешением изооктана и н-гептана в требуемых
пропорциях. ГОСТом предписано, чтобы эталонные топлива отличались
по ОЧ строго на 2 единицы, исследуемое топливо должно иметь ОЧ,
лежащее между эталонными топливами.
Таблица 3. Технические условия на определение ОЧ.
Методы определения ОЧ
Моторный
Исследовательский
Показатели
(ОЧМ или МОN)
(ОЧИ или RON)
ГОСТ 511-82
ГОСТ 8226-82
Установка для испытаний
УИТ - 65
Размеры двигателя
-диаметр цилиндра, мм;
85
-ход поршня, мм.
115
Частота вращения вала, об/мин
11
Температура, град.
-охлаждающей жидкости;
-воздуха;
-смеси;
-масла в картере.
Угол опережения зажигания в
град. ПКВ.
100
40 - 50
149
50 -75
100
52
Не подогревается
50 – 75
260 при ε = 5
190 при ε = 7
130
При определении ОЧ учитывается также атмосферное давление и
делается соответствующая поправка.
Исследовательский метод лучше характеризует антидетонационные
свойства бензина при работе двигателя при малой тепловой
напряженности (городской цикл движения), а моторный в тяжелых
дорожных условиях, когда температура и давление в цилиндре возрастают.
Если ОЧ определено моторным методом, то автомобильный бензин
обозначается, например А-76 (такой бензин по детонационной стойкости
равен смеси из 76% изооктана и 24% н-гептана, хотя эти углеводороды
могут в нем и не содержаться). Если исследовательским, то в обозначении
появляется буква «И», например АИ-92.
Разность между ОЧ, определенным моторным (ОЧМ) и
исследовательским (ОЧИ) методом, называется чувствительностью
бензина. Она зависит от фракционного состава топлива и составляет
обычно 9 – 12 ед.
Топливо с ОЧ более 100 ед. получают при сравнении его с
изооктаном, в который добавлен антидетонатор.
Антидетонаторы.
Повышение ОЧ топлива возможно ряду направлений: подбор сырья;
совершенствование технологии его переработки и очистки; изменение
строения углеводородов; использование альтернативных топлив и др.
Бензин, получаемый прямой перегонкой нефти, содержит главным
образом неразветвленные углеводороды, которые склонны к детонации.
Поэтому при переработке добиваются получения более разветвленных
углеводородов, что, однако значительно повышает стоимость топлива.
Более простым и экономичным способом является использование
различных
присадок
повышающих
стабильность
топлива
–
антидетонаторов.
1.Недавно широкое распространение в качестве антидетонаторов
имели этиловые жидкости на основе тетраэтил и тетраметилсвинца (ТЭС
и ТМС). В настоящее время они применяются в ограниченном количестве
из-за их ядовитости и отрицательного влияния на детали двигателя.
12
2.Спирты (метанол, этанол и т.п.) имеют ОЧ более 100 ед. за счет
высокой срытой теплоты испарения (температура кипения метанола 65 0С),
что позволяет повысить степень сжатия двигателя, а, следовательно и его
к.п.д. Кроме того, спирты замерзают при очень низкой температуре
(метанол при –970С) и являются возобновляемыми источниками топлива.
Недостатками спиртов являются: их химическая активность
(требуют специальных РТИ и пластмасс); ядовитость (кроме этанола);
летучесть паров (малая температура кипения); гигроскопичность.
3.Метилбутиловый эфир (МТБЭ) – кислородосодержащая присадка к
топливу (до 15%) безвредна для двигателя и здоровья. Повышает ОЧ до
105 – 117 ед.
4.Диметиловый эфир (ДМЭ) механизм действия похож на
МТБЭ.общим недостатком эфиров является их гигроскопичность. При
длительном хранении топлива сама добавка улетучивается, а вода остается
в топливе.
5.Циклопентандиэтил (ЦМТ). Добавка около 0,5 мл на 1л топлива
повышает его ОЧ на 10 – 15 ед. Почти не токсичен.
6.Ферроцен (железосодержащая присадка) сравнительно дешевая
присадка к топливу, но ГОСТ ограничивает содержание железа в топливе
37 мг/100 мл.
7.Пентакарбонилферрум. общими недостатками металлсодержащих
присадок являются: некоторое снижение мощности двигателя, снижение
ресурса свечей и выпускных клапанов, повышение токсичности ОГ.
8.Бензол. По ГОСТ его содержание в топливе не должно превышать
5%, при увеличении этого количества образует много сажи в ОГ и
выделяет токсичные продукты (СО). Его антидетонационная стойкость
принята за единицу при определении повышения ОЧ добавкой
антидетонаторов. Например, у ТЭС – 240 ед.
10.Подача воды в камеру сгорания либо в виде паровоздушной смеси
во впускной коллектор, предварительно испарив ее с помощью ОГ, либо в
виде водотопливных эмульсий (ВТЭ).
Эмульсия – это система, состоящая из двух жидких фаз, одна из
которых диспергирована в виде мелких капель (0,1 – 100 мкм) в другой.
Жидкость, раздробленная на капли называется дисперсной фазой, а
жидкость, в которой находятся эти капли – дисперсной средой.
Преимуществом использования ВТЭ в двигателе является:
-снижение теплонапряженности двигателя;
-улучшаение наполнения цилиндров, т.к. горючая смесь
охлаждается;
-уменьшение содержания оксидов азота в ОГ;
-повышение ОЧ на 2 – 3 ед. при добавлении 10% воды, причем на тем
большее число, чем ниже было первоначальное ОЧ;
-снижение нагарообразования.
13
Таблица . Влияние содержания воды в бензине на ОЧ топлива,
определенного моторным методом
Марка
Чистый
+5% воды
+10% воды
+20% воды
бензина
бензин
А-76
76
77
78
81
АИ-92
85
85,5
86
88
Широкому использованию данного метода мешает:
-необходимость иметь специальные устройства для подачи воды, ее
распыления и автоматического регулирования;
-необходимость иметь запас дистиллированной воды, сравнимый с
запасом топлива;
-коррозия деталей двигателя;
-трудность хранения воды в зимних условиях.
2.3. Свойства бензинов, влияющие на образование отложений.
При работе двигателя отложения могут образоваться в системе
топливоподачи и камере сгорания. Плотность отложений зависит от
температуры, чем они выше, тем она больше. Если в баке на фильтрах,
топливопроводах они мягкие, то в жиклерах или форсунках становятся
плотными (лаковыми), а в камере сгорания образуют нагар.
Отложения уменьшают проходные сечения калиброванных
отверстий жиклеров, нарушая подачу топлива, приводят к зависанию иглы
форсунки, засоряют фильтры, мешают закрытию клапанов, что ведет к их
прогоранию, залеганию поршневых колец и т.п.
Нагар плохой проводник тепла, поэтому способствует росту
температуры в цилиндре и детонационному сгоранию топлива, кроме того,
он может работать как губка, впитывая в себя часть горючей смеси при
впрыске топлива, что ведет к перебоям в работе двигателя
(по
исследованиям BMW для этого достаточно 100 мг отложений). Отложения
на верхней части поршней полируют внутренние стенки цилиндров, что
препятствует удержанию масляной пленки на стенках, и значительно
увеличивают скорость изнашивания.
Количество и характер отложений зависят от качества топлива и
смазочного масла, технического состояния двигателя и режима его работы,
эксплуатационных условий.
Топливо не должно содержать смолистых соединений и веществ,
способствующих образованию отложений. Поэтому ГОСТ определяет
количество фактических смол, содержащихся в бензине. Количество этих
смол определяют в специальном приборе, в котором бензин, нагретый до
150 0С, помещают в заранее взвешенный стаканчик и обдувают горячим
14
воздухом до прекращения выделения паров. Затем снова взвешивают
стаканчик. Разницу даст образовавшийся осадок.
Содержание фактических смол в бензине не должно превышать:
-по ГОСТ 2084-77 – 10 мг/100мл топлива;
-по ГОСТ Р 51105-97 – 5 мг/100мл топлива.
Потенциальные смолы – это смолистые вещества, которые могут
образоваться в топливе при его хранении и транспортировке. Склонность
бензина к образованию и накоплению смолистых веществ оценивается
индукционным периодом.
Индукционный период  время, в течение которого топливо,
находящееся в условиях благоприятных для окисления, не поглощает
кислорода. Его определяют в специальном приборе, в котором 100 мл
топлива находится под давлением 0,7 МПа, температуре 100 0С в среде
чистого кислорода. Конец испытаний определяется по моменту падения
давления. Это говорит о том, что топливо начало активно поглощать
кислород, т.е. образовывать фактические смолы. Индукционный период
бензинов лежит в пределах 1000 – 1500 мин (17 – 25 ч). Чем больше этот
период, тем стабильнее топливо.
Для сохранения первоначальных качеств бензина очень важное
значение имеют условия хранения и транспортировки (температура,
степень аэрации, наличие химически активных веществ). Для снижения
смолообразования необходимо окрашивать резервуары в светлые цвета и
теплоизолировать их (предпочтительнее подземное хранение), полнее
заполнять топливом (меньше кислорода в емкости), добавлять
стабилизирующие присадки.
Гарантийный срок хранения бензина 5 лет. Ощутимое повышение
содержания фактических смол наблюдается через 1 – 1,5 года (в
допустимых пределах).
2.4.
Коррозионность бензинов.
Топливо не должно вызывать коррозию двигателя. Коррозию
вызывают входящие в топливо примеси: неорганические и органические
кислоты, щелочи, вода, соединения серы.
По ГОСТ наличие в топливе водорастворимых кислот и щелочей не
допускается.
Их
присутствие
обнаруживается
с
помощью
соответствующих
индикаторов
(метилоранж,
фенофталеин),
предварительно 50 мл топлива взбалтывают с равным количеством
дистиллированной воды и определяют реакцию водной вытяжки. Если в
пробе топлива обнаружены кислоты или щелочи, то применять в двигателе
такой бензин запрещено.
Допускается присутствие некоторого количества органических
кислот, т.к. у них малая химическая активность. Их содержание
15
оценивается по показателю кислотности (количество щелочи необходимое
для нейтрализации кислот). Кислотность про ГОСТ не должна превышать
3 мг КОН/100 мл бензина.
Сера и ее соединения вызывают коррозию топливной аппаратуры и
емкостей для хранения топлива. Окисляясь внутри двигателя, они
вызывают газовую и кислотную коррозию деталей. Кроме того, сера
повышает плотность и твердость нагара, препятствует его самовыгоранию.
Чем больше в топливе серы и сернистых соединений, тем сильнее
коррозия и износ двигателя. Содержание серы в бензинах не должно
превышать 0,02 – 0,1 %.
Активность сернистых соединений определяют при испытаниях на
медной пластинке, которая в течение 3 ч погружается в топливо, нагретое
до 50 0С. Пластинка не должна покрываться черными, коричневыми или
серо-стальными пятнами.
Коррозионность топлива повышается при наличии в нем воды, при
отрицательных температурах она может нарушить подачу топлива из-за
замерзания в топливопроводах, поэтому ее присутствие в бензинах по
ГОСТ не допускается.
Не допускается присутствие в топливе механических примесей,
которые способствуют повышению скорости изнашивания двигателя.
3. Газообразные топлива для ДВС
Газообразное топливо находит все большее применение в качестве
горючего для ДВС. В настоящее время используются природные газы и
попутные газы, получаемые при нефтедобыче, химических и
металлургических производствах, а также все шире газы, получаемые из
природных ископаемых (уголь, сланцы, торф и т.п.) и возобновляемых
источников (растительное сырье и отходы). В состав этих газов в основном
входят метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8) и бутан (С4Н10).
В зависимости от физических свойств газы делятся на сжатые (не
переходят в жидкое состояние при положительной температуре) и
сжиженные (превращаются в жидкость при повышении давления).
Преимущества газообразных топлив.
1.Дешевле при добыче и транспортировке.
2.Имеет более высокое (по сравнению с бензином) ОЧ, что позволяет
повысить степень сжатия двигателя, а следовательно его мощность и
экономичность.
3.Образует при сжигании меньше токсических продуктов, т.к. имеет
более широкие пределы воспламенения, что позволяет двигателю работать
16
на обедненных смесях, в результате чего содержание СО снижается в 2 –
3, оксидов азота в 1,5 – 2, углеводородов в 1,1 – 1,4 раза..
4.Больший срок службы двигателя из-за отсутствия жидкой
топливной пленки на стенках цилиндра и смыва масла..
5.Повышенный срок службы масла, т.к. оно не разжижается
топливом и меньше загрязняется.
6.Больший
срок
службы
свечей
зажигания
(меньшее
нагарообразование).
7.Легко образуют горючую смесь (газ не нужно испарять, а только
перемешать с воздухом) следовательно, она более равномерно
распределяется по цилиндрам.
8.При меньшем содержании вредных выбросов обеспечивают
сохранность нейтрализаторов.
9.Невозможен несанкционированный слив топлива из бака.
Недостатки газообразных топлив.
1.Низкая по сравнению с бензином калорийность 25000 кДж/м3 для
сжатого газа и 32000 кДж/м3 лля сжиженного газа соответственно.
2.Требуются повышенные меры безопасности, т.к. газ в смеси с
воздухом может образовывать взрывоопасную смесь (при содержании в
смеси газа менее 5% она горит без взрыва, наиболее сильный взрыв при
9,5% содержания газа, при 16% смесь не горит).
3.Сложнее ТО и Р.
4.Сжиженный газ хорошо растворяет нефтепродукты и резину,
поэтому требуются специальные материалы.
5.Затруднен пуск двигателя, особенно при низких температурах, изза большей температуры воспламенения и меньшей скорости горения. Это
обусловлено тем, что для газа степень сжатия должна быть 10  12 ед., а в
двигателе, рассчитанном, в том числе и на бензин, она составляет 8 – 10 ед.
Поэтому пуск и прогрев двигателя осуществляют обычно на бензине, а
затем переводят на работу от газа.
6.Возрастает температура в камере сгорания, т.к. газ сгорает
медленнее, чем бензин, а также в газовоздушной смеси отсутствуют капли
топлива (жидкая фаза), которые при испарении отнимают часть тепла от
стенок цилиндра, клапанов и их седел. В сочетании с повышенной
температурой ОГ это приводит к увеличению износа выпускных клапанов.
При замедленном горении догорание происходит при увеличивающемся
объеме камеры сгорания, следовательно, тепло отдается стенкам цилиндра,
а не расходуется для выполнения полезной работы. Для устранения этого
недостатка желательно менять угол опережения зажигания (см. рис. 6.).
17
Рисунок. 6. Зависимость УОЗ от частоты вращения коленчатого вала
и вида топлива, используемого двигателем: 1- для бензина; 2- для газа.
При низких (до 2000 об/мин) частотах вращения коленчатого вала
двигателя желательно увеличивать УОЗ для газа, т.к. при меньшей
скорости горения смесь должна успеть разгореться к ВМТ. Это повысит
крутящий момент двигателя. На более высоких оборотах УОЗ для газа
должен быть меньше. Это связано с легкостью образования горючей смеси
(для бензина процесс испарения и смесеобразования завершается внутри
цилиндра, а газ надо только перемешать с воздухом). На стандартном
двигателе при оборотах более 2000 об/мин система зажигания выдает
искру нормально для бензина, но рано для газа. Время нахождения
продуктов сгорания в цилиндре возрастает, следовательно, возрастает
теплоотдача на стенки камеры сгорания, клапанам и их седлам.
Желательно было бы применение специальных регуляторов УОЗ, но в
связи с двухтопливным питанием на стандартных двигателях
рекомендуется сохранять регулировки завода-изготовителя.
7. Недостаточность охвата территории страны газозаправочными
станциями.
8.Срок хранения сжиженного газа ограничен (3 месяца).
Виды газообразных топлив.
Сжатыми природными газами (СПГ) ГОСТ 27577-2000 называются
газы, которые при обычной температуре и давлении до 20 МПа сохраняют
газообразное состояние.
Природный газ, используемый в д.в.с., состоит в основном из метана
(СН4). Газ находится в баллонах из толстостенной стали, рассчитанных на
давление 20 МПа. В один баллон емкостью 50 л вмещается 10 м 3 газа, что
эквивалентно 10 л бензина. Масса баллона 65 кг. Установка на автомобиль
таких баллонов снижает его полезную нагрузку на 10  20%. Мощность
также несколько снижается из-за снижения теплоты сгорания и
уменьшения коэффициента наполнения цилиндров (при использовании
бензина часть топлива поступает в цилиндр в жидкой фазе, поэтому
коэффициент наполнения больше).
Сжиженными нефтяными газами (СНГ) ГОСТ 27578-87 называются
газы, которые переходят в жидкую фазу при обычной температуре и
18
повышенном
давлении.
Давление
в
емкости
поддерживается
автоматически и зависит от состава газовой смеси и температуры
окружающей среды. Жидкость в резервуаре близка к точке кипения. Она
испаряется по мере расхода газа, поддерживая постоянное давление.
Скрытая теплота парообразования незначительна (около 120 кДж/кг), а
расход тепла на испарение составляет 0,7 – 1,0% , содержащейся в газах
тепловой энергии.
Коэффициент объемного расширения газов велик, при возрастании
температуры жидкость значительно расширяется, поэтому при заполнении
резервуаров оставляют 15% свободного пространства. СНГ, используемые
в автотранспорте, хранятся в баллонах емкостью 250 л.
Для автотранспорта СНГ выпускаются в двух вариантах: пропан
автомобильный (ПА) и пропан-бутан автомобильный (ПБА). В состав
СНГ в небольших количествах входят этан (до 4%), который повышает
давление газовой смеси при отрицательной температуре и пентан (до 1%).
При 20 0С пропан сжижается при давлении 0,716 МПа, бутан при 0,103
МПа. Давление насыщенных паров пропана при температуре 450С
(расчетная температура применения на территории РФ) достигает 1,6 МПа.
ПБА применяется до температуры 200С, содержание пропана в нем до
70%. ПА можно применять до 35 0С, содержание пропана не менее 90%.
Весной, с целью полного использования запасов газа марки ПА,
допускается его использование до температуры 10 0С.
Преимущества СНГ по сравнению с СНГ.
1.Увеличивается грузоподъемность автомобиля (за счет снижения
веса баллонов) и его пробег при одинаковом объеме резервуаров.
2.Из-за меньшего давления в системе (1,6 МПа) безопаснее работа и
ниже требования к материалу резервуаров.
3.Выше теплотворная способность (46000 кДж/м3), что позволяет
повысить мощность двигателя.
4. Проще транспортировка и хранения газа.
5.Сжиженный газ можно использовать в кондиционере или
рефрижераторе (газ все равно необходимо где-то испарять перед подачей в
двигатель).
Перспективным является сжижение метана. При температуре -820С
он под воздействием небольшого избыточного давления переходит в
жидкую фазу, а при температуре 1610С сжижается при атмосферном
давлении. При сжижении объем газа уменьшается в 600 раз, что
эквивалентно сжатию газа до 60 МПа. В одинаковом объеме сжиженного
газа содержится в 3 раза больше, чем компримированного (сжатого) газа
под давлением 20 МПа. Это позволит снизить толщину стенок резервуара
(хотя возрастет теплоизоляционный слой), что уменьшит его вес и
повысить пробег на одной заправке при одинаковом объеме баллонов.
19
Такое топливо можно доставлять на АГНСК в специальных
цистернах и заливать в бак автомобиля, выполненный в виде термоса.
Современная технология позволяет хранить сжиженный метан до 15 дней,
что неплохо при регулярном использовании автомобиля. Недостатком
является цена оборудования и малое время хранения. По такому же
принципу можно использовать и сжиженный водород, сжигая его
непосредственно в двигателе или использовать в топливных элементах
для получения электрического тока.
Справочные данные.
СН4 - метан.
С2Н5 - этан входит в состав СНГ в незначительных количествах,
т.к. при температуре 45 0С упругость его насыщенных паров 4,8 МПа, а
баллоны рассчитаны на 1,6 МПа. Но незначительная его добавка (до 4%) к
пропан-бутановой смеси увеличивает общее давление газовой смеси в
зимнее время, что облегчает доставку к потребителю. Плотность равна
плотности воздуха.
С3Н8 - пропан в СНГ до 75% по массе (по объему больше)
максимальная расчетная температура применения в РФ 45 0С, упругость
насыщенных паров при этом 1,6 МПа. При -35 0С упругость паров 0,14
МПа, поэтому используется в качестве зимнего топлива. Плотность 1,52
плотности воздуха.
С4Н10 - бутан начинает конденсироваться при 0,5 0С, поэтому
затруднительно его использование зимой. Плотность равна 2,1
плотности воздуха.
С5Н12 - пентан составляет менее 1% по массе СНГ, снижает
упругость насыщенных паров и увеличивает точку росы. Температура
конденсации 3 0С.
Характеристики газов даются при давлении 101 кПа (760 мм.рт.
ст.) и температурах 0, 15 и 20 0С. Коэффициент пересчета объемов
приведен в таблице !!!!!!.
Таблица . Коэффициенты пересчета объемов для газов при
различных температурах
Температура газа,
0
С
00
150
200
Коэффициент при температуре пересчета
0
0
1
0,948
0,932
0
15
1,055
1
0,983
200
1,073
1,019
1
20
4. Топлива для дизельных двигателей.
Дизель по сравнению с бензиновым двигателем имеет ряд
существенных преимуществ (меньший удельный расход топлива,
применение в качестве горючего более широких фракций нефти и других
топлив, меньшая пожароопастность и потери топлива при хранении и
транспортировке, возможность перехода на режим работы с нагрузкой без
полного прогрева двигателя).
Рабочий процесс дизельного двигателя отличается от бензинового
двигателя приготовлением и воспламенением рабочей смеси. В дизеле
топливо впрыскивается в среду сжатого высоко нагретого воздуха, где
одновременно происходит образование горючей смеси, а затем
самовоспламенение топлива.
4.1. Основные периоды процесса сгорания в дизельном
двигателе.
Процесс сгорания в дизеле принято делить на 4 фазы (Рис. 7.). Фаза
задержки самовоспламенения, фазы быстрого и замедленного горения и
фаза догорания.
Рис. 7. Зависимость давления в цилиндре от угла поворота
коленчатого вала дизельного двигателя.
1. Первая фаза (фаза задержки самовоспламенения).
В течение этой фазы дизельное
топливо (ДТ) распыляется,
нагревается и перемешивается с поступившим в камеру сгорания
воздухом. Продолжительность первой фазы зависит от температуры в
камере сгорания, размеров капель топлива, фракционного состава и др.
21
Чем больше длительность этой фазы, тем больше топлива, готового к
воспламенению накапливается в камере сгорания. В этом случае во второй
фазе давление нарастает интенсивнее, и работа двигателя становится более
жесткой (возрастает уровень динамических нагрузок).
Чрезмерное уменьшение периода задержки ведет к ухудшению
экономических показателей двигателя из-за уменьшения времени
смесеобразования. Двигатель работает мягче, но часть топлива сгореть не
успевает.
2. Вторая фаза (фаза быстрого горения).
После самовоспламенения скорость сгорания практически
мгновенно возрастает от нулевой до максимальной. При высокой
интенсивности нарастания давления (dP/dφ) работа двигателя становится
более жесткой, что сопровождается появлением ударной волны. Для
нормального протекания процесса сгорания необходимо, чтобы dP/dφ
лежал в пределах 0,4 – 0,6 МПа/град.
От жесткости работы зависят:
-интенсивность изнашивания двигателя (моторесурс), т.к. при
ударных нагрузках разрушается масляная пленка и возрастает сила трения;
-уровень шума;
-токсичность ОГ (из-за повышения температуры растет содержание
оксидов азота, а неравномерность горения ведет к повышению выбросов
СО);
-кавитационный износ гильз цилиндров (что может привести к их
прободению).
3. Третья фаза (фаза замедленного горения).
Во время этой фазы сгорает топливо, не успевшее сгореть во второй
фазе, а также значительная часть впрыскиваемого в этот период топлива.
Фаза заканчивается в момент прекращения впрыска топлива (точка 4). К
концу фазы резко снижается коэффициент избытка воздуха, а температура
достигает максимального значения. В зависимости от нагрузки фаза
заканчивается спустя 10 – 350 поворота коленчатого вала после ВМТ.
Скорость протекания окислительных процессов зависит от
взаимной диффузии молекул топлива и воздуха (интенсивности
перемешивания). Недостаточная скорость смешения паров топлива и
воздуха является одной из основных причин наличия сажи в ОГ.
Расслоение заряда, когда топливо изолировано от воздуха, происходит
при максимальной температуре, а в этом случае крекинг топлива может
происходить быстрее, чем его испарение. Свободный углерод может
выделяться в зонах испарившегося топлива, имеющих местный
недостаток кислорода.
4. Четвертая фаза (фаза догорания).
Протекает во время хода расширения при снижении давления в
цилиндре. На полных нагрузках может длиться до открытия выпускного
22
клапана. Увеличение длительности этой фазы приводит к повышению
температуры и дымности ОГ, снижению к.п.д. двигателя.
Длительность этой фазы зависит от химического состава топлива и
др. внешних факторов.
4.2. Свойства дизельного топлива (ГОСТ 305 – 82).
Для обеспечения долговечной и экономичной работы дизеля топливо
должно иметь хорошую прокачиваемость при различных температурах,
легко испаряться и самовоспламеняться, не содержать вредных примесей и
обеспечивать мягкую работу двигателя.
Вязкость топлива ДТ.
Время на смесеобразование в дизеле примерно в 10 раз меньше, чем
в карбюраторном двигателе, поэтому к вязкости и плотности топлива
предъявляются повышенные требования. Вязкость ДТ зависит от
температуры (таблица 4).
Таблица 4. Зависимость вязкости ДТ от температуры.
Кинематическая вязкость ДТ,в сСт при температуре
Марка ДТ
0 0С
+20 0С
20 0С
Летнее
51,0
13,0
6,4
Зимнее
21,0
8,4
4,3
Арктическое
2,5
Из табл. 4 видно, что при понижении температуры вязкость ДТ
значительно увеличивается.
При повышении вязкости и плотности ДТ ухудшается структура
распыляемого топлива (капли топлива имеют больший диаметр). Это
приводит к:
-ухудшению прокачиваемости топлива через фильтры;
-повышению дальнобойности струи топлива, что может привести в
конце такта впрыска к смыву смазки со стенок цилиндра и попаданию
топлива в картер двигателя;
-появлению дымного выхлопа из-за термического крекинга топлива
(для уменьшения вредных выбросов к ДТ добавляют антидымные
присадки).
Снижение вязкости ДТ тоже приводит к ухудшению процесса
смесеобразования из-за чрезмерного уменьшения диаметра капель. Это
приводит к:
-быстрому затуханию скорости капель, что приводит к замедлению
испарения топлива (капли не успевают проникнуть в области камеры
23
сгорания, где достаточно воздуха, поэтому распределение паров ДТ по
объему камеры становится неравномерным);
-ухудшению смазки топливной аппаратуры;
-нарушению дозировки цикловой подачи из-за большего
просачивания топлива через зазоры в топливной аппаратуре.
Размер капель в струе топлива в различные фазы впрыска не
одинаков. Из-за меньших давлений в начальный и конечный периоды могут
образовываться капли большого размера до 200 мкм (обычный диаметр
10 – 30 мкм).
Фракционный состав ДТ.
Это свойство ДТ оказывает сильное влияние на испаряемость, смоло
и нагарообразование, ресурс двигателя, экономичность, токсичность ОГ и
др. Фракционный состав определяют путем перегонки 100 мл. топлива. По
ГОСТ нормируются температуры:
tнк = 180 – 240 0С – начало кипения топлива;
t50 = 250 – 280 0С – выкипание 50% топлива;
t96 = 320 – 360 0С – выкипание 96% топлива.
Такой
фракционный
состав
обеспечивает
необходимую
воспламеняемость и исключает образование паровых пробок в системе
топливоподачи низкого давления.
Для высокооборотных дизелей применяются топлива с большим
содержанием легких фракций, т.к. уменьшается время смесеобразования.
Однако, чрезмерное облегчение ДТ ведет к повышению жесткости работы
двигателя, т.к. возрастает период задержки самовоспламенения из-за
снижения температуры при интенсивном испарении легких фракций во
время первой фазы.
Утяжеление фракционного состава приводит к дымлению двигателя
из-за большей неоднородности рабочей смеси, топливо хуже испаряется и
сгорает не полностью. Чем тяжелее фракционный состав, тем больше
необходимо воздуха, больший расход топлива, затруднен также запуск
двигателя.
По ГОСТ для ДТ определяют также температуру вспышки (tвсп), под
которой понимается минимальная температура необходимая для нагрева
топлива, чтобы его пары вспыхнули при воздействии открытого пламени.
Она составляет 30 0С для зимнего и 50 0С для летнего ДТ. По температуре
вспышки оценивают огнеопасность ГСМ, по ней можно судить и об
однородности состава топлива. Изменение tвсп укажет на попадание в
топливо других веществ.
Испаряемость ДТ.
Скорость и полнота испарения топлива зависят от температуры и
давления в камере сгорания, вихревого движения воздуха, качества
распыливания (диаметр капель) и испаряемости топлива.
24
Испаряемость ДТ оценивается по результатам фракционной
перегонки: чем ниже температура кипения фракции, тем выше давление
насыщенных паров.
Для облегчения пуска двигателя желателен облегченный
фракционный состав, т.к. условия для смесеобразования в этом случае не
благоприятны (малы температура и давление в цилиндре). Пусковые
свойства ДТ оцениваются температурой выкипания 50% топлива (t50).
По ГОСТ определяют также температуры помутнения и застывания
ДТ.
Температура помутнения – это температура, при которой ДТ теряет
свою прозрачность из-за начавшегося процесса кристаллизации
парафиновых углеводородов. Она составляет –5 0С для летнего ДТ и
–25 0С для зимнего ДТ.
Температура застывания – это температура, при которой ДТ в
пробирке, наклоненной на 450, в течение 1 мин не обнаруживает
подвижности. Она составляет –10 0С для летнего и –35 0С для зимнего ДТ.
Хотя зимнее ДТ может прокачиваться и при более низких температурах изза механического разрушения кристаллической решетки в топливной
аппаратуре.
Для улучшения низкотемпературных свойств в ДТ добавляют
депрессорные присадки. Однако введение этих присадок требует четкого
соблюдения определенной технологии. Так депрессорные присадки
эффективны при их смешении с топливом при температуре выше, чем
температура помутнения.
Самовоспламеняемость ДТ.
Свойство ДТ, характеризующее мягкую или жесткую работу дизеля,
оценивают по самовоспламеняемости. Оценочным показателем служат
температура самовоспламенения (tсв) и цетановое число (ЦЧ).
Температура самовоспламенения – это температура, при которой
горючая смесь воспламеняется без постороннего источника пламени.
Некоторые топлива имеют следующую tсв (табл. 5).
Таблица 5. Температура самовоспламенения некоторых топлив.
Вид топлива
tсв, 0С
Бензин
А-76
350
АИ-92
430
ДТ
Летнее
310
Зимнее
240
Арктическое
230
25
ЦЧ – процентное содержание (по объему) цетана в смеси с
альфаметилнафталином,
равноценное
по
самовоспламеняемости
испытуемому топливу.
Цетан (С16Н34) углеводород с малым периодом задержки
самовоспламенения, ЦЧ принято за 100 ед. У альфаметилнафталина с
большим периодом задержки самовоспламенения (С10Н7СН3) ЦЧ принято
за 0 ед.
Для легкого пуска и мягкой работы дизеля необходимо, чтобы
топливо имело ЦЧ: летнее 40 – 45 ед., зимнее 45 – 50 ед., арктическое не
менее 45 ед. Применение топлива с ЦЧ ≤40 ед. приводит к увеличению
периода индукции, следовательно, к более жесткой работе двигателя, с ЦЧ
≥ 50 ед. ведет к снижению экономичности.
ЦЧ определяют несколькими методами.
1. Расчетным путем.
ЦЧ = (tср – 58)/5ρ,
(
)
где tср – средняя температура испарения топлива, которая равна полусумме
температур начала и конца кипения (примерно равна t50);
ρ – плотность топлива 0,83 -0,86 г/см3 (меньшее значение для
арктического ДТ, большее для летнего ДТ).
Преимущество метода в его простота, недостаток малая точность (±3
ед.).
2. По совпадению вспышек.
Для определения ЦЧ используется одноцилиндровая дизельная
установка ИТ9-3М с переменной степенью сжатия. Сначала устанавливают
стандартный режим работы установки (частота вращения – 900 об/мин,
давление впрыска – 10,6 МПа, УОВ – 130 ПКВ, начало самовоспламенения
в ВМТ и др.), после чего переводят двигателя на испытуемое топливо.
Изменением степени сжатия добиваются самовоспламенения в ВМТ,
затем переводят питание двигателя на смесь эталонных топлив – цетана с
альфаметилнафталином, добиваясь вспышек этой смеси в ВМТ. Процент
содержания (по объему) цетана в этой смеси и даст ЦЧ.
ЦЧ, если оно не очень низкое, влияет также на пусковые свойства
топлива. При одинаковом фракционном составе топливо с ЦЧ = 50 ед.
обеспечивает пуск двигателя в 8 – 10 раз быстрее, чем топливо с ЦЧ = 40
ед. Это происходит из-за более быстрого предварительного окисления
углеводородов. Но ЦЧ влияет на легкость запуска в меньшей степени, чем
фракционный состав. Например, на пуск двигателя с топливом ЦЧ = 50 ед.
и t50 = 220 0С, затрачивается в 5 раз меньше времени, чем с t50 = 290 0С.
Пути снижения жесткости работы дизеля.
Любые мероприятия, направленные на повышение давления и
температуры в цилиндре двигателя, снижают жесткость работы.
26
1.Уменьшение угла опережения впрыска (УОВ).
2.Осуществление управляемого впрыска.
3.Увеличение частоты вращения коленчатого вала (снижается
период индукции из-за резкого нарастания давления и температуры).
4.Повышение степени сжатия или применение наддува.
5. Прогрев двигателя.
6.Использование разделенных камер сгорания.
7.Улучшение вихревого движения заряда.
8.Применение топлива с более высоким ЦЧ.
9.Добавление специальных присадок (инициаторов воспламенения).
-повышение концентрации нормальных парафинов и одновременно
снижение ароматических углеводородов;
-введение кислородосодержащих присадок (органические перекиси,
высшие эфиры азотной кислоты, этилнитрат, изопропилнитрат
(добавка 1% последнего к арктическому ДТ повышает ЦЧ на 10 – 12 ед.).
Путем снижения жесткости работы двигателя можно уменьшить
износ деталей, но, как
правило, это связано со снижением Pz
(максимального давления цикла), что приводит к снижению
экономичности.
Свойства ДТ, влияющие на образование лаковых отложений и
нагара.
Желательно, чтобы ДТ не образовывало на деталях двигателя, ни
каких отложений.
На процесс образования нагара в цилиндрах дизеля влияют: вязкость
и фракционный состав, наличие в топливе смолисто-асфальтовых и
сернистых соединений, повышенная зольность ДТ. Склонность ДТ к
нагарообразованию оценивают с помощью коксового числа (КЧ).
КЧ определяется в специальном приборе, в котором топливо
нагревается, образующиеся при этом газы удаляются. Остаток взвешивают
и определяют его долю от взятой пробы топлива. По ГОСТ КЧ не должно
превышать 0,05%. Допускается определять КЧ остатка ДТ, который
получается при отгонке 90% топлива. КЧ 10% остатка не должно
превышать 0,3%.
Косвенно коксуемость ДТ можно определить по содержанию в нем
фактических смол. Для летнего топлива содержание смол не должно
превышать 40 мг/100мл топлива, для зимнего 30 мг/100мл.
По ГОСТ оценивается также зольность ДТ. Зола образуется при
сжигании ДТ в воздухе при температуре 800 – 850 0С, участвует в
образовании нагара и повышает износ двигателя. Зольность ДТ не должна
превышать 0,01%.
Весьма нежелательно присутствие в топливе механических
примесей, которые вызывают ускоренный износ топливной аппаратуры,
поэтому перед заправкой в бак топливо необходимо отстаивать.
27
Наличие примесей определяют при фильтрации топлива. ДТ при
этом предварительно разбавляют бензином в пропорции 1:1. По внешнему
виду фильтра судят о количестве и виде примесей.
Для оценки склонности ДТ к лакообразованию 1 мл его помещают в
алюминиевую чашечку и выпаривают при температуре 2500С. После
испарения и охлаждения чашечку взвешивают, чем легче ДТ по
фракционному составу, тем меньше образуется лака.
Содержание в ДТ углеводородов, склонных к лакообразованию,
оценивают также йодным числом (ЙЧ). Это число равно количеству йода,
выраженному в граммах, которое вступает в реакцию со 100 г ДТ. Оно не
должно превышать 6 г/100г ДТ.
Содержащиеся в топливе сернистые соединения влияют на твердость
нагара. Поэтому при повышенном содержании этих соединений идет не
только коррозионный износ, но и абразивный, вызванный повышенной
твердостью нагара.
Коррозионность ДТ.
Коррозию
деталей
двигателя
в
основном
вызывают
водорастворимые кислоты и щелочи, вода, продукты окисления серы и
другие ее соединения, органические кислоты.
По ГОСТ содержание в ДТ водорастворимых кислот и щелочей, а
также воды не допускается.
Содержание водонерастворимых органических кислот не должно
превышать 5 мгКОН/100 мл ДТ.
Наличие в ДТ сернистых соединений обуславливает коррозионность
самого топлива, а продукты сгорания вызывают дополнительную
коррозию деталей. В зоне высоких температур преобладает газовая
коррозия, в зонах с низкими температурами, где возможна конденсация
воды, преобладает кислотная коррозия. При сжигании 1т ДТ с 0,2%
содержанием серы образуется 15 кг Н2SО3. Применение сернистого
топлива ускоряет процесс старения моторного масла (при увеличении
содержания серы в топливе с 0,2 до 0,5% срок службы масла снижается
вдвое), увеличивает количество смолистых отложений в системе смазки.
Отрицательное действие сернистых соединений особенно сильно
проявляется на непрогретом двигателе.
ГОСТом допускается содержание в любом дизельном топливе не
более 0,2% серы. Международные стандарты допускают не более 0,03%
серы в топливе.
Присутствие воды в ДТ ускоряет коррозию, может привести к
схватыванию прецензионных соединений, а при отрицательных
температурах к прекращению подачи топлива в двигатель.
Примеры маркировок ДТ.
Л-0,1-50, З-0,2-35, А-0,2.
28
По эксплуатационным условиям различают летнее (Л), зимнее (З) и
арктическое (А) ДТ.
Содержание серы в ДТ обозначается вторым индексом, Цифра
показывает процент содержания по массе серы в топливе.
Третий индекс указывает для летнего ДТ температуру вспышки, а
для зимнего ДТ температуру застывания.
5. Перспективные топлива для ДВС.
1.Растительные масла (подсолнечное, рапсовое, соевое и др.)
можно использовать в качестве ДТ, предварительно удалив из них воду.
При этом мощность, крутящий момент и удельный расход топлива
двигателя практически не изменяются по сравнению с работой на ДТ.
При применении растительного масла снижается содержание сажи и
NOx в ОГ. Но теплотворная способность масел на 7 – 10 % ниже, чем у ДТ,
выше вязкость и содержание твердых примесей, выше температура
помутнения.
Таблица 6. Сравнение показателей качества растительных масел и
ДТ.
№
Показатели
1 Температура помутнения, 0С
2 Цетановое число
3 Температура выкипания 90%, 0С
4 Теплота сгорания, МДж/кг
5 Вязкость при 40 0С, сСт
6 Содержание, %
-воды
-серы
-твердых частиц
Летнее ДТ
5
40 – 50
320 - 360
45,8
2–4
Соевое масло
12
35 -40
370
39,4
32
0,05
0,1  0,3
0,05
0,05
0,02
2,0
Созданы двигатели (Volvo LSP 2000), работающие на обезвоженном
растительном масле, хотя пока их применение экономически не оправдано.
В Англии во время резкого вздорожания ДТ в качестве его
заменителя использовали смесь метанола с растительным маслом, При
этом 1 л топлива обходился примерно в 0,5 евро.
2.Водород (Н2). Использование Н2 – скорее способ накопления и
хранения энергии, конкурирующий с аккумуляторными батареями,
маховиками и т.п. Экологичность его не должна вводить в заблуждение это
тоже источник загрязнения окружающей среды, только перенесенный с
автомобилей на электростанцию.
29
Н2 не идеальное топливо для ДВС, т.к. в смеси с воздухом он имеет
низкую способность к самовоспламенению, поэтому в классическом
дизеле он не применим. Необходимо устанавливать систему зажигания. В
бензиновом
двигателе
он
наоборот
имеет
склонность
к
самовоспламенению от несгоревших частиц предыдущего заряда.
Объемная теплота сгорания Н2 (количество калорий на 1 м3) в 3 раза
меньше, чем у природного газа. При его сгорании выделются также NOx.
Сложности вызывает также хранение водорода. Нельзя использовать
сжатый водород, т.к. из-за малого размера атома он способен проникать
через мельчайшие неплотности в топливной аппаратуре. Жидкий водород
имеет температуру –252 0С.
Для хранения Н2 используют так называемые гидриды, где атомы Н2
размещаются между атомами кристаллической решетки металла (лучшая
основа титан). Гидридные накопители довольно сложны, т.к. они состоят
не из цельного куска металла, напоминают губку со множеством каналов
для скорейшего поглощения или выделения Н2. Последнее происходит
при нагреве гидридов, хотя бы выхлопными газами. Для автомобилей
емкость их маловата, а вес велик, хотя этот способ хранения Н2 гораздо
безопаснее остальных.
Водород можно получать из метанола, разлагая его в специальном
реакторе (рис !!!) на синтез-газ (СО + Н2 ) Использование синтез-газа
(имеет высокое ОЧ) позволяет повысить мощность двигателя за счет
повышения степени сжатия и давления наддува. Снижается также
токсичность ОГ.
Рисунок
5А? Схема реактора.
Опасность представляет вспышка «гремучего» газа в момент
открытия впускного клапана. Эту проблему решают с помощью
непосредственной подачи Н2 в камеру сгорания, впрыска в рабочую смесь
Н2О, рециркуляции ОГ.
Можно получать электроэнергию непосредственно при реакции Н2
и О2. Водород похож на металл и его атом легко теряет свой
единственный электрон. Существуют водородные топливные элементы
(рис !!!), где Н2 проходит через ионообменную мембрану, которая
пропускает только протоны (Н+), а не молекулы Н2. Электроны
остаются на отрицательном электроде (он же платиновый
30
катализатор). Пройдя через мембрану, Н2 вновь получает свой электрон в
момент реакции с О2 на положительном (тоже платиновом электроде).
Электроны вынуждены идти «кружным путем» через нагрузку, производя
при этом полезную работу. «Тойота» представила модель автомобиля
FCEV на Токийском автосалоне в 1997 г. США снабжали такими
элементами корабли летавшими на Луну. Масса элемента, который
снабжал корабль электроэнергией в течение 12 суток, составляла 250 кг,
причем элемент вырабатывал в качестве «отходов» чистую воду.
Прямое получение электроэнергии таким способом обеспечивает
более высокий к.п.д., т.к. водород не сжигается сначала для получения
тепла, а затем превращения этого тепла в полезную работу. Но пока эти
элементы сравнительно тяжелы и очень дороги.
Рисунок
5Б? Схема водородного топливного элемента.
1,2 – отрицательный и положительный электроды; 3 –
ионообменная мембрана; 4,5 – емкости с Н2 и О2.
3.Аммиак (NH3). Для успешного использования чистого NH3,
который сжижается при давлении 1 МПа и температуре 25 0С, необходимо
повышать энергию искры (например, свеча с большим искровым
промежутком и мощной катушкой зажигания). В дизелях необходимо
доводить степень сжатия до 35 – 40 МПа и повышать температуру во
впускном коллекторе и системе охлаждения до 150 0С. Можно
использовать запальную дозу ДТ с высоким ЦЧ или добавлять к NH3
активирующие присадки.
4.Гидразин (N2H4). Основное преимущество гидразина в том, что
при температуре 300 0С без доступа воздуха он взрывается, т.е. можно
создать сравнительно простую систему запуска двигателя без стартера и
снизить массу ДВС. Карбюраторный двигатель можно перевести на него
хоть сегодня, если бы не высокая химическая активность, вызывающая
коррозию цветных металлов и их сплавов (нужны керамические ДВС).
Еще один недостаток N2H4 – при температуре 1,7 0С он замерзает, но в
смеси с 10% NH3 и 25% Н2О, температура замерзания снижается до 57
0
С.
5.Растительное сырье и водоросли. Фирма «Лид Кэмиклз» из
Англии занималась опытами по получению бензина и ДТ из отходов с/х
производства. Растения измельчали, смешивали дистиллированной водой,
31
нагревали до 98 0С при избыточном давлении и пропускали сильный
электрический
ток.
Органические
субстанции
превращались
углеводороды, пригодные для получения топлива.
Английская компания «CGM Partners» изобрела способ получения
ДТ из водорослей. Углеводороды составляют от 20 до 70% сухой массы
водорослей. Хлорелла высушивается и перемалывается в тонкий порошок,
который в смеси с воздухом подается в камеру сгорания. Запуск
производится на обычном топливе. При этом удельный расход топлива
составил 300г/кВт*ч, часовой расход топлива 56 кг при мощности 150 кВт
частоте вращения 1500 об/мин.
ОГ, в которых много СО2 и NOх подаются в биореактор и служат
удобрением для водорослей.
6.Старые автопокрышки. Способ получения ДТ разработан
финской фирмой «Вяртсила». Сначала шины измельчают, затем крошку
замораживают с помощью жидкого воздуха (170 0С), при этом резина
отстает от корда и отсеивается в виде комочков. Их смешивают с
отработанным смазочным маслом и пропускают при температуре в 400 0С
через насадки с катализаторами (никель и молибден). В результате
длинные цепочки молекул полимера каучука превращаются в жидкость
типа ДТ.
6. Токсичность продуктов сгорания
топлива
Во многих больших городах загрязнение воздуха выхлопами и
пылью, которую тоже в большом количестве поднимают в воздух
автомобили, составляет 80 – 90% от всех прочих загрязнений.
Автомобильные выхлопы в городах особенно плохи тем, что
загрязняют воздух главным образом на уровне человеческого роста и люди
дышат этими концентрированными выбросами.
Человек потребляет в сутки около 15 м3 воздуха, а автомобиль в
тысячи раз больше. При безветренной погоде на оживленных автострадах
содержание кислорода снижается до 15% - величины близкой к
критической для жизнедеятельности человека (удушье). Кроме того,
воздух насыщен вредными веществами выхлопа, причем один грузовик
или автобус при расчете загрязнений приравнивается к 5 легковым
автомобилям.
Тяжелые транспортные машины, работающие на нефтяных
топливах, особенно сильно загрязняют воздух, почву и водоемы вдоль
дорог. Кроме того, они выделяют огромное количество водяного пара, что
в Европе превышает по массе испарения всех водоемов и рек. Это
32
приводит к повышению влажности воздуха, а такой воздух адсорбирует в
себе продукты сгорания топлива, образуя различные кислоты (H2SO3,
H2SO4, HNO3 и т.п.), что также неблагоприятно сказывается на состоянии
окружающей среды.
Поэтому снижение токсичности ОГ является очень важной задачей
технической эксплуатации.
Продукты сгорания топлива
Кроме основных продуктов сгорания топлива  СО2 и Н2О в
выхлопных газах содержатся:
СО (угарный газ) – образуется, в основном, при сгорании богатых
смесей (α<1), а также при диссоциации СО2 при высоких температурах.
Эти условия наиболее характерны для карбюраторных двигателей. В
дизелях выброс СО значительно меньше.
NОх (оксиды азота). Их содержание определяется температурой и
наличием свободного О2 в камере сгорания. Выброс NОх наиболее высок у
дизелей с непосредственным впрыском топлива. Оксиды азота наиболее
токсичны, а их содержание в ОГ может достигать 0,5%. При определенных
климатических условиях эти оксиды вместе с несгоревшим топливом
образуют «смог», поэтому нормы на содержание NОх в несколько раз
больше, чем для СО.
С (сажа) – имеет малую токсичность, однако на поверхности частиц
углерода могут адсорбироваться токсичные и канцерогенные вещества.
Особенно опасны мелкие (1 -10 мкм) частицы, проникающие глубоко в
легкие.
Дымность ОГ у дизелей больше, чем у бензиновых двигателей, т.к.
образование сажи происходит при горении очень богатых смесей ( <
0,35). В дизеле  изменяется от 0 до ∞ и всегда имеются условия для
образования сажи. Количество сажи зависит от интенсивности ее
выгорания в III и IV периодах горения. В бензиновом двигателе при  =
0,35 горение практически прекращается из-за нехватки О2, поэтому
выброса сажи почти не наблюдается.
Предельная цикловая подача топлива Пц, которую нельзя превышать
при любой частоте вращения коленчатого вала из-за опасности повышения
дымности ОГ, устанавливается для каждой марки дизеля. От Пц зависят
нормативы на регулировку насосов и форсунок. Однако в процессе
эксплуатации недостаток мощности, вызванный износом плунжерных пар
и форсунок, а также нарушениями УОВ, обычно компенсируется
повышением цикловой подачи Пц, что при высоких оборотах приводит к
недопустимому дымлению.
СхНу (несгоревшие углеводороды) обычно сохраняются у стенок
камеры сгорания, где происходит обрыв цепей реакций окисления.
33
Таблица 7. Предельно-допустимые концентрации составляющих ОГ.
№ Вещество
Жилая зона, мг/м3
Промышленная зона, мг/м3
1 СО
5
20
2 NОх
2
5
3 Сх Ну
5
30
Рисунок 8. Токсичность ОГ в зависимости от состава горючей смеси.
Рисунок 9. Сравнение токсичности различных типов двигателей.
Способы снижения дымности и токсичности ОГ
1. Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания.
В дизелях  изменение угла опережения впрыска (УОВ) топлива.
При уменьшении УОВ дымность увеличивается, т.к. меньше времени
отводится на смесеобразование. При увеличении УОВ дымность
уменьшается, т.к. образуется более однородная смесь. С другой стороны,
чем раньше подается топливо в цилиндр, тем больше в ОГ содержание
NОх, т.к. в этом случае растут давление и температура цикла.
Увеличение средней скорости впрыска позволяет снизить
токсичность ОГ. Это связано с тем, что в данном случае можно уменьшить
УОВ, что приведет к снижению давления и температуры цикла за счет
уменьшения периода самоиндукции.
34
В бензиновых двигателях: регулировка карбюратора и системы
зажигания; применение инжекторных систем подачи топлива с
электронным управлением.
2. Рециркуляция ОГ за счет перепуска части ОГ во впускной
коллектор.
3. Нейтрализация ОГ в системе выпуска, что можно выполнить с
помощью дожигания СО и СхНу, либо применяя каталитические
нейтрализаторы (этот способ позволяет снизить токсичность на 90%).
4. Применение газообразных топлив.
5. Применение наддува, что позволяет снизить дымность на
установившихся режимах. Снижается также выброс СО и СхНу, а при
промежуточном охлаждении подаваемого воздуха и NОх.
6. Подача воды в цилиндры двигателя. При этом снижается
температура в камере сгорания (за счет испарения воды), что позволяет
снизить выбросы NОх.
7. Применение бензино-спиртовых смесей. Т.к. спирты имеют
высокую скрытую теплоту испарения, то снижается температура в
цилиндре, а, следовательно, и выброс NОх.
8. Снижение расхода масла на угар.
7. Смазочные материалы
При работе любых узлов и механизмов возникает сила трения, от
величины которой зависят потери энергии и износ деталей. В зависимости
от характера взаимного перемещения деталей различают трение
скольжения и трение качения.
Трение скольжения по наличию и распределению на поверхностях
смазки делится на сухое, граничное и жидкостное трение.
Сила сухого трения определяется по формуле:
F = μ*P,
(7.1)
где μ- коэффициент трения;
Р – прижимающая сила, Н.
Сила жидкостного трения определяется по формуле:
Fж = υ*S*V/h,
(7.2)
где υ – динамическая вязкость масла, Н*с/м2;
S – площадь поверхностей трения, м2;
V – относительная скорость перемещения поверхностей, м/с;
h – толщина масляного слоя, м.
35
Динамическая вязкость характеризует текучесть материала в
реальных условиях работы (обычно при крайних значениях температур и
скоростей сдвига).
В некоторых случаях вместо динамической вязкости удобнее
использовать кинематическую вязкость масла, которая характеризует
текучесть при нормальной и высокой температуре (приняты 40 и 100 0С).
Кинематическую вязкость смазочного масла
можно определить по
формуле:
µ = υ/ρ,
(7.3)
где ρ – плотность жидкости, кг/м3.
При граничном трении главную роль играет прочность
адсорбционных пленок – маслянистость, т.е. способность масла
образовывать и удерживать слои ориентированных молекул на трущихся
поверхностях. Этот слой снижает сопротивление сдвигу и предотвращает
сухое трение.
Трение качения – сила сопротивления при перекатывании твердого
тела с криволинейной поверхностью по поверхности другого твердого
тела. Сила трения качения определяется по формуле:
Fк = f *Fн/R,
(7.4)
где Fк – сила трения качения, Н;
f – коэффициент трения качения;
Fн – прижимающая сила, Н;
R – радиус качения, м.
Назначение смазочных материалов
1. Уменьшение силы трения.
2. Предотвращение или снижение изнашивания деталей.
3. Отвод тепла от нагретых деталей.
4. Защита поверхностей деталей от коррозии.
5. Повышение компрессии.
6. Удаление с трущихся поверхностей продуктов изнашивания и
различных отложений и удержание их во взвешенном состоянии для
последующей фильтрации.
Классификация смазок
1. По исходному сырью различают смазки:
-минеральные (полученные из нефти);
-органические (растительные и животные);
-синтетические.
36
2. По внешнему состоянию смазки делятся на:
-жидкие;
-пластичные;
-твердые.
3. По назначению смазки подразделяются на:
-моторные (для ДВС);
-трансмиссионные;
-индустриальные (для станков);
-гидравлические;
-компрессорные, турбинные, трансформаторные и др.
4. По температуре применения:
-низкотемпературные (до 60 0С);
-среднетемпературные (60 – 250 0С);
-высокотемпературные (более 250 0С).
Присадки к смазочным маслам
В процессе работы масло подвергается воздействию различных
факторов, таких как: высокая температура; взаимодействие с кислородом и
продуктами сгорания; каталитическое воздействие металлов и сплавов;
высокие удельные давления и др. Поэтому с течением времени свойства
масла постепенно меняются.
В соответствии с назначением и режимом работы механизма к
смазочному маслу предъявляются следующие требования. Масло должно
иметь соответствующую вязкость, обладать термоокислительной
стабильностью, хорошо прокачиваться при различных температурах,
иметь как можно больший ресурс.
Для того чтобы масла обладали необходимыми параметрами, в них
добавляют различные присадки (до 30%).
1.Антиокислительные присадки задерживают начало окисления и
предотвращают
загрязнение
масла
продуктами
окислительной
полимеризации углеводородов, увеличивая тем самым срок службы масла.
2.Антикоррозионные присадки образуют на поверхности металла
защитную пленку, которая препятствует непосредственному воздействию
коррозионно-активных веществ на металл. Присадки могут вступать в
реакцию агрессивными веществами и нейтрализовывать их.
3.Моющие и диспергирующие присадки. Действие этих присадок
основано на способности разрыхлять (измельчать) и смывать отложения с
поверхностей деталей, переводить нерастворимые в масле вещества в
суспензию и удерживать частицы во взвешенном состоянии без их
укрупнения. Эти присадки нейтрализуют кислоты и предотвращают
образование отложений на деталях. Их количеством и свойствами
определяется щелочное число масла.
37
4.Противоизносные и противозадирные присадки служат для
создания прочной масляной пленки на поверхностях деталей и
обеспечивают эффективную защиту этих поверхностей от изнашивания.
5.Вязкостные присадки (загустители) служат для снижения вязкости
масла при низких температурах и не дают ему разжижаться при высоких.
6.Антипенные присадки добавляют к маслам, которые работают в
условиях постоянного перемешивания с газом (амортизатор). Действие
основано на снижении прочности поверхностных пленок, которые
разделяют газовые пузырьки и масло.
7.Многофункциональные присадки служат для придания маслу сразу
нескольких свойств.
Содержание присадок в масле оценивается по показателю зольности
в процентах. Зольность современных масел может достигать 30 – 40 %.
Набор присадок в современных маслах содержит все необходимое
для нормальной работы двигателя. Добавки непременно вносят дисбаланс
в эту систему, т.е. улучшая одни свойства можно ухудшить другие.
Эксплуатационные свойства смазочных материалов
1. Вязкостные свойства масел
Вязкость – это объемное свойство жидкого, полужидкого или
полутвердого вещества оказывать сопротивление при течении. В системе
СИ за единицу вязкости принята вязкость такой жидкости, которая
оказывает сопротивление в 1Н взаимному перемещению двух слоев
жидкости, имеющих площадь 1м2 со скоростью 1м/с, при расстоянии
между слоями 1м.
Вязкость  один из важнейших показателей, характеризующий
пригодность применения смазочного масла в том или ином узле (агрегате).
Определенная вязкость нужна для образования оптимального смазочного
слоя и уменьшения изнашивания трущихся поверхностей. Повышение
вязкости, относительно оптимальной, приведет к тому, что масляный слой
будет выдерживать большие нагрузки, улучшится уплотнение цилиндра,
снизится расход масла на угар. С другой стороны в этом случае возрастут
потери мощности на перекачивание масла, ухудшиться его очистка.
Снижение вязкости снизит энергозатраты и улучшит отвод тепла от
нагретых деталей, но возрастут потери масла на угар (возможно
пригорание поршневых колец), снизится допустимая нагрузка на масляный
слой, что приведет к увеличению скорости изнашивания. При снижении
вязкости на 50% происходит аварийный износ деталей (проворачивание
вкладышей, задир зеркала цилиндра и т.п.).
Кроме того, вязкость определяет способность масла облегчать запуск
двигателя при низких температурах. Чем меньше вязкость, тем меньше
момент сопротивления и больше частота вращения коленчатого
вала
(рис. 10).
38
Большое значение для нормальной работы двигателя имеет характер
изменения вязкости масла при изменении температуры. Желательно,
чтобы при высоких температурах масло имело вязкость достаточную для
создания жидкостного трения и хорошо удерживалось на стенках
цилиндра, а при пуске холодного двигателя – низкую вязкость для
снижения крутящего момента на прокручивание коленчатого вала и
надежной подачи масла ко всем механизмам двигателя.
Рисунок 10. Влияние вязкости масла μ на пусковой момент Мп и
обороты n двигателя.
Вязкостно-температурные свойства масла характеризует индекс
вязкости (ИВ).
Индекс вязкости – относительная величина, которая показывает
степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры по
сравнению с эталонными маслами. Чем больше ИВ, тем меньше
изменяется вязкость масла в зависимости от температуры - пологая
вязкостно-температурная характеристика (ВТХ).
Рисунок 11. Зависимость вязкости масла от температуры (ВТХ).
Для того чтобы сделать ВТХ более пологой к маслу добавляют
загущающие присадки. При низких температурах загустители не
оказывают влияния на маловязкое основное масло, а при высоких
39
возрастает связь между молекулами загустителя и основного масла, что не
дает вязкости резко снижаться.
На вязкость оказывает влияние давление масла (таблица 8).
Таблица 8. Зависимость вязкости масла от давления
№
Давление, МПа
Рост вязкости, %
1
7
20 – 30
2
15
35 – 40
3
20
50 – 60
4
50
300
Каждому двигателю в зависимости от степени его изношенности
необходимы масла различной вязкости: при обкатке – маловязкие; в
период нормальной эксплуатации – обычные; при большом износе –
повышенной вязкости.
2. Температурные характеристики масла
Высокотемпературные оцениваются по температуре вспышки (Твсп),
которая показывает пожароопасность масла, наличие летучих фракций,
увеличивающих расход масла на угар. При анализе масла по снижению
Твсп легко определить разбавление масла топливом. В сочетании со
снижением вязкости, снижение Твсп служит сигналом для поиска
неисправностей систем зажигания или питания двигателя. Оценивают
также и температуру воспламенения масла (Твоспл).
Низкотемпературные оценивают по: температуре застывания (Тзаст) –
температура, когда масло теряет подвижность; температуре помутнения
(Тпом).
3. Термоокислительная стабильность масел
Склонность масел к образованию на деталях лаковых пленок
определяют по термоокислительной стабильности и моющим свойствам.
Окисление начинается при температуре 50 – 60 0С. Интенсивное
окисление при 250 – 300 0С (скорость окисления возрастает в 1700 раз).
При температуре 150 – 200 0С образуется лаковая пленка, которая при
температуре более 250 0С переходит в нагар.
При окислении и окислительной полимеризации образуются
смолисто- асфальтовые соединения, которые удерживают на поверхности
детали продукты неполного сгорания топлива, механические примеси и
т.п. Эти продукты закоксовываются и частично выгорают. После
достижения равновесного состояния нагара его толщина будет зависеть
только от режима работы двигателя. От качества масла зависит только
структура нагара.
На лакообразование влияет качество масла, особенно склонность его
к окислению и полимеризации. Сначала на поверхности детали образуется
40
тонкая лаковая пленка, которая затем вбирает в себя твердые продукты
сгорания.
Термоокислительная стабильность характеризуется:
- индукционным периодом окисления (время, в течение которого
видимых изменений в качестве масла не наблюдается);
-стойкостью к термическому окислению (показатель, оценивающий
склонность масла к образованию нагара на горячих поверхностях ЦПГ)
измеряется временем (мин), в течение которого масло при температуре 250
0
С превращается в остаток, состоящий на 50% из фракций масла и 50%
нагара (для современных масел не менее 40 мин);
-склонностью к коксообразованию (образование твердого остатка без
доступа воздуха);
-скоростью изменения щелочного числа.
4. Антикоррозионные свойства масел
Современное масло не должно вызывать коррозию двигателя, но в
процессе эксплуатации в нем могут накапливаться различные соединения,
отрицательно влияющие на детали.
В основном, антикоррозионными являются щелочные присадки, а их
содержание оценивается щелочным числом (мгКОН/г). Чем больше
щелочных присадок, тем дольше они нейтрализуют кислоты, попадающие
и образующиеся в масле. Скорость их срабатывания зависит от качества
масла (рис. 12).
Рисунок 12. Изменение щелочного числа смазочного масла в
зависимости от наработки и качества масла.
Щелочное число моторного масла для среднефорсированных
двигателей 3,5 – 4,0, для высокофорсированных двигателей 6,5 – 7,0 мг
КОН/г. Предельное значение 1,5 – 2,5 мг КОН/г.
5. Противоизносные свойства масел
Эти свойства характеризуют способность масла уменьшать износ
сопрягаемых трущихся поверхностей. Основными показателями,
характеризующими противоизносные свойства, являются вязкость и
смазывающая способность (маслянистость), т.е. способность образовывать
на детали прочную масляную пленку. Важную роль в повышении
смазывающей способности играют поверхностно-активные вещества
41
(ПАВ), которые образуют на детали прочную масляную пленку. Особенно
это важно при граничном трении.
6. Оптическая плотность масел является обобщенным параметром
при оценке качества масла. По темпам роста оптической плотности можно
судить о скорости старения масла.
Факторы, влияющие на изменение качества масла
В работающем
двигателе масло может иметь различные
температуры: температуру окружающей среды в поддоне картера; на
внутренней поверхности поршней до 400 0С; в камере сгорания до 2500 0С.
На масло воздействует кислород и ОГ, что вызывает его окисление.
При повышении температуры с 50 до 150 0С скорость окисления
возрастает в 1500 раз. При интенсивном перемешивании и распыливании
масла процесс окисления тоже ускоряется. При прогреве холодного
двигателя наблюдается усиленный прорыв газов в картер и также
происходит усиленное окисление масла.
Холодное масло плохо
фильтруется, что может быть причиной повышенного смолообразования.
Масло соприкасается с различными металлами и сплавами, которые
оказывают на него каталитическое воздействие, ускоряя процесс
окисления. Такое же действие оказывают на масло посторонние примеси
(пыль, вода и т.п.). Наличие воды в масле ухудшает его смазывающие
свойства, вызывает быстрое разложение присадок и образование осадка
(шлама).
Изменение качества масла при работе двигателя зависит от объема
его в картере. Уменьшение объема приводит к увеличению кратности
циркуляции масла через смазочную систему, а, следовательно, большими
тепловыми и удельными нагрузками, приходящимися на единицу объема
масла. Поэтому следует поддерживать уровень масла на оптимальном
уровне.
В зоне поршневых колец, подшипников коленчатого и
распределительного вала, шестерен масляного насоса, в механизмах
трансмиссии на тонкую масляную пленку воздействуют высокие давления.
При возрастании нагрузок на машину возрастают и давления во всех
сопряжениях двигателя и трансмиссии, быстрее идут процессы окисления
масла и накопление механических примесей. Это объясняется повышением
тепловых и удельных нагрузок в трущихся парах, большим прорывом
газов в картер и высокой кратностью циркуляции масла.
Моторные масла
Предназначены для использования в системах
обеспечивая его надежную и долговечную работу.
смазки
ДВС
Обозначение моторных масел
42
Моторные масла в соответствии с ГОСТ 17479.1-85 подразделяются
на 21 класс вязкости, из которых 4 зимних, 7 летних и 10 всесезонных.
К зимним классам относятся масла: 3з; 4з; 5з; 6з с кинематической
вязкостью при температуре 100 0С (эта температура близка к температуре
в картере и подшипниках коленчатого вала при работе двигателя) не менее
3,8 – 5,6 мм2/с соответственно. Индекс «з» при номере класса означает,
что в масло добавлены загущающие присадки. При температуре – 18 0С их
кинематическая вязкость соответственно будет равняться: 1250, 2600,
6000, 10400 мм2/с.
К летним классам относятся масла: 6; 8; 10; 12; 14; 16; 20 с
диапазоном кинематической вязкости при 100 0С 5,6 – 53,0 мм2/с. Номера
классов ориентировочно показывают среднее значение вязкости.
Всесезонные классы: 3з/8; 4з6; 4з/8; 4з/10; 5з/10; 5з/12; 5з/14; 6з/10;
6з/14; 6з/16 с кинематической вязкостью при 100 0С не менее 7,0 – 18,0
мм2/с. Значение кинематической вязкости при 18 0С определяется по
классу загущенного зимнего масла, приведенного выше.
Классификация моторных масел по вязкости облегчает их подбор
для заданного узла трения с учетом возможных условий его эксплуатации.
Моторные
масла
классифицируются
также
по
уровню
эксплуатационных свойств, что предусматривает их деление 6 групп: А; Б;
В; Г; Д; Е.
Группа А – нефорсированные двигатели.
Группа Б – малофорсированные двигатели.
Группа В – среднефорсированные двигатели.
Группа Г – высокофорсированные двигатели.
Группа Д – высокофорсированные дизельные двигатели с наддувом,
работающие в тяжелых условиях.
Группа Е – стационарные дизельные двигатели.
Тип двигателя обозначается цифрой 1 -бензиновый или 2 –
дизельный. Предусмотрен выпуск универсальных масел, которые
применимы для любого типа двигателя. В этом случае цифровой индекс не
ставится.
Полностью марка моторного масла расшифровывается следующим
образом. Например, М-6з /10 Г1 означает: М – моторное масло; цифра 6 –
класс вязкости (средняя вязкость при –18 0С составляет 10400 мм2/с);
буква з – масло загущенное вязкостной присадкой и может использоваться
как всесезонное; цифра 10 – вязкость (мм2/с) при 100 0С; буква Г – масло
может использоваться в высокофорсированных двигателях; индекс 1 –
масло предназначено для бензиновых двигателей.
Существует классификация моторных масел по вязкости принятая в
США – SAE (Общество инженеров по автоматике). В соответствии с этой
классификацией масла подразделяются на 11 классов вязкости. Шесть
зимних: 0W; 5W; 10W; 15W; 20W; 25W и пять летних: 20; 30; 40; 50; 60.
43
Приблизительное соответствие вязкостных классов по ГОСТ и SAE
приведены в таблице 9.
Таблица 9. Соответствие вязкостных классов масел по ГОСТ и SAE
ГОСТ
SAE
ГОСТ
SAE
ГОСТ
SAE
3з
5W
12
30
4з/10
10W30
4з
10W
14
40
5 з /12
15W30
5з
15W
16
40
5з/14
15W40
6з
20W
20
50
6з/10
20W30
6
20
3з/8
5W20
6з/14
20W40
8
20
4з/6
10W20
6з/16
20W40
10
30
4з/8
10W20
Классификация качественного уровня моторных масел по системе
API (Американский нефтяной институт). По этой системе масла
обозначаются двумя латинскими буквами. Первая буква указывает тип
двигателя. Масла, предназначенные для бензиновых двигателей,
обозначаются буквой S, а масла для дизелей буквой С. Вторая буква
указывает на современность масла. Чем буква дальше отстоит от начала
алфавита, тем современнее и качественнее масло. Для дизельных масел
иногда указывается цифровой индекс «2» или «4», которые обозначают
тактность двигателя. Универсальные масла обозначаются двумя
символами соответствующих категорий: первый символ является
основным, а второй указывает на возможность применения этого масла для
двигателя другого типа. Например, API CG-4/SH – масло
оптимизированное для применения в дизельных двигателях, но может
применяться и в бензиновых.
Современные энергосберегающие масла (уменьшающие расход
топлива) обозначаются группой ЕС, которая ставится после обозначения
основного масла (SL/ЕС).
Примеры обозначения моторных масел по системам SAE и API:
SAE 10W30 API SJ; SAE 20W40 API CG-4; SAE 5W50 API SL/CH.
Классификация масел по системе АСЕА (Ассоциация
европейских производителей автомобилей).
Европейская классификация эксплуатационных свойств масел АСЕА
делит ММ по назначению: А – для бензиновых двигателей легковых
автомобилей (А1-96, А-96, А3-02 ); В – для дизелей легковых автомобилей
(В1-02, В1-98, В3-98, В4-02, В5-05); Е – для дизелей грузовых автомобилей
(Е1-96, Е2-96, Е3-96, Е4-99, Е5-02).
В маркировку современных ММ входит также одобрение заводовпроизводителей автомобилей. Оно изображается фирменным знаком или
кодом.
44
Таблица 10. Классификация эксплуатационных свойств моторных
масел по АСЕА (2002 г.)
Класс масла
Категория
Область применения и свойства масла
масла
Бензиновые двигатели легковых автомобилей
А1-02
Двигатели, конструкция которых допускает
применение снижающих трение
энергосберегающих масел, маловязких при
высокой температуре (150 °С) и большой
скорости сдвига (2,6-3,5 МПас)*. Могут
быть не пригодны для некоторых моделей
двигателей, поэтому необходимо
руководствоваться инструкцией, по
эксплуатации автомобиля или
справочниками.
А-96 выпуск Большинство умеренно форсированных
3
двигателей с нормальным интервалом
замены масла. Не предназначены для
высокофорсированных двигателей
АЗ-02
Высокофорсированные двигатели и/или при
увеличенных интервалах замены масла,
рекомендуемых автопроизводителями.
А
Сесезонное применение маловязких масел.
Тяжелые условия эксплуатации,
определяемые производителями двигателей.
Масла, стойкие к деструкции** вязкостных
загущающих присадок
А4-хх
Зарезервирована для перспективных
двигателей с непосредственным впрыском
бензина в камеру сгорания
А5-02
Высокофорсированные двигатели,
конструкция которых допускает
применение снижающих трение
энергосберегающих масел, маловязких при
высокой температуре (150 °С) и большой
скорости сдвига*. Могут быть не пригодны
для некоторых моделей двигателей, поэтому
необходимо руководствоваться
инструкцией по эксплуатации автомобиля.
Масла, стойкие к деструкции**.
45
В1-02
В
Дизели, конструкция которых допускает
применение снижающих трение
энергосберегающих масел, маловязких при
высокой температуре (150 °С) и большой
скорости сдвига*. Могут быть не пригодны
для некоторых моделей дизелей поэтому
необходимо руководствоваться
инструкцией по эксплуатации автомобиля.
Масла, стойкие к деструкции
В1-98
Большинство дизелей (преимущественно с
выпуск 2
раздельной камерой сгорания) с
нормальным интервалом замены масла
могут быть не пригодны для
высокофорсированных дизелей.
В3-98
Высокофорсированные дизели и/или при
выпуск 2
увеличенных интервалах замены масла,
рекомендуемый производителем.
Всесезонное применение маловязких масел.
Тяжелые
условия
эксплуатации,
определяемые производителями дизелей.
Масла, стойкие к деструкции**
В4-02
Дизели с непосредственным впрыском
топлива. Масла, стойкие к деструкции**.
Могут быть использованы в тех же условиях, что и категория ВЗ-98 выпуск 2
В5-02
Дизели, конструкция которых допускает
применение снижающих трение
энергосберегающих масел, маловязких при
высокой температуре (150 °С) и большой
скорости сдвига*. Могут быть не пригодны
для некоторых моделей дизелей, поэтому
необходимо руководствоваться
инструкцией по эксплуатации автомобиля.
Масла, долгоработающие и стойкие к
деструкции
Дизели грузовых автомобилей
Е2-96
Большинство дизелей без наддува и с
выпуск 4
турбонаддувом, работающие в средних и
тяжелых условиях эксплуатации с нормальным интервалом замены масла
46
ЕЗ-96
выпуск
Е4-99
выпуск 2
Е5-02
Дизели, выполняющие требования по
выбросу токсичных веществ Евро 1 и Евро
2 и работающие в тяжелых условиях. Допускается увеличенный интервал замены
масла, если это рекомендовано
автоприозвоцителем. Масла обладают
высокими моющими свойствами,
препятствуют полировке цилиндров.
износу, росту вязкости от накопления сажи,
имеют высокую стойкость к старению
Высокофорсированные дизели,
выполняющие требования по выбросу
токсичных веществ Евро 1, Евро 2 и Евро 3
и работающие з особо тяжелых условиях с
увеличенными интервалами замена масла
согласно рекомендациям
автопроизводителям. Масла, стойкие к
деструкции*', обеспечивающие лучшую
чистоту поршней, меньший износ и рост
вязкости из-за накопления сажи по
сравнению с маслами категории ЕЗ-96
выпуск 4
Высокофорсированные дизели,
выполняющие требования по выбросу
токсичных веществ Евро и Евро 3 и
работающие в особо тяжелых условиях с
увеличенными интервалами замена масла
согласно рекомендациям
автопроизводителей. Масла, стойкие к
деструкции**, обеспечивающие особо
хорошую чистоту поршней,
предотвращение полировки цилиндров,
износ и образование отложений в
турбокомпрессоре. По сравнению с маслами
категории ЕЗ-96 выпуск 4 обладают
меньшим ростом |вязкости от накопления
сажи и лучшей стойкостью к старению
Примечания. * - перемещение слоев масла относительно друг друга; ** —
разрушение структуры.
Маркировка ММ для европейского рынка должна содержать 4
параметра: вязкость (по SAE), эксплуатационные свойства (по( API) и
47
европейской (АСЕА) классификациям, одобрение фирм-производителей
автомобилей.
Пример маркировки ММ: 5W-40; API SJ/CF; ACEA A3-02, B3-98;
MB 229.1, BMW, VW 501.01/505.00, Porshe.
Указанная маркировка означает:
-по вязкостно-температурным свойствам SAE 5W-40 масло
относится к всесезонным;
-эксплуатационные свойства SJ/CF по классификации API
свидетельствуют, что масло может быть использовано для бензиновых и
дизельных двигателей;
-эксплуатационные свойства АСЕА А3-02 и В3-98 по европейской
классификации АСЕА свидетельствуют, что это масло экстракласса для
бензиновых
двигателей
скоростных
легковых
автомобилей,
предъявляющих особые требования к противоокислительным, вязкостным
и противоизносным свойствам (А3-02) , а также масло экстракласса для
легковых дизельных двигателей (В3-98);
-коды одобрения фирм-производителей «Мерседес Бенц», BMW,
VW, Porshe.
Отличия масел для дизельных и бензиновых двигателей.
1. В дизеле образуется больше сажи, чтобы она не забивала фильтры
и не образовывала отложений в системе смазки, в масло вводят больше
диспергирующих присадок, которые не дают саже осесть и сбиться в
большие хлопья. Поэтому равномерное потемнение масла после его
замены говорит о его хороших моющих свойствах.
2. Дизель работает на обедненных смесях, поэтому всегда имеется
избыток кислорода в рабочей смеси. При высокой температуре в 500 – 600
0
С (у мощных дизелей маслом охлаждается поршень, что дает стабильный
зазор в сопряжении гильза – поршень) это ведет к интенсивному
окислению масляной пленки на поршне и гильзе цилиндра. Поэтому в
дизельном масле больше антиокислительных присадок. Его также
предпочтительнее использовать в смеси с бензином для смазки
двухтактных двигателей, т.к. оно лучше сохраняет смазывающие свойства
при высокой температуре.
3. В дизельном топливе больше серы, следовательно, в масле должно
быть больше щелочных присадок для нейтрализации образующихся
кислот.
4. Из-за большего содержания присадок у дизельного масла выше
зольность.
По этим причинам нельзя смешивать масла для различных типов
двигателей. При разбавлении дизельного масла маслом, предназначенным
для бензинового двигателя, и наоборот происходит разбалансирование
комплекса присадок и возрастает износ деталей двигателя.
48
Синтетические масла
Большинство синтетических масел делают на полиальфаолефиновой
основе, которая в отличие от минерального (нефтяного) масла не теряет
текучести до –60 0С и более стабильна при длительном воздействии
высоких температур. Поэтому синтетические масла: имеют пологую ВТХ
(ИВ 130 – 150 ед.), низкую температуру замерзания; содержат меньше
загущающих присадок. В связи с этим синтетические масла долговечнее,
образуют на поверхностях деталей более прочную пленку (что особенно
важно при граничном трении), не склонны к пенообразованию, более
стойки к термоокислению.
Синтетические масла дороже по сравнению с минеральными и
требует очень качественных РТИ, т.к. обладает лучшей смазывающей
способностью и текучестью, но в современных двигателях без них уже не
обойтись.
Трансмиссионные масла (ТМ)
Предназначены для смазки коробок перемены передач, раздаточных
коробок, главных передач и дифференциалов, применяется в
гидротрансмиссиях и т.п. Большинство этих передач смазывается
погружением в масляную ванну и последующим разбрызгиванием
смазочного масла.
Условия работы ТМ сильно отличаются от условий работы
моторных масел. Выше удельные нагрузки в местах зацепления шестерен,
а, следовательно,
рабочая температура масла, внутри механизмов
трансмиссии масло подвергается аэрации при разбрызгивании и
каталитическому действию металлов. Поэтому к ТМ предъявляются
специфические требования.
В механических трансмиссиях масло должно предотвращать или
снижать износ рабочих поверхностей, снижать потери на трение и
обеспечивать высокий к.п.д. передачи, хорошо отводить тепло и удалять
продукты изнашивания из зон контакта деталей, защищать механизмы от
коррозии, не вспениваться, как можно дольше не менять своих
первоначальных свойств, обеспечивать плавное трогание с места при
различных температурах; подавлять вибрации и смягчать ударные
нагрузки.
Во фрикционных механизмах необходимо обеспечивать: низкую и
постоянную вязкость в широком температурном интервале (высокий ИВ);
минимальную зависимость коэффициента трения от температуры;
прочный статический и динамический контакт смыкающихся
поверхностей; предотвращать проскальзывание и подавлять вибрации.
49
В гидромеханических передачах масло должно обеспечивать
необходимый коэффициент трения для фрикционных механизмов.
Данные требования характеризуются соответствующими физикохимическими показателями, такими как: ВТХ и смазывающая
способность; коррозионность; температура застывания; содержание
механических примесей.
Условия работы ТМ (высокие нагрузки, частые смены скоростных
режимов) неблагоприятны для развития жидкостного трения. Масло
должно образовывать на деталях прочную пленку для создания граничного
трения. Это достигается добавлением в него поверхностно-активных
веществ (ПАВ), повышения противоизносных и противозадирных свойств
в масло добавляют присадки содержащие хлор, фосфор и серу. В данном
случае присутствие серы желательно, т.к. при высоких контактных
напряжениях ее соединения играют роль противозадирной смазки.
Кинематическая вязкость ТМ изменяется в широких пределах: от 5
2
мм /с при 150 0С до 50000 мм2/с при 18 0С. Нижний предел определяет
работоспособность уплотнений (жидкое масло легко вытекает через
сальники), а верхний определяет возможность трогания с места без
разогрева масла и движение на первой передаче со скоростью до 10 км/ч
(характеризуется температурой, при которой динамическая вязкость
менее 150 Па*с). Значение вязкости 150 Па*с выбрано по результатам
реальных испытаний мостов различных автомобилей, но требования к
низкотемпературной вязкости ТМ, которое позволит бесперебойно
включать передачи значительно выше  500 Па*с.
В
КПП
отечественных
переднеприводных
автомобилей
рекомендуется использование ТМ, но можно и моторное 15W40. ТМ
создает на деталях прочную масляную пленку с высокой несущей
способностью,
поэтому
износ
шестерен
минимален,
однако,
синхронизаторы работают как раз за счет сил трения, они тоже
изнашиваются медленнее, но при быстром переключении передач
скорости вращения валов не успевают уравняться и происходит удар,
поэтому зубья синхронизаторов быстро изнашиваются. При использовании
моторного масла масляная пленка быстрее разрушается на тормозном
конусе и происходит интенсивное торможение шестерен и быстрое и
плавное включение передачи. ТМ обеспечивает максимальный ресурс
КПП у спокойного, не торопливого водителя, а ММ за счет некоторого
ускорения общего износа продлит жизнь синхронизаторам у «гонщика».
Кроме того, синхронизаторы изготавливают из медных сплавов, поэтому
противозадирные присадки могут вызывать их коррозию. Поэтому в
механические КПП заливают масла средней вязкости с умеренным
содержанием присадок.
Для гипоидной передачи из-за больших (до 20 м/с) скоростей
скольжения необходимо масло, подавляющее изнашивание. По этим
50
причинам трудно разработать универсальное ТМ. Современные ТМ,
удовлетворяющие этим противоречивым требованиям, являются
синтетическими, Будучи маловязкими, они обеспечивают хорошую смазку
гипоидных передач, а т.к. имеют большой ИВ, то обеспечивают плавную
работу при низких температурах.
Основные трансмиссионные свойства масел оценивают на 4-х
шариковой машине трения. При этом определяют следующие параметры.
1.Нагрузка заедания – характеризует нагрузку, при которой
продавливается масляная пленка и граничное трение превращается в
сухое. Чем больше этот показатель, тем меньше износ деталей в
нормальных (не критичных) условиях работы (для ВАЗ 2109 – 1200Н). Для
синхронизаторов этот показатель должен быть меньше, для шестерен
наоборот.
2.Нагрузка сваривания (Рс) – усилие, при котором трущиеся
поверхности не в состоянии проскальзывать относительно друг друга, а
если детали и провернуться, то с вырыванием части поверхности металла
(для ВАЗ около 3200 Н).
3.Индекс задира – указывает на эффективность противозадирных
свойств в интервале между нагрузкой заедания и нагрузкой сваривания.
Чем больше индекс задира, тем лучше (для ВАЗ не менее 392 Н).
4. Диаметр пятна контакта (диаметр пятна износа  Ди). Чем он
меньше, тем лучше качество масла.
Обозначение трансмиссионных масел
В РФ по ГОСТ 17479.2 – 85 ТМ классифицируются по вязкости и
уровню эксплуатационных свойств.
По вязкости масла для механических передач делятся на четыре
класса (таблице 11), а по эксплуатационным свойствам на пять групп
(таблица 12).
Таблица 11. Классификация ТМ по вязкости
№
Температура, при которой
Класс
Кинематическая
динамическая вязкость не
вязкости вязкость при 100 0С
превышает 150 Па*с
1
9
6,0 – 11,0
45
2
12
11,0 – 13,9
35
3
18
14,0 – 24,9
18
4
34
25,0 – 41,0
Таблица 12. Классификация ТМ по эксплуатационным свойствам
№
Условия работы
Группа
Назначение
Присадки
давление Р,
51
1
ТМ-1*
температура t.
Цилиндрические,
Р = 900 – 1600 МПа,
конические
и t < 90 0C
червячные передачи
P < 2100 МПа,
t < 130 0C
СпиральноP < 2500 МПа,
конические
и t < 150 0C
гипоидные передачи
Без присадок
Противоизнос
ные присадки
3
Противозадир
ные присадки
ТМ-3
умеренной
эффективност
и
4
P < 3000 МПа,
Противозадир
0
t < 150 C
ные присадки
ТМ-4
высокой
эффективност
и
5
Гипоидные передачи, P > 3000 МПа,
Противозадир
0
работающие
с t < 150 C
ные присадки
ТМ-5 ударными нагрузками
многофункци
онального
действия
* ТМ-1 и ТМ-2 имеют ограниченное применение в виду низкого
уровня смазывающих свойств.
При температуре 150 0С вязкость ТМ не должна снижаться ниже 5
мм2/с.
2
ТМ-2*
Таблица 13 . Оценочные показатели при определении группы ТМ
№ Определяющее свойство
Группа ТМ
ТМ-1 ТМ-2
ТМ-3
ТМ-4
ТМ-5
1 Предельная нагрузочная
способность по нагрузке
2700
2000
2760
3000
3280
сваривания (Рс), Н не
менее
2 Противоизносное
свойство по показателю
износа Ди при осевой
0,5
0,5
0,5
0,5
0,4
нагрузке 400 Н в
течение 1 ч, мм не более
Маркировка масел состоит их следующих знаков: первые буквы ТМ
– трансмиссионное масло; вторая цифра указывает на принадлежность
масла к группе эксплуатационных свойств; третий символ характеризует
класс вязкости. Применяются также уточняющие обозначения: «З» 
52
наличие загущающей присадки; «К»  консервационное; «РК»  рабочеконсервационное и т.п.
Пример маркировки ТМ-5-12 РК – масло трансмиссионное пятой
группы по эксплуатационным свойствам, средняя вязкость при 100 0С 12
мм2/с, является рабоче-консервационным.
Обозначение ТМ по SAE J306
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Таблица 14. Классификация ТМ по вязкости
Степень
Температура при
вязкости по
динамической вязкости
SAE
150 Па*с, 0С
70W
55
75W
40
80W
26
85W
12
80
85
90
140
250
-
Вязкость при 100 0С,
мм2/с
min
max
4.1
4.1
7.0
11.0
7.0
11.0
11.0
13.5
13.5
24.0
24.0
41.0
41.0
-
Таблица 15. Классификация по назначению в системе API
№ Классы
качества
Условия работы и назначение
Содержание присадок
по API
1
Работа в легких условиях.
Механические
КПП
без
GL-1
Без присадок
синхронизаторов,
спиральноконусные и червячные передачи
2
Условия
средней
тяжести.
Противоизносные
GL-2
Червячные передачи.
присадки
3
Условия
средней
тяжести.
Противоизносные
GL-3
Конусные и др. передачи.
присадки
4
Тяжелые условия. Конусные и
4% противозадирных
GL-4
гипоидные передачи с малым
присадок
смещением осей.
5
Тяжелые условия. Гипоидные 6,5% противозадирных
передачи с большим смещением
и
GL-5
осей.
многофункциональных
присадок
6
GL-6
Очень
тяжелые
условия.
До10%
53
Гипоидные передачи с большим
смещением осей при наличии
ударных нагрузок.
противозадирных и
многофункциональных
присадок.
Имеются также специальные классы API: API MT-1 - для
высоконагруженных агрегатов и API PG-2 - для передач ведущих мостов
мощных грузовых автомобилей, эквивалентные GL-5, но обладающие
повышенной термической стабильностью, API GL-5LS – для
самоблокирующихся дифференциалов повышенного трения.
В системе SAE трансмиссионные масла подразделяются на зимние,
летние и всесезонные. Примеры обозначений: SAE85W API GL-3 – зимнее
масло; SAE 140 API GL-4 – летнее масло; SAE80W90 API GL-5 –
всесезонное масло.
Приблизительное соответствие классов вязкости и групп
эксплуатационных свойств отечественной и зарубежной классификаций
показано в табл. 16. и 17.
№
1
2
3
4
Таблица 16. Соответствие классов вязкости ТМ по ГОСТ и SAE
Класс вязкости по ГОСТ
Класс вязкости по SAE
9
75W
12
80W85
18
90
34
140
Таблица 17. Соответствие групп эксплуатационных свойств по
ГОСТ и API
№
Группа по ГОСТ
Группа по API
1
ТМ-1
GL-1
2
ТМ-2
GL-2
3
ТМ-3
GL-3
4
ТМ-4
Gl-4
5
ТМ-5
GL-5
Синтетические масла отличаются от минеральных малой вязкостью,
низкой температурой замерзания, большим ИВ (170 – 200 ед.),
термоокислительной стабильностью и низкой склонностью к
пенообразованию. Применяются в передачах, которые чувствительны к
увеличению вязкости при низких температурах, обеспечивают хорошее
смазывание при бри больших скоростях скольжения, имеют больший срок
службы. Хотя они и значительно дороже.
Масла для гидромеханических и гидрообъемных передач
54
Эти масла выполняют функцию рабочего тела при передаче
крутящего момента от двигателя к трансмиссии, смазывают и охлаждают
узлы трения, защищают их от коррозии и т.п.
Ввиду того, что гидромеханическая передача (ГМП) включает в себя
несколько нехарактерных для механической трансмиссии узлов
(гидротрансформатор, электронную систему управления, КПП и т.п.) к
маслу, работающему в ней, предъявляются более жесткие требования, чем
к маслу для механических передач.
Средняя температура масла в картере ГМП составляет 80 – 90 0С, а в
летний период при городском цикле движения доходит до 150 0С. Таким
образом ГМП является самым теплонапряженным агрегатом трансмиссии.
Такая высокая температура масла в ГМП в отличие от механической КПП
создается главным образом за счет внутреннего трения (скорость течения
масла в гидротрансформаторе достигает 80 – 100 м/с). кроме того в случае,
если с двигателя снимается большая мощность, чем это необходимо для
преодоления
дорожного
сопротивления,
избыточная
мощность
расходуется на внутреннее трение масла, что еще больше повышает его
температуру. Высокие скорости движения масла в гидротрансформаторе
приводят к его интенсивной аэрации и усиленному пенообразованию, что
ускоряет окисление масла.
Масла для гидромеханических передач получают на основе
маловязкого минерального масла с добавлением загущающей,
антиокислительной, противоизносной, и антипенной присадок. Для
гидрообъемных передач масло изготавливают на основе веретенного масла
АУ с комплексом присадок.
Для гидромеханических КПП применяются масла марок А, Р, МГТ
основные характеристики которых представленны в табл. 18.
Таблица 18. Масла для гидромеханических передач
№
А
Р
Показатели
1
2
3
4
5
6
Вязкость кинематическая, мм2/с
при 100 0С
при 50 0С
при 20 0С
Индекс вязкости, не менее
Температура застывания, 0С
Температура вспышки, 0С
Зольность, %, не менее
Плотность при 20 0С, г/см3
ТУ 38.1011282-89
МГТ
ТУ
381011103
-90
7,8
23 – 30
2100
3,8
12 – 14
1300
6–7
-
40
175
0,6
-
45
165
0,6
-
150
55
160
0,85
55
7
8
Класс вязкости по SAE
Группа
эксплуатационных
свойств по API
75W
70W
-
GL-2
GL-2
-
Масло марки А применяется для гидротрансформаторов
автомобилей. Масло Р
применяются в гидроусилителях рулевого
управления автомобилей всесезонно. Масло МГТ применяется в
гидромеханических КПП при контактных напряжениях до 2000 МПа.
Масла для автоматических КПП
Масла для АКП (AFT) – особый вид масел не подразделяющийся на
вязкостные и эксплуатационные группы. Эти масла характеризуются
малыми диапазонами отклонений от номинальных свойств.
Крупнейшие производители автоматических коробок передач
разработали спецификации для автоматических трансмиссионных
жидкостей. Наиболее распространены требования General Motors и Ford.
Классификации General Motors соответствуют масла под маркой
DEXTRON (DEXTRON II, DEXTRON IIE, DEXTRON III).
Классификации Ford соответствуют масла марки MERKON (V2C
1380 CJ, M2C 166H).
Периодичность замены ТМ
Срок службы масел в агрегатах трансмиссии зависит от ее
конструкции, качества масла, климатических условий и режима
эксплуатации машины. Масло заменяют при значительном изменении
показателей качества, таких как вязкость, кислотность, срабатывание
противокоррозионных, антиокислительных, противоизносных и др.
присадок.
Условия эксплуатации (нагруженность трансмиссии, температурный
режим работы, интенсивность загрязнения механическими примесями и
водой) являются важнейшим фактором, определяющим срок замены ТМ.
Нагрузки в трансмиссии во многом зависят от дорожных условий и
категории условий эксплуатации. Например, в городских условиях эти
нагрузки примерно в два раза больше, чем на загородном шоссе. При
попадании в ТМ воды резко снижается нагрузка сваривания и возрастает
износ деталей.
Индустриальные масла (ИМ)
Масла, применяемые для промышленного оборудования, называются
индустриальными. Они используются также в качестве гидравлических
жидкостей. Особенностью их работы является то, что рабочая температура
в узлах и механизмах практически не превышает 50 0С.
56
При подборе индустриального масла основным показателем служит
вязкость. Т.к. эти масла длительное время работают без замены, то они
должны быть устойчивы к окислению.
В зависимости от назначения ИМ делятся на четыре группы:
Л – легко нагруженные узлы станков (шпиндели, подшипники и
сопряженные с ними соединения);
Г – гидравлические системы;
Н – направляющие скольжения;
Т – тяжело нагруженные узлы (зубчатые передачи).
ИМ обозначаются по ГОСТ 17479.4-85. Марку масла выбирают в
зависимости от уровня эксплуатационных свойств и класса вязкости
(таблицах 19 и 20).
Таблица 19 . Группы ИМ по уровню эксплуатационных свойств
№ Подг Состав нефтяного масла
Рекомендуемая
область
рупп
применения
а
1 А
Нефтяные
масла
без
Шпиндели, подшипники,
присадок
гидросистемы, зубчатые
передачи, условия работы
которых не предъявляют
особых
требований
к
антиокислительным
и
антикоррозионным
свойствам масел
2 В
Те же с добавлением
Та же при повышенных
антиокислительных и
требованиях
к
антикоррозионных присадок
антиокислительным
и
антикоррозионным
свойствам масла
3 С
Те же с добавлением
Та
же
при
антиокислительных,
использовании
антикоррозионных и
антифрикционных сплавов
противоизносных присадок
цветных
металлов
и
повышенных требованиях
к
противоизносным
свойствам масел
4 Д
Те же с добавлением
Элементы оборудования
антиокислительных,
с
преимущественным
антикоррозионных,
трением
качения
и
противоизносных и
термонагруженные узлы
противозадирных присадок
трением
качения
и
скольжения
57
5
Е
Те
же
противоскачковыми
присадками
с
Направляющие
высокоточных станков
Таблица 20. Классы вязкости ИМ
Кинематическая
Класс
Класс
вязкость при 40 0С,
вязкости
вязкости
мм2/с (сСт)
2
1,9 – 2,5
68
3
3,0 – 3,5
100
5
4,0 – 5,0
150
7
6,0 – 8,0
220
10
9,0 – 11,0
320
15
13,0 – 17,0
460
22
19,0 – 25,0
680
32
29,0 – 35,0
1000
46
41,4 – 51,0
1500
Кинематическая
вязкость при 40 0С,
мм2/с (сСт)
61 – 75
90 – 110
135 – 165
198 – 242
288 – 352
414 – 506
612 – 748
900 – 1100
1350 - 1650
ИМ одинаковой вязкости взаимозаменяемы, хотя их свойства
несколько отличаются из-за технологии производства.
Кислотность ИМ не более 0,03  0,05 мг КОН/г, зольность 0,001 –
0,005 %.
Пример обозначения индустриального масла: И-Л-А-7, что
обозначает И – индустриальное масло, Л – для легко нагруженных узлов,
А – без присадок, 7 – кинематическая вязкость при 40 0С составляет 7
мм2/с.
Гидравлические масла (ГМ)
Давление в гидросистемах достигает 20 – 50 МПа, рабочая
температура 50 – 80 0С, скорость скольжения до 20 м/с. Для обеспечения
эффективной
работы
гидросистемы
масло
должно
обладать
соответствующей вязкостью и стабильностью.
Система обозначения ГМ регламентирована ГОСТ 17479.3-85.
Классификация их по эксплуатационным свойствам и вязкости приведены
в таблицах 21 и 22.
№
1
Таблица 21. Группы ГМ по эксплуатационным свойствам
Группа
Состав масла
Область применения
масел
Без присадок
Гидросистемы
при
А
давлении до 15 МПа и
58
2
Б
3
В
С антиокислительными
и
антикоррозионными
присадками
С антиокислительными,
антикоррозионными
и
противоизносными
присадками
температуре до 80 0С
Гидросистемы
при
давлении до 25 МПа и
температуре до 90 0С
Гидросистемы
при
давлении свыше 25 МПа и
температуре более 90 0С
Таблица 22. Классы вязкости ГМ
Кинематическая
Класс
Класс
вязкость при 40 0С,
вязкости
вязкости
мм2/с (сСт)
5
4,14 – 5,06
32
7
6,12 – 7,48
46
10
9,0 – 11,0
68
15
13,5 – 16,5
100
22
19,8 – 24,2
150
Кинематическая
вязкость при 40 0С,
мм2/с (сСт)
28,8 – 35,2
41,4 – 50,6
61,2 – 74,8
90,0 – 110,0
135,0 – 165,6
Пример обозначения: МГ-15-В – минеральное гидравлическое масло
(МГ); с антиокислительными, антикоррозионными и противоизносными
присадками; кинематическая вязкость при 40 0С – 15 мм2/с.
Пластичные смазки (ПС)
ПС по общим свойствам находятся между жидкими маслами и
твердыми смазками. Вещество смазки состоит из структурного каркаса
(загустителя), жидкого масла (80 – 90%) и присадок.
Загустители придают смазке основные свойства и делятся на
мыльные и немыльные. К мыльным загустителям относятся соли
натуральных или синтетических жирных кислот (кальциевые, баривые,
литиевае, натривые и др.). Немыльные загустители – это твердые
углеводороды (парафин, церезин, воск и т.п.).
ПС предназначены для смазки открытых и труднодоступных узлов
трения, герметизации подвижных уплотнений, консервации поверхностей
и др.
Для обеспечения надежной и долговечной работы при выборе смазки
главными факторами являются: соответствие смазки условиям работы
узла; оптимизация режимов смазывания; обеспечение сохранности
первоначальных свойств и экономичное расходование.
К показателям качества ПС относятся: внешний вид; содержание
воды и механических примесей; коррозионная активность; предел
59
прочности;
температура
растворимость в воде.
каплепадения;
эффективная
вязкость;
Наименование и обозначение ПС
Название смазки обычно состоит из одного слова, а для
модификаций используют буквенные или цифровые индексы. Например:
Литол-24, Солидол Ж, Циатим-221 и т.п. Обозначение (код смазки)
состоит из пяти буквенных и цифровых индексов, указывающих: группу
(подгруппу) в соответствии с назначением смазки (таблица 23). Тип
загустителя указан в таблице 24. Температурный интервал применения и
тип дисперсионной среды приведены в таблице 25. Консистенция смазки
указана в таблице 26. В РФ ПС классифицируются и обозначаются по
ГОСТ 23258-78.
Таблица 23. Классификация ПС
№ Индекс
Группа (подгруппа)
Применяемость
Антифрикционные
1 С
Общего назначения
Узлы трения, работающие
для обычных температур
при температуре до 70 0С
2
О
Общего назначения для Узлы трения, работающие
повышенных температур
при температуре до 1100С
3
М
многоцелевые
4
Ж
Термостойкие
5
Н
Низкотемпературные
6
И
Противозадирные,
противоизносные
7
Х
Химически стойкие
З
Консервационные
Защитные
8
Узлы трения, работающие
при температуре от 30 до
+130 0С
Узлы
трения,
работающие
при
0
температуре более 150 С
Узлы трения, работающие
при температуре ниже 40
0
С
Пошипники качения и
скольжения
при
контактных напряжениях
до 250 и 15 кПа
Узлы
трения
в
агрессивных средах
Механизмы и детали всех
видов за исключением
стальных канатов
60
А
Арматурные
Р
Резьбовые
10 К
Канатные
9
Уплотнительные
Запорная
арматура,
сальники
Резьбовые соединения
Канатные
Стальные канаты и тросы,
сердечники
стальных
канатов
Таблица 24. Типы и индексы загустителей
№
Загуститель
1 Мыло
2 Алюминиевое
3 Бариевое
4 Кальциевое
5 Литиевое
6 Комплексное*
7 Твердые углеводороды
8 Органические вещества
9 Неорганические вещества
10 Силикагель
Индекс
М
Ал
Ба
Ка
Ли
кМ
Т
О
Н
Си
*Комплексное мыло обозначают кБа, кКА и т.п. Смесь двух или
более загустителей обозначают составным индексом. Например: Ка – На,
Ли – Ба и т.п. Индексы М, О, Н из назначения смазки применяют только в
том случае, когда загуститель, входящий в один из разрядов (мыло,
органические и неорганические вещества) не предусмотрен перечнем табл.
7.16.
Рекомендуемый интервал рабочей температуры обозначают дробью,
в числителе указывается минимальная температура (в десятках градусов,
без минуса), а в знаменателе – максимальная температура (в десятках
градусов). Например, 3/12 означает работоспособность смазки от 30 до
+120 0С.
Тип дисперсионной среды и наличие твердых добавок обозначают
строчными буквами русского алфавита в соответствии с индексами,
приведенными в табл. 26.
Таблица 25. Типы и индексы дисперсионной среды ПС.
№
Тип среды
Индекс
Дисперсионная среда
1 Минеральное масло
н
2 Синтетическое масло
у
61
3
4
5
Силиконовые жидкости
Эфиры
Другие масла и жидкости
к
э
п*
Твердые добавки
6
7
8
9
Графит
Дисульфид молибдена
Порошок:
-свинцовый
-медный
-цинковый
Другие твердые присадки
г
д
с
м
ц
т
* Применяется в тех случаях, когда входящее в дисперсионную
среду масло не предусмотрено данной таблицей, пишется через дефис
после индекса температурного интервала или индекса дисперсионной
среды.
Смесь двух и более масел обозначают составным индексом (нк, кп,
уэ и т.п.). На первом месте ставится индекс масла, содержание которого в
дисперсионной среде больше.
Индекс класса консистенции ПС обозначают в соответствии с
данными, приведенными в таблице 26.
Таблица 26. Классы консистенции ПС
Индекс класса
Пенетрация
Индекс класса
0
консистенции
при 25 С
консистенции
00
400 – 430
4
0
335 – 385
5
1
310 – 340
6
2
265 – 290
7
3
220 - 250
Пенетрация
при 25 0С
175 – 205
130 – 160
85 – 115
меньше 70
Таблица
Классы консистенции ПС
Индекс класса
Пенетрация при Визуальная оценка костистенции
консистенции
25 0С
00
400 – 430
Очень мягкая, аналогичная вязкому маслу
0
335 – 385
Мягкая
1
310 – 340
Мягкая
2
265 – 290
Вазелинообразная
3
220 - 250
Почти твердая
4
175 -205
Твердая
5
130 – 160
Твердая
6
85 – 115
Твердая, мылообразная
7
меньше 70
Очень твердая
62
Пенетрация характеризует глубину опускания стандартного конуса
весом 150 г в ПС при температуре 25 0С за 5 с и выражается в десятых
долях мм. Например, 250 – 25 мм, 400 – 40 мм. Чем больше класс
пенетрации, тем гуще смазка.
Примеры обозначений ПС.
СКа 2/8 - 2: буква С – смазка общего назначения для обычных
температур (солидол); Ка – загущена кальциевым мылом; 2/8 –
применяется при температурах от –20 до +80 0С; отсутствие индекса
дисперсионной среды – изготовлена из минерального масла; 2 –
пенетрация 265 – 290 при 25 0С.
МЛи 4/13 – 3: М – многоцелевая; Ли – загущена литиевым мылом;
4/13 – температурный интервал применения от 40 до +130 0С; отсутствие
индекса дисперсионной среды - приготовлена на минеральном масле; 3 –
пенетрация 220 – 250 при 25 0С.
КТ 6/5 - к4: К – канатная; Т – загущена твердыми углеводородами;
6/5 – применима при температурах от 60 до +50 0С; к – приготовлена на
основе кремнийорганической жидкости; 4 – пенетрация 175 – 205 при 25
0
С.
СКа 2/6 – г3: С – смазка общего назначения; Ка – загуститель
кальциевое мыло; 2/6 – интервал рабочей температуры; г – в смазку
добавлен графит; 4 – класс пенетрации.
Не желательно смешивать различные смазки, т.к. они могут вступить
в химическую реакцию, образуя при этом смолы, затвердевать или
разжижаться. Лучше промыть подшипник и только потом его смазать.
Методы определения качества масла
Пригодность масла для использования определяется оценкой его
основных физико-химических показателей (вязкость, диспергирующие
свойства, содержание механических примесей, наличие воды, щелочное и
ли кислотное число и др). Если при анализе установлено, что хотя бы один
из этих показателей приближается к предельному значению или достиг
его, то масло необходимо заменить.
Лабораторными методами коррозионные свойства масла оценивают
по следующим характеристикам:
-содержание водорастворимых кислот и щелочей;
-кислотным числом;
-содержанием серы;
-наличием воды;
-по характеру коррозии медной или другой металлической
пластинки.
Присутствие в масле воды определяется следующим образом.
Нагретую до 120 0С медную пластинку погружают в масло на глубину 20 –
30 мм. Если слышится сильный непрерывный треск, то содержание воды
63
превышает 0,3%. При слабом шипении и редком (раз в 2 – 3 с)
потрескивании содержание воды 0,1 – 0,2%. Образование мельчайших
пузырьков говорит о незначительном (0,02 – 0,05%) присутствии воды.
Масло необходимо заменить, если воды в нем больше 0,25%.
Коррозионность масла определяют на специальной установке, в
которой предварительно взвешенные свинцовые пластинки периодически
окунаются в испытуемое масло, нагретое до 140 0С в течение 50 ч. Затем
пластинки снова взвешивают и посчитывают коррозионность по формуле:
К = (G1 – G2) /F,
(7.5)
где К – коррозионность масла, г/м2;
G1 и G2 – масса пластинки до и после испытаний, г;
F – площадь пластинки, м2.
Рисунок 13. Изменение кислотности масла в зависимости от
наработки двигателя.
По ISO2160 и ГОСТ 2917-76 медный стержень выдерживают в
течение 3 ч в нагретом до 150 0С трансмиссионном масле, а затем
оценивают интенсивность коррозии и цвет в баллах. Коррозия от 1 до 4
баллов (4 хуже), цвет: a,b,c,d,e (е наихудший).
Щелочность и кислотность масла выражают через:
-общее щелочное число (TBN), мгКОН/г;
-число нейтрализации;
-общее кислотное число (TAN), мг КОН/100 мл;
-число сильных кислот (SAN).
Методы определения качества смазочного масла
Пригодность масла для использования определяется оценкой его
основных физико-химических показателей (вязкость, диспергирующие
свойства, содержание механических примесей, наличие воды, щелочное и
ли кислотное число и др.). Если при анализе установлено, что хотя бы один
из этих показателей приближается к предельному значению или достиг
его, то масло необходимо заменить.
64
Лабораторными методами коррозионные свойства масла оценивают
по следующим характеристикам:
-содержание водорастворимых кислот и щелочей;
-кислотным числом;
-содержанием серы;
-наличием воды;
-по характеру коррозии медной или другой металлической
пластинки.
Присутствие в масле воды определяется следующим образом.
Нагретую до 120 0С медную пластинку погружают в масло на глубину 20 –
30 мм. Если слышится непрерывный, сильный треск, то содержание воды
превышает 0,3%. При слабом шипении и редком (раз в 2 – 3 с)
потрескивании содержание воды 0,1 – 0,2%. Образование мельчайших
пузырьков говорит о незначительном (0,02 – 0,05%) присутствии воды.
Масло необходимо заменить, если воды в нем больше 0,25%.
Коррозионность масла определяют на специальной установке, в
которой предварительно взвешенные свинцовые пластинки периодически
окунаются в испытуемое масло, нагретое до 140 0С в течение 50 ч. Затем
пластинки снова взвешивают и посчитывают коррозионность по формуле:
К = (G1 –G2)/F,
( 7.5 )
где К – коррозионность масла, г/м2;
G1 и G2 – масса пластинки до и после испытаний, г;
F – площадь пластинки, м2.
Рисунок 14. Изменение кислотности масла в зависимости от
наработки двигателя.
По ISO 2160 и ГОСТ 2917-76 медный стержень выдерживают в
течение 3 ч в нагретом до 150 0С трансмиссионном масле, а затем
оценивают интенсивность коррозии и цвет в баллах. Коррозия от 1 до 4
баллов (4 хуже), цвет: a,b,c,d,e (е - наихудший).
Щелочность и кислотность масла выражают через:
-общее щелочное число (TBN), мгКОН/г;
-число нейтрализации;
65
-общее кислотное число (TAN), мг КОН/100 мл;
-число сильных кислот (SAN).
Плотность масла определяют с помощью ареометра. Затем приводят
полученное значение к плотности при 20 0С по формуле:
р20 = рt +α(t – 20),
где t – температура при замере, 0С;
p – плотность масла при 20 0С, кг/ м3;
pt – плотность масла при замере, кг/м3;
α – средняя температурная поправка плотности.
Таблица 27. Температурная поправка плотности смазочного масла
()
Плотность масла, кг/м3
690 – 740
750 – 820
830– 890
900– 970
980 – 1000
Температурная поправка
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Определение диспергирующей способности масла производится
капельным методом. Для этого на фильтровальную бумагу наносят каплю
масла без пузырьков воздуха и через 30 мин анализируют полученное
масляное пятно (хроматограмма).
Рис. 15. Хроматограмма масляного пятна.
Д – диаметр зоны, пропитанной маслом, мм; D – диаметр зоны
диффузии, мм; d – диаметр ядра, мм.
В структуре масляного пятна различают темный ореол (окантовку)
вокруг ядра, ядро, зону диффузии частиц загрязнения и светлое кольцо, не
содержащее нерастворимых примесей. При изменении качества масла
меняется соотношение зон хроматограммы.
66
Если в масле содержатся частицы, размеры которых меньше пор
бумаги, то распределение загрязнений идет по всему пятну равномерно
(отсутствует центральное ядро). Чем меньше частицы загрязнений, тем
больше зона диффузии и лучше диспергирующая способность масла.
При срабатывании диспергирующая способность масла ухудшается,
размеры загрязнений увеличиваются, что приводит к уменьшению зоны
диффузии. Полное отсутствие этой зоны и малый размер ядра с черной
блестящей поверхностью говорит о срабатывании диспергирующей
присадки. Загрязнения уже не удерживаются в масле во взвешенном
состоянии из-за слишком большого размера частиц.
Диспергирующая способность (ДС) масла рассчитывается по
формуле:
ДС = 1 – d2 /D2.
(
)
8. Технические жидкости
Тормозные жидкости (ТЖ)
В соответствии с назначением к ТЖ предъявляются следующие
требования: низкая температура замерзания и высокая температура
кипения; хорошая смазывающая способность; жидкость не должна
обладать антикоррозионными свойствами и не разрушать РТИ.
Для гидравлического привода тормозов используют жидкости на
касторовой, глицериновой и гликолевой основе.
БСК – ТЖ на касторовой основе, состоит из 50% касторового масла
и 50% бутилового спирта. Обладает хорошей смазывающей способностью,
но при температурах ниже 25 0С касторовое масло кристаллизуется в
салообразную массу. Температура кипения этой жидкости 115 0С, что
делает ее непригодной для дисковых тормозов, где температуры в системе
достигают больших значений. Поэтому жидкость БСК в настоящее время
почти не применяется. Т.к. спирт из нее легко испаряется. То хранить ТЖ
необходимо в герметичной посуде.
На гликолевой основе выпускают ТЖ марок «Нева», «Томь», «Роса».
Основным компонентом этих жидкостей является гликоль и его
производные, в состав жидкости входят также антикоррозионные
присадки. Температура замерзания ТЖ на основе гликоля 650С, а
температура кипения 190, 205 и 260 0С соответственно. При попадании в
ТЖ на основе гликоля воды (эти жидкости весьма гигроскопичны) они не
67
расслаиваются, но при этом значительно снижается температура кипения.
При попадании в жидкость 4% воды температура кипения снижается до
140, 160 и 1700С соответственно. Такой степени увлажненности при
нормальной эксплуатации машины ТЖ достигает за 1 – 2 года, поэтому
требуется менять ТЖ примерно раз в год, при этом из системы удаляются
также продукты изнашивания.
Увлажненная ТЖ становится также причиной коррозии, что
сказывается на работе тормозных цилиндров. По мере развития коррозии
цилиндр работает хуже, т.к. манжеты трутся не о гладкое зеркало, а об
изъеденное ржавчиной. Затем появляется течь и в тормозную систему
может попасть воздух.
Все жидкости на гликолевой основе ядовиты и огнеопасны.
ТЖ, приготовленные на разных основах (Нева, БСК), нельзя
смешивать, т.к. это приведет к их расслаиванию и потере основных
эксплуатационных свойств. ТЖ на гликолевой основе совместимы друг с
другом.
Амортизационные жидкости (АЖ)
Для амортизаторов следует применять жидкости, обладающие
хорошими смазывающими способностями, пологой ВТХ, высокими
противокоррозионными свойствами и низкой температурой застывания.
АЖ должны иметь также высокую термическую и механическую
стабильность, чтобы амортизатор надежно работал не менее 100 – 150 тыс.
км.
Для всесезонной работы амортизаторы заправляют жидкостями
МГП-10 и МГП-12, которые являются смесью трансформаторного масла,
кремнийорганической жидкости, антиокислительной и противопенной
присадок. Жидкости обеспечивает устойчивую работу амортизаторов при
повышенных температурах и давлении. Интервал рабочих температур от
50 до +60 0С, вязкость при 500С − 10 и 12 мм2/с.
При отсутствии специальных АЖ можно использовать смесь
трансформаторного и турбинного масла, которая готовится исходя из
требуемой вязкости 10 – 12 мм2/с при 500С (60% турбинного и 40%
трансформаторного масла летом и 40% турбинного и 60%
трансформаторного масла зимой). При отсутствии турбинного масла
можно использовать легкое индустриальное. Недостатком этих смесей
является высокая вязкость при низких температурах, что приводит к
жесткой работе амортизатора. Колесо при движении по неровной дороге
может потерять с ней контакт, что увеличивает опасность аварии.
Загустевшее масло плохо продавливается через каналы и сверления и
амортизатор оказывается заблокированным, что ведет к быстрому выходу
68
его из строя. В таком случае необходимо сначала при движении на малых
скоростях прогреть амортизатор.
Охлаждающие жидкости (ОЖ)
Жидкость для системы охлаждения должна отвечать следующим
требованиям: иметь минимальную температуру замерзания и
максимальную температуру кипения; иметь минимальный коэффициент
объемного расширения; обладать минимальной вязкостью; не вызывать
коррозии деталей и отложений в системе охлаждения, обладать высокой
теплопроводностью и теплоемкостью (ГОСТ 28084-89).
В системе охлаждения двигателя применяют следующие жидкости.
Вода имеет высокую удельную теплоемкость, не токсична, легко
доступна и сравнительно дешева. Главный недостаток воды как ОЖ –
высокая температура замерзания (0 0С), что затрудняет ее применение при
отрицательных температурах. При замерзании вода расширяется, что
может привести к повреждению блока цилиндров, головки блока,
сердцевины радиатора. Вода вызывает коррозию деталей, кроме того, в
ней могут содержаться соли различных металлов, способных в виде
накипи откладываться в рубашке охлаждения. Из-за низкой
теплопроводности накипи ухудшается охлаждение двигателя, что
увеличивает расход топлива и снижает его ресурс.
В качестве ОЖ всесезонно применяют низкозамерзающие жидкости
– антифризы. Они замерзают при более низких температурах, чем вода, не
вызывают коррозию деталей, кипят при более высокой температуре.
Недостатками антифризов по сравнению с водой являются: пониженная
теплоемкость, большая текучесть и химическая активность по отношению
к РТИ, большая стоимость, антифриз - ядовит.
Наиболее распространенной всесезонной ОЖ является смесь
этиленгликоля с дистиллированной водой плотностью 1,065 – 1,085 г/см3
при 20 0С, причем смесь может быть приготовлена в любых соотношениях
в зависимости от требуемой температуры ее замерзания. В чистом виде
этиленгликоль – бесцветная прозрачная жидкость, без запаха, с
температурами кипения –180 и замерзания 120С. Самой низкой
температурой замерзания (75 0С) обладает смесь из 67% этиленгликоля и
33% воды. На рисунке 16 показана кривая кристаллизации смесей
различных концентраций.
69
Рисунок 16. График кристаллизации смесей этиленгликоля и воды:
1 – раствор; 2 – кристаллы льда + раствор; 3 – кристаллы этиленгликоля +
раствор; 4 – кристаллы льда и этиленгликоля.
В России, кроме чистого этиленгликоля, выпускаются ОЖ Тосол –
А-40 и Тосол А-65. Они состоят из
смеси этиленгликоля с
дистиллированной водой и добавленных к ним антикислительных и
антипенных присадок. Температура замерзания этих ОЖ соответственно
–40 и –65 0С.
С течением времени присадки в ОЖ срабатываются, они
загрязняются различными примесями, поэтому раз в два года жидкость в
системе охлаждения необходимо менять. При этом система промывается
чистой водой.
При отравлении Тосолом необходимо выпить алкоголь (спирт,
водка, коньяк и т.п.).
Тосол – технология органического синтеза.
Пусковые жидкости (ПЖ)
Различия в принципе воспламенения топлива в бензиновых и
дизельных двигателях обуславливают разный подход к составу пусковых
жидкостей и содержанию в них различных компонентов.
Основным компонентом всех жидкостей, обеспечивающим им
высокую эффективность, служит этиловый эфир. Добавление эфира к
углеводородному топливу значительно расширяет
возможность
воспламенения бедных топливовоздушных смесей.
Введдение в ПЖ изопропилнитрата способствует плавной работе
дизельных и бензиновых двигателей, а также интенсификации
предпламенных реакций.
В качестве компонента, обеспечивающего ПЖ хорошие
противоизносные и противоокислительные свойства, используется
турбинное масло, застывающее при температуре ниже –60 0С.
Для обеспечения холодного пуска дизеля содержание масла в ПЖ не
должно превышать 10 – 20% от массы.
Эффективность ПЖ определяется совокупностью свойств всех
составляющих ее кокомпонентов. Эксплуатационные характеристики ПЖ
российского производства представлены в таблице 28.
Таблица 28. Характеристика пусковых жидкостей отечественного
производства
70
Наименование
показателей
Цвет
Наименование пусковых жидкостей для
двигателей
Бензиновых
Дизельных
«Арктика»
Диэтиловый Жидкость «Холод
эфир
НАМИ Д-40»
СветлоСветложелтый
или голубой
или
прозрачный
прозрачный
-
-
Состав по массе, %
диэтиловый эфир
петролейный эфир
45 – 60
100
65
58 – 62
38 – 43
-
-
9 - 11
-турбинное масло
-изопропилнитрат
-противоизносная
и
противозадирная присадки
-противоокислительная
присадка
Минимальная
температура
надежного
0
пуска двигателя, С
1,5 – 2,5
2–4
-
-
13 – 17
-
до 2
-
-
-
до 0,5
-
0,2
-
-
-
-
-35
Электролит для свинцовых аккумуляторных батарей
Электролит – это раствор серной кислоты и дистиллированной воды.
Для надежной работы батареи необходима высокая чистота электролита,
нельзя применять техническую кислоту и недистиллированную воду, т.к. в
этом случае ускоряется саморазряд, происходит сульфатация и разрушение
пластин, сокращается срок службы батареи.
При приготовлении электролита кислота льется тонкой струей в
воду и одновременно помешивается стеклянной палочкой. Нельзя лить
воду в кислоту, т.к. при растворении выделяется большое количество
тепла, вода закипает и раствор разбрызгивается, что может вызвать ожоги
кожи. Необходимо использовать керамическую посуду, т.к. стеклянная
может не выдержать резкого изменения температуры и лопнуть.
В результате смешивания кислоты с водой температура раствора
повышается и перед заливкой в аккумулятор его необходимо охладить до
20 0С.
Таблица 29. Плотность электролита в зависимости от количества
серной кислоты (см3) на 1 литр воды.
Плотность электролита, г/см3
Количество кислоты, см3
1,23
1,25
290
328
1,27
368
1,29
412
71
От плотности электролита зависит заряженность батареи и
температура его замерзания.
Таблица 30. Температурная поправка на плотность электролита при
отличии от температуры +25 0С.
Фактическая температура
Значение температурной
0
электролита, С
поправки плотности, г/см3
-40 … -26
-0,04
-25 … -11
-0,03
-10 … +4
-0,02
+5 … +19
-0,01
+20 … +30
0,00
+31 … +45
+0,01
Таблица 31. Зависимость температуры замерзания электролита от
его плотности.
Плотность электролита, г/ см3
Температура замерзания, 0С
1,10
1,15
1,20
1,25
7
14
25
68
При снижении температура ниже –30 0С батарея практически не
принимает заряд, а замерзший электролит может разорвать корпус
батареи.
9. Экономия ГСМ
Простейшие способы определения качества ГСМ
Отклонение отдельных физико-химических показателей ГСМ от
требований ГОСТ приводит к их перерасходу, повышенному износу узлов
и агрегатов, повышает токсичность ОГ, снижает безопасность
эксплуатации машины и т.п. Это повышает эксплуатационные затраты на
содержание машин и себестоимость продукции.
1.Наличие воды в топливе определяется путем отстаивания в
стеклянном цилиндре в течение 1,5 – 2 ч, т.к. плотности этих жидкостей
различны, то вода будет отстаиваться на дне сосуда и ее хорошо будет
видно при внешнем осмотре. Для ДТ присутствие воды определяется
72
также путем взбалтывания сосуда. При ее наличии топливо станет мутным
на вид.
Определение наличия воды в смазочном масле путем отстаивания
занимает довольно много времени. Для ускорения процесса пробу масла
помещают в пробирку и подогревают над открытым пламенем. На
содержание воды в масле укажет его вспенивание и характерное
потрескивание, вызванное испарением воды.
2.Наличие механических примесей определяется путем фильтрации
топлива через бумажный фильтр. По внешнему виду осадка можно
примерно определить количество и состав примесей. ДТ перед
фильтрацией предварительно разбавляют бензином в пропорции 1 : 1.
После фильтрации фильтр промывают чистым бензином для удаления
смолистых веществ и просушивают. Чем темнее пятно, тем больше
содержание примесей. Аналогично проверяют смазочные масла,
предварительно разбавив их чистым бензином в пропорции 1 : 3 или 1 : 4 в
зависимости от вязкости.
3.Коррозионность топлива определяется при опускании в него
отполированной медной пластинки на 3 – 4 ч. Для ускорения процесса
сосуд подогревают в водяной бане до 100 0С. Налет зеленого или темного
цвета указывает на присутствие коррозионно-активных веществ. О
количестве и агрессивности этих соединений судят по интенсивности
изменения поверхности пластинки.
4.Содержание смол в
топливе определяется
путем сжигания
3
пробы топлива (1 см ). После сжигания пробы смолы образуют остаток в
виде круга. Чем больше в топливе смол, тем больше диаметр пятна. По
среднему диаметру этого пятна можно определить примерное содержание
смол в топливе (таблица 32).
Таблица 32. Содержание смол в топливе в зависимости от диаметра
пятна
Диаметр
пятна,
мм.
Содержание смол,
мг/100 мл.
6
7
8
9
10
4
7
11
15
20
5.Вязкость масла можно определить с помощью шарикового
вискозиметра, который состоит из нескольких стеклянных пробирок,
заполненных маслом с заранее известной вязкостью и металлических
шариков. Одна пробирка пустая, в нее заливают испытуемое масло. Перед
испытанием для уравнивания температур вискозиметр опускают на 10 мин
в теплую воду. Затем прибор быстро переворачивают и следят за
перемещением шариков. Совпадение скорости перемещения шариков в
испытуемом масле и эталонном укажет вязкость данного масла.
73
6.Плотность ГСМ зависит от температуры (при повышении
температуры плотность снижается). Поэтому плотность необходимо знать
при перерасчете массы ГСМ в объем и наоборот. Плотность определяют с
помощью нефтеденсиметра (разновидность ареометра) со встроенным
термометром. Для приведения плотности к стандартной (при 20 0С)
полученное значение рассчитывают с помощью поправочных
температурных коэффициентов.
ρ20 = ρ + α(t – 20),
(
)
где ρ20 – плотность топлива при 20 0С, г/см3;
ρ – плотность топлива при замере, г/см3;
t – фактическая температура топлива, 0С;
α – температурная поправка к топливу.
Таблица 33. Значение температурной поправки α
Плотность
при
Плотность
при
фактической
α
фактической
3
температуре, кг/м
температуре, кг/м3
700– 710
0,897
790 – 800
710 – 720
0,884
800 – 810
720 - 730
0,870
810 – 820
730 – 740
0,857
820 – 830
740 – 750
0,844
830 – 840
750 – 760
0,831
840 – 850
760 – 770
0,818
850 – 860
770 – 780
0,805
860 – 870
780 – 790
0,792
870 – 880
α
0,778
0,765
0,752
0,738
0,725
0,712
0,699
0,686
0,683
Пути экономии ГСМ
Совершенство конструкции автомобилей с точки зрения
экономичности оценивают по величине расхода топлива на 100 км пробега
(qn.).
qn = 100Q/S,
(9.1)
где Q – общий расход топлива, л (кг);
S – пробег, км.
Можно также оценить экономичность по расходу топлива на
транспортную работу (qр).
qр = Q/ Wтp = Q/( mгр*S),
(9.2)
74
где Wтр – объем транспортной работы, т*км;
mгр – масса груза, т;
S – пробег автомобиля с грузом, км.
Топливную экономичность двигателя оценивают с помощью
часового расхода топлива (Gт) и удельного расхода топлива (gе).
Gт = ρ*Q/t,
gе = Gт/Ne = 1000 ρ*Q/ (t*Ne),
(9.3)
(9.4)
ρ - плотность топлива, г/см3;
t – время, соответствующее расходу Q, ч;
Nе – мощность двигателя, кВт.
Мероприятия, направленные на снижение расхода ГСМ, можно
разделить на несколько групп.
1.Правильная организация эксплуатации техники, которая включает
в себя:
-своевременное и качественное проведение работ по ТО и Р;
-полное
использование
мощности
двигателя
(повышение
коэффициентов использования пробега и грузоподъемности), что снижает
удельный расход топлива;
-повышение квалификации водителей;
-учет и контроль за выдачей и расходом ГСМ;
-контроль качества поступающих на предприятие ГСМ;
-использование ГСМ по назначению в соответствии с требованиями
изготовителей техники;
-прогрев двигателя перед запуском в зимнее время, утепление узлов
и агрегатов;
-применение обтекателей и защитного брезента на автомобилях для
дальних перевозок.
2.Транспортирование и раздача топлива. ГСМ следует перевозить в
специализированных цистернах, что обеспечит чистоту топлива и сократит
потери его от разлива и испарения. Заправку и слив необходимо
производить под уровень топлива, что уменьшает разбрызгивание и
испарение. Механизированная заправка техники также уменьшает потери
топлива на испарение и разлив и предотвращает попадание в него
механических примесей.
3.Хранение ГСМ. При хранении необходимо следить за плотностью
соединения трубопроводов, герметичностью крышек и сварных швов
резервуаров.
Топливо желательно хранить в подземных резервуарах, т.к. это
снижает пожаропасность и позволяет поддерживать стабильную
75
температуру. При наземном хранении резервуары должны окрашиваться в
светлые тона, что предотвращает их нагревание солнечными лучами, а,
следовательно, потери легких фракций топлива при испарении и
замедляет смолообразование.
4.Повторное использование нефтепродуктов. Регенерация смазочных
материалов позволяет уменьшить расход исходного сырья для их
производства и снизить загрязнение окружающей среды. Отработанные
масла могут также использоваться для производства топлива.
Отработанные нефтепродукты делятся на три группы: масла
моторные отработанные (ММО); масла индустриальные отработанные
(МИО); смесь нефтепродуктов отработанных (СНО). Сдача отработанных
ГСМ регламентируется ГОСТ 21046-86.
10. Добавки к ТСМ
10.1. присадки к смазочным маслам
Стандартные присадки к маслам (вязкостные, депрессорные,
моющие и т.п.) определяют работу сопряжения в штатных условиях
гидродинамического трения и не учитывают реальное состояние
поверхностей деталей (шейки валов, поршневые кольца, зеркало цилиндра
и др.). Эти присадки работают одинаково как для нового, так и для сильно
изношенного двигателя, хотя условия смазки для них значительно
отличаются. Износ деталей при эксплуатации вносит индивидуальные
отличия в работу каждой пары трения.
ВАФП – восстанавливающие, антифрикционные присадки,
основное отличие которых от присадок в индивидуальном подходе к
применяемому узлу и технологии.
Любая пара трения двигателя – это три составляющие, две из
которых поверхности контакта, а третья масляная пленка, разделяющая эти
поверхности. Обычные присадки к маслам определяют свойства только
третьей составляющей, не влияя на свойства двух других. ВАФП же
принципиально не должна изменять свойств смазочного масла, область
работы добавки – поверхности трения.
Эти присадки можно разделить на «жесткие», оказывающие быстрое
и эффективное действие на техническое состояние механизма и «мягкие»
менее эффективные, но не способные ему повредить.
Классификация ВАФП
1.Реметаллизаторы («РиМет» и др.) – присадки, в которых в
нейтральном носителе, растворимом в смазочном масле, содержатся
76
мелкодисперстные порошки или ионы мягких металлов (медь, кадмий,
олово и др.). Эти вещества, попадая в зону трения, заполняют
микронеровности, и создают защитный (плакирующий) слой, который на
некоторое время восстанавливает поверхность детали. Соединения слоя с
основным металлом происходит на механическом уровне, причем
износостойкость и твердость данного слоя значительно ниже основного
материала. Поэтому для продолжения положительно эффекта в масле
необходимо постоянное присутствие препарата.
В тоже время применение этих препаратов позволяет достичь
быстрого восстановления компрессии двигателя и, следовательно,
снижения расхода топлива и масла.
Препараты этой группы достаточно дешевы, но не стабильность
результатов и технологии их применения не позволяет дать четких
рекомендаций при использовании данных присадок в ДВС.
2.Тефлоновые присадки («Форум», SLIDER, 2000 RTFE и др.) –
хорошие антифрикционные и антипригарные материалы, начинающие
активно работать сразу после попадания в зону трения. Наиболее
эффективно они действуют в узлах трения с относительно невысокой
температурой (подшипники коленчатого и распределительного вала).
Но они дороги, имеют невысокую связь с поверхностью основного
материала (сковородки). Тефлон соскабливается с поверхности трения,
например, поршневыми кольцами, особенно при недостаточной смазке на
пусковых режимах. Поэтому для эффективной работы присадки также
необходимо ее постоянное присутствие в масле.
Кроме того тефлон хороший теплоизолятор, поэтому при наличие
тефлонового слоя на стенках цилиндра приводит к повышению
температуры в камере сгорания, а, следовательно, повышает риск
детонации и ведет к увеличению содержания NOх в ОГ. Наличие
соединений фтора (компонент тефлона) в зоне горения приводит к
образованию фосгена. Поэтому использование данных присадок
ограничено в Европе.
3.Полимерные антифрикционные присадки или модификаторы
трения («Аспект-модификатор») – были созданы для нужд армии и
позволяли кратковременно сохранить подвижность боевой техники при
отсутствии смазки за счет создания на поверхностях деталей полимерного
покрытия. Это покрытие некоторое время предотвращало сухое трение и,
следовательно, задир поверхностей.
При использовании данных присадок в обычных двигателях
наблюдается кратковременный рост мощности и снижение расхода
топлива. После срабатывания полимерной защиты поверхностей трения
скорость изнашивания деталей и расход топлива резко возрастают.
4.Ремонтно-восстановительные
присадки
(РВП)
или
геомодификаторы трения (ГМТ) на основе серпентинов («РВС»,
77
«ХАДО», «ФОРСАН» и др.). Действие ремонтно-восстановительных
присадок основано на свойстве порошка серпентина (Mg2SiO4) и
подобных ему препаратов (нитрид бора) разлагаться при высокой
температуре с выделением веществ, образующих металлокерамическое
покрытие, которое препятствует дальнейшему разрушению поверхностей
трения из-за своей твердости и износостойкости.
Недостатки:
-требуется очень точное соблюдение технологии применения;
-нарушается тепловое состояние бензинового двигателя из-за
модификации поверхностей трения, одновременно являющимися и
поверхностями теплоотвода (рост температур увеличивает механические
потери и склонность двигателя к детонации), хотя для дизеля это дает
возможность повысить эффективный к.п.д. и снизить жесткость работы
-растет расход масла на начальных стадиях применения препарата
-нарушение в ходе обработки вкладышей подшипников (продольные
царапины на сравнительно мягком материале вкладышей), что снижает
несущую способность подшипников.
5.Эпиламные (эпиламоподобные) присадки «Универсальный
модификатор», «Энергия 3000»). Действие этих присадок основано на
формировании защитных слоев на всех поверхностях трения.
Эпиламообразующие вещества – это поверхностно-активные
вещества (ПАВ) с содержанием фтора и др. галогенов хлора, брома, йода.
Поверхностные слои трения насыщаются длинными фторсодержащими
молекулами, которые армируют металл, повышая поверхностную
прочность деталей.
В зоне трения под воздействием высоких температур реализуется
механизм локальных механических реакций, при котором уменьшаются
выступы шероховатостей (микрошлифовка поверхностей). Продуктами
этих реакций заполняются впадины шероховатостей и дефекты
поверхностей, образовавшихся в процессе эксплуатации двигателя. Кроме
того, при этом формируется микропористая поверхность, которая хорошо
удерживает смазочное масло. Этот слой формируется при добавке
присадки и в дальнейшем не требует ее возобновления в масле.
Недостатком данных препаратом является сравнительно большая
цена.
6.Кондиционеры металлов («ЕR», «Феном», «СМТ-2» и др.) –
присадки на основе хлорпарафиновых соединений.
По утверждению разработчиков масло с введенной в него
присадкой, активными компонентами которой являются хлор и сера,
растворяет продукты изнашивания – металлы, переводя их в соли. Эти
соли попадают в зону трения, где снова осаждаются с выделением чистого
металла.
78
Но т.к. носителями активного хлора являются полимеры, то при
реализации замкнутого цикла «износ – восстановление» происходит
частичная защита поверхностей трения полимерными пленками, что
обеспечивает высокие антизадирные свойства.
Однако эти присадки обладают следующими существенными
недостатками. Соединения хлора и серы являются высокотоксичными.
Хлорпарафиновые соединения разлагаются при высокой температуре в
камере сгорания двигателя. Это вызвано присутствием в них полимеров,
что приводит к повышенному нагарообразованию, а это требует введения
в присадку очистителей (спирты, эфиры).
Достаточно эффективно
присадки работают только в масляном насосе и подшипниках коленчатого
вала. Разложение присадки в зоне высоких температур и постепенное
разрушение полимерного антифрикционного слоя требует постоянного
присутствия присадки в двигателе.
7.Слоистые модификаторы трения предназначены для ускорения
начальной приработки узлов трения («Моликот», «Марли», «Графитол» и
др.). Эти присадки содержат графит, сернистые соединения молибдена и
т.п.
Механизм работы этих присадок состоит в формировании на
поверхностях деталей слоистой структуры с очень низким коэффициентом
трения. Этот слой играет роль твердой смазки. Эффект снижения
механических потерь наступает практически сразу, но не имеет
устойчивого характера. Слоистое покрытие будет работать только при
постоянном поступлении активного компонента. Снижение концентрации
препарата в масле быстро сводит на нет эффект обработки.
Кроме того, сернистые соединения при высоких температурах
быстро разлагаются, что увеличивает коррозионную активность и
токсичность ОГ. Мелкодисперсный порошок графита легко отлагается на
направляющих клапанов в поршневых канавках масляных каналах и др.
местах. Поэтому длительное использование присадок этой группы не
желательно.
ВАФП для трансмиссий
Практически все производители препаратов для двигателей
предлагают аналогичные составы для трансмиссий. Основная задача этих
присадок – восстановить зазоры и поверхности трения («пятна контакта»).
Механизм действия полностью повторяет принцип действия подобного
препарата для двигателя. При этом более простые условия работы узлов
трения в трансмиссиях, чем в двигателях обеспечивают снижение
отрицательных явлений обработки, отмеченных в двигателях.
Все вышесказанное позволяет сделать вывод, что, несмотря на
многообразие принципов снижения механических потерь и скорости
79
изнашивания, реализованных в различных группах ВАФП, их действие не
однозначно и требует индивидуального подхода, как к обрабатываемому
объекту, так и к технологии обработки. В тоже время, при грамотной
обработке механизма полученный эффект может быть достаточно
ощутимым.
Механизм влияния ВАФП на показатели двигателя
1.Влияние обработки ВАФП на механические потери трения
Основными составляющими механических потерь двигателя
являются потери на трение в ЦПГ. В зависимости от конструкции и
режима работы двигателя они составляют 40 – 70% от всех потерь на
преодоление трения. Потери на трение в подшипниках КШМ 15 – 20%, на
привод механизма ГРМ 5  10%, привод вспомогательных агрегатов
(масляный и жидкостный насос, генератор ит.п.) до 10%.
Механический к.п.д. двигателя (ηм) – это отношение эффективной
мощности к индикаторной. Он меняется от ноля на режиме холостого хода
до максимума на номинальной мощности двигателя. Значение
механического к.п.д. зависит от конструкции двигателя. Так, для
высокооборотного бензинового ДВС он равен 0,7 – 0,8, для
автомобильного дизеля 0,8  0,9, для малооборотного судового дизеля
0,85 – 0,95. Как видно механические потери сильно зависят от частоты
вращения коленвала, а точнее от скорости движения поршня, чем выше
обороты, тем больше трение.
Таким образом, для автотракторных двигателей 20 – 30% мощности
расходуется на преодоление трения. Эта цифра может быть опорной для
оценки эффективности действия различных присадок к маслу.
Присадки влияют на потери трения в ЦПГ и подшипниках двигателя
(80 – 90%). Поэтому предельный теоретически достижимый рост
мощности двигателя (при полном отсутствии трения) составит 10 – 20%.
При работе двигателя возможны три механизма трения – сухое,
полусухое (граничное) и жидкостное (гидродинамическое).
Для первого и второго механизма трения сила трения сильно зависит
от состояния поверхности. Чем грубее поверхности (за исключением тех
случаев, когда начинают действовать силы молекулярного притяжения) и
выше высота микронеровностей, тем больше сила трения.
Сила сухого и граничного трения определяется по формуле:
Fтр = f*N,
80
где f – коэффициент трения скольжения;
N – прижимающая сила, Н.
Сила жидкостного трения рассчитывается по формуле:
Fтр = v*S*V/h,
где v – динамическая вязкость масла, Па*с;
S – площадь контакта, м2;
V – скорость относительного перемещения, м/с;
h – толщина масляного слоя, м.
При жидкостном трении прямой зависимости силы трения от
состояния поверхности нет. Однако, она скрыта во влиянии внешнего
усилия на толщину смазочного слоя и вязкость масла. Если толщина
смазочного слоя меньше критической, то непрерывный слой смазки
разрушается и начинает работать механизм полусухого трения. Величину
hкр
связывают с состоянием поверхности через среднюю высоту
шероховатостей hш. При прочих равных условиях, чем грубее
поверхность, тем быстрее наступает переход от жидкостного трения к
граничному трению.
Сухое трение характерно только для ЦПГ и подшипников на
режимах холодного пуска. На прогретом двигателе все узлы должны
работать только в гидродинамических режимах. Зоны граничного трения
образуются только вблизи мертвых точек, где скорость поршня невелика,
поэтому влияние на механические потери минимально.
Таким образом, для приработанного двигателя, не имеющего
заметного износа, состояние поверхностей мало влияет на мощность. За
исключением самых тяжелых режимов – номинальной мощности и полной
нагрузки при низких частотах вращения коленчатого вала («движение в
натяг»), где возможно частичное нарушение жидкостного трения.
Но в процессе эксплуатации двигателя на рабочих поверхностях
образуются так называемые «дефекты трения» - царапины, вырывы
антифрикционного слоя и т.п. наличие этих дефектов существенно влияет
на образование смазочного слоя. Любой достаточно значительный дефект
трения (достаточно чтобы его глубина была выше средней толщины
смазочного слоя 20 – 30 мкм) приводит к локальной потере несущей
способности пары трения и, следовательно, уменьшению толщины
смазочного слоя. Это повышает силу трения и приближает критическую
зону перехода жидкостного трения в полусухое.
Влияние ВАФП на механические потери в двигателе заключается в
том что:
81
-уменьшаются высоты микронеровностей пар трения и, поэтому
уменьшается критическая толщина смазочного слоя, что ликвидирует или
снижает зону граничного трения;
-уменьшение дефектов трения приводит к восстановлению несущей
способности пар трения, повышая тем самым толщину смазочного слоя и
снижая силу жидкостного трения;
-защитный
антифрикционный слой, формируемый присадкой,
обеспечивает снижение коэффициента сухого и граничного трения в зонах
нарушения гидродинамики в период пуска и при режимах наибольших
нагрузок.
Максимальный эффект снижения расхода топлива и роста мощности
двигателя наблюдается при низких или при высоких оборотах коленчатого
вала при полной нагрузке двигателя. На этих режимах толщина масляного
слоя минимальна и велика вероятность перехода к граничному трению.
Максимальный эффект снижения механических потерь в
подшипниках двигателя отмечался при использовании кондиционеров
металлов и слоистых модификаторов трения, однако они в меньшей
степени влияли на трение в ЦПГ, а это основные потери.
Ремонтно-восстановительные присадки, наоборот в основном
снижали потери в ЦПГ.
Эпиламные присадки в равной степени эффективны для
подшипников и ЦПГ.
2.Влияние обработки ВАФП на компрессию двигателя
Главным параметром, определяющим компрессию в цилиндре,
являются зазоры в замках поршневых колец. Величина этих зазоров
зависит от износа верхней части цилиндра. Но немаловажным фактором
является также состояние самих поверхностей трения. Дефекты трения,
которые всегда образуются при эксплуатации двигателя, также будут
снижать компрессию. Причем масло не всегда может уплотнить этот зазор
в силу своей текучести.
Именно наличие утечек газов через дефекты поверхностей колец и
цилиндров объясняет неравномерность компрессии по отдельным
цилиндрам. Ведь структура дефектов случайна для каждого цилиндра.
Препараты ВАФП, убирая основные дефекты трения и
восстанавливая поверхности ЦПГ, снижают утечки газов и тем самым
повышают и выравнивают компрессию в двигателе.
3.Влияние обработки ВАФП на расход топлива и динамику
двигателя
82
Основой снижения расхода топлива и повышения мощности
двигателя является уменьшение механических потерь в узлах трения.
Эффект снижения расхода топлива после обработки присадкой
максимален на режимах холостого хода и малых нагрузках, т.к. на этих
режимах влияние механических потерь весьма значительно. С
повышением нагрузки степень влияния этих потерь на показатели
двигателя снижается, поэтому падает эффект обработки.
У дизеля эффект снижения удельного расхода топлива меньше, чем у
бензиновых двигателей, т.к. дизель имеет более высокий механический
к.п.д.
Динамика двигателя определяется величиной крутящего момента
(Мкр) и его зависимостью от оборотов коленчатого вала, т.е. темпом
нарастания Мкр и отношением максимального Мкр к его величине при
номинальной частоте вращения коленчатого вала (коэффициент
приспособляемости двигателя).
Обработка двигателя присадками ВАФП позволяет повысить Мкр и
сделать зону максимального Мкр более растянутой за счет существенного
снижения механических потерь в зонах минимальных и максимальных
оборотов двигателя.
4.Влияние обработки ВАФП на расход масла
На современных автомобильных двигателях расход масла на угар на
номинальных режимах не должна превышать 0,2  0,4% от расхода
топлива для бензиновых двигателей и 0,5 – 0,8% для дизелей. Эта
величина в основном определяется количеством масла попавшего в камеру
сгорания, а следовательно, режимом работы двигателя, техническим
состоянием ЦПГ и качеством масла.
По мере износа двигателя на расход масла все большее влияние
начинает оказывать его попадание в камеру сгорания через направляющие
втулки клапанов. Кроме того, рост давления картерных газов при износе
ЦПГ повышает потери масла через систему вентиляции картера двигателя.
Обработка двигателя препаратами ВАФП позволяет до некоторой
степени восстановить рабочие поверхности поршневых колец и
цилиндров,
что
снижает
количество
масла,
оседающего
в
микронеровностях на поверхности цилиндра и его дальнейшее выгорание
в камере сгорания.
Кроме того, восстановление поверхностей деталей ЦПГ уменьшает
давление картерных газов и потери масла через систему вентиляции
картера.
Отсюда и разная степень влияния обработки препаратами ВАФП для
двигателей, имеющих разную степень износа. Для нового двигателя
обработка на расходе никак не скажется. Если техническое состояние
83
двигателя близко к предельному, то никакая обработка ему уже не
поможет. При средней степени износа обработка может сократить расход
масла на угар.
5.Влияние обработки ВАФП на пуск двигателя
Пусковые качества ДВС зависят от компрессии, механического
к.п.д., качества масла и топлива, технического состояния системы
зажигания или питания в дизеле.
При запуске двигателя большинство его систем работают при
дефиците масла в трущихся парах. И здесь принципиальным становится
состояние поверхностей, особенно средние высоты шероховатостей,
определяющие коэффициенты сухого и граничного трения.
Обработка двигателя препаратами ВАФП уменьшает высоту
микронеровностей, следовательно, снижают коэффициенты трения.
Поэтому при холодном пуске до момента поступления масла к основным
парам трения обработка позволяет снизить потери мощности на трение и
повысить пусковые обороты двигателя.
Кроме того, восстановление рабочих поверхностей деталей ЦПГ
позволяет повысить компрессию, что также облегчает пуск двигателя.
6.Влияние обработки ВАФП на токсичность ОГ
После обработки снижаются механические потери, что приводит к
росту оборотов холостого хода двигателя. Регулируют эти обороты путем
уменьшения подачи топлива, что влечет увеличение коэффициента
избытка воздуха на холостом ходу и малых нагрузках двигателя, а
приводит к снижение выбросов СО.
На снижение выбросов СnНх влияет обеднение топливо-воздушной
смеси на всех режимах работы двигателя, снижение расхода масла на угар
и уменьшение протечек газов из камеры сгорания в зазоры поршневых
колец.
7. влияние обработки ВАФП на шумность и вибрации двигателя
Шум двигателя включает две основные компоненты –
газодинамический шум впуска и выпуска и механический шум,
источником которого являются стуки деталей в зазорах. Обработка ВАФП
приводит к стабилизации зазоров и снижению интенсивности стуков. Это
также приводит к уменьшению износа деталей, т.к. при ударах
разрушается масляная пленка, а ее восстановление требует времени в
течение, которого сопряжение работает в режиме сухого или граничного
трения.
84
Снижению вибраций двигателя
компрессии по отдельным цилиндрам.
способствует
выравнивание
Применение ВАФП
Если препарат относится к группе реметаллизантов, то эффективно
он будет работать только в случае поддержания определенной
концентрации в масле. Поэтому необходимо соразмерять объем заправки
маслом, частоту его смены и количество обработки двигателя препаратом.
Аналогичная картина для группы тефлоновых препаратов. Но при
этом следует учитывать, что при постоянном добавлении в масло этих
препаратов, которые разлагаются при высоких температурах в камере
сгорания,
может вызвать залегание колец. Эти препараты также
достаточно дороги.
Геомодификаторы требуют точной технологии применения. Тип
препарата, время и режимы обработки, необходимость и сроки замены
масла после обработки зависят не только от типа двигателя, но и от
степени его износа. Например, необходимо обработать капитально
отремонтированный двигатель. В процессе капитального ремонта
двигателя выполняются операции, связанные с расточкой цилиндров и
шлифовкой коленчатого вала. При этом снимается упрочненный слой с
рабочих поверхностей. А эффективность работы препаратов группы ГМТ
зависит от относительной твердости деталей в зоне трения. Поэтому
двигатель после КР необходимо обрабатывать по другой технологии.
Обработку препаратами ГМТ желательно проводить при плановой
переборке двигателя с заменой колец и вкладышей. Препарат улучшит
поверхности цилиндров и коленчатого вала, а вкладыши и кольца все
равно будут заменены при переборке. Такая операция позволит отодвинуть
на некоторое время очередной КР.
Эпиламные и металлоорганические препараты необходимо
использовать с учетом неизбежного изменения качества масла (вязкости,
щелочного и кислотного числа). Поэтому обработка приурачивается к
очередной смене масла. Индикатор давления масла на панели приборов
покажет, когда необходимо прекратить обработку и заменить масло. Если
лампочка давления масла начала гореть на холостом ходу, то настал
момент прекратить обработку и заменить масло.
Эти препараты являются наиболее безопасными средствами
восстановления технико-экономических показателей двигателя, Хотя их
эффект несколько меньше, чем при грамотной обработке двигателя
препаратами ГМТ.
Обработка двигателя ВАФП не в состоянии восстановить рабочие
характеристики изношенных деталей. В ряде случаев можно частично
85
восстановить размер детали, но ее форму, начальную твердость, упругость
(кольца) восстановить не удастся.
Поэтому наибольший эффект обработки достигается при средней
степени износа двигателя. Это повысит его технико-экономические
показатели и увеличит ресурс. Для двигателя близкого к предельному
состоянию обработка ГМТ возможно поможет несколько отодвинуть срок
КР. Новый двигатель целесообразно обрабатывать ВАФП сразу после
обкатки. Видимый эффект обработки будет невелик, но в дальнейшем это
окупится значительным увеличением ресурса двигателя.
Технология частичного восстановления характеристик
изношенного двигателя
1.Проведение общей диагностики двигателя:
-замерить расход масла на угар;
-проверить компрессию по цилиндрам и определить ее
неравномерность;
-замерить давление картерных газов.
2.Химическая очистка двигателя.
Желательно использовать комплексный очиститель двигателя,
который сразу обрабатывает и топливную систему и клапана и камеру
сгорания. Если используются специализированные очистители, то
обработку необходимо производить в последовательности: «топливная
система – клапана – камера сгорания». В последней стадии очистки можно
использовать препарат «Антидым», добавляемый в масло.
3.Промежуточная диагностика.
Следует еще раз проверить компрессию по цилиндрам. Если
заметного улучшения не произошло, то рекомендуется произвести
раскоксовку колец, для чего залить препарат в цилиндр, выдержать
некоторое время и дать поработать двигателю в режиме холостого хода.
4.Замена масла с промывкой смазочной системы и заменой
масляного фильтра.
Эта операция обязательна после раскоксовки колец и желательна при
простой обработке двигателя, т.к. отложения смываются маслом и
загрязняют его. На этом этапе следует заменить топливный фильтр, т.к. в
нем оседают загрязнения вымытые очистителем топливной системы из
бака.
5.Антифрикционная обработка поверхностей трения.
Можно использовать любой из группы препаратов ВАФП.
6.Окончательная диагностика
Проводится по программе начальной диагностики по окончании
цикла обработки.
7.Поддержание эффекта обработки.
86
Достигается периодической
топливными препаратами.
профилактической
очисткой
ТА
Может ли двигатель работать без масла?
Ответ на вопрос об эффективности состава и технологии
применения ВАФП могут дать только испытания, проведенные на
реальных двигателях.
Проведенные исследования показывают, что обычный двигатель без
всякой антифрикционной обработки может работать на холостом ходу
без масла. Конечно, скорость износа подшипников при этом резко
возрастает. Ведь каждый двигатель рассчитан не на одну тысячу
холодных пусков, в том числе и при отрицательных температурах. При
каждом таком пуске двигатель достаточно долго работает
практически без масла.
Если путем обработки можно защитить подшипники, то деваться
от нарушения теплоотвода от поршня при работе двигателя без масла
некуда. А это заклинивание поршня и обрыв шатуна.
10. 2. Очистители двигателя
Первая группа внутренних загрязнений – это отложения в
топливной системе. Эта система делится на блок хранения топлива (бак,
топливопроводы, фильтры) и блок дозирования (карбюратор, инжекторы,
ТНВД, форсунки и т.п.).
Отложения в блоке хранения имеют различную природу.
1.Продукты коррозии металлов, образующиеся при длительном
контакте топлива со стенками бака и топливопроводов. Эти загрязнения
оседают на стенках и в нижней части бака или задерживаются фильтрами..
2.Твердые взвеси, попавшие в систему вместе с топливом, также
оседают в топливном баке или на фильтрах.
3.Тяжелые фракции топлива или фактические смолы, интенсивность
выделения которых резко возрастает в зимнее время года. Они выполняют
роль связующего, приклеивая твердые частицы к стенкам бака. Остальная
их часть в виде лаковых отложений оседает на стенках топливопроводов,
фильтрах, каналах карбюратора или инжекторов.
4.Вода, скапливающаяся в нижней части бака. Она попадает в
систему в виде конденсата или приносится вместе с топливом.
В блоке дозирования при эффективной работе фильтров твердых
осадков быть не должно, но органические лаковые отложения и вода
всегда присутствуют.
87
Все эти загрязнения влияют на технико-экономические показатели
двигателя (уменьшаются площади проходных сечений, поэтому падает
мощность двигателя).
Химические очистители топливной системы могут влиять только на
жидкие или растворимые составляющие отложений. При этом они
разрушают связь между твердыми частицами и переводят их во взвесь, а в
этом состоянии они могут быть осаждены в топливном фильтре. Поэтому
после окончания обработки фильтр необходимо заменить.
Вторая группа – это отложения на деталях впускной системы,
особенно на впускных клапанах бензиновых двигателей.
1.На тарелках впускных клапанов и стенках коллектора
откладываются тяжелые фракции топлива, т.к. все топливо не успевает
испариться и оседает на стенках коллектора и клапанах в виде жидкой
пленки. Частично эта пленка сдувается потоком воздуха на такте впуска,
однако часть ее остается и медленно испаряется, при этом тяжелые
фракции топлива остаются на стенках. Особенно быстро процесс идет при
низких температурах и на режимах малых нагрузок, когда скорость
воздуха в коллекторе невелика.
2.На тарелки клапанов может попадать моторное масло через
направляющие клапанов. Часть этого масла переходит в отложения.
Принцип действия очистителей клапанов может базироваться на
двух механизмах. Во-первых, очиститель должен производить растворение
органических соединений в «холодной» части впускной системы,
уменьшая их толщину. Во-вторых, за счет ввода очистителя в состав
топлива должна кратковременно и резко увеличиваться интенсивность
сгорания в цилиндре с тем, чтобы на частичных нагрузках повысить
температуру клапанов до уровня, гарантирующего их самоочистку.
Третья группа - отложения на поверхности камеры сгорания
(нагар).
Принцип действия очистителей камеры сгорания основан на
активизации процесса горения и, следовательно, повышению температуры
в камере и на поверхностях деталей ЦПГ, причем на режимах малых
нагрузок. Для этого в их состав вводят специальные компоненты «промоутеры горения». Кроме того, очистители этой группы могут
содержать в себе и растворители органических отложений,
способствующие разрыхлению нагара, а повышающие эффективность
самоочищения двигателя.
Очистители бензиновых двигателей
Любой препарат этой группы – это всегда добавка к основному
топливу, поэтому он влияет не только на загрязнения, но и на протекание
процессов смесеобразования и сгорания в двигателе.
88
Очиститель должен обладать следующими свойствами:
-эффективно растворять органические отложения в системе
топливоподачи и «холодной» части впускной системы;
-содержать в себе инициатор горения для ликвидации
высокотемпературных отложений в камере сгорания и на тарелках
впускных клапанов;
-иметь в своем составе вещество, эффективно поглощающее воду из
топлива;
-иметь антикоррозионные свойства для уменьшения или
предотвращения корродирования поверхностей (например, полимерное
плакирование коррозионных участков, что также позволит устранить
микропротечки).
Он не должен:
-изменять в худшую сторону свойства топлива (ОЧ, теплотворность,
вязкость и т.п.);
-расслаиваться с топливом при длительном хранении в топливном
баке;
-вызывать коррозию деталей двигателя;
-быть токсичным.
Естественно, качество очистки, получаемое при полной разборке
двигателя, выше, чем после обработки очистителем, но объем затрат и
трудоемкость гораздо выше. К тому же частые разборки снижают ресурс
двигателя.
Очистители – ацетон (растворяет лаковые отложения), спирты
(поглощают из топлива воду), «Энергия 3000».
Очистители дизельных двигателей
Для дизеля отложения в топливной системе более опасны, чем для
бензинового. В случае серьезного загрязнения системы топливоподачи
будут наблюдаться серьезные нарушения в работе всей топливной системы
высокого давления.
Из-за закоксовывания распылителей форсунок изменяется форма и
структура факелов в камере сгорания.
Во-вторых, из-за сужения проходных сечений топливопрводов
высокого давления изменяется динамические процессы, влияющие на
закон подачи топлива.
Отложения в распылителе форсунки мешают плотной посадке иглы,
что приводит к постоянному подтеканию топлива в цилиндры.
89
Загрязненность впускных клапанов уменьшает количество воздуха,
поступающего в цилиндр, что приводит к переобогащению смеси и
снижению порога дымления дизеля. Дополнительное обогащение смеси
ведет также к резкому росту температур в цилиндре и на выпуске, а,
следовательно, снижению надежности и ресурса двигателя.
Все это приводит к резкой потере мощности, повышению расхода
топлива, сильному дымлению особенно на переходных и пусковых
режимах.
Более опасны для дизеля и отложения в камере сгорания. Объем этой
камеры из-за высокой степени сжатия существенно меньше, чем у
бензиновых двигателей и даже небольшой слой нагара может привести к
резкому увеличению степени сжатия. Это приведет к увеличению нагрузки
на подшипники коленчатого вала.
Структура отложений в дизеле отличается от бензиновых
двигателей. Это связано с более тяжелым фракционным составом топлива,
что определяет большее содержание в нагаре зольных и сажистых частиц.
Т.к. во впускном коллекторе отсутствует топливо, то отложения на
впускных клапанах состоят из твердых частиц, пропущенных воздушным
фильтром и масла, попадающего по направляющим клапанов и из
турбокомпрессора.
Очистители клапанов дизелей должны из-за отсутствия топлива на
впуске увеличивать интенсивность термического воздействия на клапан.
Очистители дизельной ТА: «Энергия 3000», «Saffire», очиститель
форсунок «Proffiks».
Препарат «Э 3000» вводится в топливо 0,1% от объема топлива.
Антидымные препараты
Промежуточное место между топливными и масляными препаратами
автохимии занимают препараты класса «антидым». В зависимости от
механизма действия они могут вводиться в топливо, в масло или
заливаться в цилиндры двигателя.
Топливные препараты выполняют функции, присущие дизельным
очистителям ТА.
Масляные препараты работают в основном за счет раскоксовывания
поршневых колец и параллельно могут очищать камеру сгорания.
Существует две принципиально разные группы препаратов. Первая
осуществляет»мягкое» раскоксовывание непосредственно в процессе
эксплуатации двигателя. Эти препараты вводятся в масло и постепенно
меняют структуру отложений в канавках и на боковой поверхности
поршня. Действие препаратов основано на повышении моющей
90
способности масла путем повышения щелочного числа. Они растворяют
отложения загрязнения теряют свою монолитность и отслаиваются от
металла, а затем смываются маслом и оседают на фильтре. Параллельно с
этим может происходить нанесение на детали антифрикционного слоя и
плакирование дефектов трения. Поэтому часто антидымные компоненты
вводятся в состав ВАФП.
Применение таких препаратов оправдано в случае слабого
загрязнения двигателя. Диагностируется это слабым снижением
компрессии или ее неравномерностью по отдельным цилиндрам.
Вторая группа предназначена для сильно загрязненных двигателей.
Определяется это по резкому снижению компрессии в отдельных
цилиндрах на фоне общего умеренного ее уменьшения в целом по
двигателю. Препараты включают в себя концентрированные щелочные
составы.
Препарат заливается непосредственно в цилиндр через отверстие под
форсунку или свечу. После определенной выдержки двигатель запускается
и работает на холостом ходу.
После очистки масло сливается и обязательно промывается система
смазки.
Препараты – «Энергия 3000», «Nitrox Power», «AutoPlus», «Redex»
10.3. Корректоры топлив
Корректоры бензинов
Применение данных препаратов вызвано низким качеством
отечественного бензина. Все препараты можно разделить на 4 группы по
механизму действия.
Корректоры должны обеспечивать следующие качества топлива:
-высокая температурная стабильность бензина в диапазоне
температура от –40 до +40 0С;
-высокая временная стабильность, обеспечивающая возможность
длительного хранения топлива без изменения свойств;
-сохранение или повышение теплотворной способности топлива
(сохранение мощности ДВС);
-низкая концентрация присадки при достаточном повышении ОЧ;
-сохранение пропорций добавки присадки в топливо независимо от
величины ОЧ;
-наличие эффективных выносителей активных элементов присадки,
ее беззольность, гарантирующая отсутствие отложений в камере сгорания;
-нетоксичность;
-взрывопожаробезопасность;
91
-комплексное действие, обеспечиваемое наличием в присадке
дополнительных
составляющих
(очистителей,
влагопоглотителей,
инициаторов горения и т.п.);
-приемлемая стоимость.
Металлсодержащие и металлорганические присадки.
Наиболее распространены присадки на основе ферроцена – «Ферро
3», МАФ, «Октан-максимум» и марганцевых соединений ЦМТ, «Хайтек3000». Эти присадки обладают высокой эффективностью повышения ОЧ,
отличаются низкими концентрациями (менее 1% по массовому составу) и
сравнительно невысокой стоимостью. Однако, они имеют проблемы с
зольностью и выносом из двигателя. Так длительная работа двигателя на
топлива с добавками ферроцена приводит к образованию токопроводящих
отложений на свечах зажигания, нарушению герметичности и перегреву
клапанов, залеганию поршневых колец и др.
Еще одним отрицательным аспектом применения металлсодержащих
присадок является некоторое снижение скорости горения смеси , что
влечет потерю мощности, рост расхода топлива и увеличение токсичности
ОГ.
Но т.к. себестоимость бензинов изготовленных с помощью этих
присадок самая низкая, то полностью отказаться от их использования пока
не удается.
Анилиновые присадки.
Углеводород анилин имеет ОЧИ 320 ед., поэтому добавка 1%
анилина к топливу повышает ОЧ на 3 ед. однако, использовать его в
чистом виде нецелесообразно из-за невысокой стабильности и
повышенной токсичности ОГ.
Препараты на основе анилина – «ММНА-Экстралин» (ОЧ 280 ед.),
БВД, ВАКЭ, ДАКС. Цена добавок сравнительно невелика – примерно 1000
у.е. за тонну. Однако их использование ведет к снижению экономичности
и повышению токсичности ОГ.
Спиртовые и эфирные присадки.
В эту группу входят метанол, этанол, изобутиловый спирт,
метилбутиловый эфир (МТБЭ) и т.п. ОЧ МТБЭ составляет 140 ед.
Химизация топлива с помощью МТБЭ является самым распространенным
способом получения бензинов марок АИ-95, АИ-98. При высоком
содержании этой присадки топливо по запаху больше напоминает эфир,
чем бензин.
Преимуществом этих присадок является содержание в них
связанного кислорода, это способствует более полному сгоранию и
снижению токсичности ОГ. В настоящее время использование
кислородосодержащих присадок является основным направлением
создания экологических топлив.
92
Недостатком этих присадок является меньшая, чем у бензина
теплотворная способность, а это ведет к снижению мощности двигателя и
повышению удельного расхода топлива. По этим причинам ГОСТом
содержание МТБЭ ограничено 15%. Во-вторых, эфиры имеют высокую
летучесть, что снижает стабильность топлива. Также эфиры агрессивно
ведут себя по отношению к РТИ.
Активизаторы (промоутеры) горения.
Эти присадки активизируют горение и тем самым снижают
возможность детонации. Присадки созданы на основе соединений лития
«Ликар». Но они не выполняют некоторые требования ГОСТа, поэтому в
чистом виде не используются.
Невозможность выполнения всех требований, предъявляемых к
высокооктановым присадкам, в рамках одной группы заставляет
использовать их комбинации. Так в состав эфирных присадок вводят
промоутеры горения, что повышает эффективность горения и частично
компенсирует снижение теплотворной способности.
Известны присадки, соединяющие свойства металлсодержащих
препаратов, например ферроцена,
с достоинствами анилиновых
препаратов. Это позволяет при сохранении приемлемой себестоимости
получить эффективную присадку, выполнив при этом требования ГОСТ по
содержанию железа в топливе.
Однако, в настоящее время еще нет присадки, обеспечивающей
полное выполнение всей совокупности требований к высокооктановым
присадкам.
Присадки к ДТ
В общем балансе производства летние ДТ составляют 90%, зимние –
менее 10%, арктические – около 1%.
Повышение
низкотемпературных
свойств
возможно
при
использовании депрессорных присадок (антигелей). Они позволяют
снизить предельные температуры фильтруемости и застывания на 10 – 15
0
С, приближая параметры летнего ДТ к зимнему. Однако они слабо влияют
на температуру помутнения, снижая ее в среднем на 3 – 5 0С.
Депрессорные
присадки
модифицируют
структуру
парафинов,
находящихся в стадии кристаллизации, существенно уменьшая размер их
частиц.
Эти присадки эффективны при их смешении с топливом,
находящемся при температуре выше предела помутнения.
Корректоры ЦЧ позволяют в достаточно широком диапазоне менять
пределы самовоспламеняемости ДТ. При этом они имеют в своем составе
компоненты
дизельных
очистителей,
уменьшающие
уровень
93
загрязненности элементов ТА, особенно распылителей форсунок и камеры
сгорания.
В эту группу входят корректоры: «Энергия 3000», «AutoPlus»,
«RunWay», «Marli».
Например, добавка 0,1% присадки «Энергия 3000» позволяет
повысить ЦЧ топлива на 5 ед., но при дальнейшем увеличении ЦЧ с
помощью присадки наблюдается снижение мощности и рост расхода
топлива. Это говорит о том, что промоутеры сгорания, входящие в состав
присадки эффективны только до некоторых пределов.
Список литературы
1.Быков В.В. и др. Топливно-смазочные материалы для
лесозаготовительных машин. – М.: МГУ, 1999. – 102 с.
2.Багин Ю.И. Справочник по гидроприводу машин лесной
промышленности. – М.: Экология, 1993. – 349 с.
3.Лышко Г.П. Топливо и смазочные материалы. – М.:
Агропромиздат, 1985. – 334 с.
4. Автомобильные масла, смазки, присадки: Справочное пособие –
М.: ООО «Издательство АСТ», 2000. – 320 с.
5.Балтенас Р.С. Сафонов А.С. Трансмиссионные масла. Пластичные
смазки. – СПб.: НПИКЦ, 2001. – 206 с.
6.Чулков П.В. Моторные топлива: ресурсы, качество, заменители. –
М.: Политехника, 1998. – 415 с.
7.Техническая эксплуатация автомобилей /Под. ред. Е.С. Кузнецова.
– М.: Транспорт, 1991. – 407 с.
8. Файнлаб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. –
Л.: Машиностроение, 1990. – 348 с.
9. Прохоров В.Ю. Топливно-смазочные материалы и рабочие
жидкости. – М.: МГЛТУ, 2003. – 60 с.
10. Шибанов А.Ю. Очерки современной автохимии. – СПб. «Иван
Федоров», 2004. – 216 с.
11.Ерохов В.И. Экономичная эксплуатация автомобилей. – М.:
ДОСААФ, 1986. – 127 с.
12.Автомобилист-88. Сборник/Сост. М.Г. Тилевич. – ДОСААФ,
1988. 110 с.
13.Кириченко Н.Б. Автомобильные эксплуатационные материалы. –
М.: Машиностроение, 1990. – 350 с.
14.Синельников А.Ф., Балабанов В.И. Автомобильные топлива,
масла и эксплуатационные жидкости. – М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2003. –
176 с.
94
15.ГОСТ Р 51105-97 Топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Неэтилированный бензин. Технические условия.
16.ГОСТ 305-82 Топлива дизельные. Технические условия.
17.Нормы расхода топлив и смазочных материалов на
автомобильном транспорте. – М.: Транспорт, 2000. – 50 с.
95
96