Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник
advertisement
АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОН НЫЕ МАТЕРИАЛЫ А. А. ГУРЕЕВ, Р. Я. ИВАНОВА, Н. В ЩЕГОЛЕВ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Д о п у щ е н о Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучаю­ щихся по специальности «Автомобильный транспорт». Москва «Транспорт» 1974 УДК 629.113.004.002.3 (075) .уОИинмлЯ ■■- » НЕЯ j я г ...... ... 1Ч.‘ ■ ЧИТАЛЬНОГО З А Л А ’Н - J 5 4 6 L / Автомобильные эксплуатационные материалы. Г у р е е в А . А., И в а н о в а Р. Я., Щ е г о л е в Н. В. Изд-во «Транспорт», 1974, стр. 1—280. Учебник содержит основные сведения по производ­ ству и применению автомобильных эксплуатационных ма­ териалов. Рассмотрены важнейшие свойства топлив, сма­ зочных материалов и жидкостей, определяющие надеж­ ность и долговечность автомобилей. Большое внимание в учебнике уделено особенностям применения и путям экономии автомобильных эксплуатационных материалов. Учебник предназначен для студентов автомобильных и автомобильно-дорожных факультетов и может быть ис­ пользован инженерно-техническими работниками, зани­ мающимися эксплуатацией автомобильного транспорта. Рис. 93, табл. 82, библ. 13. 31803-001 Г 049 (01)-74 © Издательство «Транспорт», 1974 г. ВВЕДЕНИЕ Директивами XXI V съезда КПСС намечена грандиозная программа развития автомобильной промышленности в нашей стране. Поставлена задача довести вы­ пуск автомобилей в 1975 г. до 2,0—2,2 млн. штук, увеличив при этом производство грузовых автомобилей примерно в 1,5 раза и легковых в 3,5—3,8 раза. Одновременно с увеличением числа автомобилей пятилетним планом предус­ мотрен рост выработки топлив, смазочных материалов и жидкостей, т. е. тех ма­ териалов, которые расходуются при эксплуатации автомобилей. Характерной чертой развития автомобильных эксплуатационных материалов в девятой пяти­ летке является резкое улучшение их качества. Новые автомобильные двигатели с улучшенными технико-экономическими по­ казателями требуют высококачественных эксплуатационных материалов. Для современных и перспективных автомобилей приходится разрабатывать новые сорта эксплуатационных материалов с улучшенными характеристиками. Совершенствование автомобилей и рост их требований к качеству эксплуата­ ционных материалов обусловливают высокие темпы развития важнейших от­ раслей нефтеперерабатывающей и частично химической промышленностей. С дру­ гой стороны, качество автомобильных эксплуатационных материалов, вырабаты­ ваемых нефтеперерабатывающей и химической промышленностью, определяет развитие автомобилестроения. Таким образом, три крупнейших отрасли промыш­ ленности оказались взаимосвязанными, а непосредственным связующим звеном явилось качество автомобильных эксплуатационных материалов. Завышенные требования к качеству автомобильных эксплуатационных мате­ риалов ведут к неоправданным затратам на освоение новых процессов их полу­ чения и, следовательно, к повышению их стоимости и удорожанию эксплуатации автомобилей. Заниженные требования к эксплуатационным материалам приводят к снижению долговечности и надежности, усложнению обслуживания автомо­ билей. Все возрастающее значение качества применяемых топлив и смазочных ма­ териалов привело к тому, что в ходе научно-технической революции на стыке не­ скольких наук родилась новая наука о свойствах, качестве и рациональном ис­ пользовании топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей в технике. Эта наука в нашей стране получила название химмотологии, т. е. науки о химии в моторах. Часть химмотологии, занимающуюся вопросами трения и смазки в ма­ шинах, иногда называют трибологией (наука о трении) или любрилогией (наука о смазке). В задачи химмотологии входят: установление оптимальных требований к качеству топлив, масел, смазок и специальных жидкостей, рассчитанных на то, чтобы обеспечить надежную, долговечную и экономичную работу современных и перспективных двигателей и машин; разработка высококачественных сортов топлив, смазочных материалов и жидкостей; снижение расхода и потерь топлив, смазочных материалов и жидкостей и со­ хранение их качества в эксплуатации; 3 унификация ассортимента топливо-смазочных материалов и разработка ре­ комендаций по взаимозаменяемости различных сортов; разработка лабораторных, стендовых и дорожных методов оценки эксплуата­ ционных свойств и контроля качества топлив, масел, смазок и жидкостей. Данный учебник содержит материалы по одному из разделов химмотологии, в который входит теория и практика рационального применения топлив, смазоч­ ных материалов и жидкостей на автомобилях. Следует отметить, что именно этот раздел химмотологии развивается особенно интенсивно. Появились новые высо­ кокачественные автомобильные бензины, масла, пластичные смазки, охлажда­ ющие и тормозные жидкости. Авторы ставили перед собой цель изложить основ­ ные сведения по новым и перспективным автомобильным эксплуатационным мате­ риалам, при этом были учтены те успехи в повышении их качества, которые свя­ заны с появлением на дорогах страны легковых автомобилей Волжского автомо­ бильного завода и будущими грузовыми автомобилями Камского автомобильного завода. В соответствии с программой курса «Автомобильные эксплуатационные материалы» в учебник включена глава по конструкционным и ремонтным мате­ риалам. Глава X учебника написана Р. Я- Ивановой, главы V и VI — Н. В. Щеголе­ вым, все остальные главы — А. А. Гуреевым. Авторы будут признательны всем, кто сочтет нужным прислать в редакцию свои замечания по учебнику. Глава I ПРОИЗВОДСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Современные топлива, смазочные масла, основы пластичных сма­ зок, тормозные и амортизационные жидкости являются продуктами переработки нефти. Все более широкое применение в качестве кон­ струкционно-ремонтных материалов находят продукты переработки нефтяных газов — синтетические обивочные материалы, пластические массы, резиновые изделия и т. д. Почти все неметаллические ма­ териалы, применяемые в современном автомобиле, производят из нефти. § 1. ПРИНЦИПЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость темк>коричневого, иногда буро-зеленого цвета. В нефтях содержится до 99й» углеводородов самого разнообразного строения. В состав нефтей входят главным образом углеводороды трех клас­ сов — парафиновые, нафтеновые и ароматические. Непредельные угле­ водороды образуются из углеводородов этих классов в процессах нефте­ переработки. В нефтях содержатся углеводороды с различным числом атомов углерода в молекуле. Простейшие парафиновые углеводороды с двумя, тремя и четырьмя атомами углерода при обычных условиях являются газами и могут находиться в некоторых нефтях и нефтепродуктах в растворенном состоянии. Углеводороды с пятью и большим числом углеродных атомов в молекуле при обычных условиях — жидкости. Углеводороды парафинового ряда нормального строения с 17 и бо­ лее атомами углерода — твердые вещества и находятся в нефтях в растворенном состоянии. Такое разнообразие углеводородов приводит к тому, что нефть не имеет какой-либо постоянной температуры кипе­ ния и при нагревании выкипает в широких температурных пределах. Из большинства нефтей даже при слабом нагревании до 30—40° С на­ чинают испаряться и выкипать наиболее легкие углеводороды. При дальнейшем нагревании до более высоких температур из нефти выки­ пают все более тяжелые углеводороды. Эти пары можно отвести и охла­ дить (сконденсировать) и таким образом выделить часть нефти или, 5 как принято называть, фракцию нефти, выкипающую в определенных температурных пределах. Процесс разделения углеводородов нефти по температурам их ки­ пения называется прямой перегонкой. Прямая перегонка нефти при атмосферном давлении является обя­ зательным первичным процессом переработки нефти. Принципиальная схема получения топлив и масел из нефти представлена на рис. 1 (на рис. не показаны установки по очистке дистиллятов, по добавлению присадок и т. п.). Установки по первичной прямой перегонке нефти являются обяза­ тельными для всех заводов. Наличие других установок определяется свойствами перерабатываемой нефти, профилем продукции, выраба­ тываемой на заводе, и многими другими факторами. В целом нефтепе­ реработка представляет собой ряд взаимосвязанных нефтехимических производств, предусматривающих наиболее полное использование не только основного сырья, но и образующихся газов, сернистых соедине­ ний и т. п. На современных заводах процесс прямой перегонки нефти осуществляют на крупных установках непрерывного действия (рис. 2). Нефть под давлением подают насосами в трубчатую печь /, где ее нагревают до температуры 330—350° С. Горячая нефть вместе с парами попадает в среднюю часть атмосферной ректификационной колонны 2, Рис. 1, Схема получения автомобильных топлив и масел из нефти 6 Нефть Рис. 2. Схема установки атмосферно-вакуумной перегонки нефти: J — трубчатая печь; 2 — атмосферная колонна; 3 — погружные холодильники; 4 — газоотделитель; 5 — вакуумная колонна; 6 —теплообменники где она вследствие снижения давления дополнительно испаряется и испарившиеся углеводороды отделяются от жидкой части нефти — мазута. Пары углеводородов устремляются вверх по колонне, а жидкий остаток стекает вниз. В ректификационной колонне по пути движения паров углеводородов устанавливают ректификационные тарелки, на ко­ торых конденсируется часть паров углеводородов. Более тяжелые угле­ водороды с высокой температурой кипения конденсируются сразу же на первых тарелках. Легкие углеводороды успевают подняться вверх по колонне, а наиболее легкие углеводороды в смеси с газами проходят всю колонну, не конденсируясь, и отводятся с верха колонны в виде паров. Таким образом, в ректификационной колонне по ее высоте угле­ водороды нефти разделяют на фракции в зависимости от температуры их кипения. С верха колонны и с верхних тарелок отводят легкие бензиновые фракции (дистилляты) нефти. Такие дистилляты с пре­ делами кипения от 30 до 180—205° С после очистки являются составной частью многих товарных автомобильных бензинов. Ниже отбирают керосиновый дистиллят, который после очистки используют в качестве топлива для газотурбинных реактивных авиационных двигателей. Еще ниже отводят газойлевый дистиллят, который также после очистки идет в качестве топлива для дизельных двигателей Мазут, остающийся после прямой перегонки нефти, в зависимости от его состава используют или непосредственно в виде топлива (топоч­ ный мазут), или в качестве сырья на установки крекинга (см. ниже), или подвергают дальнейшему разделению на масляные фракции в вакуумной ректификационной колонне 5. В последнем случае мазут снова нагревают в трубчатой печи до температуры 420—430° С и подают в ректификационную колонну, работающую под разряжением (остаточное давление 50—100 мм рт. ст.). Температура кипения углеводородов при понижении давления снижается, что позволяет испарить без разложения тяжелые угле­ водороды, содержащиеся в мазуте. При вакуумной перегонке мазута в верхней части ректификационной колонны отбирают соляровый ди­ 7 стиллят, который может служить сырьем для каталитического крекин­ га. Ниже отбирают масляные фракции — сначала веретенный дистил­ лят, затем машинный или автоловый и, наконец, цилиндровый. Все эти дистилляты после соответствующей очистки идут на приго­ товление товарных масел. Такие масла называют дистиллятными. Из нижней части вакуумной ректификационной колонны отбирают неиспарившуюся часть мазута — полугудрон или гудрон. Из этих остатков путем глубокой очистки делают высоковязкие, так называемые остаточные масла. Прямая перегонка нефти долгое время была единст­ венным способом нефтепереработки. При этом основным продуктом являлся осветительный керосин, а бензин считался бесполезным и даже вредным отбросом. Появление двигателей внутреннего сгорания привело к подлинной революции в нефтепереработке. Для работы двигателей потребовался бензин, который быстро стал одним из наиболее ценных продуктов, получаемых из нефти. Прямой перегонкой нефти можно получить только то небольшое количество бензиновых фракций, которое непосредственно содержится в нефти, поэтому вскоре этот процесс уже не мог удовлетворить спроса на бензин. * Для обеспечения возросших потребностей в бензине необходимо было увеличить выход бензина из нефти за счет превращения тяжелых углеводородов с большим числом углеродных атомов в молекуле в более легкие, выкипающие в пределах бензиновых фракций. Эта задача была решена русскими учеными А. А. Летним, который еще в 1875 г. предложил разлагать углеводороды нефти при высоких температурах для получения дополнительных количеств бензина, и ин­ женером В. Г. Шуховым, запатентовавшим способ разложения нефти на бензин. В промышленности этот процесс впервые применили в США, где он был назван крекингом, что означает расщепление, раскалыва­ ние. Основной реакцией процесса крекинга является расщепление крупных молекул, состоящих из многих углеродных атомов, на более мелкие под действием высоких температур без катализатора (терми­ ческий крекинг) или в присутствии катализаторов (каталитический крекинг). Процессы крекинга позволили увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50—60% против 20—25%, получаемых с по­ мощью прямой перегонки. При термическом крекинге получают газ, широкую гамму углево­ дородов, выкипающих в пределах бензиновой, керосиновой, газойлевойи соляровой фракций, а также тяжелый крекинг-остаток (крекингмазут). Процесс термического крекинга в промышленных условиях осу­ ществляют по различным схемам. У нас больше всего распространен двухпечный крекинг (рис. 3), при котором процесс крекинга мазута осуществляют в два этапа. В первой печи идет легкий крекинг сырья при невысокой температуре. Продукты легкого крекинга разделяют, отбирая газ, бензин и тяжелый остаток. Всю среднюю часть, так называемую крекинг-флегму, направляют во вторую печь для глубо­ кого крекинга. Процесс термического крекинга ведут при темпера­ 8 туре 470—540° С и давлении От 20 до 70 кгс/см2. Бензиновые фракции термического крекинга используются в качестве компо­ нента товарных автомобильных бензинов. Однако качество та­ ких бензинов невысокое, и по­ этому установки термического крекинга на новых нефтеперера­ батывающих заводах не приме­ няют. В промышленных условиях используют и некоторые другие термические процессы перера­ Рис. 3. Схема установки двухпечного ботки. Так, при нагревании неф­ термического крекинга: 1 — нагревательно-реакционная печь легкого тяных остатков до температуры крекинга; 2 — нагревательно-реакционная 550° С при атмосферном давле­ печь глубокого крекинга; 3 — испаритель; 4 — первая ректификационная колонна; 5 — вто­ нии происходит образование рая ректификационная колонна; 6 — газоотделитель кокса. В процессе коксования нефтяных остатков образуются и жидкие углеводороды, которые можно использовать в качестве топлив. Нагревание нефтяного сырья до температуры 670—800° С (пи­ ролиз) ведет к значительному образованию газообразных углеводоро­ дов (этилен, пропилен и др.), которые являются сырьем для нефтехими­ ческого синтеза — получения полиэтилена, полипропилена и т. д. В процессе пиролиза сырья образуются и жидкие углеводороды, пре­ имущественно ароматического характера. Более совершенным процессом, позволяющим получать качествен­ ные нефтепродукты, является каталитический крекинг. При катали­ тическом крекинге все превращения углеводородов происходят в при­ сутствии катализаторов. Для каталитического крекинга нефтяного сырья наибольшее распространение получили твердые алюмосиликат­ ные катализаторы, в состав которых входят окись кремния и окись алюминия. Основной реакцией каталитического крекинга, так же как и терми­ ческого, является расщепление сложных и больших молекул на более легкие с меньшим числом углеродных атомов. В присутствии катали­ заторов скорость расщепления углеводородов значительно возрастает. В условиях каталитического крекинга большое значение приобре­ тают вторичные превращения образующихся углеводородов. В моле­ кулах нефтяных углеводородов в присутствии катализатора атомы водорода могут отщепляться с образованием ароматических угле­ водородов (реакции ароматизации). Водород, выделяющийся в процес­ се ароматизации нефтяных углеводородов, может вступать в реакцию с углеводородами олефинового ряда с насыщением двойных связей (реакция гидрогенизации). Углеводороды с прямой цепочкой углерод­ ных атомов в присутствии катализатора могут изменять взаимное рас­ положение атомов внутри молекул без изменения общего числа атомов (реакция изомеризации). 9 Процесс каталитического крекинга в промышленных условиях осуществляют по различным технологическим схемам: с неподвижным слоем катализатора, с подвижным сферическим катализатором и с пы­ левидным, или микросферическим, катализатором. Наиболее часто применяют крекинг с подвижным сферическим (шариковым) катали­ затором при температуре 450—500° С (рис. 4). При этом сырье, подогретое в теплообменниках, поступает в труб­ чатую печь 2, где нагревается и далее идет в реактор 3. Продукты кре­ кинга из реактора направляют в ректификационную колонну / для раз­ деления. Катализатор поступает в регенератор 6, где в токе горячего воздуха выжигают кокс, и активность катализатора восстанавливается. При производстве автомобильных бензинов из ректификационной колонны отбирают бензиновую фракцию и используют ее в качестве компонента для приготовления товарного продукта. Процесс катали­ тического крекинга в этом случае проводят в одну ступень и поэтому называют одноступенчатым. При производстве авиационных бензинов из ректификационной колонны отбирают широкую фракцию, конец кипения которой 220— 240° С. Эту фракцию вторично пропускают через каталитический реак­ тор, где происходит более глубокое облагораживание бензина: содержа­ ние непредельных углеводородов уменьшается, а ароматических уве­ личивается. Такая система двукратной обработки сырья называется двухступенчатым крекингом. Керосино-газойлевые фракции каталитического крекинга добав­ ляют в дизельные топлива в количестве не более 20%. Привлекает внимание также каталитический крекинг тяжелого сырья под давлением водорода до 200 кгс/см2. Этот процесс, назван­ ный гидрокрекингом, с новыми эффективными катализаторами поз­ воляет перерабатывать тяжелые остатки с получением высококачест­ венных продуктов при относи­ тельно небольшом расходе водо­ рода. Все перечисленные выше про­ цессы вторичной переработки нефтяного сырья одновременно с улучшением качества бензино­ вых фракций дают и увеличение их выхода. Поэтому стоимость строительства таких установок окупается как за счет увеличения ресурсов бензина, так и за счет экономии при использовании в двигателях более качественного топлива. Рис. 4. Схема установки каталитическо­ Однако в настоящее время го крекинга с подвижным шариковым требования к качеству бензинов катализатором: настолько высоки, что их удов­ 1 — ректификационная колонна; 2 — трубча­ тая печь; ч — реактор; 4 и 5 — пневматиче­ летворение возможно лишь с по­ ские подъемники катализатора; 6 «** регенера* мощью специальных процессов, тор 10 не дающих увеличения выхода бензина из нефти. В таких процессах сырьем служит бензин и готовой продукцией — также бензин, но с лучшими эксплуатационными свойствами. Целесообразность строительства таких установок обусловливается только тем выигрышем, который получают от применения на двигате­ лях бензинов с повышенными эксплуатационными свойствами. Эти обстоятельства значительно увеличили роль экономики в оценке ра­ боты автомобильных двигателей и повышении соответствия между требованиями двигателей и качеством применяемых бензинов. Наиболее типичным процессом улучшения качества бензинов яв­ ляется риформинг. Термический риформинг бензиновых фракций не нашел широкого применения в промышленности, так как при этом процессе не удается резко улучшить эксплуатационные свойства бензинов. Каталитический риформинг является наиболее перспективным про­ цессом для производства современных и перспективных автомобиль­ ных бензинов. Установки каталитического риформинга строят на мно­ гих заводах как в нашей стране, так и за рубежом. Сущность каталитического риформинга заключается в ароматиза­ ции бензиновых фракций в результате каталитического преобразова­ ния нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. При риформировании в присутствии катализатора нафтеновые углеводоро­ ды могут терять атомы водорода, превращаясь в ароматические (реак­ ция ароматизации), а парафиновые углеводороды могут образовывать кольчатые структуры (реакция циклизации), которые также, отщепляя водород, превращаются в ароматические углеводороды. Кроме этих основных реакций, при каталитическом риформирова­ нии молекулы парафиновых углеводородов могут подвергаться изо­ меризации, наиболее тяжелые углеводороды могут расщепляться на более мелкие, при этом образующиеся непредельные углеводороды гидр уюте я. Основным промышленным катализатором риформинга является алюмоплатиновый (содержание платины от 0,1 до 1,0%). Этот катализатор позволяет осуществлять риформирование при температуре 460—510° С при давлении водорода 40 кгс/см2 без регене­ рации в течение нескольких месяцев. Процесс получил название плат­ форминга. Сырье для платформинга обычно подвергают предваритель­ ному обессериванию, так как платиновый катализатор «отравляется» сернистыми соединениями, содержащимися в бензинах прямой перегон­ ки. Обессеривание бензинов производят путем гидроочистки, при этом используют тот водород, который выделяется при риформировании бензинов. Процесс платформинга выгоден еще и тем, что может обеспе­ чить водородом установки по гидроочистке топлива и масел. Типовая схема отечественной установки риформинга представле­ на на рис. 5. Сырье (бензиновая фракция прямой перегонки нефти) нагревается в теплообменниках и нагревательной печи 1 до температуры 380—420° С и поступает в реактор 2, где под давлением 35 кгс/см2и при воздействии алюмокобальтмолибденового катализатора подвергается гидроочистп ке. Очищенное сырье после освобождения от сероводорода, углеводо­ родных газов и воды нагревается в печи 1 до температуры 500—520° С и поступает в реакторы 4, 5, 6, где под давлением более 40 кгс/см2 про­ исходит его риформирование. Полученный катализат после отделе­ ния от водородсодержащего газа и стабилизации может использоваться для приготовления товарных автомобильных бензинов. Режимы проведения риформинга, а также состав и свойства пла­ тинового катализатора могут различаться. При ведении процесса в мягких условиях получают бензин с меньшей детонационной стой­ костью, чем при жестком режиме платформинга. Процесс платформинга часто используют для получения ароматических углеводородов — бен­ зола, толуола, ксилолов. Остатки бензиновых фракций после из­ влечения ароматических углеводородов применяют в качестве ком­ понента автомобильных бензинов. Для улучшения эксплуатационных свойств бензинов пользуются также процессом изомеризации, т. е. процессом перегруппировки ато­ мов в молекуле с образованием углеводородов изостроения. В промыш­ ленных условиях сырьем для процесса изомеризации служат легкие бен­ зиновые фракции прямой перегонки нефти, в составе которых преобла­ дают углеводороды с пятью и шестью атомами углерода в молекуле нормального строения (н-пентан и н-гексан). Изомеризацию проводят в присутствии катализаторов — хлористого алюминия, платины, палладия и др. Продукт изомеризации является высококачественным компонентом товарных бензинов. В процессах деструктивной переработки нефти всегда образуются углеводородные газы. Состав их весьма разнообразен и зависит от режима процесса, наличия и характера катализатора и т. д. На современном нефтеперерабатывающем заводе технологический про­ цесс построен так, чтобы максимально использовать все газообразные Рис. 5. Схема установки каталитического риформинга: 1 — печь для нагрепя сырья, 2 — реактор гидроочистки; 3 — колонна для стабилизации гид­ роочищенного сырья; 4, 5 и 6 — реакторы риформинга; 7 — фракционирующий абсорбер; S — колонна стабилизации катализам 12 углеводороды. Одним из путей их утилизации является переработка в жидкие топлива или их компоненты. Наиболее широко используют в процессах алкилирования газо­ образные углеводороды олефинового характера. Реакция алкилирова­ ния в этом случае сводится к присоединению олефинового углеводоро­ да к парафиновому или ароматическому с образованием насыщенной молекулы более высокого молекулярного веса. В нефтеперерабатывающей промышленности осуществлены различ­ ные модификации процесса алкилирования как с целью получения изопарафинов, так и для производства алкилароматических углеводо­ родов. Наиболее распространены установки для алкилирования изо­ бутана олефинами (в основном бутиленами) с получением широкой бензиновой фракции — алкилата. Алкилат является высококачествен­ ным компонентом автомобильных бензинов. В качестве катализатора в реакциях алкилирования парафиновых углеводородов наиболее часто применяют серную кислоту и фтористый водород. С помощью реакции алкилирования могут быть получены индиви­ дуальные углеводороды с высокими эксплуатационными свойствами (неогексан, диизопропил и др.). При алкилировании бензола чистыми газообразными олефинами или олефинсодержащими газами в присуствии катализаторов образу­ ются алкилароматические углеводороды, среди которых преобладают моноалкилароматические. При алкилировании бензола этиленом получают этилбензол, при алкилировании пропиленом — изопропилбензол (кумол). В промыш­ ленных условиях для алкилирования применяют газы крекинга или пиролиза, в состав которых входит смесь олефиновых углеводородов. При таком процессе образуется смесь алкилированных ароматических углеводородов, которая получила название алкилбензол. Состав алкилбензола разнообразен и зависит от состава газов, взятых на алки­ лирование. Кроме алкилирования, в процессах переработки газов используют реакцию полимеризации. Полимеризацией называют химическую реакцию соединения двух или большего числа одинаковых молекул в одну более крупную молекулу. При этом отщепления каких-либо атомов от молекул, вступающих в реакцию, не происходит. В реакции полимеризации способны участвовать лишь непредель­ ные углеводороды, поэтому сырьем для промышленной полимеризации служат заводские газы, богатые олифеновыми углеводородами. Про­ цесс полимеризации используют для получения полимербензина — продукта полимеризации фракции, содержащей углеводороды с тремя и четырьмя, иногда с тремя, четырьмя и пятью атомами углерода в мо­ лекуле. Наиболее распространенным катализатором реакции поли­ меризации является фосфорная кислота. Продукты переработки нефти, прежде чем пойти на приготовле­ ние товарных топлив и масел, проходят специальную очистку. 13 § 2. ОЧИСТКА ТОПЛИВ И МАСЕЛ I' Выбор того или иного метода очистки зависит от исходного качества очищаемого продукта и от требований к эксплуатационным свойствам тех товарных топлив и масел, которые необходимо получить в резуль­ тате очистки. Качество топлив и масел в значительной степени опре­ деляется способами и глубиной их очистки. Очистка щелочью применяется для удаления из нефтяных дистиллятов кислых кислородных соединений (нефтяных кислот, фе­ нолов), некоторых сернистых соединений (сероводорода, меркаптанов, элементарной серы), а также для нейтрализации серной кислоты и продуктов ее взаимодействия с углеводородами (сульфокислот, эфиров серной кислоты), остающихся в нефтепродукте после его сернокислотной очистки. При добавлении щелочи в очищаемый нефтепродукт происходят следующие реакции: RCOOH + NaOH -> RCOONa +■Н20 нафтеновые кислоты солинафтеновыхкислот ROH + NaOH -> RONa + Н 20 фенолы феноляты H2S + 2 N a O H -> Ka2S + 2НаО сероводород сернистый натрий RSH + N aO H -> RSNa + Н20 меркаптаны меркэптиды Образующиеся вещества растворимы в воде и удаляются из нефте­ продукта вместе с водным раствором щелочи. Кроме того, остатки про­ дуктов, образовавшихся при очистке, и оставшиеся следы щелочи уда­ ляют из нефтепродуктов последующей водной промывкой. Обработка водными растворами щелочи в нашей стране является наиболее распространенным видом очистки нефтепродуктов. Ее исполь­ зуют при производстве автомобильных бензинов, дизельных топлив и некоторых видов масел. Очистка серной кислотой применяется для удаления непредельных углеводородов, смолистых, азотистых и сернистых соединений. Серно­ кислотную очистку применяют только при производстве масел. Топ­ ливные дистилляты очистке серной кислоты не подвергаются. Для очистки масел используют серную кислоту крепостью 92— 96%. Такая кислота реагирует с асфальтосмолистыми веществами мас... и теми непредельными углеводородами, которые в небольшом коли­ честве образуются в процессах выделения масляных фракций. После обработки серной кислотой очищенное масло отделяют от густой смолистой массы (кислого гудрона), обрабатывают щелочью и промыва­ ют водой. Расход серной кислоты для очистки зависит от качества неф­ тяного дистиллята и иногда достигает 15—25% от количества масла. 14 Очистка при помощи растворителей (селективная очистка) основа­ на на различной растворяющей способности некоторых веществ в отно­ шении углеводородов различного строения и неуглеводородных при­ месей. Ее применяют только для очистки масел, при этом извлекают такие нежелательные элементы, как асфальтосмолистые вещества, полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями, часть сернистых соединений, непредельные углеводороды и т. д. Эффективность такой очистки зависит от качества применяемого растворителя. Растворитель должен как можно более полно извлекать и растворять в себе нежелательные компоненты и как можно меньше затрагивать основные полезные углеводороды масла. Это свойство растворителя называют избирательностью или селективностью, а сам процесс — селективной очисткой. При промышленном производстве масел наиболее широкое приме­ нение в качестве селективных растворителей получили фенол, фур­ фурол, крезолы и некоторые другие вещества. В некоторых случаях используют растворители, состоящие из двух компонентов и более. После селективной очистки получают очищенное масло, назы­ ваемое рафинатом, и раствор извлеченных из масла веществ в селек­ тивном растворителе, который принято называть экстрактом. После удаления селиктивного растворителя экстракт на многих заводах используют в качестве добавки в трансмиссионные масла, а рафинат идет на приготовление масел. При получении высококачественных масел из тяжелых остатков типа полугудронов и гудронов перед селективной очисткой применяют процесс деасфальтизации. Сущность процесса деасфальтизации состо­ ит в том, что некоторые растворители способны вызывать осаждение асфальтосмолистых веществ при растворении основной массы высоко­ молекулярных углеводородов. В качестве такого растворителя наи­ большее распространение в промышленности получил пропан. Пропан при температуре 40—60° С хорошо растворяет углеводороды и очень слабо асфальтосмолистые вещества. Последние осаждаются при добав­ лении пропана в виде вязкого осадка. После отделения осадка пропан из масла легко отгоняется. Процесс деасфальтизации ведут при добав­ лении шести —восьми частей пропана на одну часть масла, при этом да­ же из высоковязких остатков смолистых нефтей удается получить около 50—60% хорошего остаточного масла. В промышленных условиях иногда применяют совмещенный про­ цесс деасфальтизации и селективной очистки. При этом используют пропан, растворяющий желательные компоненты масел, и смесь фе­ нола и крезола для растворения нежелательных компонентов. Депарафинизация. В высококипящих фракциях некоторых нефтей содержится большое количество углеводородов, которые при охлажде­ нии переходят в кристаллическое состояние. Образующаяся при этом кристаллическая решетка вызывает общую потерю подвижности неф­ тепродукта, или, как принято говорить, приводит к застыванию неф­ тепродукта. В дизельных фракциях к таким углеводородам относятся парафиновые углеводороды нормального строения, в масляных фрак­ циях, кроме парафиновых углеводородов (парафины и церезины), 15 кристаллизуются и циклические углеводороды с длинными боковыми цепями нормального или слаборазветвленного строения. Процесс удаления из нефтепродуктов углеводородов с высокой тем­ пературой застывания называют депарафинизацией. Депарафинизацию в промышленности применяют при производстве дизельных топлив и масел. Депарафинизация масел основана на их охлаждении до низкой тем­ пературы с последующим отделением твердых кристаллов парафина и церезина на специальных фильтр-прессах. Так как при низких тем­ пературах вязкость масла становится очень большой, что затрудняет и образование кристаллов и их отделение от масла, то на практике охлаждают не чистое масло, а раствор его в каком-либо маловязком растворителе. Для этой цели применяют: жидкий пропан, смесь аце­ тона или метилэтилкетона (МЭК) с бензолом и толуолом, смесь ди­ хлорэтана с бензином и др. Процесс депарафинизации состоит из-смешения масла с растворителем, небольшого нагрева раствора (до 50— 70° С), постепенного охлаждения его до температуры примерно—30е С, отделения твердых углеводородов путем фильтрации охлажденного раствора, отгонки растворителя от депарафинизированного масла. В последние годы получила распространение депарафинизация неф­ тепродуктов карбамидом (мочевиной) без применения холода. Этот метод основан на свойстве карбамида образовывать комплексные сое­ динения с парафиновыми углеводородами. Процесс депарафинизации в этом случае состоит из обработки нефтепродуктов карбамидом, отделения образовавшихся комплексов от остальных углеводородов, разложения комплексных соединений и регенерацией карбамида и растворителей. Применение карбамида дает больший эффект при депарафинизации газойле-соляровых дистиллятов, чем масляных дистиллятов. В связи с этим карбамидная депарафинизация находит все большее применение при производстве дизельных топлив зимних сортов. Адсорбционная очистка. Некоторые высокопористые вещества обла­ дают способностью удерживать на поверхности нежелательные приме­ си, содержащиеся в нефтепродуктах. Такие вещества называют ад­ сорбентами, а способ очистки — адсорбционным. Адсорбционная очистка получила наибольшее распространение при производстве масел. В масляном производстве в качестве адсорбентов используют отбеливающие земли — зикеевскую землю, гумбрин, нальчикии, саратовскую опоку и др. Отбеливающие земли эффективно ад­ сорбируют высокомолекулярные смолистые вещества и нафтеновые кислоты. Обработка масел адсорбентами чаще всего применяется для их доочистки от нежелательных компонентов и остатков реагентов от других видов очистки. В этом случае отбеливающие земли адсорбиру­ ют из масел соли нафтеновых кислот и сульфокислот, кислые гудроны, остатки селективных растворителей, серной кислоты и т. д. Масла отбеливающими землями в заводских условиях очищают чаще всего контактным способом. Масло смешивают с отбеливающей землей тонкого помола, нагревают и затем отработанную землю отде­ ляют от масла фильтрованием. 19 Реже применяют перколяционное фильтрование масла через слой зернистого адсорбента. Сейчас этот процесс сделан непрерывным с ре­ генерацией адсорбента. В результате адсорбционной очистки масло становится светлее, поэтому применяемые земли получили название отбеливающих. Проводят опыты по адсорбционной очистке и топливных дистилля­ тов. Хорошие результаты дает очистка дизельных топлив путем фильт­ рации через такие адсорбенты, как силикагель, окись алюминия, катализаторная крошка. Интересны промышленные эксперименты по избирательной ад­ сорбции нормальных парафиновых углеводородов из бензиновых фрак­ ций при помощи молекулярных сит (цеолитов). Такая очистка улуч­ шает эксплуатационные свойства бензинов. Гидроочистка. Это наиболее эффективный и рентабельный процесс удаления из нефтепродуктов в первую очередь сернистых, а также азо­ тистых и кислородных соединений. Сущность процесса гидроочистки сводится к преобразованию соединений, содержащих серу, азот и кислород под воздействием водорода при повышенных температурах и давлении в присутствии катализаторов в газообразные продукты, которые легко удалить. Сернистые соединения под действием водоро­ да превращаются в газ (сероводород) по следующим реакциям: R S H -fH 2->R H -f H2S меркаптаны углеводороды сероводород RSSR ф З Н 2-> 2RH -f 2H2S дисульфиды углеводороды сероводород RSR + 2 Н г-> 2RH = сульфиды углеводороды H2S сероводород Азотистые и кислородные соединения разлагаются в условиях гид­ роочистки с образованием соответственно аммиака NH3 и воды. В промышленных условиях процесс гидроочистки ведут при темпе­ ратуре 380—420° С и давлении водорода 20—70 кгс/см2 в присутствии катализатора. Процесс гидроочистки используют для подготовки сырья для платформинга, для обессеривания дизельных и реактивных топлив, для очистки и доочистки масел. Все перечисленные выше способы очистки нефтепродуктов призва­ ны улучшать их эксплуатационные свойства. В зависимости от требо­ ваний к качеству нефтепродукта его подвергают очистке одним спосо­ бом, или двумя, или даже многими, применяя их в той или иной по­ следовательности. Однако даже самые совершенные способы очистки не гарантируют получения высококачественных топлив и масел, полностью отвечающих требованиям современных форсированных двигателей. Наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным спо­ собом улучшения эксплуатационных свойств то™*нв~«добавление к ним присадок. В качестве присг до^ лГбпользу ют'такие г СО Р 17 Э КЗЕМ П Л Я Р Ч И Т г Л Ь Г: О Г О S бй соединения, которые при добавлении в небольшом количестве резко улучшают одно или несколько эксплуатационных свойств топлив и масел. Эффективность присадок всегда выше при добавлении их в очи­ щенные нефтепродукты. Поэтому очистка нефтепродуктов является весьма важным первым шагом в улучшении эксплуатационных свойств товарных топлив и масел. § 3. ТОПЛИВА И МАСЛА ИЗ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ Кроме нефти, топлива и масла можно получать из твердых горючих ископаемых. К твердым горючим ископаемым относятся угли, торфы и горючие сланцы. Состав твердых горючих ископаемых весьма сложен, в них содержатся тяжелые ароматические углеводороды с несколькими коль­ цами в одной молекуле, сложные соединения нафтеновых и аромати­ ческих углеводородов, молекулы, в состав которых входят атомы серы, азота и кислорода. Содержание отдельных элементов в твердых горю­ чих ископаемых зависит от условий их залегания, возраста, происхож­ дения и других причин. Торфы характерны высоким содержанием кис­ лорода (до 40%), горючие сланцы отличаются очень высоким содержа­ нием негорючей части (до 40%, а иногда и более). Все твердые горючие ископаемые в органической части содержат от 50 до 95% углерода и от 5 до 15% водорода. Содержание углерода и водорода в твердых горю­ чих ископаемых дает возможность использовать их как сырье для получения жидких углеводородных топлив. Наиболее часто для переработки твердых горючих ископаемых в жидкие топлива применяют коксование и полукоксование при высо­ кой температуре в специальных печах без доступа воздуха. При этом получают газ, жидкую смолу и твердый остаток —кокс или полукокс. Топлива или их компоненты можно получить непосредственно из смолы путем ее перегонки. Но такие топлива обычно являются низко­ качественными, поэтому нуждаются в специальной очистке. Более современным способом получения топлив из смолы коксова­ ния и полукоксования твердых горючих ископаемых является процесс деструктивной гидрогенизации. Процесс заключается в насыщении сырья водородом под большим давлением и при высокой температуре в присутствии катализатора. Одновременно с насыщением водородом происходят расщепление и перестройка молекулы сырья, вследствие чего гидрогенизация названа деструктивной. С помощью этого процес­ са можно получить до 80% бензина от веса сырья, взятого на перера­ ботку. Топлива, полученные деструктивной гидрогенизацией, обладают удовлетворительными эксплуатационными свойствами, но их высокая себестоимость препятствует широкому распространению этого процесса в топливной промышленности стран, относительно богатых нефтью. Даже в странах, бедных нефтью (ГДР, ФРГ, Япония), бурно разви­ вается нефтеперерабатывающая промышленность на привозном сырье. В СССР почти все автомобильные топлива и масла получают из неф­ ти. Однако в районах, отдаленных от нефтяных месторождений и име. J8 ющих запасы твердых горючих ископаемых, возможно, а иногда и эко­ номически выгодно производить толплива из твердых горючих ископа­ емых. Так, в Эстонской ССР и в прилегающих к ней районах успешно используют автомобильные бензины, полученные путем переработки эстонских горючих сланцев. Углеводороды можно синтезировать из окиси углерода и водо­ рода. При пропускании водяного пара через раскаленный уголь образуется смесь окиси углерода и водорода — водяной газ. В при­ сутствии катализатора окись углерода и водорода вступают в хи­ мическое взаимодействие, образуя смесь углеводородов, названную синтином. Синтин состоит в основном из парафиновых и олефиновых углеводородов неразветвленного строения, поэтому он имеет невысо­ кие эксплуатационные свойства и обычно смешивается с высококачест­ венными компонентами. В частности, в период второй мировой войны Германия производила синтин и использовала его в смеси с бензином и этиловым спиртом. Из окиси углерода и водорода путем синтеза в промышленных мас­ штабах освоено производство синтетических масел. Такие масла, как правило, имеют более высокие эксплуатационные свойства, чем неф­ тяные. Однако высокая стоимость, ограниченное производство и ряд других недостатков препятствуют пока широкому использованию син­ тетических масел в автотракторной технике. Глава II АВТОМОБИЛЬНЫЕ БЕНЗИНЫ § I. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТОПЛИВУ ДЛЯ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Все требования, которые предъявляют карбюраторные двигатели к качеству применяемого топлива, можно условно разделить на че­ тыре группы. 1. Топливо должно обеспечивать создание однородной топливовоз­ душной смеси необходимого-состава при любых температурных усло­ виях. При этом оно должно: хорошо испаряться и иметь небольшое поверхностное натяжение, иметь хорошие пусковые свойства, обеспе­ чивать быстрый прогрев холодного двигателя и его высокую приеми­ стость, не вызывать обледенения карбюратора, не оказывать влияния на износ цилиндро-поршневой группы при всех режимах работы двигателя, не образовывать отложений во впускной системе дви­ гателя. 2. Топливо-воздушная смесь должна сгорать с возможно большей полнотой за отведенный промежуток времени. Для этого топливо долж­ но: иметь наиболее высокую теплоту сгорания, сгорать с нормальной скоростью без возникновения детонации на всех режимах работы дви­ гателя в любых климатических условиях, полностью сгорать с мини­ мальным образованием токсичных и канцерогенных продуктов в от19 работавших газах, иметь минимальную склонность к образованию нагара и к калильному зажиганию, не образовывать коррозионно­ агрессивных продуктов сгорания. 3. Не должно возникать затруднений при транспортировке, хра­ нении и подаче топлива по системе питания в двигатель при любых климатических условиях. Для того чтобы выполнить эти требования, топливо должно: не ухудшать своих эксплуатационных свойств со временем, иметь низкую температуру застывания и помутнения, не содержать коррозионно-агрессивных соединений и не образовывать их со временем, не содержать механических примесей, иметь минималь­ ную склонность к потерям от испарения, содержать в растворенном состоянии минимальное количество воды и воздуха, не образовывать паровых пробок в системе питания при высоких температурах, не образовывать отложений на деталях системы питания. 4. Топливо должно быть недорогим, по возможности нетоксичным, и производство его должно быть обеспечено широкими сырьевыми ре­ сурсами. Перечисленным выше требованиям в той или иной мере отвечают многие индивидуальные органические соединения и технические сме­ си. Однако в наибольшей степени указанным требовании удовлетво­ ряет смесь углеводородов, выкипающая в пределах от 30—40 до 200— 210°С и получившая название бензин. § 2. ИСП АР Е НИ Е И СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В составе бензина преобладают два элемента — углерод и водород. В связи с этим при полном сгорании бензина образуются главным обра­ зом двуокись углерода и вода. Основываясь на элементарных реак­ циях сгорания Н2 + ~~ 0 2= Н20 ; С + Ог = С0 2, можно подсчитать, что для полного сгорания 1 кг водорода тре­ буется 8 кг кислорода, а для сгорания 1 кг углерода — 8/3 кг кис­ лорода. Па основании данных по элементарному составу бензина можно найти количество кислорода (кг), необходимое для полного сгорания 1 кг бензина (1о2), по следующей формуле: 8 8Н+ Т С где Н и С процентное содержание водорода и углерода в бензине. При вычислении количества воздуха (кг), теоретически необходи­ мого для полного сгорания 1 кг бензина (/-о), предыдущая формула принимает следующий вид: 8Н + — С Lo — з 23 Если в состав топлива входит значительное количество кислорода (например, при использовании спиртов в качестве компонентов товар­ ных топлив), то этот кислород участвует в сгорании и для полного сгорания таких топлив требуется меньшее количество воздуха: 8 , 8Н + — С —О 3 где О — процентное содержание кислорода в топливе. Соотношение углерода и водорода в различных бензинах нефтяно­ го происхождения изменяется незначительно, поэтому и количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания, принято считать в среднем равным 14,9 кг на 1 кг бензина. При различных условиях работы двигателя состав топливо-воздушной смеси, поступа­ ющей в камеры сгорания, может отличаться от теоретически необхо­ димого. Избыток или недостаток воздуха в смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха а, представляющим отношение массы действительно расходуемого воздуха к массе воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива. Горючую смесь теоретического состава (а = 1) называют нормаль­ ной, или теоретической смесью, при а < 1 — богатой и при а > 1 — бедной смесью. Для обеспечения наиболее полного сгорания смеси за весьма малый промежуток времени необходимо перевести бензин из жидкого состоя­ ния в парообразное и смешать пары с необходимым количеством воз­ духа, т. е. создать горючую смесь. Горючая смесь в поршневых двигателях внутреннего сгорания мо­ жет быть образована двумя принципиально различными способами. Смесь может готовиться вне цилиндра двигателя в карбюраторе и не­ посредственно в цилиндре двигателя, куда воздух и топливо подаются раздельно. Непосредственный впрыск топлива в полость цилиндра, в особую предкамеру или воздухоподводящий трубопровод осуществляется в тактах впуска или сжатия с помфщью специального насоса через форсунку. Способ образования горючей смеси путем непосредственного Епрыска бензина имеет ряд преимуществ перед карбюрацией. Основ­ ные из них следующие: большая равномерность распределения бен­ зина по цилиндрам двигателя, увеличение коэффициента наполнения и литровой мощности вследствие снижения гидравлических сопро­ тивлений во впускной системе (отсутствие карбюратора). Непосредственный впрыск используют в некоторых поршневых авиационных двигателях, однако в автомобильных двигателях этот способ смесеобразования имеет ограниченное применение вследствие значительного усложнения системы питания. Процесс приготовления горючей смеси в карбюраторе сводится к следующему. Из топливного бака бензин насосом подается в поплавковую камеру 1 (рис. 6), соединенную отверстием 13 с атмосферой. В поплавковой 21 камере при помощи поплавка 12 и запорной иглы 11 с пружиной под­ держивается постоянный уровень бензина. Из поплавковой камеры бензин по каналам карбюратора через жиклер 2 засасывается в смеси­ тельную камеру 5 вследствие разряжения, которое создается в диффу­ зоре 4 во время такта впуска. Скорость воздушного потока в диффузоре карбюратора примерно в 20—30 раз превышает скорость топливной струи. В таких условиях струя топлива распадается на мелкие капли, средний диаметр которых составляет 0,1—0,2 мм. Образовавшиеся капли подхватываются воз­ душным потоком и начинают интенсивно испаряться. Постепенно ско­ рость движения капель увеличивается до значений, близких к скорости паровоздушного потока горючей смеси. При этом, несмотря на высокую турбулентность потока, процесс испарения капель топлива замед­ ляется и некоторая часть их попадает в цилиндры двигателя, где под действием высокой температуры происходит их доиспарение. Таким образом в двигателе на установившемся режиме испарение бензина начинается в карбюраторе, продолжается во впускном трубопроводе и заканчивается в цилиндрах двигателя. В результате многочисленных визуальных наблюдений и фоторе­ гистраций процесса образования горючей смеси в карбюраторном дви­ гателе установлено, что часть капель при выходе из диффузора карбю­ ратора оседает настенках впускного трубопровода и образует пленку жидкого топлива. Паровоздушный поток увлекает пленку по стенкам впускного трубопровода в на­ правлении цилиндров двигате­ ля. Даже при полированных стенках впускного трубопровода скорость перемещения пленки жидкого топлива в 50—60 раз меньше скорости движения па­ ровоздушной смеси. При движе­ нии пленки топлива по стенкам трубопровода с ее поверхности происходит интенсивное испаре­ ние наиболее легкокипящих уг­ леводородов. Наличие жидкой пленки вно­ сит ряд существенных осложне­ ний в процессе приготовления однородной смеси, одним из которых является неравномер­ ность распределения смеси по цилиндрам двигателя. Различают два вида нерав­ Рис. 6. Схема устройства простейшего номерности распределения— ко­ карбюратора: личественную и качественную. 1 — поплавковая камера; 2 — жиклер; 3 — рас­ пылитель; 4 — диффузор; 5 — смесительная Количественной неравномер­ камера; 6 — дроссельная заслонка; 7 — впу­ скной трубопровод; 8 — впускной клапан; 9 — ностью распределения называют цилиндр; 10 — поршень; И — запорная иг­ различие в горючей смеси в от­ ла; 12 — поплавок; 13 отверстие 22 дельных цилиндрах по коэффициенту избытка воздуха. Качественная неравномерность распределения смеси характеризует различное со­ держание отдельных фракций или присадок в горючей смеси, посту­ пающей в разные цилиндры двигателя. Одна из причин неравномерного распределения смеси состоит в сле­ дующем. Вследствие цикличности поступления горючей смеси в цилинд­ ры двигателя перемещение потока горючей смеси по впускной системе носит пульсирующий характер. Во время процесса впуска горючая смесь перемещается в направлении цилиндра, причем скорость потока смеси постоянно меняется в зависимости от разряжения в цилиндре и площади проходных сечений в зоне впускного клапана. Закрытие клапана прекращает доступ смеси в цилиндры. Но поток смеси обла­ дает определенной инерцией, в результате чего смесь продолжает по­ ступать в данный патрубок впускного тракта. Жидкая пленка топ­ лива на стенках трубопровода обладает большей инерционностью, чем паровоздушная смесь. Поэтому при торможении потока, вызван­ ном закрытием впускного клапана, она продолжает свое движение по направлению к цилиндру. Это вызывает не только общее обогаще­ ние смеси в данном патрубке впускного трубопровода двигателя, но и перераспределение топлива по длине потока — часть смеси, рас­ положенная непосредственно в зоне впускного клапана, оказывает­ ся наиболее обогащенной топливом. При этом, поступая в хорошо прогреваемую зону впускного клапана двигателя, жидкая пленка топлива начинает интенсивно испаряться. В первый момент после открытия впускного клапана в цилиндр будет поступать в основном богатая топливом паровоздушная смесь, расположенная в зоне впускного клапана. Вместе с паровоздушной смесью в цилиндр попадает и жидкая фаза топлива, скопившаяся в этой зоне. Поэтому в самом начале процесса впуска в цилиндр будет поступать очень богатая смесь. Затем смесь, поступающая в цилиндр, должна несколько обедняться, так как после обогащенной смеси, расположенной в зоне впускного клапана, в ^ л и н д р начнет поступать паровоздушная смесь, находящаяся в^^р^отдаленн ы х от клапана участках впускного тракта. Таким обртВш, появляется неравномер­ ность распределения смеси по объему цилиндра. Однако в случае питания из одной полости или одного отверстия впускного трубопровода двух и более цилиндров двигателя описанные выше явления вызывают неравномерность распределения горючей сме­ си по цилиндрам двигателя. Если два цилиндра питаются из одной полости или ветви впуск­ ного трубопровода, то обогащенная смесь после паузы попадает в тот цилиндр, в котором в соответствии с установленным порядком работы цилиндров двигателя раньше начинается такт впуска. Кроме явлений, происходящих вследствие цикличности поступле­ ния горючей смеси в цилиндры, существует ряд других причин, вызы­ вающих неравномерное распределение смеси по отдельным ветвям и патрубкам системы впуска. Сюда относятся главным образом кон­ структивные особенности карбюратора, его смесительной камеры и впускного трубопровода. 23 Качественная неравномерность распределения горючей смеси по цилиндрам двигателя связана в первую очередь с тем обстоятельством, что бензины являются сложной смесью различных углеводородов. Пе­ реход отдельных фракций бензина в парообразное состояние происхо­ дит в определенной последовательности. Вначале испаряются более низкокипящие углеводороды, затем более высококипящие. При этом жидкая фаза обогащается более тяжелыми углеводородами, кипящими при более высокой температуре. Это явление фракционирования топлива при его испарении имеет место в процессе подготовки горючей смеси в карбюраторе. Испарение легких углеводородов из капель и пленки ведет к обогащению паровоздушной смеси низкокипящими углеводородами, а жидкой фазы — высококипящими углеводородами. В связи с этим в тех цилиндрах, куда больше поступает паровоздушной фазы, будет создаваться избыток легких фракций бензина, а в тех цилиндрах, куда попадает больше жидкой фазы, будут преобладать высококипящие, тяжелые фракции бензина. Мы рассмотрели некоторые особенности распределения смеси по цилиндрам двигателя на установившихся режимах. В последние годы внимание исследователей привлечено к устранению качественной неравномерности при переменных режимах работы двигателя, в частности при разгоне автомобиля. Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя достигает­ ся путем резкого открытия дросселя. При этом создаются особенно неблагоприятные условия для распиливания и испарения бензина вследствие того, что в первый момент после открытия дросселя резко па­ дает скорость воздуха и уменьшается разряжение во впускной системе. Значительная часть бензина оседает на стенках впускного трубопрово­ да, а паровоздушная смесь обогащается низкокипящими углево­ дородами, т. е. происходит фракционирование бензина. Сразу же после открытия дросселя в цилиндры поступает лишь паровоздушная смесь, поскольку она обладает значительно меньшей инерцией, чем жидкая пленка. Таким сАазом, в течение какого-то периода времени в цилиндры двигателя пссш кет горючая смесь, значительно обога­ щенная легко летучими низкюкипящими углеводородами. После краткого знакомства с особенностями приготовления горю­ чей смеси во впускной системе двигателя рассмотрим, какие же свой­ ства бензина и в какой мере влияют на этот процесс. Качество смесеобразования и равномерность распределения смеси по цилиндрам двиТателя зависят от таких физических свойств топлив, как давление насыщенных паров, фракционный состав, скрытая тепло­ та испарения, коэффициент диффузии паров, вязкость, поверхност­ ное натяжение, теплоемкость, плотность. Важнейшим свойством, обусловливающим испаряемость топлива, является давление его насыщенных паров. Следует различать статическое испарение, при котором отсутст­ вует относительное перемещение топлива и воздуха на поверхности их соприкосновения, и динамическое испарение, происходящее в усло­ виях обдува испаряющегося топлива воздухом при относительном перемещении топлива и воздуха. 24 Статистическое испарение имеет место при хранении топлива в ре­ зервуарах. В двигателях внутреннего сгорания происходит динамиче­ ское испарение топлива. При прочих равных условиях скорость ди­ намического испарения всегда выше скорости статического испарения по следующим причинам. При испарении топлива молекулы его вылетают из жидкости и диф­ фундируют в окружающий воздух. Часть испарившихся молекул мо­ жет снова удариться о поверхность жидкости и поглотиться ею. Сте­ пень испарения топлива определяется разностью между количеством молекул, вылетающих из жидкости и снова ею поглощающихся. Ин­ тенсивность или скорость испарения зависят от начальной концентра­ ции молекул данного топлива в воздухе и от скорости их диффузии. Если газовое пространство над жидкостью не ограничено, то испарение происходит с максимальной скоростью. В этом случае имеет место сво­ бодное испарение. В замкнутом объеме в начальный момент скорость испарения равна скорости свободного испарения, но по мере насыще­ ния воздуха молекулами топлива увеличивается число молекул, воз­ вращающихся обратно в жидкую фазу, и процесс испарения замедляет­ ся. При определенной концентрации молекул топлива в воздухе чис­ ло вылетающих из жидкости и возвращающихся в нее молекул урав­ нивается, наступает состояние динамического равновесия. Максимальная концентрация паров топлива в воздухе, при которой устанавливается состояние динамического равновесия, характери­ зует собой давление насыщенных паров данного топлива. Чем выше давление насыщенных паров топлива, тем большее количество его испа­ рится, прежде чем концентрация молекул в паровой фазе достигнет состояния динамического равновесия. Давление насыщенных паров топлив является функцией его соста­ ва и зависит от температуры и соотношения паровой и жидкой фаз. Давление насыщенных паров принято определять двумя метода­ ми: методом Рейда и методом Валявского и Бударова. Метод Рейда (ГОСТ 1756—52) заключается в регистрации по мано­ метру давления насыщенных паров бензина, помещенного в специаль­ ную бомбу и нагретого в водяной бане до 38° С. Соотношение жидкой и паровой фаз в бомбе Рейда равно 1 : 4 (рис. 7). Метод, разработанный Валявским и Бударовым (ГОСТ 6668—53), заключается в определении изменения объема паровоздушной смеси при нагревании бензина до 38° С в стеклянном приборе (рис. 8). Со­ отношение объемов жидкой и паровой фаз при определении по методу Валявского— Бударова принято равным 1: 1. Существенное влияние на величину давления насыщенных паров при определении оказывает соотношение фаз. Когда объем паровой фазы по сравнению с объемом жидкой фазы невелик, то того количества легкоиспаряющихся углеводородов, которое содержится в бензине, бывает вполне достаточно, чтобы насытить паровую фазу. Когда объем паровой фазы значительно превышает объем жидкой фазы, то для полного насыщения паровой фазы может «не хватить» легкоиспаряющихся углеводородов. При этом величина давления насыщенных паров получается несколько меньше. Иными словами, 25 Рис. 7. Схема аппаратуры для оп­ ределения давления насыщенных па­ ров по методу Рейда: Рис. 8. Схема прибора Бударова для определения давления насыщенных паров: / — водяная баня; 2 — сосуд для опре­ деления давления насыщенных паров; 3 — ртутный манометр; 4 —термостат 5 / — стакан с водой; 2 — тройник стеклян­ ный; 3 — бюретка газовая; / — мешалка; и 9 — краны; 5 — пипетка; 7 — термо­ метр, 8 — соединительная трубка; /0 — си­ фонная трубка; II — уравнительная склянка с увеличением отношения паровой фазы к жидкой найденное давление насыщенных паров уменьшается (рис. 9). В связи с этим результаты, полученные по методу Рейда, обычно на 60—80 мм рт. ст. ниже зна­ чений, определенных по методу Валявского — Бударова. Следует отметить, что в реаль­ ных условиях в двигателе соотно­ шение паровой и жидкой фаз в ус­ ловиях испарения бензина во впускном трубопроводе меняется в очень широких пределах. На про­ гретом двигателе при установив­ шемся режиме работы это соотно­ шение очень большое и составляет более 10 000. В период пуска карбюраторно­ го двигателя испарение бензина происходит при соотношении фаз, равном 500—700. Эти соотношения Рис. 9. Зависимость давления паров фаз очевидно минимальны для дви­ соотношения ооъемов паровой гателя, но и они достаточно вели­ ки и позволяют сделать заключеи жидкой фаз 26 Рис. 10. Зависимость давления насыщенных паров бензинов рн от температуры в обычных (а) и полулогарифмических (б) координатах: / — Л-76 южный; 2 — АИ-93 леший; 3 — А-76 летний; 4 — А-76 зимний; 5 — А-76 северный ние, что при всех возможных режимах испарение бензина в двигателе происходит в среду, далекую от насыщения. Характер зависимости давления насыщенных паров от температуры для некоторых отечественных товарных автомобильных бензинов представлен на рис. 10. Скорость испарения топлива зависит от коэффициента диффузии паров топлива в окружающую среду. В результате диффузии конценцентрация испарившихся молекул над поверхностью топлива пони­ жается и испаряются новые молекулы топлива. Чем больше скорость диффузии паров топлива, тем быстрее оно испаряется. Коэффициент диффузии представляет собой физическую констан­ ту, характеризующую количество паров данного топлива в граммах, диффундирующее в единицу времени через 1 см2 поверхности при гра­ диенте давления паров 1 мм рт. ст. на 1 см. Коэффициент диффузии паров товарных автомобильных бензинов в воздух при дав­ лении 760 мм рт. ст. и температуре 20° С равен 0,09 г/см2-с. В соответствии с законом Дальтона скорость испарения жидкости прямо пропорциональна величине поверхности испарения. В случае испарения бензина во впускной системе двигателя поверхность испа­ рения зависит от тонкости распыла. Тонкость распыла зависит как от условий распыла (величины и формы отверстия распылителя и скорос­ ти воздуха в диффузоре), так и от свойств топлива и , в первую очередь, от величины его поверхностного натяжения. Приближенно принято считать, что при истечении бензина из распылителя постоянного сечения средний радиус капель прямо про­ порционален поверхностному натяжению бензина. Поверхностное натяжение характеризует состояние поверхности жидкости, оно численно выражается той работой, которую необходимо совершить для образования единицы поверхности. Эта работа затрачи­ 27 вается на преодоление сил притяжения между молекулами при выхо­ де их в поверхностный слой. Поверхностное натяжение автомобиль­ ных бензинов равно 20—24 эрг/см2. Выше говорилось о поверхностном натяжении углеводородов и топлив на границе раздела с воздухом. На границе с другими среда­ ми поверхностное натяжение может значительно отличаться. В част­ ности, поверхностное натяжение бензинов на границе с водой составля­ ет 47—50 эрг/см2. Существенное влияние на процесс испарения топлив различного происхождения имеет их скрытая теплота испарения (теплота парооб­ разования). Основное количество тепла, необходимое для испарения топлива в двигателе, отнимается от воздуха, в котором происходит ис­ парение, и от самого топлива. Поэтому скрытая теплота испарения топ­ лива, наряду с его теплоемкостью, определяет снижение температуры при испарении топлив во впускном трубопроводе (табл. 1). Таблица 1 Влияние физико-химических сзойств топлив на снижение температуры во впускном трубопроводе ( а = ! ) Топливо Изопентан Гептан нормальный Изооктан Бензол Изопропилбензол Метиловый спирт Этиловый » Диэтилопый эфир Бензин: А-66 Б-70 А-76 АИ-93 Керосин Теплота испа­ Теплоемкость, рения, ккал/кг ккал/кг» град Понижение тем­ пературы смеси при полном испа­ рении топлива, °С 82,0 75,8 65,1 94,2 75,5 263.4 219,5 86,2 0,52 0,52 0,47 0,40 0,41 0,58 0,57 0,54 19,5 18,3 16,0 26,4 20,3 123,1 80,4 26,3 09.0 75,0 71,0 73,0 52.0 0,49 0,50 0,48 0,47 0,46 16.8 18,4 17.7 18,6 13,3 Среди соединений, нашедших применение в качестве компонентов автомобильных топлив, наиболее высокую теплоту парообразования имеют спирты. Понижение температуры во впускном трубопроводе за счет более высокого значения теплоты парообразования спиртов примерно в 3 раза больше, чем при испарении углеводородных топлив. Однако фактическое понижение температуры при испарении спиртов в двигателе еще больше, так как для их сгорания требуется меньше воздуха, чем для углеводородных топлив. Это свойство спиртов широко используется при их применении в качестве топлив для гоночных мотоциклов и автомобилей. Тепловой режим двигателей таких машин бывает очень напряжен, и применение спиртов позволяет снизить температуру газов в конце такта впуска. 28 Более низкая температура смеси в конце такта впуска при исполь­ зовании спиртов приводит к увеличению плотности заряда и повыше­ нию коэффициента наполнения, что, в свою очередь, ведет к повышению среднего эффективного давления и увеличению мощности двигателя. Роль теплоемкости топлива в понижении температуры при его ис­ парении относительно невелика, а сами значения теплоемкостей для различных топлив близки между собой (см. табл. 1). Таблица 2 Вязкость и плотность товарных автомобильных бензинов и их компонентов при температуре 20°С Бензины А-66 летний А-66 зимний А-72 летний А-72 зимний А-76 летний АИ-93 » Каталитического риформинга обычного режима Каталитического риформинга жесткого режима Каталитического крекинга Термического крекинга Плотность, г/см3 Кинематиче­ ская вязкость, сСт 0,7193 0,6987 0,7332 0,7258 0,7840 0,7550 0,7576 0,8114 0,7848 0,7345 0,5993 0,5343 0,6013 0,5423 0,5609 0,6204 ' 0,5835 0,6857 0,7127 0,6895 Физические свойства бензина оказывают влияние и на его расход через калиброванные отверстия карбюратора. В этом случае наиболь­ шее значение имеют вязкость и плотность бензина (табл. 2). Рис. 11. Зависимость плотности бен­ зинов от температуры’. Рис. 12. Зависимость вязкости бензи­ нов от температуры: 1 — Л-66 зимний; 2 — А-66 летний; 3 — А-72 зимний; 4 — А-72 летний; 5 — АИ-93 лет­ ний этилированный; 6 — АИ-93 летний не­ этилированный; 7 — А-76 летний / — А-93 летний этилированный; 2 — А-66 зимний; 3 — А-72 зимний; -#— А-76 летний; 5 —А-66 летний; 6 — А-72 летний; 7— АИ-93 летний неэтилированный 29 Рис. 13. Зависимость количества бен­ зина, поступающего через жиклер, от температуры (постоянное разре­ жение в диффузоре — 200 мм вод. ст., главный жиклер двигателя З И Л '130): / — А-76 летний; 2 — АИ-93 летний этили­ рованный; 3 — АИ-93 летний неэтилиро­ ванный; 4 — А-72 зимний; 5 — А-72 летний; 6 — А-66 летний; 7 — А-66 зимний От плотности бензина зависит его уровень в поплавковой камере карбюратора. Чем меньше плотность бензина, тем глубже опускается в него поплавок и тем выше устанавливается уровень в камере. При нормальной работе двигателя уровень бензина в поплавковой камере карбюратора устанавливается на 3—5 мм ниже верхнего среза распы­ лителя. Если плотность бензина значительно меньше расчетной, уро­ вень топлива в поплавковой камере может повыситься настолько, что бензин будет самопроизвольно вытекать из распылителя. Количество топлива, протекающего через жиклеры карбюратора, зависит от вязкости и плотности бензина. Чем выше плотность бензи­ на, тем большее количество его пройдет через жиклеры в единицу вре­ мени. Чем больше вязкость топлива, тем меньше скорость прохожде­ ния его через жиклеры, т. е. меньше его расход. Таким образом, при снижении температуры топлива его расход, с одной стороны, возрастает (за счет увеличения плотности), с другой стороны, понижается (за счет увеличения вязкости) (рис. 11 и 12). В целом при понижении температуры происходит снижение расхода бензина через жиклер, т. е. изменение вязкости в суммарном эффекте играет большую роль, чем изменение плотности (рис. 13). Изменение свойств бензинов в различных температурных условиях эксплуатации автомобилей должно служить основой при разработке се­ зонных норм расхода бензина на автомобильном транспорте.§ § 3. СГОРАНИЕ Нормальное сгорание Под термином «сгорание» применительно к автомобильным двига­ телям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов и примесей топлива с кислородом воздуха, сопровождающуюся свече­ нием и выделением значительного количества тепла. Сгорание является важнейшим процессом, обусловливающим полез­ ную работу двигателя, так как при этом происходит превращение хи­ мической энергии топлива в тепловую и далее в механическую. Процесс сгорания определяет мощностные и экономические показате­ ли двигателя, а характер его протекания существенно влияет на надеж­ ность и долговечность двигателя. 30 При сгорании топлива выделяется тепло, количество которого здвисит от состава горючей смеси и от свойств самого топлива. Способ­ ность топлива выделить при полном сгорании то или иное количество тепла обусловливается его теплотой сгорания (теплотворность или теп­ лотворная способность). Теплота сгорания может быть отнесена к 1 кг (весовая) или 1 л (объемная) топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении высшей теплоты сгорания учиты­ вается сумма тепла, включая тепло, выделившееся при конденсации воды, образовавшейся за счет сгорания водорода, входящего в состав углеводородов топлива. Низшая теплота сгорания не учитывает теп­ ла, выделяющегося при конденсации воды. В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значением низшей теплоты сгорания. Величина высшей теплоты сгорания для бензинов обычно больше низшей примерно на 600 ккал/кг (табл. 3). Таблица 3 Теплота сгорания некоторых углеводородов и топлив Наименования углеводородов или топлив Бутан Пентан Изопентан (2 метил-бутан) Октан Изооктан (2,2,4-гриметилпентан) ПентенТ Октен-1 Циклопентан Циклогексан Бензол Толуол Пропилбензол Метиловый спирт Этиловый » Бензин прямой перегонки » термического крекинга » каталитического крекинга » » риформинга Бензин Б-70 » А-76 зимний » А-76 летний » АИ-93 летний Керосин Дизельное топливо Плотность кг воздуха р 20 4 кг топлива 0,579 0,626 0,620 0,703 0,692 0,640 0,714 0,745 0,779 0,879 0,867 0,863 0,791 0,795 0,724 0,732 0,741 0,772 0,738 0,715 0,730 0,763 0,822 0,820— 0,860 15,48 15,35 15,35 15,15 15,15 14,80 14,80 14,80 14,80 13,28 13,51 13,80 6,5 9,0 -15,1 -1 4 ,9 -1 4 ,6 -1 4 ,3 -1 5 ,0 -1 4 ,8 —14,8 -1 4 ,5 -1 5 ,0 -1 5 ,0 Теплота сгорашм, низшая ккал/кг 10930 10 840 10 832 10 670 10 656 10 757 10 650 10 567 10 480 9 763 9 789 9 943 4 600 6 300 10 600 10 550 10 420 10 260 10 400 10 620 10 500 10310 10 300 10 000— 10 200 ккал/л 6 328 6 786 6 716 7 500 7 374 6 874 7 608 7 872 8 164 8 582 8 487 8 581 3 639 5 008 7 674 7 717 7 721 7 921 7 675 7 593 7 665 7 867 8 466 8 200— 8 800 Теплота сгорания топлива может быть экспериментально опреде­ лена в калориметрах или ориентировочно подсчитана на основании данных по элементарному составу топлива. При полном сгорании 1 кг 31 углерода в углекислоту выделяется 8140 ккал тепла, а при полном сго­ рании 1 кг водорода в водяной пар—28 000 ккал. Топлива, содержа­ щие в своем составе кислород, имеют более низкую теплоту сгорания. Сгорание углерода и водорода, связанных между собой в различные соединения (углеводороды), протекает значительно сложнее, чем сго­ рание свободных углерода и водорода. Для практических целей теплоту сгорания топлива определяют по эмпирическим формулам. Одна из них предложена Д. И. Менделеевым: QB = 81С н- 300Ы — 26 (О — S); Qu = 81С + 246Н — 26 (О — S), где Qn — высшая теплота сгорания топлива, ккал/кг; Q„ — низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг; С, Н, О и S — содержание в топливе, соответственно углерода, водо­ рода, кислорода и серы, %. В пашей стране в качестве стандартного принят метод расчета теп­ лоты сгорания топлива по значениям его плотности и анилиновой точ­ ки (ГОСТ 11065—64). Анилиновой точкой называют ту наименьшую температуру, при которой определенное количество анилина полностью растворяется в определенном количестве топлива. Анилиновая точка характеризу­ ет содержание ароматических углеводородов в топливе. Чем оно вы­ ше, тем ниже значение анилиновой точки. Расчет ведут по формуле Q„ = 9940 + (А + 17,8) /(, где А — анилиновая точка топлива, 0 С; К — коэффициент, учитывающий плотность топлива (берется из приложения к ГОСТ 11065—64). Бензины, содержащие преимущественно парафиновые углеводороды, характеризуются более высокой весовой теплотой сгорания, чем бен­ зины, содержащие значительное количество ароматических углеводо­ родов (бензины каталитического крекинга и особенно каталитического риформинга жесткого режима). Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что углеводородные топли­ ва лишь незначительно различаются по теплоте сгорания, поэтому повышение мощности или экономичности автомобильных двигателей за счет использования топлив с каким-то повышенным «энергозапасом» не представляется возможным. В двигателях сгорает смесь топлива с воздухом, поэтому для энер­ гетической оценки топлива имеет значение не только его теплота сго­ рания, но и количество тепла, выделяющегося при сгорании топливоеозд ушной смеси стехиометрического состава (при а = 1). Эта величи­ на зависит от теплоты сгорания топлива и от количества воздуха в та­ кси смеси. Для углеводородов с повышением теплоты сгорания увеличивается количество воздуха, необходимого для сгорания. В связи с этим коли­ чество тепла, выделяемого при сгорании различных топливо-воздуш­ ных смесей, изменяется очень незначительно (табл. 4). 32 Таблица 4 Количество тепла, выделяемого при сгорании топливо-воздушных смесей L*, кг воздуха Топливо кг топлива Автомобильный бензин Авиационный » Бензол Этиловый спирт 15,0 15,0 13,4 9,0 Количество тепла, выделяемого при сгорании топливо воздушной смеси при а = 5 , ккал/м:< 824 826 820 825 Следует обратить внимание на теплоту сгорания спирто-воздушной смеси. Спирты содержат большое количество кислорода, поэтому теп­ лота сгорания их невелика. Но наличие кислорода в спиртах со­ кращает и количество воздуха, необходимого для сгорания. Поэтому при сгорании спирто-воздушной смеси выделяется практически столь­ ко же тепла, сколько и при сгорании такого же объема бензо-воздушной смеси. Таким образом, при полном сгорании смеси автомобильных бензи­ нов различного состава с воздухом выделяется 820—830 ккал/м3, или 665—675 ккал/кг смеси. Однако практически в двигателе мы получа­ ем значительно меньшее количество тепла за счет неполноты сгорания, в связи с тем что состав смеси всегда неоднороден и не во всех частях камеры сгорания мы имеем стехиометрическое соотношение топлива с воздухом. Теплота сгорания смеси, поступающей в двигатель, зави­ сит также от общего коэффициента избытка воздуха. Для вычисления теплоты сгорания смеси при различных значениях коэффициентов избытка воздуха и полноты сгорания можно пользо­ ваться следующей формулой: • и ЗиЛ где Ян — низшая теплота сгорания горючей смеси, ккал/кг; г) — коэффициент полноты сгорания топлива. Сгорание бензо-воздушных смесей в двигателях представляет со-' бой крайне сложную совокупность физико-химических процессов, раз­ вивающихся в условиях быстро изменяющихся температур, давлений и концентраций реагирующих веществ. Реакции горения обычно про­ текают в несколько последовательных стадий и представляют собой ряд конкурирующих параллельных процессов. Изучение химических превращений в процессе сгорания такой сложной смеси углеводоро­ дов, какой является бензин, связано с большими трудностями. При сгорании углеводородных топлив следует разграничить два' процесса — процесс воспламенения (инициирование горения) и про­ цесс распространения пламени. Для воспламенения горючей смеси необходим подвод энергии из­ вне в .количествах, достаточных для того, чтобы обеспечить в некотором объеме смеси такие начальные скорости химических реакций, при 2 Зак 541 33 которых тепловыделение начинает превышать скорость отвода тепла от реагирующей смеси в стенки или в окружающую, более холодную смесь. Воспламенение смеси может быть осуществлено путем самовоспла­ менения или путем принудительного зажигания. Самовоспламенение горючей смеси происходит в таких условиях, в которых во всей смеси или в некоторых ее частях относительно боль­ шого объема начинается развитие прогрессивно самоускоряющихся химических реакций, завершающихся возникновением пламени. Само­ воспламенение может произойти за счет нагревания горючей смеси от стенок сосуда, адиабатическим или ударным сжатием и т. д. Зажигание представляет собой интенсивное местное нагревание небольшой части горючей смеси до высокой температуры. Электри­ ческой искрой при зажигании смесь в зоне заряда нагревается практи­ чески мгновенно до температуры, намного превышающей температуру ее горения. Скорости химических реакций в зоне искрового разряда достигают огромных величин. После прекращения разряда скорость реакций уменьшается до значений, отвечающих условиям горения дан­ ной смеси во фронте пламени. Воспламенение углеводородно-воздушных смесей может быть одно­ стадийным или многостадийным в зависимости от температуры и давле­ ния среды и строения углеводородов, составляющих смесь. При неко­ торых условиях обычному воспламенению (горючему взрыву) смеси может предшествовать появление так называемого холодного пламе­ ни — особой промежуточной стадии окислительного процесса, сопро­ вождающейся относительно небольшим повышением температуры (около 100° С) и слабым сине-фиолетовым свечением, различимым визуально лишь в темноте. Считают, что причиной свечения являет­ ся хемилюминисценция, вызываемая возбужденными молекулами формальдегида. В отличие от воспламенения, процесс распространения пламени осуществляется без внешнего воздействия на горючую смесь. Очеред­ ные слои или объемы горючей смеси воспламеняются за счет энергии, выделяющейся при сгорании предшествующих порций той же смеси. Процессы распространения пламени различаются по способам пе­ редачи энергии от горящих слоев в свежую смесь. Различают диффузии онно-цепное и тепловое распространение пламени. Диффузия из зоны горения в свежую смесь активных центров, вызывающих развитие цеп­ ных реакций в новых слоях, играет основную роль при диффузионно­ цепном распространении пламени, тогда как при тепловом распростра­ нении основное значение имеют процессы передачи тепла из зоны го­ рения в свежую смесь. При распространении пламени в камере сго­ рания двигателя имеют место оба способа, но значение каждого из них меняется по мере развития процесса сгорания. Непосредственно после воспламенения горючей смеси основная роль в распространении пламени принадлежит диффузионно-цепным процессам. В дальнейшем преобладающее значение приобретают тепловые процессы. Скорость распространения пламени зависит также от состояния смеси перед воспламенением. Если смесь неподвижна или" течет 34 ламинарно, то процессы переноса во фронте пламени осуществляются за счет молекулярной диффузии и теплопроводности. Такое распростра­ нение пламени называют ламинарным. Если горючая смесь находит­ ся в турбулентном движении, то молекулярная диффузия начинает играть второстепенную роль — ведущее значение в распространении пламени приобретают процессы турбулентного смешения свежей смеси с продуктами сгорания. Такое горение называют турбулентным. При исследовании процессов сгорания в бомбах и трубах при не­ больших скоростях движения смеси имеет место ламинарное распро­ странение пламени и скорость сгорания составляет 1—4 м/с. В двигателях внутреннего сгорания наполнение рабочей смесью происходит с большими скоростями, при этом создается сильное вих­ ревое движение, которое частично сохраняется и в период сжатия. В этих условиях горение носит турбулентный характер и скорость распространения пламени заметно возрастает и составляет 10—40 м/с. Увеличение скорости распространения фронта пламени с ростом турбулентности горючей смеси имеет очень важное значение для обес­ печения нормального сгорания смеси в двигателе при различных чис­ лах оборотов коленчатого вала. С увеличением числа оборотов непре­ рывно уменьшается время, отведенное на процесс сгорания смеси в двигателе. Одновременно усиливается вихревое движение смеси за счет увеличения скорости поступления смеси через впускной клапан, что приводит к росту скорости распространения пламени (табл. 5). Таблица 5 Влияние турбулентности рабочей смеси на скорость распространения фронта пламени Скорость поступления смеси через впускной клапан, м/с e ' 1218 Интенсивность вихревых движений смеси в ци­ линдре двига­ теля, м/с 1 2 3 Скорость распрост­ ранения фронта пла­ мени, м/с Скорость поступления смеси через впускной клапан, м/с 6 10 14 24 30 34 Интенсивность вихревых движений смеси в ци­ линдре двига­ теля, м/с 4 5 6 Скорость распрост­ ранения фронта пла­ мени м/с 18 21 22 Таким образом, скорость распространения фронта пламени увели­ чивается приблизительно пропорционально числу оборотов коленча­ того вала (рис. 14). Если бы скорость распространения фронта пламени не зависела от турбулентности смеси, работа двигателя на разных ре­ жимах была бы невозможна. 4 Скорость распространения фронта пламени возрастает при повы­ шении давления и температуры. В связи с этим увеличение степени сжатия, применение наддува и другие меры, повышающие давление и температуру в конце такта сжатия, приводят к росту скорости распространения фронта пламени. Скорость распространения фронта пламени зависит от состава сме­ си, т. е. от коэффициента избытка воздуха. Максимальное значение 2* 35 скорости распространения фронта пламени соответствует значениям а = 0,90 (рис. 15). При обогащении и обеднении смеси скорость рас­ пространения фронта пламени уменьшается. В первом случае это про­ исходит вследствие недостатка кислорода, а во втором — вследствие расхода части тепла на нагревание избыточного количества воздуха При некоторых значениях коэффициента а в смеси создается такой избыток воздуха или топлива, что основная часть энергии от источни­ ка воспламенения рассеивается, расходуется на подогрев избыточных количеств воздуха или топлива и скорость распространения фронта пламени в этих случаях падает до нуля. Такие значения приняты за пределы распространения пламени. Как правило, пределы распростра­ нения пламени одновременно являются и пределами воспламеняемости смеси, так как вне этих пределов местный источник зажигания не способен обеспечить распространение процесса горения на весь объем смеси. Принято считать, что в условиях двигателя значения а равны: для верхнего предела воспламенения бензо-воздушной смеси примерно 0,4—0,5 и для нижнего — 1,3—1,4. Вопрос о расширении пределов устойчивого горения рабочей сме­ си, в частности о повышении скорости сгорания, особенно бедных сме­ сей, и обеспечении их надежного воспламе­ нения имеет важное практическое значение, 1 так как решение его может позволить по­ высить экономичность двигателя. При ра­ 30 боте двигателя на бедных смесях дости­ 1 . Г У 20 гаются более высокие значения индикатор­ -2 ного к. п. д. вследствие снижения темпе­ 5§ № Ш S00 1200' 1500 ратуры продуктов сгорания и степени их Частота Вращениямнении:он диссоциации, уменьшения теплоотдачи в стенки и т. д. Все вместе взятое приводит Рис. И. Влияние числа обо­ к существенной экономии топлива на ча­ ротов на среднюю скорость распространения пламени: стичных нагрузках. Относительно простое решение задачи S — по данным Чудакова; 2 — по данным Тейлора значительного расширения пределов эффек­ тивного использования бедных смесей в* карбюраторных двигателях на частичных нагрузках при одновременном сохранении высоких мощностных и экономических по­ казателей на полных нагрузках дает форкамерно факельное зажигание, разработан­ ное А. С. Соколиком, А. Н. Воиновым и Л. А. Гуссаком. Принцип форкамерио-факельного за­ жигания сводится к тому, что рабочая смесь в цилиндре воспламеняется не от ис­ кры свечи, а от факела пламени, образую­ щегося при сгорании небольшого количе­ Рис. 15. Влияние состава бензино-воздушной смесн ства обогащенной смеси в особой форкамена скорость сгорания: ре, соединенной с основной камерой сгора­ I — в двигателе; 2 — в бомбе ния несколькими каналами. I ■ 36 Форкамерно-факельное зажигание нашло практи­ ческое применение на ряде отечественных и зарубеж­ ных двигателей. При нормальном рабо­ чем процессе в двигателях с искровым зажиганием сгорание смеси может быть условно разделено на три фазы (рис. 16): / — началь­ ную, в течение которой не­ большой очаг горения, воз­ никающий между электро­ дами свечи, постепенно превращается в развитый фронт турбулентного пла­ мени; II — основную фазу распространения пламени; Рис. 16. Свернутая по ходу поршня (а) и раз­ III —фазу догорания смеси. вернутая по углу поворота коленчатого ва­ Провести резкую грань ла (б) индикаторные диаграммы: между отдельными фазами 0 —угол опережения зажигания сгорания не представ­ ляется возможным, так как изменение характера процесса происходит постепенно. Первая фаза начинается с момента проскакизания искры между электродами свечи. Вначале очаг горения очень мал, скорость пламени невелика, она близка к скорости ламинарного горения. Излишняя турбулизация смеси в зоне свечи ведет к усилению теплоотдачи из зоны горения и делает развитие очага пламени неустойчивым. В связи с этим свечу зажигания обычно помещают в небольшом углублении в стенке камеры сгорания. В начальный период скорость сгорания определяется физико-химическими свойствами горючей смеси и сравнительно мало зависит от интенсивности турбулент­ ности. Длительность начальной фазы принято измерять отрезком времени от момента появления искры (точка а на рис. 16, а) до «точки отрыва» линии сгорания от линии сжатия на индикаторной диаграмме (точка 6 на рис. 16, б), т. е. до момента начала ощутимого повышения давле­ ния в результате сгорания. Вторая фаза процесса сгорания, за начало которой принята «точ­ ка отрыва» линии сгорания от линии сжатия, характеризуется резким увеличением- скорости сгорания за счет интенсивной турбулизации смеси. В этой фазе скорость сгорания определяется интенсив­ ностью турбулизации смеси и мало зависит от ее физико хими­ ческих свойств. Турбулентность смеси, как указывалось выше, рас­ тет пропорционально частоте вращения коленчатого вала, поэтому длительность основной фазы сгорания, выраженная в градусах пово­ рота коленчатого вала, почти не зависит от скоростного режима дви­ 37 гателя. Замеры показали, что на некоторых участках в средней части камеры сгорания при больших числах оборотов скорость рас­ пространения пламени достигает 50—60 м/с. За границу раздела между основной и завершающей фазами сгора­ ния условно принят момент достижения максимума давления на инди­ каторной диаграмме (точка в на рис. 16. б). Сгорание в это время еще не заканчивается, и средняя температура газов в цилиндре продол­ жает некоторое время возрастать. Фронт пламени уже приближается к стенкам камеры сгорания, и скорость его распространения умень­ шается за счет меньшей интенсивности турбулентности и снижения тем­ пературы в пристеночных слоях. Уменьшение скорости сгорания ведет к снижению скорости тепловыделения, поэтому повышение давления в результате сгорания в фазе догорания уже не может компенсировать его падения вследствие начавшегося рабочего хода поршня. Процес­ сы догорания смеси в пристеночных слоях продолжаются в течение довольно длительного времени. При этом скорость процесса догорания, так же как и скорость сгорания в начальной фазе, в большей мере зависит от физико-химических свойств рабочей смеси, чем от ин­ тенсивности ее турбулентного дви­ жения. Следует отметить, что эффектив­ ность рабочего процесса в цилин­ драх двигателя,а соответственно и максимальные мощность и эконо­ мичность двигателя при прочих равных условиях определяются продолжительностью и «своевремен­ ностью» процесса сгорания рабо­ чей смеси. Чем выше скорость сгорания, тем большую мощность будет раз­ вивать двигатель при одинаковом расходе топлива. Это происходит потому, что при увеличении скоро­ сти сгорания рабочий цикл двига­ теля приближается к теоретическо­ му, в котором предполагается мгно­ венное сгорание всего заряда в в. м. т. Чем ближе к в. м. т. сго­ рает топливо, тем более полно про­ исходит последующее расширение продуктов сгорания последователь­ но, меньше тепла отводится с отра­ ботавшими газами. Однако при Угон поворота коленчатого вала,град очень быстром протекании процес„ са сгорания возникают большие Улар™ нагрузки на детали шаной диаграммы тунно-кривошипного мсхзнизмз, 38 вызывающие «жесткую» работу двигателя. В быстроходных карбюратор­ ных двигателях со степенью сжатия 7—8 длительность ос­ новной фазы сгорания состав­ ляет 25—30° угла поворота ко­ ленчатого вала, что соответст­ вует 0,0025 с при 2000 об/мин. При такой длительности основ­ ной фазы сгорания «жесткость» работы двигателя, оцениваемая скоростью нарастания давления в камере сгорания по углу пово­ рота коленчатого вала, состав­ ляет 1—1,2 кгс/см2-град для двигателей со степенью сжатия 6—7 и 1,5—2,0 кгс/см2-град для двигателей со степенью сжа­ тия 8—10. «Своевременность» процесса сгорания в значительной мере регулируется моментом поджи­ гания смеси искрой, т. е. углом опережения зажигания 0. Если Рис. 18. Индикаторные диаграммы кардвигателя при различной смесь поджечь слишком поздно бюраторного частоте вращения коленчатого вала: (рис. 17, а), то сгорание может а — при постоянном угле опережения начаться на ходе расширения. зажигания; б — при оптимальной регу­ лировке момента зажигания; При этом падает мощность дви­ и н ; ,? —«=* гателя и ухудшается его эконо­ / —«= 1000 об/м и н ; 2 — «= 2000 о б=/м3000 об/мин мичность. Если смесь поджечь слишком рано (рис. 17, в), то сгорание смеси в основном произойдет еще во время хода сжатия, при этом значительно возрастут потери мощности на преодоление давления газов на поршень при его движе­ нии к в. м. т. (заштрихованная область диаграммы). Наивыгоднейшим является такое опережение зажигания, при ко­ тором основная фаза сгорания располагается на индикаторной диа­ грамме симметрично в. м. т. (рис. 17, б). При этом повышение давления в результате сгорания начинается за 12—15° до в. м. т. и максималь­ ное давление достигается через 12—15° поворота коленчатого вала пос­ ле в. м. т. Однако угол опережения зажигания не может оставать­ ся постоянным при изменении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Ранее отмечалось, что увеличение частоты вращения коленчатого вала и связанное с ним усиление турбулентности смеси практичеки не влияют на длительность первой фазы. В связи с этим при неиз­ менном угле опережения зажигания с повышением частоты вращения будет наблюдаться все более позднее развитие процесса сгорания по циклу (рис. 18, а). ;9 При соответствующем увеличении опережения зажигания с повыше­ нием частоты вращения можно добиваться примерно постоянного рас­ положения основной фазы сгорания. В связи с этим в двигателях уста­ навливается центробежный регулятор опережения зажигания, ко­ торый изменяет угол в зависимости от изменения частоты вращения коленчатого вала. Для регулирования угла опережения зажигания при изменении нагрузки на двигатель (степени открытия дросселя) устанавливают вакуумный регулятор. Следует отметить, что правильность характеристик регуляторов угла опережения зажигания существенно влияет на требования двига­ теля к качеству применимого топлива, к способности бензина противо­ стоять детонации. Детонация На некоторых режимах работы автомобиля при использовании бен­ зина, качество которого не полностью отвечает требованиям двигателя, может возникнуть особый вид сгорания рабочей смеси — детонационное сгорание. Такое сгорание сопровождается появлением характерного звонкого металлического стука, повышением дымности отработавших газов н увеличением температуры в цилиндрах двигателя. Все внешние признаки и проявления детонации хорошо известны, однако причины возникновения и механизм этого явления до сего вре­ мени выяснены не полностью. Существует несколько теорий, объясня­ ющих сущность детонационного сгорания, но наиболее признанной из них является перекисная теория. В основе этой теории лежат труды выдающегося русского ученого академика А. Н. Баха, который установил, что при окислении угле­ водородов первичными продуктами являются перекисные соединения. Перекиси относятся к разряду весьма нестойких соединений, облада­ ющих большой избыточной энергией. При определенных температурах п давлении перекисные соединения могут самопроизвольно разла­ гаться с выделением большого количества тепла и образованием новых активных частиц. Окисление углеводородов бензина кислородом воздуха начинается еще в процессе производства бензина на заводе и продолжается вплоть до сгорания бензина в двигателе. Скорость окислительных процессов зависит от температуры. При повышении температуры бензина на 10° С скорость его окисления возрастает в 2,2—2,4 раза. При хранении и транспортировке бензина температура его обыч­ но невелика, поэтому окисление углеводородов и образование пере­ писных соединений в этих условиях происходит весьма медленно. Пе­ рекисные соединения в таких случаях не накапливаются, а подверга­ ются дальнейшему окислению с образованием продуктов более глубо­ кого окисления и, в частности, смолистых веществ. Энергичное окисление углеводородов бензина начинается в камере сгорания^в конце такта сжатия рабочей смеси. При движении поршня к верхней мертвой точке непрерывно повышаются температура и дав­ ление в рабочей смеси. При этом возрастает скорость окисления углево­ 40 дородов. Процессы окисления приобретают особенно большую скорость после воспламенения смеси и образования фронта пламени. По мере сгорания рабочей смеси температура и давление в камере сгорания быстро нарастают, что способствует дальнейшей интенсификации про­ цессов окисления в несгоревшей части рабочей смеси. На последние порции несгоревшего топлива высокие температура и давление дей­ ствуют наиболее длительно. Вследствие этого в них особенно интен­ сивно накапливаются перекисные соединения, поэтому наиболее бла­ гоприятные условия для перехода нормального сгорания в детонацион­ ное создаются при сгорании именно последних порций рабочей смеси. Описанные выше процессы окисления углеводородов с образова­ нием перекисных соединений протекают в двигателе всегда, независи­ мо от того, какое сгорание имеет место — нормальное или детона­ ционное. Если в двигателе используется такой бензин, в составе которого преобладают углеводороды, не образующие при окислении большого количества перекисных соединений, то концентрация перекисей в по­ следних порциях смеси не достигает критических значений и сгорание заканчивается нормально без возникновения детонации. Если при окислении бензина в последних порциях смеси накаплива­ ется много перекисных соединений, то при повышении их концентра­ ции свыше некоторого критического значения происходит их взрывной распад с образованием так называемого «холодного пламени». Продук­ тами сгорания в этом пламени являются главным образом альдегиды и СО, так что и энергия, выделяемая в «холодном пламени», составляет лишь малую часть (5—10%) от полной теплоты сгорания топлива. Холодное пламя по рабочей смеси в отличие от нормального горя­ чего пламени распространяется исключительно диффузией в свежую смесь активных частиц, радикалов, образующихся при распаде пере­ кисей. Результатом холоднопламенной стадии является замена исходно­ го, относительно инертного углеводорода химически активной смесью органических перекисей, альдегидов и свободных радикалов. Эта активная смесь подвергается дальнейшему окислению и после некото­ рого периода индукции происходит новый взрывной распад перекис­ ных соединений, аналогичный прежнему, но с вовлечением в реакцию большей массы исходной смеси и большого количества перекисных соединений. При этом возникает особый тип пламени, промежуточный между холодным и горячим, названный А. С. Соколиком «вторичным холодным пламенем». Реакция идет в нем так же, как и в холодном пламени, не до конечных продуктов С02 и Н20 , а до СО, но при этом выделяется примерно половина полной энергии сгорания и степень разогрева смеси в этом пламени уже велика, поэтому «вторичное холод­ ное пламя» распространяется с большей скоростью не только за счет диффузии активных центров, но и за счет теплопередачи. После про­ хождения «вторичного холодного пламени» остается нагретая до высокой температуры смесь СО, неиспользованного кислорода и активных центров. При достаточно высокой концентрации последних происходит цепочно-тепловой взрыв этой смеси, рождающий нас­ тоящее горячее пламя, т. е. происходит самовоспламенение. 41 Вначале самовоспламенение и образование нового фронта горя­ чего пламени происходят в одном или нескольких местах несгоревшей части рабочей смеси. Одновременно с новым фронтом горячего пламени возникает новый фронт ударной волны. Ударные волны, распростра­ няясь по нагретой активной смеси, в которой предпламенные реакции близки к завершению, стимулируют самовоспламенение остальной не­ сгоревшей части рабочей смеси. При этом скорость распространения фронта горячего пламени в оставшейся части смеси становится такой же, как и скорость распространения ударных волн,т. е, появляется де­ тонационная волна сгорания, имеющая скорость до 2000—2500 м/с. ~ Таким образом, сущность явления детонации состоит в весьма быст­ ром завершении процесса сгорания в результате многостадийного само­ воспламенения части рабочей смеси, сопровождающегося возникновеi нием ударных волн, которые, в свою очередь, стимулируют сгорание всей оставшейся рабочей смеси со сверхзвуковой скоростью. Изложенные выше представления о цепном механизме детонацион­ ного сгорания топлива в двигателе основаны на трудах академика Н. Н. Семенова и подтверждаются многочисленными эксперименталь­ ными данными. Внешние признаки детонационного сгорания мы уже отмечали: характерный стук, дымный выпуск отработавших газов и перегрев дви­ гателя. Металлический стук является результатом многократных периоди­ ческих отражений ударных волн от стенок камер сгорания. При этом на индикаторных диаграммах в конце сгорания регистрируются вибра­ ции давления в виде ряда постепенно затухающих острых пиков (рис. 19). Частота этих вибраций давления примерно такая же, как и основ­ ная частота слышимых стуков — порядка нескольких тысяч в секунду. В связи с этим при детонации слышится звонкий металлический стук высоких тонов. Рис. 19. Типичные индикаторные диаграммы с искровым зажиганием при рабо­ те с детонацией: а -—слабой; б — сильной 42 Само по себе повышение давления, возникающее во фронте ударных волн, с точки зрения механической прочности деталей двигателя, не представляет особой опасности, так как эти пики давления действуют в виде крайне коротких импульсов, длящихся менее 0,0001 с. Одна­ ко ударные волны при своем многократном отражении от стенок могут механически «сдирать» масляную пленку с поверхности гильзы, что приводит к увеличению износа цилиндров и поршневых колец. Кроме того, вибрационный характер нагрузки на поршень при наличии детона­ ции может вызвать разрушение антифрикционного слоя в шатунных подшипниках. В результате большой скорости и взрывного характера сгорания при детонации часть топлива и промежуточных продуктов сгорания «разбрасывается» по объему камеры, перемешивается с конечными про­ дуктами сгорания и не успевает полностью сгореть. Следствием непол­ ноты сгорания смеси при детонации является увеличение дымности отработавших газов. Главная опасность детонации заключается в повышенной отдаче тепла от сгоревших газов в стенки камеры сгорания и днище поршня как вследствие более высоких температур в детонационной волне, так и увеличения коэффициента теплоотдачи в результате срыва погранич­ ного слоя более холодного газа. Увеличенная теплоотдача в стенки приводит к перегреву двигате­ ля и может вызвать местные разрушения поверхности камеры сгора­ ния и днища поршня, первоначально выражающиеся в появле­ нии на поверхности металла небольших щербин. Часто в первую оче­ редь происходит разрушение кромок прокладки между цилиндром и головкой, завершающееся ее прогоранием. Характерно, что такие раз­ рушения располагаются во вполне определенных для данного двигате­ ля местах. Эти места зависят от конфигурации камеры сгорания и свя­ заны с зонами преимущественного возникновения детонации и усло­ виями отражения ударных волн от стенок. Следует отметить, что еще до появления каких-либо видимых раз­ рушений работа двигателя с детонацией ведет к повышенному износу основных деталей. В табл. 6 приведены результаты исследований влия­ ния детонации на износ цилиндров. Опыты проводились на шестици­ линдровом двигателе таким образом, что три цилиндра работали с детонацией, а три без детонации. Через 200 ч испытаний проводился второй этап, во время которого три цилиндра, ранее работавшие без детонации, переводились на детонационный режим и наоборот. Иссле­ дования показали, что при работе двигателя с детонацией, в тех слу­ чаях, когда не наблюдается аварийных разрушений, происходит сни­ жение его долговечности в 1,5—3,0 раза. Распределение износов по высоте цилиндра видно из данных, при­ веденных на рис. 20. Основные положения перекисной теории детонации позволяют объ­ яснить влияние различных факторов на возникновение детонационно­ го сгорания в двигателе и помогают наметить пути борьбы с этим яв­ лением. 43 Т абл и ц а О Влияние детонации на износ цилиндров Средний износ. мКм Способ работы цилиндров Цилиндры, 1 этап 11 » Цилиндры, I этап 11 » Цилиндры, I этап II » Цилиндры, I этап 11 » максимальный в верхнем поясе по всем поясам 11,0 13,3 5,0 5,3 2,7 2,5 19,4 21,1 9,7 10,9 4,6 4,8 4,6 4,1 2,4 1,1 1,3 8,1 5,5 4,1 2,0 3,1 2,9 работавшие с детонацией 100 ч: работавшие с детонацией 200 ч: работавшие без детонации 100 ч: работавшие без детонации 200 ч: 1 ,8 Согласно перекисной теории детонации повышение темпарутры и давления в цилиндрах двигателя должно способствовать ускорению образования перекисных соединений и быстрейшему достижению кри­ тических концентраций, приводящих к детонации. Увеличение продол­ жительности пребывания последних порций топлива в камере сгорания также должно приводить к образованию критических концентраций перекисных соединений и возникновению детонации. Эти положения хорошо объясняют влияние на возникновение дето­ национного сгорания таких показателей, как степень сжатия двига­ теля, форма камеры сгорания, диаметр цилиндра, материал поршней & и головки цилиндров, наличие от­ ложений нагара, угол опережения 4зажигания, частота вращения ко­ '2 1 ленчатого вала, температура и влажность окружающего воздуха, состав смеси, температура охлаж­ § дающей жидкости и т. д. >5) Детонация в двигателе с цилин­ дром увеличенного диаметра при всех прочих равных условиях воз­ никает быстрее, поскольку в таком двигателе ухудшаются условия от­ вода тепла. Форма камеры сгорания долж­ <2 10 на быть такой, чтобы в ней не бы­ Износ цилиндра, п к м ло мест, значительно удаленных от Рис. 20. Радиальный износ цилинд­ источников зажигания. ра двигателя: Алюминиевые поршни и голов­ 1 — при работе с детонацией; 2 — при ра­ ка цилиндров лучше отводят тепло, боте без детонации 44 чем чугунные, поэтому в двигателях с алюминиевыми поршнями и го­ ловкой цилиндров детонация возникает труднее. Отложения нагара в камере сгорания затрудняют отвод тепла и тем самым способствуют возникновению детонации. При увеличении частоты вращения коленчатого вала сокращается время пребывания топлива в камере до сгорания за счет повышения скорости распространения фронта пламени,- что приводит к сниже­ нию конечных концентраций перекисных соединений и затрудняет возникновение детонации. Детонация в двигателе ослабевает или совсем исчезает при умень­ шении угла опрежения зажигания вследствие того, что при этом сни­ жается температура и давление газов в цилиндре двигателя и остается меньше времени на образование перекисных соединений. Наиболее эффективное средство предотварщения детонации в дви­ гателе — это применение топлива, имеющего достаточную химиче­ скую стойкость в условиях камеры сгорания, т. е. обладающего необ­ ходимыми антидетонационными свойствами. Н еуправляемое воспламенение Совершенствование автомобильных карбюраторных двигателей идет по пути увеличения литровой мощности и снижения их удельного веса. Это достигается за счет повышения степени сжатия, увеличения напол­ нения цилиндров рабочей смесью и повышения частоты вращения коленчатого вала. Возрастание количества тепла, выделяющегося в камере сгорания двигателя в единицу времени, и применение бо­ лее компактных камер с верхним расположением клапанов приводит к значительному повышению общей тепловой напряженности деталей, а в ряде случаев к появлению местных перегревов выпускных кла­ панов, свечей зажигания, кромок прокладок и поверхностей камеры сгорания. С другой стороны, с возрастанием степени сжатия и повышением тепловой напряженности двигателей рабочая смесь в конце такта сжа­ тия становится все более подготовленной к воспламенению. Появление «горячих точек» в камере сгорания вызывает самопро­ извольное воспламенение рабочей смеси вне зависимости от времени подачи искры свечей зажигания. Это явление, вызывающее наруше­ ние нормального процесса сгорания, получило название поверхност­ ного воспламенения или калильного зажигания. Поверхностное воспламенение по своему характеру принципиаль­ но отличается от детонационного сгорания, хотя эти явления в усло­ виях работы автомобильного двигателя тесно переплетаются. Однако процесс сгорания смеси после калильного зажигания протекает с нор­ мальными скоростями и может не сопровождаться детонацией. Воспламенение рабочей смеси от «горячей точки» до появления искры зажигания воздействует на процесс сгорания так же, как уста­ новка более раннего угла опережения зажигания, т. е. способствует возникновению детонации. С другой стороны, детонационное сгорание вызывает значительное повышение температурного режима двигателя, 45 способствует появлению «горячих точек» в камере сгорания и возник­ новению калильного зажигания. Таким образом, калильное зажигание и детонация тесно связаны между собой и часто оба явления имеют место в двигателе в одно и то же время, но протекание этих процессов и меры борьбы с ними существенно различаются. Преждевременное воспламение рабочей смеси сопровождается паде­ нием мощности двигателя вследствие увеличения затраты работы на сжатие продуктов сгорания. Однако главная опасность преждевремен­ ного воспламенения связана с увеличением теплоотдачи в стенки вследствие возрастания времени нахождения в цилиндрах сгоревших газов с высокой температурой. Возникновение очагов воспламенения после того, как началось распространение пламени от искры, ведет к увеличению скорости на­ растания давления. На индикаторных диаграммах появляются острые пики (рис. 21), резко возрастают максимальные давления в камере сгорания. Такое нарушение процесса сгорания получило название «рамбл», что означает грохот. Оно возникает обычно при переходе двигателя к режимам полного открытия дросселя после длительной работы на малых нагрузках. Таким образом, калильное зажигание нарушает нормальное проте­ кание процесса сгорания, делает его неуправляемым, приводит к сни­ жению мощности и ухудшению топливной экономичности двигателя. Интенсивное калильное зажигание вызывает прогорание и механиче­ ское разрушение поршней, залегание поршневых колец, обгорание кро­ мок поршней и клапанов, вызывает разрушение подшипников, полом­ ку шатунов и обрыв коленчатых ва­ лов. За рубежом расценивают проб­ лему борьбы с преждевременным воспламенением в двигателях с вы­ сокой степенью сжатия как проб­ лему более важную, чем проблему борьбы с детонацией. Целесообразно разделить все виды калильного зажигания по природе источника зажигания на два типа — на калильное зажига­ ние нейтральными нагретыми те­ лами (металлическими поверхно­ стями) и калильное зажигание ак­ тивными поверхностями (нага­ рами). Калильное зажигание от метал­ лических поверхностей в значи­ тельной мере определяется разме­ ром, формой и каталитическими Рис. 21. Совмещенные индикаторные свойствами поджигающей поверхдиаграммы двигателя с искровым ности, конструктивными особеннозажиганнем: Стями камер сгорания и режимов / - п р и нормальном сгорании; 2 - при наличии последующего самовоспламенения 46 п „ л п т ы т и г я т Р пя . p aU U lb l д в ш сНСЛН* Повышение детонационной стойкости топлив сопровождается повы­ шением их стойкости к калильному зажиганию от нагретых металличе­ ских поверхностей. Для смесей изооктана с гептаном имеется прямоли­ нейная зависимость между этими показателями, но для других углево­ дородов и топлив строго закономерной связи не найдено, хотя и на­ блюдается общая тенденция повышения калильной стойкости с увеличе­ нием октановых чисел. Наличие антидетонационных присадок в бензине влияет на калиль­ ную стойкость лишь постольку, поскольку оно вызывает увеличение октанового числа. За последние годы достигнуты большие успехи в борьбе с калиль­ ным зажиганием от металлических поверхностей путем конструктивного улучшения камер сгорания, использования «холодных» свечей, клапа­ нов с натриевым охлаждением и т. д. Схема возникновения калильного зажигания от нагара представ­ ляется следующим образом. Наиболее интенсивное нагарообразование наблюдается на режиме малых нагрузок. При переходе на полные нагрузки температура частиц нагара, отложившихся на деталях камеры сгорания, а также отслоив­ шихся и находящихся в надпоршневом пространстве, начинает повы­ шаться вследствие увеличения теплонапряженности цикла. При этом температура частиц нагара непрерывно изменяется в результате тепло­ обмена с окружающими газами. В циклах сгорания и выпуска нагар разогревается горячими газами и температура его повышается. При впуске частицы нагара охлаждаются свежей смесью. Но нагары не яв­ ляются простыми «аккумуляторами» тепла. Установлено, что нагар при определенных температурах способен химически взаимодействовать с кислородом воздуха, выделяя при этом тепло. Иными словами, при некоторых температурах нагар может саморазогреваться, вследст­ вие чего температура его достигает таких значений, которые пре­ вышают температуру окружающей среды. Эта особенность нагара су­ щественно отличает его, как источник воспламенения, от «инертной» металлической поверхности. В отличие от последней нагар называют иногда «активной» поверхностью и его способность воспламенять горю­ чую смесь связывают с «химической активностью» нагара. В США для оценки склонности топлив к калильному зажиганию приняты так называемые смеси ТИБ — изооктана с бензолом, содержа­ щие 0,8 мл ТЭС на литр топлива (октановое число 115). В этих смесях изооктан принят за эталон, имеющий 100 условных единиц, а бензол за эталон, имеющий 0 единиц. За число ТИБ принимают состав такой смеси, применение которой устраняет слышимое калильное зажигание при данных условиях испытаний. Калильная активность нагара зависит от содержания в сжигаемых бензинах ароматических углеводородов. При этом установлено, что общее содержание ароматических углеводородов не всегда однозначно определяет калильную активность нагара. Решающее влияние оказыва­ ет строение ароматических углеводородов и их молекулярный вес. Высокомолекулярные ароматические углеводороды образуют более^ ^ активный нагар. 47 Наличие тетраэтилсвинца в топливе влияет на состав и свойства образующегося нагара. Наиболее высокую температуру воспламенения имеет нагар, состоящий из чистого углерода (550—600° С). Небольшое добавление в углеродистый нагар окислов или галоидных соединений свинца (нагар этилированных топлив) приводит к резкому снижению температуры воспламенения до 200—300° С, что весьма существенно для условий камер сгорания. Опытами установлено, что нагары, имеющие более низкую темпе­ ратуру воспламенения, вызывают более интенсивное калильное зажи­ гание. Отмечено, что наличие свинца приводит к повышению темпе­ ратуры и скорости горения нагара. Одновременно свинец способствует более полному и быстрому сгоранию углерода. Составом нагара опре­ деляется не только температура его воспламенения, но и скорость его реагирования с кислородом, т. е. скорость саморазогрева. Основное направление борьбы с калильным зажиганием — измене­ ние свойств образующегося нагара с целью уменьшения его калильной активности. Изменение состава и свойств нагара может быть достигну­ то за счет введения присадок в топлива и масла. В качестве противокалильных присадок были исследованы различные фосфорные соеди­ нения (фосфаты, фосфиты, фосфонаты), соединения бора, брома, хлора, кремния, хрома, кобальта, бария, цинка, кальция и др. Наиболее эффективным оказалось введение фосфорсодержащих соединений в топливо. Действие фосфорных присадок связывают с их способностью ре­ агировать с продуктами сгорания тетраэтилсвинца с образованием фос­ фатов свинца. Нагары, содержащие вместо окислов свинца фосфаты свинца, имеют более высокую температуру воспламенения (затлевания). В СССР фосфорные присадки пока не нашли применения, хотя изу­ чение их эффективности и особенностей применения проводится. Сле­ дует ожидать, что увеличение степени сжатия в перспективных отечест­ венных автомобильных двигателях и использование в качестве бензинов высокоароматизированных продуктов каталитического риформинга приведут уже в ближайшее время к необходимости разработки эффек­ тивных мер борьбы с калильным зажиганием.§ § 4. АНТ ИДЕТОНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА Методы оценки Для оценки антидетон анионных свойств автомобильных бензинов предложены различные методы, базирующиеся на испытании топлива на безмоторных установках (бомбы, машины адиабатического сжатия и др.), одноцилиндровых лабораторных и полноразмерных многоцилин­ дровых двигателях в стендовых и дорожных условиях. Для оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов в ла­ бораторных условиях наибольшее распространение получили установ­ ки с одноцилиндровыми двигателями с переменной степенью сжатия. В СССР разработана и всесторонне испытана универсальная установка, предназначенная для определения октановых чисел — УИТ-65. Уста43 новка оборудована автоматическими электронными устройствами для поддержания постоянства режима. Октановое число автомобиль­ ных бензинов на установках УИТ-65 определяют двумя методами— моторным (ГОСТ 511—66) и исследовательским (ГОСТ 8226—66). Склонность исследуемого бензина к детонации оценивается сравне­ нием его с эталонными топливами, детонационная стойкость которых заранее известна. В качестве эталонных топлив используются, как пра­ вило, чистые индивидуальные углеводороды. При определении окта­ нового числа эталонное топливо готовят смешением двух индивиду- ■ альных углеводородов. Один из них — изооктан (2, 2, 4-триметилпен-/ тан) детонирует только при высокой степени сжатия, а его детонацион­ ная стойкость принята равной 100 октановым единицам. Другой угле­ водород — нормальный гептан обладает плохими антидетонационными свойствами, и его октановое число принято за нуль. Смеси изо­ октана и гептана в различных соотношениях обладают разной детонаци­ онной стойкостью, которая характеризуется октановыми числами от' нуля до 100. : Октановое число бензина определяют следующим образом. При ра­ боте на испытуемом бензине изменением степени сжатия двигателя добиваются появления детонации определенной интенсивности. Затем подбирают такую эталонную смесь углеводородов, которая при этой же степени сжатия детонирует с такой же интенсивностью, как и испытуемый бензин. Процентное содержание изооктана в такой смеси численно принимается за октановое число испытуемого бензина. Октановые числа автомобильных бензинов выше 100 единиц опре­ деляются сравнением бензина с изооктаном, в который добавлена антидетонационная присадка — тетраэтилсвинец. Моторный и исследовательский методы определения октанового числа различаются режимом проведения испытаний. Моторным метод Частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин . . Температура, °С: в системе охлаждения . . подогрева воздуха . . . » смеси . . . . Исследователь­ ский метод 900± 10 600 ±6 100±2 40—50 149 ± 1 100 ± 2 » масла в картере . 50—75 Опережение зажигания, градусов переменное, поворота коленчатого вала до в. м.т. 20° при степени сжатия 5 и 19° при степени сжатия 7 52 ± 1 смесь не подо­ гревается 50-75 постоянное, 13° Испытания бензина по исследовательскому методу проводятся при менее напряженном режиме работы двигателя, чем по моторному ме­ тоду. Поэтому октановое число бензина, определенное по исследова­ тельскому методу, обычно несколько выше, чем октановое число, опре­ деленное по моторному методу. Разницу в октановых числах бензина, 49 найденных этими двумя методами, называют «чувствительностью» бен­ зина. Чувствительность бензина зависит от его химического состава (см. ниже). Сопоставление октановых чисел с поведением бензинов в дорож­ ных условиях показало, что исследовательский метод в какой-то мере характеризует антидетонационные свойства бензинов при работе дви­ гателя в условиях городской езды при сравнительно низкой тепловой напряженности. При повышении теплового режима двигателя (длительная загородная езда, езда по плохим дорогам, перевозка тяже­ лых грузов, преодоление перевалов и т. д.) фактическая детонационная стойкость бензина больше соответствует октановым числам, определен­ ным по моторному методу. Соответствие октановых чисел бензинов, определенных тем или иным лабораторным методом, их фактической детонационной стойкости в дорожных условиях зависит не только от конструктивных особен­ ностей самого двигателя (его «жесткости»— см. ниже), но и от типа трансмиссии, использованной в данном автомобиле. В автомобиле с ручным переключением передач возможна работа двигателя на пол­ ностью открытом дросселе при сравнительно малой частоте вращения коленчатого вала. Максимальная детонация в этом случае обычно наблюдается при малой частоте вращения и исследовательский метод сценки октановых чисел точнее отражает дорожную детонационную ха­ рактеристику топлива. При автоматической передаче двигатель не может работать при малой частоте вращения коленчатого вала с полностью открытым дрос­ селем. Поэтому детонация возникает в области большой частоты враще­ ния и дорожные характеристики бензинов точнее оцениваются мотор­ ным методом определения октановых чисел. Наиболее полная методика детонационных испытаний полнораз­ мерных автомобильных двигателей и бензинов была разработана и стандартизирована в Советском Союзе в 1963 г. Метод (ГОСТ 10373—63) предназначен для определения фактиче­ ских октановых чисел автомобильных бензинов и требований двигате­ лей к детонационной стойкости применяемых бензинов. Он нашел применение при доводочных работах, связанных с созданием новых или модернизацией существующих двигателей, при определении их требований, при оценке фактических антидетонационных качеств товарных и новых сортов автомобильных бензинов и их компонентов, а также в исследовательских работах по изучению рабочих процессов двигателей и детонационной стойкости топлив. Метод предусматривает проведение детонационных испытаний дви­ гателей (на моторном тормозном стенде со стандартным оборудо­ ванием) или автомобиля (на стенде с беговыми барабанами или на дороге с динамометрическим устройством). Метод стандартных испытаний позволяет получить детонационную характеристику двигателя на всем диапазоне его рабочих оборотов, и соответственно детонационные характеристики испытуемых бензинов, показывающие их фактические антидетонационные свойства на данном двигателе. 50 Рис. 22. Вставки во впускной трубопровод для определения октановых чисел по методу DON Развитие и конструктивное совершенствование автомобильных дви­ гателей и выяснение некоторых особенностей использования высоко­ октановых бензинов заставляют искать пути усовершенствования и уточнения методов детонационных испытаний. Предложено несколько вариантов впускных систем, имитирующих разделение отдельных фракций бензина (фракционирование) во впуск­ ном трубопроводе. В частности, для стандартной одноцилиндровой установки предложен впускной трубопровод, в котором по потоку сме­ си из карбюратора в цилиндр расположена металлическая вставка (рис. 22). Этот участок трубопровода окружен охлаждающей рубаш­ кой так, что часть смеси конденсируется, конденсат отводят и коли­ чество его замеряют. Полученное таким методом октановое число легкоиспаряющейся части бензина названо «октановым числом распреде­ ления» (см. ниже). Требования автомобильных двигателй к детонационной стойкости бензинов Требования автомобильного двигателя к детонационной стойкости применяемых бензинов определяются комплексом их конструктивных особенностей, среди которых наибольшее значение имеют степень сжа­ тия и диаметр цилиндра. Между этими тремя показателями установлена следующая эмпирическая зависимость: ОЧт = 125,4 — — + 0,183D, е 51 где Ol !T — требования двигателя к детонационной стойкости приме­ няемых бензинов; е — степень сжатия; D — диаметр цилиндра, мм. С увеличением степени сжатия и диаметра цилиндра требования дви­ гателя к детонационной стойкости применяемых бензинов возрастают. Развитие автомобильного двигателестроения идет по пути непрерыв­ ного увеличения степени сжатия. Эта тенденция является главной в со­ вершенствовании конструкции автомобильных карбюраторных двига­ телей, так как позволяет улучшать их технико-экономические и экс­ плуатационные показатели (табл. 7).* Таблица 7 Изменение основных характеристик автомобильных двигателей «Москвич» Марка двигателя «Москвич-400» «Москвич-402» «Москвич-407» «Москвич-408» «Москвич-412» Степень сжат ия 8 6,0 6,7 7,0 7,5 8,2 Удельные мощностные показатели <0 5,72 6,55 7,71 8,57 9,18 р ** Октановое число реко­ мендуемого бензина етах 5,95 7,45 8,50 9,32 9,69 66 72 72 76 85*** * Литр-оборотная мощность, л. с./л при 1000 об/мим. ** Наибольшее среднее эффективное давление, кгс/см2. *** Бензин АИ-93. Из табл. 7 видно, что повышение степени сжатия сопровождалось улучшением мощностных показателей и увеличением требований к де­ тонационной стойкости применяемых бензинов. Увеличение степени сжатия автомобильного двигателя одно­ временно улучшает два основных показателя (рис. 23) — увеличивает литровую мощность и снижает расход бензина. Задача обеспечения полного соответствия между требованиями дви­ гателей и фактической детонационной стойкостью применяемых бензи­ нов приобретает особенно большое значение при использовании высо­ кооктановых бензинов в связи с тем, что стоимость каждой октановой единицы резко возрастает с повышением общего уровня детонационной стойкости бензинов. В нашей .стране требования автомобильных двигателей к детонаци­ онной стойкости бензинов определяют по ГОСТ 10373—63, т. е. по тому же стандарту, по которому определяют фактические октановые числа бензинов. Результаты определения требований отечественных автомобильных двигателей к детонационной стойкости бензинов приведены в табл. 8. Приведенные данные убедитель­ но свидетельствуют о том, что по­ требность в высокооктановом бен­ зине возникает лишь на ограничен­ ном диапазоне режимов работы двигателя. На остальных режимах вполне возможно использование низкооктановых и потому более де­ шевых топлив. В этой связи сделан ряд попыток раздельного питания двигателя на режимах полных и частичных нагрузок путем приме­ нения двойной системы питания или впрыска антидетонационных или охлаждающих жидкостей на режиме полных нагрузок. Эти ме­ тоды не получили широкого прак­ тического применения ввиду зна­ чительного усложнения систем пи­ Рис. 23. Влияние степени сжатия па тания и снижения их надежности. расход топлива и литровую мощ­ Стремление к более полному ность двигателя: использованию детонационной стой­ J —литровая мощность, л. с./л; 2 — расход топлива, л/100 км кости топлива и улучшению топлив­ ной экономичности двигателей на частичных нагрузках привело к созданию ряда конструкций двигате­ лей с переменной степенью сжатия. Предлагаемые конструкции пред­ усматривают увеличение степени сжатия двигателя при работе на час­ тичных нагрузках, когда это не лимитируется детонацией. К сожа­ лению, конструктивные усложнения, вводимые в двигателях с перемен­ ной степенью сжатия, пока что столь велики, что они не компенсируют­ ся получаемыми преимуществами. При рассмотрении результатов оценки антидетонационных требова­ ний двигателей (см. табл. 8) можно заметить, что октановые числа ре­ комендуемых и фактически применяемых на этих двигателях бензинов значительно ниже тех, которые требуются на некоторых режимах. Это объясняется следующими обстоятельствами. Наиболее высокие антидетонационные качества бензина требуются двигателю при работе на некоторых режимах со 100-процентной отдачей мощности. Замечено, что если на этих режимах несколько уменьшить угол опережения за­ жигания по сравнению с оптимальным, то антидетонационные требова­ ния двигателя снижаются довольно резко при относительно небольшом уменьшении мощностных показателей. В результате испытаний уста­ новлено, что установка позднего опережения зажигания, вызывающе­ го падение мощности более чем на 5%, приводит к перегреву выпуск­ ной системы и снижению устойчивости работы двигателя. Поэтому ве­ личина 5% падения мощности может быть принята в качестве оценоч­ ной для определения допустимого снижения антидетонационных тре­ бований двигателей. Полученные таким образом значения октано­ вых чисел бензинов, необходимые для работы двигателя, с паде53 Т а б л и ц а 8 Требования отечественных автомобильных двигателей к детонационной стойкости бензинов I Указатели ЗАЗ-966 «Москвич • 408» ГАЗ-21 3M3-53 ЗИ Л-130 ЗИЛ-375 угол Оптимальный опережения зажигання °ПКВ и требуемые октановые числа бензина при частоте вращения коленчатого вала, об/мин*: 30 83,0 34 82,0 30 82,0 33 79,0 30 80,0 34 86,0 32 82,0 1500 24 87,0 26 85,0 35 .80,0 36 82,5 34 79Щ 2000 29 82,5 38 81,0 35 75,5 38 75,0 38 78,5 36 76,0 2500 32 80,0 41 80,0 37 71,0 41 73,0 39 73,5 38 72Щ 3000 37 77,0 44 79,0 41 65,0 46 69Д) 41 68,5 39 6875 3500 42 74,0 47 757В 45 59,0 — — — 4000 44 70Т5 48 71,0 51 52,0 1000 * В числителе указан оптимальный угол опережения зажигания, а в знаме­ нателе—требуемое октановое число бензина. нием мощности до 5% могут быть условно названы минимально допу­ стимыми. Д. М. Ароновым проведено определение минимально допустимых октановых чисел для ряда отечественных двигателей (табл. 9) и най­ дена зависимость допустимого снижения октановых чисел (АОЧ) от уровня исходных требований (ОЧт): АОЧ = 46,6 — 0,415 (ОЧт). Эта зависимость свидетельствует о том, что допустимое снижение октановых чисел за счет установки более позднего опережения за­ жигания уменьшается при увеличении исходных требований. Иными словами, с повышением общего уровня антидетонационных требований (см. табл. 9) снижаются допустимые отклонения в октановых числах применяемых топлив. 54 Т абли ца 9 Снижение антидетонационных требований некоторых двигателей при ухудшении их показателей на 5% Оптимальные требования Двигатели оч„,т ГАЗ-20, ГАЗ-51, ЗИЛ-164 ГАЗ-21, «Москвич-407» ЗАЗ-966. ЗИЛ-130 Допустимое снижение требований А ОЧ 70—78 82—84 86—87 15 12 10 Минимально допу стимые октановые числа бензи­ нов1 55—63 70—72 76-77 1 Автоматы опережения зажигания устанавливаются на заводе таким образом, чтобы обеспечить использование бензинов с минимально допустимыми октановыми числами. Детонационная стойкость бензинов Антидетонационные свойства автомобильных бензинов и их ком­ понентов полностью обусловливаются количеством и строением состав­ ляющих углеводородов. Неуглеводородные примеси, содержащиеся в топливах, практически не влияют на их детонационную стойкость. Современные товарные автомобильные бензины готовятся смеше­ нием компонентов, полученных путем прямой перегонки, термическо­ го крекинга и риформинга, каталитического крекинга и риформинга, коксования, гидрокрекинга, алкилирования, полимеризации, изоме­ ризации и других процессов переработки нефти и нефтяных фракций. Одним из решающих показателей, определяющих соотношение компо­ нентов в товарных бензинах, является их детонационная стойкость. Бензины прямой перегонки нефти содержат много парафиновых уг­ леводородов слабо разветвленного строения с низкой детонационной стойкостью. Октановые числа таких бензинов невелики (табл. 10). Та б л иц а 10 Антидетонационные свойства бензинов прямой перегонки различных нефтей Нефти, из которых получен бензин Туймазинская (Башкирская АССР) Катанглийская (о. Сахалин) Мухановская (Куйбышевская обл.) Урицкая (Саратовская обл.) Ромашкинская (Татарская АССР) То же » » » Пределы вы­ Октановое кипания бен­ число по ис­ зина (начало следователь­ кипения), °С скому методу Октановое число по моторному методу Чувст­ витель­ ность 200 43,0 41,0 + 2 ,0 200 200 70,5 33,0 68,5 32,8 + 2 ,0 + 0,2 200 200 63,8 41,6 62,0 41,0 + 1,8 + 0,6 180 120 85 62 46,0 57,5 67,0 76,0 46,0 58,0 68,0 75,0 0,0 —0,5 —1,0 + 1,0 Бензины прямой перегонки сернистых нефтей с концом кипения 180—200° С содержат 60—80% парафиновых углеводородов и имеют октановые числа в пределах 40—50. Лишь из отдельных «отборных» нефтей можно получить бензины прямой перегонки с октановым чис­ лом около 70. Однако ресурсы таких нефтей весьма ограничены, а их раздельная переработка на заводах сопряжена со значительными труд­ ностями. Бензины прямой перегонки пока еще остаются основным компонен­ том при изготовлении бензинов типа А-66, используются в небольших количествах при составлении бензинов типа А-72, А-76 и даже АИ-93. В состав бензинов термического крекинга входит большое количест­ во непредельных углеводородов, детонационная стойкость которых выше, чем нормальных парафинов. Поэтому бензины термического крекинга обычно имеют более высокие октановые числа, чем бензины прямой перегонки из тех же нефтей (табл. 11). Таблица 11 Антидетонационные свойства бензинов, полученных термическими и каталитическими процессами Способ получения бензина и наименование сырья Термический крекинг мазута из смеси куйбышевских нефтей Каталитический крекинг легкого дис­ тиллятного сырья из смеси куйбышев­ ских нефтей Термический крекинг полугудрона Катали!ический крекинг тяжелого дис­ тиллятного сырья: из ромашкинской нефти » туймазинской » Термический риформинг лигроина Гплрокрекинг Каталитический риформинг (платфор­ минг обычного режима) Каталитический риформинг (платфор­ минг жесткого режима) Октаногое число по исследова­ тельскому методу Октановое число по моторному методу Чувствитель­ ность 71,2 64,2 7,0 82,6 74,9 7,7 75,6 68,5 7,1 83,8 87,0 76,0 75,0 83,6 76,2 77,8 71,0 71,0 77,0 7,6 9,2 5,0 4,0 6,7 96,6 86,0 10,6 Октановые числа бензинов термического крекинга находятся в пре­ делах 64—70 в зависимости от качества сырья и температурного ре­ жима крекинга. Бензины термического крекинга являются основным компонентом при изготовлении бензинов типа А-66 и могут добавляться в неболь­ ших количествах в бензины типа А-72 и А-76. В более высокооктано­ вые бензины компоненты, полученные термическим крекингом, добав­ лять нецелесообразно ввиду их относительно низкой детонационной стойкости. Бензины термического риформинга имеют более высокие октано­ вые числа, чем бензины термического крекинга (см. табл. 11). Однако 56 вследствие небольшого повышения октанового числа бензинов и ухуд­ шения ряда других эксплуатационных свойств процесс термическо­ го риформирования получил ограниченное применение и использо­ вался на заводах нашей страны как временная мера для повышения детонационной стойкости товарных автомобильных бензинов. Бензины, полученные путем каталитического крекинга, имеют бо­ лее высокую детонационную стойкость по сравнению с бензинами, полученными термическими процессами. Увеличение детонационной стойкости в этом случае происходит главным образом за счет увеличе­ ния содержания в бензинах ароматических и парафиновых углеводоро­ дов изостроения. Процесс каталитического риформинга предназначен для повышения детонационной стойкости бензинов прямой перегонки. Наиболее ши­ рокое применение получил риформинг в присутствии платинового ка­ тализатора — платформинг. Платформинг может осуществляться при двух режимах: мягком (обычном) и жестком. При жестком режиме уменьшается выход бензина, увеличивается газообразование, но бен­ зин получается более высокооктановый с содержанием ароматиче­ ских углеводородов до 70% (см. табл. 11). В качестве компонентов автомобильных бензинов может использо­ ваться не только целиком дистиллят каталитического риформинга, но и его отдельные фракции, остающиеся после извлечения индивидуаль­ ных ароматических углеводородов. Помимо перечисленных выше «базовых» бензинов для приготов­ ления товарных автомобильных топлив используют ряд других, как правило, высокооктановых компонентов (табл. 12). Т а б л и ц а 12 Антидетонационные свойства высокооктановых компонентов автомобильных бензинов Октаншюе число по исследова­ тельскому методу Октановое число по моторному методу 94,0 Бутановая фракция 101,0 Изобутановая фракция 93,0 Изопентановая » 90,0 Пентаамиленовая » 89,0 Газовый бензин (33—103 °С) 100,0 Диизобутилен (изооктилен) 100,0 Полимсрбензин 92,0 Алкилат Алкилбензин (широкая фракция алкила­ 90,0—94,0 та) 115,0 Толуол 102,0 Пиробензол 107,0 Алкилбензол 100,0 Нзооктан технический Продукты изомеризации фракции С5—С6 81,0—87,0 (изомеризат) 89,0 97,0 90,0 87,0 85,8 88,0 85,0 90,0 88,0—92,0 Компонент 103,0 88,0 100,0 100,0 79,0—85,0 Чувствитель­ ность 5,0 4,0 3,0 3,0 3,2 12,0 15,0 2,0 2,0—4,0 12,0 14,0 7,0 0,0 2,0—4,0 57 Одним из наиболее распространенных компонентов товарных бен­ зинов является смесь низкокипящих углеводородов с различными пре­ делами кипения. Широкую фракцию низкокипящих углеводородов называют газовым бензином, более узкие фракции с преобладанием то­ го или иного углеводорода именуют по названию преобладающего углеводорода. Все приведенные выше данные по октановым числам получены на одноцилиндровых установках и являются лишь ориентировочными при оценке детонационной стойкости товарных автомобильных бензинов. Фактические октановые числа бензинов (ФОЧ) определяют непосред­ ственно на двигателях (табл. 13) в стендовых или дорожных условиях (ГОСТ 10373—63). Т а б л и ц а 13 Фактическая детонационная стойкость автомобильных бензинов при испытаниях на различных двигателях Фактические октановые числа при часто ie вращения, коленчатого вала, об/мин 1000 1500 2000 Т о в а р н ы й б е н з и н А-72 (ОЧМ=72; 79 МеМЗ-966 80 «Москвич-407» 76 74 72 75 «Москвич-408» ГАЗ-21 75 74 3M3-53 74 73 Товарный МеМЗ-966ф «Москвич-407» «Москвич-408» ЗИЛ-130 ЗИЛ-375 ГАЗ-21 3M3-53 • б е н з и н А-76 (ОЧМ —76; 78 78 79 80 81 78 77 77 77 78 78 78 80 79 2500 3000 3500 ОЧИ =75) 77 76 73 73 69 68 73 73 72 73 75 72 70 72 71 73 69 70 71 70 ОЧИ = 80) 76 75 80 79 76 73 77 75 77 76 74 76 77 75 76 77 73 72 72 71 73 76 73 72 70 70 67 70 Фактическое октановое число товарного бензина А-72 (ОЧМ= 72; ОЧИ=75) оказалось равным о т80до 68, а в среднем составило 74,1. Для бензина А-76 (ОЧМ=76; ОЧИ=80) фактические октановые числа оказались в пределах от 86 до 71 единицы при среднем значении 78,9. Эти исследования показали, что у бензинов А-72 и А-76 значение фактических октановых чисел ближе к значениям октановых чисел, определенным по исследовательскому методу. Таким образом, в автомобильных двигателях чувствительность бен­ зина проявляется в том, что его фактическое октановое число отлича­ ется от лабораторного. При этом разница в значениях октановых чисел зависит как от чувствительности бензина, так и от специфических свойств данного двигателя и режима его работы. Замечено, что фактические октановые числа некоторых бензинов резко отличаются от октановых чисел, определенных лабораторными 58 методами на переходных режимах ра­ боты автомобильных двигателей. Это явление связывают с фракционирова­ нием бензина во впускном трубопро­ воде двигателя. Фракционирование бензина в дви­ гателе рассматривалось ранее, здесь остановимся лишь на сущности явле­ ния для того, чтобы уяснить возник­ шие проблемы. В начале разгона автомобиля дви­ гатель работает на малых оборотах и при полностью открытом дросселе, давление во впускном трубопроводе приближается к атмосферному. Ско­ рость проходящего воздуха довольно низкая, и бензин распыливается пло­ хо. Только часть подаваемого бензи­ онной стойкости r П на И м е е т ДОСТаТОЧНО ТОНКИЙ распыл И / — каталитического риформинга; 2— подхватывается ПОТОКОМ воздуха, на- каталитического крекинга; 3 - термиче•' ского крекинга; 4 — прямой перегонки правляясь в цилиндры двигателя. Более крупные капли оседают на стенках впускного трубопровода, образуя жидкую пленку. Низкокипящие углеводороды бензина частично успевают испариться во впускном трубопроводе, в результате чего смесь, попадающая в цилиндры двигателя, обогащается низкокипящими углеводородами, а жидкая пленка — высококипящими углеводородами. При открытии дросселя жидкая пленка по стенкам трубопровода движется со значительно меньшей скоростью, чем воздушный поток и в течение какого-то отрезка времени в цилиндры двигателя попадает смесь, обогощенная низкокипящими углеводородами. Явление фракционирования бензина во впускном трубопроводе известно давно, но оно до недавнего времени не вызывало существен­ ных осложнений. Дело в том что в бензинах прямой перегонки и термического кре­ кинга низкокипящие фракции имеют более высокую детонационную стойкость, чем высококипящие (рис. 24). В бензинах каталитического крекинга октановые числа фракций более близки между собой, однако и в этих бензинах головные фракции имеют более высокую детона­ ционную стойкость. В связи с этим пока товарные автомобильные бензины готовили на базе компонентов прямой перегонки и крекинга их фракционирование во впускном трубопроводе существенно не влияло на работу двигате­ ля на переходных режимах. В бензинах каталитического риформинга некоторые фракции име­ ют низкую детонационную стойкость, а основные высокооктано­ вые углеводороды концентрируются в высококипящих фракциях (табл. 14). Поэтому при работе двигателя на таком бензине на переход­ ных режимах может наблюдаться детонация вследствие того, что в цирнчим яу 59 Т а б л и ц а 14 Состав и детонационная стойкость узких фракций бензина каталитического риформинга жесткого режима Температурные пределы выкипа­ ния фракции, °С Начало кипения~62 62—80 80—90 90-100 100—120 120—130 130—140 140—150 150—160 160—170 170—180 180-240 Остаток и потери Выход фракции, Плотность % Л 17,7 12,0 3,5 6,2 14,1 3,3 15,0 3,0 6,2 5,5 3,5 3,5 6,5 0,6334 0,6885 0,7151 0,6375 0,8188 0,8297 0,8553 0,8598 0,8608 0,8689 0,8725 0,8987 — Октановые числа Содержание ароматических по исследо­ углеводоро­ по моторному вательскому n етоду дов, % веса методу 0 15 23 31 77 80 94 95 96 98 98 98 81,0 63,4 61,4 62,8 86,6 ' 89,3 101,8 100,0 98,4 101,2 100,0 92,5 82,4 65,5 62,5 63,8 97,6 103,1 106,9 104,4 106,0 107,7 106,0 106,0 линдры двигателя попадает смесь, обогащенная низкокипящими угле­ водородами с малой детонационной стойкостью. Для того чтобы учесть наличие явления фракционирования во впу­ скном трубопроводе и предсказать фактическую детонационную стой­ кость бензина в автомобильных двигателях, предложено два пути опре­ деления октановых чисел на одноцилиндровых установках. Первый путь заключается в оценке детонационной стойкости ка­ кой-либо части бензина, предварительно отогнанной в колбе. Второй путь предусматривает дооборудование обычной установки для опре­ деления октанового числа по исследовательскому методу вставкой во впускной трубопровод (см. рис. 22). Вставки могут различаться по конструкции, но назначение их одно — обеспечение конденсации и отвода наиболее высококипящих фракций бензина, т. е. проведение имитации фракционирования бензина непосредственно при опреде­ лении октановых чисел. Этот метод получил название метода распре­ деления, а октановые числа бензинов по этому методу — октановые числа распределения (ОЧ ИР). ' Антидетонационные присадки Наиболее эффективным и экономически выгодным способом повы­ шения детонационной стойкости автомобильных бензинов является добавление к ним антидетонационных присадок — антидетонаторов. Антидетонаторами называют такие вещества, которые при добав­ лении к бензину в относительно небольших количествах резко повы­ шают его детонационную стойкость. Исследования по устранению детонации в двигателях внутреннего сгорания при помощи присадок начались около 50 лет назад, и сразу 60 же была обнаружена высокая эффективность одного из металлоорга­ нических соединений — тетраэтилсвинца (ТЭС). Однако весьма существенный недостаток ТЭС—его токсичность — заставляла вести поиски новых антидетонаторов, менее токсичных. В качестве антидетонаторов испытано несколько тысяч самых раз­ нообразных соединений различных классов. Наиболее эффективные антидетонационные присадки найдены среди металлоорганических соединений свинца, олова, таллия, висмута, селена, теллура, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, хрома и ряда других металлов. Наиболее распространенной антидетонационной присадкой являет­ ся тетраэтилсвинец. ТЭС — бесцветная, прозрачная, сильно токсич­ ная жидкость тяжелее воды (р|° = 1,6524). Пары его в небольшой концентрации имеют сладковатый запах; в больших концентрациях запах его неприятен. Нерастоворим в воде, но хорошо растворим в бензине, спирте, ацетоне и некоторых других органических раство­ рителях. Кипит при 200° С с разложением. При высоких температурах в камере сгорания тетраэтилсвинец пол­ ностью разлагается. При разложении ТЭС образуются свинец и этильные радикалы: РЬ (С2Н5)4 РЬ + 4С2Н5. Образующийся свинец окисляется с образованием двуокиси свинца: РЬ + 0 2 РЬ02, которая вступает в реакцию с перекисями, разрушая их: R — СН2 — ООН + РЬ02 R — СОН + PbO -f Н20 + V20 2 При этом образуются малоактивные продукты окисления углево­ дородов и окись свинца. Наиболее полное объяснение антидетонационного действия приса­ док базируется на представлениях о детонации, как о многостадий­ ном воспламенении части рабочей смеси. Теория многостадийного дей­ ствия антидетонационных присадок отводит важную роль как метал­ лу, так и органическому радикалу, что согласуется с большим экспе­ риментальным материалом. Антидетонационная эффективность ТЭС зависит от состава углево­ дородной и неуглеводородной частей бензинов. Свойство углеводорода или бензина в той или иной мере повышать свою детонационную стой­ кость при добавлении антидетонаторов принято называть приемисто­ стью. Наибольшей приемистостью к ТЭС обладают парафиновые углево­ дороды, наименьшей — олефиновые и ароматические. Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение. При этом практи­ чески для всех углеводородов, за исключением ароматических, при­ емистость к ТЭС снижается по мере повышения октанового числа угле­ водородов. Содержанием тех или иных углеводородов в автомобильных бен­ зинах определяется их приемистость к ТЭС (табл. 15). 61 Таблица 15 Приемистость к ТЭС бензинов различного происхождения очи очм с ТЭС о ТЭС Бензины Прямой перегонки: ромашкинской нефти туймазинской » краснокаменскон нефти Термического крекинга: гудрона полугудрона мазута Каталитического крекинга дистиллятного сырья Каталитического риформинга: обычного режима жесткого » Гидрокрекинга Алкилбензин Полимербензин Изопентан Пентаамиленовая фракция тяжелого в чис­ том виде 0,41 г/кг 41,0 41,0 48,6 50,0 48,0 56,8 57,0 56,0 60,8 41,6 43,0 50,0 49,0 47,0 56,8 56,0 53,0 61,4 70,0 68,5 64,2 72,2 70,4 67,6 73,7 72,0 71,0 75,2 75,6 71,2 79,0 80,0 74,8 80,8 82,0 77,2 76,4 78,5 79,6 84,8 87,0 89,0 76,0 86,0 71,0 90,0 85,0 90,0 87,0 81,0 89,5 79,6 98,0 86,0 97,0 88,0 0,82 г/кг В ЧИС­ ТОМ виде 0,4 1 г/кг 0,82 г/кг 84,8 83,0 86,7 89,0 91,0 96,0 99,0 100,1 84,0 75,0 80,8 85,0 100,4 91,6 96,5 98,8 87,0 100,0 100,0 100,0 100,0 93,0 99,0 103,0 89,0 90,0 96,0 100,0 Бензины прямой перегонки обычно обладают большей приемисто­ стью к ТЭС, чем другие бензины. Тетраэтилсвинец в чистом виде в качестве антидетонационной при­ садки к бензинам использовать не удалось, так как продукты сго­ рания свинца отлагались и накапливались на стенках камер сгорания в виде нагара и двигатель через кероткое время переставал работать. Основной продукт сгорания ТЭС — окись свинца — имеет высокую температуру плавления (880° С), поэтому она отлагается на относитель­ но холодных деталях двигателя в виде твердого серого налета. Подсчитано, что если бы весь свинец оставался в двигателе, то ка­ меры сгорания полностью заполнились свинцом и его соединениями уже через 40 ч работы. В действительности не все соединения свинца остаются в двигателе, основная часть их вследствие больших скоростей выпуска газов из цилиндров захватывается их потоком и выносится из двигателя. Опыты показывают, что с отработавшими газами уно­ сится из камеры сгорания около 90% общего количества свинца, вве­ денного с бензином. Но и остающиеся 10% свинцовых соединений дают столь обильные отложения, что вызывают серьезные неполадки в работе двигателя. Тетраэтилсвинец добавляется к бензину в смеси с веществами, спо­ собными при сгорании образовывать со свинцом или его окислами такие соединения, которые имеют более высокое давление насыщен­ ных паров и более низкую, чем у РЬО, температуру плавления. Такие вещества получили название выносителей, а смесь ТЭС с выносителями — этиловой жидкости. 62 В качестве выносителей свинца применяют органические галоидные соединения, которые при высоких температурах разлагаются с обра­ зованием галоидоводородной кислоты и соответствующего непредель­ ного углеводорода. Для бромистого этила разложение идет по схеме^ С2Н5Вг -► С2Н4 + НВг. Образовавшийся галоидоводород взаимодействует с продуктами распада и окисления свинца с образованием галоидных соединений свинца: РЬО + 2НВг РЬВг2 + Н 20, Pb + 2H B r-v РЬВг2 + Н 2. Галоидные соединения свинца, имея низкую температуру плавле­ ния, не конденсируются на деталях двигателя и в парообразном сос­ тоянии вместе с отработавшими газами выносятся из двигателя. Соотношение ТЭС и выносителя в этиловых жидкостях выбирается таким образом, чтобы не только связать весь свинец (стехиометриче­ ское соотношение), но и создать некоторый (10—15%) запас выноснтеля (табл. 16). Таблица 16 Состав этиловых жидкостей, % веса Компоненты Тетраэтилсвинец Бромистый этил Дибромэтан Дихлорэтан Монохлор нафталин Красящее вещество и наполнитель Жидкость Жидкость Жидкое ть Жидкость автомо­ Жидкость Жидкость 0-62 автомо­ бильная (США, тип I Р-9 Q бильная фирмы Италия (СССР) «Октель» (СССР) (Англия) (ФРГ) и др.) (Англия) 54,0 33,0 — — 6,8 До 100,0 57,0 26,8 — 13,9 — До 100,0 63,3 59,79 — — 25,75 8,72 — До 100,0 20,84 18,3 — До 100,0 54,5 — 36,4 — 9,0 До 100,0 61,48 — 17,86 18,81 До 100,0 Наибольшее распространение получили выносители, содержащие бром, так как эффективность их оказалась более высокой, чем сое­ динений, содержащих хлор. За рубежом используют смешанные хлористо-бромистые выноси­ тели. В СССР до 1969 г. применяли только бромистые выносители. Однако с 1969 г. в связи с нехваткой брома в автомобильных этиловых жидкостях произведена частичная замена бромистого выносителя на хлористый (см. табл. 16). Применение этилированных бензинов сопряжено с некоторыми особенностями, которые необходимо учитывать при эксплуатации двигателей. 1» Даже в присутствии выносителя полного выноса продуктов сго­ рания ТЭС из двигателя не происходит, поэтому при работе на этили63 Таблица 17 Влияние ТЭС на нагарообразование в двигателе Нагарообразование в двигателе при работе па Концентрация ТЭС в бензине, г/кг 0,00 0,41 0,82 1,64 бензине ЛЪ 2 бензине № 1 мг/ч % мг/ч % 25 30 39 67 100 120 156 267 22 25 35 65 100 114 159 295 рованном бензине отмечается повышенное нагарообразование. С по­ вышением концентрации ТЭС в бензине количество образующегося нагара увеличивается (табл. 17). Наиболее интенсивно свинцовые отложения образуются в первые часы работы двигателя. При дальнейшей эксплуатации двигателя на этилированном бензине свинцовые отложения образуются в меньшей степени, но все же общее количество отложившегося свинца с течением времени непрерывно возрастает. Увеличение нагарообразования при использовании этилированных бензинов ведет к повышению требова­ ний двигателя к детонационной стойкости применяемых топлив. 2. Отложение соединений свинца в камере сгорания снижает темпе­ ратуру затлевания нагара, что сопровождается появлением калильного зажигания. Поэтому при работе двигателя на этилированном бен­ зине калильное зажигание наблюдается чаще. 3. Надежность работы свечей зажигания зависит от состава нагара, отлагающегося на электродах, изоляторах и т. д. Электрическое со­ противление нагара, содержащего соединения свинца, падает при вы­ соких температурах. Снижение электрического сопротивления нагара ведет к перебоям в работе свечей вследствие замыкания электродов. Поэтому срок службы свечей зажигания при работе на этилированном бензине меньше, чем при работе на неэтилированном бензине. Следует отметить также, что свинцовистые отложения обладают повышенной гигроскопичностью. Вследствие этого при накоплении Елаги в свинцовистом иагаре в камерах сгорания двигателя после дли­ тельной стоянки автомобиля возможны перебои в работе свечей за­ жигания при пуске двигателя. 4. При использовании этилированных автомобильных бензинов возможно образование свинцовистых отложений на опорных поверх­ ностях клапана и гнезда. Такие отложения нарушают нормальную по­ садку клапана, что приводит к прорыву горящих газов в выпускную систему двигателя. В местах прорыва газов температура клапана рез­ ко возрастает, при этом конусная фаска клапана может обгореть. Начавшееся прогорание клапана продолжается вплоть до полного от­ каза клапана в работе. С отмеченными выше явлениями борются главным образом под­ бором соответствующих жаростойких сплавов и улучшением конструк­ ции системы выпуска. 64 5. При испарении этилированного бензина в карбюраторе двигателя количество ТЭС, попадающее в каждый цилиндр, оказывается неоди­ наковым. Кроме неравномерного распределения ТЭС, наблюдается не­ равномерное распределение и выносителя. Так, наиболее распростра­ ненный выноситель бромистый этил (жидкость Р-9) кипит при темпера­ туре 34,4°С. Этот выноситель испаряется вместе с легкокипящими фракциями, тогда как ТЭС остается с высококипящими фракциями в жидкой пленке. Отмеченная выше неравномерность распределения различных фракций приводит к тому, что в одни цилиндры попадает смесь с избытком ТЭС и недостатком выносителя, в другие — наоборот. В тех цилиндрах, где не хватает выносителя, наблюдается ухудшение выноса продуктов сгорания ТЭС и повышение нагарообразования. Избыток выносителя приводит к увеличению коррозии деталей двига­ теля. 6. Одна из характерных особенностей этилированных бензинов — это их способность оказывать корродирующее действие на металлы в присутствии воды. Галоидорганические соединения, используемые в качестве выносителей, реагируют с водой, образуя галоидоводородные кислоты. Такие кислоты корродируют оцинкованное железо, магниевые сплавы, в мень­ шей мере алюминий и бронзу. Наибольшая коррозия металла обычно наблюдается на границе раздела бензинового слоя с водным. Металл, соприкасающийся только с водой или только с бензином, подвержен коррозии в меньшей степени. Вода, извлекая часть выносителя, на­ рушает соотношение между ТЭС и выносителем, что приводит к увели­ чению нагарообразования при использовании таких бензинов. Хранение этилированных бензинов на водяных подушках кате­ горически запрещается. Галоидоводородные кислоты могут образовываться при разложении выносителя при высоких температурах в условиях камеры сгорания. В частности, бромистый водород и в парообразном состоянии обладает высокой активностью и способен корродировать металлы. Следы та­ кой «горячей» коррозии обычно можно наблюдать на гнездах и направ­ ляющих втулках выпускных клапанов и свечах. Однако наибольшее коррозионное воздействие галоидоводородных кислот, образующихся при сгорании, наблюдается при длительных ос­ тановках двигателя, когда кислоты успевают раствориться в капель­ ках воды, сконденсировавшихся из продуктов сгорания. На месте осе­ дания таких капелек через некоторое время можно обнаружить следы коррозии в виде неглубоких изъязвлений в металле. Поэтому при необ­ ходимости поставить двигатель на консервацию после работы на этилированном бензине следует пользоваться специальными консервационными смазками. 7. Тетраэтилсвинец при обычных температурах хранения и при­ менения подвергается окислению кислородом воздуха с образованием нерастворимых в бензине продуктов. Этилированный бензин при хра­ нении может помутнеть. В нем появляются мелкие взвешенные ча­ стицы, оседающие со временем на дно тары в виде легко подвижного белого осадка. Исследование такого осадка показало, что он состоит 3 Зак. 541 63 главным образом из соединений свинца, образовавшихся при окисле­ нии и разложении ТЭС. Разложение ТЭС особенно ускоряется под действием солнечного света. Обычно при хранении и применении бензин достаточно надежно защищен от солнечного света. Все же иногда он может подвергнуться более или менее длительному воздействию солнечных лучей, например в открытом стеклянном баллоне бензораздаточной колонки. В таких случаях уже через несколько часов может появиться осадок свинцо­ вых соединений. Разложение ТЭС ведет к снижению детонационной стойкости бен­ зинов. Кроме того, образующийся осадок свинцовых соединений пре­ пятствует нормальному использованию этилированных бензинов вслед­ ствие забивки фильтров, бензопроводов, жиклеров и т. д. Начавшееся разложение ТЭС в бензинах прогрессивно ускоряется. Автомобильные этилированные бензины, в которых разложение ТЭС только началось, могут быть использованы в качестве топлива для двигателей только после тщательной фильтрации. Бензин после филь­ трации должен быть немедленно израсходован, так как разложение ТЭС будет продолжаться. 8. Наиболее существенным недостатком этилированных бензинов является их токсичность. Этиловая жидкость так же, как и чистый тетраэтилсвинец, является стойким ядом, сильно действующим на ор­ ганизм человека. Все операции с этиловой жидкостью, особенно добавление ее к бензинам (этилирование), могут вызвать отравление людей, поэтому их необходимо выполнять с тщательным соблюдением всех профи­ лактических правил. В связи с этим бензин этилируют только на заво­ дах, где имеется специальное смесительное оборудование. Этилирование или доэтилирование бензинов без специального оборудования грозит отравлением и потому категорически запрещено. В этиловую жидкость добавляются красители, чтобы предотвратить ее использование не по назначению. В этилированных автомобильных бензинах содержание ТЭС очень мало и ядовитость их во много раз меньше, чем ядовитость этиловой жидкости. Многолетний опыт применения этилированных автомобиль­ ных бензинов во всем мире показывает, что при соблюдении элемен­ тарных правил предосторожности можно полностью избежать вредного действия ТЭС на организм человека. Для предотвращения использования не по назначению этилирован­ ные бензины окрашивают. Для удобства пользования разные марки бензинов окрашивают в различные цвета. В последние годы внимание исследователей привлеко другое орга­ ническое соединение свинца — тетраметилсвинец (ТМС). Оказалось, что в высокооктановых ароматизированных автомобильных бензинах ТМС более эффективен, чем ТЭС. Более высокая эффективность ТМС, видимо, обусловлена его боль­ шей термической устойчивостью и способностью разлагаться на актив­ ные радикалы при более высокой температуре. Температурные условия в современных форсированных двигателях с высокой степенью сжатия 66 значительно возросли. В новых двигателях при более жестких темпе­ ратурных условиях ТЭС, очевидно, разлагается слишком рано, поэтому часть образующихся активных радикалов расходуется непроизводи­ тельно, не обрывая цепей предпламенных реакций, ведущих к детона­ ции. Тетраметилсвинец вследствие большей термической стабильно­ сти разлагается в современных двигателях, очевидно, в момент наи­ большего развития преддетонационных реакций. Большим преимуществом ТМС по сравнению с ТЭС является более низкая температура кипения и более высокое давление насыщенных паров (табл. 18). Таблица 18 Физические свойства тетраэтилсвинца и тетраметилсвинца Показатели Формула Молекулярный вес Плотность при 20 °С Температура кипения, °С « плавления, °С Давление насыщенных паров мм рт. ст. ТЭС по Рейду при 20 °С, (СгН^РЬ 323,45 1,652 200 —130 0,3 ТМС (СН3)4РЬ 267,35 1,995 ПО —28 26,5 Это преимущество ТМС особенно резко сказывается на тех двигате­ лях, где имеет место значительная неравномерность распределения фракций бензина по цилиндрам двигателя. В таких двигателях высококипящий ТЭС идет вместе с хвостовыми фракциями бензина и в боль­ шем количестве поступает в те цилиндры, куда поступает больше жид­ кой пленки. ТМС, обладая большей испаряемостью, равномернее распределяется по цилиндрам, что обеспечивает лучшее использование аитидетонационных свойств бензина. В 1951 г. впервые синтезированы металлоорганические соединения, молекула которых представляет собой «сэндвич» с атомом переходного металла, расположенным между двумя циклопентадиенильными коль­ цами. Среди синтезированных соединений наиболее эффективными анти­ детонаторами оказались соединения марганца — циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ) и метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца (МЦТМ). Все основные исследования и испытания за рубежом проведены с МЦТМ [СН3С5Н4Мп (СО)31, а в СССР с ЦТМ [С5Н5Мп (СО)3]. Эффективность марганцевых антидетонаторов исследована на мно­ гих углеводородах и бензинах. В бензине А-66, состоящем в основном из парафиновых и олефино­ вых углеводородов, ЦТМ оказался более эффективен, чем ТЭС. В бен­ зине А-72 оба антидетонатора (ЦТМ и ТЭС) показали примерно одина­ ковую эффективность (табл. 19). В бензинах каталитического крекинга и особенно риформинга эффективность ЦТМ ниже, чем ТЭС. В сред­ нем, очевидно, следует считать, что эффективность ЦТМ и ТЭС при 3* G7 добавлении их в товарные автомобильные бензины примерно одинако­ ва (при одинаковой концентрации по весу антидетонаторов в целом). Если определять эффективность антидетонаторов при одинаковой кон­ центрации металлов, то марганцевые антидетонаторы оказываются значительно эффективнее ТЭС. Таблица 19 Приемистость бензинов к антидетонаторам Октановое число бензина Бензины с 1 г антидетонатора на 1 кг бензина в чистом виде ТЭС ЦТМ М ЦТМ 70,0 78,2 63,5 71,7 81,3 79,8 71,2 78,4 64,8 72,4 78,1 79,0 71,0 78,2 65,0 72,0 78,0 79,0 73,2 87,5 85,4 85,0 73,0 87,7 85,3 85,0 Мо т о р н ый метод А-66 А-72 Компонент прямой перегонки » термического крекинга » каталитического риформинга » крекинга 59,4 72,3 49,4 66,0 72,6 73,0 Исследов ательский А-66 А-72 Компонент каталитического риформинга » крекинга 60,5 77,6 76,8 78,0 метод 72,0 86,6 88,0 86,1 С увеличением концентрации ЦТМ в бензинах эффективность его снижается, при этом характер изменения октановых чисел в зависи­ мости от концентрации антидетонатора примерно одинаков как для ЦТМ, так и для ТЭС. Основным недостатком ТЭС, как уже говорилось, является его высокая токсичность. Результаты обследования ЦТМ показали, что добавление ЦТМ в количестве до 1 г/кг не повышает токсичности бензина. Это основное и решающее преимущество ЦТМ по сравнению с ТЭС. ЦТМ в применяемых концентрациях растворяется в бензинах при обычных температурах полностью и быстро, в воде нерастворим, водою из бензинов не извлекается, при низких температурах из бен­ зиновых растворов не выпадает. При работе двигателя на бензинах с ЦТМ отмечены две характер­ ные особенности образующихся нагаров. Первая особенность состоит в том, что такой нагар вызывает преждевременное воспламенение рабо­ чей смеси от тлеющих частиц. Частота возникновения калильного зажи­ гания практически прямо пропорциональна концентрации ЦТМ в бен­ зине. Добавление соединений фосфора (трикрезилфосфат) эффектив­ но снижает частоту калильного зажигания. При этом оптимальная кон­ центрация трикрезилфосфата составляет 20% от теоретически необхо­ димого количества для перевода содержащегося в бензине марганца 68 в ортофосфат (около 0,16 мл трикрезилфосфата на 1 кг бензина при со­ держании ЦТМ 0,8 г/кг). Вторая особенность нагаров, остающихся в двигателе после сгора­ ния бензинов с ЦТМ, состоит в том, что они вызывают перебои в рабо­ те свечей зажигания. При работе двигателя на бензинах с ЦТМ нагар, образующийся на изоляторах свечей зажигания, является проводником тока и вызы­ вает утечку тока по поверхности изолятора (шунтирующее действие нагара). Кроме того, обнаружено образование между электродами све­ чи тонких токопроводящих нитей, вызывающих замыкание электродов (мостикообразование). Отложения нагара на электродах сокращают межэлектродный промежуток и ухудшают условия образования ис­ крового разряда. При длительных испытаниях полноразмерного двигателя на стенде установлено, что на бензине с ЦТМ в количестве 0,8 г/кг свечи зажи­ гания без чистки от нагара могут работать всего лишь около 29 ч. Естественно, такая продолжительность работы свечей зажигания не­ приемлема для условий эксплуатации автомобилей. Введение в состав марганцевого антидетонатора бромистого этила — выносителя, применяемого для выноса продуктов сгорания тетраэтил­ свинца, позволяет продлить работоспособность свечей зажигания без их очистки в среднем до 60—70 ч. Еще больший эффект показало добавление к ЦТМ такого соедине­ ния, как бисэтилксантоген (CeH10O2S4). При добавлении этого сое­ динения продолжительность работы свечей без чистки возрастает до 89 ч. Количество нагара при введении выносителей уменьшается незна­ чительно, так как действие этих добавок связано не столько с выно­ сом соединений марганца, сколько с их «преобразованием». Очевидно, будущие эффективные добавки к марганцевому антидетонатору следует называть не выносителями, а преобразователями нагара. Поиски таких соединений в настоящее время ведутся. § 5. ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ Фракционный состав — один из важнейших показателей каче­ ства автомобильных бензинов. От фракционного состава бензина за­ висят такие характеристики двигателя, как легкость и надежность пуска, длительность прогрева, приемистость автомобиля и другие эк­ сплуатационные показатели. Фракцией называют часть бензина, выкипающую в определен­ ных температурных пределах. Содержание в бензине тех или иных фракций характеризуют его фракционным составом. Фракционный состав бензинов определяется перегонкой в опре­ деленных стандартизованных условиях на специальном приборе (рис. 25). В колбе прибора при помощи газовой горелки нагревают 100 мл бен­ зина и по термометру отмечают температуры, при которых заканчива­ ется перегонка определенного количества бензина. Для автомобиль69 ных бензинов отмечают температуру перегонки, 10, 50 и 90% бензина и конца его кипения. При перегонке бензина принято записывать тем­ пературу перегонки каждых 10% бензина. Затем на основании полу­ ченных данных строят кривую перегонки бензина в координатах — количество бензина — температура. Все требования современных карбюраторных двигателей к фрак­ ционному составу применяемых топлив можно разделить на требова­ ния, связанные с климатическими особенностями эксплуатации авто­ мобилей, и на требования, обусловленные конструктивными особен­ ностями двигателей. Фракционный состав бензинов должен быть таким, чтобы обеспе­ чить быстрый разгон автомобиля, минимальный расход топлива, рав­ номерное качественное и количественное распределение смеси по ци­ линдрам двигателя, минимальный износ цилиндро-поршневой груп­ пы — вот далеко не полный перечень требований, связанных глав­ ным образом с конструктивными особенностями двигателей. Удовле­ творение этих требований достигается как улучшением физико-хими­ ческих показателей бензинов, так и совершенствованием конструкции карбюраторов, впускных систем и камер сгорания. Климатические особенности эксплуатации автомобилей в различ­ ных районах страны в разное время года выдвигают два основных тре­ бования к фракционному составу бензинов — обеспечение надежного пуска двигателя при низких температурах воздуха и предотвращение Рис. 25. Прибор для фракционной перегонки топлива: / — термометр; 2 — отвод колбы; 3 — верхний кожух; ■/ — колба для перегонки; 5 — штатив; 6 — нижний кожух; 7 — газовая горелка; 4 = кожух холодильника; 9 — трубка холодильника; 10 — мерный цилиндр 70 нарушений в работе систем питания двигателей, связанных с частич­ ным испарением бензина при высоких температурах воздуха. Сюда же следует отнести проблему борьбы с обледенением деталей карбюра­ тора путем изменения фракционного состава бензинов. Многие из перечисленных выше требований к фракционному сос­ таву бензинов по своему характеру противоположны, и удовлетворе­ ние их может быть найдено только путем компромиссного решения. Влияние фракционного состава на пусковые свойства Трудности пуска холодного карбюраторного двигателя в зимнее время при низких температурах окружающего воздуха обусловлива­ ются тремя основными причинами: ухудшением испаряемости бен­ зина, возрастанием вязкости смазочного масла и понижением емко­ сти и напряжения аккумуляторных батарей. Кроме этих основных причин, пуск холодного двигателя затруднен вследствие увеличения утечек горючей смеси через неплотности, более интенсивной теплоотдачи в стенки камеры сгорания, низкой темпе­ ратуры нагрева смеси после сжатия. При пуске двигателя испаряемость бензина во впускной системе ухудшается как за счет низкой температуры бензина, так и за счет пло­ хого распыливания его при малых скоростях воздуха в диффузоре. Для улучшения пусковых свойств двигателей разработан ряд кон­ структивных мероприятий. Пусковые регулировки карбюраторов, улучшение конструкции камер сгорания и впускных трубопроводов и ряд других мер безусловно способствуют хорошему испарению бен­ зина, но решающим фактором является наличие в бензине достаточного количества низкокипящих углеводородов. Именно эти углеводороды, испаряясь во впускном трубопроводе, создают топливовоздушную смесь, способную к воспламенению от искры. С точки зрения пуска холодного двигателя количество низкокипя­ щих фракций в бензине ограничивать не следует. Однако чрезмерное содержание таких фракций в бензине вызывает неполадки при работе прогретого двигателя и повышенные потери бензина при хранении и применении. Содержание низкокипящих фракций в современных товарных бен­ зинах контролируется величиной давления насыщеннных паров и тем­ пературами начала перегонки и перегонки 10% бензина. Предельные температуры пуска двигателя на бензинах различного фракционного состава прямо пропорциональны значению температур перегонки 10% бензина: К = — t\a%- -50,5 + где 0 н .к 50) tB — минимальная температура воздуха, при которой воз­ можен пуск двигателя, °С; /ю% — температура перегонки 10% бензина, СС; /н.к — температура начала перегонки, °С. 71 |§ _ Зависимость температуры возможного пуска двигателя от давления насыщенных паров но­ Пуск ого ддигапомем сит более сложный характер 1 (рис. 26). При понижении давле­ ния насыщенных паров бензина Е^еТ до 250 мм рт. ст. пусковые свой­ ства его ухудшаются прямоли­ холодный д\1игатеньне ш/слается нейно. Снижение давления на­ сыщенных паров ниже 250 мм рт. ст. сопровождается резким ухуд­ КО 200 250 300 350 400 450 500 550 шением пусковых свойств. ДаВление насыщенных парод, пм рт- ст. Приведенные выше зависимо­ Рис. 26. Зависимость температуры воз­ духа, при которой возможен пуск дви­ сти свидетельствуют о том, что гателя, от давления насыщенных паров пусковые свойства бензинов бензинов улучшаются по мере облегчения фракционного состава бензинов. Но применение очень легких бензинов вызывает другие эксплуата­ ционные затруднения — образование паровых пробок в топливопро­ водах. Влияние фракционного состава на образование паровых пробок При эксплуатации отечественных автомобилей в южных районах страны в особо жаркие дни довольно часто наблюдаются случаи само­ произвольной остановки двигателей вследствие образования паровых пробок в системе питания. Это явление принимает иногда массовый характер в условиях тропического климата. Появление паровых пробок и связанные с ними неполадки в работе двигателя объясняются следующим образом. При нагревании бензи­ на в системе питания наиболее низкокипящие углеводороды испаряют­ ся, образуя пары, объем которых в 150—200 раз больше объема испа­ рившегося жидкого бензина. В этих условиях через систему питания идет смесь жидкости и паров бензина с небольшим количеством воз­ духа, который ранее находился в бензине и выделился из него при нагревании. Весовая производительность бензонасоса снижается. Го­ рючая смесь, поступающая в двигатель, обедняется и двигатель ос­ танавливается. При этом все внешние проявления остановки двигате­ ля такие же, как при засорении топливопроводов, в связи с чем это яв­ ление и получило название «паровой пробки». Образование паровых пробок в системе питания зависит от испаря­ емости бензина, температуры и давления бензина в системе, пропуск­ ной способности топливной системы и расхода бензина (режима рабо­ ты двигателя). Однако решающим фактором, обусловливающим образование паро­ вых пробок, является температура нагрева бензина. Температура нагрева бензина в топливной системе автомобиля за­ висит от конструктивных особенностей системы и температуры окру­ 72 жающего воздуха. Температура воздуха в подкапотном простран­ стве обычно намного выше, чем температура окружающего воздуха. Так, по данным испытаний при температуре окружающего воздуха око­ ло 40° С температура воздуха под капотом поднимается до 90—95°, а бензин при этом нагревается до 70—75°. Особенно высокие температу­ ры нагрева бензина отмечены у автомобилей, эксплуатирующихся в условиях бездорожья, при езде в колоннах и с прицепами, при экс­ плуатации автомобилей в гористой местности. Испытания автомобилей в тропических камерах и замеры в эксплу­ атационных условиях в Средней Азии показали, что наивысшая тем­ пература нагрева бензина (до 80—85°) наблюдается после остановки автомобиля и двигателя. При этом вентиляция подкапотного простран­ ства прекращается, бензин в системе питания останавливается и про­ гревается за счет тепла, излучаемого двигателем. Пуск двигателя пос­ ле кратковременной стоянки может быть сильно затруднен. В условиях жаркого климата во время работы двигателя темпера­ тура бензина повышается в среднем на 20—30° С выше температуры окружающего воздуха, а через 7—10 мин после остановки автомобиля и двигателя — на 30—40° С. Анализ отечественных и зарубежных материалов показывает, что наиболее «удобным» местом образования паровых пробок является топливный насос. Здесь бензин приобретает достаточно высокую тем­ пературу и в момент всасывания находится под минимальным давле­ нием. При движении к карбюратору температура бензина несколько повышается, однако образование паровых пробок в этой магистрали менее вероятно вследствие наличия небольшого избыточного дав­ ления. Следует отметить, что топливный насос является и наиболее «узким» местом в системе питания, ограничивающим ее пропускную способ­ ность. При оценке склонности к образованию паровых пробок бензи­ нов различного фракционного состава на двигателе с тремя топливны­ ми насосами различной производительности (насос Б-6 производитель­ ностью 60—90, насос Б-9 —150—175 и насос Б -10— 182—210 л/ч) было установлено (табл. 20), что с увеличением производительности топливных насосов довольно значительно повышается температура бензина, при которой останавливается двигатель вследствие образова­ ния паровых пробок. Насос повышенной производительности способен прокачать большее количество паров, и поэтому двигатель продолжает нормально работать при более высокой температуре бензина. Очевидно, повышение производительности топливного насоса является одним из возможных и эффективных способов борьбы с образованием паровых пробок при повышенных температурах окружающего воздуха. Установлена зависимость предельных температур нагрева бензина, при которых двигатель останавливается вследствие образования паро­ вых пробок, от температур начала кипения и перегонки 10% и давле­ ния насыщенных паров бензина (рис. 27). С увеличением темпера­ туры начала перегонки бензина прямолинейно увеличивается и тем­ пература предельно допустимого нагрева бензина. 73 Т а б л и ц а 20 Зависимость температуры бензина, при которой двигатель останавливается вследствие образования паровых пробок, от фракционного состава бензинов и производительности топливных насосов Образец бензина Показатели Температура начала кипения, °С i> перегонки 10%, °С Давление насыщенных паров, мм рт. ст. Температура бензина, при которой двигатель останавливается, °С*: при установке топливного насо­ са Б-6 при установке топливного насо­ са Б-9 при установке топливного насо­ са Б-10 1 2 3 4 5 34 48 650 37 56 600 44 67 475 46 69 430 53 75 270 49/42 55'47 66/59 70/63 84/77 59/50 64/55 75/67 80/71 93/85 69/56 74/61 85/72 89/77 103/93 Числитель — при 1000 об/мин коленчатого вала, знаменатель — при 1600. Зависимость температуры образования паровых пробок от- темпе­ ратуры перегонки 10% бензина носит прямолинейный характер для бензинов, имеющих температуру перегонки 10% в пределах 45—70° С, т. е. для большинства современных автомобильных бензинов. При температуре перегонки 10% бензина выше 70° С температура нагрева бензинов до образования паровых пробок резко возрастает. В этом случае пропускная способность топливной системы оказывается достаточной для обеспечения бесперебойной работы двигателя при вы- Темпtpamypa, на­ чала кипения,°С 45 55 55 75 Температура, перегонни ш°/о бензина, °С 750 350 450 550 650 Давление насыщенных па­ раВ, мм pm. cm. Рис. 27. Зависимость температуры нагрева бензина, при которой образуются па­ ровые пробки, от показателей фракционного состава и давления насыщенных парой: / — насос типа Б-10; 2 Т4 насос типа Б-9; 3 — насос типа Б-8 соких температурах нагрева бензинов. Количество паров, образующих­ ся при испарении таких бензинов в топливной системе, настолько мало, что поступление жидкой фазы полностью обеспечивает расход топлива на данном режиме работы двигателя. Прямолинейной является и зависимость температур образования паровых пробок от давления насыщенных паров бензинов (рис. 28). Сезонные и зональные бензины На основании зависимостей пусковых свойств бензинов и их склон­ ности к образованию паровых пробок от фракционного состава и давления насыщенных паров могут быть установлены температурные пределы работоспособности автомобильных двигателей (см. рис. 28). Приведенные данные показывают, что для наиболее полного удов­ летворения требований двигателей, учитывая климатические особен­ ности территории Советского Союза, автомобильные бензины по фрак­ ционному составу должны подразделяться на два зональных и два се­ зонных сорта. Снабжение топливами отдаленных районов, особенно на севере нашей страны, сопряжено с известными трудностями, поэтому бензины для северных и южных районов должны быть всесезонными. Технически оправдана следующая классификация бензинов по фрак­ ционному составу. Всесезонный северный бензин предназначен для использования в районах, расположенных севернее и северо-восточнее изотермы ян­ варя — 20° С. Бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя при температуре воздуха — 30° С и в то же время не вызывать обра­ зования паровых пробок в условиях летней эксплуатации автомоби­ лей при температуре воздуха до +30° С. Рис. 28. Температурные пределы работоспособности автомобильных двигателей в зависимости от фракционного состава и давления насыщенных паров приме­ няемых бензинов Всесезонный южный бензин предназначен для применения в юж­ ных районах страны, расположенных южнее изотермы июля +25° С. Основным требованием к бензину является отсутствие паровых про­ бок в системе питания при температуре воздуха до +55° С. Бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя в зимнее время года при температуре воздуха до — 10° С. Летний и зимний бензины рассчитаны на использование в средней полосе страны. Зимний бензин должен обеспечивать пуск холодного двигателя при температуре воздуха до —25° С и отсутствие паровых пробок при температуре воздуха +35° С, летний бензин— соответст­ венно пуск до —15° С и отсутствие паровых пробок до +50° С. Указанные выше сорта автомобильных бензинов должны иметь фракционный состав, указанный в табл. 21. Таблица Требования Северный Зимний Летний Южный Температура перегонки 10% бензина, °С Давление Температурные пределы работоспособности двигате­ лей на бензине каждого сорта, °С насыщенных паров, мм Не выше 35 Не выше 55 Не Не » » 40 » » 6С Не Не Не ниже 45 Не ниже 70 Не Не выше 80 Не Не ниже 75 Не Не выше 85 Не осл Сорт бензина Температура начала кипе­ ния, °С 21 к фракционному составу сезонных и зональных автомобильных бензинов рт. СР. менее более менее более менее более менее более 600 700 500 600 300 400 250 350 Минимальная температура пуска холод­ ного двигателя Максималь­ ная темпера­ тура воздуха, при которой не образуются паровые пробки —30 +30 -2 5 +35 -1 5 + 50 -1 0 +55 Автомобильные бензины указанного в табл. 21 фракционного сос­ тава будут в наиболее полной мере удовлетворять требованиям двига­ телей в различных климатических условиях эксплуатации, и примене­ ние их должно дать значительную экономию денежных средств. Одна­ ко, учитывая неизбежные трудности с производством и отгрузкой бен­ зинов различного фракционного состава, особенно на тех нефтеперера­ батывающих заводах, которые вырабатывают бензины для использо­ вания в различных климатических зонах, возможен постепенный пе­ реход на выпуск зональных и сезонных автомобильных бензинов. На первой стадии в течение определенного времени можно предусмотреть выработку двух бензинов, различающихся по фракционному составу — зимнего и летнего. В этот период зимний бензин можно использовать одновременно в качестве всесезонного северного, а летний бензин—в ка­ честве всесезонного южного. Именно так и указано в ГОСТ 2084—67, которым предусмотрен выпуск автомобильных бензинов зимнего и лет­ него видов. К Влияние ф ракционного состава на п рогрев и приемистость двигателя Прогрев двигателя охватывает время от момента его пуска до до стижения плавной устойчивой работы. Чем быстрее прогревается дви­ гатель, тем меньше непроизводительные затраты времени и бензина, меньше износ деталей двигателя. Скорость прогрева двигателя в значительной мере зависит от фрак­ ционного состава применяемого бензина. Если бензин по фракционному составу не отвечает требованиям двигателя, то увеличивается время разогрева, при этом работа двига­ теля в период разогрева сопровождается рывками. В некоторыл случаях возможны остановки двигателя в период прогрева. На прогрев двигателя оказывает влияние температура перегонки 10, 50 и 90% бензина, преобладающее влияние имеет температура пе­ регонки 50% бензина. В связи с этим стремление обеспечить минималь­ ное время прогрева двигателя приводит к лимитированию только тем­ пературы перегонки 50% бензина. Температуры перегонки 10 и 90% бензина обусловлены другими требованиями двигателей, на которые эти показатели оказывают решающее влияние. Оптимальное значе­ ние температуры перегонки 50% бензина зависит от температуры воз­ духа, при которой происходит прогрев двигателя. С понижением тем­ пературы воздуха необходима более низкая температура перегоню: 50% бензина. Результаты исследований позволяют рекомендовать для отечественных автомобильных бензинов следующие требования к тем­ пературе выкипания 50% сезонных и зональных бензинов:, северный не выше 90, зимний не выше 100, летний не выше 110 и южный не выше 120° С. Весьма близкие требования к фракционному составу бензинов предъявляются для обеспечения хорошей приемистости двигателя. По/; приемистостью двигателя принято понимать его способность обеспечить быстрый разгон автомобиля до нужной скорости после резкого откры­ тия дросселя. Приемистость автомобильного двигателя зависит от фракционного состава бензина (главным образом, температуры перегонки 50% бен­ зина) и конструктивных особенностей карбюратора и впускной си­ стемы двигателя. Оптимальный разгон достигается в том случае, если испаряемость топлива обеспечивает создание смеси воздуха с парами топлива в со­ отношении 12 : 1. При таком соотношении двигатель развивает наиболь­ шую мощность. Если бензин имеет худшую испаряемость, то образуются более бед­ ные смеси состава 16 : 1, 18 : 1 и 20 : 1, при этом, как показали экс­ перименты, длительность разгона увеличивается на 9, 37 и 170% со­ ответственно. Результаты испытаний двигателей на различных бензинах показы­ вают, что те требования к температуре перегонки 50% бензина, кото­ рые обусловлены прогревом двигателя, обеспечат и высокую приеми­ стость двигателя. 77 В лияние ф ракционного состава на износ двигателя и экономичность его работы Полное испарение бензина в двигателе характеризуется темпера­ турами перегонки 90% бензина и конца его кипения. При высоких зна­ чениях этих температур тяжелые фракции бензина не испаряются во впускном трубопроводе двигателя и поступают в цилиндры в жидком виде. Жидкая часть бензина испаряется в камере сгорания не полно­ стью, а неиспарившаяся часть протекает через замки поршневых ко­ лец в картер двигателя. При этом масло смывается со стенок цилин­ дров, а картерное масло разжижается. Н. В. Брусянцев установил, что в картерное масло попадают глав­ ным образом фракции бензина, выкипающие при температуре выше 180° С, и вязкость смазочного масла несколько снижается. Однако основной причиной быстрого изнашивания автомобильных двигате­ лей при использовании топлив с плохой испаряемостью является не разжижение масла, а его смывание с трущихся деталей неиспарившимся топливом. В местах смывания масла происходит полусухое трение деталей, сопровождающееся повышенным износом. Разжиже­ ние масла в картере лишь свидетельствует о том, что в двигателе происходит смывание масла, вызывающее повышенные износы. Сам бензин, попавший в масло, довольно быстро испаряется при работе двигателя, и вязкость масла восстанавливается (табл. 22). Таблица 22 Изменение вязкости масла, разбавленного бензином, при работе двигателя Наименование пробы Свежее масло Масло, разбавленное бензином » через 5 мин работы » » 10 » » » » 30 » » » » 60 » » » » сутки работы Отработавшие масла (по эксплуатационным данным) Содержание бензина в масле, % 0,0 10,0 7,5 6,4 3,5 .1,9 0,8 Вязкость масла при 50°, сст 41,0 17,5 19,0 20.6 25,9 32,0 35,7 35-38 Зависимость между температурой конца кипения применяемого бензина и общими износами двигателя показана на рис. 29. Весьма рез­ кое увеличение износов происходит при использовании бензина с по­ вышенной температурой конца кипения. При использовании бензинов с высокой температурой конца кипе­ ния наряду с повышенными износами наблюдается увеличение расхо­ да топлива (рис. 30), усиливается неравномерность распределения го­ рючей смеси по цилиндрам двигателя и повышается склонность бен­ зина к нагарообразованию. Таким образом, снижение температуры конца кипения бензина и соответственно температуры перегонки 90% бензина улучшает многие эксплуатационные свойства, но при этом значительно сокращаются ре78 сурсы автомобильных бензинов. В на­ шей стране систематически улучшает­ ся качество товарных автомобильных бензинов путем снижения их конца кипения. Во время Великой Отечест­ венной войны выпускался автомобиль­ ный бензин с температурой конца ки­ пения 235° С, затем заводы нефтяной промышленности перешли на выра­ ботку бензина с концом кипения 225° С. С 1946 г. температура конца кнпейия бензинов была понижена до 205, а с 1967 г. для бензинов А-72, А-76, АИ-93 и АИ-98 — до 195 для iso iso m 220 zw ZOO летних сортов и до 185° С для зимних Тепперат црц конца, к и п е ­ сортов. н и я б е н з и н а , “О Выбор оптимальных значений тем­ Рис. 29. Влияние температуры ператур конца кипения и перегонки конца кипения бензина на износ 90% товарных бензинов приобретает двигателя особенно актуальное значение в связи с широким внедрением бензинов ка­ талитического риформинга. При ка­ талитическом риформировании бензи­ новых фракций за счет ароматизации возрастает температура конца кипе­ ния бензина. При этом в отличие от бензинов прямой перегонки и терми­ ческого крекинга именно в высококипящих фракциях бензинов риформин­ га находятся наиболее высокооктано­ Тепператцра конца кипения ' б е н з и н а , °С вые углеводороды. Снижение конца кипения бензинов риформинга ведет Рис. 30. Влияние температуры к ухудшению их детонационной стой­ конца кипения бензина на его рас­ кости. ход при эксплуатации автомобиля Таким образом, для отечествен­ ных товарных бензинов, содержа­ щих компоненты каталитического риформинга, должны быть вновь найдены оптимальные значения температур конца кипения и перегонки 90%. Для решения этого вопроса необходимо проведение исследова­ тельских работ и экономических расчетов. Следует отметить, что в за­ рубежной практике в ряде стран вырабатывают и применяют автомо­ бильные бензины с температурой конца кипения 215—220° С. Влияние фракционного состава на горячий пуск и работу двигателя на холостом ходу При повторном пуске двигателя, остановленного после длительной работы на большой мощности, могут возникать трудности. При оста­ новке двигателя вентиляция подкапотного пространства прекращает79 ,:я и за счет излучения тепла от двигателя карбюратор может нагреть:я до весьма высоких температур. При этом бензин будет испаряться з поплавковой камере и во всех каналах карбюратора. Далее в зависи­ мости от конструкции карбюратора в нем собираются пары бензина и выдавливают жидкий бензин во впускную систему, или пары бензи­ на попадают в смесительную камеру карбюратора и во впускную сис­ тему или непосредственно в атмосферу. При вытеснении жидкого бензина из карбюратора во впускную сис­ тему двигателя (это явление называется «перколяцией») создается сли­ шком богатая смесь и нормальная работа карбюратора нарушается. В случае испарения бензина в смесительную камеру или в атмосферу уровень топлива в поплавковой камере карбюратора понижается и двигатель можно пустить только после подачи топливным насосом необходимого количества бензина. Наиболее эффективным путем решения этой проблемы до недавнего времени считали отвод образующихся паров бензина в атмосферу. Однако в связи с развернувшейся борьбой за оздоровление воздуш­ ных бассейнов городов пути решения этой проблемы пересматриваются, так как загрязнение атмосферы парами углеводородов недопустимо. С испарением бензина связана и неудовлетворительная работа горячего двигателя на холостом ходу. На холостом ходу при неболь­ шом расходе бензина и невысокой скорости его прокачки по топливной системе температура бензина возрастает. Это явление особенно опасно в условиях жаркой погоды после работы двигателя с полной нагрузкой (во время езды или при кратковременных остановках). В результате испарения части бензина в этих условиях может обра­ зоваться чрезмерно богатая рабочая смесь, что приводит к неравномер­ ной работе двигателя на холостом ходу и в крайних случаях даже к ос­ тановке двигателя вследствие «затопления» карбюратора из-за «перколяции» бензина. Трудности, возникающие при горячем пуске и работе двигателя на холостом ходу, связаны с теми же характеристиками испаряемости бензинов, которые обусловливают их склонность к образованию паро­ вых пробок. Установлено, что бензин, обеспечивающий отсутствие па­ ровых пробок в топливной системе двигателя не вызывает затруднений и в отношении пуска горячего двигателя и работ двигателя на холо­ стом ходу. Влияние фракционного состава на обледенение карбюратора Испарение бензина во впускной системе двигателя сопровождает­ ся понижением температуры топливо-воздушной смеси вследствие того, что тепло, необходимое для испарения бензина (теплота испаре­ ния), отнимается от воздуха, в котором происходит испарение, и от металлических деталей впускной системы. Отмечено, например, что при температуре окружающего воздуха -j-7,5°C температура дрос­ селя через 2 мин после пуска двигателя снижается до —14°. Исследованиями установлено, что снижение температуры во впуск­ ной системе двигателя зависит от испаряемости бензинов (рис. 31). 80 Вследствие понижения температу­ ры топливо-воздушной смеси влага, находящаяся в воздухе, вымерзает и конденсируется на холодных деталях впускной системы, образуя корочки льда. Обледенение дросселя ведет к уменьшению проходного сечения для воздуха. На малой частоте вращения коленчатого вала при неполной на­ грузке на двигатель количество по­ Рис. 31. Влияние испаряемости ступающей топливо-воздушной смеси томлива на охлаждение металли­ уменьшается, частота вращения ко­ ческих деталей карбюратора: / — топливо низкой испаряемости; 2 — ленчатого вала двигателя снижается, топливо средней испаряемости; 3 — появляются перебои в работе, сопро­ топливо высокой испаряемости вождающиеся тряской всего двигате­ ля. В особо неблагоприятных случаях дроссельная заслонка может примерзнуть к диффузору и двигатель остановится. Образование льда на жиклерах нарушает нормальное истечение бензина, обедняет горючую смесь и ведет к нарушению процесса сме­ сеобразования. На некоторых двигателях может происходить обледенение диффу­ зора. Это явление обычно наблюдается при установившейся работе дви­ гателя на больших оборотах в холодную сырую погоду. Образование льда на стенках диффузора дополнительно сужает его сечение и увели­ чивает разряжение, а следовательно, и подачу бензина. Чрезмерное обогащение смеси ведет к падению мощности двигателя и повышению удельного расхода топлива. Степень обледенения карбюратора зависит от температуры и влаж­ ности воздуха, конструкции впускной системы, испаряемости бензина и величины скрытой теплоты испарения наиболее легких фракций бен­ зина. Наиболее «благоприятные» условия для обледенения карбюратора создаются в холодный сырой день, во время дождя или тумана (рис. 32). Наибольшее количество пере­ боев в работе двигателя вслед­ ствие обледенения карбюра­ тора наблюдается при 100процентной относительной влажности и температуре ок­ ружающего воздуха около 4—5° С. Температура 1Г С слишком высока для обледе­ нения карбюратора, а при температуре ниже —2° С даже в насыщенном воздухе нахо­ дится слишком мало влаги, ' рис 32 3ависимость обледе„ения карбючтобы вызвать обледенение ратора от температуры и влажности возкарбюрзтора. духа 81 «Благоприятные» условия для обледенения карбюратора наиболее часто создаются в районах с ярко выраженным морским климатом. Исследования показали, что во всех случаях повышение темпера­ туры перегонки 10, 50 и 90% бензина уменьшает возможность обледе­ нения карбюратора. Повышение температуры испарения 10% бензи­ на с целью предотвращения обледенения карбюратора не применяют, так как это ухудшает пусковые свойства бензина. Эффективным средством борьбы с обледенением карбюратора яв­ ляется подогрев смеси или воздуха во впускном трубопроводе двига­ теля. Подогрев смеси должен быть таким, чтобы при полном испарении топлива температура смеси не снижалась ниже +3° С, т. е. ниже той температуры, при которой конденсирующаяся влага еще не замерзает во впускной системе двигателя при любой влажности воздуха. Подогрев впускного трубопровода снижает коэффициент наполне­ ния камер сгорания и уменьшает мощность двигателя, поэтому это средство борьбы с обледенением карбюратора применяют лишь в ог­ раниченных случаях. Для борьбы с обледенением карбюратора используют специальные антиобледенительные присадки к бензинам. В качестве таких присадок применяют различные спирты и эфиры в количестве от 0,5 до 2%. Монобутиловый эфир диэтиленгликоля добавляется, например, в количе­ стве до 0,5%, изопропиловый спирт — до 2%. Весьма перспективны в качестве антиобледенительных присадок поверхностно-активные вещества, препятствующие «прилипанию» льда к металлу. Такие соединения оказываются эффективными в значитель­ но меньших концентрациях, чем спирты и эфиры. § G. ХИМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ Склонность бензинов к окислению При транспортировке и хранении автомобильных бензинов наибо­ лее нестабильные их соединения самопроизвольно под действием кис­ лорода воздуха претерпевают химические изменения (автоокисление) с образованием продуктов окисления сложного состава. Способность бензинов противостоять химическим изменениям на­ зывают химической стабильностью. Химическая стабильность автомобильных бензинов зависит от состава и строения содержащихся в них углеводородов, от количест­ ва и характера неуглеводородных примесей, а также от эффектив­ ности добавленных антиокислительных присадок. Парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды в усло­ виях хранения и применения окисляются относительно медленно. Наибольшей склонностью к окислению обладают непредельные угле­ водороды. Способность непредельных углеводородов реагировать с кислородом воздуха зависит от их строения, количества двойных свя­ зей и их расположения. Наименее стабильными являются диолефиновые углеводороды с сопряженными двойными связями и моно- и диолефиновые углеводороды, связанные с бензольным кольцом. Олефи­ 82 новые углеводороды с двойной связью в конце углеродной цепи окисляются труднее, чем олефины с двойной свя­ зью в середине цепи. Циклические олефины окисляются легче, чем оле­ фины с открытой цепью, а олефины с разветвленной цепью окисляются легче, чем аналогичные углеводороды с прямой цепью. С увеличением мо­ лекулярного веса олефинов повы­ шается их стойкость к окислению. На процесс окисления бензинов влияют неуглеводородные соедине­ ния, содержащиеся в бензинах. Сер­ нистые соединения в больших кон­ центрациях несколько ускоряют окис­ Рис. 33. Схема прибора для опре­ ление, а некоторые кислородные со­ деления длительности индукцион­ единения замедляют. ного периода окисления: Процесс окисления бензина первое / — трубка подачи кислорода; 2 — ста­ водяная баня; время идет очень медленно и лишь канчик с бензином; 4 3——электроподогрев после определенного промежутка вре­ мени скорость его возрастает. Период, в течение которого скорость процесса окисления очень мала (поглощение кислорода практически не наблюдается), называют индукционным периодом окисления. Чем больше длительность индукционного периода окисления бензина, тем бензин стабильнее. Определение длительности индукционного периода при хранении в атмосферных условиях — слишком длительный процесс, поэтому при­ меняются лабораторные методы определения индукционного периода в условиях ускоренного окисления. Ускорение окисления достигается за счет повышения температуры (обычно до 100° С). Чтобы избежать испарения бензина при столь высокой температуре, процесс окисления ведут под давлением в специальном металлическом сосуде (рис. 33). При этом фиксируют по манометру начало понижения давления в бомбе. Время от начала опыта до начала поглощения кислорода принимают за длительность индукционного периода. Бензины термического крекинга и риформинга нефтяного сырья содержат значительное количество реакционно способных непредель­ ных углеводородов и имеют низкую химическую стабильность. Дли­ тельность индукционного периода окисления бензинов термического крекинга обычно не превышает 200—250 мин, а термического рифор­ минга — 100—120 мин. Более стабильные бензины получают каталитическими методами переработки нефтяного сырья. Но и здесь следует иметь в виду, что компонент автомобильного бензина, полученный каталитическим крекингом, может быть недостаточно стабильным продуктом. Бензин каталитического крекинга, применяемый в качестве компо­ нента автомобильного бензина, получают крекингом нефтяного сырья в одну ступень без очистки дистиллята. В бензине каталитического кре83 книга остается значительное количество непредельных углеводородов (20—30%), и стабильность его снижается. Бензины каталитического риформинга почти совершенно не содер­ жат непредельных углеводородов и отличаются высокой химической стабильностью. Таким образом, наиболее стабильным является бензин прямой пе­ регонки, несколько ниже стабильность у бензина каталитического риформинга, еще ниже — у бензина каталитического крекинга и еще ниже у бензина термического крекинга. Наименее стабилен бензин термического риформинга. Другие автомобильные бензины, такие, как продукты алкилирования, изомеризации, гидрорирования, имеют вы­ сокую химическую стабильность. Для обеспечения достаточной стабильности товарных автомобиль­ ных бензинов предусмотрено добавление в бензины каталитического крекинга и термических процессов антиокислительных присадок. Антиокислительные присадки к бензинам Добавление антиокислительных присадок является наиболее эф­ фективным, экономически выгодным, а иногда и единственно возмож­ ным способом повышения химической стабильности автомобильных бензинов. Этот путь стабилизации бензинов используется в промышлен­ ных масштабах уже более 40 лет. Современные воззрения на механизм действия антиокислителей в бензинах основываются на перекисной теории окисления углеводо­ родов. Действие антиокислителей сводится к обрыву цепных реакций за счет взаимодействия одного из радикалов, участвующих в цепи, с молекулой антиокислителя. Антиокислитель тормозит развитие окислительных реакций в те­ чение какого-то времени (период индукции), после которого скорость окисления резко возрастает. Наибольшее распространение в качестве антиокислителей для угле­ водородных топлив получили соединения, содержащие аминную или окси группы. Эффективность таких присадок определяется их склон­ ностью к окислению или подвижностью атома водорода в аминной или окси группах. Трудно окисляющиеся вещества, как правило, почти не обрывают реакционных цепей и являются плохими антиокислителями. Легко окисляющиеся соединения быстро расходуются в результате побочных реакций и непосредственного окисления кислородом воз­ духа, вследствие чего почти не оказывают ингибитирующего действия на основной процесс. Для химической стабилизации отечественных автомобильных бензинов применяют три антиокислителя: древесносмольный, ФЧ-16 и парооксидифениламин. Древесносмольный антиокислитель (ГОСТ 3181—67) вырабатывает­ ся на лесохимических комбинатах из сухоперегонной смолы смешан­ ных пород древесины и представляет собой смесь фенолов различного строения (~40% ) с нейтральными маслами, не обладающими антиокислительными свойствами. Древесносмольный антиокислитель добавляет­ £4 ся в бензины на нефтеперерабатываю­ щих заводах в количестве до 0,15%. Найден способ повышения эффек­ тивности древесносмольного анти­ окислителя путем нагрева смолы при температуре 500—550° С (пиролиз). Антиокислитель ФЧ-16 (ТУ-38-1139—67) представляет собой смесь фе­ нолов, извлеченных бутилацетатом из подсмольных вод полукоксования черемховских углей. Добавляется анти­ окислитель ФЧ-16 в бензины на неф­ теперерабатывающих заводах в коли­ честве до 0,1%. Рекомендуется вво­ дить его в бензины в растворе арома­ тических зуглеводородов. ЭффективРнСИзменение содержания ак«им . ч'ж тиокислителя при окислении в приность антиокислителя ФЧ-16 выше сутствии различных металлов: ДревеСНОСМОЛЬНОГО примерно в2 раза, / — с медью; 2 —с латунью; 3 — с олоПараоксидифениламин (подфа), “ же^То^Т-со ‘*7или парааминофенол, — индивидуальталла ное химическое соединение аминофе­ нольного типа (C6H6NHCeH4OH), добавляется в бензины на нефте­ перерабатывающих заводах в количестве до 0,01% в растворе арома­ тических углеводородов. В зарубежных автомобильных бензинах в качестве антиокислительных присадок содержатся, как правило, индивидуальные химические соединения аминного, фенольного или аминофенольного типов. Эффективность антиокислительных присадок приведена в табл. 23. Т а б л и ц а 23 Эффективность антиокислительных присадок к автомобильным бензинам Антиокислитель Концентрация, % Длительность индукционного периода оки сления, мин с антиокислителем без аитнокиолителя Древесносмольный » » Пиролизат » ФЧ-16 » » Полфа 0,050 0,100 0,065 0,065 0,065 0,065 0,050 0,100 0,065 0,065 0,065 0,065 0,010 0,010 15 15 285 145 240 210 15 15 285 145 240 210 305 290 | 245 315 580 275 445 400 285 435 615 510 1000 720 700 785 85 Антиокислительные присадки эффективны как в неэтилированных бензинах, так и в этилированных. В последнем случае антиокислители предотвращают не только окисление углеводородов, но и окислитель­ ное разложение тетраэтилсвинца. Добавленные к бензину антиокислительные присадки в течение индукционного периода окисления расходуются, концентрация их в бензине уменьшается. Расходование антиокислителя значительно ускоряется в присутствии металлов, особенно меди и ее сплавов (рис. 34). Считают, что ионы металла каталитически ускоряют окис­ ление антиокислителя кислородом воздуха, вызывая тем самым уско­ рение его расхода. Для защиты антиокислителя от каталитического воздействия ме­ таллов применяют присадки — деактиваторы металлов (табл. 24). Т а б л и ц а 24 Влияние деактиватора металла на длительность индукционного периода окисления бензина с антиокислителем в присутствии различных металлов Длительность индукционного периода окисления, мин Наименование металла Медь Латунь Сталь Цинк Олово Алюминий без металла 445 440 440 420 435 440 с металлом 185 220 360 360 380 410 с металлом и деактиватором 380 425 425 405 425 435 Действие деактиваторов металла объясняют их способностью связы­ вать ионы металла в комплексные соединения, не обладающие катали­ тическими свойствами. Деактиваторы металлов добавляют в зарубежные бензины в коли­ честве до 0,001%. § 7. СКЛОННОСТЬ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ В ДВИГАТЕЛЯХ При использовании автомобильных бензинов в двигателях наблю­ дается образование отложений в системе питания, впускном трубопро­ воде и на стенках камер сгорания. Способность бензинов давать отложения в двигателе связана глав­ ным образом с их химическим составом. Роль отдельных групп хими­ ческих соединений, входящих в состав бензинов, в процессе образо­ вания отложений различна и во многом зависит от температурных ус­ ловий. Отложения в системе питания и впускном трубопроводе обра­ зуются при невысоких температурах и по составу и свойствам значи­ тельно отличаются от высокотемпературных отложений на стенках ка­ мер сгорания. 86 Образование отложений в системе питания На стенках топливного бака, топливопроводов, топливного насоса, фильтра грубой и тонкой очистки, карбюратора и других деталей сис­ темы питания могут образовываться смолистые отложения в виде плот­ но прилегающего коричневого слоя мазеобразной консистенции. При эксплуатации автомобиля на бензинах, содержащих небольшое ко­ личество смол (в пределах норм, допустимых стандартом на бензин), в системе питания образуются лишь небольшие отложения, практи­ чески не влияющие на работу двигателя. При использовании бензинов с повышенным содержанием смол (бензины после длительного хране­ ния в резервуарах, топливных баках автомобилей и т. д.) возможно образование отложений, способных вызвать нарушение нормальной работы двигателя. Смолистые отложения на стенках жиклеров, до­ зирующих систем, стенках поплавка карбюратора могут быть при­ чиной нарушения процесса карбюрации. Засорение фильтрующих элементов системы питания смолистыми веществами может привести к прекращению подачи бензина. Образованию смолистых отложений в системе питания способствует наличие в бензине механических примесей в виде почвенной пыли, песчинок и т. д. Такие примеси способны прилипать к ранее образовав­ шимся отложениям в системе питания и адсорбировать на своей по­ верхности новые смолистые вещества. Каких-либо специальных мер по предотвращению образования смолистых отложений в системе питания не разработано. Заправка автомобиля стандартным, кондиционным бензином, предотвращение загрязнения бензина при заправке автомобиля и в процессе эксплуа­ тации, периодическая промывка деталей карбюратора — вот перечень основных мероприятий, позволяющих практически полностью избе­ жать нарушений в работе двигателя вследствие образования отложе­ ний в системе питания. Образование отложений во впускной системе двигателя При работе двигателя часть низкокипящих фракций бензина попа­ дает на стенки впускного трубопровода и движется по ним в направле­ нии цилиндров двигателя. Вместе с этими фракциями бензина в жидкой пленке находится большая часть высокомолекулярных продуктов окис­ ления — смолистых веществ. Естественно, что концентрация смолистых веществ в жидкой пленке в десятки раз превышает концентрацию смо­ листых веществ в исходном бензине. На пути от карбюратора до впускного клапана стенки трубопровода, по которому поступает жидкая пленка, для лучшего испарения непрерывно подогреваются выпуск­ ными газами или охлаждающей жидкостью, применяемой для охлаж­ дения двигателя. В этих условиях происходит довольно энергичное окисление не только углеводородной части бензина, но и ранее нако­ пившихся смолистых веществ с образованием продуктов, нераство­ римых в бензине. Выпавшие смолы отлагаются на стенках впускного 87 трубопровода, где под действием температуры претерпевают химические изменения и превращаются в твердые, трудно удаляемые отложения. Слой смолистых отложений сокращает полезное сечение впускного трубопровода и создает дополнительное сопротивление на всасывании, в результате чего ухудшается наполнение цилиндров двигателя горю­ чей смесью. Отложения, образующиеся во впускном трубопроводе, кро­ ме того, обладают плохой теплопроводностью, что затрудняет подвод тепла к рабочей смеси и тем самым ухудшает условия испарения топлива. Отложения такого типа, образующиеся на штоках и тарел­ ках впускных клапанов, нарушают нормальную работу клапанного механизма и могут привести к зависанию клапанов. Все эти явления сопровождаются снижением мощности и экономичности двигателя. Состав и свойства образующихся отложений зависят от многих экс­ плуатационных условий. Органическая часть отложений составляет обычно 70—90% ,остальная часть — неорганические вещества, попа­ дающие во впускной трубопровод с воздухом и бензином. При этом от­ ложения во впускном трубопроводе содержат меньше неорганических примесей, чем отложения на впускных клапанах. Для определения содержания в бензине высокомолекулярных смолистых веществ разработаны методы, в основу которых положен принцип испарения бензина с последующим определением количества неиспарившегося остатка смолистых веществ. Испарение ведется в ста­ канчике при повышенной температуре струей подогретого воздуха (ГОСТ 1567—67) или водяного пара (ГОСТ 8485—58) в приборах (рис. 35). Смолистые вещества, оставшиеся в стаканчике после испа­ рения бензина, принято называть «фактическими» смолами, т. е. смо­ лам», фактически присутствующими в бензине. Рис. 35. Схемы приборов для определения содержания фактических смол: а —по ГОСТ 8485—58; С—по ГОСТ 1587. 87 / — масляная баня; 2 — металлическая баня; 3 — стакан с топливом; 4 — стакан с водой 88 Содержание фактических смол в бензине является одним из важ­ нейших показателей его качества и обязательно указывается в паспор­ те на бензин. Между содержанием фактиче­ ских смол в бензине и количест­ вом отложений, образующихся во впускном трубопроводе, существует 0 10 20 30 4О SO ВО прямая зависимость (рис. 36). Фактические сполы, т /wo п л. На автомобилях устанавлива­ ются различные системы принуди­ Рис. 36. Зависимость количества от­ тельной вентиляции картера с це­ ложений во впускной системе двига­ лью отсоса картерных газов во теля от содержаниясмолфактических в бензине впускную систему двигателя. В картерных газах содержатся продукты неполного сгорания бен­ зина, мельчайшие капельки масла, пары воды и т. д. Все эго, по­ падая во впускную систему, вызывает загрязнение диффузора и дрос­ селя и увеличение количества отложений во впускном трубопро­ воде. Загрязнение дросселя наблюдается в любых условиях эксплуа­ тации, но особенно сильное — в жаркое время года. Загрязнение уси­ ливается при езде автомобиля на низкотемпературном режиме (го­ родская езда с частыми остановками). При этом увеличивается коли­ чество продуктов конденсации, попадающих во впускную систему. Наиболее эффективным средством борьбы с загрязнением впускной системы оказалось введение в бензин специальных присадок, облада­ ющих «моющими» свойствами. Н агарообразование в камерах сгорания Образование нагара в камерах сгорания вызывает значительное ухудшение эксплуатационных показателей автомобильных карбюра­ торных двигателей. В результате нагарообразования снижается к. п. д. двигателя и соответственно ухудшаются его мощностные и экономиче­ ские показатели. Одной из основных причин снижения к. п. д. дви­ гателя является уменьшение коэффициента наполнения, связанное с подогревом горючей смеси от слоя отложений. Образование нагара в камере сгорания вызывает увеличение требу­ емого октанового числа топлива, а при неизменном октановом числе приводит к работе с детонацией или падению мощности при более позднем угле опережения зажигания. Октановое число бензина, необходимое для работы того или иного двигателя, определяют обычно на новом двигателе. При эксплуатации двигателя по мере отложения нагара в камере сгорания создаются бо­ лее «благоприятные» условия для возникновения детонации и ранее подобранная антидетонационная стойкость бензина для такого двига­ теля становится недостаточной. Исследования показали, что для нового двигателя и для двигателя, долго эксплуатировавшегося, разница в требованиях к антидетонацион89 ним свойствам применяемых топлив может доходить до 10—15 октапозых единиц. При эксплуатации автомобильного двигателя нагар по времени образуется неравномерно. Основное количество нагара отлагается в начале эксплуатации автомобиля. Экспериментально установлено, что после пробега автомобилем 10—16 тыс. км наступает некоторое рав­ новесное состояние нагара и при дальнейшей работе двигателя его ко­ личество изменяется незначительно. Равновесие достигается за счет того, что выгорание и удаление нагаров из камеры сгорания происхо­ дит примерно с той же скоростью, с какой они образуются в данный момент. Это явление, известное под названием самоочищение камеры сгорания, экспериментально наблюдали через кварцевое окно в голов­ ке цилиндров. Окисление смолистой части углеродистых нагаров со­ провождалось ярким свечением. Причины, вызывающие увеличение требуемого октанового числа топлива из-за образования нагара в камере сгорания двигателя, могут быть разделены на три основные группы. 1. Влияние нагара на объем камеры сгорания. Отложение нагара занимает часть объема камеры сгорания, поэтому в его присутствии увеличивается степень сжатия двигателя и соответственно возрастают требования к детонационной стойкости применяемых бензинов. 2. Термическое влияние нагара. Склонность топливо-воздушной смеси к детонации увеличивается с повышением температуры. Отло­ жения нагара обладают хорошими теплоизоляционными свойствами и препятствуют теплопередаче от горячих газов к охлаждающей жид­ кости. Кроме того, экспериментально установлено, что отложения име­ ют большую теплоемкость и, поглощая тепло при сгорании топлива, отдают его вновь поступающим порциям смеси, нагревая их до высо­ ких температур. Такое совместное действие, как передача тепла све­ жим порциям смеси и уменьшение отвода тепла от продуктов сгора­ ния, приводит к общему повышению температуры в камере сгорания и способствует протеканию реакций, подготавливающих детонацию. Теплопроводность нагара, образовавшегося при работе двигателя на неэтилированном бензине, примерно такая же, как теплопроводность асбеста. 3. Каталитическое влияние нагара. Горячие отложения на стенках камеры сгорания способствуют каталитическому ускорению реакций, вызывающих детонацию. Влияние каждого из перечисленных свойств нагара на повышение требований к октановому числу бензина неодинаково. Многочислен­ ные исследования показывают, что наибольшее влияние оказывает тер­ мическое действие нагара. При сгорании этилированных бензинов образуется большее коли­ чество нагаров, но в их составе содержится значительное количество продуктов разложения свинца, которые повышают теплопроводность нагара примерно в 1,5 раза. Таким образом, при использовании этилированных бензинов отно­ сительная роль объемного влияния нагара больше, чем влияние его 90 теплоизоляционных свойств на повышение требований к детонацион­ ной стойкости применяемых бензинов. Каталитическое влияние нагаров на увеличение требуемого окта­ нового числа невелико при сгорании как этилированных, так и неэти­ лированных бензинов. Ранёе уже отмечалось, что отложения нагара могут вызывать не­ управляемое воспламенение рабочей смеси. Частички углеродистого нагара, «тлеющие» в камере сгорания, могут служить источником про­ извольного воспламенения рабочей смеси, что приводит к потере мощ­ ности, возрастанию нагрузок на поршень и появлению шумов. Попадание нагара на электроды и изоляторы свечей приводит к нарушению нормальной работы свечей зажигания. Особенно ярко это явление наблюдается в случае применения бензинов, содержащих ме­ таллоорганические антидетонаторы, так как в этом случае нагары имеют повышенную электропроводность. В частности, одним из наибо­ лее существенных недостатков нового марганцевого антидетонатора является нарушение работы свечей зажигания. Усовершенствование автомобильных двигателей и повышение их мощностных и экономических показателей сопровождается увеличе­ нием степени сжатия рабочей смеси. Новые форсированные двигатели с высокими степенями сжатия и жесткими тепловыми режимами осо­ бенно чувствительны к нагарообразованию в камерах сгорания. Рабо­ чая смесь по мере повышения степени сжатия становится в конце такта сжатия все более и более подготовленной к воспламенению. Такая смесь легко воспламеняется от горячих частиц нагара. Кроме того, отложение нагара в двигателях с высокими степенями сжатия приводит к необходимости увеличения детонационной стой­ кости высокооктановых бензинов,'что связано не только с технически­ ми трудностями, но и с большими экономическими затратами. Таким образом, проблема уменьшения нагарообразования в сов­ ременных автомобильных двигателях с высокими степенями сжатия имеет первостепенное значение. Широкие исследования современных отечественных бензинов и их компонентов проведены с помощью ускоренного метода оценки на­ гарообразующих свойств топлив и масел на автомобильном карбюра­ торном двигателе. Метод, названный авторами методом ПЛ, основан на испытании ис­ следуемого образца бензина на полноразмерном двигателе в течение 1 ч. Результаты испытания оценивают по изменению веса нагарников, вставляемых на время испытания в камеры сгорания двигателя. По методу ПЛ была исследована склонность к образованию нагара у ряда товарных бензинов и их компонентов (табл. 25). Наибольшую склонность к нагарообразованию показали бензины А-66. В этих бензинах около 70% бензина термического крекинга и 30% бензина прямой перегонки. Минимальная склонность к нагаро­ образованию оказалась у бензинов Б-70 и А-72. В состав бензина А-72 входило 70% бензина каталитического крекинга и около 30% бензина прямой перегонки. Следует отметить, что количество непредельных 91 Т абл и ц а 25 Склонность к иагарообразованию товарных неэтилированных бензинов и их компонентов по методу ПЛ Бензин Прямой перегонки, образец 1 » » » 2 » » » 3 Термического крекинга, образец 1 » » » 2 Каталитического крекинга » риформинга обычного режима, образец 1 » крекинга, образец 2 » риформинга жесткого режима А-66, образец 1 А-66, » 2 А-66, » 3 А-72 А-76 Б-70 Нагарообразованне, мг/ч 5 7 13 49 43 17 21 28 42 25 21 26 13 16 9 углеводородов, содержащихся в бензине А-72, было примерно такое же, как и в бензинах А-66. При работе автомобильного двигателя на авиационном бензине Б-70 нагара образуется примерно в 2,5—3,0 раза меньше, чем на авто­ мобильных бензинах А-66. Наименьшую склонность к иагарообразованию среди компонентов автомобильных бензинов имеют продукты прямой перегонки нефти. При работе на таких бензинах нагара образуется всего от 5 до 13 мг/ч. Наибольшую склонность к иагарообразованию имеют бензины терми­ ческого крекинга и каталитического риформинга жесткого режима. При их сгорании образуется в 6—7 раз больше нагара, чем при сгора­ нии бензинов прямой перегонки. Бензины других каталитических про­ цессов по склонности к иагарообразованию занимают промежуточное положение между бензинами прямой перегонки и термического кре­ кинга. Склонность смесей бензинов к иагарообразованию, как показали исследования, изменяется по закону аддитивности. Данные по склонности к иагарообразованию отдельных компонен­ тов бензинов и аддитивность этого свойства для бензиновых смесей позволяют правильно и обоснованно подойти к решению вопросов оп­ тимального компонентного состава не только для существующих, но и для новых, перспективных сортов товарных автомобильных бен­ зинов. Склонность автомобильных бензинов к иагарообразованию зави­ сит главным образом от содержания в них непредельных и ароматиче­ ских углеводородов. Содержание непредельных углеводородов в бен­ зине с точки зрения нагарообразования имеет большее значение, чем содержание ароматических. В присутствии большого количества не­ предельных углеводородов ароматические углеводороды практически 92 не влияют на процесс образования нагара. Однако, когда непредельные углеводороды отсутствуют, добавление ароматических углеводородов в бензин приводит к увеличению нагарообразования. Добавление 30% толуола к бензину Б-70 увеличивает нагарообразование почти в 2 раза. Однако общее количество непредельных углеводородов в бензине не может служить критерием оценки его склонности к нагарообразованию. Так, в бензине А-72 непредельных углеводородов содержалось столь­ ко же, сколько в бензине А-66, а склонность его к нагарообразованию оказалась значительно ниже. Объяснение этому обстоятельству кроет­ ся в различном строении непредельных углеводородов. Известно, что в бензине термического крекинга содержатся более реакционно спо­ собные непредельные углеводороды, чем в бензине каталитического крекинга. Однако современные высокооктановые бензины либо вообще не содержат непредельных углеводородов, либо содержат небольшое количество относительно неактивных углеводородов этого класса. Склонность к нагарообразованию таких бензинов обусловливается количеством и строением ароматических углеводородов. С повышением молекулярного веса ароматического углеводорода и температуры ки­ пения его влияние на нагарообразование, как правило, увеличи­ вается. Следует полагать, что в процессе образования нагара в карбюра­ торном двигателе испаряемость углеводородов приобретает решаю­ щее значение. Низкокипящие ароматические углеводороды (бензол и толуол) успевают испариться во впускной системе двигателя и в предпламенных стадиях, находясь в паровой фазе, не подвергаются окис­ лению, конденсации и уплотнению с последующим образованием угле­ водистых продуктов, составляющих нагар. Высококипящие аромати­ ческие углеводороды, долгое время оставаясь в жидкой фазе, под воздействием высоких температур претерпевают окислительные пре­ вращения и служат источником образования нагара. Испытания на двигателях показали, что с увеличением количества ароматических углеводородов склонность этилированных бензинов к нагарообразованию также возрастает. Ароматические углеводороды являются ценными составляющими автомобильных бензинов, так как обладают высокой детонационной стойкостью. Однако содержание их в товарных бензинах должно быть ограничено вследствие повышения нагарообразования в двигателе. Прямое сопоставление детонационной стойкости бензинов и их склон­ ности к нагарообразованию в зависимости от содержания ароматичес­ ких углеводородов (рис. 37) позволило предложить норму содержания ароматических углеводородов в товарных автомобильных бензинах. Установлено, что удельный прирост количества нагара в камере сгорания, т. е. прирост количества нагара в результате добавления ароматических углеводородов в количестве, соответствующем повыше­ нию детонационной стойкости топлива на одну октановую единицу, остается практически неизменным для различных ароматических угле­ водородов, когда содержание их в бензине изменяется в пределах от 0% до 40—45%. При большем содержании ароматических угле93 водородов резко повышается удельный прирост количества нагара (см. рис. 37). Таким образом, содержание ароматических углеводородов в то­ варных автомобильных бензинах не должно быть более 40%. Эта нор­ ма нуждается в дальнейшем обосновании и проверке в эксплуатацион­ ных условиях. Среди неуглеводородных примесей наибольшее влияние на нагарообразование могут оказывать сернистые и кислородные соединения./ Об участии сернистых соединений в образовании нагаров говорит то, что в составе нагаров всегда отмечается относительно большое со­ держание серы. Прямые испытания бензинов с различным количеством серы показали, что с увеличением содержания серы в бензине возраста­ ет его склонность к нагарообразованию, а именно: Содержание серы в бензине, % . . . Количество нагара, г 0,046 0,100 1,90 2,93 0.200 4,26 0,367 5,67 Различное содержание фактических смол в бензине в пределах до­ пустимых норм практически не влияет на нагарообразование в дви­ гателе. Однако при длительной работе двигателя на бензинах с боль­ шим содержанием фактических смол или даже при кратковременных испытаниях бензинов с чрезвычайно большим количеством смол заме­ чено некоторое увеличение нагарообразования, которое является след­ ствием механического уноса некоторой части смолистых отложений из впускной системы в камеру сгорания двигателя. Все меры по снижению нагаро­ образования в двигателе можно разделить..на.три группы. В первую группу входят конст­ 'у руктивные мероприятия, направ­ /у ленные на совершенствование про­ цесса сгорания, увеличение пол­ ноты сгорания. х/Рл Вторая группа связана с регу­ лированием химического и фрак­ ,1 ционного состава применяемых и в топлив. Снижение температуры Ъ й М ' конца кипения, ограничение содер­ 0 20 00 60 80 жания непредельных и ароматиче­ Содерж ание ароматических. ских углеводородов в бензинах, углеВодородод, % уменьшение содержания серы — все это способствует снижению Рис. 37. Зависимость удельного на­ гарообразования от содержания нагарообразования. Однако пере­ в бензине ароматических углеводоро­ численные выше меры не находят дов: широкого практического примене­ / — бензин прямой перегонки + бензин ри­ форминга; 2 — бензин прямой перегон­ ния, так как связаны с уменьше­ ки + параксилол; 3 — бензин прямой пе­ регонки + бутилбензол; 4 — бензин пря­ нием ресурсов автомобильных бен­ мой перегонки + толуол; 5 — бензин пря­ зинов и изменением ряда других мой перегонки + этилбензол; 6 — бензин прямой перегонки + бензол эксплуатационных свойств. 94 Третий путь влияния на нагарообразование в двигателе — добав­ ление присадок к бензину. Это направление используется для сниже­ ния нагарообразования при применении тетраэтилсвинца (выносители) и для предотвращения неуправляемого воспламенения от частичек нагара (присадки, содержащие фосфор). Присадки, уменьшающие общее количество нагара в двигателе, пока не нашли практического применения. § 8. КОРРОЗИОННАЯ АГРЕССИВНОСТЬ Коррозионные свойства бензинов Автомобильные бензины при транспортировке, хранении и приме­ нении соприкасаются с самыми различными металлами. Сталь трубо­ проводов и резервуаров, медь, латунь и другие сплавы топливных сис­ тем автомобилей подвергаются коррозионному разрушению под дей­ ствием автомобильных бензинов. Коррозия металлов в нефтепродуктах в присутствии влаги носит электрохимиче­ ский характер. В условиях реального хра­ нения и применения бензинов наряду с электрохимической коррозией имеют место и чисто химические процессы, но общий коррозионный эффект определяется элек­ трохимическим процессом, поскольку ско­ рость его при умеренных температурах значительно превосходит скорость химиче­ ской коррозии агрессивными компонента­ ми бензина. Для оценки общей коррозионной агрес­ сивности топлив предложен прибор (рис. 38), представляющий собой двухстеиную колбу. Во внутренней колбе, которая слу­ жит резервуаром для испытуемого топлива, имеется полый стеклянный столик 6 для размещения металлической пластинки 5 и желобок-канавка 4, в которую заливается дистиллированная вода для создания мак­ симальной влажности воздушной среды и топлива. Внешняя колба (водяная рубаш­ ка внутренней колбы) снабжена отводами для подачи воды из термостата. Колба закрывается пришлифованной пробкой 1, оборудованной водяным затво­ ром 2. Топливо заливают во внутреннюю Рис. 38. Схема прибора для агрес­ колбу прибора, а на стеклянный столик, оценки коррозионной сивности бензинов: охлаждаемый водопроводной водой, поме­ 1 — пробка с водяным затво­ 2 водяной затвор; 3 — щают металлическую пластинку, по убыли ром; двухстенная колба; 4 — желобоквеса которой, судят о коррозионной агрес­ канавка для воды; 5 — металли­ ческая пластинка; 6 — стеклян­ сивности топлив. ный столик, охлаждаемый водой 95 Углеводороды, входящие в состав бензинов, не оказывают коррози­ онного воздействия на металлы и сплавы. Коррозионная агрессивность бензинов обусловливается содержащимися в них неуглеводородными примесями и, в первую очередь, сернистыми и кислородными соедине­ ниями и водорастворимыми кислотами и щелочами. Водорастворимые кислоты и щелочи являются, как правило, слу­ чайными примесями бензина. Из этой группы коррозионных агентов чаще других может присутствовать щелочь. По существующей техно­ логии компоненты автомобильных бензинов промываются раствором щелочи крепостью 8—12%. После защелачивания бензины промыва­ ются водой. При недостаточной отмывке бензина после защелачивания в нем могут оставаться следы щелочи. Присутствие следов серной кислоты или ее кислых эфиров в оте­ чественных бензинах практически исключено, так как сернокислотная очистка бензиновых дистиллятов на наших заводах не применяется. Среди водорастворимых кислот могут оказаться сульфокислоты, обра­ зующиеся при глубоком окислении некоторых сераорганических сое­ динений. Другие водорастворимые кислоты и щелочи могут попасть в бензин при использовании недостаточно чистой тары, трубопроводов и т. д. Водорастворимые кислоты вызывают сильную коррозию любых ме­ таллов, а щелочи корродируют алюминий, поэтому присутствие их в автомобильных бензинах недопустимо. Водорастворимые кислоты и щелочи определяют качественной пробой по ГОСТ 6307—60. Бензин взбалтывается с равным количеством воды в делительной воронке и проверяется реакция водной вытяжки с помощью индикаторов —метилоранжа и фенолфталеина. Кислородные соединения в отличие от водорастворимых кислот и щелочей не являются случайными примесями бензинов, а всегда со­ держатся в них в том или ином количестве. Кислородные соединения могут переходить в бензин из нефти или ее дистиллятов в процессах нефтепереработки, а также могут образовываться при окислении наи­ более нестабильных углеводородов бензина при его хранении и транс­ портировке. Среди кислородных соединений, попадающих в бензин из нефти, наибольшей коррозионной агрессивностью обладают нафтеновые кис­ лоты. Однако они оказывают заметное коррозионное действие только на свинец и цинк, на прочие цветные металлы, а тем более на черные, они действуют незначительно. Обычно в бензинах присутствует очень незначительное количество нафтеновых кислот, которое регламентируют нормой на кислотность только что выработанного бензина. Кислотность бензина определяется по ГОСТ 5985—59 путем извлечения кислот из бензина кипящим этило­ вым спиртом и последующим титрованием спиртовым раствором едкого кали. Кислотность выражается в миллиграммах едкого кали (КОН), необходимого для нейтрализации кислот, находящихся в 100 мл бен­ зина. Кислотность бензинов прямой перегонки и свежеполученных бен­ зинов вторичного происхождения обычно не превышает 0,3—0,5 мг КОН/ЮО мл. Товарные автомобильные бензины при выпуске с за96 вода могут иметь и более высокую кислотность (до 3 мг КОН/100 мл) за счет кислых свойств антиокислителей фенольного типа, добавля­ емых для химической стабилизации бензинов. Однако коррозионная агрессивность фенолов, как правило, очень низкая, а некоторые из них являются хорошими ингибиторами коррозии. Кислотность бен­ зинов, содержащих фенольные соединения, может иногда снижаться при хранении по мере расходования антиокислителя. Основное количество кислородных соединений образуется в бензи­ не при его хранении и транспортировке. Кислые продукты окисления нестабильных соединений обладают значительно большей коррозион- J ' ной агрессивностью, чем нафтеновые кислоты. 'С С / Установлено, что в процессе хранения одновременно с ростом со­ держания смолистых веществ в бензинах увеличивается их коррозион­ ная агрессивность. Однако содержание смолистых веществ в бензине достигает предельно допустимых величин (15 мг/100 мл — для бензина А-66 и 10мг/100 мл — для бензина А-72) значительно раньше, чем на­ чинает заметно увеличиваться коррозионная агрессивность (табл. 26). Таким образом, ограничение содержания фактических смол в товарных бензинах одновременно предотвращает резкое увеличение коррозион­ ной агрессивности бензинов при хранении. В течение допустимого срока хранения, установленного главным образом по нарастанию содержа­ ния смолистых веществ, коррозионная агрессивность большинства то­ варных автомобильных бензинов изменяется незначительно. Т а б л и ц а 26 Изменение содержания продуктов окисления и коррозионной агрессивности бензинов при хранении (температура хранения 40—50 °С) Бензин Термического крекинга То же » Срок хране­ ния, месяцев Исходный 3 6 А-66 » » » А-72 » » » Исходный 3 9 12 Исходный 6 10 12 Содержание фактических смол, мг/100 мл Кислотность, мг КОН/100 мл Коррозия стальной пластинки, г/м2, при 70 °С, 4 ч 4,8 22,8 64,6 3,6 6,0 31,8 72,0 2,8 3,8 12,0 14,4 0,5 1,2 1,8 0,2 0,2 0,4 1,4 0,0 0,4 1,0 1,6 2,5 3,8 6,0 4,0 3,5 4,6 6,3 2,0 4,0 4,6 9,5 . Сернистые соединения, содержащиеся в бензинах, по их коррози­ онной агрессивности в условиях хранения и применения принято делить на активные и неактивные. Из соединений активной среды в бензиновых дистиллятах могут присутствовать сероводород, элементарная сера и меркаптаны. Суще­ ствующие методы промывки и защелачивания компонентов автомобиль­ 4 Зак 541 97 ных бензинов на заводах промышленности обеспечивают отрицатель­ ную пробу товарных бензинов на коррозию медной пластинки по ГОСТ 6321—52. Отрицательная проба на медную пластинку говорит о том, что содержание сероводорода в бензине не более 0,0003, а элементарной серы не более 0,0015%. В таких концентрациях указанные соединения практически не влияют на коррозионную агрессивность бензинов. В товарных автомобильных бензинах в наибольшем количестве могут присутствовать меркаптаны различного строения (табл. 27). Т а б л и ц а 27 Содержание меркаптановой серы и коррозионная агрессивность автомобильных бензинов и их компонентов Бензин Каталитического крекинга Термического крекинга » риформинга » крекинга Каталитического риформинга Б-70 А-72 А-72 А-76 А-66 А-66 АИ-93 «Экстра» Содержание мер каптановой серы, % 0,0077 0,0058 0,0267 0,0102 Отсутствует 0,0003 0,0008 0,0041 0,0013 0,0111 0,0095 0,0003 0,0032 Коррозия сталыъгх иластии, г/м* 2,9 2,5 8,9 4,5 0,8 2,2 2,0 4,0 1,8 6,2 4,5 1,2 2,2 Подавляющее большинство бензинов содержит менее 0,01% мер­ каптановой серы и имеет относительно невысокую коррозионную аг­ рессивность (до 4,2—4,5 г/м2). Применение таких бензинов в обычных климатических условиях, как правило, не сопровождается значитель­ ной коррозией тары, топливопроводов, арматуры и т. д. Однако при использовании автомобильных бензинов в районах с большой влажностью, а также при сильном обводнении бензинов вопросы борьбы с коррозией металлов приобретают важное значение. В этих условиях на металлических поверхностях часто создается плен­ ка влаги, которая резко ускоряет коррозионные процессы. ( Для уменьшения коррозионной агрессивности автомобильных бен­ зинов могут использоваться антикоррозионные присадки. К оррозия деталей двигателя продуктами сгорания сернистых бензинов В процессе сгорания топливо-воздушной смеси в двигателе все сернистые соединения образуют сильно корродирующие окислы серы S 0 2 И SOg. Коррозионное действие окислов серы по отношению к металлам может проявляться при различных температурных условиях (рис. 39). При относительно низкой темпера­ туре, когда возможна конденсация водяных паров из продуктов сгора­ ния, имеет место электрохимиче­ ская коррозия (зона /) под дейст­ вием серной или сернистой кислот (растворение S 0 2 и S 0 3 в воде про­ исходит весьма быстро). При температуре выше критиче­ ской (/кр), т. е. выше «точки росы», конденсации влаги на поверхностях Рис. 39. Зависимость коррозии в ка­ не происходит и имеет место высо­ мере сгорания от температуры кор­ родируемой поверхности котемпературная сухая газовая химическая коррозия (зона //). Существует область оптимальных температур (/опт), в пределах которой наблюдается минимальная коррозия. Следует отметить, что снижение температуры ниже оптимальной приводит к резкому увели­ чению скорости электрохимической коррозии, тогда как газовая кор­ розия увеличивается с повышением температуры не столь быстро. Таким образом, с точки зрения коррозионного воздействия продуктов сгорания сераорганических соединений высокотемпературные режимы менее опасны, чем низкотемпературные. В практике эксплуатации отмечено, что при прочих равных условиях в двигателях с воздушным охлаждением коррозия оказывает меньшее влияние на износ цилин­ дров, чем в двигателях с водяным охлаждением. Кроме того, в двига­ телях с воспламенением топливо-воздушной смеси от искры (в карбю­ раторных двигателях) коррозия оказывает более сильное влияние на износ цилиндров, чем в двигателях с воспламенением топливо-воздуш­ ной смеси от сжатия. Уменьшение числа оборотов и переход на частич­ ные нагрузки, связанные с переохлаждением цилиндров, приводят к увеличению коррозионного износа. Наибольшая роль коррозион­ ных процессов в общем износе двигателя наблюдается при пуске дви­ гателя, особенно в зимнее время, и при его эксплуатации с частыми и длительными остановками. Коррозионная агрессивность продуктов сгорания сернистых бен­ зинов существенно зависит от количества содержащихся в них окислов серы SOa и S 0 3. Оба окисла серы являются коррозионно-агрессивными компонентами, но S 0 3 оказывает наибольшее действие. Доказано, что если в продуктах сгорания топлива присутствует только S 0 2, износ колец увеличивается в 4 раза, а при введении S 0 3 в количестве V3 от S 0 2 износ колец возрастает в 40 раз. Основным объектом низкотемпературной коррозии продуктами сгорания является цилиндро-поршневая группа двигателя. Возмож­ ность конденсации паров воды или серной кислоты, в первую оче­ редь, зависит от температуры деталей двигателя, которая во время работы непрерывно изменяется. Исследования показали, что конден­ сация продуктов сгорания и образование пленки электролита наибо­ лее возможны в верхней части цилиндра. При этом вследствие большой неравномерности распределения температур по окружности, характер­ 4* 99 ной для указанной части цилиндра, конденсация может быть местной, т. е. будет происходить только на тех участках, температура которых ниже критической. Величина и рас­ положение таких участков опре­ деляются конструктивными особен­ ностями двигателей. Так, для кар­ бюраторных двигателей с односто­ ронним расположением клапанов в блоке цилиндров зона наимень­ ших температур верхней части ци­ линдра расположена против клапа­ нов, в силу чего эта зона наиболее сильно увлажняется конденсатом 0,05 0J 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 и наиболее подвержена коррозии. Содерж ание серы В бензине, % Многочисленными исследовани­ Рис. 40. Влияние содержания серы ями установлено, что износы де­ в бензине на износ деталей двига­ телей «Москвич» за 210 ч работы на талей двигателей возрастают с уве­ стенде: личением содержания серы в бен­ / — стержень клапана; 2 — втулка шату­ зине (рис. 40). Наиболее интенсив­ на; 3 — бобышки поршня; 4 — вкладыш шатуна; 5 — цилиндр; 6 — шатунная шей­ но износ нарастает при увеличении ка; 7 —поршневое кольцо; 8 — втулка клапана содержания серы с 0,05 до 0,1 %. Непосредственным практиче­ ским результатом коррозионного воздействия серы на двигатель является ухудшение мощностных и эко­ номических показателей двигателей в результате износа деталей, вслед­ ствие нарушения первоначальных регулировок и ухудшения проте­ кания рабочего процесса ввиду интенсивного нагароотложения. С повышением содержания серы в бензине, кроме того, увеличи­ вается кислотность масла в двигателе и содержание в нем кокса, золы и железа. Окисленные и полимеризованные продукты выпадают из масла в осадок, образуя шламы и прочие отложения. Приведенные данные свидетельствуют о том, что общее содержание серы в бензинах оказывает весьма существенное влияние на долговеч­ ность автомобильного двигателя. Установлено, что содержание серы в автомобильных бензинах не должно быть более 0,05—0,10%. § 9. н и з к о т е м п е р а т у р н ы е с в о й с т в а Более половины территории нашей страны занимают северные и се­ веро-восточные районы с суровыми климатическими условиями. При­ менение нефтепродуктов в этих районах имеет некоторые особен­ ности. При понижении температуры из топлива могут выделяться капель­ ки воды или образовываться микрокристаллы углеводородов, вслед­ ствие чего топливо мутнеет. Эту температуру принято называть тем­ пературой помутнения. 100 При дальнейшем охлаждении в топ­ ливе могут появиться крупные кристал­ лы, видимые невооруженным глазом. Эту температуру принято называть темпера­ турой начала кристаллизации. При более низкой температуре проис­ ходит сращивание кристаллов и топливо теряет подвижность. Такую температуру называют температурой застывания. Большая часть углеводородов, входя­ щих в состав автомобильных бензинов, застывает при очень низких темпера­ турах. Отдельные углеводороды, имеющие довольно высокие температуры застыва­ Рис. 41. Влияние температуры бен­ ния, если и содержатся в бензинах, то на растворимость воды взинах: в очень небольшом количестве и в смеси / — А-Н6; 2 — А-72; 3 — А-7В; 4 — АИ-93; .5 — бензол с другими углеводородами не оказывают существенного влияния на температуру застывания. Поэтому обычные товарные автомобильные бензины за­ стывают при температуре ниже минус 60°С и с этой точки зрения никаких неприятностей при эксплуатации не вызывают. Наибольшие осложнения при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур связаны с образованием в бензинах кристаллов льда. Вода может содержаться в бензине в растворенном состоянии и в виде второй фазы в емкости с бензином. В растворенном состоянии в бензине может содержаться очень не­ большое количество воды. Даже в наиболее гигроскопичном угле­ водороде— бензоле — растворимость воды при 20°С составляет всего 0,0582%. Однако даже в таких количествах растворенная в бензине вода может вызвать нарушения в работе двигателя, особенно при отри­ цательных температурах. Содержание воды в автомобильных бензинах зависит от внешних условий и от химического состава бензина. Наибольшей растворяю­ щей способностью по отношению к воде обладают ароматические угле­ водороды. Чем больше в бензине ароматических углеводородов, тем большее количество воды он способен растворить. Растворимость воды в бензинах зависит от температуры и влаж­ ности воздуха. С понижением температуры углеводородов и бензинов растворимость воды в них уменьшается (рис. 41). Температурная за­ висимость растворимости воды в углеводородах и бензинах может быть выражена следующим уравнением: ]g C = A - ± , где С — содержание воды при температуре t, %; А и В — постоянные величины. 101 Графически эта зависимость может быть выражена прямой лини­ ей в полулогарифмических координатах. Снижение влажности воздуха также ведет к уменьшению количест­ ва воды, растворенной в бензине (рис. 42). Содержание воды в бензи­ нах прямо пропорционально относительной влажности воздуха С ~ ^-"тах ’Ф* где С — содержание воды при данной влажности воздуха; Стах — содержание воды при 100-процентной влажности; ф — относительная влажность воздуха. Аналогичный характер имеет зависимость растворимости воды от атмосферного давления (см. рис. 42). Содержание воды в бензинах определяется давлением водяных паров над топливом, поэтому при снижении атмосферного давления и соответственного уменьшения дав­ ления водяных паров происходит снижение количества воды, раство­ ренной в бензинах. Вода, растворенная в бензине, находится в состоя­ нии подвижного равновесия с водой, содержащейся в воздухе. При этом переход воды из бензина в воздух и из воздуха в бензин происходит довольно быстро. Экспериментально установлено, что при толщине слоя топлива 5 мм уже через 30 с содержание воды в топливе достигает максимального значения, обусловленного температурой, влажностью и атмосферным давлением. При толщине слоя топлива 15 мм полное насыщение топлива водой достигается примерно через 10 мин, а при толщине слоя 29 мм — через 25—30 мин. Многочисленные опыты показали, что обезвоженное топливо довольно быстро вновь насыщается водой. Таким образом, изменения температуры бензина и воздуха, влаж­ ности воздуха и атмосферного давления приводит к изменению содер­ жания воды в бензине. При недостатке воды в бензине происходит по- Рис. 42. Влияние относи­ тельной влажности воздуха и атмосферного давления на содержание воды в бен­ зине: Л — А-66; 2 — А 72; в - А-76; 4 — АИ-93 О т н о си т гл ы т я влаж ност ь 8о зд у ха ,% 760 660 560 460 360 260 160 60 0 Атмосферное давление}мп рт.ст. 102 глощение влаги из воздуха, в свою очередь, излишняя влага из бензина может переходить в воздух. Если охлаждение бензина происходит очень быстро, тр вода во время охлаждения не успевает перейти из бензина в воздух и выделяет­ ся в виде второй жидкой фазы. Если выделение воды из бензина про­ исходит при отрицательных температурах, то в бензине образуются кристаллы льда. Кристаллы льда могут попасть в бензин извне в виде инея, осыпа­ ющегося со стенок резервуаров. Кристаллы льда, образующиеся в бензине, попадая в систему пи­ тания двигателя, задерживаются фильтром, что приводит к частичному, а затем и полному забиванию фильтровальной перегородки и прекра­ щению подачи бензина в двигатель. Для борьбы с забивкой фильтров кристаллами льда предложены различные конструктивные меры, методы обезвоживания топлив и присадки, устраняющие кристаллообразование. Все эти мероприятия разрабатывались в авиации применительно к самолетным двигателям и в практике применения автомобильных бензинов пока не использу­ ются. § 10. АССОРТИМЕНТ БЕНЗИНОВ Современные товарные автомобильные бензины, как правило, готовят смешением нескольких компонентов. Непосредственное полу­ чение товарных бензинов в готовом виде на отдельных нефтеперера­ батывающих установках невозможно по ряду соображений техниче­ ского и экономического характера. Смешение компонентов позволяет получать товарный продукт с заданными показателями качества при рациональном использовании физических и химических свойств каж­ дого компонента. Смешение позволяет, например, при изготовлении товарных бензинов вовлекать бензиновые фракции с недостаточно высокой детонационной стойкостью, которая затем улучшается добав­ лением высокооктановых компонентов. Кроме того, получение товар­ ных бензинов путем смешения позволяет наиболее полно использовать все ресурсы бензиновых фракций, имеющихся на заводе. Основными показателями, определяющими компонентный состав товарных бензинов, являются требования по детонационной стойкости и по фракционному составу. Иногда содержание тех или иных компо­ нентов в товарных бензинах ограничивается требованиями по содер­ жанию серы, химической стабильности и т. д. Во все современные товарные автомобильные бензины добавляются присадки, улучшающие одно или несколько эксплуатационных свойств. Качество отечественных товарных автомобильных бензинов регла­ ментируется ГОСТом. По мере развития автомобильного двигателестроения и повышения требований к качеству применяемых бензинов в ГОСТ вносят изменения и дополнения и периодически пересматри­ вают весь ГОСТ в целом. Например, в 1956 г. был введен в действие ГОСТ 2084—56, предусматривающий выработку четырех марок бен­ зина А-66, А-72, А-74 и А-76. Впоследствии в связи с созданием двига­ 103 телей с высокой степенью сжатия (автомобили .ЗИЛ-111 и ГАЗ-13 «Чайка») потребовался бензин с более высоким октановым числом. На основании этих требований был разработан бензин «Экстра», который вырабатывается по специальным техническим условиям. В 1967 г. вве­ ден в действие ГОСТ 2084—67, по которому вырабатываются автомо­ бильные бензины марок А-66, А-72, А-76, АИ-93 и АИ-98 (табл. 28). Такое обилие марок товарных бензинов связано с разнообразием требований к детонационной стойкости топлив двигателей автомобилей, находящихся в эксплуатации. Бензин А-66 предназначен для эксплуатации двигателей автомоби­ лей, уже снятых с производства или выпускающихся в ограниченном количестве (ЗИЛ-150, ЗИЛ-164, ГАЗ-51 и др.). В Москве все эти авто­ мобили эксплуатируются на бензине марки А-72. Бензины А-72 и А-76 предназначены для двигателей новых отече­ ственных автомобилей, выпускаемых автомобильной промышленно­ стью. Бензин А-76 в ближайшее время должен стать основным топливом для двигателей грузовых автомобилей, например ЗИЛ-130 и ГАЗ-66, производство которых непрерывно растет. Бензин АИ-93 предназначен для использования на новых моде­ лях двигателей легковых автомобилей («Жигули», «Москвич-412», ГАЗ-24 «Волга») и частично на существующих (Урал-375) и перспектив­ ных двигателях грузовых автомобилей. Бензин АИ-98 должен удовлетворить требования перспективных двигателей легковых автомобилей высшего класса. Количество и качество компонентов, применяемых для приготов­ ления тех или иных марок товарных автомобильных бензинов, суще­ ственно различаются и, в частности, зависят от технологических воз­ можностей завода. Компонентный состав товарных бензинов одной и той же марки и одного и того же вида, но производства различных нефтеперерабатывающих заводов может очень существенно различать­ ся, тем более что химический состав товарных бензинов ГОСТом не регламентируется. Даже бензины одной марки, выработан­ ные одним заводом в разное время, могут отличаться по компонент­ ному составу в связи с проведением планово-предупредительных ре­ монтов отдельных установок, изменением программы завода по вы­ пуску продуктов и т. д. Однако общие положения при получении товарных бензинов раз­ личных марок следующие (табл. 29). Бензин А-66 готовят смешением в основном двух компонентов — бензинов прямой перегонки и термического крекинга. На некоторых заводах в небольшом количестве добавляются компоненты, полученные каталитическими процессами. Для получения зимнего бензина А-66 применяют низкокипящие компоненты типа газового бензина, отра­ ботанной бутанбутиленовой фракции и т. д. Бензин А-72 готовят с применением большего количества компонен­ тов каталитических процессов. В основном используются бензины ка­ талитического крекинга и платформинга'обычного режима. В неболь­ шом количестве добавляются бензины прямой перегонки и терми­ ческого крекинга. 104 Т а б л и ц а 28 Основные показатели отечественных автомобильных бензинов Показатели Л-66 А-72 А-76 АИ-93 АИ-98 Детонационная стойкость, не менее: октановое число, опреде­ ляемое по моторному методу октановое число, определя­ емое по исследовательс кому методу Содержание тетраэтилсвинца, r/кг, не более 66 72 76 85 89 93 98 0,82 0,82 Не нормиру ггся 0,60 Отсутст­ вует 0,41 Фракционный состав: температура начала пере­ гонки, °С, не ниже: 35 35 летнего бензина 35 35 35 зимнего » Не нормир>ч;тся Температура перегонки, °С, не выше: 10 % 79 70 летнего бензина 70 70 70 — 65 55 зимнего » 55 55 50 % 125 115 115 летнего бензина 115 115 115 100 100 зимнего » 100 — 90 % 195 180 180 летнего бензина 180 180 160 160 160 зимнего » 160 Температура конца кипения, " °С, не выше: 205 195 195 летнего бензина 195 195 _ 185 185 185 зимнего » 185 1,5 остаток в колбе, %, не более 1,5 1,5 1,5 1,5 4,0 4,0 » и потери, %, » » 4,0 4,0 4,0 Давление насыщенных паров, мм рт. ст.: летнего бензина, не более 500 500 500 500 500 зимнего » » » 500—700 500—700 500—700 500—700 500—700 Кислотность, мг КОН на 100 мл 3 3 3 3 3 бензина, не более Содержание фактических смол, мг на 100 мл бензина, неболее: на месте производства бен5 5 5 зина при его поставке 7 5 на месте потребления бен15 10 7 7 10 зина Индукционный период на мес­ те производства бензина, до 900 900 450 900 этилирования, мин, не менее 600 0,15 0,12 0,10 0,10 0,10 Содержание серы, %, не более Испытание на медной пластинВыдерживают ке 105 Продолжение т абл. 28 Содержание водорастворимых кислот и щелочей, механи­ ческих примесей и воды Цвет Отсутствуют Бесцвет-1Зеленый ный J Оран­ жевый АИ-93 АИ-98 Синий Желтый А-76 А-72 А-66 11оказатслн 2 1 Бензин прямой пере­ 55 гонки Бензин термического 45 крекинга Бензин каталитиче­ _ ского крекинга Бензин платформинга _ обычного режима Бензин платформинга жесткого режима — Газовый бензин Бутанбутиленовая — фракция Содержание ТЭС, 0 ,6 г/кг, не более Алкилат или алкибензин — 3 2 3 1 51 55 30 10 5 20 34 29 _ 10 5 10 13 6 70 _ 70 _ _ 8 _ _ 1 2 7,5 23 18 8 , 0 15 __ _ _ 30 — _ ___ 7,0 30 _ _ _ _ _ От- 0 ,6 сутствует 2 75 15 70 60,0 40 2 — 3 — 3 1 2 10 5 2 _ — 7,5 3 _ __ 77 — 47 2 3 АИ-98 Т а б л и ц а 29 Некоторые варианты компонентного состава товарных автомобильных бензинов, принятые на нефтеперерабатыв ющих заводах СССР Содержание компонентой в Toiарном бензине, % Компоненты и присад­ А-72 АИ- )3 А- 66 А-76 ки _ _ 65 65 — — 2 Отсут ст- 0,82 От сУт- 0,82 0,82 От- 0,82 вует ств ует сутствует — — — 10,0 — 3 35 35 Бензин А-76 является по существу тем же бензином А-72, только с добавлением этиловой жидкости. Поэтому компонентный состав бен­ зинов А-76 и А-72 весьма близок. При получении бензина А-76 в неэти­ лированном виде несколько увеличивается содержание компонентов каталитических процессов, иногда используется бензин платформинга жесткого режима, либо в целом виде, либо после извлечения из него толуола. Бензин АИ-93 готовят смешением компонентов, полученных только каталитическими процессами. Базовым компонентом бензина АИ-93 является бензин платформинга жесткого режима. Для обеспечения требований по фракционному составу добавляют бензин прямой пере­ гонки и низкокипящие углеводороды и фракции. С целью повышения равномерности распределения октановых чисел по фракциям в бензин платформинга жесткого режима добавляют алкилат. 106 Бензин АИ-98 вырабатывают в ограниченном количестве, и какойлибо твердо установленной технологии его получения пока не разра­ ботано. Для улучшения эксплуатационных свойств в товарные автомо­ бильные бензины добавляются присадки. Как правило, все товарные автомобильные бензины выпускаются с заводов нефтеперерабатывающей промышленности с запасом качества по основным показателям. Наименьший запас качества обычно бывает по детонационной стойкости. Октановое число товарных бензинов либо точно соответствует установленным требованиям, либо превышает их на десятые доли октановой единицы. Содержание ТЭС в товарных бензинах обычно ниже предельной нормы, установленной требованиями ГОСТа. По фракционному составу товарные автомобильные бензины имеют весьма существенный запас качества, что позволяет использовать све­ жие бензины для исправления качества некондиционных бензинов по фракционному составу за счет смешения. Содержание серы в товарных автомобильных бензинах может коле­ баться от 0,01 до 0,3%. На большинстве нефтеперерабатывающих за­ водов вырабатываются бензины с содержанием серы до 0,10—0,15%, однако для некоторых заводов разрешен выпуск бензинов с содер­ жанием серы до 0,3%. По содержанию фактических смол и кислотности свежие бензины обычно имеют значительный запас качества. Перспективы развития производства товарных автомобильных бен­ зинов в нашей стране связаны с увеличением доли выработки высоко­ октановых бензинов за счет снижения доли низкооктановых. Для повышения детонационной стойкости товарных бензинов на нефте­ перерабатывающих заводах вводятся новые установки каталитического риформинга, алкилирования и других процессов, дающие высоко­ октановые компоненты. Высокооктановые бензины имеют более высокое качество. Они отличаются меньшим содержанием общей и меркаптановой серы, меньшей коррозионной агрессивностью, более высокой химической стабильностью, меньшим содержанием смолистых ве­ ществ и т. д. Таким образом, эксплуатационные свойства бензинов в перспективе будут улучшаться практически по всем показателям. В ближайшее время следует ожидать расширения ассортимента при­ садок, добавляемых к бензинам, и повышения их эффективности, что позволит повысить надежность и долговечность двигателей. В заводской инструкции на автомобиль указывается марка бен­ зина, на котором двигатель автомобиля успешно прошел длительные заводские испытания и который является для него основным топли­ вом. При отсутствии рекомендуемого топлива можно эксплуатировать автомобили на других марках автомобильных бензинов, имеющих бо­ лее высокие антидетонационные свойства. Опыт показывает, что ав­ томобильные двигатели успешно работают на бензине А-72 вместо А-66 и на бензине А-76 вместо А-72. При этом следует иметь в виду, что существенного улучшения работы двигателя в случае таких замен не происходит, а стоимость более высокооктановых бензинов всегда выше, чем низкооктановых, 107 При использовании бензинов с высоким октановым числом на дви­ гателях с небольшой степенью сжатия наблюдались прогары клапанов и другие неполадки в работе. Применение бензинов с более низкой детонационной стойкостью, чем указано в инструкции на автомобиль, недопустимо, так как это ведет к возникновению детонации и прогару прокладки головки ци­ линдров, увеличению износов, а иногда и поломке деталей. При отсутствии автомобильных бензинов допускается в течение не­ которого времени (в исключительных случаях) использовать авиа­ ционные бензины или их смеси (табл. 30). Т а б л и ц а 30 Основные показатели отечественных авиационных бензинов Показатели Содержание тетраэтилсвинца, г/кг, не более Детонационная стойкость (октановое число по моторному методу), не менее Низшая теплота сгорания, ккал/кг, не менее Фракционный состав: температура начала перегонки, °С, не ниже Температура переюнки, °С, не выше: 10 % 50 % 90 % 97,5 % остаток и потери, % , не более » %, не более Давление насыщенных паров, мм рт. ст.: не менее не более Кислотность, мг КОН/100 мл, не более Температура начала кристаллизации, °С, не выше Йодное число, г йода на 100 г бензина, не более Содержание ароматических углеводородов, % Содержание фактических смол в 100 мл бензина, мг, не более Содержание серы, %, не более Содержание парооксидифениламина, % Период стабильности, ч, не менее Испытание на медной пластинке Содержание водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды Прозрачность Цвет Б-91/1 15 Б -100/130 6-95/130 2,7 3,3 2,5 98,6 95 91 10 300 10 300 10 300 40 40 40 40 75 105 145 180 2,5 1,5 82 105 145 180 2,5 1,5 82 105 145 180 2,5 1,5 88 105 145 180 2,5 1,5 240 360 1 220 360 360 1 220 360 1 —60 -6 0 —60 -6 0 10 10 2 2 — — 3 0,05 0,004— 0,005 8 — 3 0,05 0,004— 0,005 3 0,05 0,004— 0,005 8 8 — 70 — — 1 12—20 2 0,05 — . Выдерживают Отсут ствуют Проз эачный Ярко- Желтый Зеленый Бес цветный оранже­ вый i 108 Б-70 Следует отметить, что даже авиационный бензин Б-70 не полностью соответствует требованиям автомобильных двигателей, рассчитанных на применение бензина А-66. Этот бензин имеет несколько более высо­ кую температуру выкипания 10%, поэтому пусковые свойства его хуже, чем у автомобильных бензинов. Другие сорта авиационных бен­ зинов содержат много ТЭС (в 3—4 раза больше, чем это допускается для автомобильных топлив). Рекомендовать какие-либо постоянные, строго определенные соот­ ношения топлив для приготовления заменителей невозможно ввиду весьма значительных колебаний в показателях качества товарных об­ разцов. Необходимо иметь в виду, что пользоваться заменителями мож­ но лишь в течение ограниченного времени. Глава 111 ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА 'Все более широкое применение в качестве силовых установок полу­ чают дизельные двигатели, основным преимуществом которых являет­ ся их высокая экономичность. Удельный расход топлива в дизельном двигателе на 30—40% меньше, чем в карбюраторном. К достоинствам дизельных двигателей следует отнести и возмож­ ность использования для их эксплуатации более тяжелых видов топ­ лива. Это позволяет одновременно развивать производство всех типов двигателей с широким использованием топливных ресурсов. По ряду показателей, в том числе и по требованиям к качеству применяемых топлив, дизельные двигатели делят на тихоходные (до 1000 об/мин коленчатого вала) и быстроходные (свыше 1000 об/мин). В качестве автомобильных используются только быстроходные дизель­ ные двигатели. § 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ Многие требования к дизельным топливам, вытекающие из клима­ тических условий эксплуатации двигателей, совпадают с требованиями к автомобильным бензинам. Однако роль и количественное значение соответствующих показателей для дизельных топлив в ряде случаев иные. Специфические требования к дизельным топливам обусловлены особенностями смесеобразования и воспламенения в дизельных двига­ телях. Требования к автомобильным дизельным топливам, так же как и к бензинам, можно разделить на четыре группы. 1. Свойства топлива должны обеспечивать хорошее смесеобразова­ ние при впрыске в камеру сгорания при любых климатических усло­ виях. Поэтому топливо должно иметь оптимальную вязкость, плот­ ность, поверхностное натяжение, фракционный состав и давление на­ сыщенных паров. 109 2. Топливо должно хорошо воспламеняться, обеспечивать мягкую работу двигателя и сгорать с возможно большей полнотой. Для того чтобы выполнить эти требования, топливо должно: иметь наиболее высокую теплоту сгорания; иметь оптимальный период задержки самовоспламенения; полностью сгорать без образования сажи, токсичных и канцеро­ генных продуктов в отработавших газах; иметь минимальную склонность к образованию нагаров и отложений на форсунках; не образовывать коррозионно-агрессивных продуктов сгорания. 3. Топливо не должно вызывать затруднений при транспортировке, хранении и подаче в двигатель по системе питания при любых клима­ тических условиях. Для того чтобы выполнить эти требования, топ­ ливо должно: не ухудшать своих эксплуатационных свойств со временем; иметь низкие температуры застывания и помутнения, пологую вяз­ костно-температурную кривую и хорошую прокачиваемость при низ­ ких температурах; не содержать коррозионно-агрессивных соединений и не образовы­ вать их со временем; не содержать механических примесей; содержать в растворенном состоянии минимальное количество воды; не образовывать отложений на деталях системы питания; обладать возможно меньшей пожарной опасностью. 4. Топливо должно быть недорогим, по возможности нетоксичным и производство его должно быть обеспечено широкими сырьевыми ре­ сурсами. Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удовлет­ воряет смесь углеводородов, выкипающих в пределах от 150 до 360° С, получившая название топливо для быстроходных дизельных двига­ телей. § 2. С МЕСЕОБРАЗОВАНИЕ Под процессом смесеобразования в дизельных двигателях пони­ мается весь комплекс физических и химических явлений, протекающих от момента ввода топлива в камеру сгорания до воспламенения послед­ ней порции топлива, подаваемой за цикл. Качество и своевременность образования горючей смеси в значительной степени предопределяют протекание рабочего процесса в целом, его эффективность и экономич­ ность. В дизельном двигателе в такте впуска в цилиндры поступает воздух при атмосферном или избыточном давлении (с наддувом или без надду­ ва). В такте сжатия температура воздуха возрастает до 500—600° С, давление достигает 25—30 кгс/см2. При этом плотность воздуха в ка­ мере сгорания в 12—14 раз превышает плотность окружающего воз­ духа. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивают топливо. Обра­ зование горючей смеси происходит непосредственно в цилиндре двига­ теля. При этом следует отметить, что поскольку воспламенение и сго110 ранне жидких топлив происходит только в паровой фазе, т. е. топливо до воспламенения и сгорания должно полностью испариться, то на весь процесс смесеобразования в дизельном двигателе остается очень мало времени (20—40° поворота коленчатого вала или тысячные доли се­ кунды). Таким образом, в дизельном двигателе на приготовление горючей смеси отводят в 10 раз меньше времени, чем в карбюраторном двигателе, и в то же время в дизельном двигателе удается использовать более тяжелые топлива с худшей испаряемостью. Это объясняется тем, что в дизельных двигателях топливо при температуре 60—70°С в хорошо распыленном виде впрыскивается в воздух, нагретый до 600° С. Столь большой температурный перепад обеспечивает интенсивный прогрев и испарение капель топлива. Топливо в камеру сгорания дизельного двигателя впрыскивается под большим давлением (до 1500 кгс/см2) через форсунку. Порция топлива, отмеренная насосом высокого давления, впры­ скивается в камеру сгорания в плотный, сильно завихренный нагре­ тый воздух. На некотором расстоянии от сопловых отверстий форсунки струя топлива распадается на отдельные капли, образуя факел распы­ ленного'топлива. Общее число капель в факеле достигает нескольких миллионов, а размер их колеблется в пределах от 3—5 до 100—150 мкм. Распределение капель в факеле по числу и размерам весьма неравно­ мерное. По оси факела располагаются капли более крупного размера, движущиеся с наибольшей скоростью. К периферии факела плотность и размер капель, а также их скорость уменьшаются. Качество распи­ ливания топлива характеризуется числом и размером капель, длиной (дальнобойность), шириной (в самом широком месте) и углом конуса факела. Капли топлива, введенные в горячий воздух, воспламеняются не мгновенно. От начала впрыска топлива до появления пламени про­ ходит какое-то время. Впрыск топлива и процесс смесеобразования продолжаются и после появления пламени в камере сгорания. При этом процесс прогрева и испарения вновь поступающих капель сильно уско­ ряется за счет высокой температуры в процессе сгорания. Одновремен­ но с ускорением процесса испарения в этот период происходит неко­ торое замедление смесеобразования, так как появляются продукты сгорания, затрудняющие подвод кислорода воздуха к испарившемуся топливу. Это обстоятельство вызывает необходимость вести рабочий процесс в дизельном двигателе с некоторым избытком воздуха. Большая неоднородность топливо-воздушной смеси в камерах сго­ рания является причиной некоторых преимуществ и недостатков ди­ зельных двигателей по сравнению с карбюраторными. Важное преиму­ щество состоит в том, что в дизельных двигателях можно довольно значительно обеднять горючую смесь, если условно рассматривать эту смесь как состоящую из всего количества поступающего в цилиндры воздуха и топлива. Это позволяет изменять мощность двигателя только за счет уменьшения количества топлива, впрыскиваемого за один цикл, без изменения количества воздуха, т. е. применять чисто качественное регулирование мощности вплоть до холостого хода. При общем обед­ нении смеси в отдельных зонах сгорания за счет неравномерности со­ става создается смесь, содержащая достаточное для воспламенения количество паров топлива. Это одна из причин высокой экономич­ ности дизельных двигателей. С другой стороны, наличие неоднородной смеси является причиной существенного недостатка дизельных двигателей — невозможность получения достаточно полного и бездымного сгорания при относительно небольшом общем коэффициенте избытка воздуха (а < 1,35). При ра­ боте дизельного двигателя со снятием мощности, близкой к максималь­ ной, в отработавших газах появляются частички сажи, двигатель на­ чинает «дымить». На процесс смесеобразования в дизельных двигателях влияют его конструктивные особенности и свойства применяемого топлива. Современные дизельные двигатели имеют одну неразделенную ка­ меру сгорания или несколько камер, соединенных каналами. Форсунки по конструкции делятся на открытые и закрытые. В от­ крытых форсунках между нагнетательным трубопроводом и сопловыми отверстиями запорного устройства не имеется. В закрытых форсунках перед сопловыми отверстиями устанавливают иглу или клапан с пру­ жиной. Запорное устройство открывается под действием давления топ­ лива только на период впрыска. Форсунка может быть выполнена отдельно от насоса высокого дав­ ления (двигатель ЯМЗ-236 и др.) или вместе (насос-форсунка двигателя ЯАЗ-204). Форсунки могут иметь различное количество сопловых от­ верстий, отличающихся по форме, размерам, направлению впрыска и т. д. При впрыске топлива в середину неразделенной камеры сгорания происходит объемное смесеобразование, при впрыске топлива на стен­ ки камеры сгорания — пленочное. Существенное влияние на процесс смесеобразования оказывает организация воздушных потоков в каме­ ре сгорания, обусловливающая завихрение воздуха и перемешивание смеси. На процесс смесеобразования влияют такие свойства топлива, как вязкость, плотность, фракционный состав, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, способность паров топлива диффун­ дировать в окружающую среду, скрытая теплота испарения, тепло­ емкость. Увеличение вязкости топлива ведет к укрупнению капель в факеле, ухудшению распыливания и испарения топлива. Топлива с большой вязкостью догорают на такте расширения, ухудшая экономичность двигателя и повышая дымность отработавших газов (табл. 31). При использовании топлив с высокой вязкостью крупные капли за счет большой кинетической энергии, приобретаемой при впрыске, увеличивают длину факела, повышая его дальнобойность. При этом часть топлива попадает на стенки камеры сгорания, ухудшая процесс смесеобразования. С другой стороны, топлива с малой вязкостью также ухудшают процесс смесеобразования. При их распиливании образуются мелкие капли, скорость которых в плотном воздухе быстро падает. При уко­ роченном факеле не используется весь объем камеры сгорания для 117 Таблица 31 Влияние вязкости дизельного топлива на его удельный расход и дымность отработавших газов Вязк'с гь при 50° С, сСт 7 15 40 65 Плотность при 20° С, г/см3 Удельный расход, г/л. с. ч. Дымность отработавших газов, условные единицы 0,886 0,905 0,923 0,930 246 250 260 328 77 82 86 96 приготовления однородной топливо-воздушной смеси. Часть воздуха не участвует в процессе смесеобразования, что вызывает избыток топ­ лива и неполное сгорание в той части камеры сгорания, которая рас­ положена вблизи форсунки. При впрыскивании топлива в плотную воздушную струю вязкость его будет отличаться от вязкости, определяемой в лабораторных усло­ виях при атмосферном давлении. С повышением давления вязкость дизельного топлива увеличивается (рис. 43). Это обстоятельство имеет особенно важное значение при оценке влияния вязкости топлива на работу насоса высокого давления. В современных автомобильных дизельных двигателях топливо к форсункам подают насосы плунжерного типа. Плунжер, перемеща­ ющийся в гильзе под действием кулачкового вала, обеспечивает до­ зировку топлива в зависимости от режима работы двигателя. Гильза и плунжер являются прецизионной парой с диаметральным зазором не больше 0,002—0,003 мм. Для нормальной работы трущихся пар со столь малым зазором необходимо применять топливо с определен­ ной вязкостью. Требования к вязкости топлива обусловливаются дву­ мя причинами. Во-первых, вязкость топлива должна быть такой, чтобы обеспечить минимальное подтекание его через зазоры в плунжерных парах. Работа топливного насоса харак­ теризуется так называемым коэф­ фициентом подачи (рис. 44): где т)п — коэффициент подачи; Vn — объем фактически подан­ ного топлива; Гп — объем нагнетательной полости насоса. Величина этого коэффициента зависит от количества утечек за время хода нагнетания. Утечки же при прочих равных условиях за­ висят от вязкости топлива. Чем о 200 т 600 800 1000 1200 Давление,егс/сп 1 Рис. 43. Записимость вязкости топ­ лива от давления 113 ниже вязкость, тем больше утечки топлива через зазор между плун­ жером и гильзой. Второе требование связано о тем, что прецизионные пары в си­ стеме топливоподачи смазываются самим топливом, т. е. топливо должно обеспечивать минимальный износ трущихся пар. Эксперимен­ ты показали, что ясно выраженной зависимости между вязкостью топ­ лива и износом плунжеров нет. Ранее считалось, что топлива для автомобильных дизельных дви­ гателей должны иметь вязкость при 20° С не менее 5 сСт. Последующие опыты показали, что маловязкие топлива вполне обеспечивают смаз­ Рис. 44. Влияние вязкости топлив ку топливоподающей аппаратуры, на коэффициент подачи насос в связи с чем нижний допустимый предел вязкости дизельных топлив был уменьшен до 2 сСт при 20°С. Исследование топлив широкого фракционного состава и выявление особенностей работы мкоготопливных дизельных двигателей показали, что и эта величина может быть уменьшена. Очевидно, единой нормы на минимальную вязкость дизельного топлива вообще не следует искать, так как для каждого двигателя этот предел может быть свой в зависи­ мости от давления впрыска и других конструктивных особенно­ стей. Дело в том что в тех пределах давлений, которые имеют место в топливоподающей аппаратуре автомобильных двигателей, вязкость топлива может увеличиваться в 6—10 раз (см. рис. 43). Известно, что с увеличением молекулярного веса топлива, т. е. с утяжелением его фракционного состава, степень повышения его вязкости с ростом дав­ ления возрастает. Иными словами, с увеличением давления вязкость дизельных топлив растет быстрее, чем вязкость бензинов. При этом чем выше давление, тем сильнее увеличивается вязкость топлив. Повышение вязкости дизельных топлив с ростом давления учиты­ вают и при расчете гидравлических потерь в нагнетательных трубо­ проводах системы впрыска. Таким образом, применение высоких давлений в ‘современных на­ сосах (до 1500 кгс/см2 и более) позволяет изменить требования к мини­ мально допустимому уровню исходной вязкости топлива, так как при этих давлениях плунжерные пары значительную часть времени сопри­ касаются с топливом, имеющим вязкость, во много раз превосходящую ее первоначальное значение. На основании исследований и эксплуатационных испытаний уста­ новлено, что для летней эксплуатации дизельных двигателей вяз­ кость топлива при 20е С не должна быть менее 3,0 и более 8,0 сСт; для зимней — не менее 2,2 и не более 6,0, а для сурового климата арктиче­ 114 ской зоны — не менее 1,5 и не более 4,0. Эти требования и записаны в технических условиях на автомобильные дизельные топлива. Плотность дизельных топлив влияет на процесс смесеобразования примерно так же, как и их вязкость. С повышением плотности повы­ шается дальнобойность факела, так как капли с большей массой приоб­ ретают при распыливании большую кинетическую энергию. Повышение дальнобойности факела сверх оптимального значения приводит к ухуд­ шению экономичности работы двигателя и увеличению дымности отра­ ботавших газов (см. табл. 31). Малая плотность дизельного топлива приводит также к ухудшению процесса смесеобразования так как капли с малой массой быстро теряют скорость в камере сгорания и дальнобойность факела уменьшается. При этом не весь объем воздуха используется для смесеобразования. Плотность топлива не регламентируется действующими техниче­ скими условиями, однако практически для товарных дизельных топлив она лежит в пределах 0,82—0,86 г/см3. Существенное влияние на процесс смесеобразования оказывает ве­ личина поверхностного натяжения дизельных топлив. Установлено, что средние размеры капель топлива при распыливании прямо пропор­ циональны величине поверхностного натяжения (табл. 32). Таблица 32 Изменение диаметра капель при распыливании в зависимости от поверхностного натяжения топлив Топливо Из сураханской нефти: образец № 1 » № 2 Из биби-эйбатской нефти: образец № 1 » № 2 Поверхностное натяжение, эрг/см2 Средний диаметр капли, мкм 28,92 29,68 17,04 22,55 27,48 29,53 16,30 20,21 С утяжелением фракционного состава топлив, с повышением их плотности поверхностное натяжение увеличивается. Так, если для бензинов величина поверхностного натяжения колеблется в пределах 20—24 эрг/см2, то для автомобильных дизельных топлив эта величина лежит в пределах 27—30 эрг/см2. Изменение поверхностного натяжения в зависимости от плотности топлива определяется по следующей эм­ пирической формуле: о где = 51,5 р!° — 16,6, а — поверхностное натяжение; р!° — плотность. С повышением температуры поверхностное натяжение топлив уменьшается и при критической температуре становится равным ну­ лю (рис. 45). не В интервале температур, достаточно удаленном от критической точ­ ки, изменение поверхностного натяжения с температурой можно при­ нять линейным и пользоваться следующей формулой: ~ °о Ро где — эмпирический коэффициент, равный 0,07—0,1; ст0 и О; — поверхностное натяжение при температурах 0 и i° С. Поверхностное натяжение топлив зависит от их химического со­ става. Ароматические углеводороды имеют значительно большую величину поверхностного натяжения, чем парафиновые и нафтеновые. Для дизельных топлив существенную роль имеет содержание в них поверхностно-активных примесей, таких, как смолистые вещества, сернистые и другие соединения. Чем выше содержание этих веществ в топливе, тем больше его поверхностное натяжение на границе с воз­ духом. Хорошо очищенные малосернистые топлива имеют минимальные значения величины поверхностного натяжения и обеспечивают хорошее распиливание и смесеобразование. Фракционный состав и давление насыщенных паров дизельных топлив оказывают большее влияние на процесс смесеобразования в дви­ гателях с неразделенной камерой, чем в двигателях с разделенной камерой. Топлива легкого фракционного состава испаряются быстрее (табл. 33), вследствие чего уменьшается время, необходимое для обра­ зования однородной топливо-воздушной смеси. Однако чрезмерное облегчение фракционного состава ведет к нарушениям в работе двига­ теля. Из-за повышенной испаряемости топлива к моменту самовоспла­ менения рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров, воспламенение которых приводит к резкому возра­ станию давления. Появляется так называемая жесткая работа дви­ гателя. Кроме того, на испарение топлива затрачивается большое коли­ чество тепла, вследствие чего резко понижается температура в отдель­ ных зонах камеры сгорания, что затрудняет течение предпламенных реакций и удлиняет период сго­ рания. Применение легких топ­ лив при низких температурах воздуха затрудняет пуск двига­ теля. Применение в быстроход­ ных дизельных двигателях тя­ желых топлив с плохой испа­ ряемостью приводит к тому, что некоторые капли топлива не ус­ певают перейти в парообразное состояние и в процессе сгорания участия не принимают. Это ведет к снижению экономичности дви­ ~50 а *50 *100 *150 *200 *250 *300 гателя, увеличению дымности Зепператури, °С отработавших газов, повышению Рис. 45. Зависимость поверхностного количества отложений на стен­ натяжения топлива от температуры ках камеры сгорания, иглах 116 Т абл и ц а 33 Влияние фракционного состава топлива на его испарение при впрыске Образц ы топлива Показатели Фракционный состав топлива: температура начала перегонки, °Cj температура перегонки, ®Сл 10 % 50 % 90 % температура конца кипения, °С Температура стенок камеры сгорания и цилиндра, °С Количество испарившегося топлива, %: при температуре входящего воздуха 50° С и при а = 1,0 а = 1,7 при температуре входящего воздуха 100° С и при а — 1,0 а = 1,7 • 2 3 4 140 140 220 220 160 200 240 280 160 200 240 280 240 270 310 340 240 270 310 340 100 150 100 1.50 56 70 96 97 15 22 48 57 63 71 97 97 17 23 55 61 форсунок и т. д. Кроме того, часть несгоревшего топлива стекает в картер по стенкам цилиндра, смывая с них смазку. В этом случае происходит повышенный износ цилиндро-поршневой группы и уско­ ренное загрязнение смазочного масла. Таким образом, для быстроходных автомобильных дизельных двигателей необходимо применять топлива оптимального фракцион­ ного состава. Фракционный состав дизельных топлив оценивается так же, как и для бензинов, температурами выкипания 10%, 50% и 90% топлива. За конец кипения принимают температуру выкипания 96% топлива. Однако значение отдельных точек фракционного состава для оценки эксплуатационных свойств дизельных топлив и бензинов существенно различается. Пусковые свойства дизельных топлив в какой-то мере характеризует лишь температура выкипания 50% топлива. Высокая температура выкипания 90% и 96% топлива свидетельствует о нали­ чии в топливе тяжелых фракций, которые вызывают ухудшение смесе­ образования, снижение экономичности, повышенное нагарообразование и дымность отработавших газов. Наиболее подходящими для эксплуатации двигателей в арктиче­ ских условиях являются топлива с концом кипения не выше 330, в зимних условиях — не выше 340 и в летнее время — не выше 360° С. Начало кипения всех топлив должно быть в пределах 180—200° С. С целью увеличения ресурсов проводятся работы по расширению фракционного состава топлив для быстроходных дизельных двигателей. Эти работы ведутся в двух направлениях. Первое направление связано с применением дизельных топлив ши­ рокого фракционного состава ( топлива ШФС). Топлива ШФС пред­ ставляют собой смесь 60—65% летнего дизельного топлива с 35—40% бензина прямой перегонки. Такая смесь имеет пределы выкипания от 117 60 до 360е С, вязкость при 20° С равную 1,7—1,8сСт и температуру вспышки ниже минус 5° С. Применение таких смесей позволит увели­ чить ресурсы дизельного топлива на 30—40%. Второе направление связано с повышением температуры конца кипения (выкипания 96% топлива) для зимних и арктических топлив до 360° С, т. е. до температуры конца кипения летнего топлива. Это мероприятие позволит увеличить выпуск наиболее дефицитных сортов дизельного топлива на 5—10%. Оба указанных направления находятся в стадии исследований и окончательного решения по их реализации не принято. На процесс смесеобразования влияет способность паров топлива диффундировать в окружающий воздух. Однако в дизельных двига­ телях, имеющих более высокую степень сжатия и сильную турбулизацию воздуха, этот показатель имеет меньшее значение в процессе смесеобразования, чем в карбюраторных двигателях. Дизельные топ­ лива имеют коэффициент диффузии 0,04—0,05 г/см2-с (бензины — 0,09 г/см2 • с). Скрытая теплота испарения и теплоемкость дизельных топлив так­ же влияют на процесс смесеобразования. Однако роль этих свойств топлива в дизельных двигателях проявляется в меньшей степени, чем в карбюраторных. Это связано, в первую очередь, с большим перепадом температур при впрыскивании топлива в дизельном двигателе. Вели­ чина скрытой теплоты испарения дизельных топлив имеет значение главным образом в период пуска двигателя при относительно невысокой температуре воздуха в конце такта сжатия. Все дизельные топлива, вырабатываемые промышленностью, прак­ тически имеют весьма близкие величины поверхностного натяжения, коэффициента диффузии, скрытой теплоты испарения, теплоемкости и некоторых других физических свойств. Возможности улучшения процесса смесеобразования с помощью изменения этих показателей очень ограничены. § 3. СГОРАНИЕ Общие вопросы сгорания топливо-воздушных смесей в двигателях рассмотрены ранее при изложении процессов сгорания бензинов. Здесь мы остановимся лишь на особенностях процесса сгорания в ди­ зельных двигателях и на свойствах топлив, определяющих течение этого процесса. На рис. 46 показана типичная диаграмма изменения давления р в цилиндре дизельного двигателя с неразделенной камерой сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала ф. Там же показан характер изменения средней температуры газов в камере сгорания t и скорости подачи топлива vT. Подача топлива начинается за 10—20° поворота коленчатого вала до в. м. т и может заканчиваться как до в. м. т., так и после нее. Угол между началом впрыскивания топлива и в. м. т. называют углом опе­ режения впрыска фвп. В течение некоторого времени после начала впрыска топлива в камеру сгорания воспламенения топливо-воздуш­ 118 ной смеси еще не происходит. Дав­ ление в камере сгорания продол­ жает плавно возрастать за счет движения поршня вверх. В этот период происходит прогрев капель топлива и их испарение. Углево­ дороды топлива под действием вы­ сокой температуры подвергаются окислению кислородом воздуха. В начале процесса окисление уг­ леводородов идет с образованием активных промежуточных соедине­ Рис. 46. Типичный характер развития ний. Этот процесс сопровождается процесса сгорания в дизельном дви­ выделением тепла, при этом резко гателе возрастает скорость окисления дру­ гих молекул углеводородов. Такое самоускорение реакций окисле­ ния приводит к тому, что в отдельных местах камеры сгорания воз­ никают очаги воспламенения. Во многих случаях самовоспламенение дизельных топлив проте­ кает в две стадии. Собственно воспламенению (образованию очагов горячего пламени) предшествует появление холодного пламени. Появление очагов горячего пламени сопровождается ростом дав­ ления и температуры газов в камере сгорания. Точку 2 на рис. 46, в которой линия повышения давления отрывается от линии сжатия чистого воздуха, условно принимают за начало сгорания, а интервал времени т, (в градусах поворота коленчатого вала) между точками / и 2 — за период задержки воспламенения, или период индукции. В случае двухстадийного самовоспламенения общий период задерж­ ки тг состоит из двух частей: периода задержки холодного пламени и второго периода задержки т2. Топливо-воздушная смесь в камере сгорания дизельного двигателя никогда не бывает однородной по температуре, поэтому развитие предпламенных реакций всегда протекает неодинаково в отдельных ее ча­ стях. Это приводит к тому, что самовоспламенение возникает не одно­ временно во всей массе смеси, а, в первую очередь, в отдельных очагах, от которых оно затем распространяется на смежные объемы. В связи с этим время общей задержки воспламенения складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испа­ рение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая тфиз) и из времени, необходимого для завершения предпламенных ре­ акций и формирования очагов самовоспламенения (химическая со­ ставляющая тхим). Естественно, что физическая составляющая времени задержки воспламенения существенно зависит от конструкционных осо­ бенностей двигателя, поэтому одно и то же топливо в различных двига-' телях может показать разную длительность периода задержки воспла­ менения. Период задержки воспламенения является как бы подготовитель­ ной фазой процесса сгорания. Собственно процесс сгорания начинается в точке 2. Условно его разделяют на три фазы. 119 К моменту окончания периода задержки значительная часть впрыс­ нутого топлива успевает испариться и начавшийся процесс сгорания охватывает все новые и новые порции смеси. Продолжающее поступать топливо быстро сгорает по мере его испарения и смешения паров с воз­ духом, причем воспламенение в этот период происходит главным об­ разом за счет смешения с горячими продуктами сгорания ранее подан­ ного топлива. Этот период, называемый периодом быстрого сгорания, характеризуется быстрым нарастанием давления и температуры в ка­ мере сгорания. За момент окончания первой фазы процесса сгорания условно при­ нимают точку максимума давления на индикаторной диаграмме (точка 3). После фазы быстрого сгорания наступает фаза замедленного го­ рения, в течение которой давление меняется незначительно. В этот период времени прекращается подача топлива, однако процесс сгора­ ния продолжается и температура газов растет. Некоторое снижение давления в течение второй фазы объясняется увеличением объема ка­ меры сгорания вследствие движения поршня. Момент окончания второй фазы принято определять по точке максимума температуры цикла (точка 4). Процесс сгорания не заканчивается в точке 4. Уже на линии рас­ ширения происходит догорание остатков несгоревшего топлива и про­ дуктов его неполного сгорания, образовавшихся в зонах местного переобогащения смеси. Скорость догорания определяется скоростью диф­ фузии и турбулентного смешения остатков топлива с воздухом. Фаза догорания захватывает значительную часть такта расширения ( до 70— 80° угла поворота коленчатого вала после в. м. т.). Характер проте­ кания фазы догорания в значительной мере определяет дымность и ток­ сичность отработавших газов двигателя. Свойства применяемого топлива оказывают влияние практически на все фазы сгорания. Но в наибольшей мере свойства топлива опре­ деляют подготовительную фазу — период задержки воспламенения. Влияние свойств топлива на одну из составляющих общего периода задержки тфия мы рассмотрели выше. Здесь рассматривается влияние свойств топлива на вторую составляющую тхпм. Длительность периода задержки воспламенения в значительной мере определяет последующее течение всего процесса сгорания. При большой длительности периода задержки возрастает количество введен­ ного топлива к моменту его воспламенения, увеличивается количество испарившегося топлива, улучшается однородность топливо-воздушной смеси и степень ее химической подготовки. Поэтому начавшийся про­ цесс сгорания в этом случае идет весьма интенсивно с участием боль­ шого объема хорошо подготовленной смеси. В этом случае в первой фа­ зе сгорания резко возрастает скорость нарастания давления на каждый градус поворота коленчатого вала двигателя — появляются характер­ ные стуки. Такую работу двигателя называют жесткой. Если давление в камере сгорания увеличивается при повороте коленчатого вала на один градус не более чем на 4—6 кгс/см2 (для различных двигателей 120 эта величина не одинакова), то двигатель работает мягко. Большие величины приращения давления соответствуют жесткой работе. При жесткой работе возникают ударные нагрузки на поршень, увеличивается максимальное давление на подшипники, вызывая их ускоренный износ, а иногда и механическое разрушение. Жесткая ра­ бота дизельного двигателя может сопровождаться деформацией порш­ невых колец (вплоть до их поломки) и прорывом в картер значительного количества газов. При прочих равных условиях уменьшение длительности задержки воспламенения обусловливает более плавное изменение давления, т. е. более мягкую работу двигателя. Однако чрезмерное сокращение периода задержки воспламенения ведет к уменьшению полноты сгора­ ния. При коротких задержках воспламенения процесс сгорания начи­ нается сразу же после начала подачи и большая часть топлива впрыски­ вается не в воздух, а в продукты сгорания. Капли топлива при этом бы­ стро испаряются, не успевая достигнуть тех зон камеры сгорания, в ко­ торых кислород воздуха еще не израсходован. Процесс смесеобразо­ вания резко ухудшается, падает мощность и экономичность двига­ теля. Топлива в зависимости от их состава, могут существенно различать­ ся по длительности периода задержки воспламенения. Для обеспечения нормального течения процесса сгорания необходимо применять топ­ лива, имеющие оптимальную длительность периода задержки воспла­ менения. Для стандартной характеристики топлив по длительности периода задержки воспламенения пользуются специальной установкой с одно­ цилиндровым двигателем—ИТ 9-3. Двигатель установки с переменной степенью сжатия работает с постоянной частотой вращения коленча­ того вала (900 об/мин) при впрыске топлива под давлением 106 кгс/см2 за 13° поворота коленчатого вала до в. м. т. Сущность определения воспламеняемости дизельных топлив на установках ИТ 9-3 по методу совпадения вспышек заключается в сравнении испытываемого образца топлива с эталонными топливами, воспламеняемость которых известна. В качестве эталонных топлив применяют два индивидуальных углеводорода: цетан (н-гексадекан Q«H 34) и а-метилнафталин (СПН40), которые резко отличаются по вос­ пламеняемости. Цетан имеет малый период задержки самовоспламе­ нения, и его воспламеняемость принята за 100 единиц, а а-метилнафталин имеет большой период задержки, и его воспламеняемость при­ нята за 0. Смеси цетана с а-метилнафталином в различных соотноше­ ниях обладают разной воспламеняемостью. Оценка воспламеняемости топлива проводится следующим образом. При работе на испытуемом топливе изменением степени сжатия дви­ гателя добиваются такого положения, чтобы при начале впрыска за 13° поворота коленчатого вала (ПКБ) до в. м. т. сгорание смеси на­ чиналось ровно в в. м. т., т. е. период задержки воспламенения рав­ нялся 13°. Затем подбирают такую смесь цетана и а-метилнафталина, которая при этой же степени сжатия обладала таким же периодом задержки воспламенения (13°). Процентное (по объему) содержание це­ 121 тана в такой смеси принимают за цетановое число испытуемого топ­ лива. Например, если испытуемое топливо в камере сгорания одно­ цилиндрового двигателя воспламеняется так же, как смесь 45% це­ тана и 55% а-метилнафталина, то данное дизельное топливо имеет цетановое число 45. Величина цетанового числа топлива определяет скорость химиче­ ских процессов подготовки смеси к воспламенению и поэтому харак­ теризует только одну из составляющих общего периода задержки При испытаниях различных топлив на одном воспламененияи том же двигателе, когда тфиз остается постоянной, с увели­ §го S0-I ZJ5 чением цетанового числа топлив CJ Л сокращается период задержки Т[№- ««- -§.Й0 воспламенения и уменьшается | i скорость нарастания давления в S J0 1® |к «оа? сэ цилиндре двигателя (рис. 47). е 3 21 Из рис. 47 видно, что товар­ |в" g2ffа 5 ные дизельные топлива должны &л иметь величину цетанового чис­ ; 215 2 <>ла в определенных оптимальных ч; ГОJ пределах. Применение топлив с Цетановое число цетановым числом менее 40 обыч­ но приводит к жесткой работе Рис. 47. Влияние цетанового числа на двигателя. Повышение цетаново­ период задержки воспламенения (/), скорость нарастания давления (2) и го числа выше 50 ед. также не­ целесообразно, так как при этом возрастает удельный расход топ­ лива вследствие уменьшения полноты сгорания. Цетановое число зависит от количества и строения углеводо­ родов, входящих в состав ди­ зельного топлива. Углеводоро­ ды различных классов сущест­ венно различаются по воспла­ меняемости (рис. 48). Парафи­ новые и олефиновые углеводо­ роды термически менее устой­ чивы, быстро распадаются и окисляются с образованием пе­ 8 10 12 Ш 1В 18 20 22 рекисей и других легковоспла­ Число атопод углерода 8 молекуле меняющихся продуктов непол­ Рис. 48. Зависимость между цетановым ного окисления. Поэтому пара­ числом, строением и числом атомов финовые углеводороды имеют углерода в молекуле различных клас­ самые высокие цетановые чис­ сов углеводородов: ла. Среди парафиновых угле­ / — н-алканы; 2 —• н-алкены; 3 — моно- и диалкилалкены; 4 — моноалкилбензолы; 5 — биводородов наибольшие цетано­ циклические цикланы; 6 «—бициклические аровые числа имеют соединения _ матические 122 нормального строения. Углеводо­ роды с одной или несколькими бо­ ковыми цепями обладают меньши­ ми цетановыми числами. Для окисления ароматических углеводородов необходимы более высокая температура и больший промежуток времени, поэтому их цетановые числа, как правило, не­ велики. Особенно низкие цетановые числа имеют бициклические арома­ тические углеводороды. Увеличение числа углеродных атомов в молекулах углеводородов ведет к росту цетанового числа. Рис. 49. Зависимость цетанового чи­ Преобладание тех или иных уг­ сла от содержания ароматических леводородов в составе дизельного углеводородов в дизельном топливе топлива и определяет его цетано­ вое число. С увеличением содер­ жания ароматических углеводоро­ дов цетановое число дизельных топлив уменьшается (рис. 49). Цетановые числа высококипящих фракций дизельного топли­ ва, как правило, выше, чем низкокипящих (рис. 50). Зависимость цетановых чисел Рис. 50. Зависимость цетанового чи­ от температуры кипения узких от содержания ароматических уг­ сла фракций четырех образцов дизель­ леводородов и от плотности топ­ ных топлив лив легла в основу создания эмпи­ рической формулы для оценки воспламеняемости топлив расчетным пу­ тем. Введено понятие «дизельный индекс», который рассчитывается по известной плотности топлива при 15° (р*6) и анилиновой точке в сС(А). Д из. ИНД. = (Л-1,8 + 32) (141,5-131,5pj6) 100 р 16 Анилиновой точкой называют ту наименьшую температуру, при которой определенное количество анилина полностью растворяется в определенном количестве топлива. Чем ниже содержание аромати­ ческих углеводородов в топливе, тем выше его анилиновая точка. Например, анилиновая точка цетана равна плюс 94,4° С, а-метилнафталина минус 17,8° С. Плотность топлива в этой формуле характе­ ризует его фракционный состав, а также содержание ароматических углеводородов, плотность которых выше, чем плотность парафиновых и нафтеновых. Установлена зависимость между величинами цетанового числа и дизельного индекса. Дизельный индекс Цетановое число . 20 30 30 35 40 40 50 45 62 55 70 60 80 80 123 Кроме дизельного индекса предло­ жено еще несколько эмпирических за­ висимостей для нахождения цетанового числа по средней температуре кипения топлива, по его групповому углеводо­ родному составу, вязкости и т. д. Од­ нако точность таких расчетных методов невысока и они не находят практиче­ ского применения. При рассмотрении влияния углево­ дородного состава на цетановое число топлив можно заметить, что углеводо­ роды, имеющие высокие цетановые чис­ Рис. 51. Влияние присадок на ла, обладают низкой детонационной цетановое число топлив (сред­ стойкостью, т. е. имеют малые величи­ ине данные для девяти образ­ цов топлив): ны октановых чисел. На этом основа­ / ~ перекись ацетона; 2 — изо* нии выведена эмпирическая зависимость амнлнитрат; 3 — этилнптрат цетанового числа (ЦЧ) топлива от его октанового числа (ОЧ) ЦЧ = 6 0 - — . 2 Чем выше октановое число топлива, тем ниже его цетановое число и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций всегда ведет к снижению цетанового числа. Для повышения цетанового числа дизельных топлив могут исполь­ зоваться специальные присадки. Из всех соединений, испытанных с этой целью, наиболее эффективными (рис. 51) оказались некоторые перекисные соединения и алкилнитраты (соединения, отвечающие общей формуле R — 0 N 0 2, где R — радикал, например этил, изо­ пропил, амил и т. д.). Перекисные соединения обычно при хранении топлив подвер­ гаются дальнейшему окислению, и их эффективность падает, поэтому практического применения они не получили. В качестве присадки к дизельным топливам в небольших количествах применяют изопропилнитрат. Величина цетанового числа определяет пусковые свойства дизель­ ных топлив. С увеличением цетанового числа применяемого топлива пуск двигателя облегчается (рис. 52). Однако это положение справед­ ливо для топлив, лишь незначительно различающихся по фракцион­ ному составу. При большой разнице во фракционном составе тяжелое топливо с высоким цетановым числом часто оказывается хуже по пу­ сковым свойствам, чем легкое топливо с более низким цетановым чис­ лом (рис. 53). Пусковые свойства являются важной, но не решающей эксплуата­ ционной характеристикой изельного топлива. Дело в том, что если для карбюраторного двигателя минимальная частота прокручивания ко­ ленчатого вала при пуске лежит в пределах 30—50 об/мин, то для дизельного двигателя она должна быть не менее 100—300 об/мин, так 124 Рис. 52. Влияние цетанового числа зим­ него дизельного топлива на продолжи­ тельность пуска двигателя ЯАЗ-204 (температура воздуха минус 15—17° С); сплошная линия — пуск двигателя; штриховая линия — первая вспышка Рис. 53. Влияние температуры выкипа­ ния 50% дизельного топлива на про­ должительность пуска (цифры под точ­ ками — цетановые числа) как только при этом условии может быть достигнута температура са­ мовоспламенения топлива. Для того чтобы обеспечить столь высокую скорость вращения ко­ ленчатого вала, дизельные двигатели, как правило, пускают с помо­ щью различных вспомогательных пусковых устройств или средств (сжатый воздух, бензиновые пусковые двигатели, пусковые жидко­ сти, подогреватели, стартеры и т. д.). Рассмотренный материал показывает, что в высокооборотных ав­ томобильных дизельных двигателях следует применять топливо с це­ тановыми числами от 45 до 50 ед. Повышение цетанового числа топлива ведет лишь к его удорожанию, не вызывая каких-либо существенных улучшений эксплуатационных свойств. § 4. СКЛОННОСТЬ К ОБРАЗОВАНИЮ ОТЛОЖЕНИЙ В ДВИГАТЕЛЯХ При сгорании топлив в дизельных двигателях на стенках камеры сгорания и выпускных клапанах отлагается нагар. Нежелательные последствия отложения нагара в дизельных двигателях несколько иные, чем в карбюраторных. Теплоизолирующее действие нагара и его объемное влияние на степень сжатия для дизельного двигателя не имеют такого решающего значения, как для карбюраторного. Отложение нагара на выпускных клапанах дизельного двигателя ведет к нарушению их посадки и потере герметичности. Обрастание нагаром продувочных окон ухудшает продувку цилиндров. Основные же отрицательные явления в дизельных двигателях связаны с образованием отложений на форсунках. Наличие нагара на распылителях приводит к искривлению факела, ухудшению ка­ чества распыливания, появлению дымного выпуска отработавших газов, снижению экономичности двигателя. Образование отложений на иглах распылителей форсунок приводит к их зависанию, т. е. та­ кому положению, когда игла перестает плотно садиться в свое гнез­ до и не перекрывает канала распылителя форсунки. В этом случае 125 начинается подтекание топлива, падает мощность и экономичность двигателя, появляется дымный выпуск отработавших газов. Отложения на различных деталях камер сгорания отличаются по своему характеру. На днищах поршней и стенках головки цилинд­ ров нагар более плотный, довольно твердый, темно-серого цвета, не­ растворимый в различных растворителях. На иглах форсунок нагар обычно более мягкий, смолистый, соломенного цвета. Иногда отложе­ ния на иглах форсунок носят характер лака, по внешнему виду по­ хожего на лак, отлагающийся на боковых поверхностях поршней. Нагарообразование в дизельных двигателях протекает неравно­ мерно по времени. В первые часы работы двигателя этот процесс идет более интенсивно (рис. 54), затем несколько замедляется, достигая равновесного состояния (количество образующегося нагара пример­ но равно количеству выгорающего нагара). С увеличением степени сжатия двигателя количество образующегося нагара несколько воз­ растает (рис. 55). Нагарообразование, кроме конструктивных факторов и режима работы двигателя, зависит от качества применяемых топлив. Среди прочих физико-химических свойств на образование отложений влияют: фракционный состав, общее содержание сернистых соединений, со­ держание меркаптановой серы, количество и строение непредельных и ароматических углеводородов, количество и характер смолистых, неуглеводородных примесей. Более тяжелые дизельные топлива образуют большее количество нагара. Так, если облегченные дизельные топлива типа керосинов (выкипающие в пределах от 13 ! до 280° С) в определенных условиях дают 100—140 мг нагара на 1 кг топлива, то в этих же условиях то­ варные дизельные топлива (выкипающие в пределах от 160 до 360° С) образуют нагара 245—265 мг/кг, а топлива утяжеленного фракцион­ ного состава (выкипающие до 400—420° С) — до 360 мг/кг. В технических требованиях на автомобильные дизельные топлива регламентируется температура перегонки 96% топлива, которая не должна быть выше 360° С. Чем выше содержание серы в топливе, тем большее количество нагара и лака образуется при его сгорании (табл. 34). Сера, содер- « Рис. 54. Зависимость образования на­ гара от длительности испытания: / — дизельное топливо; 2 126 керосин /4 15 Степень сжатия W 17 Рис. 55. Влияние степени сжатия на нагарообразование: I — дизельное топливо; 2 керосин Т а б л и ц а 34 Влияние общего содержания серы в дизельном топливе на количество отложений, образующихся в двигателе, работающем на масле без присадок Двигатель Т одноцилиндровый ИТ 9-3 » 14-10,5/13 Двухцилиндровый 24-10,5/13 Время испы­ тания, ч 10 100 100 Содержание серы в топ­ ливе, % 0,18 0,80 1,20 1,40 1,60 0,18 0,93 1,60 0,18 0,90 Вес нагара, Лакоотложеснятого с ка­ ния на боко­ меры сгора­ вой поверх­ ния двигате­ ности порш­ ля, мг ня, % 100 170 200 245 290 1827 2707 3811 370* 1020* 13 32 70 80 93 39 52 79 41 76 • Нагары сняты с верхнего пояса гильзы цилиндров. жащаяся в топливе, влияет не только на количество образующегося нагара, но и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность. Количество серы в топливе, % ............................... 0,08 » » » нагаре, % ............................... 1 Плотность нагара, г/см3 .............................................. 0,03 1,50 9 0,50 Влияние серы на нагарообразование является одной из причин ог­ раничения ее содержания в товарных дизельных топливах. Снижение содержания серы в топливах достигается путем гидроочистки. При сгорании гидроочищенных топлив нагарообразование снижается в 1,5—2,0 раза. Среди сернистых соединений, содержащихся в дизельных топливах, наибольшее влияние на нагарообразование оказывают меркаптаны. В присутствии меркаптанов ускоряется окисление нестабильных сое­ динений дизельного топлива и тем самым увеличивается скорость об­ разования отложений. В частности, удаление меркаптанов из серни­ стого дизельного топлива приводит к тому, что в 2—5 раз уменьшается толщина лаковых пленок на иглах, а температура начала осмоления игл распылителей форсунок повышается на 25—30° С. Это является одной из причин ограничения содержания меркаптановой серы в то­ варных дизельных топливах величиной не более 0,01%. Среди углеводородов, содержащихся в дизельных топливах, на­ ибольшее влияние на процесс нагарообразования оказывают арома­ тические и непредельные. Влияние ароматических углеводородов на нагарообразование можно видеть на примере смесей индивидуаль­ ных углеводородов — цетана и а-метилнафталина. 127 К о л и ч е с т в о н а г а р а , с н я т о г о с н а г а р н и к а у с т а н о в к и И Т 9 -3 , мг/кг Смеси 1*0 Цетан ......................................................... 80% цетана +20% а-метилнафталина................................................ 125 60% цетана +40% а-метилнафталина............................................... 215 40% цетана +60% а-метилнафталина................................................230 С увеличением содержания ароматических углеводородов склон­ ность топлив к нагарообразованню возрастает. Существенную роль в процессе нагарообразования в дизельных дви­ гателях играют непредельные углеводороды. В топливах, полученных прямой перегонкой нефти, содержание непредельных углеводородов невелико. Добавление к топливам, полу­ ченным прямой перегонкой нефти, компонентов вторичной перера­ ботки нефти (продуктов термического и каталитического крекинга) приводит к увеличению содержания непредельных углеводородов в товарных дизельных топливах. Испытания показали, что добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, даже 20% дизель­ ных фракций термического крекинга приводит к резкому ухудшению его эксплуатационных свойств — снижается стабильность при хра­ нении, повышается склонность к нагарообразованню. Такое топливо вызывает быстрое осмоление игл распылителей форсунок и их зависа­ ние. В связи с этим добавление продуктов термического крекинга в товарные автомобильные дизельные топлива запрещено. Продукты каталитического крекинга содержат меньшее количест­ во непредельных углеводородов, поэтому в товарные дизельные топ­ лива из сернистных нефтей разрешено добавлять до 20% каталити­ ческого газойля. Количество непредельных углеводородов в топливах определяют с помощью, так называемого, йодного числа. Йодным числом называют такое количество йода, которое в определенных условиях реагирует с непредельными углеводородами, содержащимися в 100 г топлива. Чем больше йодное число топлив, тем большее количество непредель­ ных углеводородов в нем содержится. Чтобы не допустить к потреби­ телю топлив плохого качества, в технических условиях содержится требование, чтобы товарные автомобильные дизельные топлива имели йодное число не более 6 г 12/ 100 г. С увеличением содержания смолистых неуглеводородных приме­ сей склонность дизельного топлива к нагарообразованню возрастает. Добавление к обессмоленному топливу всего лишь 0,25% смолистых веществ приводит к образованию отложений и зависанию игл распы­ лителей форсунок. Количество смолистых веществ в дизельных топливах оценивают так же, как в автомобильных бензинах — путем определения содержа­ ния фактических смол. Замечено, что с увеличением содержания фак­ тических смол в дизельных топливах их склонность к нагарообразованию возрастает (рис. 56). Поэтому в технических условиях на авто128 [^ мобильные дизельные топлива содержится тре­ 60 бование, чтобы количество фактических смол не превышало 30—60 мг/100 мл. ы Склонность дизельного топлива к нагаро- §\Я7 образованию зависит также от его зольности и коксуемости. Коксуемостью называют свойство топлива образовывать углистый остаток в условиях на­ SJff грева без доступа воздуха. Коксуемость дизель­ ных топлив зависит от их фракционного состава го и содержания смолистых и нестабильных соеди­ 01 _L нений. Чем быстроходней и термически напря­ 70 80 30 100 Содержание фактичес­ женней двигатель, тем меньше должна быть ве­ ких с/аок, мг на 100мл личина коксуемости применяемого топлива. Кок­ суемость определяют либо для топлива в це­ Рис. 56. Влияние со­ лом, либо для его 10-процентного остатка после держания фактиче­ перегонки. ских смол в топливе Коксуемость 10-процентного остатка авто­ на количество нага­ образующегося па мобильных дизельных топлив должна быть ра, поршнях и кольцах не более 0,5%. двигателей: 1 — Д-35; 2 ЯЛЗ-204 Зольность топлива характеризует содержа­ ние в нем несгораемых примесей. Чем меньше зольность топлива, тем меньше неорганических примесей попадет в нагар. Увеличение количества золы в нагаре ведет к повышению его абразивных свойств. Допустимое содержание золы в автомобильных дизельных топливах составляет 0,01—0,02%. Товарные автомобильные дизельные топлива, отвечающие указан­ ным выше требованиям по фракционному составу, йодному числу, со­ держанию фактических смол, общей и меркаптановой серы, зольности и коксуемости, обеспечивают работу двигателей на всех режимах с незначительным образованием отложений. § 5. КОРРОЗИОННАЯ АГРЕССИВНОСТЬ Коррозионные свойства дизельных топлив Коррозионная агрессивность дизельных топлив, так же как и ав­ томобильных бензинов, зависит главным образом от количества и строе­ ния неуглеводородных примесей. Общее содержание неуглеводород­ ных примесей, влияющих на коррозионную агрессивность (кислород­ ные и серооргаиические соединения), в дизельных топливах в 3—5 раз больше, чем в автомобильных бензинах. Среди кислородных соединений дизельных топлив преобладают нафтеновые кислоты и другие кислородсодержащие вещества, пере­ ходящие в топливо из нефти в процессе прямой перегонки. Эти соеди­ нения, как правило, имеют невысокую коррозионную агрессивность и не они определяют общую агрессивность дизельных топлив, получен­ ных прямой перегонкой нефти. При получении товарных дизельных топлив на некоторых заводах к топливу прямой перегонки добавляют до 20% каталитического газойля. В состав каталитического газойля 5 Зак 541 129 О В 12 18 24 30 36 Время хранения, месяцев 42 Рис. 57. Влияние содержания серы на коррозию пластин из стали Ст. 3: 1 - S —1,25%; 2 - S —0.9%; 3 - S-0,2% Рис. 58. Влияние меркаптанов ди­ зельного топлива на износ плунжер­ ной пары топливного насоса высоко­ го давления: / — малосериистое топливо; 9 •— сернистое топливо без меркаптанов; 3 —сернистое топливо, .содержащее 0,025% меркаптановой серы входят непредельные углеводороды, способные окисляться кисло­ родом воздуха с образованием до­ вольно агрессивных кислородных соединений. Содержание коррозионно-агрес­ сивных кислородных соединений в дизельных топливах оценивают так же, как и в бензинах путем определения кислотности в мгКОН/ЮОмл. Техническими усло­ виями на дизельные топлива пре­ дусмотрено, что кислотность не дол­ жна превышать 5 мг КОН/100 мл. Испытания показали, что примене­ ние топлив с высокой кислотно­ стью вызывает не только увеличе­ ние коррозионного износа плун­ жерных пар, но и увеличение ко­ личества отложений и снижение мощности двигателя (табл. 35). Решающее влияние на корро­ зионную агрессивность дизельных топлив оказывают количество и ха­ рактер сернистых соединений. Коррозионная агрессивность ди­ зельных топлив повышается с уве­ личением общего содержания серы (рис. 57). В дизельных топливах, так же как и в бензинах, содержатся все сернистые соединения условно от­ носящиеся к так называемой ак­ тивной сере (сероводород, элемен­ тарная сера и меркаптаны). В техТаблица 35 Влияние кислотности применяемого топлива на пок азатели дгигателя ЯАЗ-204 после 500 ч испытаний Топливо с кислотностью Показатели 4 мг К О Н /100 мл 5 мг КОН/1 00 мл Средний износ плунжеров, мм Снижение производительности форсунок за один ход плунжера, % к начальному значению Износ первого компрессионного кольца, мм Слой отложений на зеркале головки цилиндров, мм Снижение мощности двигателя, л. с. 0,0015 0,0023 1,9 0,03 0,05—0,08 5 15,4 0,07 0,12—0,15 23 130 14 нических условиях на дизельные топ­ лива предусматривают коррозионные испытания — пробу на медную пластин­ и ку. Топлива при выпуске с завода дол­ жны иметь отрицательную пробу на 10 медную пластинку, что гарантирует та­ 3 > кое малое содержание сероводорода и > элементарной серы в топливе, которое ,8 не влияет на его коррозионную агрессив­ ность. «5 6/1 Меркаптаны присутствуют во всех 2 дизельных топливах, полученных из сер­ 5Ic нистых нефтей. 4 Коррозионная агрессивность дизель­ 1 1/О ных топлив обусловливается не столько _< общим содержанием серы в топливе, сколько количеством меркаптанов (рис. 58). Износ плунжерных пар при работе на топливе с содержанием 0,025% мерК онцент рация м ер ка п т а н еВой, серы; % каптановой серы увеличивается вдвое по сравнению с износом на топливе без Рис. 59. Влияние меркаптанов меркаптанов. па коррозионную агрессивность Коррозионная агрессивность меркап­ гидроочищенного дизельного танов зависит от их строения (рис. 59). топлива: Наименее агрессивными являются али­ / — децилмеркаптан; 2 — бензил3 — цнклогексилморфатические меркаптаны, наиболее агрес­ меркаптан; катан; 4 — а-фенилэтилмеркаптан сивные ароматические. Предполагают, что действие меркаптанов связано с их окислением до сульфокислот, обладающих высокой коррозионной агрессивностью. Замечено, что в отсутствие кислорода меркаптаны не корродируют железо или взаимодействуют с ним в незначительной степени. Для исключения попадания к потребителям коррозионно-агрес­ сивных дизельных топлив в технических условиях предусмотрено требование, чтобы содержание меркаптановой серы в товарных топ­ ливах, выпущенных с завода, не превышало 0,01%. Топлива с таким содержанием меркаптанов не вызывают большой коррозии тары, трубопроводов и деталей системы питания двигателей. V S Коррозия деталей двигателя продуктами сгорания сернистых дизельных топлив Все сернистые соединения, содержащиеся в дизельных топливах, при сгорании образуют окислы серы S 0 2 и S 0 3. Эти газообразные продукты при высокой температуре корродируют металлы в газовой фазе, а при низких температурах легко растворяются в капельках воды, конденсирующихся из продуктов сгорания, с образованием сернистой или серной кислот. Основным объектом коррозионного воздействия продуктов сго­ рания сернистых соединений является цилиндро-поршневая группа 5* 131 двигателя. Экспериментами установлено, что общий износ деталей двигателя примерно прямо пропорционален содержанию серы в топ­ ливе (рис. 60). Эти данные подтверждаются как стендовыми, так и эк­ сплуатационными испытаниями (табл. 36). Т а б л и ц а 36 Износ двигателей при работе на топливах с различным содержанием серы Вид испытаний н их длительность Стендовые испытания, 550 ч Дорожные испытания, пробег 26 000 км Износ ком­ прессионных Содержание поршневых Износ цилинд­ серы в топлн- колец (умень­ ра в верхнем поясе, V.км ье, % шение веса), г 0,12 0,34 0,57 0,12 0,57 1,30 0,12 0,35 0,66 1,37 1 ,60 5,20 12 19 40 76 147 343 Т а б л и ц а 37 Влияние присадки к топливу на износ гильз цилиндров двигателя Износ, мкм Топливо Малосернистое Сернистое Сернистое -j- присадка (0,3 %) Содержание серы в тошшве, % в I поясе во II поясе 0,19 1,00 1,00 15,6 27,5 14,5 7,4 16,8 7,4 При сгорании сернистых дизельных топлив продукты сгорания не только отлагаются в камерах сгорания, но и попадают в масло, вызывая быстрое ухудшение его качества. Скорость старения масла при работе двигателя на сернистом топливе увеличивается. Для борьбы с коррозионными вз­ носами деталей двигателя при работе на сернистых дизельных топливах предложено добавлять специальные присадки как к топливу, так и к маслу. Добавление нейтрализующих при­ садок к сернистым дизельным топли­ вам не получило широкого практи­ ческого применения, хотя результа­ ты испытаний и показали эффектив­ ность этого пути (табл. 37). Добавле­ Рис. 60. Влияние содержания се­ ние к сернистому дизельному топливу ры в топливе на износ двигателя ЯАЗ-204 0,3% одной из присадок практически 132 полностью ликвидирует повышенный кор­ розионный износ, вызванный продуктами сгорания сернистых соединений. Однако такие присадки оказываются эффективны­ ми при их добавлении в топливо в коли­ честве не менее 0,1—0,3%, а иногда и до 1%. Применение присадок в таком количе­ стве к массовым дизельным топливам встречает экономические и технические затруднения. 8 р е п я испы т ания, ч Наиболее широкое применение получил способ борьбы с коррозионной агрессивно­ Рис. 61. Влияние щелочно­ стью продуктов сгорания сернистых ди­ сти масла на износ двига­ теля: зельных топлив, заключающийся в добав­ I — масло без присадок ней­ лении к маслам щелочных присадок. Та­ тральное; 2 — масло со щелоч­ ной присадкой, щелочность 3.3; кие присадки нейтрализуют коррозионное 3 —• масло со щелочной при­ действие кислотных соединений и тем са­ садкой, щелочность 6.3 мым уменьшают общий износ деталей дви­ гателя (рис. 61). Все отечественные товарные масла для автомобильных дизелей обя­ зательно содержат присадки. Применение топлив с ограниченным содержанием серы и при обязательном присутствии антикоррозионной присадки в масле обеспечивают минимальные значения коррозионных взносов деталей двигателя. § 6. Н И З КО ТЕМ ПЕРАТУРН Ы Е СВОЙСТВА Под низкотемпературными свойствами дизельных топлив, так же как и бензинов, понимают их способность оставаться гомогенными с понижением температуры и не вызывать затруднений при перекач­ ке по трубопроводам. Значение вязкости топлива для нормальной работы дизельного двигателя рассматривалось ранее. Вязкость дизельных топлив с по­ нижением температуры возрастает (рис. 62). Однако, как показали испытания, снижение температуры топлива и соответствующее повы­ шение его вязкости в некоторых пределах оказывают лишь незначи­ тельное влияние на производительность подкачивающего насоса: Температура топлива, ° С .......................+10 —30 —40 Производительность насоса, кг/ч . . . 850 830 810 —30 300 Резкое уменьшение производительности насоса наблюдалось лишь при ■ —40° С. Для сохранения постоянного количества подаваемого топлива при низких температурах необходимо некоторое повышение избыточного давления, создаваемого насосом: Температура топлива, ° С ........................... +14 —20 —32 —41 Избыточное давление, создаваемое насосом, кгс/см2 ......................................................... 0,4 0,4 0,6 0,8 Опыт показывает, что повышение сопротивления на участке от под­ качивающего насоса до насоса высокого давления даже при значитель- is(hr— ------ ------ ------ ных повышениях вязкости не вызывает затруднений с подачей топлива. Основные нарушения в системе подачи 2• при низких температурах связаны с тем­ ? пературой помутнения и застывания топ­ / ; so лива. В отличие от бензинов в составе ди­ 4о зельных топлив может находиться доволь­ но большое количество углеводородов с —. у . высокой температурой плавления. К их *20 0 -20 -bO -60 числу, в первую очередь, относятся пара­ le n n e p a m y p a ., °C финовые углеводороды нормального стро­ Рис. 62. Зависимость вяз­ кости дизельных топлив от ения (табл. 38). При понижении темпера­ температуры: туры наиболее высокоплавкие углеводоро­ 1 — топливо ДЛ; 2 — топли­ ды выпадают из топлива в виде кристаллов во ДЗ различной формы. Топливо мутнеет. Воз­ никает опасность забивки фильтров кри­ сталлами парафиновых углеводородов. Поэтому принято считать, что температура помутнения дизельных топлив должна быть несколько ниже возможной температуры применения. Однако топлива хорошо прокачиваются и при температурах ниже температуры помутнения. Если топливный фильтр стоит в подкапотном пространстве и подо­ гревается за счет тепла, излучаемого двигателем, то температура окружающей среды, при которой возможно применение топлива, мо­ жет оказаться значительно ниже температуры его помутнения. / / // / Таблица 38 Некоторые свойства парафиновых углеводородов нормального строения Название углеводорода н—декан С10Н22 н —додекан Cj 2H26 н — тетрадекан С14Н30 н— гексадекан С16Н34 и— октадекан С1РН38 и его формула Т емпература кипения, °С Температура плавления, °С Цетановое число 174 216 254 287 318 —29,7 —9,6 + 5 ,5 + 16,5 + 28,1 76,9 87,6 96,1 100,0 102,6 При дальнейшем охлаждении помутневшего топлива выпавшие кристаллы высокоплавких углеводородов начинают сращиваться образуя пространственную решетку, в ячейках которой остаются жидкие углеводороды. При определенной температуре образующая­ ся структура настолько упрочняется, что топливо теряет текучесть. Температурой застывания называют такую температуру, при которой налитое в пробирку дизельное топливо при охлаждении в определен­ ных условиях достигает такого состояния, что не изменяет положения мениска в течение одной минуты при наклоне пробирки на 45°. Температура застывания дизельного топлива является величиной условной и может служить лишь известным ориентиром при опре­ делении возможных условий применения топлив. При перекачке топ­ 134 лива под давлением кристаллическая структура высокоплавких уг­ леводородов может быть механически разрушена и топливо на оп­ ределенный период может приобрести текучесть при температуре ниже температуры застывания. В частности, приведенные выше циф­ ры по производительности подкачивающего насоса при различных температурах и давлениях получены при использовании топлива с тем­ пературой застывания — 30° С. Но фактически это топливо прокачи­ валось до температуры — 50° С. Следует отметить, что разрушенная кристаллическая структура топлива быстро восстанавливается. Ведутся работы по созданию стандартных лабораторных методов оценки прокачиваемости дизельных топлив при низких температурах. Предельная температура топлива, при которой удается прокачивать его через фильтрующий элемент, должна быть более определенным и строгим показателем эксплуатационных свойств дизельного топли­ ва, чем температуры помутнения и застывания. Существуют два основных направления улучшения низкотемпе­ ратурных свойств дизельных топлив. Первое направление связано с удалением из него высокоплавких парафиновых углеводородов нор­ мального строения. Такое удаление осуществляется на нефтеперера­ батывающих заводах чаще всего с помощью карбамида (см. гл. I, § 2. Очистка топлив и масел). Однако такой способ ведет к удалению из топлива наиболее ценных углеводородов с высоким цетановым чис­ лом (см. табл. 38). Все же этот путь улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив получает все большее распространение. Весьма перспективен и второй путь улучшения низкотемператур­ ных свойств дизельных топлив — добавление присадок, названных депрессаторами. Этот путь пока не получил широкого распростране­ ния, так как найденные до сего времени депрессаторы являлись еще недостаточно эффективными и при добавлении в значительных кон­ центрациях (1%) понижали температуру застывания топлива всего на 10—15, а температуру помутнения лишь на 1—5° С. Столь малая эффективность при довольно большой концентрации препятствует внедрению депрессаторов в производство дизельных топлив. Появи­ лись и новые, более эффективные депрессорные присадки, которые резко улучшают прокачиваемость дизельных топлив при низких тем­ пературах и, очевидно, найдут применение. § 7. АССОРТИМЕНТ Д И З Е Л Ь Н Ы Х ТОПЛИВ Товарные дизельные топлива для автомобильных двигателей по­ лучают, как правило, путем прямой перегонки нефти. В некоторых странах в дизельные топлива, полученные прямой перегонкой, до­ бавляют продукты вторичной переработки (термического или катали­ тического крекинга) обычно после предварительной очистки. Для улучшения эксплуатационных свойств в топлива добавляют присадки. В нашей стране автомобильные дизельные топлива вырабатывают­ ся в соответствии с требованиями двух государственных стандартов. По ГОСТ 305—73 изготовляют дизельные топлива из сернистых неф­ тей, а по ГОСТ 4749—73 — из малосернистых нефтей (табл. 39). 133 Т абли ц а 39 Основные показатели отечественных лизельных топлив ГОСТ 4 7 4 9 - 73 ГОСТ 305 — 73 Показатели Цетановое число, не менее Фракционный состав, °С, не выше: 50 % перегоняются А 3 Л зс ДА ДЗ дл 45 45 45 45 45 45 45 ДС 50 280 250 255 280 290 240 280 280 340 330 340 330 340 360 !>6 % » 340 360 1,5—2,5 1,8—3,2 3,0—6,0 1,8—3,2 1,5—4, ( 3,5—6,0 3,5—6,0 4,5 -8 ,0 Вш кссть при 20° С, сст Кислотность, мг КОН/ЮЭмл, 5 5 5 5 5 5 не более 5 5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Зольность, % , не более 0,01 0,01 0.01 Содержание серы, не бо0,2 0,2 0,4 0,5 0,2 0,2 лее 0,5 0,5 В том числе меркаптановон, 0,01 0,01 0,1 % , не более 0,1 0,1 0,01 0,01 0,1 Содержание фактических 50 30 30 50 30 • змол, мг/100 мл, не более 30 40 30 Коксуемость, 10 % остатка, 0,25 0,20 0,30 0,30 0,30 0,30 % , не более 0,30 0,30 Содержание годорас творимых кислот и щелочей, ме­ ханических примесей и воОтсутствуют ДЫ Отсутствуют Температура °С : вспышки в закрытом тигле, 35 65 35 50 не ниже 30 90 40 35 помутнения, не гыше -2 5 -5 —10 застывания, не выше —35 —5 —35 —10 — 15 —55 -3 5 Испытание на медной плас—10 —45 —45 -6 0 Выдерживают тиние Выдержнгают Йодное число, г /*/100 не 6 6 6 более 6 %, Однако такое деление носит чисто условный характер. Это обус­ ловлено тем, что наша промышленность стала производить в больших масштабах топлива из сернистых нефтей, в которых содержание серы за счет гидроочистки снижено до уровня топлив из малосерни­ стых нефтей. Исследования и испытания показали, что эксплуа­ тационные свойства топлив, полученных гидроочисткой из серни­ стых нефтей, такие же, как топлив из малосернистых нефтей. На этом основании эти топлива признаны взаимозаменяемыми. Дизельные топлива, выпускаемые в соответствии с требованиями двух указанных стандартов, могут различаться и по технологии их изготовления. Топлива по ГОСТ 4749—73 вырабатываются только из продуктов прямой перегонки нефти. Добавление каких-либо дру­ гих компонентов в эти топлива не допускается. Топлива по ГОСТ 305—73 производятся на базе продуктов пря­ мой перегонки нефти, но в них может добавляться до 20% продуктов каталитического крекинга. Все товарные дизельные топлива делятся на арктические, зимние и летние. Арктические (марки А и ДА) предназначены для исполь­ зования при температуре воздуха ниже —30° С. При температуре выше —30° С и ниже 0 следует пользоваться зимними топливами 136 марок ЗС (зимнее севернее) и ДЗ. Летние дизельные топлива (Л и ДЛ) предназначены для применения при температуре воздуха выше 0° С. Промышленность вырабатывает дизельное топливо марки ДС, отличающееся от других более высокими значениями цетанового чис­ ла (50 ед.) и температуры вспышки (90° С). Все товарные дизельные топлива выпускают с заводов с запасом качества по основным показателям. Содержание серы, фактических смол и кислотность дизельных топлив иногда бывают значительно ниже, чем допускается стандартом. В товарные дизельные топлива на отечественных заводах, как правило, никаких присадок, улучшающих эксплуатационные свой­ ства, не добавляют. При необходимости разрешается добавлять изопропилнитрат в количестве до 1% для повышения цетанового числа до норм, указанных в ГОСТе. Развитие производства товарных дизельных топлив идет главным образом в двух направлениях. Первое направление связано с умень­ шением содержания серы (широкое развитие процесса гидроочистки позволяет непрерывно снижать содержание серы в товарных дизель­ ных топливах). Второе направление связано с увеличением долм вы­ работки зимних сортов дизельных топлив. Применение процесса кар­ бамидной депарафинизации позволит резко увеличить выпуск зимних сортов топлив с низкой температурой застывания. В дальнейшем, очевидно, более широко будут использоваться присадки, улучшающие эксплуатационные свойства топлив. При отсутствии дизельных топлив, отвечающих требованиям ГОСТ 305—73 и 4749—73, можно использовать некоторые замени­ тели (табл. 40). Т а б л и ц а 40 Показатели Топлива для тепловозных и судовых дизельных двигателей ГОСТ 10489-63 тз тл Топлива для воздунн о-реактивных аЕигате*г ей гост 10227—62 Г-1 TC-1 Г-'. el РТ гост 12308—66 т-6 Т-7 44 43 Цетановое число 45 43 43 50 45 Пределы выкипания, °С 150—340 170—360 150—280 140-250 135—280 195-315 140—250 Вязкость при 20° С, ест >1,25 >1,25 <4,5 >1,25 2 ,2 -5 ,0 3,5—6,5 >1,5 — 28 28 28 Температура вспышки, °С 65 40 30 0,05 0,и5 Содержание серы, % 0,5 0,5 ол 0,25 0,1 Температура застывания, °С —60 —60 —35 —10 —60 -ео —60 Осветительные керосины всех марок. ГОСТ 4753—64 и ГОСТ 11128—65 Заменители автомобильных дизельных топлив 47—43 16!)—300 1,5—1,6 40—4Я 0,05—01 —12 Наиболее удачным заменителем является топливо для быстро­ ходных транспортных (тепловозных и судовых) дизельных двигате­ лей, вырабатываемое в соответствии с требованиями ГОСТ 10489—63. Это топливо полностью отвечает требованиям автомобильных дизель­ ных двигателей и может применяться неограниченное время. В необходимых случаях в качестве заменителей дизельного топ­ лива можно использовать керосины. 137 Все керосины, которые производят как топлива для воздушнореактивных двигателей (Т-1, ТС-1, Т-2, Т-5, Т-6, Т-7 и др.), являются хорошими заменителями дизельных топлив. Они имеют очень низкую температуру застывания и могут использоваться как в чистом виде, так и для разбавления летних дизельных топлив в зимнее время. Использование керосинов в качестве заменителей дизельных топ­ лив требует регулировки топливоподающей аппаратуры. Глава IV ГАЗООБРАЗНЫЕ ТОПЛИВА § 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ В автомобильных двигателях наряду с жидкими топливами мож­ но использовать и газообразные. Горючие газы получают либо не­ посредственно на автомобиле с помощью газогенераторной установки, либо возят в баллонах, периодически заполняя их на газонаполни­ тельных станциях. Газогенераторы устанавливались на некоторые отечественные грузовые автомобили, например на Урал-352. Горючие газы в газо­ генераторе получают путем газификации твердых топлив (чурки, древесный уголь, древесноугольные брикеты и т. д.). Однако вслед­ ствие невысоких технико-экономических показателей газогенератор­ ные автомобили не получили широкого развития и в настоящее время не выпускаются. Наибольшие перспективы имеют газобаллонные автомобили. В качестве топлив для таких автомобилей наиболее часто используют природные или попутные газы нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы, получаемые на нефтеперерабатывающих и других заводах. Основными компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от 1 до 4 (табл. 41). Углеводороды с двумя двойными связями (бутадиен) или одной тройной связью (ацетилен и его производные) в составе газо­ образных автомобильных топлив практически не содержатся. В при­ родных газах чисто газовых месторождений и в попутных газах неф­ тяных месторождений содержатся углеводороды только парафинового ряда; олефиновые углеводороды отсутствуют. Природные газы из газовых месторождений почти целиком со­ стоят из метана (от 82 до 98%) с небольшой примесью этана (до 6%), пропана (до 1,5%) и бутана (до 1%). В попутных газах нефтяных месторождений также основным ком­ понентом является метан, но содержание его колеблется в более ши­ роких пределах (от 40 до 85%), чем в природных газах. В попутных газах углеводороды с двумя, тремя и четырьмя атомами углерода в молекуле могут содержаться в больших количествах (например, этан и пропан до 20% каждый). 138 Таблица 41 Температура кипения, °С 16,04 30,05 44,06 42,08 58,08 Q n 10 58,08 с„ н 8 56,10 с 4н 8 56,10 сн4 С2н е СзН8 СзН6 C4H 10 Критическая температура, °С Метан Этан Пропан Пропилен Н-бутан Изобутан Н-бутилен-1 Изобутилен Относитель­ ная плот­ ность по воз­ духу Наименование компонента Химическая формула Молекуляр­ ная масса Свойства углеводородов, входящих в состав газообразных топлив для автомобильных двигателей 0,554 —82,1 —161 1,038 32,3 —94 1,523 95,7 —44 1,453 91,6 —47 2,007 152,8 - 0 , 5 2,007 134,0 — 10 1,937 144,0 — 5 1,937 143,0 — 6 Октанов ое число по иссле­ по мотор­ дователь­ ному ме­ скому тоду методу 104,0 99,5 96,3 84,9 90,1 98,0 80,0 88,0 116,3 111,9 102,6 95,8 102,1 91,4 101,0 Состав заводских газов наиболее разнообразен. В них содер­ жатся как парафиновые, так и олефиновые углеводороды. Количество тех или иных углеводородов и их строение всецело зависят от техно­ логии получения горючего газа на заводе. Состав газов, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах, зависит от типа установки, с которой он отбирается. Газы установок каталитических процессов содержат обычно намного меньше олефи­ новых углеводородов, чем газы термических процессов. Особенно много олефиновых углеводородов содержится в газах пиролиза и кок­ сования. Однако такие газы чаще используются не как топливо, а как сырье для синтеза пластических масс и других веществ. В качестве топлива для газобаллонных автомобилей, помимо ука­ занных выше, можно использовать коксовый и городской газы, по­ лучаемые при коксовании углей, канализационные газы, являю­ щиеся продуктом переработки сточных вод городских канализацион­ ных систем, и т. д. Во всех горючих газах, используемых в качестве топлив для га­ зобаллонных автомобилей, кроме углеводородов, содержатся другие составляющие: водород, окись углерода, двуокись углерода, азот, кислород, водяные пары, сероводород и т. д. Неуглеводородные со­ ставляющие горючих газов (водород и окись углерода) имеют невысо­ кую теплоту сгорания, поэтому их присутствие снижает калорий­ ность топлива. Такие компоненты, как двуокись углерода и азот, не участвуют в сгорании и тем самым также снижают калорийность горючих газов. В необходимых случаях горючие газы специально очищают от неуглеводородных составляющих. Таким образом, эффективность и особенности применения горю­ чих газов обусловливаются составом и свойствами их углеводородной части. В зависимости от физических свойств углеводородной части все газообразные топлива условно делят на две группы — сжатые 13Э газы и сжиженные. Известно, что углеводороды при температуре выше критической под любым давлением не могут быть переведены в жид­ кое состояние. Так, углеводород метан при всех положительных тем­ пературах и при охлаждении до минус 82° С не может быть переведен в жидкое состояние при сжатии до любого высокого давления. При охлаждении до температуры ниже минус 82° С метан можно перевести в жидкое состояние под действием определенного избыточного давле­ ния. А при охлаждении до минус 161° С метан сжижается при атмо­ сферном давлении. Углеводороды, которые имеют критическую температуру ниже обычных температур эксплуатации автомобилей, применяют, как правило, в сжатом виде, и горючие газы на их основе называют сжа­ тыми газами. Углеводороды, которые имеют критическую температуру выше обычных температур эксплуатации автомобилей, применяют в сжижен­ ном виде под определенным давлением. Горючие газы, состоящие из таких углеводородов, называют сжиженными газами. Деление газов на сжатые и сжиженные условно, так как и сжатые газы при глубоком охлаждении можно перевести в жидкое состояние. Однако это деление прочно укоренилось, и вряд ли его целесообразно изменять. § 2. СЖАТЫЕ ГАЗЫ К сжатым газам относят горючие газы, основным составляющим углеводородом которых является метан. Метан наиболее легкий из углеводородов (см. табл. 41) и представляет собой газ без цвета и за­ паха. Метан намного легче воздуха, поэтому при утечках этого газа в помещении он скапливается вверху, под потолком. Метан имеет высокую детонационную стойкость — его октановое число более 100 ед. В зависимости от количества неуглеводородных составляющих сжатые газы для газобаллонных автомобилей делят на две группы: высококалорийные с преобладающим содержанием метана и низшей теплотой сгорания 5500—9000 ккал/м3 и среднекалорийные с высоким содержанием водорода и окиси углерода и низшей теплотой сгорания 3500—5500 ккал/м3. В группу высококалорийных газов входят природные, нефтяные попутные и канализационные газы, а также метановая фракция кок­ сового газа, выделяемая на азотно-туковых заводах (табл. 42). К среднекалорийным газам относят коксовый, городской и неко­ торые другие виды промышленных газов. Эти газы значительно усту­ пают по качеству высококалорийным газам, поэтому их использо­ вание для автомобилей целесообразно лишь в отдельных промышлен­ ных районах при отсутствии природных и нефтяных газов. Сжатый газ используют в качестве топлива на автомобилях с кар­ бюраторными двигателями, приспособленными для работы как на бензине, так и на газе. Для этого двигатель, кроме обычной системы питания бензином, оборудуется системой подачи газа и приготовле­ ния газо-воздушной смеси. 140 Т а б л и ц а 42 Свойства сжатых газов Наименование Природные газы Нефтяные попутные газы Газы нефтеперерабатывающих заводов Механизированный коксовый газ Канализационные газы Коксовый Городской газ (светильный) Теплота сгорания, ккал/мэ Октановое число по мо­ торному ме году Бензиновый эквивалент1, кг/мэ 7 400—8 700 8 100— 10 000 8 6 0 0 -10 500 6 000—6 500 7 000—7 500 4 000—4 600 4 000—4 300 94— 105 91 — 102 95— 105 <80 95—97 <80 <80 0 ,7 1—0,83 0 ,7 8 -0 ,9 5 0,82— 1,0 0,62—0,70 0,70—0,75 0,39—0,41 0,38—0,40 1 Бензиновым эквивалентом называют количество бензина в килограммах, равноценное 1 м3 газа но теплоте сгорания. Сжатые газы размещают в автомобиле в баллонах из низколегиро­ ванных сталей емкостью 50 л, рассчитанных на рабочее давление 200 кгс/см2. Баллоны объединяют в батарею из пяти — восьми балло­ нов и помещают ее под грузовую платформу автомобиля. Из баллонов сжатые газы подаются под давлением через подогре­ ватель и фильтр в редуктор и далее в дозатор и карбюратор-смеситель. В подогревателе газ подогревается отработавшими газами для того, чтобы в дальнейшем в редукторе при расширении не про­ изошло охлаждения до отрицательных температур. В противном случае пары воды, содержащиеся в газах, могут сконденсироваться и замерзнуть с образованием кристаллов и вызвать закупорку трубо­ проводов, отверстий дозатора и карбюратора-смесителя. Во избежание этого явления количество влаги в сжатых газах ограничивают. В зим­ нее время оно не должно быть выше 0,5, в летнее не более 7,0 г/м*. Кроме ограниченного содержания воды, в сжатых газах не допу­ скается присутствие даже небольших количеств коррозионно-агрес­ сивных соединений. При давлении 200 кгс/см2 даже небольшие коли­ чества примесей настолько концентрируются, что могут вызывать коррозию тары и топливной аппаратуры. В этой связи в сжатых газах ограничивают содержание сероводорода, цианистоводородной кислоты, аммиака и некоторых других соединений. § 3. СЖИЖЕННЫЕ ГАЗЫ Наиболее широкое применение в качестве топлива для газобал­ лонных автомобилей получили сжиженные газы. К сжиженным га­ зам относят горючие газы, основными углеводородами в которых являются пропан или бутаны. В таких газах возможно присутствие и олефиновых углеводородов (пропилен и бутилены), однако коли­ чество их обычно невелико, так как олефиновые углеводороды предва­ рительно выделяют из горючих газов и используют в качестве сырья для нефтехимии. 141 Таким образом, свойства сжиженных газов определяются коли­ чеством и свойствами пропана и бутанов. Эти газы в отличие от ме­ тана тяжелее воздуха и поэтому при утечках скапливаются на полу, в смотровых канавах и т. д. Пропан и бутаны имеют высокую детонационную стойкость. Их октановые числа равны 90—98 ед. Цетановые числа сжиженных га­ зов очень малы и составляют всего лишь 4—5 пунктов. Пропан и бутан переходят в жидкое состояние при обычной тем­ пературе под действием небольшого из-быточного давления. Так, при +20° С для перевода пропана из газообразного состояния в жид­ кое необходимо давление 8, 5; для н-бутана — 2,1; а для изобутана — 3,2 кгс/см2. В связи с этим для хранения и транспортировки сжижен­ ных газов на автомобилях используют баллоны, рассчитанные на рабочее давление 16 кгс/см2. Такое давление обеспечивает содержа­ ние в жидком состоянии даже чистого пропана до температуры око­ ло + 50° С. Автомобильная газобаллонная установка рассчитана на подачу топлива к двигателю под давлением паров газа в баллоне. В связи с этим величина давления насыщенных паров сжиженных газов имеет важное эксплуатационное значение. При любой температуре окружающего воздуха в баллоне со сжи­ женным газом должно быть избыточное давление не менее 0,35 — 0,5 кгс/см2, достаточное для на­ дежной подачи топлива к двига­ телю, а также для обеспечения пуска и прогрева холодного дви­ гателя на газе из парового про­ странства баллона. Опыт экс­ плуатации показывает, что дав­ ление насыщенных паров сжи­ женных газов для газобаллон­ ных автомобилей должно быть не менее 2,7 при температуре минус 20° С и не более 16 кгс/см2 при температуре плюс 45° С. Углеводороды, входящие в состав сжиженных газов, значи­ тельно различаются по давле­ нию насыщенных паров (рис. 63), что позволяет производить сжи­ женные газы, соответствующие времени года и климатическим условиям применения. Так, сжи­ женный газ, состоящий в основ­ Рис. 63. Зависимость давления насы­ щенных паров углеводородов, входя­ ном (более 70%) из пропана, хо­ щих в состав сжиженных газов, от тем­ рошо отвечает требованиям зим­ пературы: ней эксплуатации. Для примене­ / — этилен; 2 — этан; 3 — пропилен; 4 — про­ ния при особо низких темпера­ пан; 5 — изобутан; б^н-бутан; 7 — бутилен; 8 — пентан турах в сжиженный газ может 142 быть добавлено небольшое количество этана или этилена. Для летней эксплу­ атации в районах с жарким климатом рекомендуется пользоваться смесью, со­ стоящей из 70—80% бутана и 20—30% пропана. Автомобильный баллон для сжижен­ ного газа имеет две трубки с расход­ ными вентилями—одна для газовой фа­ зы, другая для жидкой. Пуск и прогрев двигателя осуществляют на газообраз­ ном топливе, которое отбирают из верх­ ней части баллона. Затем переключают вентиль на питание карбюратора-смеси­ теля жидкой фазой топлива из баллона. Все время питать двигатель паро­ вой фазой из баллона нельзя по сле­ дующим причинам. Во-первых, большой расход паровой фазы сопровождается интенсивным испарением и охлаждением жидкой фазы. Жидкая фаза может ох­ ладиться настолько, что давление в бал­ лоне не будет обеспечивать подачу топ­ лива, а снижение температуры топлива Рис. 64. Изменение плотности ниже 0° С может привести к вымерза­ углеводородов парафинового в сжиженном виде в за­ нию влаги и забивке топливоподающих рядависимости от температуры: каналов. Во-вторых, при питании дви­ / — нормальный пентан; 2 — изо­ <?— нормальный бутилен и гателя парами из смеси пропана с бу- пентан; изобутилен; 4 — нормальный Су­ танами, в первую очередь, расходуется тан; 5 — изобутан; 6 — пропилен; 7 — пропан пропан как наиболее легко испаряю­ щийся компонент. При этом жидкость обогащается бутанами и давление ее насыщенных паров снижается. Так, если из паровой фазы сжиженных газов, состоящих из 30% про­ пана и 70 бутана и имеющих давление насыщенных паров при 20° С равное 3,96 кгс/см2, израсходовать 50% общего содержания газов в баллоне, то содержание пропана в жидкой фазе уже составит только 12%, а давление насыщенных паров оставшейся смеси уменьшится до 2,8 кгс/см2. После израсходования 70% смеси содержание пропана становится равным 5%, что влечет понижение давления насыщенных паров до 2,37 кгс/см2. При определенных условиях снижение давле­ ния газа в баллоне может быть столь резким, что вызовет нарушения в подаче топлива в карбюратор-смеситель. Существенной особенностью сжиженных газов является большой коэффициент объемного расширения жидкой фазы (рис. 64). Плот­ ность жидкого пропана при 0° С равна 0,53, а при +50° С она сни­ жается до 0,46 кг/л, при этом удельный объем возрастает на 15,4% (объем 1 кг жидкого пропана увеличивается с 1,88 до 2,17 л). Эта особенность сжиженных газов учитывается при заполнении баллонов. Часть емкости баллона отводится на паровую фазу. Например, газо­ 143 баллонный автомобиль ЗИЛ-138 (газовый вариант двигателя ЗИЛ-130) имеет один баллон емкостью 250 л, в который рекомендуется заправлять не более 225 л сжиженного газа при ожидаемом увели­ чении температуры газа в баллоне не более чем на 20—30° С. § 4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ Газообразные топлива имеют ряд существенных преимуществ перед жидкими углеводородными топливами. 1. Газообразные топлива являются наиболее дешевыми видами топлива, так как могут использоваться непосредственно после полу­ чения с газовых, нефтяных месторождений или других источников без дополнительной переработки, иногда лишь после неглубокой очи­ стки. Огромные ресурсы газообразных топлив, строительство мощных газопроводов, открытие новых газоносных площадей — все это сви­ детельствует о несомненной перспективности газообразных топлив. 2. Газообразные топлива имеют высокую детонационную стой­ кость, что позволяет использовать их в двигателях с большой сте­ пенью сжатия и соответственно высокими технико-экономическими показателями. 3. При использовании газообразных топлив в результате лучшего смесеобразования и более совершенного протекания процесса сго­ рания образуется меньшее количество отложений в двигателе, а в от­ работавших газах уменьшается содержание токсичного компонен­ та — окиси углерода. 4. Применение газообразных топлив повышает долговечность дви­ гателя. Отсутствие жидкой фазы топлива предотвращает смывание масляной пленки со стенок цилиндра и колец и тем самым значительно снижает износ цилиндро-поршневой группы. Исследования показали, что перевод двигателя с бензина на газ снижает износ цилиндро-поршневой группы примерно в 2 раза. Кроме этих основных преимуществ, применение газообразных топлив поз­ воляет улучшить работу свечей, снизить расход масла за счет уве­ личения сроков его работы, повысить надежность работы системы пи­ тания и т. д. Однако, несмотря на явные преимущества газообразных топлив, их внедрение на автомобили в нашей стране происходит до­ вольно медленно. До недавних пор производство газобаллонных автомобилей огра­ ничивалось только приспособлением карбюраторных двигателей для работы на газообразном топливе. Устанавливалась дополнительная система питания, и двигатель мог работать как на газе, так и на бен­ зине. Это направление в выпуске газобаллонных автомобилей учи­ тывало крайне ограниченную сеть газонаполнительных станций в нашей стране. Однако применение газообразных топлив в двигателях, рассчи­ танных на использование бензина, приводит к снижению их эффек­ тивной мощности (табл. 43). Это снижение достигает 20% при использовании сжиженных и сжатых газов. Мощность двигателей падает, прежде всего, из-за Ш Таблица 43 Мощностные показатели двигателей при работе на бензине и на газе Степень сжатия Двигатель ЗИЛ-164 ГАЗ-51 с двухкамерным карбюратором-смесителем ЗИЛ-130 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,7 6,5 6,5 7,4 8,1 Виц топлива Бензин Сжатый газ Сжиженный газ Бензин Сжиженный газ То же Бензин Сжиженный газ То же » Максималь пая эффек­ тивная мо тность л. с. % 107,0 96,2 88,8 79,5 69,1 75,4 156,8 144,3 151,0 162,0 100 90 83 100 87 95 100 92 97 104 снижения коэффициента наполнения, затем из-за меньшей теплоты сгорания газо-воздушной смеси, снижения механического к. п. д. цикла и некоторых других причин. В двигателях, рассчитанных на применение бензинов с октановым числом 66—76, высокая детонационная стойкость газообразных топ­ лив не используется. Эффективность применения газообразных топ­ лив на специальных двигателях с повышенной степенью сжатия зна­ чительно возрастает. Развитие газобаллонного автомобилестроения должно сопровож­ даться быстрым ростом числа газонаполнительных станций, особенно в районах, богатых горючими газами. Одновременно с ростом сети газонаполнительных станций будут создавать и совершенствовать га­ зовые двигатели с оптимальной степенью сжатия и рационально раз­ работанными системами впуска и регулирования. Применение газообразного топлива на городских автобусах и грузовых автомобилях, осуществляющих внутригородские перевоз­ ки, уже в ближайшее время позволит значительно оздоровить атмо­ сферу больших городов. Глава V МАСЛА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ § I. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ МАСЛА Качество масла—один из решающих факторов, определяющих работоспособность двигателя. В современных автомобильных двига­ телях условия работы масла стали более жесткими. Это связано с из­ менением конструкции двигателей, повышением их мощности, увели­ чением сроков смены масла и усложнением условий эксплуатации автомобилей. Все это привело к повышению требований к качеству масла. Основные требования к качеству масла следующие. 145 Масло для двигателей должно: иметь вязкость, обеспечивающую надежную смазку двигателя при всех рабочих температурах с наименьшими потерями на трение; обладать соответствующими низкотемпературными свойствами для облегчения пуска двигателя в зимнее время, особенно в северных районах; иметь хорошие моющие и диспергирующие свойства. Этим дости­ гается необходимая чистота цилиндро-поршневой группы и других деталей двигателя; обладать достаточно высокими противоокислительными свойствами для торможения процессов окисления масла в двигателе и тем самым для уменьшения накопления в работавшем масле продуктов окисления, составляющих основу всех нагаров и отложений; защищать от коррозии подшипники из цветных металлов и от ржавления остальные детали двигателя; уменьшать износ трущихся деталей; препятствовать прорыву газов из камеры сгорания в картер путем заполнения зазоров между поверхностями цилиндров двигателя и поршневыми кольцами. Этим уменьшается попадание продуктов сгора­ ния в картер при работающем двигателе, а при пуске создается в ци­ линдрах лучшая компрессия; удовлетворять требованиям техники безопасности (не содержать токсичных компонентов). К маслу предъявляются также и некоторые другие требования, в том числе и требования экономического характера (доступная цена). Высокие требования к качеству масел для двигателей удовлетво­ ряются выбором хорошей масляной основы (базового масла), в кото­ рую добавляется комплекс присадок. В современные масла вводят присадки следующих типов: вязкостные (полимерные) для увеличения вязкости масла, улуч­ шения вязкостно-температурной характеристики и повышения индек­ са вязкости масла. Вводятся в количествах от 0,5 до 8%; депрессорные для понижения температуры застывания масла. Вводятся в количествах до 1%; моющие и диспергирующие для уменьшения отложений лака, нагара и осадков на деталях двигателей и для устранения пригорания поршневых колец. Являются солями органических кислот, алкилфенолов и некоторых полимеров. Вводятся в количествах от 3 до 10%; противоокислительные для торможения процессов окисления масла. Благодаря им уменьшается пригорание поршневых колец и понижают­ ся коррозионные свойства масла. Вводятся в количествах от 0,5 до 2%; противоизносные для снижения износов трущихся деталей. При­ садки содержат серу, фосфор, реже хлор. Вводятся в количествах от 0,5 до 2%; противопиттинговые для снижения задиров трущихся пар, рабо­ тающих при очень высоких удельных давлениях (порядка 25 000 — 30 000 кгс/см2), например, пары кулачок — толкатель современ­ ных V-образных карбюраторных двигателей. Присадка содержит серу и фосфор. Вводится в количествах до 2%; 146 противокоррозионные для подавления коррозии цветных и черных металлов. Вводятся в количествах до 1%; противоржавейные для борьбы с коррозией в условиях кратко­ временного и длительного хранения техники, в которых возможно образование влаги на деталях. Вводятся в количествах от 1 до 5%; противопенные для уменьшения склонности масла к пенообразованию. Относятся к кремнийорганическим полимерам. Вводятся в количествах не более 0,002—0,005%; многофункциональные для придания маслу сразу нескольких функциональных свойств (моющих, противоокислительных, противоизносных и др.). Действующее начало присадки представляет слож­ ное вещество, в состав которого входят алкильные радикалы, сера, фосфор, кислород, металлы (обычно барий или кальций). Многофунк­ циональные присадки могут состоять и из смеси отдельных присадок —• моющих, противоокислительных и др. Вводятся в масло в количествах до 8%. § 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРЕНИИ И ИЗНОСЕ Процессы трения и износа определяются как свойствами трущихся поверхностей, так и качеством масла. На рис. 65 схематично показаны поверхностные слои металличе­ ской детали. Относительно однородный металл детали вблизи поверх­ ности имеет зону 2 деформированного металла, отличающегося по своим физическим свойствам от качества первичной объемной струк­ туры 1 металла в глубине детали. Над слоем деформированного метал­ ла находится оксидная пленка 3, состоящая из окислов металла, об­ разующихся при химическом взаимодействии металла с кислородом воздуха. Толщина этой пленки составляет, как правило, несколько десятков ангстрем (1А = 10~8 см). На поверхности оксидной пленки в зависимости от условий находятся адсорбционные слои 4 газов, воды, молекул масла и содержащихся в нем присадок. Из вышесказанного видно, что поверхность трущихся деталей имеет сложное строение. Формирование адсорбционных слоев определяется законами физической и химической адсорбции, а также химическим взаимодействием компонентов масла с металлом во всем диапазоне рабочих температур. Следует отметить, что поверхности трущихся деталей не являются иде­ ально гладкими, они имеют микровы­ ступы и массу микротрещин, играю­ щих большую роль в процессах тре­ ния и износа. Другим главным фактором изу­ чаемых процессов является толщина масляной пленки. Толщина масляной пленки зави­ Рис. 65. Поверхностные слон ме талла сит от режимов смазки, которые под­ 147 разделяют на три основных типа: гидродинамический режим смазки, граничный режим смазки, трение в отсутствии смазки. Гидродинамическим режимом смазки называют режим, при кото­ ром трущиеся детали надежно разделены смазочным маслом (толщина слоя не менее 0,1 мкм). Рассмотрим пару трения вал — подшипник, типичную для этого ре­ жима смазки. В состоянии покоя шейка вала лежит на поверхности вкладыша подшипника. Как только вал начинает вращаться, моле­ кулы масла, прилипшие к поверхности вала, увлекают за собой близ­ лежащие молекулы масла и между валом и нижней частью подшипника образуется своеобразный «масляный клин». С увеличением скорости вращения вала давление масляного клина становится большим (по­ вышается несущая способность масляного слоя) и вал займет место ближе к центру подшипника (рис. 66). Создателем гидродинамической теории смазки является выдаю­ щийся русский ученый Н. П. Петров, предложивший для расчета силы трения концентрически расположенного вала в подшипнике фор­ мулу (упрощенный вариант) гдеТ — сила жидкостного трения, кгс; г| — абсолютная вязкость масла, кг-с/м2; 5 — площадь соприкосновения трущихся тел, м2; v — скорость перемещения трущихся поверхностей, м/с; h — толщина смазочного слоя, м. Анализ формулы показывает, что сила жидкостного трения прямо пропорциональна вязкости масла, скорости перемещения и величине поверхности трения и обратно пропорциональна толщине смазочного слоя, т. е. величине радиального зазора между валом и подшипником. Гидродинамический режим смазки обладает важной способностью к саморегулированию в определенных пределах: с увеличением час­ тоты вращения вала увеличивается сила трения и, следовательно, возрастает выделение тепла. Температура смазочного слоя возрастает, а его вязкость падает, что приводит к уменьшению силы трения. Таким образом, в узле трения возникает новый оптимальный для данных условий темпера­ турный режим смазки. Рис. 66. Изменение слоя масла между валом и подшипником в за­ висимости от частоты вращения вала: г 148 J —положение вала при малой частоте вращения; 2 — положение вала при большой частоте вращения Особо следует отметить, что в уравнение силы трения не входит коэффициент, характеризующий химическую природу масла и наличие в масле присадок. Поэтому, если узел трения работает в гидродинамическом режиме, главной характеристикой смазочного масла в отношении противоизносных свойств является только его вязкость. Но поскольку масло выполняет не только функции смазки двигателя, но и функции обеспе­ чения высокой чистоты деталей, защиты от коррозии и другие функции, в него и вводится целый комплекс присадок для придания маслу этих важных качеств. Граничный режим смазки. Если при гидродинамическом режиме смазки трущиеся детали разделены слоем масла толщиной более 0,1 мкм и химическая природа масла и введенные в масло присадки не оказывают влияние на процессы трения, то при граничном режиме смазки их влияние является определяющим. При граничном режиме смазки, при котором трущиеся детали раз­ делены смазочной пленкой толщиной менее 0,1 мкм, процессы трения связаны в основном с прочностью адсорбционных пленок смазочного материала на поверхности металла. Физические свойства масла в объ­ еме и свойства тонких масляных пленок различны. Тонкие пленки, подчиняясь законам поверхностного натяжения и адсорбции, приобре­ тают упругие свойства и характеризуются рядом других особенностей твердого тела. Рассмотрим упрощенную схему строения масляных пленок (рис. 67). Адсорбционная пленка построена из многих ориентированных молекул полярных веществ, содержащихся в масле (сернистых сое­ динений, органических кислот, спиртов, введенных присадок и т. д.). Эти соединения имеют полярные группы, такие как — СООН, — ОН и др. Эти группы за счет сил адсорбции довольно прочно связываются с поверхностью металла, при этом остальная неполярная часть моле­ кул располагается перпендикулярно к поверхности. В объеме же масла все молекулы имеют хаотическое расположение. При изучении строения граничных масляных пленок капиллярно­ химическим, рентгеноструктурным, электронографическим и другими Рис. 67. Схема строения граничной пленки: а — при статическом положении; б — при трении поверхностей металла; 1 —ыти л л , 2 — адсорбированный слой молекул 14) методами было установлено, что толщина граничных слоев во много раз превышает толщину первого слоя адсорбированных молекул, который практически равен по толщине длине одной молекулы. Более правильно говорить о полимолекулярности граничного слоя. Разу­ меется, что первый граничный слой связан с поверхностью металла более прочно. На рис. 67 показан только один слой. На прочность граничного слоя оказывает большое влияние температура. С повы­ шением температуры силы адсорбции ослабляются, цельность пленки адсорбированных молекул нарушается, смазывающая способность масла снижается. При граничном режиме смазки происходит надежное разделение трущихся деталей тонкой масляной пленкой, имеющей особые прочно­ стные свойства. Вопросы уровня вязкости масла отходят на второй план, и маловязкое масло с поверхностно-активными присадками по смазочному действию оказывается близким маслу высоковязкому. Трение в отсутствие смазки. Трущаяся пара в этих условиях ра­ ботает при «масляном голодании». В зонах контакта трущихся поверх­ ностей возникают высокие температуры, граничные пленки не могут предотвратить схватывания и сваривания металла в точечных зонах контакта, в результате чего могут образоваться натиры, задиры. Этот вид смазки рассматривается как аварийный режим. § 3. ВЯЗКОСТНЫЕ СВОЙСТВА Вязкостные свойства являются одним из главных эксплуатацион­ ных качеств масла для двигателей. Вязкость (внутреннее трение) — свойство жидкости оказывать со­ противление относительному перемещению слоев. Величина вязкости обычно выражается в единицах вязкости динамической (пуазы, сантипуазы) или кинематической (стоксы, сантистоксы). Перевод одних единиц в другие проводится по формуле где v — кинематическая вязкость, Ст, см2/с; т] — динамическая вязкость, Пз, г/см-с; d — плотность масла, г/см3. Сотая часть пуаза называется сантипуаз (сПз), а стокса — сантистокс (сСт). Вязкость масла зависит от внешних условий — температуры и давления. Зависимость вязкости масла от давления. В современных двигате­ лях удельные давления в подшипниках коленчатого вала достигают 150—200 кгс/см2, а в подшипниках поршневого пальца даже 600— 700 кгс/см2. Давление на единицу площади пары кулачок — толкатель и в зубчатых передачах достигает еще больших величин — 15 000— 30 000 кгс/см2. 150 С повышением давления вязкость масла возрастает в следующих размерах: Давление » » » » » » » 70 150 200 500 1000 2000 3000 3500 па » » » » п » кгс/см2 » » » » » » » 20-25% 35-40% 50—60% 300% 500% 20 раз 60 » 120 » против » » » » » нормальной » 7> » » » » Зависимость вязкости масла от температуры. С понижением темпе­ ратуры вязкость масла резко возрастает до полной потери текучести. Увеличение вязкости масла создает большие трудности при зимней эксплуатации автомобилей (при холодных пусках двигателя, операциях заправки маслом и т. д.). Вязкостно-температурные свойства масла обычно определяют пря­ мыми измерениями с помощью лабораторных приборов — вискози­ метров. Для более точного определения пусковых качеств масел целе­ сообразно определять вязкость при низких температурах на установ­ ках, моделирующих пару вал — подшипник. Так называемая «мотор­ ная вязкость» позволяет с большей точностью прогнозировать воз­ можность пуска двигателя при низких температурах. Для характеристики вязкостных свойств масла иногда используют показатель индекс вязкости (ИВ). Этот показатель характеризует степень изменения вязкости масла в зависимости от температуры. Для определения индекса вязкости масла необходимо знать его вязкость при 50 и 100° С. Расчет ведется по специальным таблицам или графикам. В табл. 44 показаны вязкостные характеристики масел для двигателей. Низкотемпературные свойства загущенных масел намного лучше аналогичных качеств у масел обычного способа производства. Таблица 41 Марка масла 100 50 0 Динамическая вязкость , сП, при температуре , °с —10 —20 -30 —40 —50 Темпера­ тура за­ стывания , °С Вязкостно-температурные свойства масел для двигателей Кинематическая вяз­ кость, сСт, при тем­ пературе °С Загущ енны е масла АСЗп-6 АКЗп-6 АСЗп-10 АКЗп-10 MT3-1Оп ДВ-АСЗп-10 МТ-14П 6,0 6,0 10,0 10,0 10,0 10,0 14,0 22,8 24,0 40,0 45,0 40,0 40,0 56,0 200 575 600 1000 500 800 1 150 390 1 380 1 600 2 500 960 2 100 2 900 800 3 820 4 000 7 500 3 240 6 460 5 800 2 100 14 000 25 000 29 000 12 000 60 000 22 000 7 57 57 125 46 _ 000 000 280 000 — 000 000 790 000 — 000 -4 5 —40 —37 —40 —43 — — —30 100 000 460 000 —43 М а с л а обычного способ а производст ва ДСп-8 АС-8 Машинное СУ Дп-11 МТ-16п МС-20 8,0 8,0 8,0 1 1,0 16,0 20,0 45,0 36,0 52,0 71,5 112.0 160,0 1 308 3 600 10 300 1 650 3 000 10 000 8 200 2 180 2 200 2 600 8 500 36 000 4 370 14 500 58 000 10 000 68 000 280 000 42 45 35 200 300 000 000 000 000 000 — — — — — — — — — — — — — 151 Так, вязкость масла АСЗп-10 при температуре минус 30° С в 7 раз меньше, чем у масла Дп-11, хотя уровень вязкости масел при 100°С у них примерно одинаков. Причиной хороших низкотемпературных свойств у загущенных масел является то, что эти масла получены из глубокодепарафинированных масляных фракций по новому способу производства, суть которого заключается в следующем. Берется маловязкая (3—4 сСт при 100° С) масляная основа, обла­ дающая хорошими низкотемпературными свойствами, но из-за малой вязкости при 100°С неспособная обеспечить работу двигателя, и за­ гущается до необходимого уровня вязкости при 100° С (6—14,0 сСт) с помощью полимерных вязкостных (загущающих) присадок. Поэтому эти масла называются загущенными. Для стабилизации полимерной присадки от разрушения (деструкции) и для придания маслу необхо­ димых эксплуатационных свойств в него вводятся присадки. Таким образом, загущенному маслу малую вязкость при низких температурах придает маловязкая основа, а высокую вязкость при по­ ложительных температурах — полимерная присадка. В качестве полимерных присадок используют полиизобутилеи, полиметакрилат (табл. 45) и некоторые другие маслорастворимые полимеры молекулярного веса от 9000 до 30 000. Таблица 45 Характеристики отечественных вязкостных присадок Полнизобутилеи Показатели КП-20 КП-10 | ИолимелаКП-5 крплат Молекулярный вес 16000—22000 '9 000—12 000 4 000—6 000 9 000—15 000 Вязкость, сСт при: _ 100° С 700 350-500 280—400 50° С 600-1 700 Температура вспышки в от­ крытом тигле, ‘"С, не ниже 165 165 150 165 Содержание механических примесей, % , не более 0,08 0,08 0,3 0,1 Содержание золы, % , не более 0,08 0,08 0,3 — Содержание полиизобутилена, %, не более 25 40 50 Содержание ионов хлора в расчете на 100 % полиизобутилена, %, неболее 0,02 0,02 — 0,1 Приоритет в создании загущенных масел на специальной масляной основе, отличающихся исключительно хорошими низкотемпературными свойствами, принадлежит Советскому Союзу (Е. Г. Семенидо). Принцип действия полимерных (вязкостных) присадок. Существует несколько взглядов о загущающем эффекте полимерных присадок. Однако общепринятым является следующее объяснение. На вязкость раствора влияет размер и форма макромолекулы полимера, взаимодей­ 152 ствие ее с растворителем (мине­ ральным маслом) и взаимодейст­ вие макромолекул друг с другом. На все эти процессы оказывает большое влияние температура. При отрицательных температурах объем макромолекул становится меньше. За счет свертывания молекул в клубки возможность связи по всей длине макромолекулы полимера с молекулами масла затрудняется. Таким образом объем макромоле­ кул становится меньше, внутреннее трение, т. е. вязкость загущенного масла, уменьшается. Внешне это проявляется как резкое улучшение низкотемпературных свойств загу­ щенных масел по сравнению с рав­ Рис. 68. Вязкость масел при низких температурах: новязкими им при 100° С мас­ лами без полимерных присадок / — загущенное масло; 2 — незагущенпое масло (рис. 68). При положительных температурах из-за большей подвижности макромолекул и как следствие «раеворачивания» их клубков в линей­ ные конфигурации усиливается взаимодействие макромолекул по всей их длине с молекулами растворителя. В этом случае объем макро­ молекул становится больше, внутреннее трение возрастает. Этим объясняется факт меньшей зависимости загущенного масла от температуры при 100—150° С по сравнению с незагущенными мас­ лами (рис. 69). Эта особенность загущенных масел имеет положитель­ ное значение при смазке деталей машин и механизмов. В заключение следует указать еще на одну особенность загущен­ ных масел — на их способность временно снижать вязкость в зонах V . у А bv \ NS к ч \ 'ч 100 120 140 150 Температура, °С Рис. 69. Вязкость масел при темпе­ ратурах от 100 до 150° С; (пункти­ ром изображены вязкостно-темпера­ турные кривые загущенных масел, сплошными — незагущенных): / — масла ДС-8; 2 — масла ДС-11; 5 — ма­ сла МТ-1В ч. Градиент скорости сдвига, с ~1 *10* Рис. 70. Вязкость загущенных масел при разных градиентах скоро­ сти сдвига: ] — вязкость масляной основы; 2 — вяз­ кость загущенного масла; 3 — вязкость ма­ сла без полимерных присадок 153 с высокими градиентами скорости сдвига1: пары вал — подшипник, цилиндр —поршень. В табл. 46 приведены скорости сдвига, которые наблюдаются в двигателях внутреннего сгорания. На рис. 70 показан характер изменения вязкости загущенного масла с увеличением скорости сдвига. Т а б л и ц а 46 Скорости сдвига масла в трущихся парах двигателя Пары трения Поршень — цилиндр: при скорости движения поршня 2,5 см/с при скорости движения поршня 750 см/с Вал — подшипник Зазор между трущимися дета­ лями, см Скорость сдвига, с-1 * 0,025 0,0025 0,025 0,0025 0,00025 0,025 0,0025 0,00025 100 1 000 30 000 300 000 3 000 000 18 800 188 000 1 880 000 Причины этого явления следует искать в изменении формы макро­ молекул в полях с высокими градиентами скорости сдвига и в частич­ ном или полном нарушении связи макромолекул с растворителем. При уменьшении градиента скорости сдвига (например, после прохождения загущенным маслом узких отверстий маслосистемы, подшипника двигателя и т. д.) вновь восстанавливается форма макро­ молекулы и ее связь с растворителем. Вязкость загущенного масла принимает прежнее значение. Явление временного снижения вязкости ничего общего не имеет с необратимым падением вязкости при деструк­ ции (разрушении) полимерной присадки. Это свойство загущенных масел имеет большое прикладное зна­ чение. В условиях гидродинамической смазки пары вал — подшип­ ник на загущенном масле при высоких оборотах вязкость при прохож­ дении масла через подшипники будет меньше, чем на обычном. Однако это не повлияет на формирование масляного клина, который при боль­ ших оборотах будет достаточно надежным и для масла малой вязкости. В этом случае потери на трение в двигателе будут меньше. Эконо­ мия топлива при работе на загущенных маслах составляет, как пра­ вило, не менее 5%. Выбор оптимального уровня вязкости масла для двигателей. Для смазки двигателей внутреннего сгорания используют масла вязкостью от 5—6 до 20 сСт при 100° С. Применение масел меньшей вязкости может привести к нарушениям смазки, а более вязких — к повышен­ ным потерям на трение и большему нагарообразованию. В автомобиль­ ных карбюраторных двигателях используются обычно масла с вязко­ стью 6, 8 и 10 сСт при 100° С, в дизельных двигателях мощных тягачей, 1 Скоростью сдвига называется отношение скорости течения масла к вели­ чине зазора между смазываемыми поверхностями. Размерность величины— с-1. 154 скреперов и других дорожных машин — с вязкостью 10—16 сст при 100° С. Имеется определенная тенденция к переходу на масла меньшей б я з к о с т и . Так, если для дизельных двигателей типа В-2 вначале при­ менялось масло с вязкостью при температуре 100° С 20 сСт, то затем 16, далее 14 и наконец было показано, что оптимальный уровень вязкости масла для этого типа двигателя находится в интервале 8— 10 сст при 100° С. Именно при этом значении вязкости обеспечивается надежная смазка и минимальная температура подшипников при всех оборотах и при разных количествах подаваемого масла. Использование масла для двигателей минимально допустимой вяз­ кости при 100° С позволяет снизить потери на трение и получить выиг­ рыш в его низкотемпературных качествах. Преимущества загущенных масел особо проявляются при холодных пусках двигателей и в снижении пусковых износов. Показано, что необходимая скорость подачи масел в пусковой пе­ риод у большинства двигателей обеспечивается при вязкости от 50 до 500 Пз. Температуры, соответствующие динамической вязкости, рав­ ной 100 пз, приведены в табл. 47. Т а б л и ц а 47 Температуры масел для двигателей, соответствующие динамической вязкости, равной 100 пз Температура, при которой вязкость масла равна 100 Пз, °С Загущенные масла АСЗп-6 МТ-14п + 20 % зельного топлива МТЗ-Юп АКЗп-6 АСЗп-10 МТ-14п АКЗп-10 ди- —43 —38 —35 —29 —28 —26 —24 Обычные масла Температура, при которой вязкость масла равна 100 пзУ°с ДСп-8 МТ-8 АКп-6 Машинное СУ ДСп-11 МТ-16п АК-10 —20 — 19 -1 7 -1 4 -1 1 —5 —5 Из данных табл. 47 следует, что загущенные масла имеют значи­ тельно лучшую прокачиваемость при холодном двигателе и поэтому обеспечивают лучшую смазку трущихся деталей в период пуска. Плохие низкотемпературные свойства обычных масел вынуждают для облегчения пуска двигателя зимой прибегать к разбавлению масла бензином, дизельным топливом или веретенным маслом. При этом достигается существенное снижение вязкости масла и улучшение его прокачиваемости при низких температурах. В табл. 48 показано, что разбавление масла бензином на 10% в 1,5—2 раза снижает уровень вязкости при 100° С. Вязкость же этой смеси при температурах минус 20—30° С будет близка к вязкости загущенных масел при этих тем­ пературах. 155 Т абли ца 48 Зависимость вязкости масел при 100° С от степени разжижения их топливом Вязкость, сСт. при содержании i масле бензина . Масло АКЗп-6 АК-6 АКЗп-10 АК-10 0 7,0 6,4 10,5 10,4 Г» 10 5,5 4,7 8,0 8,1 4,5 3,7 6.3 5,7 % 20 25 3,2 2,9 2,0 3,3 3,3 2,5 4,2 4,0 Разбавление масла топливом применяется как вынужденная мера при отсутствии загущенных масел необходимого уровня вязкости. Разбавление снижает в масле концентрацию присадок и тем самым ухудшает качество масла. При разбавлении масла МТ-14п дизельным топливом противоизносные качества масла или критическая нагрузка Р1( (кгс) снижаются следующим образом: Масло А1Т-14п ........................................................105 То же +10% дизельного т о п л и в а .............................................. 90 » +20% » » ...................................................83 » +30% » » ...................................................75 Дизельное топливо .; • ....................................................... 69 Однако в условиях «масляного голодания», характерного для перио­ да холодного пуска двигателя, важно не только качество смазки, но и ее количество. В этом отношении разбавление масла топливом дает положительный эффект. При разбавлении масла топливом следует иметь в виду, что при использовании для этих целей бензина последний в течение получаса работы двигателя испаряется и исходная вязкость масла восстанавли­ вается. При использовании для этих целей дизельного топлива пол­ ного испарения последнего не происходит, в масле остаются тяжелые фракции топлива, приводящие к необратимому разжижению масла. В этих случаях необходим тщательный контроль за вязкостью масла и своевременная его замена. Применение полимерных присадок позволило создать масла для двигателей с вязкостными свойствами, одновременно удовлетворяю­ щими требованиям летней и зимней эксплуатации как карбюраторных, так и дизельных двигателей. Примером такого масла может служить загущенное долгоработающее масло ДВ-АСЗп-10. Улучшение низкотемпературных свойств масла с помощью де прес­ сорных присадок. При охлаждении смазочного масла переход его из жидкого состояния в гелеобразное или твердое происходит постепенно в довольно широком диапазоне температур. В первую очередь из масла выкристаллизовываются высокоплав­ кие парафины. Кристаллы парафина соединяются друг с другом и создают каркас, лишающий масло подвижности. Полностью удалить парафины из масла невозможно, да и нет необходимости, так как най153 Т абл и ц а 49 23 23 Полиметакрилат Д АЗНИИ АЗНИИ-ЦИАТИМ-1 Депреесорный эффект (понижение температуры застывания , масла, °С) » 0,0 0,2 0,4 Депрессатор Количество присадки в масле, % Полиметакрилат Д То же Депрессорный эффект (понижение температуры застывания мас^а, °С) Депрессатор Количество присадки в масле, % Эффект снижения температуры застывания масла от введения депрессаторов 1,0 0,3 0,5 24 16 17 дены соединения (депрессорные присадки), препятствующие образова­ нию каркаса и изменяющие характер кристаллизации парафина. По своей структуре присадки этого назначения представляют собой поверхностно-активные вещества, у которых одна часть молекулы полярная, а другая представляет длинную углеводородную цепь, хорошо растворяющуюся в масле. Распространена точка зрения, что депрессатор, адсорбируясь на мелких кристаллах парафина, препят­ ствует их росту и образованию сплошной кристаллической решетки (каркаса). Этим же объясняется некоторое улучшение текучести масла с депрессатором при низких температурах. Наиболее эффектив­ ны полимерные депрессаторы типа полиметакрилата Д. Эффективны и такие депрессаторы, как АЗНИИ-ЦИАТИМ-1, АФК, АЗНИИ (табл. 49). Депрессаторы в количествах до 1% способны понизить температуру застывания масла на 15—25° С. § 4. ПРОТИВООКИСЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА Окисление масел в процессе работы их в двигателе приводит к об­ разованию лаков и нагаров на деталях и к накоплению различных продуктов окисления в самом масле. Чем выше температура зон, куда попадает масло, тем более глубокие превращения оно претерпевает. Исследованию процессов окисления минеральных масел посвящены' многочисленные работы и предложен ряд теорий и гипотез протекания этого сложного процесса (Черножуков Н. И., Крейн С. Э., Иванов К. И.). Общепринятым считается, что при окислении происхо­ дит ряд последовательных реакций, протекающих по радикально­ цепному механизму. В результате окисления минеральных масел образуется целая гамма сложных продуктов окисления: различных спиртов, альдегидов, кис­ лот, в том числе и оксикислот, играющих главную роль в образова­ нии лака на деталях двигателя, и продуктов более глубокого окисле­ ния, химическое строение которых не установлено. Основные превращения углеводородов масел при окислении проте­ кают по следующей схеме: J57 Углеводороды ароматические , с короткими ■—*■перекиси —>■фенолы —>■смолы — у асфальтены !i боковыми цепями — у карбены »- кислоты —>- оксикислоты —*Углеводороды —>-перекиси асфальтогеновые кислоты —> парафинового и карбоиды нафтенового ряда (остальная - кетоны —►продукты конден­ часть масла) сации спирты —►кислоты — у слож­ ные эфиры ►спирты —>- оксикислоты — эфирокислоты и др. Если начальные продукты окисления — спирты, кислоты, аль­ дегиды — растворимы в масле, то продукты более глубокого окисле­ ния — асфальтогеновые кислоты, карбены и карбоиды — этой спо­ собностью уже не обладают. Асфальтены (продукты полимеризации смол) растворимы только в хлороформе, сероуглероде, бензоле, то­ луоле и нерастворимы в спирте и бензине. Поэтому разжижение масла бензином может привести к коагуляции и выпадению этих продуктов кз масла. Карбены и карбоиды являются продуктами дальнейшего окисли­ тельного уплотнения асфальтенов и представляют собой высокомоле­ кулярные соединения, не растворимые ни в каких органических раст­ ворителях. Рассмотренные продукты окисления, а также продукты разложения присадок, продукты износа и другие загрязнения составляют основу всех углеродистых отложений в двигателе. Основными видами этих отложений являются нагары, лаки и низ­ котемпературные отложения. Н агары— твердые, черного цвета углеродистые вещества, откла­ дывающиеся в двигателях на стенках камеры сгорания, на клапанах, свечах, днище поршня, верхнем пояске боковой поверхности поршня, на форсунках и в продувочных окнах. Нагары содержат также золь­ ные продукты распада присадок. Лаки — тонкие, как правило, блестящие пленки из продуктов окисления масла от светло-желтого до темно-коричневого и даже чер­ ного цвета. Лаки откладываются в зоне поршневых колец, на юбке и внутренних стенках поршня, на шатунах, на стержнях клапанов, на стенках масляного поддона. Лаковые пленки очень прочны и имеют низкий коэффициент теплопроводности. Лаки способствуют пригоранию поршневых колец и перегреву деталей. Низкотемпературные отложения (шламы) — мазеобразные отло­ жения в картере и на нерабочих внутренних поверхностях двигателя, особенно в зонах с пониженной температурой. Отложения этого типа характерны для условий зимней эксплуатации, а также при частых пусках, остановках и при работе двигателя на так называемом низко­ температурном режиме работы. В зависимости от условий эксплуатации, типа масла и конструкции двигателя характер низкотемпературных отложений может быть раз158 личен и их состав может изменяться примерно в следующих пре­ делах, %: 50—85 5—35 1—7 1 -8 2—15 ) lO 7 о Масло , t v j . . Вода ' . . Топливо . Зола и • • Оксикислоты j . , Асфальтены . . Карбены икарбоиды 2—10 1 Продукты окисления масла Отложения этого типа наблюдаются в больших количествах в из­ ношенных двигателях, так как прорыв газов из камеры сжатия в кар­ тер способствует загрязнению масла продуктами окисления. Отложение нагара на деталях начинается с образования лаковой пленки. В зонах высоких температур лаковая пленка обугливается. В ней происходят процессы коксообразования. Новые порции масла Увеличивают толщину нагара. В маслах с малым содержанием зольных присадок количество нагара увеличивается до определенных пределов, а затем рост его прекращается и устанавливается своеобразное рав­ новесие между образованием нагара и его выгоранием. При исполь­ зовании высокозольных масел (содержание золы более 1,5%) на порш­ нях могут быть большие зольные отложения, которые уже не выгорают и могут привести к перегреву и прогару поршней. Поэтому следует применять масла для карбюраторных двигателей с меньшей зольностью (около 0,8%).. На процессы нагарообразования, помимо масла, оказывает влия­ ние качество топлива и содержание в бензине тетраэтилсвинца. Если масло обладает плохими противоокислительными свойства­ ми, это приводит к повышенному лако- и нагарообразованию в двига­ теле, пригоранию колец и другим нарушениям. Для торможения процессов окисления масла и снижения нагаро- и лакообразования в двигателе используют противоокислительные присадки, такие, как диалкилдитиофосфаты цинка (присадка ДФ-11), диарилдитиофосфат цинка (присадка ВНИИНП-354), некоторые фенолы. Присадки этого типа способны прерывать цепные процессы окисле­ ния, разрушать гидроперекиси и превращать активные радикалы (инициаторы окисления) в неактивные соединения. Противоокислительным эффектом обладают и зольные присадки, в состав которых входят сера и фосфор (присадки ВНИИНП-360, ЦИАТИМ-339, ИП-22к и др.). Для уменьшения низкотемпературных отложений в масла вводят полимерные присадки, например некоторые сополимеры, включающие высокополярные группы, или сукцинимиды (полимерные присадки, имеющие в своем составе аминные группы). Противоокислительные присадки по своему действию бывают двух видов: разрушающие гидроперекиси с образованием неактивных сое­ динений (диалкилсульфиды, тиофосфотированные продукты) и свя­ зывающие активные свободные радикалы в неактивные (алкилфенолы, ароматические амины и др.). 159 Одна молекула антиокислителя может разложить много молекул гидроперекиси, т. е. антиокислитель разлагает гидроперекиси в ко­ личествах, значительно превышающих стехиометрические, поэтому антнокислительные присадки добавляют к маслам в очень небольшом количестве. Присадки, разлагающие гидроперекиси, более эффективно подав­ ляют окисление масла, чем антиокислители, действие которых основано на обрыве цепи (уничтожении радикала). Соли железа, меди и других тяжелых металлов всегда имеются в работавшем масле, они ускоряют процесс окисления углеводородов масла. Поэтому в ряде случаев применяют дезактиваторы металлов для пассивации и дезактивации растворенных металлов. Из присадок этого типа широко известны: дисалицилидены, диаминопропан, ализа­ рин и др. Эти соединения связывают ионы металлов в масле в так называемые хелатные соединения. Интересны также зарубежные противоокислительные присадки, в состав которых входят новые для масел химические элементы: кад­ мий около 10% в присадке Ванлюбе 61 и селен около 16% в присадке OLOA-250. ' § 5. М О Ю Щ И Е СВОЙСТВА Моющими свойствами масла называют его способность обеспечи­ вай) необходимую чистоту деталей работающего двигателя. Минеральное масло без присадок не может обеспечить работу сов­ ременного двигателя, вызывает закоксовывание колец и обильное за­ грязнение всех деталей. Высокие моющие свойства товарным автомо­ бильным маслам придают эффективные моющие присадки, введенные в масло совместно с присадками других назначений (противоокислптельной, противокоррозионной и др.). Моющие присадки (табл. 50) являются наиболее массовыми при­ садками к моторным маслам, их выпуск составляет более 70% от общего выпуска присадок к маслам. Существуют два типа моющих присадок — зольные и беззольные. Это название они получили потому, что первые при сжигании дают золу, а вторые ее не дают. Зольные моющие присадки представляют собой сульфонаты щелочноземельных металлов бария или кальция. В зависимости от количества металла сульфонаты бывают нейтраль­ ные (присадки СБ-3, СК-3, СК-11) и высокощелочные (присадка ПМС), в которых содержится больше металла. Нейтральные сульфонаты называют также малозольными, а вы­ сокощелочные (основные) — многозольными сульфонатами. Наличие в этих соединениях металлов щелочного характера (бария или каль­ ция) придает этим присадкам щелочность. Этот показатель иногда указывается прямо в названии присадки. Например, наименование присадки ПМС-70 означает: присадка многозольный сульфонат со щелочностью 70 мгКОН/г. Щелочность характеризует запас моющих и нейтрализующих свойств масел для двигателей. У современных масел этот показатель 1G0 Т абли ца 50 Моющие присадки к маслам для двигателей » Наименование присадки ГОСТ, ТУ Химическое строение Щелочное мг КОН/г Основные показатели качества Содержание активного металла, % Зольность, % бария кальция Зольные моющие присадки ПМСЯ (кальцие­ вая) ПМСЯ (бариевая) ПМС-70 СБ-3 СК-3 LOA-564 LOA-565 Любризол-890 Любризол-894 ГОСТ 12418—66 Высокозольный суль­ фонат кальция 100—130 15—20 * ТУ 38-1-117—67 Высокозольный суль­ фонат бария 67 Не менее 21 * ТУ 38-1-01334—73 Сульфонат кальция 70 8* ГОСТ 10534—63 Нейтральный сульфо­ — нат бария Не менее 6,5 ГОСТ 10534—63 Нейтральный сульфо­ нат кальция — Не менее 2,4 Беззольные моющие присадки Фирма «Дюпон» Сополимер эфиров жирных спиртов метакриловой кисло­ ты и азотсодержа­ щих мономеров 8 Отсутствует То же То же 8 Фирма «Любризол» Сукиинимидная при­ — садка То же То же — 2 * Зольность сульфатная. 4,3—6,0 Не менее 12 _ 2,5 Не менее 3,7 — Не менее 2,4 Вязкость при 15° С 200 ссг » » 25“ С 835 » Содержание азота 1,1 % веса » » 1,8% » находится в пределах 4—10 мгКОН/г. Щелочность самих присадок — многозольных сульфонатов (типа ПМС и др.) — равна 70—120 мгКОН/г. Зольные моющие присадки в масла вводятся до 5—10%. Беззольные моющие присадки представляют собой чистооргани­ ческие соединения, при сжигании которых, как уже говорилось, зольных отложений не образуется, так как в их состав металл не входит. Существуют два основных типа беззольных моющих присадок: сукцинимиды и полярные полимеры. Сукцинимидные присадки являются продуктом взаимодействия низкомолекулярного полиизобутилена с малеиновым ангидридом и некоторыми аминами. С химической точки зрения это имидопроизводные янтарной кислоты. Одна из отечественных присадок этого ти­ па имеет условное название СВ-5. Известны зарубежные присадки этого класса — OLOA-1200, Lubrizol-890 и др. Полярные полимеры, или, как их еще называют, сополимерные присадки, представляют собой высокомолекулярные продукты, син­ тезированные на базе метакриловых эфиров и азотсодержащего моно­ мера. Наличие в длинной молекуле присадки полярных фрагментов придает ей особые моющие свойства. Известны зарубежные присадки этого типа L.OA-564, LOA-565, Р1ехо1-917 и отечественная ВНМ-1. Моющие зольные присадки эффективны в горячих зонах двигателя, а беззольные и в горячих, и в холодных. С ростом теплонапряженности двигателя повышаются и требования к моющим свойствам масла. В масло приходится вводить большее количество присадок. Однако от введения зольных моющих присадок повышается зольность масла. Это приводит к увеличению на поршне нагара и зольных отложений, которые при попадании в масло приводят к увеличению абразивного износа. Чтобы избежать этого, зольные присадки сочетают с моющими беззольными присадками. Этим дости­ гается снижение зольности масла до 0,7—0,8% при сохранении и даже улучшении его моющих свойств. Моющий эффект присадок определяется их способностью удержи­ вать во взвешенном состоянии продукты окисления в работавшем масле. Работавшее масло представляет собой дисперсную систему, состоя­ щую из мельчайших частичек нагара (неизбежных продуктов окисле­ ния масла) и других твердых загрязнений в минеральном масле, причем в качестве стабилизаторов этой суспензии выступают поляр­ ные соединения. Строение мицелл (мельчайших частиц колоидного раствора) в ра­ ботавшем масле окончательно не установлено, но ясно одно, что в их образовании и стабилизации могут участвовать все полярные веще­ ства, находящиеся в масле, в том числе и вода. Таким образом, действие моющих присадок связано с чисто хими­ ческими процессами (нейтрализация кислых продуктов окисления, химическое превращение склонных к лакообразованию оксикислот в продукты, не дающие таких отложений, торможение образования в масле продуктов окисления) и с физическими процессами (удержание во взвешенном состоянии продуктов окисления масла, размельчение и 162 растворение — солюбилизация — твердых продуктов окисления и пре­ вращение их в стойкие тонкодисперсные системы, создание на метал­ лических поверхностях адсорбционных пленок, препятствующих при­ липанию к ним продуктов окисления масла). В лабораторных условиях моющие свойства масла определяют по величине моющего потенциала (ГОСТ 10734—64). Моющий потенциал показывает способность данного масла (или присадки) удерживать во взвешенном состоянии эталонный загрязнитель. Чем выше значение моющего потенциала, тем лучше моющие качества масла. Широкое применение для оценки моющих свойств нашел метод Г13В. Сущность метода заключается в следующем: на одноцилиндро­ вой установке в течение 2 ч испытывается масло при определенном температурном режиме. После испытаний двигатель разбирают и оце­ нивают лакообразование на боковой поверхности поршня с помощью цветной шкалы по семибалльной системе: чистый поршень—0 балла, самый грязный — 6 баллов. Масла, обладающие хорошими моющими свойствами, оцениваются по методу ПЗВ баллом не более 0,5— 1,0. § 6. ПРОТИВОИЗНОСНЫ Е СВОЙСТВА Противоизносным свойством масла называется его способность препятствовать износу трущихся пар в двигателе. Как было сказано раньше, в автомобильном двигателе наблюдаются практически все режимы смазки: гидродинамический, граничный и в отсутствие смазки — «масляное голодание». Узлы трения двигателя работают при самых различных условиях и удельных нагрузках. Смаз­ ка двигателя в период пуска и прогрева характеризуется малой пода­ чей масла и низкими температурами, при работе на полных оборотах— повышенными температурами масла, самих деталей и обильной подачей масла. При изучении влияния качества масла на износ деталей двигателя следует отдельно рассмотреть противоизносные и противозадирные свойства масла. Под противозадирными свойствами понимают способность масла препятствовать задиру деталей при условии «масляного голодания» трущейся пары при высоких удельных нагрузках и температурах. В зоне контакта с противоизноеными присадками происходят хими­ ческие превращения, в результате которых на поверхности металла образуются прочные сульфидные и фосфидные пленки (противоизнос­ ные присадки обычно содержат серу и фосфор), предотвращающие натиры и задиры трущихся поверхностей. При очень жестких условиях трения запаса противозадирных ка­ честв у масел для двигателей иногда бывает недостаточно и тогда наблюдаются натиры и даже задиры зеркала цилиндра, повышение износа поршневых колец, питтинг толкателей. Двигатели внутреннего сгорания большинства конструкций при относительно больших расходах масла (1,5—2% к топливу), как пра­ вило, не предъявляют особых требований к противозадирным свойствам масла. 6* 163 Двигатели же новых конструкций (например, для автомобиля ВАЗ-2101 «Жигули», некоторые дизельные двигатели), имеющие малые зазоры в трущихся парах, характеризующиеся тщательностью испол­ нения и малыми расходами масла на угар (менее 1%), предъявляют требования и к противозадирным свойствам масла. Противоизносные свойства масла зависят от природы масляной основы и качества используемых присадок. При прочих равных усло­ виях сернистые масла по противоизносным свойствам лучше масел бессернистых (например бакинских). На рис. 71 видно, что темп износа пары кольцо — цилиндр при работе на сернистом масле меньше, чем при работе на бессернистом. Эти данные были получены на полно­ размерном двигателе при измерении количества продуктов износа в масле методом радиоактивных изотопов. Причиной лучших противоизносных свойств сернистых масел яв­ ляется то, что в этих маслах содержатся природные противоизносные компоненты (сернистые соединения), образующие в зонах трения сульфидные пленки. Противоизносные и противозадирные свойства масел оцениваются на четырехшариковых машинах трения (ЧШМ) по различным методи­ кам. Конструктивно эти машины могут быть выполнены по-разному, но основной узел (рис. 72) — пирамида 1 из трех неподвижных и од­ ного подвижного шаров — является общим для всех машин. О качестве масла судят по диаметру следов износа на нижних шарах. Критическая нагрузка заедания Рк является показателем, характе­ ризующим противозадирные свойства масла. В маслах для двигателей для улучшения их £400 противоизносных свойств в качестве присадок используют соединения, содержащие серу или _/ t; 0/U фосфор либо оба элемента одновременно. Исклю­ 3г чительно высоким противопиттинговым эффек­ М240 том обладают диалкилдитиофосфаты. Противоиз­ iY носным эффектом обладают в той или иной сте­ g if : пени практически все присадки к маслам, со­ * •SL держащие в своем составе серу и фосфор (ВНИИ Iа? SO НП-360, ИП-22к, АЗНИИ-8 и др ). Действие противоизносных присадок заклю­ t: чается в следующем: О 40 120 200 в адсорбции присадок на поверхности метал­ Продолжительность ра­ боты двигателя, п и н ла и создании граничных пленок; в химическом взаимодействии присадок с ме­ Рис. 71. Темп износа таллом в зонах контакта и создании прочных пары цилиндр — кольцо на сернистых сульфидных и фосфидных пленок; и бессернистых мас­ в сглаживании, в полировке микровыступов лах, определенный на трущихся поверхностей, приводящем к сниже­ полноразмерном дви­ гателе методом ра­ нию удельных нагрузок и уменьшению вз­ диоактивных изотопов носов. (по Демьянову и Во­ Противоизносные свойства масла в значи­ робьеву) : тельной мере зависят от условий эксплуатации 1 — сернистое масло; и режимов работы двигателей. 2 — бессернистое масло “7 L ~J 164 Износ деталей может резко возрасти от по­ падания в масло пыли. Система фильтрации масла должна надежно задерживать все абразивные загрязнения (пыль, продукты износа, частички нагара и т. д.). Следует отметить, что высокодисперсные уг­ леродистые частицы работавшего масла, не об­ ладающие слишком высокой твердостью, улуч­ шают его противоизносные свойства. Этому спо­ собствуют также накапливающиеся в масле по­ лярные продукты окисления (смолы, кислоты, эфиры и т. д.)\ В табл. 51 приведены данные по износам де­ талей автомобильных двигателей, отнесенные к 1000 км пробега. Эти данные показывают, что при увеличении срока смены масла темп изно­ са деталей уменьшается. Противоизносные свойства масла сохраняют­ ся и при большей бессменной работе масла. На­ пример, при введении в загущенное масло противоизносной присадки диалкилдитиофосфата цинка противоизносные свойства масла обеспе­ чили сравнительно малые износы двигателя М-21 при бессменной работе масла в течение 100 000 км пробега автомобиля. Однако срок сме­ ны масла в двигателе устанавливают с учетом из­ Рис. 72. Четырехша­ менения всех эксплуатационных свойств масла, риковый узел трения а не только его противоизносных характе­ машины ристик. Условия работы двигателя влияют на его износ. При установившем­ ся режиме работы двигателя трущиеся пары находятся в более блаТ аблица 51 Износ деталей автомобильных двигателей на 1000 км пробега автомобиля в зависимости от периодичности смены масла Износ, мкм Периодич­ ность смены масла (пробег автомобиля), км гнл ьзы шейки колен­ чатого вала вклады.аей клапана и направляю­ щих поршневых колец Авт ом обиль Г А З -2 1 « В о л га » (масло А С З а -10) 3 000 6 000 12 000 1,54 1,5 3 1,41 3 000 6 000 2,01 1,5 7 0,48 0,46 0,36 0,39 0,35 0,27 1,19 0,79 0,73 12 5 13 Авт ом обиль Г A 3 - 5 3 A (м асло А С - 8 ) 1,3 7 0,70 1,62 0,82 1,26 0,81 9 2 155 гоприятных условиях в отношении смазки, чем при работе двигателя на неустановившемся режиме (частые пуски, резкие перемены в на­ грузке и т. д.).При резком открытии дросселя в карбюраторных двига­ телях резко увеличивается доля неиспарившегося топлива, что может привести к смыванию масла со стенок цилиндров и в результате к по­ вышению износа этой трущейся пары. В дизельных двигателях нару­ шение в характере распыла форсунок может также привести к частич­ ному смыванию смазки с гильз цилиндра. Поэтому топливная аппара­ тура должна всегда тщательно контролироваться. С возрастанием скорости вращения коленчатого вала двигателя условия смазки ухудшаются в большей степени, чем с увеличением нагрузки, поэтому и темп износа деталей в первом случае будет не­ сколько выше. На износ цилиндро-поршневой группы оказывает большое влияние температура стенок цилиндров. Если их температура будет ниже точки росы, то наблюдается конденсация влаги, в которой содержатся кор­ розионно-агрессивные вещества продуктов сгорания топлива и окис­ ления масла: минеральные (серная и сернистая) кислоты, органи­ ческие кислые продукты. В этом случае наблюдается коррозионный износ. В связи с применением для холодного пуска двигателей пусковых жидкостей «Арктика» (для карбюраторных) и «Холод Д-40» (для дизельных) пусковые износы стали предметом особого изучения. Было установлено, что при использовании маловязких загущенных масел повышенных взносов деталей не наблюдается. В заключение отметим, что современные двигатели при исполь­ зовании качественного масла достаточно долговечны при строгом со­ блюдении периодичности технического обслуживания. § 7. П РО ТИВОКОРРОЗИО ННЫ Е СВОЙСТВА Противокоррозионными свойствами масла называют способность его препятствовать коррозии деталей двигателя. Коррозионность масел оценивается по потере металла при контакте его с маслом в граммах с площади в 1 м2 за определенное время. В тех­ нические условия на масла для двигателей введен показатель кор­ розионности, определяемый по методу Пинкевича или по методу НАМИ. Коррозионность по Пинкевичу характеризует потерю веса в грам­ мах на квадратный метр свинцовых пластин, периодически погружае­ мых в масло, нагретое до температуры 140° С. Частота погружений пла­ стинок — 15 раз в минуту. Продолжительность испытания — 50 ч. Аппарат Пинкевича показан на рис. 73. По методу НАМИ определяется потеря веса свинцовой пластинки круглой формы, подвергаемой в течение 10 ч попеременному воздейст­ вию нагретых до 140° С испытуемого масла и воздуха. Испытания проводятся в приборе ДК-2 (рис. 74), представляющим масляную баню, в которой вращается кассета с вставленными в нее стеклянными колбами особой формы. Показатели коррозии по НАМИ и по Пин­ кевичу отличаются незначительно. 166 Существует и другой метод оценки коррозионности масел — метод п зз. По этому методу на установке ПЗЗ (рис. 75) испытуемое масло, нагретое до заданной температуры (125—225° С), прокачивается со скоростью 125 л/ч через кассету с пластинами. Из кассеты масло по труб­ ке поступает в верхнюю часть бачка, разбрызгивается на его нагретые стенки и стекает вниз, далее поступает в насос и циркулирует по сис­ теме. В течение испытания во всасывающую трубку насоса подают 50 л/ч воздуха. Продолжительность испытания — 2 ч. При испытании на установке ПЗЗ одновременно с коррозионными свойствами оценивается окисляемость масла в объеме и испаряемость (по потере веса). В работающем масле в результате окисления накапливаются кис­ лые продукты, вызывающие коррозию. Особые трудности возникают в связи с необходимостью защиты от коррозии цветных сплавов под­ шипников. Чистые минеральные масла имеют высокую коррозионную агрессив­ ность, введение в масло специальных присадок резко снижает коррозию. Рис. 73. Прибор для определения коррозионной агрессивности масел по методу Пинкевича: 1 — пробирка с используемым маслом; 2 — мешалка; 3 — масляная баня; 4 — свинцовая пластинка; 5 — редуктор и си­ стема рычагов, преобразующая враща­ тельное движение электродвигателя в воз­ вратно-поступательное движение рамки с подвешенными к ней пластинками; 5 — электродвигатель Рис. 74. Прибор ДК-2 для определе­ ния потенциальной коррозионной агрессивности масел: / — испытуемое масло; 2 — термометр 167 Рис. 75. Установка ПЗЗ для определения коррозионной агрессивности масел: / — реометр; 2 — бачок; 5 — спираль электроиодогрева; 4 — масло; 5 — насос; 6 — электро­ двигатель; 7 — кассета с пластинками Коррозионная агрессивность работавшего масла повышается, так как в него вместе с прорывающимися газами попадают кислые про­ дукты из камеры сгорания. Применение сернистых дизельных топлив, в результате сгорания которых образуются окислы серы, а следовательно, в контакте с вла­ гой серная н сернистая кислоты, повышает требования к противокор­ розионным свойствам масел для дизельных двигателей. Определенным противокоррозионным эффектом обладают соедине­ ния, содержащие в своем составе серу (осерненные масла), серу и фос­ фор (ткофосфотированные продукты), серу в'боковых радикалах алкилфенолов, серусодержащие алкилфенолы. Введение в масло многофункциональных (ВНИИНП-360, ЦИАТИМ-339, АЗНИИ-ЦИАТИМ-1 и др.), протиЕоокислительных (ДФ-11, ВНИИ НП-354 и др.) и других присадок (табл. 52), содержа­ щих в своем составе серу, позволили снизить коррозионную агрес­ сивность масел до допустимых пределов (5—10 г/м2). Уменьшение коррозионного действия масла на металлы в двига­ телях достигнуто также и путем применения высококачественных металлов и подшипниковых сплавов (например, алюминиевых), более стойких к коррозии. Процессы коррозии металлов в двигателе бывают двух видов: коррозия цветных и черных металлов от агрессивного действия кислых продуктов окисления масла как в процессе работы двигателя, так и на остановках; коррозия черных металлов (ржавление) при длительном 168 Т аблица 52 Противокоррозионные присадки к маслам Название присадки Осернениое масло ДФ-11 ЛЗПИИ-ЦИАТИМ-1 и другие многофункциоиальпые присадки ЛКОР-1 ИНГА Концентрат КГ1 Химическое строение Продукты обработки минеральных масел серой при нагревании Диалкилдитиофосфат цин­ ка Бариевые и кальциевые соли алкилфенолов различного строения Композиция, включающая нитрованное маело — Комплекс присадок, включающий соедине­ ния, содержащие серу и фосфор Применение Как противокоррозмонная и противоизпоепая присадка То же Как присадка, улучшающая лротивокоррозионные, моющие, противоокислительные и дру­ гие свойства масла Для консервации техиики Как присадки к некото­ рым маслам То же Для консервации П р и м е ч а н и е . Три последние присадки именуются также защитными присадками, так как защищают металл от коррозии в процессе хранения тех­ ники. хранении техники в условиях возможного контакта с атмосферной влагой и продуктами окисления масла. Против коррозии второго вида в масла добавляют противоржавейные присадки (АКОР, ИНГА, концентрат КП и др.). Начинают получать распространение так называемые рабочеконсервационные масла. Эти масла содержат сложный комплекс при­ садок, включающий и присадку противоржавейного типа. Масла имеют большой запас противокоррозионных и противоржавейных свойств, что позволяет успешно использовать их при длительном хранении техники. При снятии с хранения техника без расконсерваций может быть сразу приведена в действие. Это стало возможным потому, что введенный в масло комплекс присадок, помимо защиты от коррозии, придает маслу и все другие необходимые свойства. Такие масла являют­ ся весьма ценными при некоторых особых случаях использования автомобильной техники (длительные перевозки ее, сезонное хра­ нение и т. д.). Основной причиной коррозии подшипников является совместное действие перекисей и кислот, тогда как ранее основной причиной счи­ тали только кислоты, образующиеся в процессе окисления масла. Схема протекания коррозии может быть представлена следующим об­ разом: перекись, образовавшаяся в работавшем масле, воздействует на металл, превращая его в окись, которая вступает во взаимодействие с кислотами, образуя обычно малорастворимые соли. Большая роль 169 отводится также и молекулярному кислороду, который может, как и гидроперекиси, вызывать коррозию металла подшипников. При рассмотрении коррозионных процессов (особенно процессов ржавления) необходимо подходить к ним и с позиций электрохимиче­ ской коррозии, по которым общая реакция взаимодействия коррозионно агрессивных продуктов с металлом может быть разделена на два сопряженных процесса: анодный — переход металла в раствор в виде ионов с оставлением эквивалентного количества электронов в металле и катодный — ассимиляция появившихся в металле избыточных элект­ ронов каким-либо деполяризатором (кислородом, продуктами окисле­ ния масла). Противокоррозионные присадки тормозят протекание отдельных стадий процесса и этим замедляют процесс коррозии в целом. Для подавления коррозионных процессов в двигателе, в том числе и коррозии подшипников, используют следующие три пути: нейтрализацию кислых продуктов в работавшем масле; замедление процессов окисления масла; создание на металле защитной пленки. По первому пути применяют в маслах высокощелочные присадки (например, сульфонаты), нейтрализующие кислые продукты. При­ садки этого типа берут в таких количествах, чтобы в масле, полностью отработавшем срок службы в двигателе, еще оставался некоторый за­ пас щелочных свойств. По второму пути применяют в маслах присадки, замедляющие окис­ ление масла (присадки, разрушающие гидроперекиси и превращающие активные радикалы в неактивное состояние). Эти функции, как пра­ вило, успешно выполняют противоокислительные, многофункцио­ нальные и другие присадки. По третьему пути в масло вводят присадки, образующие прочную защитную пленку на поверхности подшипников. При этом следует иметь в виду, что чрезмерный запас моющих свойств у масла (по ще­ лочности) при повышенных температурах может привести к разруше­ нию противокоррозионных пленок на металле и в ряде случаев вызвать повышенную коррозию подшипников. При консервации машин с помощью масел, содержащих противо­ коррозионные присадки, создаются пленки, надежно защищающие металл даже в жестких атмосферных условиях. В заключение отметим, что современные моторные масла характе­ ризуются высокими противокоррозионными и противоржавейными качествами, способствующими повышению долговечности двигателей. § 8. ПРОТИВОПЕННЫЕ СВОЙСТВА При работе масла в двигателе создаются благоприятные условия для образования пены. Этому способствует бурное перемешивание масла с воздухом вследствие вращающихся деталей шатунно-кривошипного механизма, наличие в масле следов воды и ряда стабилизирующих пену веществ: продуктов окисления масла. В отдельных случаях 170 может наблюдаться сильное пенообразование, приводящее к выбросу масляной пены. Обильное пенообразование нарушает нормальные условия режима смазки. Для устранения пенообразования практически во все современные масла для двигателей вводят в количествах 0,002—0,005% противопенные присадки. Эти присадки относятся к классу кремнийорганических полимеров и маркируются ПМС-200А. Действие противопенных присадок заключается в том, что, являясь по своей природе соединениями относительно плохо растворяющимися в минеральных маслах, они находятся в основном на поверхностях раздела фазы воздух — масло. В результате этого скорость разруше­ ния пены становится больше, чем скорость ее образования. Наступает пеногашение. Таким образом уже тысячные доли процента противопенной присадки надежно защищают двигатель от пенообразования. Образование на границе воздух — масло барьера из полимерных молекул кремнийорганических соединений создает определенные труд­ ности для прохождения кислорода воздуха вглубь масла. Предпола­ гают, что это свойство противопенных присадок несколько повышает стойкость масла к окислению. Пенообразование уменьшается с повышением температуры масла, так как при этом вязкость масла снижается и стойкость пены падает. Попадание воды в масло приводит к увеличению пенообразования: из масла капельки воды начинают испаряться, приводя к зарождению отдельных газовых пузырьков, а затем и пены. Замечено, что наиболее часто пенообразование наблюдается в дви­ гателях с «сухим» картером, имеющим откачивающие насосы и от­ дельный масляный бак, чем в двигателях с «мокрым» картером, как у обычных двигателей средней мощности. Продуктами сгорания противопенной присадки является абразив­ ная окись кремния Si02 (кварцевый песок). И хотя противопенные присадки применяются, как указывалось выше, в очень небольших количествах— 0,002—0,005%, имеется определенная тенденция ис­ пользовать присадку в количествах, отвечающих нижнему пределу допустимых концентраций. § 9. СТАБИЛЬНОСТЬ И ВОЗМОЖНОСТЬ СМЕШЕНИЯ МАСЕЛ РАЗНЫХ МАРОК Стабильность масел при хранении. Масла для двигателей должны сохранять свои эксплуатационные свойства при хранении в течение длительного срока. Современные масла могут храниться пять лет и более практически без изменений показателей качества. Однако если в масло были введены зольные присадки невысокой степени очистки и в него попала вода (даже десятые доли процента), то при хранении могут наблюдаться случаи выпадения из масла осадка. Осадок представляет собой эмуль­ сию, состоящую из воды, масла, присадок и различных загрязнений. В случаях выпадения присадок эксплуатационные качества масла 171 могут ухудшиться и физико-химические показатели масла не будут отвечать требованиям ГОСТа. Возможность смешения масел для двигателей разных марок друг с другом. При эксплуатации автомобилей и хранении на складах могут быть случаи смешения разных сортов масел друг с другом (ГОСТ 17479—72, п. 1.3). При смешении масел такие показатели, как зольность, вязкость при положительных температурах, содержание механических приме­ сей, воды, изменяются по закону адптивности, т. е. характер их изме­ нения находится в прямой зависимости от соотношения сортов масел в смеси. Температура вспышки смеси будет почти такой, как у более легкого масла. Низкотемпературные свойства и температура застыва­ ния изменяются по более сложной закономерности, если смешиваемые сорта имеют большие расхождения по этим показателям. При смешении масел могут быть случаи «несовместимости» при­ садок в маслах, в результате чего отдельные эксплуатационные каче­ ства смеси могут быть хуже, чем у любого из смешиваемых масел. Поэтому в эксплуатации и при хранении на складах смешение масел допускается в исключительных случаях. § 10. СТАРЕНИЕ МАСЛА В ДВИГАТЕЛЯХ Старением масла называют совокупность всех изменений физико­ химических свойств масла при работе его в двигателе. Все многочисленные факторы, оказывающие влияние на старение масла в двигателе, можно разбить на три основные группы: условия работы масла в двигателе — режим работы двигателя, температура деталей, смазываемых маслом, расход масла на угар, полнота сгорания топлива, степень очистки воздуха и т. п.; качество масла — антиокислительные, моющие, противокоррозион­ ные и другие эксплуатационные свойства; характеристика системы смазки — количество масла в двигателе, эффективность работы системы очистки масла (масляные фильтры, центрифуги, принцип подключения их в системе смазки — последова­ тельное или параллельное). Интенсивность старения масла определяется сочетанием всех фак­ торов указанных групп. В результате старения масла изменяются его эксплуатационные качества. Знание характера этих изменений необходимо для установ­ ления сроков смены масла. Характер изменений физико-химических свойств масла в процессе работы его в двигателе следующий. Вязкость масла. В пробах работавшего масла наблюдается некото­ рый рост (на 10—15%) его вязкости за счет накопления в нем продуктов окисления. Если же вязкость падает, то причиной этого является, как правило, разбавление масла топливом. При использовании некоторых загущенных масел снижение вяз­ кости (на 10—15%) может быть связано с некоторой деструкцией по­ лимерных присадок в работающем двигателе. Отечественные загущен­ 172 ные масла в процессе работы в двигателе практически не изменяют свою вязкость при положительных температурах (табл. 53). При отри­ цательных же температурах может наблюдаться некоторое ухудше­ ние низкотемпературных свойств за счет накопления смол и других продуктов окисления масел. Т а б л и ц а 53 Характер изменения вязкости загущенных масел при длительной их работе в двигателях Карбюраторный двиг тель Пробег автомобиля, 0 2 000 5 000 10 000 16 000 Дизельный двигатель Вязкость масла при температуре 100° С, сСт П родо лжи тел ьн ос ть работы двигателя. мото-часы Вязкость масла при температуре 100° С, сСт 10,0 9,8 9,9 10,1 10,2 0 50 100 150 300 10,06 9,70 9,90 10,10 11,00 В процессе работы загущенного масла в двигателе полимерная присадка, содержащаяся в масле, несколько снижает свой молеку­ лярный вес из-за деструктивных процессов, но при этом количество полимера в масле несколько возрастает за счет испарения масляной основы. Таким образом, вязкость работавшего масла остается примерно на исходном уровне. В высоконапряженных двигателях иногда отме­ чается заметное увеличение (на 100—150% и даже выше) вязкости масла при использовании высокощелочных масел. Объясняется это тем, что некоторые высокощелочные присадки реагируют с кислыми продуктами окисления масел с образованием веществ (типа мыл). За рубежом разработан метод для контроля вязкости масла и для высокофорсированных двигателей выработаны масла типа SE, кото­ рые не повышают резко вязкость. Зольность масла. В свежем масле этот показатель оценивает коли­ чество введенных зольных присадок и поэтому является важным показателем качества масла.Для высокощелочных масел и присадок определяется зольность сульфатная (сульфозола) по ГОСТ 12417—66, для остальных масел — зола по ГОСТ 1461—59. В процессе работы масла в двигателе происходит «срабатывание присадок», в результате чего зольность масла изменяется. Причинами уменьшения зольности масла являются: расход присадки на нейтрализацию кислых продуктов окисления • масла с образованием веществ, задерживаемых на фильтрах; термический распад присадки (угар) при попадании масла в высо­ котемпературные зоны двигателя; адсорбция присадки на фильтрах, на поверхностях деталей, на углеродистых частичках окисленного масла и на механических приме­ сях, удаляемых системой фильтрации двигателя. 173 Причинами увеличения зольности масла являются: долив свежего масла с присадкой; накопление в масле продуктов износа двигателя, пыли и других загрязнений. Таким образом, по характеру изменения одной зольности масла не всегда удается сделать заключение об изменении содержания активной (работоспособной) присадки в масле. Для представления об этом необходимо составить баланс присадки, исследовав характер измене­ ния содержания активных элементов присадки (обычно бария, кальция, цинка) в масле, в составе механических примесей, в составе отложений на фильтрах и в центрифуге. В практике эксплуатации обычно огра­ ничиваются только контролем общей зольности. Успехи в области спектрального анализа позволяют, используя экспресс-методы, быстро определять содержание всех металлов в про­ бах работавшего масла. По характеру изменения содержания отдель­ ных металлов удается судить об взносах поршней (по алюминию), колец (по хрому), подшипников (по свинцу, меди) и т. д. Кислотное число выражается в количестве миллиграммов щелочи (КОН), использованной на нейтрализацию кислых продуктов одного грамма масла. Для свежих масел с присадками этот показатель теряет свою значимость, так как кислотное число масла зависит от природы введенных в масло присадок. По этим причинам для свежих масел с присадками этот показатель не нормируется. Как показала практика, кислотное число в пробах отработавших масел может достигать 2—3 мг КОН/г масла. Более высокое кислотное число масла может привести к повышению кор­ розии в двигателе и поэтому недопустимо. Щелочность характеризует нейтрализующие свойства масла. Этот показатель введен в технические условия на современные масла с сульфонатными присадками. При работе дизельных двигателей на сернистом топливе маслу необходим большой запас щелочных свойств (не менее 5,5 мг КОИ/г). В маслах, полностью отработавших свой срок в двигателе, показатель щелочности обычно снижается до 1—0,5. Механические примеси в пробах работавшего масла характеризуют в нем количество загрязнений, задерживаемых фильтром «синяя лен­ та». Механические примеси разделяются на две части: на органическую (сгораемые) и на неорганическую (несгораемые). Органическая часть состоит из продуктов окисления масла, случайных сгораемых загряз­ нений (волокна фильтра, ткани и т. д.), а неорганическая — из про­ дуктов износа, распада зольной присадки, пыли и других загрязнений. Характер изменения количества механических примесей в работав­ шем масле показан в табл. 54. Из других показателей качества масла следует отметить температуру вспышки (характеризующую разбавление масла топливом) и содержа- * ние воды в масле (рост этого показателя иногда указывает на неисправ­ ность в системе охлаждения). Сроки смены масла. Установление научно-обоснованных, техни­ чески правильных и экономически целесообразных сроков службы масел в двигателе является одним из важнейших вопросов. 174 Т а б л и ц а 54 Характер изменения содержания механических примесей в маслах для двигателей Количество загрязнения, % в свежем масле в работавшем маете №1 №2 №3 суммар­ ных несгорае­ мых сгораеных суммар­ ных несгорае­ мых сгорае­ мых 0,006 0,006 0,020 0,003 0,003 0,013 0,003 0,003 0,007 0,544 0,774 1,980 0,222 0,281 0,627 0,322 0,493 1,358 П р и м е ч а н и е . С одерж ание м еханических норм и руется не б о л ее 0 ,0 2 примесей для свеж их масел %. Оптимальный срок смены масла зависит от его эксплуатационных свойств и конструкции двигателя, поэтому необходимо комплексное рассмотрение величин, которые взаимосвязаны с техническими, эко­ номическими и народнохозяйственными факторами. Считается, что при работе на маслах с товарными присадками смена их в карбюратор­ ных двигателях должна проводиться через 6000—9000 км пробега автомобиля. При жестких условиях эксплуатации и при высокой за­ пыленности срок смены масла может быть снижен до 1500 км. Срок смены масла записывается в карту смазки автомобиля заводами-изготовителями. Этот срок может быть для каждого завода разным. § И. АССОРТИМЕНТ МАСЕЛ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ Классификация масел До введения ГОСТ 17479—72 масла подразделялись обычно по признаку применения: на автолы (масла для карбюраторных двига­ телей) и на дизельные масла. Однако это разделение оказалось весьма условным, так как современные высоконапряженные карбюраторные двигатели предъявляют к маслу требования, близкие к требованиям дизельных автомобильных двигателей. В настоящее время имеются единые масла, обеспечивающие нормальную работу и карбюраторных и дизельных двигателей. Масла для двигателей подразделялись также на зимние и летние. Зимние масла имели меньшую вязкость при низких температурах и температуру застывания на 20—30° С ниже, чем температура засты­ вания летних масел. На практике такое подразделение масел сохра­ няется и сейчас, хотя и не является официальным. Классификация масел для двигателей проводится по ГОСТ 17479—72, который распространяется на масла с присадками для автомобилей, тракторов и другой техники. В стандарте учтены рекомендации СЭВ по стандартизации. 175 Масла для двигателей в зависимости от области их применения подразделены на группы (табл. 55). Эти группы в зависимости от вели­ чины вязкости, эксплуатационных свойств и климатических условий применения, в свою очередь, подразделяются на марки (табл. 56). Т а б л и ц а Группы м асел для I руппа масел по эксплуата­ ционным свойствам А Ы ефорсированны е карбюраторные и дизельны е дви гатели в1 М алофорсированные карбю раторны е двигатели » дизельны е двигатели В в! С реднеф орсированны е карбю раторны е двигатели » дизельны е двигатели 1 Д Г1 г* двигателей Рекомендуемая область применения Б Г 55 Вы сокоф орсированны е карбю раторн ы е дви гател и » дизельны е двигатели Вы сокоф орсированны е дизельны е ж елы х условиях двигатели, работающ ие в тя­ Масла различных марок в пределах одной группы должны быть совместимы друг с другом без ухудшения их эксплуатационных свойств. Условное обозначение масел расшифровывается следующим обра­ зом (см. табл. 56). Марка масла M-8Bj. Буква М обозначает масло для двигателя, цифра 8 — уровень вязкости при температуре 100° С в сантистоксах, буква Б с индексом 1 означает, что масло по эксплуатационным свойст­ вам относится к группе Б и предназначено для смазывания малофорси­ рованных карбюраторных двигателей. Масло марки М-6„/10Ва. Буква М обозначает масло для двигателя, цифра 6 — класс вязкости масла, у которого величина вязкости при температуре минус 18° С нормируется в пределах 2600—10 400 сСт, буква з означает, что масло содержит загущающую (вязкостную) присадку и предназначено для применения как зимнее или всесезон­ ное масло, цифра 10 после знака дроби обозначает, что масло при тем­ пературе 100° С имеет вязкость 10 сСт, буква В с индексом 2 означает, что масло по эксплуатационным свойствам относится к группе В и предназначено для смазывания среднефорсированных дизельных дви­ гателей. Универсальные масла, предназначенные для применения как в карбюраторных, так и в дизельных двигателях, обозначаются буквой по группам эксплуатационных свойств без цифрового индекса, напри­ мер М-10Г. 176 Т а б л и ц а 56 Класс вязкости Маркировка масел для двигателей Вязкость при температуре 100° С, сСт Индекс вязкости 6 6 ± 0 ,5 Не менее 90 8 8 + 0,5 То же 10 ' f рупль масел оо А bi — M-CBj Бг — эксплуат ационным свойстаам в. В, г, г. д M -6Bi _ М -6 Г Х _ -- М-8А М -8 Б х М -8Б , M -8Bi М-8В» M-8TJ М -8Г2 М-8Д 10+1 М-10А M -lO Bj М-10Б., M -lO B i М-10В2 М-10 Г2 М-10Г2 М-10Д 12 1 2 + 0 ,5 — — М -12Б2 — М-12В» — М-12Г2 М-12Д 14 14+1 — — М-14Б2 — М-14В, — М-14Г2 М-14Д 16 16+1 » — — М-16Б2 — М-16В2 — М -16Г2 М-16Д 20 20+2 » — — М-20Б2 — М-20В2 — М-20Г2 М-20Д 43/6 6 + 0 ,5 Не менее 125 — М-43/6 Б 1 — M-43/6 B j — — — — 43/8 8 + 0 ,5 То же — М ^ /В Б ; М-43/8 Б , M-43/8B , М -43/8 В 2 — — — 43/ 10 10+0,5 » — — — М-43/lO B j М -43/10В 2 — — — 63/10 10±0,5 )> — — М-ба/lO B i М -63/10В 2 М -6 а/10Г j М -6 3/10Г2 — При классификационных испытаниях новых образцов масел про­ водят моторные испытания. Всесторонняя моторная проверка качества масла позволяет уста­ новить ему группу по эксплуатационным качествам и упростить выбор масла для двигателя. За рубежом применяется классификация масел для двигателей по API, ASTM, SAE1. Сведения о соответствии классов вязкости по ГОСТ 17479—72 и по SAE приведены в табл. 57. Т а б л и ц а 57 Соответствие классов вязкости по классификации ГОСТа и SAE Класс вязкости 43 63 6 8 10 12 14 16 10 43/6 43/8 43 /Ю 63/10 Вязкость при температуре минус 18° С, сСт не менее не более 1 300 2 600 2 600 10 400 — — — — — — — — — — — — — 1 300 1 300 1 300 2 600 — 2 600 2 600 2 600 10 400 Вязкость при температуре 100° С, сСт не менее 3,8 3,8 5 7 9 11 13 15 18 5,5 7,5 9,5 9,5 Соответствующий класс по SAB не более — 7 9 11 13 15 16 22 6,5 8,5 10,5 10,5 10W 20W 20 20 30 30 40 40 50 10W/20 10W/20 10W/30 20W/30 Из таблицы можно установить, к какому классу вязкости ГОСТа относится то или иное зарубежное масло. Зарубежные дизельные масла разделены по условиям работы на четыре группы: СА — легкие условия эксплуатации. Безнаддувные дизельные двигатели при работе на бессернистом топливе; СВ — условия работы безнаддувного дизельного двигателя при использовании сернистого топлива; СС — условия работы дизельного двигателя с малым наддувом. Масло не должно давать низкотемпературных отложений в карбю­ раторном двигателе; СД — условия работы дизельных двигателей с наддувом при работе па сернистом топливе. Если масло одновременно удовлетворяет требованиям двух групп, то ему присваивается двойная маркировка. Масла группы СС предназ­ начаются в качестве единых для дизельных и карбюраторных двига­ телей. 1 API — Американский нефтяной институт. Группы API характеризуют условия работы масла в двигателе. ASTM — Американское общество испытаний материалов. SAE — Общество автомобильных инженеров (США), классы по SAE характеризуют вязкостные свойства масла. 178 Наряду с новой единой классификацией масел по ГОСТ 17479—72, в технических условиях на масла применяют старую индексацию ма­ сел отдельными буквами, характеризующими способ его изготовле­ ния, наличие присадок и т. д. В зависимости от назначения масла для двигателей делят на авто­ мобильные (для карбюраторных и дизельных двигателей) и авиацион­ ные. По способу производства они могут быть дистиллятными, остаточ­ ными, компаундированными (смесь дистиллятного и остаточного ком­ понентов) и загущенными (приготовленными по новому способу про­ изводства с использованием полимерных присадок). Почти все масла для двигателей являются маслами селективной очистки (буква С в марке масла). Масла кислотной очистки (буква К в марке масла) выпускаются в ограниченном количестве на старых заводах. Практически все масла для двигателей выпускаются с при­ садками, на что в маркировке старых образцов масел указывала буква п. Автомобильные масла в наименовании сорта имеют букву А, ди­ зельные — Д. Загущенные масла маркируются введением в наимено­ вание буквы 3. Пример. В маркировке масла АСЗп-10 (М-63/10В2) следующие обозначения: А — автомобильное, С — селективной очистки, 3 — загущенное, п — наличие зольной присадки, 10 — уровень вязкости масла при температуре 100° С. В скобках дана маркировка масла по ГОСТ 17479—72. На практике маркировку масел иногда приходится расширять, чтобы обозна­ чить тип введенной в масло присадки по металлу (М-14ГБ, где буква Б означает бариевую присадку). Масла для двигателей выпускаются зимних и летних сортов. В маркировку масла с этой целью иногда вводят (последними по порядку) буквы з или л. Это сделано, например, в дизельном масле для автобуса Икарус, чтобы отличить зимний сорт (М-8Гфз) от летнего (М-8Гфл). Буквой ф в наименовании масла подчеркивается, что это масло предназначено для форсированных дизельных дви­ гателей с наддувом. Масла загущенные могут применяться всесезонно. На это указы­ вает буква В в названии сорта масла, например масло ДВ АСЗп-10. Буква Д указывает, что это масло долгоработающее и поэтому может работать в двигателе без смены порядка 15 000—20 000 км пробега автомобиля. Товарные масла Масла для двигателей выпускаются по техническим условиям (ТУ) или по государственным стандартам, в которых нормированы качества продукта. Ранее существовало более 20 ТУ и ГОСТов на автомобильные и более 50 на дизельные масла. В настоящее время проводится широкая унификация и предполагается сокращение сортов масел более чем в 3 раза. Отечественные автомобильные масла для карбюраторных двига­ телей. Масла для высокофорсированных карбюраторных двигателей 179 (БАЗ-2101 н др.) содержат в оптимальных количествах высокозольные моющие присадки, беззольные диспергирующие присадки (сукцинимнды), противоокислительные, противоизносные, противопенные и др. (табл. 58). Масло М-6Ва (АСЗп-6) предназначено для применения, в первую очередь, в северных районах страны. Характеристики автомобильных масел для карбюраторных двига­ телей меньшей теплонапряженности приведены в табл. 59. Долгоработающие масла. Успехи в области синтеза присадок и требования потребителей о повышении экономичности эксплуатации автомобилей привели к необходимости создания масел, работающих в двигателе без смены 15 000—20 000 км пробега автомобиля. За рубежом такие масла известны с 1963 г. под названием «long­ life», «Super motor» и др. Уже к 1965 г. ассортимент долгоработающих масел включил более 25 наименований. В нашей стране выпускается долгоработающее масло ДВ-АСЗп-10 по ТУ 101155—71 (табл. 62). Это масло способно работать и в дизельных и в карбюраторных двигателях. В состав долгоработающих масел входит несколько присадок, общая концентрация которых может составить более 10%: металл­ содержащая моющая (сульфонатного типа), беззольная диспергирую­ щая (например, сукцинимидная), противоокислительная и вязкостная присадка, обладающая моюще-диспергирующими свойствами, в том числе и при низкотемпературном режиме работы двигателя. При работе V-образных карбюраторных двигателей на долгоработающих маслах образуется в 5 раз меньше осадков, чем на обычных маслах. В табл. 63 показан характер изменения физико-химических свойств долгоработающего масла в двигателях ЗИЛ-130 и 3M3-53. Из таблицы следует, что в масле не произошло каких-либо изменений, способных заметно ухудшить его качество. Так, в пробах работавшего масла к моменту смены (15 000 км пробега автомобиля) уровень вязкости масла при температуре 100°С снизился незначительно (примерно всего на 10%). Низкотемпературные свойства масла остались близкими к исходному. Содержание золы изменилось менее чем на 20%, причем процент механических примесей (показатель загрязнения масла твердыми продуктами окисления и износа) был всего лишь 0,2—0,4%. Масло сохраняло щелочность. Кислотность возросла до 2,5—3,0 мг КОН/г. Для масла, проработав­ шего в двигателе такой большой срок (15 000 км пробега автомобиля), это вполне допустимо. Результаты физико-химических анализов показали также, что сис­ тема фильтрации в этих двигателях работает достаточно надежно. Применение долгоработающих масел, несмотря на несколько более высокую их стоимость, дает определенный экономический эффект. За счет сокращения времени на техническое обслуживание, уменьше­ ния расхода масла и других факторов достигается экономия средств не менее чем на 20—30%. Для быстроходных автотракторных дизель­ ных двигателей в нашей стране выпускаются зимние (ДС-8, М-8В и др.), летние (ДС-11) и северные загущенные (ДСЗп-8) масла (табл. 60). Для быстроходных дизельных двигателей типа В-2, Д-12 и других применяют масла марки МТ (табл. 61). 180 Таблица 58 Характеристика автомобильных масел для форсированных карбюратдрных двигателей т Показатели Вязкость при температуре 100° С, сСт Индекс вязкости, не менее М-6В (АСЗпб) М-121 (.Vs 8) М-81 UYo 9) М-10Г3 <jVe 10) 12±0,5 95 8±0,5 100 10±0,5 125 1,3 Зольность сульфатная, % , не более Содержание, %, не белее: 0,015 механических примесей' воды 8,5 Щелочное число, мг КОН/г, не менее Температура, иС: вспышки в открытом тигле, не ниже 220 — 20 застывания, не выше Коррозия (на пластинках С1 и С2 по ГОСТ 3778 — 65), г/м2 70 Термоокислительная стабильность при температуре 2501* С (по методу Папок), мин, не менее Стабильность после окисления в при­ Отсутствует боре ДК-2 (осадок), %, не более 18,0 Вязкость при температуре 100v С, сСт, не более ОО ЗЬ-1-26»—ЬУ ИЗ 1,65 0,015 0,015 Следы 8,5 11,0 210 210 —32 —30 Отсутствует £0 40 3,0 3,0 13,0 13,0 Т У 38-1-01-11 — 70 Не менее 6* 140 1,2 0,02 5,5 165 —42 Методы испытаний ГОСТ 33—66 Таблица значений индекс* вязкости смазочных масе/ ГОСТ 12417—66 ГОСТ 6370—59 ГОСТ 2477—65 ГОСТ 11362 —65 ГОСТ 4333—43 ГОСТ 1533 — 42 ГОСТ 13517—68 Пе нормируется, ГОСТ 9352—60 определять обя­ зательно ГОСТ 11063 — 64 — Ь числе механических приуесей не допускаются пе-сск и другие абразивные вещества. При U® С he более ЗбО ест, при — С не более 17 50и сст (ыот показатель факультативен). ГОСТ 33—66 Таблица 59 Автомобильные масла для среднефорсированных карбюраторных двигателей ЮСТ 10541 — 63 АС-10 (М-10Б) АС-8 (М-8Б) АС-6 (М-6Б) Показатели С присадкой С присадкой С присадкой С присадкой ВНИИ НП-360 ВНИИ НП-360 СБ-З и ДФ-11 ВНИИ НП-360 Вязкость, сСт, при температуре: 100° С О и О Не менее 6 НеболееЮОО Индекс вязкости, не менее 85 Коксуемость (до добавления присадки), %, 0,10 не менее 0,02 Кислотное число масла без присадки, мг КОН/г, не более Зольность масла, %: без присадки, не более 0,005 с присадкой, не менее 0,45 Содержание: бария, %, не менее 0,27 фосфора, %, не менее 0,026 цинка, %, не менее 0,02 АС-9,5 для двух АСЗп-10 тактных карбюТУ 38-1-01-267—72 раторных двига­ телей, МРТУ 38- 1-237 —66 8+0,5 1200 85 0,15 8±0,5 1200 85 0,15 10±0,5 1200 85 0,25 0,02 0,02 0,02 0,05 0,005 0,45 0,005 0,50 0,005 0,45 Отсутствует 0,48 — 0,13 0,27 0,026 0,02 0,13 0,09 0,09 0,27 0,026 0,02 _ — - 10,0±0,5 1000 120 9+1 — — 0,23 — — . i I водорастворимых кислот и щелочей Щелочная реакция _ Щелочная реакция Отсутствуют Щелочная реак­ ция механических примесей в масле» Отсутствуют без присадки с присадкой, %, не более 0,012 | 0,012 | 0,012 | ' 0,025 | 0,02 Следы воды, не Солее серы (в масле без присадки), %, не Солее 0,012 | 1,0 ! ,0 1,0 1»1 | — 1,1 Отсутствует фенола (в масле без присадки) Температура, °Ci вспышки (в открытом тигле), не ниже застывания, не выше Коррозия (на пластинке из свинца марки С1 или С2, ГОСТ 3778-56), г/м2, не Солее 190 Цвет без присадки (стекло № 4, разбавление 85 : 15), мм, не менее S 200 200 170 —3G —25 —25 — 15 —36 8 8 5 5 5.0 200 —15 Не нормиру ется, определять обязательно Термоокислительная стабильность (по методу Папок) при температуре 250° С Моющие свойства по ПЗВ, баллы, не более 200 1,0 20 1,0 18 0,5 18 1,0 16 --- — — — С© ГОСТ 8581 — 63 Показатели ДС-8 (М-8Б) М-8В с компо­ ДС-11 (М-ЮБ) с присадкой зицией присадок с присадкой ВНИИ НП-360 ВНИИ НП-36С Вязкость, сСт, при температуре 100° С 0° С, не более 8 + 0,5 1200 Индекс вязкости, не менее 83 8 + 0,5 1200 ДСЗп-8 М-8В, ТУ-за- ДСЗп-8 (М-8Б ), (■М-8Б3>, 1-01-47 — 70 ТУ 38-1- 165 —68 ТУ 38-1-0169 — 70 8± 0,5 1200 11 ± 0 ,5 2500 83 83 • 83 8 ,5 i0 ,5 460 140 0,30 _ 0,1 — — 3,5 2,5 0,02 0,02 0,02 — 0,05 0,005 0,80 0,005 0,70 0,005 0,80 _ 0,005 0,65 0,45 _ • Коксуемость масла до добавления присалки, % , не более 0,15 0,15 Щелочное число, мг КОН/г, не менее — Кислотное число масла без присадки, мг 8 + 0,5 800 130 4,0 КОН/г, не более Зольность масла, %: без присадки, не более: с присадкой, не менее Содержание, %: бария, не менее кальция. » фосфора, » 0,45 Не нормируется, определять обязательно Не нормируется 0,046 Те нормируется » » 0,046 0,9 1,4 Не нормируется, определять обязательно ■■ — — — Не нормируется, определять обязательно _ — . цинка » 5 водорастворимых кислот и щелочей 0,035 То же иХелочная реакция 0,035 — То же — —' механических примесей в масле; Отсутст вуют без присадки 0,015 с присадкой, не более 0,020 0,015 0,015 0,015 0,015 1,1 — 1 — — — - След ы воды, не более серы в масле без присадки, не более 1,0 фенола в масле без присадки Температура, °С вспышки в открытом тигле, не ниже застывания, не выше Коррозия (на пластинках из свинца Cl или С2 по ГОСТ 3778 —56), г/ма 1,0 Отсутст вует 190 190 200 —25 —25 —15 8 5 8 Термоокислительная стабильность при 250°С Не нормируется, определять обязательно (по методу Папок), мин, не менее Моющие свойства (по ПЗВ), баллы, не более Цвет масла без присадки (стекло № 4, разбавление 85: 15), мм, не менее Плотность при 20° С (небраксвочная), г/см3, не более • 0,5 18 0,895 0,5 18 0,895 0,5 16 0,905 200 i70 170 —45 —40 10 5 Отсутствует 50 — — 1,0 — 2,0 — — — -- — — —25 оОо Т а б л и ц а 61 Характеристика дизельных масел МТ ГО СТ 6360—58 Показатели МТ-14п Вязкость, сСт, при температуре: 100° С 0° С, не более —30° С, не более Индекс вязкости базового масла, не менее Отношение кинематической вязкости при 50° С к кинематической вязкости при 100° С не более ’ Кислотное число, мг КОН/г, не более Коксуемость масла без присадки, %, не более Зольность, %: без присадки, не более с присадкой, не менее МТ- 16п 13,5-14,5 16,0—17,5 1000 Не нормируется 280пз — МТ-16п с присадками, МРТУ 38- 1-242 — 66 4,5% МНИ ИП-22к 5% ВНИИ НЛ-360 16±0,5 — 16+0,5 — 80 — — 80 — 4,0 — 7,0 0,10 0,20 0,15 0,30 0,15 0,40 0,15 0,40 0,005 0,13 0,005 0,25 0,005 0,45 0,005 0,65 0,008 Не норми­ руется в открытом тигле 165 застывания» не выше —43 Разность температур вспышки в открытом и Не норми­ закрытом тиглях, °С, не более руется Коррозия (на пластинках из свинца марок С1 10 или С2 по ГОСТ 3778 — 56), г/см2, не более Цвет масла без присадки (стекло № 4, раз­ — бавление 85 : 15), мм, не менее Моторные свойства при 250° С: термоокислительная стабильность (по ме­ — тоду Папок), мин, не менее содержание рабочей фракции за 30 мин, — %, не менее лакообразование за 30 мин, %, не более — моторная испаряемость :а 30 мин, %, — не более критическая температура лакообразования — за 30 мин, JC, не ниже Моющие свойства (по ПЗВ), баллы, не более — Плотность при 20е С, г/см3, не более — — 23 * До введения присадок. 0,01 0,015 Отсутст вует 200 198 8+1 — Содержание: / селективных растворителей — ОтсутстЕ*уют серы в масле без присадки, %, не более 1,1 1 1,1 водорастворимых кислот и щелочей Отсутствуют Слабощелочная Реакция от слабощелоч­ реакция ной до щелочной механических примесей в масле: без присадки Отсутствуют с присадкой, %, не более воды Температура, °С: вспышки: в закрытом тигле, не ниже МТ-8п, МТЗ-Юп, МРТУ ТУ 38-00184— 38-1-151 — 64 72 0,015 198 — — 85 — 0,10 0,30 0,005 0,4—0,6 0,015 —25 22 1S0 —30 — 10 8 8 8 — 10 10 10 25 60 60 60 15 35 35 35 20 68 1 65 1 65 1 65 — 260 260 260 _ 0,895 1.0 0,900 1,0 0,900 4,0 0,06* 0,005 0,80—1,15 (сульфатная) 1 0,025 — —25 22 — ___ Щелочная реакция — —25 20 — 10+0,5 650 15 000 сст 1,0 0,900 165 -4 3 Т а б л и ц а 62 Технические условия на масло долгоработающее всесезонное ДВ-АСЗп-10 (ТУ 38-101155 — 71) Нормы Показатели Кинематическая вязкость, сСт, при температуре] + 100° С, в пределах 0° С, не более — 18° С, не более Зольность (сульфатная), %, не более Содержание механических примесей, %, не более Содержание воды, %, не более Температура вспышки в открытом тигле, °С, не ниже Температура застывания, °С, не выше Коррозионность на пластинах из свинца, г/мг, не более Моющие свойства по ПЗВ, баллы, не более Щелочность, мг КОН/г, не менее 10±0,5 900 6000 1,2 0,02 Следы 190 —30 5.0 1.0 5,5 П р и м е ч а н и е . В числе механических примесей не допускаются песок и другие абразивные вещества. ! Кислот число, КОН/г Зола с> пая, % Т а б л и ц а 63 Характер изменений качества долгоработающего масла в процессе бессменной работы в двигателе 0Я> Н 4Н СО Вязкость, сСт, при Ss? ■ 9 0 » г температуре, °С 1» 4с; хо *Ь Пробег автомобиля, км 5g *« к5 4) 100 0 — 18 £< са 0 (снежее масло) 9,68 809 5060 — 5,15 1,15 0,91 2,81 2,93 5,13 0,75 0,66 1,09 0,84 0,91 1,31 1,63 2,52 3,83 2,46 1,06 1,09 0,95 0,91 0,003 Д ви га т ел ь 3 M 3 - 5 3 2 000 10 000 15 000 8,83 9,03 9,62 715 673 748 4730 4050 4290 Д ви гат ел ь З И Л - 1 3 0 2 000 10 000 15 000 8,02 7,92 •8,85 570 559 627 3195 3641 5385 Масла МТ-16п изготавливают из высоковязких масляных компо­ нентов. Масла МТЗ-10п и МТ-14п — загущенные, поэтому имеют хоро­ шие низкотемпературные свойства. Все масла марки МТ применяют как всесезонные. Новым в производстве масел для двигателей является применение в качестве базовых масел синтетических продуктов или их смесей с ми­ неральным маслом. Так, при создании северных и арктических масел за рубежом использованы синтетические углеводородные жидкости (SHC) на основе нефтяных олефинов. Эти продукты имеют температуру застывания минус 50° С и ниже, а вязкость при температуре 100° С 188 от 5 до 40 сСт. Синтетические масла менее горючи, чем минеральные, совместимы с материалами сальников и прокладок, имеют исключи­ тельно хорошую текучесть при низких температурах. Несмотря на высокую цену (она в 3 раза выше, чем минеральных масел), применение этих продуктов вследствие их уникальных свойств вполне оправдывается. Одним из перспективных направлений в совер­ шенствовании масел является использование в них больших ко­ личеств (минимум 30%) низкомолекулярного полиизобутилена (моле­ кулярного веса, близкого молекулярному весу масла). Эти масла применяются главным образом в двухтактных дизельных двигателях, где очень жесткие условия работы масла. Многие новые технические решения в области разработки масел для двигателей еще не вышли из опытного производства, а поэтому не нашли широкого практического применения. Г л а в а VI ТРАНСМИССИОННЫЕ МАСЛА К автомобильным трансмиссионным маслам относятся смазочные материалы, применяемые для смазки шестерен задних мостов, коро­ бок передач, раздаточных коробок, бортовых и колесных редукторов, а также других агрегатов трансмиссий. К этому типу масел следует отнести и масла для гидромеханических передач, получивших большое распространение в современном авто­ мобилестроении. Условия работы масел в этих агрегатах имеют ряд особенностей, и поэтому они выделяются в отдельную подгруппу. В общем балансе смазочных материалов трансмиссионные масла составляют около 5%. § I. УСЛОВИЯ РАБОТЫ Условия работы в зависимости от типа передач. В современных автомобильных трансмиссиях применяются спирально-конические, гипоидные и червячные передачи (рис. 76). Рис. 76. Типы передач: а — червячная; б — спирально-коническая; в — гипоидная 189 Гипоидная передача характеризуется высокими удельными нагруз­ ками (порядка 40 000 кгс/см2) в зоне контакта зубьев. В этой связи к смазочному материалу предъявляются более высокие требования, поэтому для передач этого типа применяют специальные масла «гипоидные». Самые напряженные условия работы масла наблюдаются в задних мостах автомобиля. В коробках передач удельные нагрузки на зубья шестерен меньше. Трансмиссии автомобилей разных марок имеют конструктивные особенности, которые следует учитывать при выборе масла. Трансмиссионное масло должно обеспечить надежную смазку не только самих зубьев шестерен, но и подшипников скольжения и ка­ чения, механизма переключения передач и других деталей транс­ миссии. Современные трансмиссии изготавливают из легированных сталей, однако используют отдельные детали и из цветных металлов (напри­ мер, бронзовые втулки). Последние весьма подвержены коррозии, поэтому к противокоррозионным свойствам масла предъявляются особые требования. Общими требованиями являются: обеспечение нормальной работы трансмиссии с минимальными взносами трущихся поверхностей в течение всего срока службы; снижение до минимума потерь энергии при передаче мощности, за счет выбора оптимального уровня вязкости; защита деталей трансмиссии от всех видов коррозии; сохранение работоспособности масла в течение работы в узле не менее 20 000—30 000 км пробега автомобиля. В зависимости от районов использования автомобилей (север, средняя полоса, юг страны) требования к маслу и, в первую очередь, к его низкотемпературной характеристике изменяются, поэтому в ас­ сортименте масел необходимо иметь северные и другие зональные и сезонные трансмиссионные масла. Температурный режим работы масла в трансмиссии. При оценке температурного режима работы масла различают три наиболее ха­ рактерные рабочие температуры: минимальную — в момент начала работы после длительной стоян­ ки автомобиля. Обычно это температура окружающего воздуха; максимальную — наиболее часто встречающуюся во время работы агрегата; среднюю эксплуатационную — наиболее вероятную во время ра­ боты агрегата за весь период эксплуатации (летний или зимний). Температура масла (в объеме) в современных автомобильных транс­ миссиях, как правило, не поднимается выше 100° С. В специаль­ ных автомобилях со сложной трансмиссией температура масла в агре­ гатах может быть и больше. Температуры, наблюдаемые в точках контакта трущихся поверх­ ностей, гораздо выше (порядка 300—1000° С). 190 Вязкость трансмиссионного масла, как и вязкость масла для дви­ гателя, является важным эксплуатационным свойством. Она опреде­ ляет противоизносные характеристики масла, сопротивление провора­ чиванию (что особо важно в зимнее время), потери энергии при пере­ даче мощности. Вязкость масла имеет большое значение для обеспече­ ния нормальной работы сальниковых уплотнений (исключение течи сальников). В автомобильных трансмиссиях наблюдаются такие же режимы трения, какие были рассмотрены в разделе масел для двигателей: гидродинамический (жидкостное трение), граничный и трение в от­ сутствие смазки. Для трансмиссионных масел наиболее характерны два последних режима, причем трение в отсутствие смазки, если оно протекает в больших размерах, приводит к натирам и задирам трущихся поверх­ ностей. Поверхности трения в трансмиссиях могут быть повреждены вследствие: заедания, изнашивания, процесса контактной усталости, коррозионно-химического воздействия, нарушений, допущенных при технологической обработке деталей (дефекты), неправильной сборки агрегата (перекосы деталей). Износ наблюдается только при гидродинамическом и гранич­ ном режимах смазки. Заедание является катастрофическим видом разрушения. Заедание и схватывание могут проявляться в виде переноса («намазывания») металла с поверхности одного тела на сопря­ женную с ним поверхность другого. Схватывание происходит в первую очередь при контакте чистых поверхностей, где нет граничного слоя адсорбированных молекул противозадирных присадок. Мгновенный скачок температуры в зонах зацепления трения может достигать 300° С и выше, но уже при температурах порядка 200 °С на площадках фактического касания тепловая энергия трения превышает энергию связи полярных молекул присадки с поверхностью металла, что при­ водит к разрушению граничных пленок. В этих микрозонах может на­ ступить сваривание металла. Но при этом необходимо иметь в виду, что момент наступления заедания зависит и от величины нагрузки и от количества очагов сцепления (сваривания) трущихся поверхностей. Качество смазочного масла играет важную роль в предотвращении задиров поверхностей. Энергия связи молекул противозадирной при­ садки с металлом, с одной стороны, должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить прочность граничной пленки, и, с другой стороны, прочность граничной пленки на сдвиг должна быть меньше прочности на сдвиг нижележащих слоев металла. Только при этом условии будут защищены трущиеся поверхности от разрушения. Если это условие не будет соблюдаться, то возможна пластическая деформация — на­ волакивание металла и изменение размера детали без уменьшения ее массы. Противозадирные присадки образуют на поверхности металла пленки пониженного сопротивления сдвигу и тем самым препятствуют пластической деформации металла. 191 § 2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА Трансмиссионные масла могут обеспечить нормальную работу современных автомобилей, только если они обладают высокими экс­ плуатационными свойствами. Поэтому нигрол, применявшийся ранее, уже не отвечает возросшим требованиям. Современные трансмиссионные масла с присадками характеризуют­ ся высокими эксплуатационными свойствами и, в первую очередь, противоизносными и противозадирными, вязкостными, обеспечиваю­ щими малые потери энергии при передаче мощности (особенно при зимней эксплуатации), противокоррозионными и противоржавейными. Кроме того, масло не должно давать при работе обильного пенообразования. Важны и такие свойства масла, как отсутствие резкого запаха и токсичности. Высокие эксплуатационные свойства маслу придаются одновремен­ ным выбором масляной основы и применением комплекса присадок. В табл. 64 показаны физико-химические свойства отечественных противозадирных и противоизносных присадок. Противоизносные при­ садки хлора не содержат. Присадки ЛЗ-309/2 и Хлорэф-40 этот эле­ мент содержат, что и делает их способными обеспечивать работу ги­ поидных и нагруженных спирально-конических передач. Т а б л и ц а 64 Характеристика противоизносных и противозадирных отечественных присадок Содержание активных элементов, % Присадки Противоизносные: ЛЗ-6/9 Л3-23к ЭФО ОТП ЭЗ-2 Противозадирные. ЛЗ-309/2 Хлорэф-40 192 Сведения о химическом строении Сера Этиленбисбутилксантогенат Этиленбисизопропилксантогенат Продукт взаимодействия экстракта фенольной очи­ стки остаточных масел с пятисернистым фосфором, окисью цинка и гидро­ окисью бария Осернениые тетрамеры про­ пилена Продукт обработки дегидри­ рованного касторового мас­ ла пятисернистым фосфо­ ром 35—40 38—43 Продукт взаимодействия диалкилдитиофосфата с полигалоидами (фО, —-дибутиловый эфир трихлорметилфосфоновой кислоты 1,7 Хлор Другие 0,5 0,2 — — Фосфор—1,4, цинк — 1,1 , барий — 2,0 19—22 — 2,6 — Фосфор—1,2 2,7 35 Фосфор—1,0 Фосфор—1,0 § 3. АССОРТИМ ЕНТ ТРАНСМ ИССИОННЫ Х МАСЕЛ В зависимости от напряженности работы зубчатых передач транс­ миссионные масла делятся на следующие группы: с мягкими противоизносными присадками для цилиндрических и конических передач; с противозадирными присадками средней активности для высоко­ напряженных спирально-конических передач; масла с противозадирными присадками высокой эффективности для гипоидных передач. В маслах первой группы используются противоизносные присадки ЭЗ-2 и ЭФО, второй — Л3-23к, ЛЗ-6/9, ОТП, ЛЗ-309/2 и Хлорэф-40 (последние две присадки в концентрациях соответственно 6 и 2%) и в третьей группе — противозадирные присадки ЛЗ-309/2 и Хлорэф-40, взятые в концентрациях 9 и 4% соответственно. В зависимости от сезонных и климатических условий трансмиссион­ ные масла подразделяются на летние (ТАп-15В), зимние (северные, на­ пример масло ТС-10) и арктические (масло ТС3-9ГИП). Северные сорта масел имеют вязкость при температуре 100° С — 10 сСт и температуру застывания — минус 40° С. Арктические сорта масел имеют лучшие низкотемпературные свой­ ства: температуру застывания минус 50°С и вязкость при температуре минус 45° С не выше 2500 Пз (табл. 65). Т а б л и ц а 65 Низкотемпературные свойства трансмиссионных масел Масло Кинематичес­ кая вязкости, сСт, при тем' пературе V.0 Vioo 100° о 50° С ТСд-9 ГИП ТС-10 Масло гипоидное (ГОСТ 4003 — 53) 9,63 36,6 51,0 25,0 10,0 Динамическая вязкость, Пз, при температуре — 15 3,9 5,1 17,0 67 5000 —30 —45 100 1210 700 5000 Более 5000 при — 25° та й| аГ® Г" н >0 В § Уи Н та о —50 —40 —20 Из табл. 65 видно, что загущенное арктическое трансмиссионное масло ТС3-9ГИП имеет вязкость при температуре минус 45° С всего лишь 1210 Пз. Как показала эксплуатационная проверка этого масла в условиях Крайнего Севера, трудностей с троганием автомобиля, дли­ тельное время простоявшего при температуре минус 55° С, не наблю­ далось. Качества трансмиссионных масел для высоконагруженных спи­ рально-конических передач автомобилей приведены в табл. 66. Масло ТАп-15В является наиболее массовым сортом. Оно изготов­ ляется из волгоградских нефтей на базе остаточного экстракта, разбавленного дистиллятным маслом, с добавлением депрессатора (АЗНИИ-ЦИАТИМ-1, АФК) и 6% противозадирной присадки ОТП. 7 Зак. 541 193 В масле могут находиться и другие содержащие серу присадки: Л36/9 (5%), ОТ-1 (6%) и др. Низкотемпературные свойства масла неудовлетворительны. Тем­ пература застывания — минус 20° С. Масло ТСп-14 изготавливается из сернистых и малосернистых неф­ тей, содержит 5—6% присадки ОТП или 5% Л3-23к, а также депрессатор АЗНИИ ЦИАТИМ-1 (до 1%) или полиметакрилат Д (до 1,5%). Масло отличается высокой стабильностью к окислению, хорошими низ­ котемпературными свойствами. Работоспособно при температурах минус 35 — минус 40° С. Масло ТС-Ю-ОТП представляет собой смесь высоковязкого ком: понента с низкозастывающим маловязким маслом. Содержит 7% при­ садки ОТП, о чем указано и в маркировке масла. Предназначено для северных районов. Для спирально-конических передач допущено к применению арк­ тическое масло ТС3-9 с 6% присадки ЛЗ-309/2, имеющего такую же низкотемпературную характеристику, как и масло ТС3-9ГИП. Ассортимент масел, предназначенных для гипоидных передач гру­ зовых и легковых автомобилей, приведен в табл. 67. Масло ТС-14ГИП для гипоидных передач грузовых автомобилей изготавливается на базе сернистых и малосернистых нефтей, содержит 2% хлорфосфорной присадки Хлорэф-40. Масло используется для смаз­ ки гипоидных передач автомобилей ГАЗ-53 и др. Масло арктическое ТСЗп-9ГИП представляет собой смесь ( 9: 1) ма­ ловязкого низкозастывающего масла (типа трансформаторного) с оста­ точным маслом МС-20, загущенную полимерной присадкой, стойкой к механической деструкции. Масло содержит не менее 10% противоза­ дирной присадки ЛЗ-309/2, 2% ингибитора ржавления (В-371), 1—1,5% депрессатора полиметакрилата (ПМА) Д и 0,005% противопенной при­ садки ПМС-200А. Масло по ГОСТ 4003—53 (осерненная смолка) — для гипоидных передач автомобилей. Оно представляет собой смесь экстракта после нитробензольной очистки остаточных масел эмбенских нефтей и вере­ тенного дистиллята. Для улучшения температуры застывания в него Таблица 66 Характеристика трансмиссионных масел для спирально-конических передач (нормы по ТУ) Показатели ТАп- 15В ТСп-14 ТС- 10-OTI1 Кинематическая вязкость, сСт, при температуре 100°С Динамическая вязкость, Пз, не более 14—16 14—15 10,0 Температура застывания, °С, не выше Содержание серы, %, не менее, с присадкой: ОТП ЛЗ-6/9 или Л3-23к 194 3000 1000 3000 при —20° С при —20° С при —30° С —20 -2 5 —40 1,7 1.9 1,4—2,0 2,3—3,3 1,3 — Т а б л и ц а 67 Характеристика трансмиссионных масел для гипоидных передач (нормы по ГОСТу и ТУ) Показатели ГС-14 Г’ИП с Хлорэф- 4 0 ТС3-9ГИЛ с ЛЗ-3 09/ 2 Масло по ГОСТ 4003—53 (осерненная ТАД-17 смолка) Кинематическая вязкость при тем­ 14,0 9,0 10,5—32,4 пературе 100° С, сст, не менее — Динамическая вязкость, пз, не бо­ 800 2500 при —20° С при —45° С лее —25 Температура застывания, °С, не -5 0 —20 выше Противоизносные свойства: 80 обобщенный показатель износа 80 80 (ОПИ) нагрузка сварки шаров, сту­ 38 37 пени 17,5 — -2 5 80 38 вводится до 0,5% депрессатора АЗНИИ. Применяется оно для смазыва­ ния гипоидных передач автомобилей «Москвич-408». Масло коррозион­ ноактивно по отношению к цветным металлам. ТАД-17 — одно из высококачественных масел для гипоидных пере­ дач современных автомобилей. Изготавливается на основе очищенных нефтепродуктов с добавлением противозадирной, противоизносной, противоокислительной, противопенной и депрессорной присадок. Мас­ ло используется для смазки трансмиссии автомобилей Волжского за­ вода. Масла для гипоидных передач с целью улучшения их низкотемпера­ турных свойств нельзя разбавлять дизельным топливом, как это иногда делалось зимой при использовании масел без присадок на автомоби­ лях старых конструкций. В этом случае процентное содержание при­ садки падает, приводя к ухудшению противоизносных характерис­ тик и как следствие к повышенному износу деталей гипоидной пере­ дачи. § 4. МАСЛА ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ Условия работы масел для гидромеханических передач очень жест­ кие. Масла должны обладать хорошими противоизносными свойствами; так как удельные нагрузки на трущиеся детали (6—8 тыс. кгс/см2) близ­ ки к нагрузкам в шестеренчатых коробках передач (5—12 тыс. кгс/см2)Одновременно масло должно иметь и хорошие фрикционные свойства для обеспечения надежной работы фрикционных дисков, пред­ назначенных для переключения скоростей в планетарных коробках гидромеханических передач. Масло не должно быть агрессивным к раз­ личным резиновым прокладкам и специальной бумаге,использованной при выполнении рабочих поверхностей дисков. Масло должно обла­ дать противокоррозионными свойствами к алюминиевым и магниевым сплавам, а также другим металлам, из которых выполнена гидроме7* 195 Т а б л и ц а 68 Физико-химические свойства отечественных масел для гидромеханических передач Показатели Вязкость, сСт, при температуре: 100° С 50° С —20° С Температура застывания, °С Стабильность по ВТ И: осадок кислотное число, мгКОН/г Зольность, % Масло А для гидро­ трансформаторов и автоматических коробок передач Масло Р для системы гидроусилителя руле­ вого управления и гидрообъе.мных передач 3,8 12—14 1300 —45 7,0 23—30 2100 —40 Отсутствует 0,07 0,65 0,30 0,65 ханическая передача и вся система автоматического управления (кла­ паны, жиклеры, плунжерные пары и т. д.). Вязкость масла должна находиться в пределах 4—7 сСт при темпе­ ратуре 100° С. Низкотемпературные свойства масла должны обеспечить работу пе­ редачи при температурах минус 30° С и ниже. Поэтому в масла вводят­ ся вязкостные присадки и применяются маловязкие базовые масла. Температура масла при работе может достигать 150° С, поэтому предъявляются требования к противоокислительным качествам и к мо­ ющим свойствам этих масел. На деталях системы автоматического управления не должно быть никаких отложений продуктов окисления и лаков. Таким образом, масла для гидромеханических передач, помимо своих специфических свойств (например, фрикционных), должны обла­ дать качествами, присущими маслам для двигателей и трансмиссион­ ным маслам. Поэтому в масла для гидромеханических передач вводятся моющие, противоизносные, противоокислительные, противокоррози­ онные и другие присадки, в том числе и присадки фрикционные для уве­ личения трения фрикционных дисков. В табл. 68 приведено качество отечественных масел для гидромеханических передач. Зарубежные образцы масел характеризуются несколько большей зольностью масла, более низкой температурой застывания при относительно высокой вязкости при температуре 100° С. Г л а в а VII ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ В некоторых узлах трения автомобиля в силу конструктивных или некоторых иных причин нецелесообразно применять жидкое смазочное масло. Известно, что масло довольно быстро стекает с трущихся по­ верхностей, поэтому необходима непрерывная подача жидкого масла к 196 узлам трения. Кроме того, жидкое масло обычно используют в гер­ метичных узлах, изолированных от попадания влаги, пыли и т. д. Такие узлы трения в автомобиле, как ступицы колес автомобиля, сочленения рулевых тяг и некоторые другие, трудно оборудовать си­ стемой смазки жидким маслом. В этих случаях применяют так назы­ ваемые пластичные, или консистентные смазки. Основные требования, которые предъявляют к автомобильным плас­ тичным смазкам, во многом сходны с требованиями к смазочным мас­ лам. Смазки так же, как и масла, должны уменьшать износ трущихся деталей и снижать трение, защищать металлические поверхности от коррозии, отводить тепло, выделяющееся при трении сопряженных по­ верхностей, и т. д. К смазкам предъявляют и некоторые специфические требования. Основные из них связаны с тем, что смазки должны защи­ щать трущиеся пары от попадания влаги, пыли и грязи в негерметичных узлах трения, не должны разрушаться в узлах и не вытекать из них. § 1. СОСТАВ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК И ИХ ПРОИЗВОДСТВО Пластичные смазки по свойствам занимают промежуточное поло­ жение между жидкими маслами и твердыми смазочными материалами. Они представляют собой мягкие мази с достаточно плотной густой кон­ систенцией и сочетают в себе свойства твердого тела и жидкости. Если смазку положить на поверхность и не прилагать к ней ника­ ких усилий, то она подобно твердому телу не изменит своей формы. Однако даже небольшие усилия приводят к тому, что смазка начинает деформироваться без нарушения сплошности (течет) подобно вязкой жидкости. Такое сочетание свойств твердого тела и жидкости обусловлено стро­ ением пластичных смазок. Смазка состоит из структурного каркаса, образованного твердыми частицами загустителя и жидкого масла, включенного в ячейки твердого каркаса. Образно можно представить смазку как вату, пропитанную маслом. Волокна ваты соответствуют структурному каркасу загустителя, а масло удерживается в вате при­ мерно так же, как в ячейках загустителя смазки. Наличие структурного каркаса придает смазке свойства твердого тела, а присутствие масла — свойства жидкости. Важной особенностью пластичных смазок является не только легкое разрушение структурно­ го каркаса при малых нагрузках, но и быстрая обратимость этого про­ цесса. При снятии нагрузки течение смазки прекращается и происхо­ дит практически мгновенное восстановление структурного каркаса. Смазка вновь приобретает свойства твердого тела. В автомобильных пластичных смазках от 80 до 90% массы прихо­ дится на долю жидкого масла и только 10—20% — на долю загустителя. Для получения автомобильных пластичных смазок используют главным образом обычные нефтяные маловязкие или средневязкие мас­ ла типа веретенного, машинного и т. д. В отдельных случаях для по­ лучения высококачественных смазок с определенными свойствами в ка­ 7В Зак. 541 197 честве основы для загущения применяют синтетические масла (напри­ мер, смазка ЛЗ-31). Свойства масла, взятого для загущения, влияют на качество смаз­ ки, однако основные эксплуатационные характеристики смазок зави­ сят от свойств загустителя. Поэтому классифицируют смазки по приро­ де загустителя. Основное требование к загустителю — способность его частиц к агрегированию, т. е. к образованию структурного каркаса, частицы которого могут образовывать легко разрушающиеся и восстанавлива­ ющиеся связи. Структурный каркас состоит обычно из очень мелких частиц загустителя размером от 0,1 до 10 мкм в форме мелких шариков, лент, пластинок, иголок, сростков кристаллов (рис. 77). В качестве загустителей используют вещества органического или неорганического характера: мыла, парафин, силикагель и многие дру­ гие. В качестве автомобильных смазок наибольшее применение получи­ ли мыльные и углеводородные смазки. Мыльные смазки. В этих смазках в качестве загустителя использу­ ют соли высших жирных кислот — мыла. Мыла получают путем омы­ ления жиров или нейтрализации высших жирных кислот гидроокися­ ми металлов (щелочами) по схеме: . R—С О / 4j_j жирная кислота О / -f МеОН -> R — С —О—Me -f Н20 щелочь мыло вода При производстве смазок используют природные жиры или жирные кислоты, полученные синтетическим путем при окислении парафина. Для нейтрализации кислот применяют гидроокиси лития, натрия, каль­ ция, цинка, алюминия, свинца и других металлов. Однако широкое распространение получили только кальциевые, натриевые и литиевые смазки. Кальциевые смазки, (солидолы) содержат 10—20% загустителя (кальциевого мыла синтетических жирных кислот) и до 3% воды. Вода является обязательным компонен­ том солидолов. Полное удаление воды приводит к разрушению сма­ зок, поэтому солидолы иначе назы­ вают гидратированными кальцие­ выми смазками, подчеркивая тем самым участие воды в образовании структурного каркаса. Солидолы нерастворимы в воде, хорошо защищают от коррозии ме­ таллические детали в условиях вы­ сокой влажности и при контакте с водой. При температуре 65—75°С Рис. 77. Структура одной из смазок происходит разрушение структур­ (электронномикрофотография с уве­ ного каркаса солидола. Охлажде­ личением в 15 000 раз) 198 ние смазки не приводит к восстановлению каркаса, поэтому солидолы необратимо теряют свою работоспособность при нагревании выше 65° С. В связи с этим нельзя наносить солидолы на трущиеся или за­ щищаемые от коррозии поверхности в расплавленном виде. Все более широкое применение получают так называемые комплекс­ ные кальциевые смазки, которые существенно отличаются от обычных кальциевых смазок и имеют высокие эксплуатационные свойства. За­ густителем в этих смазках являются комплексные соединения (мыла) высокомолекулярных (обычно стеариновой) и низкомолекулярных (обычно уксусной) жирных кислот. Каркас из комплексного соеди­ нения различных кальциевых мыл придает совершенно новые свойства смазке. Комплексные кальциевые смазки могут применяться как мно­ гофункциональные и универсальные, так как они способны обеспечить работу практически всех узлов трения автомобиля. В СССР вырабатывают и применяют в ограниченных масштабах комплексные кальциевые смазки общего назначения Униол-1 и Униол-ЗМ. Натриевые смазки являются вторыми по распространенности ав­ томобильными пластичными смазками. К ним относятся смазки 1-13 и ЯНЗ-2. Эти смазки содержат в небольшом количестве и кальциевые мыла, но свойства их обусловлены натриевыми мылами. Натриевые мыла готовят как на естественных жирах, так и на син­ тетических жирных кислотах. Частицы натриевого мыла, образующие структурный каркас смаз­ ки, обычно имеют большие размеры, чем частицы других мыл. Поэтому натриевые смазки имеют ярко выраженное, заметное на глаз зернистое или грубоволокнистое строение. Натриевые смазки находят применение в тех узлах, где температу­ ра может подниматься выше 60—70° С, т. е. там, где обычные солидолы неработоспособны. Особенностью натриевых смазок является их раст­ воримость в воде. В условиях, когда возможно вымывание смазки из узла трения, применять натриевые смазки нецелесообразно, а часто и недопустимо. Литиевые смазки получают все более широкое распространение в узлах автомобилей и во многих случаях вытесняют смазки других ти­ пов. Литиевые смазки сочетают в себе положительные качества как натриевых (имеют высокую температуру плавления), так и кальцие­ вых смазок (почти нерастворимы в воде). Кроме того, литиевые мыла об­ ладают высокой загущающей способностью и позволяют получать смазки с хорошими низкотемпературными свойствами на базе маловяз­ ких масел с небольшим содержанием мыла. Литиевые смазки наряду с комплексными кальциевыми являются наиболее перспективными смазками мыльного типа. Углеводородные смазки. Эти смазки готовят путем загущения жид­ ких минеральных масел твердыми углеводородами — парафинами или церезинами. Углеводородные смазки имеют низкую температуру плав­ ления (35—60° С) и не могут конкурировать с мыльными смазками в высокотемпературных узлах трения. 7В* 199 Углеводородные смазки имеют и некоторые преимущества перед мыльными смазками. Основное преимущество состоит в том, что они полностью восстанавливают структуру при охлаждении после нагрева­ ния выше температуры плавления. Отмеченные особенности углеводородных смазок определили ос­ новную область их применения — защита от коррозии. При использо­ вании углеводородных смазок в качестве защитных или консервационных их расплавляют и наносят на детали в расплавленном виде. После остывания структурный каркас в смазке восстанавливается и образуется тонкий защитный слой, толщину которого можно регули­ ровать, изменяя температуру расплавленной смазки. Широкое приме­ нение углеводородных смазок в качестве защитных материалов связа­ но не только с удобством их нанесения. Эти мазки совершенно нера­ створимы в воде и малопроницаемы для ее паров. Углеводородные смазки используют также и в качестве уплотни­ тельных материалов в сальниковых набивках, различных соедине­ ниях и т. д. Условно к пластичным смазкам относят масляные пасты графита и дисульфида молибдена.Применение графита и дисульфида молибдена резко снижает коэффициент трения,однако они не способны создавать структурный каркас и поэтому непригодны в качестве самостоятель­ ных загустителей. В пастах содержится от 40 до 90%графита или ди­ сульфида молибдена. Широко пользуются графитом и дисульфидом мо­ либдена в качестве твердых добавок в обычные смазки. В этом случае содержание в смазке, например, графита не превышает 20%. Для улучшения качества смазок в них вводят некоторые присадки. Практическое применение получили антиокислительные, антикорро­ зионные и противозадирные присадки, которые добавляют в смазки в количестве до нескольких процентов. Современные пластичные смазки получают на высокомеханизиро­ ванных предприятиях. Процесс производства смазок, как правило, пе­ риодический. Одной из основных операций при производстве плас­ тичных смазок является приготовление загустителя. Для этой цели ис­ пользуют варочные котлы емкостью от 3 до 20 тыс. л с обогревом и хорошим перемешиванием. Приготавливают загуститель и смешива­ ют его с маслом часто одновременно в процессе варки смазок. Важное значение в формировании свойств смазки имеет охлаждение готовой смазки. Изменяя скорость охлаждения, можно резко изменить струк­ туру и соответственно свойства смазки. После охлаждения смазка под­ вергается гомогенизации. Процесс гомогенизации способствует вырав­ ниванию состава смазки по всему объему, улучшает внешний вид смаз­ ки, повышает загущающую способность загустителя, увеличивает ста­ бильность. Гомогенизацию проводят на перетирочных машинах, колло­ идных мельницах и других аппаратах. После гомогенизации из смазок удаляют случайно попавший воздух (деаэрация смазок) путем их ваку­ умирования и готовые смазки направляют на расфасовку. Пластичные смазки являются широко распространенным, эконо­ мически выгодным, а иногда и единственно возможным смазочным ма­ териалом. 20Q § 2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ К основным эксплуатационным характеристикам пла­ стичных смазок относят предел прочности, вязкость, во­ достойкость, температуру каплепадения, коллоидную и механическую стабильность и др. Температурой каплепадения смазок называют такую температуру, при которой из смазки, нагреваемой в оп­ ределенных условиях, выделяется и падает первая кап­ ля. Температура каплепадения показывает, при какой температуре смазка расплавляется, начинает течь и тем самым теряет работоспособность. Для предупреждения вытекания смазки из узла трения ее температура капле­ падения должна быть выше возможной температуры тру­ щихся деталей не менее чем на 15° С. Для определения температуры каплепадения исполь­ зуют прибор (рис. 78), на шарик которого надет с помо­ щью муфты стеклянный капсюль. В капсюль вмазывают испытуемую смазку, термометр помещают в пробирку и нагревают в бане. При падении первой капли из капсюля замечают температуру, которую и принимают за темпера­ туру каплепадения смазки. Автомобильные смазки существенно различаются по температуре каплепадения. Для солидолов эта темпера­ тура лежит в пределах 70—90, а для консталинов — 120—150° С. Пределом прочности смазок называют то минимальное усилие, которое надо приложить, чтобы разрушить структурный каркас, сдвинуть один слой смазки относи­ тельно другого. Предел прочности смазок уменьшается с повышением температуры и при температуре плавления становится равным нулю. Абсолютная величина преде­ ла прочности большинства смазок невелика и при тем­ пературах от 20 до 120° С находится в пределах 0,5— 20 гс/см2. Смазки должны иметь минимальный предел прочности при наибольшей температуре применения не ниже 1—2 гс/см2. Такая величина обеспечивает удержи­ вание смазки в негерметизированных узлах трения, по­ зволяет избежать сбрасывания смазки с движущихся деталей, предотвращает стекание и сползание с верти­ кальных поверхностей. Очень высокий предел прочности также нежелателен, так как плотные смазки плохо по­ ступают к трущимся поверхностям. Предел прочности смазок определяют на пластометре К-2 (рис. 79) и прочномере СК (ГОСТ 7143—73). В пла­ стометре К-2 смазку помещают в нарезной капилляр и определяют минимальную величину давления, при ко­ тором наступает сдвиг. В прочномере СК смазку поме­ Я It Рис, 78. При­ бор для оп­ ределения температу­ ры каплепа­ дения сма­ зок: 1 — термо­ метр; 2 — м у ф ­ та; 3 — к а п ­ сю ль; 4 — смазка 201 щают в зазоре между коаксиальными цилиндрами и оценивают мини­ мальное усилие, при котором смазка начинает течь. Вязкость пластичных смазок является одним из важнейших эксплуатационных показателей. Вязкость пластичной смазки в отличие от вязкости масла может колебаться при одной и той же температуре в довольно широких пре­ делах. Вязкость смазки зависит от скорости перемещения ее слоев относительно друг друга. Чем быстрее продавливают смазку через ка­ пиллярную трубку, тем меньше становится ее вязкость. Поэтому, когда речь идет о вязкости смазки, надо знать не только температуру, при которой она определялась, но и скорость, с которой она продав­ ливалась через капилляр. Вязкость смазки при определенной скоро­ сти перемещения и температуре называют эффективной вязкостью. Эффективную вязкость смазок определяют с помощью автоматичес­ ких капиллярных вискозиметров АКВ-2 или АКВ-4 (рис. 80). Испыту­ емую смазку из камеры выдавливают штоком через капиллярную трубку с переменной скоростью. В начале опыта, когда пружина сжата, смаз­ ка продавливается с наибольшей скоростью. По мере распускания пру­ жины давление ослабевает и скорость продавливания смазки уменьша­ ется. Давление пружины и скорость истечения смазки непрерывно автоматически записываются на барабан, что позволяет найти зависи­ мость вязкости смазки от скорости истечения ее из капилляра. При­ боры позволяют определять свойства смазки при температурах от минус 70 до плюс 100° С. Рис. 79. Пластомер К-2: I — капилляр; 2 *— смазка; ряющаяся 202 при нагреве 3 — растижидкость; 4 — электроплитка Рис. 80. Вискозиметр АКВ-4: / — капилляр; 2 — смазка; 3 — шток; 4 — вращающийся барабан-самописец Относительную скорость перемеще­ ния слоев смазки принято выражать с помощью градиента скорости сдвига. Представим, что зазор между тверды­ ми параллельными гладкими поверхно­ стями заполнен смазкой и одна пластин­ ка под действием силы F (рис. 81) пере­ мещается по отношению к другой непод­ вижной со скоростью v. Слой смазки, со­ прикасающейся с двигающейся поверх­ ностью, будет передвигаться с той же скоростью, а слой, прилегающий к не­ подвижной поверхности, останется на месте. Если разделить весь объем смаз­ ки на тонкие слои, параллельные дви­ жущимся поверхностям, то каждый та­ кой слой будет смещаться относительно следующего с некоторой относительной скоростью V — -У „ ^ у i .Т У ------------------------- > — __________________ 7 7 7 ?7 7 7 Z V Z 7 7 7 7 7 7 ?///;V /7 S 7 7 7 Рис. 81. Распределение ско­ ростей в смазке, движущейся между двумя параллельными пластинками — подвижной и неподвижной Д = ~X , v — скорость, см/с, х — расстояние, см. Величину Д и принято называть гра­ диентом скорости сдвига, или скоростью деформации. Размерность этой величи­ ны — с-1. Рис. 82. Зависимость вязкости скорости деформации Отмеченные выше особенности изме­ от (сплошными линиями — син­ нения вязкости смазок иллюстрирует тетический солидол, пунктир­ рис. 82, на котором представлена зави­ ной — масло, входящее в его симость вязкости синтетического соли­ состав) дола от скорости деформации при раз­ личных температурах. Для наглядности внизу рисунка приведены данные по вязкости исходного масла, взятого для приготовления со­ лидола. Величина эффективной вязкости смазки при той или иной темпе­ ратуре позволяет судить о прокачиваемости смазок по шлангам и мазепроводам, о пусковых свойствах механизма, заправленного смазкой, о скорости продавливания смазки через отверстия и т. д. Долгое время для характеристики объемно-механических свойств смазок пользовались понятием п е н е т р а ц и я . На специальном приборе — пенетрометре измеряли глубину погружения в смазку стан­ дартного конуса под действием собственного веса (150 г). Если в те­ чение 5 с конус погрузится в смазку на 20 мм, то число пенетрации такой смазки условно принимали равным 200. Считали, что число пе­ нетрации характеризует эксплуатационные свойства смазок. Сейчас общепризнано, что этот показатель никак не связан с поведением смаз­ ки в условиях эксплуатации и не имеет практического значения. Очень где 203 многие смазки, имея близкие или одинаковые числа пенетрации, обладают совершенно различными эксплуатационными свойствами. В стандарты на новые смазки показатель пенетрации не включают, однако для некоторых устаревших или специальных видов смазок чис­ ло пенетрации пока еще определяют. За рубежом показателем пенетра­ ции широко пользуются. Антикоррозионные и защитные свойства. Под антикоррозионными свойствами понимают отсутствие коррозионного действия смазки на металлические поверхности. Это свойство смазок контролируют пог­ ружением металлических пластин в смазку и осмотром их поверхности после выдержки в течение определенного времени при повышенной температуре. Свежие смазки не должны вызывать коррозии металлов. Однако в процессе применения или после длительного хранения, а также при обводнении и загрязнении антикоррозионные свойства сма­ зок могут ухудшаться. Защитными (или консервационными) свойствами смазок называют их способность предохранять металлические поверхности от корро­ зионного воздействия внешней среды. Большинство смазок превосходят обычные масла по этому показателю. Хорошие защитные свойства сма­ зок связаны с их способностью удерживаться на поверхности металла не стекая. Наличие предела прочности обеспечивает устойчивость сма­ зок против смывания их атмосферными осадками. Для оценки защитных свойств используют различные камеры влаж­ ности, куда помещают металлические пластинки, покрытые смазкой. Изменение веса или внешнего вида пластинок за определенное время пребывания в воздухе при 50° С и 100-процентной влажности позволя­ ет оценивать защитные свойства смазок. Важное эксплуатационное значение имеет водостойкость смазок. Растворение смазок в воде недопустимо. Смазки не должны вымываться водой из узлов и не должны изменять значительно своих свойств при попадании влаги. Смазки не должны быть гигроскопичными. Водостойкость смазок определяется главным образом свойствами загустителя. Наилучшей водостойкостью обладают смазки с углеводо­ родными загустителями. Вполне удовлетворительна водостойкость кальциевых смазок (солидолов). Наименее влагостойки натриевые смазки. Эти смазки в открытых узлах при непосредственном контакте с водой могут вымываться, и поэтому применение их в таких узлах не рекомендуется. Влагостойкость смазок определяют погружением их в холодную или кипящую воду, помещением металлической поверхности со слоем смаз­ ки под душ, взвешиванием смазки после пребывания в камере со 100-процентной влажностью и т. д. В условиях хранения и применения очень важным эксплуатацион­ ным качеством смазок является их стабильность. Пластичные смазки при работе в узлах трения, а также при заправке в эти узлы деформируются. Обычно в результате длительного механи­ ческого воздействия предел прочности и вязкость смазок уменьшаются и при дальнейшем отдыхе либо не меняются, либо частично восста­ навливаются. Способность смазок противостоять разрушению называют 204 механической ста­ бильностью. Смазка с плохой механической стабиль­ ностью быстро разрушается, раз­ жижается и вытекает из узлов трения. Плохо также, если смазка при отдыхе после разрушения чрезмерно уплотняется. Сильно затвердевшая смазка перестает подтекать к рабочим поверхно­ Рис, 83. Изменение вязкости смазок при разрушении: стям, иногда затрудняет пуск / — солидол синтетический; 2 — консталин жи­ и работу узла трения. Хорошая ровой; 3 — солидол жировой; 4 — смазка1 ЦИАТИМ-201 смазка не должна существенно изменять свои механические свойства как при деформации, так и при последующем отдыхе. Механическую стабильность смазок определяют, измеряя предел прочности и вязкость до и после разрушения смазки в определенных условиях. Для разрушения смазок и оценки их механической стабиль­ ности используют прибор тиксометр. Характер изменения вязкости некоторых автомобильных пластич­ ных смазок при разрушении представлен на рис. 83. Наибольшее сни­ жение вязкости смазок происходит сразу же после начала разрушения, в дальнейшем наблюдается некоторая стабилизация этого процесса. Некоторые виды смазок после нагревания до температур, значитель­ но ниже температуры плавления, и последующего охлаждения сильно уплотняются. При уплотнении резко возрастает предел проч­ ности смазок. Так, после нагревания до 120° С предел прочности смазки 1-13 из­ меняется следующим образом, гс/см2: Ж и р о в а я ........................................................................... с 1,8 до 22,6 С интетическая..................................................................* 4,9 » 32,6 Изменение механических свойств смазок при нагревании и охлажде­ нии называют термоупрочнением. Термоупрочнение ухудшает эксплуа­ тационные характеристики пластичных смазок. В связи с увеличением предела прочности термоупрочнившиеся смазки перестают поступать к рабочим поверхностям. Оценивают склонность смазки к термо­ упрочнению путем измерения ее пределов прочности до и после вы­ держки при повышенных температурах в приборе прочномере СК (ГОСТ 7143—73). При хранении и применении может произойти частичное испарение масла из смазки. Это явление опасно, в первую очередь, для низкотем­ пературных смазок, приготовленных на маловязких маслах с высокой испаряемостью. Испарение смазок зависит от температуры в узле тре­ ния, от величины открытой поверхности смазки, интенсивности ее об­ дува и т. д. При испарении масла смазки сильно уплотняются. Значи­ тельно повышается их вязкость. Иногда на поверхности смазки образу­ ется корка. Испаряемость смазок оценивают в стандартном приборе 205 (ГОСТ 9566—60), измеряя потерю массы смазки, нанесенной слоем 1 мм на чашечки-испарители при температуре 100—200° С. Важное эксплуатационное зна­ чение имеет к о л л о и д н а я с т а б и л ь н о с т ь смазок. При хранении и применении из пластич­ ных смазок может выделяться мас­ ло. Выделение масла из смазок зна­ Т о л щ и н а сл о я с м а з к и , м п чительно возрастает при повыше­ Рис. 84. Влияние толщины слоя нии температуры, при приложе­ смазки ЦИАТИМ-201, нанесенной нии к ним одностороннего давле­ на стеклянную пластинку и выдер­ жанной при температуре 120° С в те­ ния, под действием центробежных чение 5 ч на ее кислотное число по­ сил и т. д. сле окисления Коллоидная стабильность сма­ зок существенно зависит от вязко­ сти масла, взятого для приготовления смазки. Чем больше вязкость масла, тем выше коллоидная стабильность смазки при прочих равных условиях. Хорошая смазка должна выделять в узле трения небольшое коли­ чество масла. Чрезмерно стабильные («сухие») смазки плохо смазыва­ ют узлы, что может привести к их преждевременному износу. Для оценки коллоидной стабильности смазок используют различные приборы, основанные на отпрессовывании масла под действием по­ стоянного груза или сжатого воздуха. В СССР стандартизован метод оценки коллоидной стабильности смазок при температуре 20° С в при­ боре КСА (ГОСТ 7142—54). Большинство автомобильных пластичных смазок обладают высокой х и м и ч е с к о й с т а б и л ь н о с т ь ю . При обычных темпера­ турах смазки довольно стойки против окисления кислородом воздуха. При повышенных температурах (выше 100° С) некоторые смазки окис­ ляются, в результате чего повышается их кислотное число. При умень­ шении толщины слоя окисление смазок ускоряется (рис. 84). Для уве­ личения химической стабильности в некоторые смазки добавляют антиокислительные присадки. Для оценки химической стабильности смазку окисляют при повышенной температуре в тонком слое на медной пла­ стинке (ГОСТ 5734—62). О стабильности судят по изменению кислот­ ного числа смазки. Помимо общих свойств для некоторых видов автомобильных пластичных смазок, работающих в специфических условиях, определя­ ют некоторые дополнительные показатели, например стойкость к бак­ териям в условиях жаркого тропического климата и т. д. § 3. АССОРТИМЕНТ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОК Автомобильный транспорт является одним из основных потреби­ телей пластичных смазок. Здесь находят применение антифрикцион­ ные, защитные и уплотнительные смазки. В наибольших количест­ 200 вах при эксплуатации автомобилей расходуют антифрикционнные смазки. Основными узлами трения автомобилей, где применяют смазки, являются: подшипники качения ступиц колес; подшипники скольже­ ния и шарниры шасси и рулевого управления; подшипники качения водяного насоса, сцепления, ведущего вала коробки передач и т. д. В картах смазки автомобилей и инструкциях по эксплуатации часто для одних и тех же узлов трения рекомендуются разные смазки, а иногда одинаковые смазки, но с разными сроками смены. В табл. 69 приведены обобщенные данные по применению в автомобильных меха­ низмах тех смазок, которые вырабатываются промышленностью. При­ ведены рекомендации по срокам смены смазок по заводским инструк­ циям и по результатам многочисленных исследований и испытаний, обобщенных проф. Синицыным В. В. Т а б л и ц а 69 Рекомендации по применению смазок в основных узлах трения автомобилей Сроки смены, км Узел трения Смазка Шарниры поперечной и продольной рулевых тяг Шкворни поворотных цапф Оси педалей сцепления и тормоза, амортизаторов, пальцы рессор Скользящие вилки карданных валов Опорные поверхности механизмов Валы разжимных кулаков тормозов Барабан и другие узлы лебедки Шлицы карданных валов Ступицы передних и задних колес Подшипник водяного насоса Подшипник промежуточной опоры карданного вала Передний подшипник ведущего вала коробки передач Подшипник муфты выключения сцепления Валик распределителя Подшипники генератора Солидол С или пресссолидол С То же )> 2 000—3 000 2 000—3 000 » » » » » 1 13 или ЯНЗ-2 1-13 » ЯНЗ-2 1-13 » ЯНЗ-2 2 000-3 000 2 000—3 000 2 000—3 000 2 000—3 000 2 000—3 000 24 000 3 000 3 000 Рессоры Шарниры полуосей переднего ведущего моста (карданы поворотных цапф) Подшипники шкворней поворотной цапфы переднего ведущего моста Аккумуляторная батарея Консервация 1 13 » ЯНЗ-2 1 500 12 000 ЛЗ-31 Без смены 1-13 или ЯНЗ-2 ЦИАТИМ-201 № 158 Графитная УСсА Карданная 6 000 48 000 Без смены 50 000 17 000 То же 17 000 ПВК ПВК 2 раза в год Первое, что обращает на себя внимание при рассмотрении табл. 69, это обилие точек смазки в современных автомобилях. В послед­ ние годы ведутся большие работы по сокращению числа точек смазки, что должно значительно упростить и удешевить техническое обслужи­ вание автомобилей. 20 7 Сокращение числа точек смазки достигается главным образом путем герметизации узлов и заправки их долгоработающими («вечными») смаз­ ками. Применение высококачественной смазки в существующих негерметизированных узлах трения не дает эффекта, так как смазка быстро выдавливается из узла. Для эффективного использования «вечных» смазок необходима герметизация узла, т. е. существенное улучшение его конструкции. Модернизированные узлы трения с надежными уплотнениями, заполненные высококачественной смазкой, часто обес­ печивают работу без замены смазки на весь ресурс автомобиля. Узлы трения с несменяемой смазкой все шире используются в отечественном автомобилестроении. Так, в автомобиле ЗИЛ-130 установлен гермети­ зированный подшипник сцепления, заполняемый однократно (на за­ воде) смазкой ЛЗ-31. В механизме стеклоочистителей смазку не меня­ ют до капитального ремонта автомобиля. Герметизированные узлы тре­ ния с несменяемой смазкой широко используют в автомобилях Волж­ ского автомобильного завода. Как видно из данных табл. 69, наиболее широко применяют при экс­ плуатации автомобилей гидратированные кальцивые смазки — солидолы. Это основные наиболее массовые и дешевые смазки. В нашей стране производят главным образом синтетические солидолы, т. е. такие смазки, которые получены загущением масел средней вязкости кальциевыми мылами синтетических жирных кислот. Про­ мышленность вырабатывает две марки солидолов: пресс-солидол С и солидол С. Последний является наиболее массовым сортом. Солидолы синтетические (ГОСТ 4366—64) представляют собой мяг­ кие маслянистые мази от светло- до темно-коричневого цвета. Макси­ мальная температура применения пресс-солидола С — 45—50, а соли­ дола С — 65—70° С. При более высоких температурах солидолы необ­ ратимо распадаются. Нельзя наносить солидолы на трущиеся или за­ щищаемые от коррозии поверхности в расплавленном виде. Солидолы можно применять в узлах трения при температуре не ниже минус 30° С. Близка по составу к синтетическим солидолам графитная смазка УСсА (ГОСТ 3333—55). Эту смазку готовят на более вязком масле и в ее состав вводят графит ГГ Применяют ее для грубых, тяжелонагруженных тихоходных механизмов. В автомобилях графитную смазку используют для уменьшения трения между листами рессор. При отсут­ ствии графитной смазки ее можно приготовить, добавив в нагретый до температуры 50°С синтетический солидол 10% графита. Смазка 1-13 (ГОСТ 1631—61) по внешнему виду представляет од­ нородную слабозернистую мазь от светло- до темно-желтого цвета. В качестве загустителя используют натриевые мыла жирных кислот, входящих в состав касторового масла. Дефицитность касторового мас­ ла обусловливает неперспективность этой смазки. Смазку 1-13 применяют для ступиц колес автомобилей и других аналогичных узлов трения. Смазка обеспечивает работу узлов трения, где температуры не превышают 100° С. К недостаткам смазки следует отнести низкую влагостойкость: при контакте с водой она эмульгиру­ 208 ется и растворяется в ней. Низкотемпературные свойства смазки 1-13 хуже, чем у солидолов. Смазка AM (карданная) — натриевая на естественных жирах, вы­ рабатывается в небольших количествах. Смазка ЯНЗ-2 (ГОСТ 9432— 60) по внешнему виду представляет собой гладкую мазь коричневого или черного цвета.Кроме натриевых мыл синтетических жирных кислот, смазка ЯНЗ-2 содержит сульфо­ нат натрия, который снижает склонность смазки к термоупрочнению. Максимальная температура применения смазки ЯНЗ-2 не должна превышать 100° С. При обычных температурах смазка ЯНЗ-2 имеет более мягкую консистенцию и меньшую вязкость, чем смазка 1-13, что обеспечивает лучшее смазывание тел и дорожек качения подшипников. Смазка ЯНЗ-2 имеет недостаток — плохую водостойкость. Все натри­ евые смазки обладают повышенной растворимостью в воде, поэтому применять их в узлах трения подвески и рулевого управления нельзя. В отдельных агрегатах и механизмах автомобиля все шире применя­ ют так называемые «вечные» смазки, которые закладывают в узел на заводе и не меняют до капитального ремонта или полного износа авто­ мобиля. Эти смазки имеют высокую стоимость, дефицитны, так как их вырабатывают в ограниченных количествах. Одна из них, смазка № 158, представляет собой мягкую мазь сине­ го цвета. Цвет смазке придает пигмент, играющий роль загустителя и антиокислительной присадки. Смазка работоспособна в течение дли­ тельного времени при температурах 90—100° С с кратковременными пе­ регревами до 120° С. Смазку применяют в автотракторном электрообо­ рудовании (генераторы, стартеры, магнето), где она без смены обеспе­ чивает работу подшипников качения в течение нескольких лет. Смазка J13-31 закладывается в подшипник муфты выключения сцепления автомобилей ЗИЛ и ГАЗ. За время эксплуатации не тре­ буется пополнять или заменять смазку в подшипнике. Смазка ЛЗ-31 готовится не на нефтяном, а на синтетическом масле. Смазка для автомобильной арматуры МЗ-10 представляет собой гладкую мазь черного цвета с небольшим содержанием графита. Смазка имеет высокую водостойкость, хорошие защитные свойства, обладает большой липкостью. Смазку применяют в замках дверей, стеклоподъемниках, стопорных устройствах и других механизмах кузовов автомобилей. Смазку НГА-8, содержащую концентрат сульфоната кальция, ис­ пользуют для пропитывания фильца (специальной фетровой набивки) прерывателя-распределителя автомобильных карбюраторных двига­ телей. Использование этой вязкой смазки с весьма низкой испаряе­ мостью обеспечивает длительную работу прерывателя-распределителя без пополнения в нем запаса смазочного материала. Смазка ПВК (пушечная) — густая липкая мазь темно-коричнево­ го цвета. Представляет собой смесь твердых углеводородов с вязким остаточным маслом. Обладает высокими защитными свойствами, не­ растворима в воде. Применяют для защиты выводных зажимов аккуму­ лятора и для консервации металлических поверхностей автомобиля. 209 Смазка ЦИАТИМ-201 (ГОСТ 6267—59) представляет собой мягкую мазь желтого или светло-коричневого цвета. Готовят смазку загуще­ нием маловязкого масла МВП литиевыми мылами. Смазка работоспо­ собна при температурах от минус 60 до плюс 80—90° С. Имеет очень хорошие низкотемпературные свойства, влагостойка. Однако мягкая консистенция и недостаточная липкость смазки способствуют ее ме­ ханическому удалению из открытых узлов трения. Несколько худшие низкотемпературные свойства у смазки ЦИАТИМ-203 (ГОСТ 8773—63). Эта смазка представляет собой мягкую мазь черного цвета. Смазку готовят на трансформаторном масле, со­ держащем вязкостную присадку винипол. Структурный каркас обра­ зуют литиевые мыла. Одним из компонентов смазки служит осерненный кашалотовый жир. Смазка работоспособна от минус 45 до плюс 100—110° С. Особенностью смазки являются ее высокие противозадир­ ные свойства. Отечественной промышленностью освоено производство новых ав­ томобильных смазок для автомобилей Волжского автомобильного завода (табл. 70). Литол-24 (ТУ 38-101-139—71) представляет собой литиевую смазку на мылах оксистеариновой кислоты — продукте расщепления гидри­ рованного касторового масла. Дефицитность сырья для производства Литола-24 пока препятствует широкому использованию этой смазки на грузовых автомобилях, но она рекомендована к применению на всех отечественных легковых автомобилях. Смазка ЛСЦ-15 (ТУ 38-101-140—71) предназначена для смазывания узлов трения, работающих при средних, а также высоких нагрузках и температуре не выше 140° С. Смазка представляет собой минеральное масло, загущенное литиевыми мылами, содержит антиокислительные присадки и добавки на основе окиси цинка. Во многих случаях взаимозаменяема со смазкой Литол-24. Смазка Фиол-1 (ТУ 38-101-141—71) предназначена для смазыва­ ния узлов трения под давлением (через пресс-масленки) и для тросов, имеющих оболочку с внутренним диаметром менее 5 мм. Смазка пред­ ставляет собой минеральное масло, загущенное литиевыми мылами, и содержит антиокислительную и другие присадки. Применяют смаз­ ку для смазывания троса привода воздушной заслонки карбюратора, шлиц кардана, оболочек тросов управления, направляющих передних сидений и т. д. Смазка ДТ-1 (ТУ 38-1-01-80—70) предназначена для смазывания цилиндров и поршней дисковых тормозов и главного тормозного ци­ линдра. В состав смазки входит более 7,5% наполнителя, состоящего из дисульфида молибдена и графита. Смазка ШРБ-4 (ТУ 38-1-01-35—70) — комплексная бариевая, пред­ назначена для смазывания шаровых шарниров передней подвески и наконечников тяг рулевого привода. Смазку Дисперсол (ТУ 38-1-01-34—70) применяют для смазывания механизма стеклоподъемника автомобиля. Смазка, разведенная в раст­ ворителе, применяется для смазывания замков дверей и других дета­ лей автомобиля (погружением). 210 Т абл и ц а Основные физико-химические свойства смазок, Показатель Литол-24 Л С Ц -15 Внешний вид Ф иол-1 Д Т -1 ЩРБ-4 о со Однородная Однородная Однородная глад- Однородная Однородная гладкая мазь мазь светло- кая мазь от светло- мазь темного мазь темно-ковишневого цвета желтого до темно-коричне­ цвета ричневого цвета цвета вого цвета Температура каплепадения, °С, 175 185 по 230 не ниже Эффективная вязкость, Пз: при температуре 0° С и 2 800 3 000 2 000 6 500* 10 000* среднем градиенте скоро­ сти деформации 10 с -1 , не более при температуре 50° С и 65 50 30 среднем градиенте скоро­ сти деформации 100 с -1, не менее Предел прочности на сдвиг, гс/см2 при температуре: 20° С, не менее 4,5 _ 5,0 2,0 2,0 80° С, » » _ 1,5 1,2 1,0 Коллоидная стабильность, %, 12 15 25 10 — выделенного масла, не более Содержание воды, %, не более Отсутствует 0,3 Следы 211* * При температуре минус 20° Q. 70 применяющихся в автомобилях Волжского автомобильного завода Дисперсол Однородная мазь без комков от свет ло- до темно-ко­ ричневого цвета 85 _ _ 15 0,1 Глава VIII ТЕХНИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ Наряду с топливами и смазочными материалами при эксплуатации автомобилей широко применяют технические жидкости. Назначение жидкостей самое различное: облегчение пуска двигателя, охлаждение его при работе, передача усилий в тормозной системе, амортизаторах, автоматических коробках передач, некоторых подъемных устройствах и т. д. В связи с этим технические жидкости существенно различают­ ся по своему составу и свойствам. § 1. ПУСКОВЫЕ ж и д к о с т и Пусковые свойства двигателей в значительной мере зависят от ка­ чества применяемых топлив и масел. Пуск двигателей при низких тем­ пературах облегчается при использовании бензинов с большим коли­ чеством легких фракций, дизельных топлив с высоким цетановым числом и масел для двигателей с небольшой вязкостью при низких темпера­ турах. Однако даже очень хорошие топлива не могут обеспечить одно­ временно и пуск двигателя при низких температурах и бесперебойную работу прогретого двигателя. В связи с этим все более широкое приме­ нение получают специальные жидкости для облегчения пуска двига­ теля при низких температурах. В нашей стране производят и применяют две пусковые жидкости: «Холод Д-40» для дизельных двигателей и «Арктика» для карбюратор­ ных (табл. 71). Рассмотрим значение отдельных компонентов, входящих в состав этих жидкостей. Т а б л и ц а 71 Состав отечественных пусковых жидкостей, % Компоненты Этиловый эфир Смесь низкокипящих углеводородов (петролейный эфир, газовый бензин и др.) Изопропилнитрат Масло с противоизносными и противо­ задирными присадками *Арктика «Холод Д-40» 45—60 35—55 60 15 1 -5 2 15 10 Этиловый эфир (С2Н5—О—С2Н5) является обязательным компонен­ том большинства пусковых жидкостей. Этиловый эфир отличается низ­ кой температурой самовоспламенения, высоким давлением насыщенных паров и широкими пределами воспламеняемости. При пуске холодного дизельного двигателя, когда вследствие ряда причин и, в первую очередь, повышения теплоотдачи в стенки ци­ линдра резко понижается температура воздуха в конце такта сжа­ тия, применение этилового эфира позволяет обеспечить самовоспла212 менение горючей смеси при относительно невысоких температурах (190—220° С). С точки зрения понижения температуры самовоспламенения наи­ более эффективно применять этиловый эфир в чистом виде. Однако в этом случае происходит очень резкое нарастание давления в цилиндре двигателя, что может привести к поломке его деталей. Поэтому пуско­ вые жидкости для дизельных двигателей обычно содержат этиловый эфир в количестве 60—75%. В карбюраторных двигателях при пуске используют свойство эти­ лового эфира воспламеняться в смеси с воздухом в широких концентра­ ционных пределах. Это позволяет поджечь искрой очень бедные сме­ си. Однако содержание эфира в пусковых жидкостях для карбюратор­ ных двигателей может быть несколько меньшим, чем в жидкостях для дизельных двигателей. При использовании пусковой жидкости в дизельном двигателе вос­ пламенение начинается с этилового эфира. В последнюю очередь вос­ пламеняется топливо. Для обеспечения постепенного и последователь­ ного воспламенения в состав пусковых жидкостей вводят компоненты, воспламеняющиеся между этиловым эфиром и основным топливом. Наличие таких компонентов придает процессу воспламенения плавный самоускоряющийся характер. Наибольшее применение в качестве та­ ких компонентов получили изопропилнитрат и смесь низкокипящих углеводородов. Изопропилнитрат воспламеняется несколько позже этилового эфи­ ра, но раньше основного топлива. Смесь низкокипящих углеводородов, целиком испаряясь в цилиндре двигателя, воспламеняется несколько позже изопропилнитрата, но также раньше основного топлива. Нали­ чие такой последовательной цепочки обеспечивает хорошую подготовку основного топлива к воспламенению и началу видимого сгорания, что существенно снижает скорость нарастания давления. Оптимальное содержание изопропилнитрата и смеси низкокипящих углеводородов в жидкостях для дизельных двигателей составляет по 15%. В жидкостях для карбюраторных двигателей смесь низкокипящих углеводородов обеспечивает создание горючей смеси, способной вос­ пламеняться от искры. Учитывая необходимость создания горючей сме­ си при довольно низких температурах, в жидкость для карбюраторных двигателей добавляют смесь наиболее низкокипящих углеводородов и в большем количестве, чем в жидкость для дизельных двигателей. Надежной подготовке топливо-воздушной смеси к воспламенению от искры способствует введение в состав жидкости для карбюраторных двигателей небольшого количества изопропилнитрата. Снижение износа трущихся деталей в первый период пуска двига­ телей достигается введением в состав пусковых жидкостей масла, содер­ жащего противоизносные или противозадирные присадки. В дизель­ ных двигателях в период пуска возникают более высокие нагрузки на трущиеся пары, чем в карбюраторных двигателях. Исследованиями установлено, что для снижения пускового износа в составе дизельной пусковой жидкости должно быть не менее 10% масла. Приме213 нение такой жидкости на карбюраторных двигателях приводит к замасливанию свечей зажигания и перебоям в появлении искры. В связи с этим в пусковых жидкостях для карбюраторных двигателей содержание масла не должно быть более 2%. Такое количество масла обеспечивает смазку трущихся деталей в первый период пуска менее напряженного карбюраторного двигателя и в то же время не вызыва­ ет нарушений в работе свечей зажигания. Кроме указанных основных компонентов в пусковые жидкости добавляют в небольшом количестве некоторые присадки, улучшающие те или иные эксплуатационные свойства. Пусковые жидкости могут выпускать в запаянных ампулах или в аэрозольной упаковке в металлических баллонах. Отечественной про­ мышленностью освоен выпуск жидкостей «Арктика» и «Холод-40» в за­ паянных ампулах по 20 мл жидкости в каждой ампуле. Для ввода жид­ костей в двигатель используют пусковое приспособление (рис. 85). Воз­ душный насос пускового приспособления устанавливают в кабине во­ дителя, а эмульсатор — под капотом вблизи двигателя. Пусковая жид­ кость заливается в эмульсатор, водитель из кабины подкачивает в эмульсатор воздух, и образующаяся смесь пусковой жидкости с воз­ духом в виде эмульсии по трубопроводам поступает к распылителям, установленным во впускном трубопроводе. Количество распылителей зависит от литража двигателя и формы впускного трубопровода. Выпускают две модели пусковых приспособлений — 5ПП-40 и 6ПП-40. Различаются они размерами эмульсатора, количеством эмуль­ сионных каналов и распылителей. Однако оба приспособления при­ годны для ввода пусковых жидкостей как в дизельные, так и в карбюра­ торные двигатели. Основное преимущество приспособлений 5ПП-40 и 6ПП-40 состоит в том, что благодаря многоканальной конструкции исключено неравно­ мерное распределение пусковой эмульсии по отдельным цилиндрам. Отделение источника сжатого воздуха от эмульсатора позволяет рас­ положить последний в непосредственной близости от двигателя. Это исключает конденсацию эмульсии в трубопроводах и проникновение паров эфира в кабину водителя. Подача жидкостей с помощью пусковых приспособлений обеспечи­ вает наибольшую эффективность пуска двигателей среднего и большого литража. Пусковые приспособления обеспечивают лучшие условия смешения пусковой жидкости с воздухом и создают возможность со- провождать первые обороты колен­ чатого вала после появления вспы­ шек дополнительной подачей пу­ сковой жидкости. Для одно-, двух- и многоцилин­ дровых двигателей малого литража хорошие результаты получены при вводе жидкости во впускную систеmv из баллончика под давлением пропана. Применение пусковых жидкостей в аэрозольной упаковке значительно упрощает их исполь­ зование и для двигателей малого литража весьма эффективно. Применение пусковых жидко­ стей позволяет уменьшить мини­ Рис. 86. Зависимость минимальных мальную частоту вращения колен­ пусковых оборотов коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130 от температуры: чатого вала двигателя при пуске / — при применении пусковой жидкости «Арктика»; 2 — без пусковой жидкости в несколько раз (рис. 86, 87). Многочисленные исследования показали, что применение пуско­ о-ЯПЗ-23В вых жидкостей «Арктика» и «Хо­ &-ЯМЗ-238 лод Д-40» позволяет пускать холод­ I **1 2 0 & ные двигатели без подогрева до V2 температуры воздуха минус 40° С. г Г * При этом необходимо применять езу загущенные или маловязкие масла §■§■60 и полностью заряженные аккуму­ I г ш 60 ляторные батареи. Использование 20 пусковых жидкостей значительно -tfO -3 5 -30 -25 -2 0 -15 -10 облегчает пуск, повышает его на­ Теппература,°С дежность и при температурах ниже Рис. 87. Зависимость минимальных минус 40° С. пусковых оборотов коленчатого вала При температурах воздуха ни­ двигателей ЯМЗ от температуры: же минус 40° С двигатели можно / — при применении пусковой жидкости пустить только после предвари­ «Холод Д-40»; 2 — без пусковой жидко­ сти тельного разогрева. Однако и в этом случае применение пусковых жидкостей позволяет сократить время разогрева двигателей и повысить надежность пуска. Долгое время считали, что пуск холодного двигателя сопровожда­ ется резким увеличением износа трущихся пар. Нередко указывали, что один холодный пуск двигателя по износу равноценен 500 км пробе­ га автомобиля, иногда — 300 км. Успехи в области повышения износостойкости металлов и примене­ ние эффективных присадок к маслам позволили резко уменьшить пус­ ковые износы двигателей. Этому способствует и масло с присадками, которое содержится в отечественных пусковых жидкостях «Арктика» н «Холод Д-40». Испытания показали, что применение пусковых жидкостей не уве­ личивает износ двигателя ЗИЛ-375, зато резко сокращает продолжи­ тельность пуска и повышает его надежность (табл. 72). Аналогичные результаты получены при испытаниях двигателей ЗИЛ-130 и ГАЗ-66. Так, пуск холодного двигателя ГАЗ-66 при минус 35° С на масле АСЗп-6 с прогревом под нагрузкой (при движении автомобиля через 1 мин после пуска) оказался эквивалентным по износу 10 км пробега, при этом за время прогрева автомобиль совершает пробег примерно в 5 км. Т а б л и ц а 72 Сравнительная эффективность средств облегчения пуска двигателя ЗИЛ-375 (100 пусков, масло АСЗп-10 температура минус 25° С) Средство облегчения пуска Пусковая жидкость «Арктика» Подогреватель П-100 Карбюратор К-89, отрегулированный на оптимальное обогащение смеси при пуске Количество удавших­ Средняя ся пусков с попытки Средний макпродолжительность износ гильзы пуска, с первой второй|третьей цилиндра, мкм 5,1 6,6 13,9 94 89 45 5 9 33 1 2 22 10 8 12 Высокая эффективность пусковых жидкостей установлена и при испытании дизельных двигателей. Так, при испытаниях дизельного двигателя ЯМЗ-238 установлено, что его пуск без разогрева при темпе­ ратуре воздуха минус 35° С снижает моторесурс на 4,5%. Доля пуско­ вых износов в общем эксплуатационном износе двигателя ЯМЗ-238 составляет 6,75% при холодных пусках при температуре минус 35° С, а при теплых пусках (плюс 15° С) — 2,2. Таким образом, применение пусковых жидкостей является эффек­ тивным средством сокращения сроков пуска двигателей и повышения его надежности при любых отрицательных температурах воздуха. § 2. ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ Часть тепла, выделяющегося при сгорании топлива в двигателе, идет на нагревание камер сгорания. При очень высоких температурах стенок камер сгорания теряется мощность двигателя вследствие ухуд­ шения наполнения цилиндров, снижается механическая прочность де­ талей, ухудшаются условия смазывания, появляется детонация, ка­ лильное зажигание и т. д. Чтобы предотвратить перегрев деталей дви­ гателя, их охлаждают. В качестве охлаждающих агентов в автомобильных двигателях ис­ пользуют воздух (автомобили ЗАЗ) или жидкости (автомобили ЗИЛ, ГАЗ, МАЗ, АЗЛК, ВАЗ и др.). Наибольшее распространение получили жидкостные системы охлаждения. В двигателях с жидкостным охлаж­ дением блок и головка цилиндров выполняются двойными. Между стен­ ками образуется охлаждающая рубашка, в которую заливается жид­ кость. Охлаждающая жидкость отнимает тепло от стенок цилиндров 216 и головки цилиндров и отдает тепло воздуху, который просасывается вентилятором через радиатор. Таким образом, охлаждающая жидкость непрерывно циркулирует в замкнутой системе охлаждения, нагре­ ваясь в блоке и головке цилиндров и охлаждаясь в радиаторе. Для обеспечения нормальной работы системы к охлаждающей жид­ кости предъявляют ряд требований. Жидкость должна иметь высокие теплоемкость и теплопроводность, чтобы эффективно отводить тепло, не замерзать и не кипеть при всех рабочих температурах двигателя, не воспламеняться , не вспениваться, не вызывать коррозии металлов и сплавов и не разъедать резиновых шлангов и соединений системы охлаждения. Жидкости, которая полностью бы отвечала всем перечисленным требованиям, пока не найдено. Для эксплуатации автомобильных двигателей при положительных температурах воздуха наиболее подходящей охлаждающей жидкостью является вода. При отрицательных температурах, во избежание замер­ зания воды ее применяют в смеси с различными веществами, снижа­ ющими температуру застывания. Такие смеси получили название ан­ тифризов. Вода Вода как охлаждающая жидкость имеет ряд достоинств и недостат­ ков. Вода доступна, безопасна в пожарном отношении, безвредна для человека, имеет высокую удельную теплоемкость (1 ккал/кг- °С), пре­ восходящую все другие известные охлаждающие жидкости. Наиболее существенным недостатком воды является высокая температура замер­ зания. Вода замерзает при температуре 0° С со значительным увеличе­ нием объема. Это вызывает разрушение (размораживание) системы охлаждения при низких температурах. Вода имеет сравнительно низкую температуру кипения, поэтому в системе охлаждения современных автомобильных двигателей под­ держивают температуру 80—90° С. При эксплуатации автомобилей в условиях жаркого климата, особенно в южных районах страны, тем­ пература воды может достигать 95—100° С. Во избежание больших по­ терь жидкости системы охлаждения в современных двигателях герме­ тизируют. На пробке радиатора устанавливают клапан, который от­ крывается только при повышении давления в системе охлаждения. Это позволяет несколько повысить температуру кипения воды и сни­ зить ее потери от испарения. Существенным недостатком воды как охлаждающей жидкости яв­ ляется способность образовывать в системе накипь и шлам. Накипь образуется на горячих стенках за счет выпадения ряда солей из вод­ ного раствора. Под шламом имеют в виду илистые отложения минераль­ ного или органического происхождения, скапливающиеся в застойных полостях рубашки охлаждения двигателя и нижнем бачке радиатора. Образовдние накипи в системе охлаждения связано с выпадением из водного раствора солей кальция и магния, которые вместе с частич­ ками примесей и продуктов коррозии «прикипают» к поверхностям 8 З а к . 54 1 217 нагретого металла. Слой накипи имеет очень малую теплопроводность, что ухудшает теплоотвод. Одновременно уменьшается сечение трубок радиатора, что также ведет к перегреву двигателя и как следствие к уве­ личению расхода топлива (рис. 88). Соли кальция и магния, находящиеся в растворенном состоянии, придают воде свойства, которые принято называть жесткостью. Чем вы­ ше содержание в воде солей магния и кальция, тем больше ее жест­ кость. За единицу жесткости принимают миллиграмм-эквивалент солей на 1 л воды. Если жесткость воды равна 1 мг-экв, то это значит, что в такой воде содержится 20,04 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния. Различают жесткость временную, постоянную и общую. Временная жесткость характеризует содержание в воде в основном двух соединений — бикарбоната кальция Са (НС03)2 и бикарбоната магния Mg (НС03)2. Эти соли могут находиться в воде в растворенном состоянии только в присутствии некоторого количества свободной угле­ кислоты. При кипячении воды свободная углекислота из нее удаляется и соли временной жесткости распадаются на карбонаты, выпадающие в осадок, и углекислый газ, уходящий в атмосферу: Са (НС03)2-> CaCOg + CC>f + Н20 ; Mg(HC03)2- ^ MgC03+ CC>f + Н20. Таким образом, при кипячении бикарбонаты удаляются из воды, по­ этому обусловленная их присутствием жесткость называют временной или устранимой. Постоянная жесткость определяется присутствием в воде более стойких солей, таких, как CaS04, СаС12, MgS04, MgCl2, CaSi03, MgSi03 и др. Эти соединения при кипячении не разлагаются и не выпадают в осадок, если их концентрация не превосходит предела насыщения. В образовании накипи в системе охлаждения участвуют соли как временной, так и постоянной жесткости. Но наибольший вред приносят соли временной жесткости. Первое же закипание воды в системе охлаж­ дения приводит к выпадению карбонатов и образованию накипи. При этом происходит снижение временной жесткости воды. Соли постоянной жесткости при­ нимают участие в образовании наки­ пи только после испарения части во­ ды, т. е. когда их концентрация в воде превышает предел насыщения. При перегреве двигателя вода, соприка­ саясь с сильно нагретыми поверхно­ стями, образует пузырьки пара, а вы­ падающие соли «прикипают» к пере­ гретой поверхности. Сумму временной и постоянной Рис. 88. Зависимость перерасхода жесткостей называют общей жестко­ топлива от толщины слоя накипи стью. Вода считается мягкой, если 218 она содержит солей не более 3, сред­ ней — 3 — б и жесткой — более 6 мг-экв в 1 л. По степени пригодности для си­ стем охлаждения автомобилей при­ родные воды можно распределить в следующем порядке: атмосферная (дождевая, снеговая)—мягкая; реч­ ная или озерная—мягкая или сред­ няя; колодезная, ключевая, морская— 0 Qo 120 180 240 300 жесткая. Врепя работы д8тателЯ,ч Воду средней или высокой жест­ кости перед использованием в систе­ Рис. 89. Динамика нарастания ко­ мах охлаждения рекомендуется умяг­ личества накипи в системе охла­ заправленной водой с аячать или смешивать со специальными ждения, тинакипином (кривая 2) и без добавками — антинакипинами. него (кривая /) Простейшим способом умягчения воды является кипячение, при ко­ тором бикарбонаты разлагаются и углекислые соли выпадают из воды в виде осадка. После фильтрации воду можно использовать для систем охлаждения. Умягчение воды можно достичь ее химической обработкой. Добавлеление соды и извести (гашеной) приводит к выпадению соединений кальция и магния в осадок. Известково-содовый способ умягчения воды эффективнее кипячения. Весьма простой и эффективный способ умягчения воды — фильтра­ ция через катиониты. Катиониты — это природные или искусственные мелкопористые алюмосиликаты натрия (глауконит, пермутит и т. д.) или другие соединения, способные вступать в обменную реакцию, уда­ ляя из воды ионы кальция и магния. Промышленность выпускает ти­ повые установки для умягчения воды с помощью катионитовых филь­ тров. Вещества, известные под названием антинакипинов, позволяют предотвратить образование накипи обработкой воды непосредственно в системе охлаждения (рис. 89). Добавление антинакипинов особенно удобно в полевых условиях при отсутствии мягкой воды. Действие ан­ тинакипинов сводится к предотвращению образования твердых отло­ жений накипи на горячих поверхностях. Достигается это за счет перевода солей, дающих накипь, в рыхлое состояние или за счет удер­ жания таких солей в воде в виде пересыщенного раствора. В качестве антинакипинов используются гексаметафосфат натрия — (N aP03)e, хромпик — К2Сг20 7, ортофосфат натрия — Na3P 0 4 .• 12Н20 (тринатрийфосфат) и др. Воду, предназначенную для систем охлаждения, необходимо предо­ хранять от загрязнения нефтепродуктами. Топлива и масла в условиях системы охлаждения образуют углеводистые вещества, которые лег­ ко входят в состав образующейся накипи. Если обычная накипь имеет коэффициенты теплопроводности 0,7—2,2 ккал/м • ч • 0 С, то с неболь­ шими включениями масла та же накипь имеет коэффициент теплопро­ 8; 21 9 водности 0,1 ккал/м • ч • °С. Кроме того, попадание топлив и масел в воду часто сопровождается интенсивным вспениванием и выбросом охлаждающей жидкости из системы. Низкозамерзающ ие охлаждающие жидкости При температурах наружного воздуха ниже 0° С для обеспечения длительных стоянок автомобиля приходится заливать в жидкостные системы охлаждения вместо воды низкозамерзающие жидкости — ан­ тифризы. В качестве антифризов могут использоваться смеси воды со спирта­ ми, смеси воды с глицерином, смеси углеводородов и ряд других ве­ ществ. Однако наибольшее распространение в качестве низкотемпе­ ратурных охлаждающих жидкостей получили водные растворы эти­ ленгликоля. Этиленгликоль — двухатомный спирт СН2ОН—СН2ОН, представ­ ляет собой прозрачную бесцветную вязкую жидкость без запаха. Цвет технического этиленгликоля слегка желтоватый. Кипит этиленгли­ коль при плюс 197, а застывает при минус 11,5° С. Однако смеси этилен­ гликоля с водой застывают при более низких температурах. Ме­ няя соотношение воды и этилен­ гликоля, можно получить смеси с температурой застывания от 0 до минус 70° С (рис. 90). Поскольку вода и этиленгли­ коль имеют разную плотность, а при смешивании плотность из­ меняется аддитивно, оказалось возможным по замеренной вели­ J__I 700 30 80 70 60 SO 40 30 20 Ю О чине плотности антифриза пред­ Бода,% сказывать его температуру за­ Рис. 90. Кривая кристаллизации стывания (табл. 73). водоэтиленгликолевых смесей В связи с тем что этиленгли­ коль оказывает коррозионное действие на металлы, в состав 220 антифризов вводят антикоррози­ онные присадки.Для предотвра­ 180 щения вспенивания в антифризы V s0 иногда добавляют антипенные I присадки. $120 Этилен гликолевые антифризы 100 4.U -ти VU OU ши имеют следующие особенности, Э ко. ль, %.одьепа, « т и ленгли t 1' которые необходимо учитывать 100 80 60 40 20 О в условиях эксплуатации авто­ Вода., % мобилей. Рис. 91. Температура кипения водяных 1. При испарении водных рас­ растворов этиленгликоля творов этиленгликоля выделяю­ и равновесный состав пара: щиеся пары всегда содержат зна1 — пар; 2 жидкость 220 Таблица 73 Зависимость плотности и температуры замерзания смесей технического этиленгликоля и воды Концентрация этиленглико­ ля, % Плотность, 20 Р4 Температура замерзания, °С Концентрация этиленглико­ ля, % Плотность, 20 f>4 Температура замерзания, °С 26,4 27,2 29,6 32,0 34,2 36,4 38,4 40,4 42,2 44,0 45,6 47,0 48,2 49,6 51,0 52,6 53,6 54,6 55,6 56,8 58,0 59,1 60,2 61,2 62,2 63,1 64,0 64,8 1,0340 1,0376 1,0410 1,0443 1,0480 1,0506 1,0533 1,0560 1,0586 1,0606 1,0627 1,0643 1,0663 1,0680 1,0696 1,0713 1,0726 1,0740 1,0753 1,0766 1,0780 1,0790 1,0803 1,0813 1,0823 1,0833 1,0843 1,0850 -1 0 — 12 — 14 -1 6 — 18 — 20 — 22 — 24 — 26 — 28 — 30 — 32 — 34 — 36 — 38 — 40 — 42 — 44 — 46 — 48 — 50 — 52 — 54 — 56 — 58 — 60 — 62 — 64 65,3 65,6 66,0 66,3 68,5 69,6 70,8 72,1 73,3 74,5 75,8 77.0 78,4 79,6 81,2 82,5 83,9 85,4 86,9 88,4 90,0 91,5 93,0 94,4 95,0 95,5 96,4 97,0 97,8 1,0855 1,0860 1,0863 1,0866 1,0888 1,0900 1,0910 1,0923 1,0937 1,0947 1,0960 1,0973 1,0983 1,0997 1,1007 1,1023 1,1033 1,1043 1,1054 1,1066 1,1077 1,1087 1,1096 1,1103 1,1105 1,1107 1,1110 1,1116 1,1120 — 65 — 66 — 67 — 68 — 66 — 64 — 62 — 60 -5 8 — 56 — 54 — 52 — 50 -4 8 — 46 — 44 — 42 — 40 — 38 — 36 — 34 — 32 — 30 — 28 — 27 — 26 — 24 — 22 — 20 чнтельно больше воды, чем этиленгликоля (рис. 91). В условиях эксп­ луатации от испарения теряется практически только вода, которую следует периодически добавлять в радиатор. 2. Теплоемкость и теплопроводность этиленгликолевых охлажда­ ющих жидкостей несколько ниже, чем воды. При замене в системе охлаждения воды на антифриз обычно отмечают некоторое повыше­ ние температуры охлаждающей жидкости. 3. Попадание нефтепродуктов в этиленгликолевые антифризы ведет к значительному пенообразованию. В этих условиях часть жидкости можно потерять за счет выбрасывания ее из системы охлаждения. 4. Этиленгликолевые жидкости имеют большой коэффициент объ­ емного расширения. При нагревании до рабочей температуры их объ­ ем увеличивается на 6—8%. Чтобы предупредить переполнение систе­ мы охлаждения и потерю жидкости, необходимо заливать жидкость на G—8% меньше общего объема системы. 5. Высокая подвижность и проницаемость этиленгликолевых ан­ тифризов предъявляет повышенные требования к соединениям и уплотнениям системы охлаждения. 221 6. При застывании этиленгликолевых антифризов объем образу ющейся кашицеобразной массы увеличивается очень незначительно и размораживания двигателя или радиатора не происходит. Химическая промышленность выпускает несколько марок антифри­ зов на базе этиленгликоля. Наиболее распространены низкозамерза­ ющие охлаждающие жидкости марок 40 и 65 (ГОСТ 159—52). Жидкость марки 40 представляет собой смесь 53% этиленгликоля и 47% воды и имеет температуру замерзания не выше минус 40° С (точка А на рис. 90). Жидкость марки 65 содержит 66% этиленгликоля и 34% воды и имеет температуру замерзания не выше минус 65°С (точка Б на рис. 90). Для приготовления жидкостей используют технический эти­ ленгликоль, в состав которого в качестве примесей входят пропиленгликоль и полигликоли. Допускают для приготовления антифризов и «осветленную» жидкость, получаемую как побочный продукт при производстве этилцеллозольва. В такой жидкости, кроме этиленгли­ коля, содержатся этилкарбитол и полигликоли. В качестве антикоррозионных присадок в антифризы добавляют технический двузамещенный фосфорнокислый натрий (динатрийфосфат — 2,5—3,5 г/л) и декстрин (углевод типа крахмала — 1 г/л). Иног­ да, кроме этих присадок, в антифризы вводят молибденовокислый на­ трий, что улучшает их антикоррозионные свойства в отношении цинковых и хромовых покрытий. Такие антифризы имеют индексы 40 м и 60 м. Считают, что динатрийфосфат защищает от коррозии чугунные, стальные и частично медные детали, а декстрин — припой и детали из алюминия и меди. Декстрин не полностью растворяется в антифри­ зе, некоторая часть его (5—10%) находится в коллоидном или мел­ кодисперсном состоянии, вследствие чего антифризы могут быть слег­ ка мутноваты. При хранении нерастворившиеся частицы декстрина выпадают в виде осадка и жидкость становится прозрачной. Антиф­ риз мутный и с осадком декстрина пригоден к употреблению. Молибденовокислый натрий добавляется в количестве 8% в ан­ тифризы, предназначенные для систем охлаждения с внутренним цинковым или хромовым антикоррозионным покрытием. Для автомобилей Волжского завода промышленность выпускает низкозамерзающую охлаждающую жидкость Тосол (ТУ 6-02-619 —70). В автомобилях ВАЗ эта жидкость применяется круглогодично как в зимнее, так и в летнее время. Жидкость готовится на основе этиленгликоля, содержит антикоррозионные присадки и антивспениватель. Выпускают три марки Тосола — Тосол А, Тосол А-40 и Тосол А-65. Тосол А представляет собой концентрированный этиленгликоль, содержащий присадки. Пользоваться Тосолом А следует только пос­ ле разведения его дистиллированной водой. Смесь Тосола А и во­ ды в соотношении 1:1 имеет температуру начала кристаллизации ми­ нус 35° С. Водный раствор Тосола А с температурой застывания не выше минус 40° С маркируют как Тосол А-40, с температурой застывания минус 65 —как Тосол А-65. 222 Определить марку Тосола можно, замерив плотность. Тосол А име­ ет плотность в пределах 1,12—1,14; Тосол А-40 — 1,075—1,085 и То­ сол А-65 — 1,085—1,095 г/см3. § 3. ЖИДКОСТИ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ В современных автомобилях для приведения в действие различных механизмов широко используют передачу усилий через жидкость. Гидравлические передачи (приводы) имеют ряд преимуществ перед ме­ ханическими и пневматическими, чем и обусловлено их широкое распространение. Привод тормозов, амортизаторы, усилители, подъ­ емные устройства автомобилей-самосвалов — вот далеко не полный перечень использования гидравлических систем. Несколько особое положение занимают жидкости, обеспечивающие работу автоматической коробки передач (автомобиля ГАЗ-13 «Чайка», ЗИЛ-111, ЗИЛ-114, частично ГАЗ-21 «Волга» и др.). В этом случае жидкость является и рабочим телом, и смазочным материалом. Поэ­ тому масла для гидромеханических передач можно рассматривать и как рабочие жидкости, и как трансмиссионные масла. В данном учеб­ нике они рассмотрены выше в трансмиссионных маслах. Эффективность работы гидравлического привода в значительной мере зависит от качества применяемых жидкостей. К жидкостям предъявляют определенные требования. Одно из основных требова­ ний— оптимальная вязкость и пологая вязкостно-температурная кри­ вая. Гидравлическая система работает надежно, если вязкость жид­ кости при максимально возможной температуре оказывается не ниже 7—8, а при отрицательной температуре — не выше 1000—1100 сст. Жидкости с вязкостью менее 7—8 сст при высоких температурах мо­ гут подтекать через неплотности различных сальниковых соединений. Повышенная вязкость жидкости также нежелательна, так как появ­ ляются большие гидравлические потери, уменьшается скорость сра­ батывания гидравлического привода, повышаются необходимые уси­ лия для привода системы. Жидкости для передач обычно обеспечивают и смазку деталей привода при их взаимном перемещении. В связи с этим требованием оценивают смазывающие свойства жидкостей. К рабочим жидкостям для передач предъявляют и ряд общих тре­ бований, таких, как отсутствие коррозионного действия на материалы гидравлической системы, совместимость с резиновыми и кожаными уплотнениями, малую вспениваемость, стабильность при хранении и применении, недефицитность, малую пожарную опасность и др. К отдельным жидкостям предъявляют дополнительные требования, которые зависят от специфических условий работы в той или иной си­ стеме. Тормозные жидкости Тормозная система с гидравлическим приводом устанавливается на всех легковых автомобилях и на ряде грузовых автомобилей. Ги­ дравлический привод тормозов автомобиля действует следующим об­ разом. При нажатии на педаль тормоза усилие через систему рычагов 223 и шток передается на поршень главного тормозного цилиндра. Пор­ шень, перемещаясь в цилиндре, вытесняет жидкость через клапан в трубопровод, идущий к колесным тормозным рабочим цилиндрам. В этих цилиндрах под давлением жидкости расходятся поршни и передают усилие на тормозные колодки. После прекращения нажатия на педаль тормоза поршни колесных цилиндров под действием стяжных пружин тормозных колодок воз­ вращаются в исходное положение, вытесняя жидкость в главный тор­ мозной цилиндр. Жидкость в системе привода тормозов обычно имеет температуру окружающего воздуха. Однако в главном тормозном цилиндре вслед­ ствие обдува воздухом от работающего двигателя температура жид­ кости несколько повышается. Более интенсивный нагрев жидкости (до 60—80° С) происходит в колесных тормозных цилиндрах за счет тепла от трения тормозных колодок. При работе гидравлического привода тормозной системы автомо­ биля давление жидкости в системе достигает 100—120 кгс/см2. В при­ воде расторможенной системы поддерживается избыточное давление 0,4—0,5 кгс/см2, что препятствует проникновению воздуха внутрь системы. Попадание воздуха ведет к нарушению работы гидравличес­ кого привода, так как часть системы вместо практически несжимаемой жидкости становится заполненной легко сжимаемым воздухом и пе­ даль тормоза «проваливается». Тормозные жидкости производят на касторовой или на гликолевой основе. Разработана и испытана хорошая тормозная жидкость на неф­ тяной основе (жидкость ГТН по ГОСТ 8621—57). Однако эта жидкость пока не нашла применения, так как резиновые детали автомобильных тормозных систем делают из обычной немаслостойкой резины. Такие детали при контакте с нефтяной жидкостью быстро набухают и стано­ вятся непригодными к дальнейшей эксплуатации. Проходят испытания тормозные жидкости на ксилитановой основе (отходы белкового производства). Тормозные жидкости на касторовой основе. Касторовое масло имеет хорошие смазывающие свойства и не вызывает набухания или размяг­ чения натуральной резины и изготовленных из нее уплотнительных деталей тормозной системы автомобилей. Однако высокая вязкость и относительно высокая температура застывания (—16° С) исключают возможность применения касторового масла в чистом виде как тормоз­ ной жидкости. Поэтому тормозные жидкости готовят смешением кас­ торового масла со спиртами. Лучшими спиртами для этой цели ока­ зались изоамиловый, бутиловый и этиловый. При смешивании 60% изоамилового спирта и 40% касторового масла получают тормозную жидкость АСК, при смешивании 50% бутилового спирта и 50% касторового масла — тормозную жидкость БСК и при смешивании 40% этилового спирта и 60% касторового мас­ ла — тормозную жидкость ЭСК. Основной жидкостью для большинства отечественных автомобилей является жидкость БСК. Жидкость же ЭСК имеет ряд недостатков, поэтому ее производят и применяют в ограниченном количестве. Эти224 .новый спирт кипит при температуре 78° С и при высоких температурах может давать паровые пробки в тормозной системе. При обычных тем­ пературах этиловый спирт испаряется и состав жидкости изменяется. Все касторовые тормозные жидкости готовят смешением только с концентрированными спиртами. Попадание в жидкость воды приводит к снижению крепости спирта и может вызвать расслоение жидкости. Касторовое масло в разбавленных спиртах не растворяется. Поэтому все касторовые тормозные жидкости следует оберегать от попадания влаги. Спиртокасторовые смеси имеют довольно низкую температуру за­ стывания, однако уже при температуре минус 20°С происходит интен­ сивная кристаллизация составляющих касторового масла. Поэтому касторовые тормозные жидкости при температурах ниже минус 20° С применять не рекомендуется. Тормозные жидкости на гликолевой основе. Различные смеси гликолей (двухатомных спиртов) находят все большее применение в ка­ честве тормозных жидкостей. Смесь гликолей с антикоррозионной присадкой вырабатывают и применяют под маркой гидротормозной жидкости ГТЖ-22. В чистом виде гликоли обладают повышенной коррозионной агрессивностью по отношению к чугуну. Антикорро­ зионная присадка ТАФ защищает чугун и придает жидкости слабоще­ лочную реакцию. Жидкость ГТЖ-22 по многим свойствам превосходит спиртокасто­ ровые смеси. Она имеет хорошие низкотемпературные свойства (не замерзает при температуре минус 60°С), низкую испаряемость и вы­ сокую температуру вспышки. Жидкость ГТЖ-22 нейтральная по отно­ шению к резиновым немаслостойким деталям, так что может заливать­ ся в тормозную систему автомобилей с обычными резиновыми уплотне­ ниями. Однако эта жидкость имеет плохие смазывающие свойства и поэтому, прежде чем заливать ее в тормозную систему, рекомендуют подвижные детали смазать касторовым маслом. Жидкость ГТЖ-22 нельзя смешивать со спиртокасторовыми жидкостями, так как про­ исходит расслоение и выпадение касторового масла. Дело в том что в гликолевых жидкостях есть некоторое количество воды, которая при смешении снижает концентрацию спирта, и происходит расслоение. Разработана рецептура и организовано промышленное производ­ ство тормозной жидкости «Нева» для автомобилей Волжского автомо­ бильного завода. Жидкость «Нева» представляет собой сложную смесь гликолей различного молекулярного веса с присадками, улучшающими эксплуатационные свойства. Жидкость имеет высокую температуру начала кипения (не ниже 190°С) и вспышки (не ниже 85°С). Применение жидкостей «Нева» обеспечивает работу гидравлического привода тор­ мозов при температурах окружающего воздуха от + 50 до —50е С. Амортизаторные жидкости Все современные автомобили оборудуют гидравлическими аморти­ заторами. От работы амортизаторов зависят: срок службы автомобиля, плавность хода и допустимая скорость. Наиболее эффективны жидкост­ ные амортизаторы телескопического типа. 22 5 При работе амортизаторов жидкость под давлением с огромной скоростью перетекает через узкие отверстия из одной полости в дру­ гую, поглощая при этом кинетическую энергию колебаний кузова. Температура жидкости в амортизаторах может изменяться от ми­ нус 50 в зимнее время в северных районах до 120—140° С при работе амортизатора летом в южных районах. Давление жидкости в аморти­ заторах достигает 80—120 кгс/см2. Основное требование к амортизаторным жидкостям — оптимальная вязкость с минимальными изменениями во всем рабочем диапазоне температур. В качестве жидкостей для амортизаторов наибольшее распростра­ нение получили маловязкие масла нефтяного происхождения (вере­ тенное АУ, турбинное 22, трансформаторное), поэтому все резиновые уплотнения амортизаторов изготовляют из маслостойкой резины. В качестве летних сортов амортизаторных жидкостей используют смеси масел: 50—60% турбинного 22 и 40—50% трансформаторного. Зимним сортом служит веретенное масло АУ. Основной недостаток указанных выше масел и их смесей — значительное повышение вяз­ кости при охлаждении и довольно высокая температура застывания. Для амортизаторов разработано также масло АЖ-12т. Эта жидкость представляет собой фракцию трансформаторного масла, загущенную этилполисилоксановой жидкостью. Такой состав масла обусловливает пологую вязкостно-температурную кривую и низкую температуру застывания. Присутствие в жидкости АЖ-12т антиокислительной и противоизносной присадок обеспечивает высокие эксплуатационные свойства. Для автомобилей Волжского автомобильного завода промышлен­ ность вырабатывает амортизационное масло МГП-10, которое предна­ значено для применения в качестве рабочей жидкости в гидравли­ ческих амортизаторах автомобилей. Его изготавливают из высокоочищенного минерального масла с добавлением нескольких присадок, улучшающих эксплуатационные свойства. Масло МГП-10 застывает при температуре минус 40° С, имеет вязкость 10 сст при плюс 50° С и при минус 20° С не более 1000 сст, температуру вспышки — выше 4-150° С. Жидкости для приводов автомобилей специального назначения В автомобилях специального назначения широко используют гид­ равлический привод для различных подъемных механизмов. В каче­ стве рабочих жидкостей для гидравлических подъемных механизмов используют маловязкие масла типа веретенного, трансформаторного, турбинного и их смеси. Кроме того, промышленность выпускает ряд специальных масел. Масло всесезонное гидравлическое ВМГЗ представляет собой загу­ щенную, глубоко очищенную низкозастывающую фракцию сернистых нефтей с присадками. Применяется в качестве всесезонной рабочей жидкости для гидроприводов и гидроуправления строительных, дорож­ ных, лесозаготовительных подъемно-транспортных и других машин. 226 Масло гидравлическое единое МГЕ-10А — низкозастывающая фракция отборной нефти, загущенная виниполом. Введение присадок (МНИ-5 и ионол) придает жидкости хорошие эксплуатационные свой­ ства. Для отдельных гидравлических передач вырабатывают и применя­ ют такие масла, как МВП, АМГ-10, гидравлическое АУП, для опроки­ дывания вагонов-самосвалов, ЭШ и др. При необходимости времен­ ной замены одного гидравлического масла другим следует основное внимание уделить уровню вязкости при положительных и отрица­ тельных температурах. Г л а в а IX ОСОБЕННОСТИ ХРАНЕНИЯ И ПУТИ ЭКОНОМИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТОПЛИВ, СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЖИДКОСТЕЙ § 1. ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОПЛИВ, СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ХРАНЕНИИ, ЗАПРАВКЕ И ПРИМЕНЕНИИ Все автомобильные эксплуатационные материалы вырабатывают на заводах систематически в течение всего года, а потребность в них, их расход в течение года неодинаков. В зимнее время сокращается расход топлив и масел в сельском хозяйстве, для автомобилей индиви­ дуального пользования и т. д. Это приводит к необходимости хранить топлива и масла в течение какого-то срока. Все операции по транспортировке и хранению топлив и масел со­ провождаются изменением свойств, иногда приводящим к ухудшению эксплуатационных показателей. Все изменения качеств топлив, смазочных материалов и жидкостей при хранении, заправке и применении можно условно подразделить на три основные группы: связанные с химическими процессами в про­ дуктах, являющиеся следствием испарения низкокипящих углеводо­ родов и вызванные появлением в продуктах посторонних веществ (обводнение, попадание механических примесей и т. д.). Обычно изменение качества автомобильных эксплуатационных ма­ териалов происходит вследствие одновременного действия всех трех факторов. Однако преобладание того или иного фактора зависит как от вида продукта, так и от условий его применения. Химические изменения Автомобильные эксплуатационные материалы имеют высокую хими­ ческую стабильность и при хранении в течение нескольких месяцев (бензины) или лет (дизельные топлива, масла и жидкости) не ухуд­ шают своих эксплуатационных свойств. Автомобильные эксплуатационные материалы выпускают с заводов промышленности с некоторым запасом качества. По некоторым же 227 показателям, наиболее значительно изменяющимся при хранении, та­ кой запас качества предусмотрен техническими условиями на тот или иной продукт. Так, по ГОСТ 2084—67 предусмотрена норма на со­ держание фактических смол в бензине на месте производства и более высокая норма — на месте его потребления. Запас качества топлив и масел по основным изменяющимся пока­ зателям и скорость изменения этих показателей определяют допусти­ мый срок их хранения. Рассмотрим изменения основных показателей, связанные с хими­ ческими превращениями компонентов автомобильных эксплуатацион­ ных материалов. Детонационная стойкость автомобильных бензинов при хранении изменяется мало. При длительном хранении наблюдается уменьшение октанового числа на 1—2 ед. Это снижение обусловлено образующими­ ся в бензине перекисными соединениями. Несмотря на небольшие из­ менения октанового числа, при хранении бензин по этому показателю может оказаться некондиционным, так как автомобильные бензины выпускаются с заводов, как правило, без запаса качества по детона­ ционной стойкости. В этилированных бензинах снижение детонационной стойкости про­ исходит, в первую очередь, вследствие разложения тетраэтилсвинца. Однако современные отечественные этилированные автомобильные бензины обычно содержат антиокислительную присадку, и разложе­ ние тетраэтилсвинца в них наблюдается довольно редко. Содержание фактических смол в автомобильных бензинах меняется наиболее быстро, и именно этот показатель обычно обусловливает до­ пустимый срок хранения. Бензин А-66 содержит большое количество соединений, склонных к окислению, имеет наиболее низкую длительность индукционного периода окисления и поэтому для него установлены наиболее высокие нормы по содержанию фактических смол — 7 мг/100 мл на месте про­ изводства и 15 мг/100 мл на месте применения. Следует отметить, что для этого бензина и разность в нормах на месте применения и на месте производства также наибольшая — 8 мг/100 мл, что объясняется меньшей химической стабильностью бензина А-66 по сравнению с дру­ гими марками (для А-72 и А-76 эта разность составляет 5 мг/100 мл, а для АИ-93 и АИ-98 — 2 мг/100 мл). Одновременно с повышением содержания фактических смол в бен­ зине начинает увеличиваться кислотность. Однако предельная кислот­ ность (3 мг КОН/100 мл) достигается обычно тогда, когда бензин ста­ новится некондиционным по содержанию фактических смол. Рост кислотности является основным направлением изменения ка­ чества дизельных топлив при хранении. Образование кислых про­ дуктов в дизельных топливах является следствием окисления неугле­ водородных примесей или тех непредельных углеводородов, которые попадают в топливо при добавлении в него каталитического га­ зойля. Одновременно с ростом кислотности увеличивается и содержание фактических смол в дизельном топливе. Однако этот показатель для Ш дизельных топлив имеет меньшее значение, так как содержание смо­ листых веществ в свежих топливах может сильно различаться в зави­ симости от содержания смол в нефтяном сырье. Все смазочные материалы и жидкости имеют весьма высокую стабильность, и быстро протекающих химических изменений в них не наблюдается. ’ Скорость химических изменений автомобильных эксплуатационных материалов зависит от температуры, наличия цветных металлов в кон­ такте с продуктом, степени заполнения тары и т. д. Наибольшее ускоряющее действие оказывает температура хране­ ния. Установлено, что при повышении температуры хранения на 10° С скорость окисления и смолообразования возрастает в 2,4—2,8 раза. Поэтому топливо лучше всего хранить в полуподземных и подземных резервуарах. Даже в самые жаркие дни температура топлива в таких резервуарах остается значительно ниже температуры окружающего воздуха. При хранении топлива в наземных резервуарах температура его за­ висит от емкости резервуара и его окраски. Наземные резервуары ма­ лой емкости, подверженные воздействию солнечных лучей, прогревают­ ся быстрее, чем большие емкости, и средняя температура топлива в них обычно более высокая и смолообразование идет быстрее. Для снижения температуры топлива наземные резервуары окраши­ вают в белый цвет. В наземном резервуаре, окрашенном белой крас­ кой, смолообразование в бензине происходит значительно медленнее (табл. 74). Т а б л и ц а 74 Смолообразование в бензине при хранении в резервуарах, окрашенных различной краской Содержание фактических смол, мг/100 мл Срок хранения Срок хранения Белый цвет резервуара Исходное I месяц 2 месяца Содержание фактических смол, мг/100 мл Черный цвет резервуара 4 4 4 4 0 6 Белый цвет резервуара 3 месяца 6 6 месяцев » 9 10 13 Черный цвет резервуара • 10 24 42 Исследования показали, что все наиболее употребительные метал­ лы, находясь в контакте с топливом, ускоряют его окисление и обра­ зование смолистых веществ. Наибольшее ускоряющее действие оказы­ вают медь и ее сплавы. Поэтому при хранении бензина в баках автомо­ билей, где он соприкасается с латунной заборной трубкой и латун­ ной сеткой фильтра, смолообразование происходит быстрей, чем в боч­ ках такой же емкости. Ускоренному смолообразованию при хранении способствует свобод­ ный доступ кислорода воздуха к поверхности топлива. В герметичной таре бензин окисляется значительно медленнее (табл. 75). 229 Т абл и ц а 75 Влияние герметизации бака автомобиля на процесс смолообразования в бензине Содержание фактических смол в бензине, находящемся в топливном баке автомобиля ЗИЛ-150, мг/100 мл Срок хранения с обычной пробкой с герметичной пробкой 2 4 8 21 28 2 4 4 4 16 Исходное Через 1 месяц » 2 месяца » 3 » » 4,5 » При хранении топлива в таре, при неполном ее заполнении на еди­ ницу веса топлива приходится большая поверхность соприкоснове­ ния с воздухом и тем самым обеспечивается более свободный доступ кислорода к топливу и смолообразование ускоряется (табл. 76). Таблица 76 Влияние степени заполнения тары на интенсивности смолообразования в бензине Срок хранения Содержание фактических смол, м г/100 мл. в таре, заполненной на 100% Исходное Через 3 месяца 4 6 Соде ржа ние фактических смол, мг/100 мл. в таре, заполненной Срок хранения на 25% 4 12 на 100% Через 6 месяцев » 10 » на 25% 36 78 8 18 Таблица 77 Сроки хранения автомобильных эксплуатационных материалов (в годах) Климатические зоны Наименование продукта и условия хранения Автомобильный бензин: при хранении в наземных резервуарах при хранении в полузаглубленных и заглубленных резервуарах при хранении в бочках » » » баках машин Дизельное топливо Масла всех видов Сол идолы Консталин жировой » синтетический Смазка 1-13 Низкозамерзающая охлаждающая жидкость (антифризы) Тормозная жидкость БСК » » ГТЖ-22 Северная Средняя Южная 2,5 2,0 1,0 3,0 2,5 1,5 2,0 0,5 6,0 5,0 5,0 4,0 3,0 2,0 5,0 1,0 0,25/0,5* 6,0 5,0 5,0 3,0 2,0 1,5 6,0 0,5 0,25 6,0 5,0 3,0 2,5 1,0 1,0 5,0 3,0 5,0 2,5 5,0 2,0 4,0 * Числитель —в весенне-летний период, знаменатель —в осенне-зимний. 230 Процесс окисления топлив значительно ускоряется в присутствии ранее отложившихся в резервуаре смолистых веществ или остатков осмоленного топлива. На основании результатов опытного хранения автомобильных экс­ плуатационных материалов в различной таре в разных климатических условиях установлены допустимые сроки хранения (табл. 77). При соблюдении элементарных правил хранения в течение допус­ тимого срока (см. табл. 77) могут произойти только такие химические изменения, которые не приведут к потере кондиционности материалов. Испарение и потери Дизельные топлива, все смазочные материалы и большая часть жидкостей содержат в своем составе высококипящие продукты, поэтому в обычных условиях хранения они очень мало испаряются и не изме­ няют своих эксплуатационных свойств. Из автомобильных эксплуата­ ционных материалов наибольшую испаряемость имеют бензины. Испарение легких углеводородов бензина ведет к ухудшению его пусковых свойств. Транспортирование и хранение зимних видов бен­ зина в летнее время может привести к существенному ухудшению пус­ ковых свойств вплоть до потери кондиционности. Поэтому все операции с зимним видом бензина требуют особого внимания. Испарение бензинов связано со значительными материальными по­ терями. Потери имеют место при хранении, сливе, наливе, перевозках, заправках и даже при применении (из топливных баков автомобилей, карбюраторов и т. д.). Потери бензинов связаны с ме­ ханическим вытеснением паров при заправке, с термическим расшире­ нием паровой и жидкой фаз, с вы­ ходом паров бензина при сниже­ нии давления и многими другими причинами. Однако главные и наи­ более существенные потери бензи­ на обусловлены так называемым «малым дыханием» резервуаров (ба­ ков) с бензином при суточных из­ менениях температуры. Днем при повышении температуры из резер­ вуара (бака) уходит смесь паров бензина с воздухом, вечером при охлаждении поступает в резервуар (бак) чистый воздух. Этот своеоб­ Рис. 92. Схема прибора для опреде­ разный насос работает ежедневно ления потерь от испарения по мето­ ду Бударова: в каждом резервуаре, вызывая по­ — напорная склянка; 2 — резиновая тери бензинов. Всякое снижение Iтрубка; 3 — зажим; < — змеевик; 5 — мер­ перепада температур (заглубление ник; 6 — пробирка 231 О 0,03 0,06 0,09 ОД 0,15 0,18 0,21 0,24 0.27 0,300,330,36 0,39 0,02 0,05 Испаряемость по ГОСТ 6369при 20°сил-1,бес % Рис. 93. Зависимость среднегодовых потерь топлива за один месяц храпения в наземных горизонтальных (а) и вертикальных (б), полуподземных (в) и подземных (г) резервуарах от испаряемости по ГОСТ 6369—52 при температ 1 — южная зона; 20* 8 2 — средняя зона; 3 — северная зона резервуара, окраска его в белый цвет, орошение и т. д.) ведет к сни­ жению потерь. Бензины в зависимости от их составов имеют различную склонность к потерям от испарения. Для оценки этого показателя разработан спе232 циальиый метод (ГОСТ 6369—52), сущность которого состоит в опре­ делении убыли веса бензина (в весовых процентах) после продувки его строго определенным объемом воздуха. Для контрольных испыта­ ний берут 10 мл бензина и продувают его десятикратным объемом воздуха при температуре 20° С в приборе, изображенном на рис. 92. Установлена зависимость между склонностью бензинов к потерям от испарения по лабораторному методу и среднегодовыми потерями при хранении в различных климатических зонах (рис. 93). Таблица 78 Нормы потерь автомобильных эксплуатационных материалов, кг с 1-м2 поверхности испарения в месяц Климатические зоны Автомобильный бензин при хранении; п наземных металлических горизонтальных резервуарах в полузаглубленных металлических горизонтальных резервуарах в заглубленных металлических горизонтальных резервуарах в таре в наземных хранилищах1 » » в полузаглубленных и заглубленных хранилищах1 Дизельное топливо при хранении: в наземных металлических горизонтальных резервуарах в полузаглубленных металлических горизонтальных резервуарах в заглубленных металлических горизонтальных резервуарах в таре в наземных хранилищах1 » » в полузаглубленных и заглубленных хранилищах1 Масла при хранении: в наземных металлических горизонтальных резервуарах в полузаглубленных металлических горизонтальных резервуарах в заглубленных металлических горизонтальных резервуарах в таре в наземных хранилищах1 » » в полузаглубленных и заглубленных хранилищах1 Смазки при хранении: в таре в наземных хранилищах1 » » в полузаглубленных и заглубленных хранилищах1 Весенне­ летний период Весенне­ летний j период j Южная 2,542 0,788 3,076 1,57 4,153 Осеннезимний период 0.7 Осеннезимний период Весенне­ летний период Наименование продукта и условия хранения Средняя Осеннезимний период Северная 0,327 0,97 0,353 1,05 0,28 0,299 0,985 0,48 0,89 0,51 1,455 1,12 0,015 0,034 0,022 0,045 0,032 0,063 0,015 0,033 0,02 0,041 0,025 0,049 0,006 0,014 0,007 0,016 0,009 0,031 0,006 0,014 0,006 0,016 0,008 0,03 0,006 0,014 0,006 0,016 0,008 0,03 0,004 0,009 0,005 0,009 0,007 0,016 0,004 0,009 0,005 0,009 0,007 0,014 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,004 0,008 0,004 0,008 0,006 0,011 0,004 0,008 0,004 0,008 0,006 0,011 0,004 0,008 0,004 0,008 0,006 0,015 0,004 0,008 0,004 0,008 0,006 0,013 1 В процентах от хранимого количества в месяц. 233 Изучение склонности автомобильных бензинов к потерям от испаре­ ния приобретает особенно актуальное значение в связи с тем, что неф­ теперерабатывающая промышленность вырабатывает зимний вид бен­ зинов с высоким давлением насыщенных паров до 700 мм рт. ст. На основании обработки большого статистического материала раз­ работаны нормы естественной убыли автомобильных эксплуатационных материалов при хранении (табл. 78). Обводнение В практике применения автомобильных эксплуатационных мате­ риалов наиболее часты случаи ухудшения качества вследствие обводне­ ния. Пути попадания воды в топлива и масла различны, но все они при­ водят к ухудшению эксплуатационных свойств. Основное и наиболее неприятное последствие попадания воды — усиление коррозионного воздействия на металлы и сплавы топливной и масляной систем, баков ит. д. Наиболее часто коррозионное разруше­ ние стенок резервуаров, топливных баков наступает в тех местах, где скапливается вода. Особенно сильную коррозию наблюдают обычно по линии раздела топлива с водой. Растворимость воды в углеводородах невелика и составляет сотые доли процента. Однако при изменении температуры растворимость воды в углеводородах меняется, что иногда приводит к образованию на дне резервуара слоя воды. При повышении температуры раствори­ мость воды в углеводородах повышается и недостающее количество воды поглощается из воздуха. При охлаждении углеводородов избы­ точное количество воды может снова уйти в атмосферу или выпасть в резервуаре в виде второго слоя. При техническом обслуживании автомобилей, особенно при пере­ ходе на зимнюю эксплуатацию, необходимо тщательно следить за сли­ вом отстоя воды из топливных баков и системы питания. Попадание механических примесей Многие эксплуатационные свойства топлив и смазочных материалов определяют количеством, размером и составом содержащихся механи­ ческих примесей. Примеси попадают в автомобильные топлива и смазочные материалы в процессах их производства (продукты коррозии нефтеперерабатыва­ ющей аппаратуры), при транспортировании и хранении (пыль из воз­ духа) и при использовании в двигателях (продукты износа в масле и т. д.). Топлива загрязняются главным образом за счет попадания пыли из воздуха. При этом особенно сильное загрязнение бывает в топ­ ливных баках во время эксплуатации. Так, при эксплуатации автомо­ биля в условиях Крыма при загрязненности бензина из бензоколонки 12,3 г/т после пробега 5000 км загрязненность бензина в топливном баке составляла уже 24,1 г/т. 234 При установке опытного фильтра на горловину топливного бака для фильтрации поступающего воздуха загрязненность бензина после 5000 км пробега оказалась равной 14 г/т. Попадание механических примесей в топливо ведет к снижению на­ дежности системы питания и увеличению износа трущихся деталей двигателя. В карбюраторных двигателях механические примеси в бензине вызы­ вают износ жиклеров, нарушение герметичности запорной иглы поплав­ ковой камеры, забивку фильтров, различных отверстий и т. д. Примеси из бензина попадают в камеру сгорания, вызывая увеличение износа пары кольцо — цилиндр и т. д. В дизельных двигателях попадание механических примесей в топли­ во ведет к увеличению износа плунжерных пар топливного насоса, износу отверстий распылителей форсунок, цилиндро-поршневой груп­ пы и т. д. Основная масса механических примесей в топливах имеет непра­ вильную форму размером не более 60—70 мкм. Все частицы большего размера отстаиваются в топливе под действием собственного веса. По данным спектрального анализа в состав примесей в топливе обычно входит около одной трети железа (продукты коррозии) и около одной трети кремния (почвенная пыль). Содержание всех других элементов значительно колеблется и зависит от времени года, условий эксплуатаций и т. д. В летнее время загрязненность топлив выше, чем зимой. Общая загрязненность топлив колеблется от 2—3 до 300—350 г/т. Больше обычного топливо загрязняется в топливных баках автомобилей в летнее время при езде по целине, грунтовым дорогам и т. д. Загряз­ ненность топлива в баке значительно уменьшается, если прокладка и сама крышка горловины топливного бака исправны. Для очистки топлива в системе питания автомобилей устанавлива­ ют систему фильтрации. Наиболее часто система фильтрации состоит из двух типов фильтров грубой и тонкой очистки. В легковых автомоби­ лях устанавливают один топливный фильтр. При расчете поверхности фильтрующих элементов, их пористости и выборе материала исходят из необходимости равномерной загрузки всех фильтрующих элементов и обеспечения срока службы между тех­ ническими обслуживаниями при любой загрязненности топлива. Требования к очистке топлива несколько различаются для карбю­ раторных и дизельных двигателей. Топливо для дизельных двигате­ лей не должно содержать механических примесей размером более 5— 8 мкм, бензины — 10—15. Для обеспечения этих требований во время эксплуатации автомобилей фильтрующие элементы необходимо свое" временно обслуживать, проверять и заменять. Масла для двигателей загрязняются в основном в процессе их ра­ боты в двигателе. В масло попадают механические примеси из топлива и из воздуха, продукты неполного сгорания топлива, пары воды, про­ дукты износа и т. д. В примесях масла велика органическая часть — продукты старения самого масла. 235 Наиболее эффективная очистка масел в современных двигателях включает полнопоточные фильтры и центрифуги. Загрязненность пластичных смазок связана, в первую очередь, с герметизацией узлов трения. Сохранение герметичности различных защитных устройств на узлах трения позволяет уменьшить количество примесей, попадающих в смазку, и продлить срок службы узла тре­ ния. § 2. ПУТИ ЭКОНОМИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ При производстве автомобильных эксплуатационных материалов затрачивают большие материальные средства, поэтому топлива, смазоч­ ные материалы и жидкости являются весьма ценными продуктами, эко­ номия которых имеет важное народнохозяйственное значение. В деле экономии топлив и смазочных материалов, как показывает опыт эксплуатации автомобилей, имеются большие, пока еще не всегда используемые возможности. Для обеспечения строгого контроля за расходованием топлив и сма­ зочных материалов, а также для организации их экономного и рацио­ нального расходования в автотранспортных предприятиях создана служба топливо-смазочных материалов. На службу возложено участие в планировании потребности в топливо-смазочных материалах, их прием, хранение и выдача, контроль за правильным и экономным расходованием. Экономия автомобильных эксплуатационных материалов может быть достигнута только при правильно поставленном, тщательном уче­ те расходов топлива, смазочных материалов и технических жидкостей как в целом по предприятию, так и по отдельным автомобилям. Рассмотрим конкретные пути экономии отдельных видов эксплуата­ ционных материалов. Экономия топлив складывается из предотвращения и сокращения потерь на складе и при заправке и умелого вождения технически ис­ правного автомобиля. Потерь на складе и при заправке за счет проливов и утечек можно практически избежать полностью. Здесь все решает техническая ис­ правность оборудования и образцовый порядок. Потери от испарения бензинов полностью предотвратить не удается, но значительно сокра­ тить их можно. Этому способствует заправка закрытой струей, исправ­ ные прокладки и клапаны, герметичные насосы, задвижки, рукава, раздаточные краны и т. д. Когда есть возможность механизированной заправки, применять для заправки ведра, канистры и другой подобный инвентарь недопусти­ мо, так как при этом неизбежны значительные потери от испарения, проливы и загрязнение топлив. Опытным путем установлено, что по­ тери топлива при заправке автомобилей с применением ведер и воронок составляют 1% от выданного на заправку. При механизированной за­ правке из колонок с раздаточными кранами потери составляют всего лишь 0,06%. 236 Существенное влияние на расход всех топливо-смазочных матери­ алов, и в первую очередь топлив, имеет техническое состояние автомо­ биля. Даже мелкие неисправности автомобиля, не имеющие прямого отношения к расходу топлива, могут стать причиной его перерасхода. Казалось бы, слабый свет фар из-за малой мощности лампочек, пло­ хого состояния рефлекторов или недостаточного напряжения не дол­ жен оказывать влияния на расход топлива. Однако из-за плохой види­ мости при слабом свете фар водитель вынужден снижать скорость и двигаться на скорости ниже экономичной. Кроме того, водитель не может полностью использовать накат автомобиля и развить нужную скорость перед подъемом. Для поддержания материальной части автомобиля в технически исправном состоянии необходимо проводить техническое обслуживание перед выездом на линию и при возвращении в парк, а также периоди­ ческие технические обслуживания после пробега автомобилем опреде­ ленного расстояния и при переходе с одного сезона эксплуатации на другой. При этом необходимо строго соблюдать соответствующие объ­ емы обслуживания, как этого требуют инструкции по эксплуатации автомобилей. Несоблюдение сроков и объемов технического обслужи­ вания ведет к ухудшению технического состояния автомобилей, к преж­ девременному отказу их в работе и вызывает перерасход топлива, ма­ сел и смазок. Расход топлива в карбюраторном двигателе зависит, в первую оче­ редь, от регулировки карбюратора. Правильный подбор дозирующих элементов и регулировка карбюратора осуществляются на заводеизготовителе. В эксплуатационных условиях необходимо следить за чистотой отверстий и каналов карбюратора, уровнем бензина в поплав­ ковой камере, состоянием и весом поплавка, плотностью прилегания клапана поплавка к седлу и другими регулировками в пределах уста­ новленных допусков. Столь же существенное влияние на расход топ­ лива имеет правильная регулировка системы питания дизельного дви­ гателя. Большое влияние на расход топлива оказывает правильная регу­ лировка системы зажигания, состояние механизмов силовой передачи и ходовой части автомобиля, состояние дороги, время года и суток и т. д. Однако расход топлива зависит от индивидуальных качеств води­ теля, его квалификации. Сюда относятся умение и желание водителя экономить топливо, владение им навыками экономного вождения (вы­ бор скорости движения, правильное использование наката, поддержа­ ние наиболее выгодного теплового режима двигателя и т. д.). Одним из важнейших условий экономии топлива является правильная орга­ низация перевозки: сокращение порожних пробегов, полная загрузка автомобилей, сокращение простоев и т. д. Экономии масел можно достичь за счет сокращения расхода «на угар», предотвращения порчи и загрязнения масел, а также путем хо­ рошо организованного сбора отработавших масел. При заправке узлов и агрегатов автомобиля маслами необходимо следить за тем, чтобы в заправляемые агрегаты и картеры вместе с маслами не попали песок, грязь и вода. Для этого следует тщательно 237 очищать пробки заливных отверстий от грязи, пользоваться чистыми заправочными средствами и посудой. Сливать масло из картера двигателя и агрегатов нужно по возмож­ ности сразу же после остановки автомобиля, пока оно не остыло, или после предварительного его прогрева. В этом случае масло сливается быстро и почти полностью. Промывать системы и узлы, если необходи­ мо, следует также горячим маслом. Это способствует лучшей очистке их от отложений, механических примесей и продуктов износа. Расход масел при эксплуатации автомобилей относительно мал и составляет для автомобилей с карбюраторными двигателями не более 3,5, а с дизельными двигателями — до 6%. На новом обкатанном двигателе расход масла минимальный. По ме­ ре износа двигателя, и прежде всего гильз цилиндров, поршневых ко­ лец и поршневых канавок, подшипников и шеек коленчатого вала, рас­ ход масла увеличивается. С увеличением износа поршневых колец и поршневых канавок масло все интенсивнее проникает в камеру сго­ рания, где и сгорает. Характерными признаками большого износа поршневых колец и канавок являются большой расход масла и сизый цвет отработавших газов. К повышенному расходу масла приводят также пригорание и залега­ ние поршневых колец. Существенное влияние на расход масла оказыва­ ет чистота отверстий в поршне для отвода масла и состояние вентиляции картера. Если маслоотводящие отверстия в поршне забиты отложения­ ми, масло хуже удаляется со стенок цилиндра и более значительная часть его «угорает». При этом масло быстрее загрязняется продуктами сгорания. Сокращается срок службы масла при несоблюдении сроков промыв­ ки центрифуги и плохой работе масляного фильтра из-за несвоевре­ менной замены фильтрующего элемента. Перерасход масла на «угар» получается и вследствие повышения теплового режима двигателя. При этом происходит также более ин­ тенсивное окисление масла и ухудшение его качества. Длительная эксплуатация двигателя на низких тепловых режимах приводит к ус­ коренному образованию низкотемпературных отложений, что также является причиной ухудшения качества масла. На расход масла большое влияние оказывает частота вращения ко­ ленчатого вала двигателя. С увеличением частоты вращения расход масла возрастает, поэтому при эксплуатации автомобилей необходимо добиваться, чтобы вождение осуществлялось на повышенных переда­ чах при оптимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Расход масла в двигателе существенно зависит от уровня его в кар­ тере. Если в двигатель залито масла больше нормы, то, помимо пря­ мого перерасхода масла, наблюдается ускоренное ухудшение его качест­ ва. При недостатке масла в картере двигателя трущиеся детали быстрее изнашиваются, а масло быстрее загрязняется. Расход трансмиссионных масел невелик и составляет 0,8% для автомобилей с одной ведущей осью, 1,1 — с двумя ведущими осями и 1,4% — с тремя ведущими осями. Уровень масла в коробке передач, заднем мосту и других агрегатах силовой передачи не должен быть вы­ 23 8 ше установленных пределов, так как в противном случае масло силь­ но разбрызгивается, проникает при этом через неплотности и сальни­ ковые уплотнения. Низкий уровень масел в агрегатах силовой переда­ чи ведет к их повышенному износу. Экономия пластичных смазок достигается за счет правильной смаз­ ки узлов и надлежащего хранения смазок в таре в условиях автотранс­ портных предприятий. Смазку узлов трения следует проводить после работы автомобиля, пока эти узлы не остыли. Как известно, вязкость смазок при пониже­ нии температуры очень быстро возрастает и из холодного узла трения невозможно полностью удалить отработавшую смазку и заменить ее свежей. При этом значительное количество смазки не проникает в каналы, остается на масленках, загрязняет узлы и безвозвратно теряется. При заправке теплых узлов этих потерь практически нет. Для каждого вида смазки должен быть отдельный шприц. Это по­ зволяет избежать смешения смазок и уменьшить их расход. При эксплуатации автомобилей необходимо строго придержи­ ваться указаний по периодичности смены смазок. При этом расход смазок составляет примерно 0,1—0,2 кг смазки на 100 л израсходован­ ного топлива. Однако установленная норма расхода смазок (0,6 кг на 100 л топлива) значительно выше действительного расхода. Наибольшие возможности экономии смазок заложены в правиль­ ной организации хранения смазок в автотранспортных предприятиях, особенно в мелких. Большая часть автомобильных смазок затарива­ ется в деревянные бочки емкостью 200—250 л. Содержимого такой боч­ ки часто хватает для смазывания автомобилей на несколько недель, а иногда и месяцев. В открытой бочке смазки обводняются и загрязня­ ются. Значительную часть смазки из бочки приходится выбрасывать. Из изложенного выше видно, что экономия смазок в значительной мере зависит от расфасовки. В связи с этим намечено выпускать авто­ мобильные смазки в таре различной емкости. Экономия тормозных жидкостей. Основной источник экономии жидкостей — аккуратная заправка тормозной системы, исключение случаев смешения касторовых и гликолевых жидкостей, минимальные потери при прокачках и ремонтах гидравлических систем. Нормы расхода тормозной жидкости на год установлены в следу­ ющем размере: на заполнение и прокачку гидросистем — до 2,2 заправ­ ки1, на долив гидросистем при эксплуатации—до 1 заправки (в жар­ ких климатических условиях— 1,5 заправки), на ремонт гидроси­ стем— не более 1,1 заправки. § 3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОПЛИВ И РЕГЕНЕРАЦИЯ МАСЕЛ В случае если автомобильные топлива по тем или иным причинам становятся некондиционными, их качество можно исправить. Основным способом восстановления качества автомобильных топ­ 1 Под заправкой понимают полную емкость гидравлической системы. 239 лив, потерявших кондиционность, является смешение их со свежими, имеющими запас качества. Смешением бензинов можно улучшить такие показатели, как фракционный состав, октановое число, содер­ жание смол и кислотность. Смешением дизельных топлив можно сни­ зить кислотность и т. д. Утяжеление фракционного состава вследствие испарения легких фракций бензина при хранении сопровождается повышением темпера­ туры перегонки 10% бензина. Для улучшения фракционного состава бензина по 10-процентной точке его смешивают с бензином, имеющим запас качества по этому показателю. При выборе соотношения бензинов для смешения следует брать избыток хорошего бензина, так как фракционный состав смеси двух бензинов не является среднеарифметической величиной между фракци­ онными составами бензинов, взятых для смешения. Исправить антидетонационные свойства автомобильного бензина можно, смешав его либо с высокооктановым компонентом, либо с бен­ зином более высокого сорта, имеющим большее октановое число, так как автомобильные бензины, выпускаемые заводами, не имеют запаса качества по октановому числу. Для расчетов соотношения бензинов, необходимых для смешения, с некоторым приближением можно принять, что октановое число сме­ си является средним арифметическим между октановыми числами бен­ зинов, взятых для смешения. Антидетонационные свойства автомобильных бензинов добавлением этиловой жидкости можно восстанавливать только на складах и ба­ зах, имеющих специальное смесительное оборудование. Этилиро­ вание и доэтилирование автомобильных бензинов без соблюдения всех правил техники безопасности запрещается. В том случае, если октановое число бензина снижается вследствие разложения ТЭС, бензин перед восстановлением необходимо тщатель­ но профильтровать для отделения его от осадка свинцовых соединений. Осадок свинцовых соединений может образоваться и без снижения антидетонационных свойств этилированного бензина. В этом случае для восстановления требуемого качества бензина достаточно провести тщательную фильтрацию. Профильтрованный бензин необходимо рас­ ходовать сразу или как можно быстрее, так как начавшийся процесс разложения ТЭС будет продолжаться и после фильтрации. Исправление автомобильных бензинов и дизельных топлив по содер­ жанию фактических смол и кислотности может быть достигнуто толь­ ко смешением их со свежими, имеющими большой запас качества по этим показателям. Содержание смол и кислотность смеси топлив являются средними арифметическими величинами этих показа­ телей топлив, взятых для смешения. Топлива, исправленные по содержанию фактических смол и кислотности, необходимо расходо­ вать в первую очередь, так как начавшийся процесс окисления быстро приведет к накоплению новых смолистых веществ и кислых продуктов. Для расчета количества свежего топлива, необходимого для исправ­ ления другого топлива по какому-либо показателю качества, подчи­ няющемуся закону прямой пропорциональности (содержание смол, 24G кислотность, октановое число и т. д.), можно пользоваться следую­ щей формулой: К= — Pl-P* 100, где /( — количество топлива лучшего качества, необходимое для ис­ правления топлива худшего качества, %; Z3! — значение исправляемого физико-химического показателя лучшего топлива; Р2 — значение исправляемогофизико-химического показателя худ­ шего топлива; Р3 — значение физико-химического показателя смеси, которое не­ обходимо иметь после исправления. Необходимо отметить, что для исправления топлива сразу по не­ скольким показателям надо сделать расчет по каждому показателю отдельно и для смешения взять наибольшее количество лучшего топ­ лива, полученное при расчетах. Исправление топлив по содержанию механических примесей может быть достигнуто путем отстоя с последующей фильтрацией. Выбор фильтра зависит от количества топлива, подлежащего исправлению. Удобно пользоваться фильтрами топливо-заправщиков и переносными фильтрами для топлив. Обводненные топлива могут использоваться по прямому назначе­ нию после отстоя и слива водного слоя. Этилированные автомобиль­ ные бензины после сильного обводнения следует проверить в лабора­ тории на содержание выносителя и только после этого решать вопрос об их использовании. При незначительном обводнении этилирован­ ных бензинов их можно применять в смеси с другими этилированными бензинами, не подвергавшимися обводнению. Следует иметь в виду, что исправление топлив всегда сопровож­ дается потерями и связано с определенными затратами. Гораздо легче сохранить качество топлива, чем его исправить. Смазочные масла, отработавшие в автомобиле положенный срок, можно снова использовать по прямому назначению. При работе масла в двигателе только очень незначительная часть его подвергается глу­ боким изменениям и теряется безвозвратно. Если из отработавших масел удалить продукты превращений, то масло снова становится при­ годным для применения. Этот процесс называют регенерацией, а полу­ ченные масла регенерированными. Испытания показали, что регене­ рированные масла, в которые вновь добавлены присадки в оптималь­ ной концентрации, по эксплуатационным свойствам не уступают свежим. Регенерацию отработавших масел производят централизованно, однако получение высококачественных регенерированных масел воз­ можно только при условии правильной организации сбора и хранения отработавших масел. За счет регенерации можно удовлетворить до 20% потребности страны в автомобильных маслах. 241 Гл а в а X КОНСТРУКЦИОННО-РЕМОНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Эксплуатация автомобилей сопровождается расходованием топлив, смазочных материалов и технических жидкостей. Эти материалы на­ зывают эксплуатационными. При ремонте автомобилей применяют многочисленные материалы, которые относят к числу конструкционно­ ремонтных. Ниже изложены краткие сведения по пластическим мас­ сам, лакокрасочным материалам, клеям и т. д. § 1. ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ Производство пластмасс стало самостоятельной отраслью народ­ ного хозяйства. Их выпуск непрерывно увеличивается, поскольку область применения пластмасс непрерывно расширяется. Особенно быстрыми темпами растет применение пластмасс в автомобильной иромышленности. Такие темпы роста обусловлены специфичными свойствами пласти­ ческих масс, которые отсутствуют у традиционных конструкционных материалов. К ним относятся малый удельный вес, хорошие антикор­ розионные и диэлектрические свойства, простота изготовления изделий, невысокая стоимость технологического процесса, а также декоратив­ ные качества. Наряду с увеличением ассортимента полимерных соединений и из­ делий из них непрерывно улучшается и их качество, что обеспечивает рост их конкурентной способности по сравнению с металлом и деревом. Современные пластические массы представляют собой сложные смеси различных химических веществ. Основным компонентом пласти­ ческих масс являются полимерные соединения. Для улучшения их качества, а иногда и для придания им тех или иных новых свойств в состав пластических масс вводят наполнители, пластификаторы, антистарители, красители и другие компоненты. Полимеры — это соединения, молекулы которых состоят из много­ кратно повторяющихся структурных звеньев (мономеров), связанных между собой химической связью. Полимерные соединения могут быть синтетическими (полиэтилен, фенолоформальдегидные смолы и др.) и естественными (натуральный каучук, целлюлоза, некоторые смолы и др.). Характерной чертой как синтетических, так и естественных поли­ меров, является пластичность — способность материала принимать придаваемую ему форму под воздействием тепла и давления, и устой­ чиво ее сохранять. Полимерные соединения разделяют на несколько групп в зависи­ мости от состава основной цепи макромолекулы1. У карбоцепных поли­ мерных соединений основная цепь состоит из углеродных атомов ...—С—С—С—С —С— ... 1 Макромолекулами называют молекулы полимерных соединений с большим молекулярным весом. 242 Гетероцепные полимерные соединения, кроме углеродных атомов, содержат в основной цепи и другие атомы: кислород, азот, фосфор и др. I I ...— N —С—С—С — N —С—С—С — ... Особую группу представляют элементоорганические соединения, у которых основная цепь содержит атомы металлов: кремния, титана, алюминия и др. Я Я Я 1 J I — Si —О—Si—О—Si —О— ..., I I Я Я я где R — органический радикал. Структура строения макромолекул полимеров может быть линей­ ной, разветвленной, сетчатой или пространственной. Характер расположения макромолекул в полимере в значительной мере определяет его физико-химические свойства. В основе получения искусственных полимеров лежат процессы полимеризации и поликонденсации. Реакцией полимеризации назы­ вается получение нового продукта с большим молекулярным весом из низкомолекулярных веществ-мономеров. Например, поливинил­ хлорид (—СН2—СНС1—СН2—СНС1—)„ образован из мономера хлори­ стого винила (СН2=С Н 2С1)„, где п — количество звеньев в молекуле. Реакция полимеризации протекает без выделения побочных продуктов. Все процессы полимеризации объединяет то, что они протекают по месту разрыва двойных связей в молекулах мономеров. Следова­ тельно, если связь углерода с углеродом ненасыщена, соединения мо­ гут вступать во взаимодействие с однотипными или разнотипными мо­ лекулами и образовывать более сложные соединения. Образование по­ лимерного соединения из двух различных мономеров называют совме­ стной полимеризацией или сополимеризацией. Сополимеризация дает возможность получать несколько типов совместных полимеров. Таким образом, можно получить большое количество полимеров с различной структурной формулой и регулировать в требуемом на­ правлении свойства высокомолекулярных соединений. Количество подобных соединений может быть увеличено, если орга­ нические радикалы сочетать с галоидными: хлором, фтором и др. К таким соединениям относятся фторопласты, эпоксидные соединения. Реакция конденсации отличается от реакции полимеризации тем, что взаимодействие между собой мономеров сопровождается выделе­ нием низкомолекулярных побочных веществ, воды и т. д. К продуктам поликонденсации относятся, например, фенопласты, образующиеся в результате взаимодействия фенола с формальдеги­ дом. Реакции полимеризации и поликонденсации протекают при опре­ деленных условиях (температура, давление, инициатор, катализатор, 243 растворитель и др.), которые обеспечивают раскрытие двойных свя­ зей, перемещение и взаимодействие функциональных групп и необра­ тимый рост макромолекул полимера. С помощью этих реакций получают большое количество полимеров. Наполнители служат для придания пластическим массам нужных физико-химических свойств. Введение в полимеры различных волокон (хлопчатобумажных, асбестовых, стеклянных и т. д.) повышает их прочность; такие пластмассы носят название волокнитов. При введе­ нии в полимер различных тканей, бумаг и других материалов получа­ ют особо прочные пластмассы — слоистые пластики. Пластификаторы вводят в пластические массы для понижения их хрупкости. Для повышения стойкости пластмасс против окисления кислородом воздуха при повышенных температурах и воздействии света добавля­ ют антистарители (антиокислители). Введение красителя в состав пластмасс позволяет получить изделие требуемого декоративного вида. Пластические массы в зависимости от химической природы поли­ меров, согласно ГОСТу, разделены на четыре класса. К л а с с А. Пластические массы на основе высокомолекулярных соединений, получаемых цепной полимеризацией: полиэтилен, поли­ пропилен, винипласт и пластикаты на основе поливинилхлорида, полиизобутилен, фторопласты, полистирол и его сополимеры, этинопласты (поливинилбутироль и др.), актилопласты и др. К л а с с Б. Пластические массы на основе полимеров, получае­ мых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией: фенопласты с различными наполнителями (пресс-порошки, волокниты, текстолиты, стекловолокниты, фаолит и др.), аминопласты, мелалит, эфиропласты, полиамиды (капрон и др.), уретанопласты, эпоксипласты и др. К л а с с В. Пластические массы на основе химически модифи­ цированных природных полимеров. К ним относятся пластические массы на основе производных целлюлозы (целлулойд, этролы), галолит. К л а с с Г. Пластические массы на основе природных нефтя­ ных асфальтов и смол: битумопласты с различными наполнителями. В зависимости от свойств полимера пластические массы делят на две основные группы: термореактивные и термопластичные. Термореактивные пластмассы содержат такой полимер, который обладает пластическими свойствами только на первой стадии затверде­ вания. После затвердевания повторный нагрев таких полимеров не приводит их к размягчению пли плавлению. К этой группе относят фенопласты, аминопласты, эфиропласты и другие пластические массы, которые входят в класс В и частично в класс Б. Термопластичные полимерные соединения при нагревании приоб­ ретают пластические или даже вязко-текучие свойства, а при охлаж­ дении вновь возвращаются в твердое состояние. Пластические массы па их основе можно неоднократно переводить из одного состояния в другое без ухудшения основных физико-химических свойств. К ним относятся все пластмассы класса А и частично класса Б. Основные преимущества пластических масс по сравнению с други­ ми материалами сводятся к следующему. Пластмассы имеют невысокую плотность (0,9—2,2, а пористые — 0,2 г/см3 и ниже), поэтому автомобильные детали из пластмасс обычно в несколько раз легче, чем из металла. Пластмассы обладают меньшей теплопроводностью, чем металлы. Большая часть пластмасс является диэлектриками и служит незаме­ нимым материалом для изделий электрооборудования автомобиля. Как правило, пластмассы обладают высокой стойкостью к воздействию кислот, щелочей, технических жидкостей, растворителей, воды и т. д. Изделия из пластмасс более технологичны, чем изделия из металла, так как их получают одной-двумя простейшими технологическими операциями. Однако пластмассы имеют и существенные недостатки. Механи­ ческая прочность деталей из пластмасс обычно ниже прочности метал­ лических изделий. При низких температурах большинство пластмасс становится ломкими и хрупкими. После длительного действия постоян­ ной нагрузки прочность пластмасс, особенно на базе термопластов, понижается. Для повышения жесткости изделия из пластмасс иногда армируют металлом. Рабочий температурный интервал у пластмасс значительно уже, чем у сталей. Влияние температуры на размеры деталей из пластмасс и их прочностные свойства проявляется в большей степени, чем на металлических деталях. В результате длительного воздействия света, тепла, кислорода воздуха ухудшается окраска изделий из пластмасс, теряется блеск, появляются трещины, ухудшаются механические свойств, т. е. проис­ ходит старение пластмассы. Пластические массы имеют значительно больше преимуществ, чем недостатков. Многие недостатки устраняют путем создания новых пластмасс с улучшенными эксплуатационными свойствами. Состав и свойства наиболее распространенных пластических масс описаны ниже. Термопласты Термопластичные полимерные соединения обладают свойствами неоднократно плавиться и затвердевать при охлаждении без изме­ нения свойств материала. К ним относят все пластмассы класса А и частично класса Б (полистирол, полиэтилен, винипласт и др.). Термопласты выпускаются с наполнителем и без наполнителя. Для улучшения антифрикционных свойств, повышения теплопровод­ ности, износоустойчивости в полиамиды и фторопласты вводят напол­ нители: графит, молотый кокс, свинец, бронзу, дисульфид молибдена, стекловолокно и др. Тальк, каолин, мел и другие порошкообразные материалы удешевляют пластифицированный поливинилхлорид и по­ вышают его износоустойчивость. Рубленное стекловолокно вводят в тер­ мопласты с целью повышения жесткости, механической прочности и уменьшения ползучести. Ненаполненные товарные термопласты вырабатывают пластифи­ цированные (поливинилхлорид и этрол) и непластифицированиые. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, диоктилфталат, смеси эфиров высших спиртов и фталевой кислоты, дибутилбензилфталат и др. Свойство термопластов сохранять свою пластичность при много­ кратном нагревании и охлаждении позволяет применять разнообраз­ ные способы переработки: экструзию, литье под давлением, вакууми пневмоформирование. Экструзией называется процесс непрерывного выдавливания (шприцевания, шнекования) материала, находящегося в вязко-теку­ чем состоянии, через отверстие определенного профиля. Экструзией перерабатывают большинство термопластов, из которых получают трубы и профильные изделия, пленки, листы, электроизоляционные и влагозащитные покрытия. Преимущества экструзионного способа переработки пластмасс в том, что он обеспечивает непрерывность и ста­ бильность процесса, высокую производительность, экономичность, универсальность и автоматизацию процесса. Литье под давлением осуществляется на высокопроизводительных машинах. Этот способ дает возможность изготавливать изделия сложнейших конфигураций за короткое время. Автоматизация процес­ са и экономичное расходование материала обеспечивают этому спосо­ бу большое распространение. Усадка аморфных термопластов достигает порядка 0,4—0,6%. Термопласты кристаллического строения имеют большую усадку, доходящую до 3%. Кроме температурной усадки, может происходить усадка вследствие изменения структуры полимера. Чем ниже темпера­ тура термопласта и выше давление в процессе литья, тем меньше усад­ ка, больше плотность материала в изделии. Свойства готовых изделий из термопластов и область их примене­ ния определяются типом использованного полимера. Рассмотрим основные полимеры, применяющиеся в качестве термопластов. Полиэтилен — высокомолекулярный полимер линейного строения с небольшим числом боковых ответвлений. Его получают путем поли­ меризации газа этилена (Н2С=СН 2). При промышленном производстве полиэтилен получают при раз­ личном давлении. Полиэтилен высокого давления (ВД) получают при давлении 1500, среднего давления (СД) — при 50 и полиэтилен низкого давления (НД) большой плотности — при 5—6 кгс/см2. Эти марки по­ лиэтиленов имеют различные механические свойства (табл. 79). Полиэтилен высокого давления (ВД) — мягкий, эластичный материал, напоминающий парафин, выпускается в виде роговидных гранул. Полиэтилены низкого и среднего (НД и СД) давлений обладают большой плотностью, прочностью при разрыве, повышенной тепло­ стойкостью и газонепроницаемостью. При обычных температурах часть полиэтилена находится в кристал­ лической форме (от 55 до 92% в зависимости от метода получения), часть в аморфной. С повышением температуры в полиэтилене умень­ шается содержание кристаллической фазы и увеличивается содержа24G Т а б л и ц а 79 С войства п ол и эти л ен а Показатели М о л ек у л я р н ы й вес С теп ень к р и ста л л и ч н о сти , % П л отн ость, к г /м 3 М одуль уп ругости при и зги б е, к г с /с м 2 П редел тек уч ести при р астяж ении, к г с /с м 2 П р е д е л п р о ч н о с т и , к г с / с м 2: при растяж ен ии » и зги бе О т н оси тел ь н ое у д л и н ен и е при р азр ы ве, % Т в е р д о с т ь п о Б р и н е л л ю , к г с /м м 2 Т е м п ер а т у р а п л а в л ен и я , °С М о р о зо ст о й к о сть (тем п ер а ту р а х р у п к о с т и ), °С У дел ь н ое объ ем н ое эл ек тр и ч еск ое со п р о т и в л ен и е, О м -см Полиэтилен ВД (низкой плотности) Полиэтилен НД (высокой плотности) Полиэтилен СД 1 0 0 0 - 4 5 000 53— 67 918— 935 1 500— 2 500 70 0 0 0 — 400 000 8 0 — 90 945— 955 5 500— 8 000 60 000— 400 000 86— 93 960— 970 8 0 0 0 — 10 5 0 0 9 0 — 100 22 0 — 260 2 5 0 -3 0 0 1 2 0 — 160 12 0 — 170 1 5 0 — 160 220— 320 22 0 — 350 400— 800 2 7 0 — 330 2 5 0 — 400 400— 900 1 .4 - 2 ,5 10 5 — 108 Н и ж е — 70 4 ,5 - 5 ,8 120— 125 Н и ж е — 70 5 ,6 — 6 ,5 1 2 7 — 130 — 70 1017 1017 1 0 17 ние аморфной. При температуре выше температуры плавления (ПО— 130° С) весь полиэтилен становится аморфным. Полиэтилен обладает высокими электроизоляционными показа­ телями, химической стойкостью к большинству кислот и щелочей. Концентрированная серная кислота при температуре 50° С незначи­ тельно изменяет полиэтилен, концентрированная азотная кислота при температуре выше 40° С разрушает его. Полиэтилен при низких темпе­ ратурах не растворяется в растворителях, он способен набухать в угле­ водородах и их галоидных производных. В бензоле, толуоле, ксилоле, декалине, четыреххлористом углероде полиэтилен можно растворить при температуре 80° С. При охлаждении растворов полиэтилен выпа­ дает в осадок. Полиэтилен склонен к старению. Добавление 2—5% сажи повы­ шает устойчивость полиэтилена к действию солнечного света, задер­ живает его старение. Полистирол получают полимеризацией стирола (винилбензола — С8Н7) — жидкого синтетического продукта. По внешнему виду поли­ стирол — аморфный порошок, который после плавления и охлаждения прозрачен и бесцветен. Полистирол хорошо перерабатывается в из­ делия литьем под давлением в широком интервале температур и давле­ ний. Полистирол обладает высокими диэлектрическими свойствами, хорошей водо-, щелоче- и кислотостойкостью. Недостатком чистого полистирола является низкая теплостойкость (до +80° С) и повышен­ ная хрупкость. В промышленности получили распространение сопо­ лимеры стирола с метилметакрилатом марок МСН, МС-2 и МС-3. Этот сополимер эластичен, имеет повышенную теплостойкость, стоек к воз­ действию бензина, масел. 247 Ударопрочный полистирол (УП) получают добавлением в сополи­ мер стирола (СНП) нитрильного каучука. Методом горячего прессования полистирола с добавлением газо­ образных веществ получают газонаполненный пенополистирол в пли­ тах и блоках марки ПС-1, ПС-4 или в виде гранул марки (ПСБ). По­ листирол всех марок применяют как тепло- и звукоизоляционный материал. Амидопласты получают на основе полиамидных смол, которые обра­ зуются в результате поликонденсации различных дикарбоновых кислот с диаминами, и полимеризации капролактана в поликапролактан (капрон). Полиамиды — твердые термопластичные полимеры, плавятся при температуре от 150 до 220° С. При температуре, близкой к 300° С, происходит разрушение полимера. Полиамиды ударопрочны, хорошо противостоят износу, в том числе и абразивному, обладают низким коэффициентом трения, хорошей морозостойкостью (—50° С); устой­ чивы к действию спиртов, эфиров, щелочей, но хорошо растворяются в органических кислотах (уксусной, муравьиной) и фенолах. Под действием минеральных кислот гидролизуются. К недостаткам полиамидных смол относят большое влагопоглощение, которое при открытом хранении составляет от 1,5 до 3,5%. При длительном атмосферном воздействии амидопласты теряют прочност­ ные свойства. Промышленность выпускает несколько марок полиамидов в зависи­ мости от назначения: капрон-поликапроамид А, Б, В; полиамиды, наполненные тальком или графитом марок П-68-Т5, П-68-Т10. Поли­ амиды АК-7, АК-80-20, АК-85-15 и другие применяют как машино­ строительные материалы для изготовления подшипников скольжения, втулок, зубчатых колес, манжет, электроизоляционных нагруженных изделий, антифрикционных деталей с затрудненной смазкой, различ­ ных деталей автомобилей и станков. Полиамиды, пластифицированные и стабилизированные применя­ ют для ударопрочных деталей, прокладок, пленок. Полиамидкапролон применяют для изготовления крупногабаритных изделий и заготовок, из которых механической обработкой изготовляют втулки, шестерни и другие детали автомобилей. Поливинилхлорид получают полимеризацией газообразного ви­ нилхлорида СН2 = СНС1. Поливинилхлорид выпускают неокрашенным и нестабилизированным в виде порошка белого цвета. Чтобы предотвратить разложение полимера в поцессе изготовления пластика к смоле добавляют стабилизатор—основной силикат свинца. Для придания полимеру эластичности вводят стеарат бария, эпоксидированное соевое масло и др. Винипласты не растворяются в кислотах и щелочах, в парафиновых и нафтеновых углеводородах, набухают и растворяются в ароматических хлорированных углеводо­ родах, ацетоне и ацетатах. Винипласт твердый негорючий материал, поддается механической обработке, сварке, склеиванию, обладает высокими электроизоляцн248 онными свойствами и химической стойкостью. К недостаткам вини­ пласта относятся малая пластичность, способность набухать в воде при длительном прямом контакте. Под воздействием солнечного света винипласт стареет. Поливинилхлорид имеет ограниченную морозостойкость (до —20° С); введением специальных добавок его морозостойкость до­ водят до минус 40° С. Из поливинилхлоридной смолы с добавкой стабилизаторов и смаз­ ки изготовляют непластифицированный (жесткий) поливинилхлорид. Непластифицированный поливинилхлорид переработке литьем под давлением не поддается. Из него изготовляют термоштампованием, термоформованием и сваркой сосуды, химическую аппаратуру, ак­ кумуляторные баки, детали насосов, вентиляторов и др. Пластифицированный поливинилхлорид — пластикат— получают в виде гранул, пленок, рулонов путем смешения поливинилхло­ рида с пластификаторами (дибутилфталатом и трикрезилфосфатом), стабилизаторами (пиперазином, диэтиламиноэтанолом) и другими добавками. Из пластиката вальцеванием и экструзией изготовляют пленки, листы, линолеум, шланги, трубки, ленты, полые изделия, покрытия электропроводов и кабелей. Фторопласты по своему строению похожи на полиэтилен, в котором все атомы водорода замещены атомами фтора. п (F2C = CF2) -* (- F ,C - C F ,-) n. Фторопласты получают полимеризацией тетрафторэтилена, трифторхлорэтилена или других фторопроизводных синтетических газов. Политетрафторэтилен (фторопласт-4) рыхлый волокнистый порошок белого или серого цвета. Он не поддается переработке обычными для термопластов методами, так как не переходит в вязко-текучее состоя­ ние. Методы получения изделий из фторопласта-4 основаны на спекании при температуре 350—370° С заготовок, полученных холодным прес­ сованием порошка. Помимо фторопласта-4, промышленность выпускает фторопласт-3 — рыхлый белый или коричневый порошок, который перерабатывают обычными способами: литьем под давлением, экструзией и т. п. Резкое охлаждение изделий из фторопласта-3, нагретых до температуры, близ­ кой к плавлению, увеличивает их прочность. Фторопласт-3 ; уступает по химической стойкости, теплостойкости фторопласту-4, но обладает повышенной твердостью и отсутствием хладотекучести. Фторопласты и особенно фторопласт-4 по химической стойкости пре­ восходят все известные материалы, даже золото. Фторопласты отли­ чаются малым коэффициентом трения и высокой термостойкостью. Они нашли широкое применение в качестве диэлектриков, для изго­ товления уплотнительных прокладок, работающих в агрессивных средах, деталей клапанов кислородных приборов, труб, шлангов, кранов, вкладышей, подшипников, пленок различного назначения. 9 Зак. 641 249 Акрилопласты готовят на базе акриловых смол (полиакрилатов) следующего строения: - _ С Н 2—СН—СН2—СН — ' СООН СООН п Полиакрилаты получают полимеризацией акриловой и метакриловой кислот и их эфиров. Полиакриловые смолы — прозрачные бесцветные полимеры, обладают высокой светостойкостью. Наи­ более широкое распространение получил пластик полиметилметакри­ лат — органическое стекло. Органические стекла обладают высокой светопрозрачностью. Они пропускают до 73% ультрафиолетовых лу­ чей, в то время как обычное силикатное стекло пропускает только 1—2%. Полиметилметакрилат обладает высокой механической проч­ ностью, стойкостью к воде, кислотам и растворителям. Он набухает и растворяется в ледяной уксусной кислоте и дихлорэтане. При незна­ чительном механическом воздействии на полимере появляются цара­ пины и теряется его прозрачность. С повышением температуры меха­ ническая прочность этого полимера уменьшается. Органическое стекло перерабатывают термоформованием, штам­ повкой разогретых заготовок, механической обработкой, склеивани­ ем. Полиакрилаты в виде порошков перерабатывают горячим и холод­ ным прессованием. Сополимеры метилметакрилата со стиролом (МС-2, МС-3 и МС) имеют более высокую текучесть и перерабатываются лить­ ем под давлением. Полиакрилат применяют вместо силикатного стекла для остекле­ ния автомобилей, автобусов, а также для производства светильников, лабораторных и оптических приборов. Из порошковых гранулирован­ ных полиакрилатов изготовляют радиотехнические детали и другие изделия. При ремонте автомобилей применяют полиакрилатовые пласт­ массы ACT и АКР-7. Для получения пластмасс на основе эфиров целлюлозы исполь­ зуются древесная, кукурузная, хлопковая и другие клетчатки. Подго­ товленную клетчатку обрабатывают нитрационной смесью, состоящей из азотной кислоты, воды и серной кислоты. В результате сложных химических процессов образуются нитраты целлюлозы, называемые колоксилином, содержащие до 12% азота. Колоксилин применяется для производства нитроцеллюлозного этрола, целлулоида и лаков. Колоксилин неустойчив к действию кис­ лот и щелочей и растворяется в кетонах, пластификаторах, эфирах, спиртах, уксусной кислоте. Устойчив к действию ароматических и алифатических углеводородов и масел. Целлулоид — пластмасса, состоящая из колоксилина, пластифи­ катора, этилового спирта (как растворителя), добавок пигментов и кра­ сителей. Несмотря на легкую воспламеняемость и горючесть цел­ лулоид широко применяется для изготовления различных изделий. По механическим свойствам целлулоид значительно уступает другим термопластам. • 250 Кроме того, из различных пластифицированных эфиров целлю­ лозы получают этролы1 с минеральными и органическими наполните­ лями и красителями. Механическая прочность у этролов выше, чем у целлулоида. Все этролы негорючи, термостабильны, кроме нитро­ целлюлозного. Этролы стойки к бензину и минеральным маслам. Они широко применяются в автомобильной промышленности для изготовления рулевых колес, кнопок, декоративных деталей внутрен­ ней отделки автомобилей и других изделий широкого потребления. Этролы перерабатываются литьем под далением, экструзией. Нит­ роцеллюлозный этрол перерабатывают прессованием, так как при литье под давлением ввиду высокой температуры переработки он может вос­ пламениться. Полипропилен получают полимеризацией газа пропилена. По внешнему виду этот белый порошок напоминает полиэтилен, но обла­ дает по сравнению с ним более высокой прочностью, твердостью и теп­ лостойкостью (до 150° С). Полипропилен водостоек и кислотостоек. По морозостойкости он уступает полиэтилену. Так же, как полиэти­ лен, он склонен к «старению». Методы переработки и область приме­ нения полипропилена такие же, как полиэтилена. Полиизобутилен получают полимеризацией газа изобутилена: СН2 = С —СН3 I сн 3 В зависимости от молекулярного веса полиизобутилен может находиться в состояниях от вязко-текучей жидкости до твердо­ пластичных каучукоподобных масс. Полиизобутилен — хладотеку­ чий материал. Хладотекучесть проявляется даже без нагрузки. По­ лимер обладает высокой химической стойкостью и водостойкостью. При атмосферных воздействиях полиизобутилен подвергается частич­ ному разложению. Для придания полиизобутилену различных эксплуатационных свойств в него вводят активные наполнители: сажу, графит, смолы, каучук, которые повышают механическую прочность, жесткость, стойкость к воздействию атмосферы. Смесь полиэтилена с полиизо­ бутиленом дает мягкий эластичный материал под маркой ПОВ. Полиизобутиленовые листы, пленки с наполнителями обладают хорошим гидроизоляционным и антикоррозионными свойствами. Весьма перспективными термопластами являются поликарбонаты, которые имеют высокую прочность, прозрачность и термостойкость. Отечественный поликарбонат под названием «дифилон» находит все большее применение в автомобилестроении. Термореактивные пластмассы К термореактивным пластмассам относят: фенопласты, амино­ пласты, мелалиты, пресс-композиции на основе кремнийорганических и полиэфирных смол. 1 Н а зв а н и е м ат ер и а л а «этрол» со ст а в л ен о р о», «телеф он », «р ади о». 9* из н ач ал ь н ы х б у к в сл ов: «эл ек т­ 251 Фенопласты готовят на базе фенолоформальдегидных смол — синтетических полимеров, получаемых поликонденсацией фено­ ла СвН 3ОН или его производных [крезола С6Н4СН3ОН, ксилола (СН3)2С6Н3ОН] с формальдегидом СН20 в присутствии кислых или щелочных катализаторов. Фенолоформальдегидные смолы — жидкие или твердые вещества, растворимые в спирте, ацетоне, бензоле, их смесях и некоторых других растворителях. В промышленности синтезируют фенолоформальдегидные, фенолокрезолоформальдегидные, фенолоксиленолоформальдегидные и дру­ гие смолы. В процессе образования термореактивных фенолоформальдегид­ ных смол в присутствии щелочного катализатора можно различить три основные стадии, каждая из которых отвечает определенному ти­ пу смол. С т а д и я А. В этой стадии продукты конденсации называются резолами. Резольные смолы как твердые, так и жидкие получаются при сравнительно непродолжительном нагревании исходной смеси реагентов при невысоких температурах (ниже 100° С). Получаемые смолы — плавкие и растворимые в различных растворителях (спирте, ацетоне, смеси спирта и бензола и др.). Для получения лаков резольные смолы имеют наибольшее значе­ ние. Из них готовят спиртовые лаки типа бакелитовых и, кроме того, различные модифицированные смолы. С т а д и я Б (резитол). Смола образуется при нагревании ре­ золов до температуры 100° С и выше. При температуре 120— 130е С резитол находится в резиноподобном состоянии и сохраняет способ­ ность размягчаться и набухать в растворителях, но не растворяется в них. С т а д и я С (резит). Резит получается при длительном нагрева­ нии резольной смолы или отверждением ее на холоде в присутствии кислых катализаторов. Смола в стадии С не плавится, нерастворима в растворителях и не набухает в них. Резит обладает большой твер­ достью и прочностью. При поликонденсации фенола и формальдегида в кислой среде при избытке фенола получают так называемые новолачные смолы. Эти смолы длительное время сохраняют свою плавкость и при нагревании до температуры 200—250° С не теряют свою пластичность. При нагревании новолачной смолы с отвердителем (уротропином) она переходит в неплавкое и нерастворимое состояние в результате образования пространственного «сшитого» полимера (резита). Фенолоальдегидные смолы очень хрупкие, поэтому редко приме­ няются в чистом виде. Для улучшения их физико-химических свойств в смолу вводят наполнители и модифицируют другими полимерами и каучуками, в результате чего повышается эластичность, устойчи­ вость к переменным температурам, стойкость к агрессивным средам. Фенолоформальдегидные пластмассы представляют собой компо­ зиции резольных смол с различными наполнителями, а также краси­ телями и отвердителями. Из них получают пресс-порошки общего на­ значения следующих марок: К-15-2, К-17-2, К-18-2, К-18-22, К-18-42 (ГОСТ 568—66) и ряд других. /Методом горячего прессования получают различные изделия в прессформах с предварительным подогревом материала и без него при тем­ пературах 155—200° С. Введение различных наполнителей дает возможность получать пластические массы с улучшенными механическими, электроизоля­ ционными, жаростойкими, влагостойкими и другими свойствами. Особую группу фенольных пластиков представляют волокниты — пресс-материалы, изготовленные из различных волокнистых на­ полнителей (хлопчатобумажной целлюлозы, асбестового кварцевого волокна и стекловолокна, пропитанных водными эмульсиями или ра­ створами термореактивных смол, с последующей сушкой). Вырабаты­ ваются следующие марки волокнитов: асбоволокнит К-6, К-Ф-3 и дру­ гие, стекловолокнит АГ-4 и пр. Перерабатываются эти материалы прессованием, отдельные марки получают пресс-литьем. Волокниты обладают высокими механическими свойствами. Кон­ струкционные детали, полученные из волокнита, — подшипники, буксы, кронштейны, накладки тормозных колодок и сцеплений — обладают высокой ударной прочностью. Асбестовый и хлопковый наполнители придают изделиям высокие антифрикционные свойства. Стеклопластики представляют собой композиции, в состав которых входят жидкие смолы или растворы твердых смол (фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфироакрилатные и кремнийорганические), отвердители, красители и стекловолокнистые наполнители. Стеклян­ ное волокно придает стеклопластикам высокую прочность, повышенную теплостойкость, малую гигроскопичность и т. д. Стеклотекстолиты — слоистые пластики, имеющие наполнителем стеклополотно трех типов плетения: полотняного, саржевого и диаго­ нального. Одним из первых стеклопластиков является СВАМ — стекловолокнистый пресс-материал (стеклофанера). Содержание свя­ зующего колеблется от 22 до 35%. Количество продольных и попереч­ ных слоев волокон в листах с перекрестной структурой может из­ меняться в пределах от 1 : 1 до 15 : 1. Пресс-материал АГ-4с представляет собой однонаправленную ленту, получаемую на оснозе крученых стеклянных нитей и анилинофенолоформальдегидной смолы. Изделия, полученные из этих материалов путем горячего прес­ сования, обладают высокой прочностью, сохраняют свои свойства в условиях тропического климата, их можно обрабатывать на метал­ лорежущих станках. Благодаря высокой удельной прочности, повышенной теплостой­ кости, стойкости к вибрационным нагрузкам стеклопластики широко применяются почти во всех отраслях народного хозяйства — в авиа­ ционной промышленности, ракетной технике, в конструкциях авто­ мобилей (кузова автомобилей, крыши, сиденья автобусов и вагонов и. т. п.), морских судов. Они находят применение в радио — и электро­ технике, при строительстве зданий (кровли, стеновые панели, витра- жн, облицовочный материал и т. п.), в нефтегазовой, химической и других отраслях промышленности. К другим видам слоистых пластиков относятся пластики, получа­ емые пропиткой рулонных или листовых материалов (бумаги, ткани, древесного шпона и др.) жидкими термореактивными смолами или их растворами. Высушенные листовые и рулонные материалы нарезат на заготов­ ки и укладывают в многослойные пакеты. Число слоев определяется в зависимости от заданной толщины готового опрессованного листа. Пакеты помещают между стальными пластинами и прессуют. В про­ цессе горячего прессования при температуре 140—170°С и удельном давлении 80—120 кгс/см2 происходит полимеризация смолы. Таким образом получают: текстолит, стеклотекстолит, асботекстолит, гетинакс, декоративный слоистый пластик, древеснослоистый пластик и листовой винилопласт. Текстолит обладает хорошими антифрикционными свойствами, применяется для изготовления подшипников жидкостного трения, шестерен, втулок, упорных шайб распределительных валов и элект­ ротехнических деталей. Асботекстолит изготавливают из фенолоформальдегидной смолы и асбестовой ткани. Он отличается механической прочностью, высокой теплостойкостью, повышенными фрикционными свойствами и поэтому используется для изготовления тормозных устройств и изделий, ра­ ботающих при повышенных температурах. Стеклотекстолит изготавливают из стеклоткани-Т, упрочненных стеклотканей, пропитанных модифицированной фенолоформальдегид­ ной смолой. Он обладает высокими физико-механическими свой­ ствами хорошей тепло- и влагостойкостью. Из стеклотекстолита изготовляют панели кузова, двери автомобиля и другие крупнога­ баритные детали. Древеснослоистые пластики изготавливают из тонких строганых листов дерева-шпона, пропитанных резольной смолой и прессуемых аналогично другим видам слоистых пластиков. Древеснослоистые пластики (ДСП) обладают высокими механическими свойствами и при­ меняются во многих областях промышленности, например при изготов­ лении подшипников скольжения, бесшумных шестерен и в узлах трения. Гетинакс получается пропиткой бумаги фенолокрезолоформальдегидными смолами или их смесями с последующим прессованием. Слоистые пластики нашли широкое применение в народном хо­ зяйстве, так как при небольшом удельном весе они обладают повышен­ ными механическими свойствами. Эпоксидные смолы содержат в своем составе такие соединения, в цепи которых имеется эпоксигруппа —С — С — \/ О Эпоксидные смолы получают при совместной поликонденсации хлоргидринов с многоатомными фенолами. Эпоксидные смолы до от­ верждения представляют собой вязкие медоподобные жидкости, хорошо растворимые в спиртах, эфирах, ацетоне, термопластичны. Отверждают эпоксидные смолы, добавляя амины или ангидриды неко­ торых кислот. При введении в эпоксидную смолу аминных отвердителей затверде­ вание происходит при комнатной температуре в течение 6—10 ч. Процесс отвердевания ускоряется с повышением температуры до 60— 80° С. При горячем затвердевании применяют ангидриды дикарбоновых кислот (фталевой и др.). Процесс происходит при температуре 320— 200°С, а время отверждения значительно сокращается (от 1 ч до 10 мин). При горячем отверждении механические свойства полимера выше, чем при холодном. Эпоксидные смолы в отличие от других полимерных материалов затвердевают без выделения побочных продуктов с минимальной усадкой (0,3—2%). Отвержденные смолы обладают хорошими физико­ механическими и диэлектрическими свойствами, легко поддаются обработке. Эпоксидные смолы используются как конструционный, электро­ изоляционный материал, так и как связующее при изготовлении стек­ лопластиков и пресс-композиций. Они применяются в качестве клеев холодного и горячего отверждения, а также используются для анти­ коррозийных и водостойких покрытий. Аминопласты получают конденсацией мочевины или меламина с формальдегидом. Изделия из карбоамидных полимеров тверды, неплавки и нераст­ воримы в топливах и маслах. Карбоамидные смолы бесцветны и лег­ ко окрашиваются в любые световые тона, светостойки и не выделяют токсичных веществ. Пресс-порошки, получаемые на основе мочевиноформальдегидной смолы, называют аминопластами, а на основе меламиноформальдегида — мелалитами. Мочевиномеламиноформальдегидные смолы при­ меняются для изготовления клеев, лаков, эмалей, пропиточных соста­ вов, пенопластов, которые используются как тепло- и звукоизоля­ ционный материал. Клеи на основе этих смол находят применение во многих областях промышленности. Технология переработки порошков аминопласта такая же, как для фенопласта. Полиэфирные смолы получают поликонденсацией многоатомных спиртов с много- или двухосновными кислотами и их ангидридами. Полиэфирные смолы делятся на ненасыщенные и насыщенные. Ненасыщенные полиэфирные смолы представляют собой растворы нена­ сыщенных полиэфиров молекулярного веса 700—3000 с линейной структурой строения. Ненасыщенные смолы способны к сополимеризации и при добавлении отвердителя могут переходить в твердые про­ дукты. Смолы этой группы обладают небольшой вязкостью, способностью к отверждению при комнатных температурах без выделения летучих продуктов, хорошими механическими и электроизоляционными свой­ ствами. В твердом состоянии ненасыщенные смолы имеют высокую стойкость к действию воды, кислот, бензина масел и других сред. Ненасыщенные полиэфирные смолы применяют как связующие при холодном и горячем отверждении, при изготовлении армированных пластиков, стеклопластиков, пластобетонов, лаков. Большая часть полиэфирных смол, выпускаемых промышлен­ ностью, содержит в своем составе стирол в качестве мономера раство­ рителя, участвующего в реакции отверждения. Насыщенная по­ лиэфирная смола, полученная из эфиров этиленгликоля и терефталевой кислоты, называется лавсаном. Из лавсана изготовляют волокна и пленки. Особое место занимают насыщенные полиэфирные смолы — глифталевые и другие, идущие на приготовление лаков и содержание до 95% пленкообразующих веществ. Нанесением одного слоя полиэфир­ ного лака можно получить покрытие толщиной 200—300 мкм. Аналогичная толщина пленки при использовании нитролаков до­ стигается за шесть-восемь покрытий. Полиэфирные пленки обладают хорошей адгезией к большинству материалов, блеском и прозрачностью. Пленки стойки к действию воды и органических растворителей. Промышленностью вырабатываются следующие смолы: общего на­ значения— ПН-1, ПН-2; повышенной теплостойкости — ЗСП-2; по­ ниженной горючести — ПН-1C, ПН-6; светопроницаемых стеклоплас­ тиков — ПНМ-2; водо- и кислотостойкие — ПН-10, ЗСП-6. Кремнийорганические смолы получают поликонденсацией органохлорсиликонов. Эти смолы в стадии резола в зависимости от молеку­ лярного веса могут быть жидкими или высоковязкими веществами, растворимыми в углеводородах и смеси бензола со скипидаром. При нагревании до 250—260° С смолы переходят в стадию резита. Для кремнийорганических пластмасс применяют те же наполнители, что и для других термореактивных смол: порошкообразные, волокнистые и тканевые. Кремнийорганические смолы используют для пропитки материала с целью повышения водоотталкивающих свойств, термостойкости и других показателей. Пенопласты Газонаполненные пластмассы можно получать из большого числа полимеров. Пенопласты отличаются от монолитных пластических масс легкостью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Газонаполненные пластмассы делятся на две группы: материалы с закрытыми, не сообщающимися друг с другом ячейками — пено­ пласты, и материалы с сообщающимися между собой ячейками — поро­ пласты. Наибольшее распространение получили газонаполненные материа­ лы на основе полистирола, поливинилхлорида, феноло- и мочевиноформальдегидных смол, полиуретанов. 256 Для вспенивания полимеров используют воздух, азот, газы, вы­ деляющиеся при отверждении пластмасс или при разложении специаль­ но добавленных газообразователей (порофоров). Вспененные пластмассы на основе мочевиноформальдегидных смол называют мипорой. Вспенивание этих смол производится воздухом в присутствии добавок, повышающих устойчивость пены. Сушку и от­ верждение полученной пены проводят при комнатной или несколько повышенной температуре. Мипора представляет собой жесткий пеноматериал белого цвета открытой ячеистой структуры с низкими зна­ чениями кажущейся плотности (от 12 кг/м3 и ниже), вследствие чего этот материал имеет низкий коэффициент теплопроводности 0,022—0,026 ккал/м-г-град. Мипора выпускается двух марок: М и Н. Мипора М служит тепло­ изоляционным материалом общего назначения, мипора Н обладает пониженной горючестью и применяется для теплоизоляции кислород­ ных установок, сосудов для хранения и перевозки жидкого кислорода, холодильных камер и вагонов. Пенополистирол и пенополихлорвинил получают вспениванием со­ ответствующих расплавленных термопластов. Процесс изготовления пенопласта состоит из смешения полисти­ рола с газообразователем (углекислым аммонием, бикарбонатом нат­ рия и т. п.) в шаровой мельнице и прессования порошкообразной массы на гидравлических прессах при температуре 140—176° С и давлении 100—150 кгс/сы2. § 2. Л А К О К Р А С О Ч Н Ы Е М А Т Е Р И А Л Ы Назначение лакокрасочных покрытий—создавать надежную дол­ госрочную защиту изделия от воздействия окружающей среды и придавать красивый внешний вид готовым изделиям. В процессе эксплуатации автомобилей лакокрасочные покрытия теряют свои качества. Верхний слой покрытия тускнеет, теряет свой первоначаль­ ный цвет. Появляются царапины, трещины и другие повреждения, требующие восстановления покрытия. Для поддержания хорошего внешнего вида автомобиля необходим постоянный уход, а также час­ тичная или полная замена лакокрасочного покрытия. Как правило, покрытия делают многослойными, состоящими из грунтовочного слоя, шпаклевок и красочных слоев. В процессе выполнения малярных работ из перечисленных материалов создают единую лакокрасочную компо­ зицию. Лакокрасочные материалы делят на основные и вспомогательные. К основным относят грунты, шпаклевки, лаки и краски. К вспомога­ тельным — жидкости для подготовки поверхности к окраске и для ухода за лакокрасочными покрытиями. Состав лакокрасочных материалов Основными связующими компонентами лакокрасочных материалов являются пленкообразователи. Они бывают жидкие, твердые и комби­ нированные. 257 Наиболее распространенным жидким пленкообразователем яв­ ляются олифы. Все олифы делят на три группы: натуральные, полу­ натуральные и синтетические. Натуральные олифы изготовляют путем обработки некоторых рас­ тительных масел при температуре 280—300° С и добавления от 0,1 до 2,5% сиккативов. Температурная обработка масла и введение сиккатива ускоряют отверждение пленок при нанесении краски на поверхность в 5—6 раз по сравнению с сырым маслом. Уплотненные или полунатуральные олифы — продукт уплотне­ ния растительных масел, образующийся при продувании воздуха через масло, подогретое до температуры 100—150° С. Олифа, полученная в результате такой обработки, называется оксидированной. Олифу, полученную полимеризацией и уплотнением растительных масел при нагревании в автоклавах до температуры 280—300° С, называют по­ лимеризированной. Представителем синтетических олиф является глифталевая олифа, состоящая из смеси глифталевых смол и уплотненных растительных масел. Такая олифа является наиболее полноценным заменителем на­ туральной олифы. Твердыми пленкообразователями являются естественные и синте­ тические смолы. К естественным смолам относят канифоль, шеллак, асфальт и др. Эти смолы применяют в растворе уайт-спирита, сольвен­ та, ксилола и т. д. К синтетическим твердым пленкообразователям относят те высоко­ молекулярные полимерные соединения, которые описаны в первом па­ раграфе данной главы. Лаки и эмали Растворы твердых пленкообразователей в растворителях называют лаками. Лаки широко применяются как в качестве самостоятельного материала, так и в составе различных красок, грунтов и шпаклевок. Суспензию твердого красящего вещества (пигмента) в лаке называют эмалью или эмалевой краской. В состав эмалей могут также входить пластификаторы, сиккативы и разбавители. Нитроэмали. Представляют собой растворы нитроцеллюлозы с до­ бавкой пластификаторов, смол и красящих пигментов. В качестве растворителей используют смеси бутилацетата, этилацетата, бутилового и этилового спиртов, толуола. Эти смеси в зависи­ мости от состава маркируют различными номерами (растворители 646, 647, 648 и др.). Способность нитроэмалей быстро высыхать на воздухе и давать после шлифования и полирования ровную, красивую, блестя­ щую пленку является их основным положительным качеством. Однако нитроэмали обладают рядом существенных недостатков. К ним отно­ сят: склонность к растрескиванию пленки в процессе эксплуатации автомобилей вследствие недостаточной механической прочности, по­ ниженную адгезионную способность, легкую воспламеняемость. Кроме 268 того, они требуют трудоемких шлифовальных и полировочных работ при покрытии. Нитроэмали наносят обязательно на предварительно загрунто­ ванные поверхности, так как пленки их плохо сцепляются с металлом и без применения грунта они газо- и водопроницаемы. Нитроэмаль наносят на поверхность при помощи распылителя в че­ тыре—шесть слоев. Необходимость многослойности нитроэмалевого покрытия вызывается тем, что эмаль в своем составе содержит большое количество летучих растворителей и очень мало сухого пленкооб­ разующего вещества. Поэтому пленка одного слоя очень тонка (8— 10 мкм). Глифталевые эмали. В состав этих эмалей входит глифталевая смо­ ла, содержащая до 50% высыхающих масел, которые повышают меха­ нические свойства и эластичность покрытия. В качестве растворителей и разбавителей применяют сольвент, ксилол, толуол и их смеси с уайтспиритом. Количество растворителя в эмалях не должно превышать 30%, так как при большем количестве растворителя может произойти выпадение смолы из эмалей. При комнатной температуре процесс пленкообразования у глифталевых эмалей происходит в течение 30—40 ч. Однако полностью про­ цесс не заканчивается и такая пленка легко разрушается. Для устра­ нения этого недостатка применяют сушку в течение 1 ч при температуре 100—110° С. После высыхания эмалей образуется прочная пленка, обладающая хорошей глянцевой поверхностью и устойчивостью к воздействию ат­ мосферы. Меламиноалкидные эмали получают растворением алкидной (глифталевой) и меламиноформальдегидной смолы в органических раство­ рителях с добавлением различных пигментов. Меламиноалкидные эмали дают покрытия с высоким устойчивым блеском без применения трудоемкой полировки пленки. Они обладают высокой твердостью водо- и атмосферостойкостью даже в условиях тро­ пического климата. Покрытия из этих эмалей устойчивы к действию бензина и минерального масла. В нашей стране производят и применяют эмали на основе фенолоформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол, алкидностирольной смолы и других соединений (табл. 80). Масляные краски представляют собой одну из разновидностей ок­ расочных материалов. В состав красок входят сухие пигменты и напол­ нители, перетертые с натуральной или синтетической олифой в краско­ терочных машинах. На месте потребления густотертые масляные крас­ ки доводят до малярной вязкости растворителями — олифой, бензином. Для ускорения процесса сушки в них вводят сиккатив. Сушка красок при комнатной температуре «от пыли» — 10, а полное высыхание — до 24—48 ч. Наносят краски на окрашиваемую поверхность вручную кистью. Такой способ окраски и продолжительное время высыхания весьма ограничивают их применение при окраске автомобилей, дорож­ ных машин и другой техники. 259 Т а б л и ц а 80 Применение эмалей и лаков Объект окрашивания Кабина, оперение и капот грузового автомобиля Кузов, оперение и капот легкового автомобиля Внутренние и наружные поверхности автобуса Шасси, рама и трансмиссия автомо­ биля Двигатель Наименование применяемых эмалей и лаков Нитроэмали, 507, 508, 907, 230, 908. Нитроглифталевые эмали 517, 518, 519 и др. Нитропентафталевая эмаль НПФ-10. Нитроэпоксидные эмали ЭП-191. Эмали глифталевые эмульси­ онные. Эмаль МЧ-139, ХВ-113 Нитроэмаль 511, НЦ-11. Эмали глифта­ левые. Меламино-алкидная эмаль МЛ-12 Нитроэмаль НЦ-25. Пентафталевые эма­ ли ПФ-115 Нитроэмаль 660. Эмаль 124, 1433, НЦ-262, МС-17, БТ-539. Мочевиноалкидная эмаль МЧ-123, МЧ-139. Лаки БТ-577 и 123 Нитроглифталевая эмаль НЦ-273 Грунты и шпаклевки Нанесение первого слоя лакокрасочного покрытия на окрашивае­ мую поверхность металла, дерева и т. д. называют грунтованием. Грунты должны обладать хорошей адгезией. Под адгезией понимают прочность сцепления наносимого вещества с металлом и следующим слоем покрытия. Для улучшения адгезионных свойств в состав грунтов добавляют поверхностно-активные вещества. Кроме того, прочность сцепления лакокрасочного покрытия зависит от хорошего смачивания поверхности и сплошности самого покрытия. Для достижения хорошей смачиваемости поверхности необходимо при нанесении первых слоев покрытия снижать вязкость лакокрасочного материала, а для проч­ ности покрытия добиваться полного отверждения грунта перед нане­ сением последующих слоев. Грунт представляет собой суспензию пигментов и наполнителей в лаках. В состав грунтов входит связующее — это масляные лаки, олифы или лаки, приготовленные на синтетических смолах (глифталевый, пентофталевый, нитролаки). В качестве пигментов применяют: железный сурик, цинковые и свин­ цовые белила, охру жженую и др. Наполнителями служат тальк, мел и пр. Пигменты и наполнители грунтов должны быть мелкодисперсны­ ми для того, чтобы проникать во все мелкие поры поверхности. Для придания грунтам молярной вязкости в них вводят растворители. Каж­ дому типу грунтов соответствует свой растворитель. Например, фенолоформальдегидный грунт разбавляют ксилолом или сольвентом камен­ ноугольным, а глифталевый — уайт-спиритом. Для ускорения сушки грунта применяют добавки, называемые сиккативами. Сиккативы пред­ ставляют собой свинцовые, марганцевые и другие мыла жирных или нафтеновых кислот. 260 Они ускоряют окислительную полимеризацию связующего материа­ ла. Основным видом грунта для большинства автомобилей является грунт ГФ-020. Для выравнивания наружной поверхности покрытия, заделки ри­ сок и царапин применяют шпаклевки. В состав шпаклевки входят те же пигменты и наполнители, что и для красок, но в значительно боль­ ших количествах. В качестве связующего применяют нитролаковые, алкидностирольные и эпоксидные смолы. Шпаклевка представляет со­ бой густую пасту, не обладающую эластичными свойствами. Поэтому во избежание ее растрескивания общая толщина всех шпаклевочных слоев не должна превышать 2 мм. Для автомобилей применяют шпа­ клевки ПФ-002, КФ-00-3, МС-00-6, НЦ-00-7 и др. Основные свойства лакокрасочных материалов Вязкость лакокрасочного материала имеет определяющее значение при нанесении его на поверхность как ручным, так и механическим спо­ собом. Определение условной вязкости лакокрасочных материалов предусматривается ГОСТ 8420—57. Условной вязкостью лакокрасоч­ ных материалов называют время истечения в секундах 100 мл жидкости через калиброванное сопло вискозиметра ВЗ-5 при температуре 20° С. Вязкость лакокрасочных материалов изменяют в пределах 12—50 с в зависимости от метода нанесения покрытия. Твердость пленки определяется по ГОСТ 5233—67 как отношение времен затухания колебаний идентичных маятников, установленных на окрашенной поверхности стеклянной пластинки и на чистой стеклян­ ной поверхности. Чем больше этот показатель, тем тверже покрытие. Прочность на удар красочной пленки определяется по ГОСТ 4765— 59 на лабораторном копре, у которого масса бойка маятника равна 1 кг, а высота его отклонения — 1 м. Между направляющими копра закреп­ ляют жесткую пластину, покрытую лакокрасочным материалом. Мак­ симальная высота отклонения груза, не вызывающая разрушения по­ крытия при ударе по нему бойком, характеризует прочность пленки на удар. Эластичность красочной пленки испытывают по ГОСТ 6806—53 путем изгибания металлических ленточек с нанесенным покрытием вокруг стержней различного диаметра. Эластичность покрытия выра­ жают минимальной величиной диаметра стержня (мм), при изгибании вокруг которого покрытие еще не разрушается. Розлив — это способность лакокрасочных материалов, наносимых на поверхность, утрачивать под влиянием поверхностного натяжения штрихи, образовавшиеся от кисти, или ряби при нанесении слоя краскораспылителем. Метод определения розлива заключается в оп­ ределении времени, в течение которого исчезают неровности с окраши­ ваемой поверхности. Укрывистость — способность лакокрасочного материала при на­ несении его возможно тонким равномерным слоем делать невидимым цвет закрашиваемой поверхности другой расцветки. Ее оценивают по ГОСТ 8784—58. Укрывистость выражают в граммах на квадратный метр (г/м2), чем лучше укрывистость, тем меньше расход материала. 261 Время высыхания подразделяют на «высыхание от пыли» и полное высыхание. Время «высыхания от пыли» представляет собой время, необходимое для образования тончайшей пленки по всей окрашенной поверхности. Наступление этого момента определяют возможностью сдувания ваты с окрашенной поверхности. Полное высыхание насту­ пает тогда, когда материал полностью отвердеет, о чем свидетельствует отсутствие отпечатков на поверхности при приложении давления в 0,2 кгс/см2. Кроме перечисленных свойств, покрытия должны обладать доста­ точной светостойкостью (способность сохранять свой цвет под дейст­ вием освещения) и атмосферостойкостью (способность противостоять действию влаги и колебаниям температуры). Основные свойства некоторых эмалей приведены в табл. 81. Таблица 81 Характеристика меламиноалкидных и мочевинных эмалей Показатель Меламиноал- Мел аминоалкид- Мочевиноалкидная эмаль ная эмаль ИЛ-729 кидная эмаль МЛ-12 М Ч-139 Коричневый Цвет: Разный Рабочая вязкость по ВЗ-4, Ст: для распиливания 30—34 20—22 — » окунания и об16—18 ливания Разбавитель (раствори- № 651, соль- Разбавитель тель), его количество, вент смесь РКБ-1, смесь % веса ксилола и ксилола и бууайт-спири­ тилового спирта та (1:1); (1:1); 10-20% 10—20% 45 Укрывистость, г/м2, не 35—100 более Прочность при: изгибе, мм, не более 3 3 ударе, кг-см, не ме40 40 нее 0,45 0,4—0,5 Твердость, не менее Требуемый грунт ГФ-020, МЛ-029 ФЛ-ОЗк Режим сушки: температура, °Cj первый слой второй » продолжительность, мин: первый слой второй » Назначение 262 8—20 120-130 5—7 1,0 Окрашивание кузовов, оперения, капотов легновых автомобилен и автобусов 18—20 130—140 Мочевиноалккдпая эмаль М Ч-123 Разный Черный 28—36 20—25 25—30 20—25 Сольвент, ксилол, № 651; 12-15% Сольвент, ксилол, № 651; 12—15% 40 35 3 40 1 40 0,5 ГФ-018-2, ФГ-013, ФЛ-ОЗк ГФ-020, БТ-180 | 140 0,5 J 0,5—1,0 1,0 Окрашивание Окрашивав один слой ние кабин, внутренних по- оперения,каверхностей та- потов грузоры для нефте- вых автомопродуктов билей — 100—120 140—150 0,5 0,25 Окрашивание рам, шасси и других частей грузовых автомобилей Вспомогательные материалы Смывки предназначаются для удаления старых лакокрасочных покрытий. Они растворяют обратимые пленки и вызывают набухание необратимых. Смывки и растворители, удаляющие старую краску с кузова авто­ мобиля, могут снимать нанесенное покрытие до грунтовочно-шпак­ левочных слоев. Смывка обыкновенная — смесь органических растворителей: аце­ тона — 47, этилового спирта — 6, бензола — 8, этилацетата — 19, скипидара — 7, нафталина — 10,8 и парафина — 2,2%. Для разру­ шения нитроэмалевого покрытия требуется 10—20 мин, для других эмалей — 2—3 ч. Перед употреблением смывку подогревают в водя­ ной бане до температуры 30—40° С, так как на холоде происходит вы­ падение парафина. Смывка АФТ-1 состоит из колоксилина — 5, парафина — 0,5, аце­ тона — 19, формальдегида — 47,5, толуола — 28%. Эта смывка более эффективна, ее действие наступает через 20 мин. Составы для удаления ржавчины. Перед нанесением грунта на металлическую поверхность необходимо удалить ржавчину и окалину. Состав № 1120 содержит: ортофосфорной кислоты — 74, этилового — 20, бутилового спирта — 5 и гидрохинона 1% как антиокислительные добавки. Ортофосфорная кислота растворяет ржавчину и образует на по­ верхности фосфорную пленку. Моющий состав можно наносить кистью или краскораспылителем. Налет ржавчины растворяется в течение 2 мин, после чего состав смывают водой, сушат и обрабатывают нейт­ рализующим составом № 107 — водным раствором этилового спирта с аммиаком. Все более широкое распространение получают так называемые преобразователи ржавчины. Они предназначены для подготовки прокорродировавших поверхностей коррозии. Действие их основано на превращении гидроокисей и окислов железа в безвредный или даже за­ щитный слой нерастворимых комплексных соединений железа. Преобразователи ржавчины применяют как самостоятельно, так и в составе грунтов. Такие грунты-преобразователи обеспечивают од­ новременно удаление продуктов коррозии и грунтование поверхности. Промышленность вырабатывает преобразователи ржавчины П-1Т и П-2, в состав которых входят танин, фосфорная кислота и другие добавки. Весьма эффективен грунт-преобразователь В-1ГП, в состав кото­ рого входят поливинилацетатная эмульсия, фосфорная кислота, жел­ тая кровяная соль и другие добавки. Следует отметить, что преобразователи ржавчины не удаляют с по­ верхности металла старые лакокрасочные покрытия. Составы для обезжиривания. Для обезжиривания поверхности при­ меняют органические растворители: уайт-спирит, бензин-растворитель (БР-1) и щелочные препараты, которые омыляют жиры, растворимые в воде. Жировые пленки лучше снимать составами, в которых нахо­ 263 дятся поверхностно-активные вещества. Например, применяют сле­ дующий состав, г/л: Каустик (едкий натр) . . ...............................................0,8—1,5 Сода кальцинированная ................................................... 6—12 Тринатринфосфат : : ..........................................15—25 Жидкое стекло : : ............................................................. 0,8—1,5 В некоторые составы для улучшения действия смывки вводят эмуль­ гатор ОП-7 или жидкое мыло. Признаком удаления жира с поверх­ ности является хорошая ее смачиваемость водой. Вода не должна со­ бираться на ней каплями. Полирующие составы. Для восстановления блеска покрытия реко­ мендуют периодически применять полирующие составы: полировочную воду № 1, воскополировочную пасту № 2, жидкий восковой состав № 3, полировочную пасту № 290, 617 и др. Полирующие составы или пасты состоят из смеси тонких абразивов, масел, воска, хозяйственного мыла, воды и растворителя. Абразивные составляющие пасты служат в качестве шлифующего и полирующего, а воск в качестве заполняющего поры покрытия и сгла­ живающего микроскопические неровности материалов. Растворители, содержащиеся в небольшом количестве в полирующих составах, уда­ ляют остатки жировых пятен и других загрязнений. Перечисленными полирующими составами можно полировать по­ верхности, окрашенные нитро- и другими синтетическими эмалями. Полирующие составы наносят на хорошо промытую водой и тщательно^ протертую поверхность. Полировкой лакокрасочной пленки достигают не только хорошего глянца покрытия, но и частичного восстановления цвета, удаления омеления поверхности и царапин. Полировочная вода № 1 представляет собой смесь абразивной пасты (инфузорной земли) и воды с эмульсией. Эмульсия содержит касторо­ вое или вазелиновое масло. Полировочную воду применяют для ухода за лакокрасочным покрытием, находящимся в хорошем состоянии, для снятия незначительных загрязнений, не поддающихся удалению водой. Восковая полировочная паста № 2 состоит из воска, парафина, ке­ росина или скипидара и уайт-спирита. При отверждении пасты реко­ мендуется разбавлять ее уайт-спиритом или скипидаром в количестве 10—12% от веса пасты. Для этого банку с пастой подогревают в горя­ чей воде и в размягченную пасту добавляют растворитель. Затем пасту хорошо размешивают. Полировочную пасту № 2 применяют как про­ филактический состав для сохранения лакокрасочного покрытия. Паста, нанесенная на лакокрасочное покрытие, образует защитный слой, предохраняющий от атмосферных воздействий. Жидкий восковой полирующий состав № 3 представляет собой смесь окиси алюминия и восковой эмульсии. Состав № 3 следует при­ менять 1 раз в два-три месяца, когда на покрытии наблюдается потеря блеска. Состав № 3 наносят тонким слоем тампоном из фланели и расти­ рают круговыми движениями на небольших участках. После высыха­ ния (6 мин) поверхность протирают сухой чистой фланелью до зер­ кального блеска. Поверхность, отполированную составом № 3, реко­ мендуется дополнительно полировать восковой пастой № 2. 264 Полировочная паста № 290 состоит из мелкодисперсной окиси алюминия, вазелинового и касторового масла, хозяйственного мыла и воды. Паста применяется, когда лакокрасочное покрытие становится матовым. Консервационные материалы. При консервации автомобилей сле­ дует применять защитные составы: смывающийся пигментированный состав Г1С-7, смывающийся непигментнрованный состав на основе ва­ зелина и церезина, пленочный состав ПС-40 желтого цвета, состав Л-1 коричневого цвета (предназначен для защиты хромированных дета­ лей), пленочные составы «Масплин» и др. Состав ПС-7 состоит из раствора лакового полимера бутилметакрилата в уайт-спирите с добавкой желтого железоокисного пигмента. Состав на поверхность наносят распылителем тонким слоем. Рабочая вязкость состава по вискозиметру ВЗ-4 при температу­ ре 18—20° С — 14—17 Ст. Состав ПС-7 разбавляют уайт-спиритом или смесью спирта и бензола в соотношении 1:1. Состав высыхает за 20— 30 мин. Пленка нанесенного состава имеет высокую твердость и слу­ жит хорошей защитой лакокрасочного покрытия от атмосферных воз­ действий, загрязнений и легких механических повреждений. При кон­ сервации пленка ПС-7 полностью сохраняется более шести лет. Защитный состав на основе вазелина и церезина состоит из следу­ ющих компонентов: вазелин—20, церезин — 8,5, уайт-спирит— 71,5%. Состав наносят распылением. Вязкость состава по вискозиметру ВЗ-4 при температуре 18—20°С— 16—19Ст. Высыхает состав за 20—30 мин при комнатной температуре, пленка его мягкая, но при нагревании до 70° С не стекает даже с вертикальной поверхности. Этот состав при­ меняют для защиты нитроцеллюлозных и меламиноалкидных покры­ тий, а также хромированных деталей. Пленочный защитный состав ПС-40 состоит из раствора хлорвиниловой смолы, желтого железо­ окисного пигмента с добавкой касторового масла. В качестве раствори­ теля применяют ксилол. Рабочая вязкость состава по вискозиметру ВЗ-4 при температуре 18—20° С— 65—70 Ст. Состав наносят в три слоя в холодном состоянии, а при подогреве в два слоя. Толщина пленки должна быть 100—120 мкм. Сушка каждого слоя 1 ч при температуре 15—23° С. Защитная пленка ПС-40 легко снимается с поверхности ку­ зова автомобиля путем ее подрезания. Она сохраняет свои свойства в течение одного года. Консервирующий состав Л-1 применяют для защиты хромированных деталей. Состав можно приготовить из стро­ ительного битума IV или V и 80% авиационного бензина Б-70. Нано­ сят состав тампоном в одном направлении. Противокоррозионные составы применяют для предохранения от коррозии и механического воздействия песка мелких камней днища кузова и внутренней поверхности крыльев. Противокоррозионный состав 4010 представляет бензиновый раствор натурального каучука, регенерированной резины, канифоли, сажи и каолина. Все более широкое применение находят пленочные защитные по­ крытия Масплин-1 и Масплин-2. В состав этих покрытий входит суль­ фонат кальция и в качестве пленкообразователя — алкидностирольная смола АСБ. 265 § 3 КЛЕИ Натуральные и синтетические клеи различают по прочности склеивания и универсальности. Синтетический клей имеет большое преимущество перед натуральным. В качестве клеев широко приме­ няют полимерные материалы и различные композиции, полученные на их основе. Клеи должны хорошо смачивать соединяемые поверхности, иметь хорошую прилипаемость (адгезию) к твердым поверхностям, механи­ ческую прочность (когезию), минимальную хрупкость и усадку при отверждении. Для изготовления клеев в большом количестве применяют термореактивные смолы: фенолоформальдегидные, эпоксидные, карбомидные, кремнийорганические. В состав клеев входят смолы, напол­ нители и отвердители, которые под воздействием температуры пере­ водят их в твердое и неплавкое состояние. Для снижения вязкости и растворения смол применяются органические растворители. К возможным недостаткам клеевых соединений следует отнести хрупкость, низкую термостойкость и значительную усадку, в резуль­ тате чего появляются разрывы, ослабляющие прочность шва. Для устранения этих нежелательных явлений в смолу вводят минеральные наполнители, которые повышают теплостойкость и уменьшают усадку клеевого соединения. Таким образом, подбирая смолу и различные добавки к ней, можно получить клеи, которые способны обеспечить прочные и эластичные соединения. Подготовка поверхностей к склеиванию такая же, как и перед покрытием автомобиля краской. Клей наносят на подготовленную поверхность пульверизатором или кистью. Кроме того, применяют клеевые пасты, которые наносят шпателем. Толщина клеевого шва должна находиться в пределах от 0,05 до 0,25 мм. При этих величинах из зазора между склеиваемыми поверхностями легче выдавливаются пузырьки воздуха и избыток клея. Для достижения максимальной прочности клеевого соединения клей необходимо наносить на поверх­ ность возможно тонким слоем ввиду того, что коэффициенты линей­ ного расширения материала и клея значительно различаются. Клеи могут быть горячего и холодного отверждения. При горячем отверждении взаимодействие между полимером, отвердителем и склеи­ ваемой поверхностью ускоряется, а также улучшается качество шва. Холодное отверждение клеевых композиций происходит без подогрева при комнатной температуре. Отвердитель необходимо вводить в клей перед его применением. Прочность шва при холодном отверждении будет ниже, чем на клею горячего отверждения. В зависимости от вида связующего в клеевой композиции отверждение может наступить в ре­ зультате как химических (полимеризация, пол иконденсация) так и фи­ зических (испарение растворителя) процессов. Качество клеевого шва определяется механическими испытаниями на разрыв или сдвиг. Ассортимент вырабатываемых марок клеев очень большой. Отли­ чительной их характеристикой является вид связующего (смолы), по которому происходит деление клеев: фенольные, эпоксидные, карбинольные, кремнийорганические и др. 266 Широкое применение нашли клеи на фенолоформальдегидных смолах, модифицированных различными ацеталями поливинилового спирта. К этой группе относятся клеи: БФ-2, БФ-4, БФ-6, ВС-ЮТ и ВС-350. Они способны создавать высокопрочные клеящие композиции. Клеи БФ-2 и БФ-4 применяются для склеивания металлов, пластмасс, стекла. Клей БФ-2 обладает более высокой термостойкостью (рабочая температура от —60 до +80° С) по сравнению с клеем БФ-4 (рабочая температура от —60 до +60° С). Отвержденные клеевые швы устой­ чивы против действия нефтепродуктов. Клеи ВС-ЮТ и ВС-350 относятся к теплостойким, применяются при наклеивании фрикционных накладок тормозных колодок и дисков сцеплений. Прочность клеевых соединений сохраняется в течение 1800 ч при температуре до 80° С, а при 200° С в течение 200 ч. Все эти клеи выпускают в виде готовых растворов отверждающихся при нагре­ вании до 140—180° С (табл. 82). Феноло-каучуковые клеи выпускаются следующих марок: ВК-32-200ВК-3, ВК-4, и ВК-32-2. В состав этих клеев входят фенольная смола и резиновые смеси, содержащие необходимые добавки. Компоненты смешиваются перед употреблением. Все эти клеи, кроме ВК-32-2, применяются для склеивания при нагревании металлов в силовых конструкциях. Клей ВК-32-2 применяется для наклеивания стекловолокнистой теплоизоля­ ции при обычной температуре. Соединения на фенолокаучуковых клеях хорошо выдерживают длительное воздействие температуры до 200° С. Соединения на клее ВК-32-2 устойчивы к действию нефтепродуктов. Эпоксидные клеи и пасты отличаются от всех клеев высокой проч­ ностью клеевого шва. Применяются они для склеивания различных ма­ териалов как однородных, так и разнородных. Соединения склеивае­ мых материалов могут быть получены при холодном и горячем отверж­ дении. В качестве отвердителя эпоксидных клеев холодного отвержде­ ния применяют гексаметилендиамин и полиэтиленполиамин. Эпоксид­ ные клеи готовят на месте потребления смешиванием смолы ЭД-6 (93,5%) и полиэтиленполиамина (6,5%). Приготовленный клей исполь­ зуется в течение 20—30 мин при температуре 20° С, после чего клей для дальнейшего использования становится малопригодным ввиду частичного отверждения. Полное отверждение наступает после 24 ч. Применяются эти клеи для склеивания металлов и неметаллических материалов в конструкциях несилового назначения. Для уменьшения усадки при отверждении в пасты вводят до 60% наполнителя: порошкообразных металлов, графита, талька, каолина и др. Наполнитель в смолу следует добавлять перед отвердителем. Ра­ бочая температура клеевых швов для холодного отверждения — от —60 до +100° С, горячего отверждения — от —60 до +120° С. При работе с эпоксидным клеем надо соблюдать меры предосторожности, так как его пары вызывают отравление и раздражение кожи. Клеи на основе кремнийорганических соединений обладают высо­ кой теплостойкостью. Их применяют при склеивании металлов, сте­ кол и других материалов. 267 Т а б л и ц а 82 Характеристика клеев Наименование и марка клеев ю о(О Состав (компоненты), весовые части Жизнеспособность клея Назначение ВИАМ-Б-З Фенолоформальдегидная смола — При 20° С —2,5 —4 ч 100; ацетон технический (или этиловый спирт) — 10; отвердитель— 12—20 БФ-2, БФ-4 Спиртовые растворы поливинилбу- При температуре не вы­ Склеивание металлов и сплавов, керамики, стек­ тираля и резольной фенолофорше 25°С — 6 месяцев ла, пластмасс, органического стекла, дерева, мальдегидной смолы кожи Клей—однокомпанентный, поставляется в готовом виде и допускает использование в ин­ тервале температур от —60 до -ф-60° С ВС-ЮТ Раствор смеси поливинилацеталя, Срок хранения в закры­ Склеивание деталей и конструкций из стали, алю­ алкоксисилана и фенолоформаль- той таре при комнат­ миния и его сплавов, никеля, цинка, стеклодегидной смолы в этиловом спир­ ной температуре—6 ме­ текстолитов на фенолоформальдегидных смолах, те и этилацетате сяцев керамики. Клей —однокомпонентный, постав­ ляется в готовом виде и допускает длительную работу в интервале температур от —60 до -f 150° С ВС-350 Раствор смеси поливинилаусталя 6 месяцев алкоксисилана и фенолоформальдегиднофурфурольной смеси в этиловом спирте и этилацетате Склеивание деталей и конструкций из стали, алю­ миния и его сплавов, пластмасс, керамики и др. Клей поставляется в готовом виде. Допу­ скается применение в интервале температур от —60 до ф350°С. При 350° С длительность работы не должна превышать 5 ч МПФ-1 Спиртовой раствор метилолполиамидной смолы и бакелитового лака Склеивание металлов, изделий из полиамидов с температурой плавления выше 200° С между собой и с металлами, а также пенопластов и стеклопластов с металлами. Клей поставляется в готовом виде. Допускается длительное исполь­ зование в интервале температур от —60 до + 60е С Клей 88-Н Раствор резиновой смеси № 31-Н 3 месяца с бутилфенолоформальдегидной смолой 101 в смеси с бензином, взятых в соотношении 2 s 1 Склеивание холодным способом вулканизирован­ ной резины на любой основе с металлом, ко­ жей, деревом, стеклом. Поставляется в готовом виде и может применяться в интервале темпе­ ратур от —40 до -ф-60° С и в атмосфере с от­ носительней влажностью 98% при температуре + 40° С Лейконат Раствор трифинилметантриизоционата в дихлорэтане Соединение методом горячей вулканизации невулканизированных резин из СКН, СКВ, СКС, найритового и других каучуков с изделиями из стали, дюралюминия или латуни. Клей по­ ставляется в готовом виде и допускает примеменение в интервале температур от —50 до ф100е С 1 год Склеивание пенопластов (на основе термореактив­ ных смол), текстолитов, фанеры и деревянных изделий. Клей готовится на месте, применяется в интервале температур от —60 до -f-60°C Клеевые соединения на кремнийорганических смолах выдержи­ вают длительное воздействие температур до 200—250° С и кратковре­ менно — до 300° С. Резиновые клеи изготовляются из натуральных и некоторых синте­ тических каучуков, растворенных в органических растворителях. Клеи предназначаются для приклеивания резин на любой основе к ме­ таллу, дереву, стеклу и для склеивания этих материалов между собой. § 4. РЕЗИНЫ, О Б И ВО ЧН Ы Е, У П Л О Т Н И Т Е Л Ь Н Ы Е И ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Резины широко применяют как конструкционный материал в раз­ личных отраслях промышленности. Они допускают значительные де­ формации, оставаясь при этом упругими и эластичными, имеют высо­ кую прочность (при разрыве до 400 кгс/см2), водостойкость, низкую газопроницаемость, малую электропроводность. Эти свойства позво­ лили резине занять особое место среди конструкционных материалов. Из нее изготовляют шины, трубки, ремни, шланги, прокладочные, изо­ ляционные, уплотнительные материалы. В конструкцию современного автомобиля входит свыше 500 наи­ менований различных деталей из резины. Важнейшим видом резиновых изделий являются шины. На их производство расходуют 65% всего вырабатываемого каучука. В состав резин входят: каучук, содержание которого колеблется от 5 до 98%, мягчители, наполнители, вулканизирующие агенты, уско­ рители вулканизации, противостарители, а также вещества, повыша­ ющие морозостойкость. Основным компонентом резины является к а у ч у к н а т у р а л ь ­ н ы й (НК) и с и н т е т и ч е с к и й (СК). Каучук натуральный по­ лучают из каучуконосных растений. Товарный НК содержит до 94% каучука. Натуральный каучук представляет собой высокомолекуляр­ ный углеводород с эмпирической формулой (С5Н8)„. Углеводород по­ строен из многих изопреновых единиц, соединенных между собой в ли­ нейную структуру СН3 — СН2—СН = С—СН2— . Средний молекулярный вес — 150 000 — 500 000. Строением и мо­ лекулярным весом определяются физико-механические свойства НК. Удельный вес каучука — от 0,915 до 0,930 г/см3. Эластичные свойства каучука ограничиваются температурным ин­ тервалом. При минус 70° С каучук становится хрупким, а выше +80° С он начинает плавиться, превращаясь в смолоподобную массу, которая при охлаждении не приобретает свойств исходного вещества. Наличие двойных связей в молекуле НК обусловливает его способность реаги­ ровать с водородом, галогенами, серой, кислородом и другими вещест­ вами. Взаимодействие каучука с кислородом происходит при комнат­ 270 ной температуре и с течением времени приводит его к старению. При взаимодействии каучука с серой происходит вулканизация — перевод каучука в резину, которая приобретает более высокие технические свойства по сравнению с сырым НК. Натуральный каучук растворяется в углеводородах и не растворяется в воде, спирте и ацетоне. Натуральный каучук не может удовлетворить все возрастающие потребности в резине, поэтому промышленность вырабатывает боль­ шое количество синтетических каучуков. Синтетические каучуки получают из продуктов переработки неф­ ти. Все виды синтетических каучуков (СК) представляют собой высоко­ молекулярные органические соединения цепного строения, получа­ ющиеся в результате полимеризации мономеров-каучукогенов (соеди­ нений, содержащих ненасыщенные связи), и полимеры, описанные вы­ ше. При получении СК в качестве мономеров применяют бутадиен, хлорпрен, изопрен, изобутилен и другие газообразные углеводороды. В промышленном масштабе выпускаются каучуки общего и спе­ циального назначения. К первым относятся СКВ — бутадиеновый, СКС — бутадиенстирольный, СКИ — изопреновый; ко вторым СКН— бутадиеннитрильный, хлорпреновый (найрит), БК — бутилкаучук и др. СКВ — бутадиеновые каучуки получают полимеризацией бутадие­ на СН3 = СН — СН = СИ2 в присутствии катализатора — металли­ ческого натрия ( —СН2—СН = СН—СН2— )т —(СН2— СН — )„ СН II сн 2 Натрийбутадиеновый каучук представляет собой полимер с нере­ гулярным, беспорядочным чередованием звеньев, что является отли­ чительной чертой по сравнению с НК. Резина из каучука СКВ в отличие от натурального каучука и неко­ торых видов синтетических каучуков обладает невысокими физико­ механическими показателями (предел прочности при разрыве — 18 — 22 кгс/см2 и относительное удлинение— 550—600%) и низкой износои морозостойкостью. Это объясняется неоднородностью молекуляр­ ной цепи и меньшим количеством двойных связей по сравнению с НК. Плотность таких каучуков — 0,90—0,92 г/см3, молекулярный вес ко­ леблется в пределах от 80 000 до 200 000. СКВ легко растворяется в бензине, бензоле, хлороформе и других растворителях, но клеящая способность этих растворов низкая. Поэтому при сборке деталей рези­ новых изделий из натрийбутадиенового каучука применяют клей из натурального или изопренового каучука. Каучук СКВ широко при­ менялся в автомобильной промышленности для изготовления шин н резиновых технических изделий. Ввиду недостаточно хороших элас­ тических и прочностных свойств он вытесняется более современными марками СК. 271 Бутадиенстирольный каучук СКС представляет собой продукт сополимеризации бутадиена (СН2 = СН — СН = СН2) и стирола (С„Н5 — СН = СН2). Структурная формула бутадиенстирольного каучука имеет следующий вид: ( — СН2—СН = СН — СН2— )т —(—С Н ,—СН — )„. Товарный каучук СКС выпускается в рулонах и брикетах. Про­ текторы шин из бутадиенстирольного каучука по износостойкости не­ сколько превосходят НК (в летних условиях). Морозостойкость это­ го каучука зависит от количества связанного стирола. Каучуки, со­ держащие 8—10% связанного стирола, более морозостойки, чем НК. По водостойкости и газопроницаемости вулканизаты из бутадиен­ стирольного каучука равноценны вулканизатам из НК. Саженапол­ ненные вулканизаты из СКС химически стойки, набухают в бензине, бензоле, толуоле и других подобных растворителях, а также в мине­ ральных и растительных маслах. Каучуки специального назначения СКН представляют собой ли­ нейные сополимеры бутадиена с нитрилом акриловой кислоты ( —СН2—СН = СН — СН2— )т —( —СН2—СН — )п. I CN Особенностью этих каучуков является маслобензостойкость в со­ четании с хорошими физико-механическими свойствами. Бутадиеннитрильные каучуки применяют для изготовления всевозможных про­ кладок, сальников, манжет, колец различного сечения и других дета­ лей, работающих в контакте с маслом. СКН обладают высокой тепло­ стойкостью и стойкостью к испарению, имеют меньшую морозостой­ кость, чем резины из НК или СКВ. Хлорпреновый каучук получают полимеризацией хлорпрена и на­ зывают наиритом. Наирит по пределу прочности при разрыве, со­ противлению и эластичности несколько уступает НК и значительно пре­ восходит бутадиенстирольные и бутадиеннитрильные каучуки. Из хлорпреновых каучуков изготовляют изделия, от которых тре­ буется высокое сопротивление маслам, нагару, истиранию. Они нашли широкое применение в изделиях, когда существенно важное значение имеет негорючесть и стойкость к действию озона. Из него получают кли­ новидные ремни, которые имеют срок службы в 5—6 раз больше, чем ремни из НК и СКС. Высокая плотность (1,25 г/см3) хлорпренового кау­ чука препятствует его применению в шинах, так как утяжеляет их вес. Изопреновый каучук СКИ имеет ту же молекулярную структуру, что и натуральный каучук. Его используют в качестве заменителя натурального каучука. 272 Па основе ТОО-процентного каучука СКИ-3 для всех типов шин из­ готовляют брекерные резины, а также он входит в состав камерных и протекторных смесей в комбинации с СКС и каучуком СКД. Резины из силоксановых каучуков могут работать при температуре от —50 до +200° С. В автомобильной промышленности силоксановые резины применяют для изготовления чехлов свечей зажигания, прокла­ док, а также уплотнений в коробках передач, в гидравлических муф­ тах и других узлах. Ассортимент силиконовых каучуков сравнительно большой, что позволяет получать резины с различными физико-хими­ ческими и механическими свойствами. Вулканизация — процесс взаимодействия каучука с серой или другими химическими агентами, приводящий к превращению каучука в резину, обладающую лучшими физико-химическими и механически­ ми свойствами, чем невулканизированный каучук. Природа процесса вулканизации основана на взаимодействии атома серы по месту двой­ ных связей в молекуле каучука по схеме: ..—СН 2—СН = СН —СН 2—... —СН 2—СН —СН —СН 2—. 4-S .. — СН2—СН = СН — СН2— .. S —СН2—СН—СН — СН2—. I Если сера прореагирует лишь с частью двойных связей, то резина получается мягкой. Чем больше двойных связей вступают в реакцию с серой, тем тверже получается резина. Наилучшие физико-химические свойства резин получаются при содержании серы 5—8%; повышение содержания серы до 14—18% приводит к образованию вулканизата, обладающего меньшей проч­ ностью при растяжении. Если же повысить содержание серы до 30— 50%,то получается очень жесткий продукт,обладающий высокой проч­ ностью (предел прочности при растяжении — 520—540 кгс/см2). Вулканизат с большим содержанием серы известен под названием эбонита, или твердого каучука. При вулканизации резиновой смеси не вся сера вступает в химическое взаимодействие с каучуком. Сво­ бодная сера с течением времени самопроизвольно выделяется на по­ верхности резиновых изделий в виде серо-желтого порошка (выцве­ тание серы). Для получения резины, обладающей различными качествами, в кау­ чук вводят, кроме серы, еще ряд веществ, получивших общее название ингредиентов. Различные ингредиенты, добавляемые в каучук в раз­ личных количествах, придают резине определенные свойства. Н а п о л н и т е л и вводятся для увеличения объема каучука, что позволяет снизить его стоимость, причем некоторые наполнители улучшают качество продукции: увеличивается твердость, прочность, сопротивление на разрыв и истирание. В качестве наполнителя при получении резиновых шин применяют различные виды сажи, тальк, мел, окись цинка и т. д. 273 Актирные наполнители — усилители — применяют для повыше­ ния механических качеств вулканизатов, для увеличения сопротивле­ ния разрыву и истиранию. В резину, предназначенную для изготовле­ ния покрышек, автомобильных шин, вводится сажа в количестве 30— 60%. Одновременно она является и красящим веществом. Эффективное действие активных наполнителей особенно сильно сказывается на ре­ зинах, полученных на основе СКВ, СКС и СК.Н. Их прочность повы­ шается в 10—12 раз по сравнению с ненаполненным вулканизатом. У с к о р и т е л и в у л к а н и з а ц и и вводят для сокращения времени и снижения температуры вулканизации, повышения качества резины, увеличения производительности вулканизационной аппарату­ ры. Кроме того, они сокращают продолжительность ремонта повреж­ денного резино-технического изделия. Некоторые ускорители задер­ живают процесс старения резины. Наиболее широко применяют сле­ дующие ускорители: каптакс, тиурам, альтокс, дифенилгуандин и др. Ускорители добавляют в резиновые смеси в количестве 0,1—1,5%. С течением времени под влиянием света и тепла резина утрачивает эластичность и становится жесткой и хрупкой. На поверхности изделия появляются мелкие трещины. Это явление называют старением резины, которое объясняют окислением непредельных углеводородов каучу­ ков. В качестве а н т и о к и с л и т е л е й (противостарителей) для каучука применяют амины, фенолы, хиноны, смолы и другие соеди­ нения, которые существенно задерживают процессы старения. Анти­ окислители вводят в резиновую смесь в количестве от 0,1 до 1,0%. М я г ч и т е л и — или пластификаторы — парафин, вазелин, алеиновая кислота, смолы, воск и другие способствуют равномерному распределению порошкообразных ингредиентов в резиновой смеси, по­ вышают пластичность, а также улучшают технологичность производ­ ства изделий из резины. К р а с и т е л и предназначаются для придания резине различной краски. В качестве красителей используют окись цинка, литопон, окись титана, сажу, охру, зеленый крон, ультрамарин, анилиновые краски и т. д. Красители выполняют также функции усилителей (окись цинка, сажа). Обивочные материалы предназначены для отделки салона легковых автомобилей, автобусов и кабин грузовых автомобилей. Обивочные материалы придают комфортабельность, улучшают теп­ ло- и звукоизоляцию. Эти материалы должны хорошо мытья, не изме­ няя внешнего вида, не вытягиваться и не истираться в процессе эксплу­ атации. В качестве обивочных материалов применяют ткани, изготовленные из натуральных (растительных) и искусственных волокон, а также используют войлок, натуральные кожи и кожезаменители, смолы, на­ несенные на различные тканевые и бумажные полотна, и др. Наиболее широко применяют следующие натуральные ткани: парусину, обивоч­ ное сукно, вельветон, плюш, репс и др. Из синтетических материалов для отделки салона используют: нейлон, лавсан, капрон и др. Ассор­ тимент синтетических материалов непрерывно возрастает. 274 Обладая целым рядом преимуществ по сравнению с натуральными материалами (лучшие эксплуатационные свойства и дешевизна) син­ тетические материалы занимают основное место при производстве обой­ но-отделочных работ. Для обеспечения герметизации в местах соединений деталей друг с другом и не допущения утечки из этих соединений воды, масла, бен­ зина и газов применяют уплотнительные материалы. Уплотнительные материалы. Такие материалы должны обладать высокой прочностью, эластичностью, хорошо формоваться и не быть очень жесткими. Распространенным прокладочным материалом яв­ ляется бумага, обработанная химическими способами: пергамент, кар­ тон, фибра и др. Предельная рабочая температура этих материалов— не выше 150° С. Термостойким уплотнительным материалом является асбест, который встречается в природе в виде волокон и обладает вы­ сокой эластичностью, гибкостью и огнестойкостью. Предельная тем­ пература применения асбеста — не выше 350° С. Применяют асбест в качестве одного из компонентов прокладок для впускного и выпуск­ ного трубопроводов, головки цилиндров. Асбест как прокладочный материал применяют в сочетании с металлами, цементом, бакелитовой смолой, например феррадоткань из асбестового волокна и латунной проволоки. Применяют ее в качестве антифрикционного материала для дисков сцепления. Для уплотнений деталей, соприкасающихся с нефтепродуктами, применяют листовой материал наронит, полученный путем вальцева­ ния асбеста, вулканизированных каучуков и наполнителей. Клингерит — прокладочный листовой материал, в состав которого входит графит, сурик, каучук. Прокладки из клингерита выдерживают рабочую температуру до 180—200° С. Из пробковой крошки путем прессования получают листовой материал, из которого изготовляют прокладки для уплотнения деталей, работающих в среде нефтепродук­ тов при температуре 80—150° С. Эту прокладку применяют в крышке топливного бака, в крышке клапанной камеры, в отстойнике топлив­ ного насоса и др. Кроме того, в качестве уплотнительных материалов применяют мас­ тику-герметик. В состав мастики входят: графит, свинцовый сурик, белила, смолы и другие компоненты. Герметик применяют для уплот­ нения резьбовых и флянцевых соединений. При производстве и ремонте электрооборудования автомобилей используют электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы. Эти материалы должны выдер­ живать высокие напряжения, обладать достаточной прочностью, теп­ лостойкостью и не быть гигроскопичными. В качестве электроизоля­ ционных материалов используют бумаги, резины, целый ряд лаков, изготовленных на основе синтетических и натуральных смол, а также некоторые пластические массы. ТЕМАТИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ 1. А к с е н о в А. Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Транспорт», 1970. 256 с. 2. В е н ц е л ьС. В. Применение смазочных масел в автомобильных и трак­ торных двигателях. М., «Химия», 1969. 226 с. 3. Г у р е е в А. А. Применение автомобильных бензинов. М., «Химия», 1972. 346 с. 4. Зарубежные топлива, масла и присадки. М. «Химия», 1971. 327 с. Авт.: Виппер А. Б ., Гайснер Д. А., Лосиков Б. В., Рожков И. В. и др. 5. К и ч к и и Г. И., В и л е н к и н А. В. Масла для гидромеханических коробок передач. М., «Химия», 1969. 212 с. 6. К о л е с н и к П. А. Автомобильные эксплуатационные материалы. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Транспорт», 1972. 280 с. 7. К р ю ч к о в А. П. Общая технология синтетических каучуков. М., «Хи­ мии», 1969. 8. Л о с и к о в Б. В., П у ч к о в Н . Г., Э н г л и н Б. А. Основы приме­ нения нефтепродуктов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., Гостоптехиздат, 1959. 567 с. 9. М а с и н о М. А., А л е к с е е в В. Н., М о т о в и л пн Г. В. Автомобиль­ ные материалы. Справочник инженера-механика, М., «Транспорт», 1971. 296 с. 10. Моторные реактивные и ракетные топлива. Изд. 4-е, доп. и перераб. Под ред. д-ра техн. наук К- К. Папок и д-ра техн. наук Е. Г. Семенидо. М., Гостоптех­ издат, 1962. 741 с. 11. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение. Справочник. Под ред. Б. В. Лосикова, М., «Химия», 1966. 776 с. 12. С и н и ц и н В. В. Подбор и применение пластичных смазок. М., «Хи­ мия», 1969. 376 с. 13. Я к о в л е в А. Д. Технология изюювления изделий из пластмасс. Л., «Химия», 1972. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение................................................................................................................... 3 Г л а в а I. Производство автомобильных эксплуатационных материалов 5 § 1. Принципы переработки н еф ти .............................................................. 5 § 2. Очистка топлива и м а с е л ...................................................................... 14. § ;3. Топлива и масла из твердых горючих ископаем ы х........................18 Г л а в а II. Автомобильные бензины ............................................................... 19 § 1. Общие требования к топливу для карбюраторных двигателей . . 19 § 2. Испарение и смесеобразование................................................................. 20 § 3. Сгорание..........................................................................................................30 § 4. Антидетонационные свойства.....................................................................48 § 5. Фракционный состав.....................................................................................69 § 6. Химическая стабильность........................................................................... 82 § 7. Склонность к образованию отложенийв двигателях............................ 86 § 8. Коррозионная агрессивность................................................................. 95 § 9. Низкотемпературные свойства.................................................................100 § 10. Ассортимент бензинов...............................................................................103 Г л а в а III. Дизельные топлива......................................................................... 109 ;§,1. Общие требования к дизельному топливу.............................................109 § 2. Смесеобразование........................................................................................ПО | 3. С горание....................................................................................................... 118 § 4. Склонность к образованию отложенийв двигателях..........................125 § 5. Коррозионная агрессивность.................................................................... 129 § 6. Низкотемпературные свойства................................................................. 133 § 7. Ассортимент дизельных топлив............................................................... 135 Г л а в а IV. Газообразные т о п л и в а ................................................................ 138 § 1. Состав и свойства газообразных то п л и в ............................................. 138 § 2. Сжатые г а з ы .............................................................................................. 140 § 3. Сжиженные г а з ы .........................................................................................141 § 4. Особенности применения газообразныхтоп л и в.................................... 144 Г л а в а V. Масла для двигателей.................................................................... 145 § 1. Основные требования к качеству м а сл а............................................... 145 § 2. Основные сведения о трении и и зн осе................................................ 147 § 3. Вязкостные свойства..................................................................................150 § 4. Противоокислительные с в о й с т в а ........................................................... 157 § 5. Моющие свойства....................................................................................... 161 § 6. Противоизносные свойства.......................................................................163 § 7. Противокоррозионные свойства..............................................................166 § 8. Противопенные свойства........................................................................... 170 27 7 § 9. Стабильность и возможность смешения масел разных м а р о к ...........171 § 10. Старение масла в двигателях...............................................................172 § 11. Ассортимент масел для двигателей....................................................... 175 Г л а в а VI. Трансмиссионные м асла.................................................................. 189 § 1. Условия р аб о ты ............................................................................................189 § 2. Эксплуатационные свойства................................................................ . 192 § 3. Ассортимент трансмиссионных м асел .......................................................193 § 4. Масла для гидромеханических передач..................................................195 Г л а в а VII. Пластичные см азки ....................................................................... 196 § 1. Состав пластичных смазок и их производство................................197 § 2. Эксплуатационные свойства и методы их оценки............................... 201 § 3. Ассортимент пластичных см азо к ............................................................. 206 Г л а в а VIII. Технические жидкости............................................................... 212 § 1. Пусковые ж идкости....................................................................................212 § 2. Охлаждающие жидкости........................................................................... 216 § 3. Жидкости для гидравлических передач............................................... 223 Г л а в а IX. Особенности хранения и пути экономии автомобильных топлив, смазочных материалов и жидкостей...........................227 § 1. Изменение качества топлив, смазочных материалов и жидкостей при хранении, заправке и применении ............................................... 227 § 2. Пути экономии автомобильных эксплуатационныхматериалов . 236 § 3. Восстановление качества топлив и регенерации м асел .................... 239 Г л а в а X. Конструкционно-ремонтные материалы...................................... 242 § 1. Пластические м ассы ................................................................................... 242 § 2. Лакокрасочные материалы........................................................................257 § 3. К л е и ............................................................................................................... 266 § 4. Резины, обивочные, уплотнительные и изоляционные материалы 270 Тематический указатель литературы...................................................................276 Андрей Александрович Гуреев Раиса Яковлевна Иванова Николай Владимирович Щеголев АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Редактор Б. Б. Соловьев Техн. редактор Т. А. Гусева Корректор С. Н. Пафомова Обложка художника А. М. Азерского Сдано в набор 17/Х—73 г. Подписано в печать 22/ I I I —74 г. Бумага бОхЭО’/гв тип. № 1 Печ. л. 17,5 Уч. изд. л. 20,74 Тираж 30 000 Т-01677 Изд. № 1-1-1/14 № 4948 Зак. типогр. 541 Цена 96 коп. Изд-во «ТРАНСПОРТ», Москва, Басманный туп., 6а Московская типография № 4 Союзполнграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, И-41, Б. Переяславская ул., дом № 46 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗДАТЕЛЬСТВ, ПОЛИГРАФИИ И КНИЖНОЙ ТОРГОВЛИ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ТРАНСПОРТ» Им ею т ся в п р о д а ж е кни ги : БИЛИБИНА Н. Ф. Экономика автомобильного транспорта. (Практические расчеты). 1972. 151 стр. 51 к. ВАРШАВСКИЙ И. Л., МАЛОВ Р. В. Как обезвредить отрабо­ тавшие газы автомобиля. 1968. 128 стр. Ц. 36 коп. ЛАНДО С. Я. Ремонт автомобильных деталей из алюминиевых сплавов 1972. 39 стр. 14 к. Методические рекомендации по научной организации труда в автотранспортных предприятиях. 1969. 190 стр. (Гос. науч.-исслед. нн-т автомобильного транспорта. Ленинградский филиал. Госавтодорнии. КазНИПИАТ). Ц 57 коп. МИ ЛУШКИН А. А. Требования эксплутации к безопасности кон­ струкции грузовых автомобильных транспортных средств. 1972. 46 стр. (Гос. науч.-исслед. ин-т автомобильного транспорта). Ц. 11 коп. Эксплуатационно-технические свойства и применение автомобиль­ ных топлив, смазочных материалов и спецжидкостей. Сб. статей. Вып. 7. 1972. 205 стр. 74 коп. Технология второго технического обслуживания автомобилей ГАЗ-53А и ЗИЛ-130. 1973. 160 сгр. 54 к. П р о д а ж а производит ся отделениями издательства «Транспорт» при управлениях железных дорог, киоскерами, книгоношами на предприятиях, центральным магазином «Транспортная книга» (Москва). Заказать литературу мож­ но также в отделе книжной торговли издательства (103092. Москва, К-92, Сретенка, 27/29). П о ж е л а н и ю за к а зч и к о в к н и ги вы сы лаю т ся п о почте н а л о ж е нн ы м платежом.
