книги из ГПНТБ / Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник

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

вжидкое состояние при сжатии до любого высокого давления. При охлаждении до температуры ниже минус 82° С метан можно перевести

вжидкое 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

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

100ед.

Взависимости 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.

Вгруппу высококалорийных газов входят природные, нефтяные попутные и канализационные газы, а также метановая фракция кок­ сового газа, выделяемая на азотно-туковых заводах (табл. 42).

Ксреднекалорийным 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

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 ифильтр в редуктор идалее в дозатор и карбюратор-смеситель.

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*.

лонных автомобилей получили сжиженные газы. К сжиженным га­

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

142

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

Т а б л и ц а 43

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

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).

Кмаслу предъявляются также и некоторые другие требования,

втом 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

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

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;

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:

148

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.).

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 —ытилл, 2 —адсорбированный слой молекул

14)