Автомобильные эксплуатационные материалы. Рекомендации для подготовки студентов к экзамену, зачету. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

В. Б. ДЖЕРИХОВ

Автомобильные

эксплуатационные

материалы

Рекомендации для подготовки студентов к экзамену (зачету)

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2012

1

Введение

К эксплуатационным материалам, применяющимся в автомобильном транспорте, относятся топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Знания свойств этих материалов необходимы студентам как будущим инженерам автомобильного транспорта для успешной работы при эксплуатации и ремонте автомобилей.

Основной формой обучения студентов являются лекции, практические и лабораторные занятия, а также самостоятельное изучение материала на основе рекомендованной литературы. В период сессии предусмотрено выполнение лабораторных работ по определению качества эксплуатационных материалов в объеме учебного плана. Кроме этого, все студенты выполняют курсовую работу по оценке эксплуатационных свойств топлива, смазочных материалов и охлаждающей жидкости для предлагаемых им моделей автомобилей при различной температуре эксплуатации. Итогом изучения курса является экзамен, к которому студенты должны быть хорошо подготовлены.

Руководящими пособиями при изучении курса являются учебная программа дисциплины и рекомендованная литература.

Предлагаемые методические рекомендации для подготовки к экзамену отвечаютосновной задачекурса.Онислужатнаправляющим пособием, которое должно помочь студентам упрочить свои знания о существующих разновидностях эксплуатационных материалов, их сортах, марках, свойствах и назначениях.

Обычно при изучении материалов студенты должны увязывать теорию с практикой технической эксплуатации автомобилей. Студент должен ясно представлять характер влияния свойств материалов на работу механизмов и систем двигателей внутреннего сгорания, агрегатов трансмиссии, ходовой части и механизмов органов управления, а также влияние эксплуатационных материалов на надежность техники и на окружающую среду.

3

Важной задачей курса является его связь с другими дисциплинами учебного плана. При подготовке к экзамену студент должен четко уяснить характеристики топлив, смазочных материалов, технических жидкостей, оказывающих существенное влияние на правильную эксплуатацию автомобилей в различных погодных условиях, знать требования к качеству материалов в связи с дальнейшим развитием автомобильной техники, а также основные способы производства эксплуатационных материалов, связанные с развитием нефтеперерабатывающей промышленности, и тенденции использования и переработки нефти как углеводородного сырья для производства топлив, масел, смазок и синтетических продуктов.

4

Раздел I. ТОПЛИВА

Глава 1

Нефть – основной источник получения горюче-смазочных материалов. Основы производства топлив и масел

Нефть – это углеводородный природный продукт, сложный по своему химическому составу и структуре. Углеводороды, входящие в состав нефти, подразделяются на следующие группы (ряды):

а) алканы (парафиновые, жирные или альфатические соединения), т. е. соединения углерода и водорода, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной связью (предельные углеводороды), с общей формулой Сn H2n + 2;

б) цикланы (нафтены) – это циклические насыщенные углеводороды, в которых смежные атомы, соединяясь друг с другом одной валентной связью, образуют замкнутую структуру с общей форму-

лой CnH2n;

в) арены – это ароматические непредельные углеводороды, рассматриваемые как производные бензола с тремя одинарными связями, чередующимися с двойными, общая формула которых CnH2n − 6.

Кроме углеводородных соединений и веществ, нефть содержит серу, азот и кислород, называемые гетероатомными или неуглеводородными.

Содержание серы в нефти колеблется в широких пределах: от нескольких сотых и даже тысячных долей до 6…8 %. Сернистые соединения оказывают существенное влияние на качество нефтепродуктов.

Азот и кислород входят в состав нефти в меньших количествах, чем сера. Азот составляет 0,05…3,6 %.

5

Переработка сырой нефти начинается с первичной ее подготовки, котораявключаетобезвоживание,очисткуотмеханическихпримесей и солей. После этого нефть поступает в цех первичной переработки, которая осуществляется на установках прямой перегонки, где под действием температуры в ректификационных колоннах происходит разделение нефти на отличающиеся по своему составу фракции.

Каждая нефтяная фракция, выделяемая при перегонке, – это химическая составная часть нефти с одинаковыми химическими или физическими свойствами, различающаяся температурой кипения, плотностью и объемом.

Таким образом, прямая перегонка – это физический способ переработки нефти с помощью атмосферно-вакуумной установки, в которой в результате нагрева отгоняются бензиновые фракции при t ≈ 100…200 °С, керосиновые фракции при t ≈ 180…250 °C, газойлевыеисоляровыеприt≈240…350°C.Тяжелыефракциинефтиотделяютсяотпаровиотводятсяввидемазута(60…80%отисходноймассы нефти), используются для получения масел и крекинг-бензинов.

Углеводороды, у которых температура кипения ниже 40 °C, являются попутными газами, использующимися в качестве добавок к некоторым бензинам для получения синтетических продуктов, а также в качестве топлива для газобаллонных автомобилей.

Продукты, получаемые способом прямой перегонки, обладают высокой химической стабильностью и не осмоляются при хранении, так как в них отсутствуют непредельные углероды (олефины, с общей формулой CnH2n). Они на 90…95 % состоят из парафиновых и нафтеновых углеводородов и содержат до 5…9 % ароматических углеводородов.

В дальнейшем, чтобы увеличить выход бензиновых фракций, переработку нефтяных фракций осуществляют с помощью крекингпроцессов.

Крекинг-процесс переработки нефти и ее фракций основан на разложении (расщеплении) молекул сложных углеводородов в условияхвысокихтемпературидавлений.Существуютследующиевиды крекинга: каталитический, термический гидрокрекинг, а также каталитический риформинг.

Каталитический крекинг применяют для получения бензина из газойлевого или солярового дистиллята вакуумной перегонки мазута. Он основан на расщеплении углеводородных молекул и изменении их структуры под действием высокого давления (3 МПа) и высокой температуры (450…525 °C) с применением алюмосиликат-

6

ных катализаторов (Al2O3 – 10…30 %; SiO2 – 10…30 %; а также Fe2O3

и CaO в небольших количествах). Применяемый катализатор ускоряетпроцессрасщеплениямолекулсырья.Продуктыраспадапревращаются в изопарафиновые и ароматические углеводороды, а количество непредельных углеводородов (олефинов) снижается до 5…10 %.

После каталитического крекинга октановое число (по моторному методу) становится равным 78…85.

Термический крекинг используют для извлечения легких фракций из нефти, где исходным сырьем служит соляровая фракция, представляющая смесь углеводородов с числом атомов в молекуле от 16 до 20, при нагревании которой до 450…550 °C в присутствии катализатора (алюмосиликат) или без него происходит расщепление молекул. Обычно термический крекинг применяют для получения бензина из мазута, керосина и дизельного топлива. Расщепление и изменение структуры углеводородов под действием температуры и давления происходит по следующей схеме:

Углеводород цетан, входящий в состав керосина и дизельного топлива, разлагается на нормальный октан и нормальный октен. Эти составляющие (расщепленные углеводородные вещества) входят затем в состав бензина:

CH 500...550 С C8H18 +C8H16

→

16 34 от 2 до 7 МПа октан октен

цетан

После расщепления молекул дизельного топлива образуются легкие углеводородные фракции: бензиновая, легроиновая и керосиновая.

После термического крекинга полученный бензин имеет низкую химическую стабильность, невысокое октановое число (66…72) с большим содержанием в нем непредельных углеводородов (олефи-

нов) – 30…40 %.

Такие бензины при хранении окисляются и образуют смолы, поэтому в них необходимо вводить специальные присадки (ингибиторы), которые снижают темп осмоления.

В настоящее время термический крекинг применяют редко, а вместо него используют каталитический крекинг.

7

Гидрокрекинг – процесс переработки нефтепродуктов (газойлей, нефтяных остатков и др.). Этот процесс проводится под давлением водорода 15…20 МПа при температуре 370…450 °C с использованием цементных катализаторов (никель – молибден). Целью процесса является получение сжиженного нефтяного газа, бензиновых фракций, светлых легких высокооктановых компонентов керосина и дизельного топлива.

Полученный бензин обладает высокой химической стабильностью, хорошей детонационной стойкостью с октановым числом 85…88 (по исследованному методу).

Каталитическим риформингом для бензинов прямой перегонки производятвысокооктановыебензины. В процессериформингапроисходит целый ряд превращений, которые приводят к изменению исходного состава и к получению бензинов с высоким октановым числом.

В качестве сырья используют бензиновые фракции первичной перегонки нефти, выкипающие при температуре 85…180 °C. Риформинг проводят в среде водородосодержащего газа (70…90 % водорода) при температуре 480…540 °C и давлении 2…4 МПа в присутствии молибденового и платинового катализаторов. Изменение состава бензина при риформинге показано в табл. 1.

Получение смазочных веществ масел производится из мазута. Различают два способа производства: дистиллятный и остаточный.

Дистиллятные масла получают из мазута, который нагревают до температуры 420…430 °C, создавая в вакуумной колонне разрежение в 50 мм рт. ст. При этом выход масел из мазута составляет около 50 %, остальное составляет гудрон.

Таблица 1

Изменение состава бензина после проведения риформинга

8

Остаточные масла – это очищенные гудроны. Для их получения производят смешивание мазута или полугудрона с сжиженным пропаном (6…8 частей пропана на одну часть мазута) при температуре 40…60 °C. Масла получаются с высокой вязкостью, их называют остаточными.

Как дистиллятные, так и остаточные масла в дальнейшем очищают от сернистых соединений, органических кислот, смолистоасфальтеновых веществ и других нежелательных примесей. Очищенные масла называют базовыми.

Таким образом, нефть является основным углеводородным сырьем для получения газового, жидкого топлив, масел различной вязкости и смазок.

Производство их происходит на нефтеперерабатывающих предприятияхпутемрасщеплениятяжелыхуглеводородныхмолекулвысококипящих нефтяных продуктов на более легкие.

Контрольные вопросы

1.Какие группы углеводородов составляют основу нефтяных топлив?

2.Что такое прямая перегонка нефти и каковы ее достоинства

инедостатки?

3.К каким углеводородным группам относится цетан?

4.От каких нефтяных углеводородов зависит склонность бензина к нагарообразованию?

5.Как называются парафиновые нефтяные углеводороды?

6.Какие нефтяные углеводороды, находящиеся в дизельном топливе, уменьшают время с момента подачи топлива в камеру сгорания до его воспламенения?

7.Применение каких крекинг-процессов наиболее эффективно для получения высокооктановых автомобильных бензинов?

8.Как влияют нейтральные смолы, содержащиеся в нефти, на свойства топлив, масел?

9.Назовите групповой углеводородный состав нефти. Какое между классами углеводородов различие в молекулярном строении

ифизико-химических свойствах?

10.Каким характерным свойством обладают непредельные углеводороды?

9

11.Что такое термический крекинг, каковы его положительные

иотрицательные свойства?

12.Какой углеводородный состав получается после перегонки нефти у бензинов и у дизельного топлива?

Глава 2 Бензины

Прежде чем приступить к детальному изучению показателей, характеризующих свойства бензинов и их влияние на работу и состояние двигателя внутреннего сгорания, надо усвоить требования

ких качеству, вытекающие из особенностей конструкции и работы двигателя. Для этого полезно вспомнить данные, относящиеся

кустройству и рабочему циклу бензиновых двигателей [4]. Изучение свойств бензинов должно подчиняться основной цели:

выяснить, как влияет качество того или иного топлива на работу двигателя. Надо четко представлять, к каким последствиям может привести изменение качества того или иного топлива. Поэтому после изучения этой темы необходимо приступить к выполнению курсовой контрольной работы по оценке эксплуатационных свойств топлива, используя учебно-методическое пособие к выполнению курсовой работы «Оценка эксплуатационных свойств масел, топлив и технических жидкостей на автомобильном транспорте по результатам физико-химического анализа и разработка мероприятий по экономии горюче-смазочных материалов» [6].

2.1. Эксплуатационные требования к качеству бензинов

Чтобы работа двигателя внутреннего сгорания была надежной на всех режимах его работы, бензины должны обладать:

•высокой детонационной стойкостью;

•оптимальным фракционным составом;

•малым содержанием смоло- и нагарообразующих соединений;

•малым содержанием коррозионно-агрессивных веществ;

•высокой стабильностью при хранении.

Качество бензина во многом зависит от его физико-химических свойств, которые способны обеспечить:

• нормальное и полное сгорание рабочей смеси без детонации;

10