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

вступать в химические реакции окисления, полимеризации и конденсации. Поэтому химическая стабильность бензинов зависит от состава и строения входящих в него углеводородов.

Непредельные углеводороды (олефины), взаимодействуя с кислородом воздуха, окисляют бензин.

Парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды, наоборот, окисляются очень медленно. В процессе окисления их образуются кислые соединения, которые в дальнейшем сами ускоряют процесс цепных реакций окисления бензина.

Склонность бензина к окислению способствует появлению в нем воды, которая приводит к быстрому накапливанию в нем солей нафтеновых кислот, окислов железа, которые еще больше ускоряют процесс окисления.

Поэтому вода, водорастворимые кислоты, щелочи и сернистые соединения, которыемогутбытьвбензинах,являютсякоррозионноопасными химическими веществами.

Содержание в топливе продуктов с кислой реакцией характеризуется показателем, который называется кислотностью топлива.

Если кислотность увеличивается, то коррозионная агрессивность возрастает, так как водорастворимые кислоты и щелочи являются электролитами. От этого на поверхностях металлов происходит электрохимическая коррозия.

К электролитам относятся органические (нафтеновые) кислоты, содержание которых в топливе определяется кислотным числом.

Кислотное число выражается количеством щелочи, необходимой для нейтрализации органических кислот, находящихся в топливе.

Вкачестве щелочи берется гидроксид калия – KОН (3 мг KОН на 100 мл бензина и 5 мг KОН на 100 мл дизельного топлива).

Врезультате окисления бензинов образуются продукты реакций окисления, т. е. растворимые органические кислоты – смолистые вещества. Значительное накопление смол начинается после того, как время окисления бензина превысит его индукционный период.

Индукционный период – это время, в течение которого бензин,

находящийся в контакте с воздухом под давлением 0,7 МПа при температуре 100 °С, практически не окисляется, т. е. сохраняет свою химическую стабильность.

С повышением температуры процессы окисления и осмоления ускоряются. Эффективным способом борьбы с этими процессами окисления и осмоления является способ повышения химической

21

стабильности фракций, т. е. введение специальных многофункциональныхантиокислительныхприсадок,способныхобрыватьцепные реакции окисления и тормозить окислительные процессы, увеличивая тем самым индукционный период бензина.

Такие присадки придают топливу противоизносные (смазывающие) и защитные (противокоррозионные) свойства.

Чтобырасходантиокислительныхприсадокуменьшился,аихдействия усилились, в бензин добавляют специальные соединения, нейтрализующие действие металлов. Эти соединения называются деактиваторы. Они образуют с ионами металлов неионные комплексные соединения, устраняющие причину возникновения радикалов.

Нагары, образующиеся на стенках камеры сгорания двигателя, способствуют возникновению детонационных явлений. Склонность бензинов к нагарообразованию зависит от присутствия в них ароматических углеводородов, этиловой жидкости и активных сернистых соединений, обладающих коррозионной агрессивностью. К активным сернистым соединениям относятся: сероводород – H2S; меркаптаны и элементарная сера. Эти вещества взаимодействуют с металлами, вызывая коррозию.

Наличие сернистых соединений определяют качественным методом – испытанием на медную пластинку, которую погружают на 3 ч в бензин при t = 50 °С. Если в течение этого времени цвет пластинки стал черным, темно-коричневым или темно-серым, то это значит, что топливо испытания не выдержало. А во всех остальных случаях изменениецветаговоритотом,чтосодержаниеактивныхсернистых соединений не превышает допустимых норм.

Неактивные сернистые соединения металлы не коррозируют, но при сгорании образуют коррозионно-агрессивные оксиды SO2 и SO3, которые, растворяясь в воде, проникающей в цилиндры двигателя из-за конденсации водных паров, образуют серную и сернистую кислоты.

Согласно стандартам, бензины не должны содержать механических примесей и воды. Примеси увеличивают износ цилиндропоршневой группы и образуют нагар, а содержание воды опасно зимой, когдамогутобразовыватьсякристаллыльда,водатакжеспособствует осмолению бензина и является основным источником коррозии.

Таким образом, в эксплуатационных условиях, когда бензин подвергается воздействию внешних факторов, таких как кислород воздуха, нестабильная температура, загрязнение влагой и механи-

22

ческими примесями, ухудшается его фракционный состав. Поэтому способность бензина сохранять свои физико-химические свойства в допустимых пределах для конкретных условий характеризуется его стабильностью.

Контрольные вопросы

1.Какие требования предъявляются к качеству бензинов?

2.Какие свойства и показатели бензина влияют на смесеобразование?

3.Что такое нормальное детонационное и калильное сгорание?

4.Что такое детонационная стойкость бензинов и какие существуют методы определения октанового числа?

5.В чем заключается зависимость детонационной стойкости от химического состава бензинов?

6.Какие существуют способы повышения детонационной стойкости бензинов?

7.Что такое фракционный состав бензинов и как по нему оценивается испаряемость бензинов?

8.Какие существуют методы повышения октанового числа бен-

зина?

9.Какие показатели определяют физическую и химическую стабильность бензина?

10.Какие существуют антидетонационные присадки к бензи-

нам?

11.Что такое этиловая жидкость и какое влияние она оказывает на бензин в качестве антидетонатора?

12.В чем причина коррозионности бензинов?

13.Что такое кислотное число топлива?

14.Что такое индукционный период бензина?

15.Каким способом борьбы с окислением и осмолением бензинов осуществляется повышение химической стабильности бензиновых фракций?

16.От чего зависит склонность бензинов к нагарообразованию?

17.Каким способом определяют наличие сернистых соединений

вбензине?

18.Какое вредное влияние на работу двигателя оказывает наличие воды в бензине?

23

Глава 3. Дизельные топлива

Дизельные топлива (ДТ) следует изучать так же, как и бензины. Особо следует обратить внимание на недопустимость загрязнения дизельного топлива механическими примесями и водой.

Чтобы уяснить смысл терминов «жесткая» и «мягкая» работа дизельного двигателя, надо разобраться в развернутой индикаторной диаграмме двигателя.

На замере величины задержки при воспламенении топлива основано определение его цетанового числа. Следует также обратить особое внимание на коррозионные свойства сернистых топлив.

Дизельное топливо – это нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурой кипения 200…350 °С. Для дизельных двигателей выпускаются топлива на базе керосиновых, газойлевыхисоляровыхдистиллятовпрямойперегонки.Дляснижения количества серы в топливе применяют гидроочистку и депарафинизацию. По химическому составу дизельное топливо – это смесь алканов,изоалканов,циклоалкановисовсемнебольшогоколичества ароматических углеводородов.

Непредельных углеводородов в дизельных топливах практически нет.

После изучения гл. 3 настоящего пособия студентам, имеющим курсовое задание по оценке эксплуатационных свойств дизельного топлива, рекомендуется приступить к выполнению курсовой работы согласно методике.

3.1. Эксплуатационные требования к качеству дизельных топлив

Чтобы работа дизельного двигателя внутреннего сгорания была надежной на всех режимах его работы, дизельное топливо должно отвечать следующим требованиям:

•иметь определенную плотность, поверхностное натяжение, испаряемость и самовоспламеняемость;

•сохранять текучесть при низких температурах;

•иметь хорошую физико-химическую стабильность;

•обладать минимальным коррозионным воздействием;

•не содержать в себе воды и механических примесей.

24

3.2. Свойства дизельных топлив

Исходя из эксплуатационных требований к ДТ, оно должно обладатьопределеннымисвойствами,которыеоказываютбольшоевлияние на эксплуатацию дизельных двигателей, при этом обеспечивая:

•своевременную и точную подачу топлива в цилиндры дизельного двигателя;

•тонкое распыление и хорошее смесеобразование внутри цилиндров;

•самовоспламенение и мягкий процесс сгорания;

•предотвращение нагарообразования и закоксовывания распылителей форсунок впрыска.

3.2.1. Свойства дизельного топлива, влияющие на подачу топлива в цилиндрах двигателя

Свойствами ДТ, которые влияют на подачу топлива в цилиндре двигателя, являются:

•вязкость;

•низкотемпературные свойства;

•температура помутнения;

•температура застывания;

•физическая и химическая стабильность.

Вязкость является следствием трения, возникающего между слоями жидкости, и характеризует текучесть этой жидкости. Измеряется в сантистоксах (сСт = 1 мм2/с) и в стоксах (Ст = 1 см2/с). Если вязкость ДТ слишком высокая, то оно будет с трудом проходить через фильтры и сопла форсунок и т. д. Низкая вязкость ухудшает смазывание плунжерных пар насоса высокого давления

иуменьшает цикловую подачу топлива в цилиндры. Кроме этого, от вязкости зависит качество распыления топлива при впрыске его в цилиндры. Обычно вязкость ДТ находится в пределах

2,5…4 сСт.

Низкотемпературные свойства ДТ зависят от его группового

ифракционного составов. Худшими низкотемпературными свойствами обладают парафиновые (алканы) и ароматические (арены) углеводороды, а лучшими свойствами – циклоалканы. Углеводороды в составе ДТ имеют высокую температуру кристаллизации. Это прежде всего относится к нормальным алканам. При низкой темпе-

25

ратуре окружающей среды они видны как кристаллики в прозрачном, ярко освещенном топливе.

Температура помутнения. Это наивысшая температура, при которой топливо теряет прозрачность, но при этом оно не теряет свойства текучести. При понижении температуры вязкость ДТ уменьшается и начинается кристаллизация. При повышении температуры вязкость незначительно увеличивается, однако кристаллы, проходя через фильтры, могут создать непроницаемую пленку и прекратить подачу топлива. Обычно температура помутнения на 3…5 °С ниже температуры окружающей среды, однако при дальнейшем охлаждении топлива кристаллы могут сращиваться друг с другом и сковывать топливо, отчего оно будет терять текучесть.

Температура застывания. Это наивысшая температура, при которой топливо теряет текучесть. Она на 8…12 °С ниже температуры окружающей среды. Для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив проводят их частичную депарафинизацию с добавлением специальных присадок (депрессоров).

Физическая и химическая стабильность. Под воздействием внешних факторов в дизельном топливе протекают физические и химические процессы. Основными из них являются: испарение, загрязнение механическими примесями и водой, выпадение высокоплавных компонентов в осадок при охлаждении, окисление, разложение и конденсация.

Испарение легких фракций приводит к ухудшению пусковых свойств ДТ. При хранении, транспортировке и заправке топливо вступает в контакт с воздухом, впитывая из него влагу, при этом окисляясь. Окисление увеличивает в топливе содержание фактических смол. В зимних марках ДТ их должно быть не более 30 мг на 100 мл топлива, а в летних – не более 40 мг на 100 мл.

3.2.2. Свойства дизельного топлива, влияющие на смесеобразование

Свойствами ДТ, влияющими на смесеобразование, являются испаряемость, плотность и поверхностное натяжение.

Чем выше испаряемость ДТ, тем качественнее происходит смешивание его с воздухом в цилиндрах дизельного двигателя, а следовательно, лучше происходит его сгорание. Поэтому до конца может сгореть только полностью испарившееся топливо. Если топливо бу-

26

дет находиться в капельно-жидком состоянии, то в процессе горения участвовать будет только оболочка капель, а внутреннее ядро капли под воздействием температуры превратится в сажу и будет выброшено вместе с отработавшими газами в окружающую среду, загрязняя ее.

Испаряемость ДТ в большей степени зависит от оптимального перемешивания топлива с воздухом внутри цилиндров двигателя. Поэтому на процесс перемешивания сильно влияют конструктивные особенности дизельного двигателя:

•форма камеры сгорания;

•конструкция и размер сопловых отверстий форсунок;

•давление впрыска ДТ;

•направление (угол) распыления впрыска топлива.

Остальные факторы, такие как вязкость, плотность, фракционный состав, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, оказывают влияние на испаряемость ДТ практически так же, как и на испаряемость бензинов.

Но есть некоторые особенности. Например, испаряемость бензина оценивается в большей степени его фракционным составом, т. е. температурами tн.п; t10 %; t50 %; t90 %; tк.п.Но ГОСТ устанавливает для ДТ только лишь температуры t50 % и t96 %. Это связано с тем, что дизельное топливо по сравнению с бензином испаряться начинает гораздо позже. Так, в зависимости от марки дизельного топлива, температура 50 % перегонки колеблется от 255 до 280 °С, в то время как температура перегонки 50 % бензина лежит в диапазоне 110…120 °С. Бензин испаряется полностью при tк.п = 200 °С, а температура перегонки 96 % ДТ составляет от 330 до 360 °С.

Поэтому, если испаряемость ДТ низкая (слабая), то при пуске дизельного двигателя возникает затруднение. При этом увеличивается дымность отработанных газов и падает его мощность и экономичность. Если испаряемость ДТ высокая, то самовоспламеняемость его понижается, т. е. становится слабой и более длительной.

Самовоспламенение рабочей смеси в большей степени зависит от температуры в очаге возгорания. Эта температура самовоспламенения определяется химическим составом самого ДТ и зависит от содержания и строения углеводородов. Время между началом впрыска и моментом самовоспламенения называется периодом задержки самовоспламенения. Этот период состоит из двух составляющих: физической и химической.

27

Физическая составляющая – это время, затрачиваемое на распад топливной струи, образование мельчайших капель с частичным испарением и смешиванием их паров с воздухом. Физическая составляющая зависит от конструктивных особенностей дизельного двигателя.

Химическая составляющая – это время, необходимое для завершения предпламенных реакций и формирования очагов самовоспламенения. Эта составляющая зависит от свойств дизельного топлива. Поэтому период задержки самовоспламенения у разных топлив неодинаковый. Некоторые дизельные топлива самовоспламеняются сразу после впрыска, а другие через некоторое время.

Когда самовоспламенение происходит после впрыска топлива, скорость сгорания его остается постоянной с равномерным давлением. В таком ДТ парафиновые углеводороды (алканы), входящие в состав молекул, менее устойчивы. Поэтому они быстро распадаются и окисляются с образованием лекговоспламеняющихся продуктов неполного окисления. При этом двигатель работает «мягко», устойчиво и давление растет плавно, так как период задержки самовоспламенения небольшой. Но сокращение этого периода приводит к ухудшению процесса смесеобразования, так как мельчайшие капли топлива после впрыска не успевают испариться. Мощность двигателя падает, а расход топлива увеличивается.

Если самовоспламенение рабочей смеси происходит не сразу, а через некоторое время после впрыска топлива, то за это время в цилиндр поступает большая порция топлива, которая, перемешавшись с воздухом, воспламеняется одновременно всей большой массой. Находящиеся в ДТ трудноиспаряющиеся ароматические углеводороды (арены) не смогут плавно сгореть и вызовут взрывной характер сгорания. Давление мгновенно возрастает. Двигатель начинает работать «жестко», напоминая детонацию в бензиновом двигателе.

Экспериментально было установлено, что если давление в цилиндрах увеличивается на 0,25…0,5 МПа/с, то двигатель работает «мягко», а если давление растет на 0,6…0,9 МПа/с, то двигатель работает «жестко».

Таким образом, период задержки самовоспламенения определяется характером предпламенных процессов окисления топлива, т. е. чем больше в топливовоздушной смеси (ТВ-смеси) накопится продуктовокисления(окисей,альдегидов,кетонов),темпериодзадерж-

28

ки самовоспламенения будет короче. Наилучшей самовоспламеняемостью будет обладать такое топливо, в котором много алканов и мало аренов. Алканы обладают низкой температурой самовоспламенения (t ≈ 500…550 °С), а арены – высокой температурой самовоспламенения (t ≈ 600 °С). Следовательно, для нормальной работы дизельного двигателя необходимо топливо с оптимальным периодом задержки самовоспламенения.

Способность ДТ самовоспламеняться оценивается цетановым числом. Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав дизельного топлива.

Самые высокие цетановые числа имеют парафиновые (алкановые) углеводороды, а самые низкие числа – ароматические (ареновые) углеводороды.

Цетан (C16H34) обладает очень высокой склонностью к самовоспламенению, так как имеет малую задержку воспламенения.

Альфа-метилнафталин (C10H7CH3) имеет большую задержку воспламенения и его самовоспламеняемость очень низкая, почти нулевая.

Цетановое число (ЦЧ) – это условный показатель, численно равный процентному содержанию цетана в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая по самовоспламеняемости соответствует испытуемому образцу. Цетановые числа находятся в пределах от 40 до 50. При этом они характеризуют «жесткую» или «мягкую» работу дизельного двигателя.

Если ЦЧ – малое, то впрыскиваемое ДТ будет иметь большой период времени до самовоспламенения и за это время в цилиндр поступит большое количество ДТ. Такая большая порция после сгораниявызоветсильноевозрастаниедавлениясгоревшихгазов,которое обеспечит «жесткую» работу двигателя.

Если ЦЧ – большое, то впрыскивание в камеру сгорания ДТ будет иметь небольшой период запаздывания воспламенения. Тогда за этот уменьшенный период времени, до момента самовоспламенения, в камеру сгорания будет подано меньшее количество топлива. Такая небольшая порция топлива после сгорания вызовет слабое давление сгоревших газов, которое обеспечит «мягкую» работу дизельного топлива.

Таким образом, цетановое число является основным квалификационным показателем ДТ, так как оно характеризует его воспламеняемость.

29

Если вводить в ДТ специальные кислородосодержащие присадки (органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты и др.), которые способствуют легкому выделению активного кислорода, то они, попадая в цилиндры, ускоряют образование перекисей.

Перекиси от высокой температуры сжатия воздуха разлагаются, и тогда процесс самовоспламенения дизельного топлива ускоряется.

Существует эмпирическая зависимость цетанового числа дизельного топлива от октанового числа бензина:

ЦЧ = 60 – ОЧ/2,

где ЦЧ – цетановое число; ОЧ – октановое число.

3.2.3. Свойства дизельного топлива, влияющие на образование отложений в двигателе

На образование отложений влияют следующие свойства дизельного топлива:

•коррозионные свойства дизельного топлива;

•содержание в топливе фактических смол;

•коксуемость;

•зольность.

Коррозионность ДТ зависит от содержания в топливе серы, сернистых и кислотных соединений.

Наиболее агрессивным компонентом является активная сера (элементарная сера (S), сероводород (H2S) и меркаптаны).

Меркаптаны резко увеличивают износ плунжерных пар ТНВД и игл распылителей форсунок впрыска. Поэтому содержание меркаптановой серы в ДТ должно быть не более 0,01 %.

При высокой температуре в камерах сгорания образуется сернистый ангидрид (SO3), который при охлаждении вступает в реакцию с парами воды и образует серную кислоту (H2SO4), которая оказывает вредное коррозионное воздействие на детали двигателя. Для нейтрализации кислот в ДТ вводят противокоррозионные присадки.

Если в ДТ содержится не более 0,2 % неактивных сернистых соединений, то они не вызывают осложнений в работе двигателя, поэтому данное топливо может применяться без ограничений. Однако большинство нефтепродуктов производят из сернистой нефти, где содержание неактивной серы достигает 0,5 %.

30