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

Дизельное топливо по содержанию неактивной серы делят на три подгруппы:

1)не более 0,2 % серы;

2)для летних (Л) и зимних (З) марок топлива – от 0,21 до 0,5 %;

3)дляспециальныхарктическихмароктоплива–от0,21до0,4%. Содержание сернистых соединений в ДТ является очень важным

параметром.

Кислотность характеризует содержание в топливе кислых соединений, так как ДТ должно оказывать минимальное коррозионное воздействие на металлы. Это значит, что топливо не должно содержать в себе минеральных кислот и щелочей.

Содержание в топливе органических кислот определяется кислотным числом топлива, которое выражается количеством гидроксида калия (KОН), необходимого для нейтрализации органических кислот.

Кислотное число для ДТ должно быть не более 5 мг KОН на 100 мл топлива.

Содержание фактических смол характеризует склонность ДТ к нагару, а способность его к осмолению зависит от наличия в нем непредельных углеводородов (олефинов), о количестве которых судят по йодному числу, которое будет всегда показывать наличие непредельных углеводородов в топливе.

Йодное число численно равно количеству граммов йода (до 6 г), присоединившихся к непредельным углеводородам, которые содержатсяв100млтоплива.Деловтом,чтонепредельныеуглеводороды (олефины) имеют свойство вступать в соединения с йодом. Поэтому чем их больше в ДТ, тем больше йода будет участвовать в реакции соединения.

Содержание смолистых веществ в дизельных топливах оценивается так же, как оно оценивается в бензинах, т. е. определением содержания фактических смол. С повышением их содержания склонность топлива к нагарообразованию возрастает. Содержание фактических смол в ДТ не должно превышать 36…60 мг на 100 мл.

Содержание серы в ДТ оказывает огромное влияние на образование отложений. Чем больше ее содержание в топливе, тем больше нагара и лака образуется при его сгорании. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, увеличивают его плотность.

Если в ДТ будут содержаться ароматические углеводороды (арены), то склонность такого топлива к нагарообразованию возрастает.

31

Таким образом, динамика накопления нагара в ДТ зависит от содержания серы, фактических смол, зольности и лакообразования.

Коксуемость определяется коксовым числом, которое характеризует способность топлива образовывать углистый твердый осадок (кокс) при разложении без доступа воздуха и при температуре 800…900 °С. Причинами коксуемости являются:

•недостаточная глубина очистки от смолисто-асфальтовых соединений;

•повышенная вязкость;

•тяжелый фракционный состав дизельного топлива.

ЗольностьДТхарактеризуетсодержаниевнемнесгораемыхпримесей (золы), т. е. минеральных неорганических примесей: оксидов кремния, железа и алюминия, а также неорганических солей, переходящих в нагар. Все это способствует уплотнению и абразивному износу деталей цилиндропоршневой группы дизельного двигателя

ирезко повышает нагарообразование. Попадая в масло, зола вызывает ускоренный износ деталей. Допустимое содержание золы в дизельном топливе по ГОСТу составляет 0,01…0,02 %.

Таким образом, эксплуатационные свойства дизельного топлива оказывают большое влияние на качество работы дизельного двигателя, т. е. если правильно подобрано дизельное топливо

иправильно установлен угол опережения впрыска, то рабочая смесь в цилиндрах сгорает полностью. При этом двигатель работает надежно и экономно.

Контрольные вопросы

1.Какие эксплуатационные требования предъявляются к дизельным топливам?

2.Какие свойства и параметры дизельного топлива влияют на подачу его в цилиндры двигателя?

3.Как оценивается самовоспламеняемость дизельного топлива?

4.В чем заключается нормальная «жесткая» и «мягкая» работа дизельного двигателя?

5.Что такое цетановое число дизельного топлива?

6.Какие свойства дизельных топлив влияют на образование отложений в двигателе?

7.От чего зависят коррозионные свойства дизельного топлива?

32

8.Что определяет испаряемость дизельных топлив?

9.Что такое кислотное число дизельного топлива? Что оно показывает?

10.Что такое йодное число дизельного топлива? Что оно показывает?

11.Что такое коксовое число дизельного топлива? Что оно показывает?

12.Что такое зольность дизельного топлива?

Глава 4 Альтернативные топлива

К альтернативным моторным топливам относятся жидкие и газообразные топлива, получаемые из нетрадиционных видов сырья, а также модифицированные нефтяные топлива.

Альтернативные топлива бывают нефтяного и ненефтяного происхождения.

Топлива нефтяного происхождения:

•сжиженные нефтяные газы;

•сжатые сопутствующие газы. Топлива ненефтяного происхождения:

•сжатый природный газ;

•газоконденсатное топливо;

•спирты;

•водород.

4.1.Газовые топлива

Все газообразные углеводородные топлива относятся к наиболее чистым в экологическом отношении моторным топливам, так как выбросы токсичных веществ после их отработки во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей, работающих на бензине или на дизельном топливе. Поэтому необходимо знать: общие физикохимические и эксплуатационные характеристики горючих газов для газобаллонных автомобилей; источники получения горючих газов; классификации их по калорийности и критической температуре; сжиженныеисжатыегазы,ивчемихразличие;особенностиихприменения и выделяемую теплоту после сгорания.

33

В зависимости от физического состояния горючие газы делятся по агрегатному состоянию на сжатые и сжиженные. Они не имеют запаха, но для обнаружения их утечек вводят пахучие вещества – одоранты.

Сжатыйгазприглубокомохлажденииможноперевестивжидкое состояние. Температура, выше которой газ не может перейти в жидкость, называется критической, а соответствующее ей давление – критическим. Если критическая температура газа ниже обычных температур эксплуатации автомобиля, то его применяют в сжатом виде (сжатый газ).

Если критическая температура газа выше обычных температур эксплуатации, то его применяют в сжиженном виде под давлением 1,5…2,0 МПа (сжиженный газ).

4.1.1. Сжиженные нефтяные сопутствующие газы

Эти газы получают как побочный продукт при деструктивной переработке нефти (примерно 30 % от выхода бензина) и нефтяного газа. Состоят они из пропанобутановых фракций. По сравнению

сбензином сжиженный газ имеет преимущества:

•дешевле в 1,5…2 раза;

•более высокая детонационная стойкость;

•ресурсдвигателяпримернов 1,5разабольше,иприэтомработа его мягче;

•срок службы моторного масла больше в 1,5…2 раза;

•практически отсутствует сера, вызывающая коррозию дета-

лей;

•снижение токсичности отработавших газов (окись углерода –

в2 раза, окислы азота – в 1,2 раза, углеводороды – в 1,3…1,9 раза);

•отсутствие смолистых отложений, так как газ растворяет их.

Принормальноматмосферномдавленииитемпературеокружающей среды выше 0 °C сжиженный газ находится в газообразном состоянии, но при небольшом повышении давления (до 0,8…1,6 МПа) он переходит в легкоиспаряющуюся жидкость.

При переводе двигателя на сжиженный газ его мощность падает на 3…4 %. Этого можно избежать следующим образом:

•охлаждать смесь во впускном коллекторе;

•повысить степень сжатия, так как октановое число газа выше, чем у бензина;

34

• увеличить угол опережения зажигания, используя высокую детонационную стойкость газа.

Предусматриваетсявыпускдвухмароксжиженногогаза(табл.4).

Метан, этан, этилен имеют высокое давление насыщенных паров. У сжиженных газов оно не более 1,6 МПа при температуре 40 °С. Добавление этих компонентов в небольшом количестве повышает это давление в смеси и обеспечивает бесперебойную работу двигателя. Чтобы уменьшить массу газобаллонной аппаратуры, надо уменьшить давление газа в баллоне, но оно должно быть не менее 0,1 МПа.

Пропан обеспечивает оптимальное давление насыщенных паров. Бутан – наиболее калорийная и легко сжимаемая часть топлив-

ной смеси.

Для создания давления насыщенных паров баллон заправляют не более чем на 90 %, создавая «паровую подушку», так как из-за большого коэффициента объемного расширения газа давление в баллоне

сувеличением температуры на 1 °С возрастает на 0,7 МПа.

4.1.2.Сжатые природные газы

По сравнению с сжиженными нефтяными газами сжатые природные газы имеют преимущества:

• более безопасны, так как легче воздуха и при утечках улетучиваются;

35

•дешевле;

•больше природных запасов;

•токсичность отработавших газов ниже, т. е. они экологически чище.

Сжатые газы при нормальной температуре сохраняют газообразное состояние даже при высоком давлении. В жидкое состояние они переходят при температуре ниже −82 °С и давлении 4,5 МПа.

Основным компонентом сжатых газов является метан (CH4), но

вних присутствуют и другие углеводороды, а также углекислый газ, кислород, азот, вода и механические примеси. Природные месторождения сжатых газов содержат: метан – 82…98 %, этан – до 6 %, пропан – до 1,5 %, бутан – до 1 %, азот – до 0,5…0,7 %, двуокись углерода – до 1,8 %.

По энергетическим параметрам 1 м3 сжатого природного газа приравнивается к 1 л бензина, но для хранения 1 м3 газа требуется металлический баллон массой 3,5…5 кг. Это является главным недостатком газобаллонной аппаратуры. Баллон из легированной стали емкостью 50 л с газом под давлением 200 МПа весит 62,5 кг, абаллон из углеродистойстали– 93кг.Полнаязаправкавосьми баллонов, масса которых составляет 14 % грузоподъемности автомобиля, обеспечивает 200…280 км пробега.

При замене бензина на сжатый природный газ мощность двигателя падает на 18…20 %, скорость – на 5…6 %, а время разгона автомобиля увеличивается на 24…30 %.

Способ повышения эффективности применения сжатого природного газа состоит:

•в увеличении степени сжатия до 10;

•увеличении диаметра впускного трубопровода для повышения коэффициента наполнения цилиндров двигателя;

•устранении подогрева на впуске;

•изменении фаз газораспределения.

Все это требует конструкционных переделок двигателя. Но запасы природного газа очень значительны по сравнению с природными запасами нефти. Это делает использование природного газа перспективным.

Уменьшитьмассубаллоновможнопутемсжижениягазадонизкой температуры (−160 °С) и хранения его в изотермических баллонах.

По энергоемкости природный газ можно сравнивать с жидким нефтяным топливом.

36

4.2.Спиртовые топлива

Кгруппе спиртовых топлив, применяемых в чистом виде, относятся метиловый спирт (метанол), этиловый спирт (этанол) и их смеси с эфирами. Спирты относятся к числу синтетических топлив, имеющих высокие антидетонационные качества. Это дает основание использовать их в двигателях внутреннего сгорания. Однако нужно учитывать, что перевод автомобильных двигателей на работу только с чистыми спиртами потребует:

• увеличения вместимости топливного бака;

• увеличения степени сжатия в цилиндрах двигателя до ε ≈ 12...

...14.

При этом низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей при температурах ниже +10 °С.

Для улучшения пусковых качеств к спиртам добавляют 4…6 % изопентана или 6…8 % диметилового эфира. Это обеспечивает нормальный пуск двигателя при –20…–25 °С.

Главное преимущество спиртовых топлив в том, что у них высокий КПД рабочего процесса и хорошая детонационная стойкость.

Метиловый и этиловый спирты не могут быть полноценными заменителямибензина,нопоотдельнымпоказателямони превосходят бензины.

Основным недостатком спиртовых топлив является низкая теплота сгорания. При этом их расход превышает расход нефтяных топлив более чем в два раза, вырабатывая одинаковую мощность двигателя.

4.2.1.Получение метилового спирта

Метанол – это метиловый, или древесный, спирт. Его сырьем является природный газ, на основании которого паровой конверсией или парокислородной газификацией получается синтез-газ, из которого производят метанол: CO + 2CH2 → CH3OH.

Синтез проводится под давлением 25…60 МПа в присутствии катализаторов при температуре 300…400 °С, его стоимость в 1,5…2,0 раза превышает стоимость бензина. Применение метанола требует изменения конструкции двигателя, так как ухудшается пуск двигателя при низких температурах.

37

Добавка 3…5 % метанола в бензол позволяет использовать такой бензин с меньшим октановым числом и заменять этилированный бензин на неэтилированный. Использование метанола в чистом виде возможно только в южных широтах и широтах с умеренным климатом. Добавка 15 % метанола в бензин вызывает образование паровых пробок.

Метанол – это очень сильный яд, действующий на нервную систему и слизистую, обладающий резко выраженным кумулятивным действием. Прием 30 мл и более для человека смертелен. Метанол в парообразном состоянии сильно раздражает дыхательные пути и слизистые оболочки глаз, проникает через кожу, поражает зрительные нервы и сетчатку глаз.

4.2.2. Получение этилового спирта

Этанол – этиловый, или винный, спирт. Он может быть получен брожением пищевого сырья, отходов сахарного производства – сахарный тростник; гидролизом растительных материалов из злаков, картофеля с помощью ферментного препарата – солода, полученного из пророщенного зерна (ячменя, ржи, проса и т. д.).

Этанол применяется как в смеси с бензином, так и в чистом виде. При работе дизельного двигателя на этиловом спирте он не дымит. Это позволяет увеличить крутящий момент при сохранении мощностидвигателя.Этиловыйспиртимеетаналогичныенедостатки,чтои метиловый, но к ним прибавляется еще коррозионно-механическое изнашивание цилиндров. Это происходит за счет образующихся при неполном сгорании этанола уксусной и муравьиной кислот за время прогрева двигателя.

В Бразилии на этиловом спирте из сахарного тростника работает более миллиона автомобилей.

4.3. Газоконденсатные топлива

Это природные смеси легкокипящих нефтяных углеводородов, находящихся в природе в газообразном состоянии под давлением 4,9…9,8 МПа при температуре 150 °С. При охлаждении и снижении давления до атмосферного (в условиях земной поверхности) смесь распадается на жидкую (конденсат) и газовую составляющие.

38

Газоконденсатное топливо обладает низкой детонационной стойкостью и в основном используется в качестве дизельного топлива марок ГШЗ и ГШЛ.

ГШЗ – газоконденсатное широкофракционное топливо зимнее, котороеполучаютвсеверныхрайонахстраны.Процесспроизводства этого топлива заключается в прямой перегонке газового конденсата или путем смешивания дизельных фракций газового конденсата с дизельным топливом. Использование этого топлива происходит при температуре окружающей среды –35 °С и выше.

ГШЛ – газоконденсатное широкофракционное топливо летнее. Его получают в районах Средней Азии прямой перегонкой газового конденсата с товарными дизельными топливами. Применяют это топливо при температурах окружающей среды выше –5 °С.

4.4. Метилтретичнобутиловый эфир

Одним из перспективных направлений расширения ресурсов высокооктановых неэтилированных бензинов является использование метилтретичнобутилового эфира (МТБЭ), который можно добавлять в бензин. Химическая формула этого эфира – CH3OC4H9, его получают путем синтеза из 65 % изобутилена и 35 % метанола в присутствии катализаторов. Положительные качества МТБЭ как добавки к бензину следующие:

•антидетонационная эффективность, в 3…4 раза превосходящая алкил-бензин;

•высокая теплотворная способность – 37700 кДж/кг;

•эффективное повышение октанового числа бензинов;

•облегчение фракционного состава бензинов (снижает температуру перегонки 50%-ной точки);

•улучшение мощностных и экономических показателей двигателя;

•снижение токсичности отработавших газов на 10 % за счет снижения количества СО.

Отрицательными качествами МТБЭ являются:

•при снижении температуры перегонки бензина 50%-ной точки возможно образование паровых пробок в системе питания двигателя;

•возможно увеличение износа двигателя;

•увеличение нагаро- и лакоотложений;

•изменение физико-химических свойств масла.

39

4.5. Водород

Водород как топливо известен давно. Основная проблема его применения – пожаро- и взрывобезопасность.

Энергетичность водорода в 3 раза больше бензина, но даже в жидком состоянии он занимает объем в 3,5 раза больше, чем эквивалентное количество бензина. Температура жидкого водорода равна –253 °С, поэтому для его хранения необходимы криогенные емкости. Смесь водорода с воздухом образует гремучий газ, поэтому его емкости должны иметь полную герметичность, в том числе и при заправке.

Смесь водород – воздух воспламеняется при содержании водорода от 4 %.

Водород горит в газообразном состоянии при температуре выше 500 °С с образованием паров дистиллированной воды (в жидком и твердом состоянии он не горит). Для сжигания 1 кг водорода необходимо в два раза больше воздуха, чем для сжигания бензина.

Отработавшие газы при работе на водороде не содержат окиси углерода, углеводородов, окислов свинца, а окислы азота присутствуют в меньших количествах, чем при работе на бензине.

При работе двигателя на водороде его мощность снижается на 15…20 %. Поэтому в системе питания двигателя применяют комбинированную бензоводородную смесь, в которой добавка водорода составляет 20 % от основного топлива. При этом его использование возможно в сжатом виде.

4.6. Вода как добавка к топливу

Если использовать воду как добавку к топливу, то образуется водотопливная эмульсия (ВТЭ).

Основные физико-химические свойства современных ВТЭ практически идентичны базовому бензину, но по антидетонационным свойствам отмечается некоторое превосходство, которое складывается их трех факторов: охлаждения заряда рабочей смеси; охлаждения деталей камеры сгорания; действия водяного пара как инертной среды, регулирующей процесс сгорания.

Обводненное ДТ характеризуется пониженным ЦЧ и большим периодом задержки воспламенения. Однако наличие «микровзрывов» капель эмульсии и воздействие на сгорание химических факто-

40