Топливо и смазочные материалы. Методические указания к лабораторным занятиям для студентов по направлению подготовки 110800.62 Агроинженерия

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ БЕНЗИНА И ЕГО ПРИГОДНОСТИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ДВС

3.1 Цель работы

1. Закрепление знаний основных марок бензинов и ГОСТа на них.

2. Приобретение навыков по контролю, оценке качества бензинов и установления условий их применения в двигателях внутреннего сгорания

(ДВС).

3.2 Содержание работы

1.Изучить приборы и методики определения плотности, фракционного состава, водорастворимых кислот и щелочей, олефинов, фактических смол в образце топлива.

2.Выполнить анализы и сравнить полученные показатели с паспортными данными, сделать заключение о пригодности бензина к использованию.

3.3 Эксплуатационные свойства и использование бензинов

Изучая материал данного раздела, нужно хорошо уяснить эксплуатационные требования, предъявляемые к качеству карбюраторного топлива, так как от этого зависят технико-экономические показатели работы двигателя.

Одним из главных требований, предъявляемых к бензину, является его детонационная стойкость. Скорость распространения фронта пламени при нормальном горении составляет 25-35 м/с. При взрывном горении фронт пламени распространяется со скоростью 1500-2500 м/с. При этом образуются детонационные волны, отражаются от стенок цилиндра, образуются звонкие металлические стуки в двигателе, вибрация, появляется чёрный дым, мощность двигателя падает, двигатель перегревается, увеличивается износ, появляются трещины и прогорание поршней и клапанов.

11

Детонационная стойкость бензина оценивается условной единицей, называемой октановым числом, которое определяется моторным или исследовательским методом. Эти методы отличаются только режимами нагрузки двигателя при оценке детонационной стойкости. Октановое число равно процентному содержанию по объёму изооктана в искусственно приготовленной смеси с нормальным гептаном, которая по своей детонационной стойкости равноценна испытуемому бензину. Для различных автомобильных двигателей подбирают бензин, обеспечивающий бездетонационную работу на всех режимах. Чем выше степень сжатия двигателя, тем выше Требования к детонационной стойкости бензина, но одновременно и выше экономичность и мощностные показатели двигателя. Эффективным способом повышения детонационной стойкости бензина является добавление к ним антидетонаторов, например марганцевых.

Фракционный состав является главным показателем испаряемости автомобильного бензина, характеризующим ею качеств. От фракционного состава бензина зависят лёгкость пуска двигателя, время его прогрева, приёмистость и другие эксплуатационные показатели двигателя. Скорость и полнота перехода бензина из жидкого в парообразное состояние определяется его химическим составом. Бензин представляет собой постоянную сложную смесь углеводородов, обладающих различной испаряемостью. Но выкипают они не при одной постоянной температуре, а в широком диапазоне температур. Автомобильный бензин выкипает от 30 до 215°С. Испаряемость бензина оценивается по температурным пределам его выкипания и температурам выкипания его отдельных частей - фракций. Основные фракции - пусковая, рабочая и концевая. К пусковой фракции относятся легкокипящие углеводороды, входящие в первые 10% объёма дистиллята. Рабочую фракцию представляют дистилляты, перегоняемые от 10 до 90% объёма, и концевую фракцию - от 90% объёма до конца кипения бензина В соответствии с ГОСТ Р51313-99 автомобильный бензин летнего вида должен иметь температуру начала перегонки не ниже 35°С,. а 10% бензина должно перегоняться при температуре не выше 70°С. Для зимнего бензина температура начала перегонки не нормируется, а 10% бензина должно перегоняться при температуре не выше 55°С. Благодаря этому выпускаемый товарный бензин летнего вида обеспечивает пуск холодного двигателя при температуре окружающего воздуха выше 10°С, а в жаркий летний период он не образует паровых пробок. Бензин зимнего вида даёт возможность запустить двигатель при температуре воздуха от -28°С и выше. Рабочая фракция нормируется температурой перегонки 50% бензина, которая

12

характеризует скорость прогрева и приемистость двигателя. Приемистостью двигателя называется его способность в прогретом состоянии под нагрузкой быстро переходить с малой частоты вращения на большую при резком открытии дроссельной заслонки. Температура перегонки 50% топлива у товарного бензина летнего вида должна быть не менее 115°С, а зимнего 100°С. Температура перегонки 90% и конца кипени" бензина характеризуют полноту испарения бензина и склонность от к нагарообразованию. Температура перегонки 90% кипения для летних бензинов должна быть не выше 180°С, для зимних -160°С. Одним из значимых свойств, обуславливающих испаряемость бензина является давление его насыщенных паров. Чем больше в бензине содержится углеводородов с низкой температурой кипения, тем выше его испаряемость, давление насыщенных паров и склонность к образованию паровых пробок. Появление паровых пробок в системе питания двигателя ведёт к перебоям в работе и его самопроизвольной остановке.

В бензиновых двигателях, снабжённых электронной системой впрыска, обеспечивается более равномерное распределение топлива по цилиндрам, поэтому они обладают преимуществом по сравнению с карбюраторными двигателями, т.е. более динамичны, экономичны и менее токсичны.

Для автомобильных двигателей по ГОСТ 2084-77 выпускается бензин следующих марок: А-76, АИ-93, АИ-95, а по ТУ 38.401-58-122-95 - АИ98. Буква А означает, что бензин автомобильный, цифра в марке А-76 - значение октанового числа, определённого по моторному методу. Буква И у бензинов АИ-91, АИ-93, АИ-95 и АИ-98 с последующей цифрой означает октановое число, определённое по исследовательскому методу. В целях повышения качества бензина до уровня европейских стандартов разработан ГОСТ Р 51105-97, которым предусмотрен выпуск неэтилированных бензинов следующих марок: "Нормаль - А-80", "Регуляр - АИ-91", "Премиум - АИ-95" и "Супер - АИ-98". Октановые числа у них определены по исследовательскому методу. У этих бензинов снижены массовая доля серы до 0,05% и объёмная масса бензола до 5%. Бензины "Премиум - АИ-95" и "Супер - АИ-98" полностью отвечают европейским требованиям и предназначены в основном для импортных автомобилей. Стандарт ГОСТ Р 51313-99 допускает производство этилированного автомобильного бензина только марки А-76 (АИ-80), который предназначен для работы устаревших грузовых автомобилей типов ЗИЛ и ГАЗ, доля которых в автомобильном парке снижается, а следовательно, уменьшается потребность в этом бензине. С целью обеспечения крупных городов и других регионов с высокой плотностью

13

автотранспорта экологически чистым топливом предусмотрено производство неэтилированного бензина с улучшенными экологическими показателями. Выпускается городской бензин следующих марок: АИ80ЭК, ДИ-92ЭС АИ-95ЭК и АИ-98ЭК. Ярославский завод выпускает бензин ЯрМарка - АИ-95Е. По сравнению с ГОСТ Р 51105-97 у этих бензинов более жёсткие нормы по содержанию бензола, предусмотрено нормирование ароматических углеводородов и добавление моющих присадок.

3.4 Последовательность выполнения работы

1.Оценить испытуемый образец бензина по внешним признакам (прозрачность, запах, цвет, наличие видимых механических примесей и воды, характер испарения капли с фильтровальной бумаги);

2.Ознакомиться с имеющимися в лаборатории образцами стандартных бензинов (настенный стенд), испытуемый образец сравнить

сними по внешним признакам и дать предварительное заключение о принадлежности образца к той или иной марке бензина.

3.Выполнить следующие опыты:

-измерить плотность бензина нефтеденсиметром;

-определить содержание водорастворимых кислот и щелочей;

-произвести анализ на присутствие олефинов;

-определить фактическое содержание смол методом часового стекла;

-произвести фракционную разгонку.

4.Сравнить результаты по пункгам 1...3 для испытуемого образца с действительными значениями по октановому числу, давлению паров и содержанию факгических смол.

5.По полученным данным установить марку испытуемого бензина и соответствие его характеристик техническим показателям ГОСТ. Сформулировать мотивированное заключение о возможности применения данного бензина для ДВС.

6.Оформить отчёт по лабораторной работе и представить его на подпись преподавателю.

3.5 Указания по выполнению работы

Оценка бензина по внешним признакам

При отгрузке с завода бензины не должны содержать механических примесей и воды, однако при транспортировке, хранении, заправке в них

14

могут попасть примеси и вода. Наличие механических примесей в бензине при качественной оценке определяется визуальным осмотром пробы в стеклянном цилиндре диаметром 40...55 мм в проходящем свете, при этом невооруженным глазом на дне цилиндра не должно обнаруживаться взвешенных и осевших примесей.

Присутствие воды ухудшает низкотемпературные свойства нефтепродуктов, ухудшаются процесс испарения и горения, снижается теплота сгорания топлива, в этилированных бензинах присутствие воды значительно ускоряет процессы разложения ТЭС, что увеличивает их коррозионную агрессивность.

Вобычных условиях растворимость воды в бензине составляет сотые доли процента, что совершенно безвредно для работы двигателя. Если в бензине будет избыточное количество воды, то она будет собираться отдельным слоем на дне бака или находиться во взвешенном состоянии (т.е. эмульгированном состоянии) при движении. На этом основано качественное обнаружение воды в бензине, для чего используется стеклянные цилиндры диаметром 40...50 мм. Безводные бензины не образует водного слоя и совершенно прозрачны, те же бензины, у которых содержание воды больше количества, способного растворяться, имеют мутный цвет.

Метод определения воды в топливах заключается в следующем: топливо, налитое в стеклянный цилиндр, при рассмотрении его в проходящем свете, не должно содержать взвешенной и осевшей на дно цилиндра воды.

По цвету бензина можно определить его принадлежность к той или иной марке. Как известно, для предупреждения о том, что бензин этилированный, его окрашивают: А-76 в желтый цвет, АИ-91 - оранжевокрасный, АИ-98 - синий.

Вотличие от дизельных топлив и керосинов бензины имеют специфический запах, причем резко и неприятно пахнут бензины термического крекинга, а бензины, содержащие ароматические углеводороды (АИ-93), обладают слабым ароматным запахом.

Бензины, по сравнению с другими нефтепродуктами, имеют наиболее легкий фракционный состав. В связи с этим их легко отличить от дизельных топлив и керосинов. Для этого каплю испытуемого продукта наносят на фильтровальную бумагу и наблюдают за характером испарения. Авиационные и зимние автобензины полностью испаряются за 1 минуту не оставляя никакого следа. Летние автобензины испаряются медленнее - через 1 минуту на бумаге сохраняется не полностью высохшее пятно. Заметного испарения дизельного топлива и керосинов за

15

1 минуту обнаружить не удается.

Определение плотности бензина

Для многих нефтепродуктов показатель плотности не нормируется ГОСТом, но обязательно определяется при сдаче-приёмке.

Учёт бензина на нефтебазах, при оптовых перевозках производится в весовых единицах, фонды на бензин также устанавливаются в весовых единицах, нормы же расхода бензина и заправка его в баки производится в литрах. Следовательно, система учёта и отчётности, а также расчёты при составлении заявок на снабжение должны предусматривать перевод количества бензина из весовых единиц в объёмные и обратно.

При испытании автотракторных двигателей иногда применяют объёмный метод замера расхода топлива, а при построении характеристик пересчитывают их в массовые. Таким образом возникает необходимость производить пересчет объёмных количеств топлива в массовые и обратно. Пересчёт производится по формуле

где Gm - массовое количество топлива, кг; Vm -объемное количество топлива, м3; ρm - плотность топлива при температуре измерения, кг/м3.

Плотность ρm принадлежит к числу обязательных показателей, включаемых в паспорт на топливо для двигателей и измеряется массой топлива, заключённой в единице его объёма (кг/м3).

Для определения плотности бензина используется нефтеденсиметр (ареометр) представляющий собой стеклянный пустотелый поплавок, который снизу имеет балласт, а сверху трубку, внутри которой помещена шкала плотностей. Некоторые ареометры снабжаются термометром.

Прибор для определения плотности нефтепродуктов (рис. 1) состоит из нефтеденсиметра 1 и стеклянного цилиндра 2.

16

Рис. 1 - Прибор для определения плотности нефтепродуктов:

1 - нефтеденсиметр; 2 - стеклянный цилиндр

Порядок определения плотности топлива следующий:

-стеклянный мерный цилиндр 2 на 250 мл заполнить испытуемым образцом до уровня, отстоящего от верхнего обреза цилиндра на 50...60 мм;

-чистый и сухой нефтеденсиметр 1 осторожно опустить в цилиндр; во избежание поломки нефтеденсиметра держать его только за верхний конец и обязательно вертикально;

-после прекращения колебаний нефтеденсиметра и при условии, что он не касается стенки цилиндра, произвести отсчёт по верхнему краю мениска;

-через 1 минуту записать температуру топлива с точностью до градуса.

Показания нефтеденсиметра соответствует плотности нефтепродукта при температуре испытания. В стандартах плотность бензинов

указывается при температуре +20°С (ρ20).

В связи с этим данные измерений при иной температуре должны приводится к температуре +20°С по формуле

где ρ20 - плотность нефтепродукта при 20°С, кг/м3; ρt - показания ареометра, кг/м3; γ - средняя температурная поправка, кг/(м3 oС); t - температура испытаний, °С.

17

Приближённо температурную поправку на 1°С можно принять для бензинов 0,870 кг/(м3 °С); для дизельных топлив - 0,750 кг/(м3 °С); для масла-0,610 кг/( м3 °С).

Значения плотности некоторых нефтепродуктов приведены в таблице

1.

Таблица 1 -Плотность нефтепродуктов

Определение фракционного состава топлива

Основным методом при определении фракционного состава является разделение многокомпонентной смеси по температурам кипения. Метод фракционирования топлив заключается в разделении нефтепродукта на отдельные фракции по температурам кипения. Обычно в ГОСТе нормируется 10, 50 и 90...97,5 объёмных процентов от загрузки, а также ос-таток (в %), иногда и температура конца кипения.

Фракционный состав моторных топлив имеет очень важное эксплуатационное значение, т.к. характеризует их испаряемость в двигателях и давление паров при различных температурах и давлениях. От испаряемости зависит легкий запуск двигателя при низких температурах, быстрый прогрев двигателя, его хорошая приемистость к переменам режима работы.

Температура начала кипения и особенно температура выкипания 10% топлива характеризует пусковые свойства бензина. Чем ниже эта температура тем, следовательно, больше в топливе легковоспламеняющихся веществ и тем легче при низкой температуре можно запустить холодный двигатель. Для запуска холодного двигателя необходимо чтобы 10% бензина выкипали при температуре не выше 55°С (зимний сорт).

Можно приблизительно определить минимальную температуру

18

окружающего воздуха, при которой возможен пуск холодного двигателя (по температуре выкипания 10% топлива) по формуле

где tВmin - минимальная температура окружающего воздуха, при которой возможен пуск холодного двигателя, °С; t10% - температура выкипания 10% топлива, °С.

Однако, чрезмерное облегчение фракционного состава недопустимо, т.к. это способствует образованию паровых пробок в топливоподающей системе, что приводит к перебоям в подаче топлива в камеру сгорания. Поэтому температура начала кипения нормируется всегда не ниже определенной величины.

Качество горючей смеси при разных режимах работы двигателя, продолжительность прогрева (перехода с холостого хода на рабочий режим), возможность быстрого перехода с одного режима на другой (приёмистость) зависят от испаряемости рабочей фракции, которая по стандарту нормируется 50% - ной точкой выкипания. Чем ниже температура этой точки, тем однороднее состав рабочей смеси по отдельным цилиндрам, тем устойчивее работает двигатель, улучшается его приёмистость.

Большое значение имеет и полнота испарения топлива, что характеризуется температурами выкипания 90. ..97, 5% топлива и конца кипения, обычно эти температуры называют точкой росы т.е. склонностью топлива к конденсации. Склонность топлива к конденсации тем меньше, чем меньше интервал температур от 90'% до конца кипения. Поскольку тяжелые углеводороды испаряются не полностью, то оставаясь в капельножидком состоянии они смывают смазочную пленку с зеркала цилиндра, что приводит к увеличению износа деталей, разжижению масла, увеличению расхода топлива. Поэтому, чем меньше интервал температуры от 90%, до конца кипения, тем выше качество бензина, лучше экономичность и меньше износ деталей двигателя.

Необходимое оборудование:

-аппарат для перегонки нефтепродуктов;

-цилиндры измерителыные на 10 и 100 мл;

-секундомер;

-горелка газовая или электрический подогреватель с реостатом. Разгонка топлива проводится в аппарате, состоящем из колбы 1 с

отводной трубкой холодильника 3, термометра 2, мерного цилиндра 7 и нагревательного устройства 10 (рис. 2).

19

Рис.2 – Аппарат для разгонки нефтепродуктов:

1 - колба; 2 - термометр; 3 - трубка холодильника: 4,6- патрубки для ввода и вывода воды; 5 - баня холодильника; 7 - мерный цилиндр; 8 - асбестовая прокладка, 9 -кожух; 10 - нагревательное устройство

Сняв с аппарата предохранительный кожух 9, осторожно вынуть термометр 2, а затем носок колбы из трубки холодильника 3, после чего извлечь колбу 1 из аппарата.

Залить в колбу 100 мл испытуемого топлива следя за тем, чтобы оно не попало в отводную трубку. Внутрь колбы положить 2...3 кусочка пористого вещества (пемзы, шамота и др.) для равномерного кипения, которое происходит за счёт воздуха, выделяющегося из пористого вещества. В шейку колбы вставить пробку с термометром 2, так, чтобы ртутный шарик был на уровне отводной трубки. Колбу установить в колбонагреватель и соединить отводную трубку с холодильником.

Включить нагреватель и равномерно нагревать колбу так, чтобы до падения первой капли дистиллята с конца трубки холодильника в мерный цилиндр прошло 5... 10 минут.

Температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли, записать как температуру начала кипения. Далее перегонку вести с равномерной скоростью 4...5 мл в минуту, что соответствует примерно 20…30 каплям за 10 секунд. Через каждые 10 мл дистиллята полученного в мерном цилиндре, отмечать и записывать температуру.

20