увеличился до 4,6—4,9 %. Этот результат является закономерным, так как снижение нагрузки, а с ней и скоростного режима дизеля обычно сопровождается ухудшением смесеобразования и сгорания топлива. В этих условиях следует ожидать более полного проявле ния эффекта от микровзрывов и каталитического действия дисперги рованной в топливе воды. Там же, где процесс сгорания протекает с достаточно высокими скоростями и продукты неполного сгорания практически отсутствуют, трудно ожидать еще большего совершен ства от замены сухого топлива на ВТЭ. Иными словами, эффектив ность ВТЭ находится в прямой зависимости от степени совершенст ва процессов смесеобразования и сгорания. Там, где существуют определенные трудности в их должной организации (использова ние тяжелых медленно сгорающих топлив, плохое их распыливание, недостаток времени на сгорание и пр.), следует ожидать наи более ощутимого эффекта от применения ВТЭ.
Благодаря отмечаемому во всех опытах с ВТЭ более полному сгоранию топлива и газификации сажи существенно уменьшается нагарообразование в цилиндрах и в выпускном тракте дизеля. Так, эксплуатационные испытания двигателя 8ТАД36 на ВТЭ на базе мазута Ф-5 показали снижение нагара на 43 %, прекратилось коксообразование на распылителях форсунок, нагар в ЦПГ стал более рыхлым и легко удаляемым. Это позволило продлить ресурс между вскрытиями ЦПГ с 4 тыс. до 7 тыс. ч. Эксплуатация двигателя 520МТВН30 на ВТЭ (50 % смеси мазута Ф-5 с дизельным топливом) показала, что с увеличением содержания воды с 10 до 20 % коли чество образующегося нагара уменьшается в 2,2 раза. Снижение нагарообразования, сохранение цилиндров и выпускного тракта чистыми в течение длительного времени работы дизеля даже на тяжелых топливах составляют основное преимущество ВТЭ. Опыт показал, что выигрыш в экономичности не всегда достигается, особенно в новых дизелях, приспособленных к работе на тяжелых топливах, а снижение нагарообразования, более рыхлая, пори стая структура нагара отмечаются во всех случаях применения ВТЭ.
Контрольные вопросы
1.Каковы новые тенденции в процессах нефтепереработки и как они отражаются на качестве судовых топлив?
2.Перечислите и объясните эксплуатационные свойства топлив.
3.Какова роль кокса и асфальтенов и как увеличение их содержания отражается на сгорании и стабильности топлив?
4.Какова роль серы и ванадия?
5.Как оценивается самовоспламеняемость топлив?
6 . В чем отличие тяжелых топлив от дистиллятных?
7. Из каких составляющих складывается экономический эффект от ис пользования в дизеле тяжелых топлив?
8 . В чем состоит топливообработка?
9. Как осуществляется подача топлива к дизелю?
10.Какова роль химических присадок к топливам?
11.Как приготовляют ВТЭ и какой эффект дает их сжигание в дизеле?
Г л а в а 8
МАСЛА И МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЕ
8.1. Эксплуатационные свойства масел
Общие сведения. Высокий уровень форсировки современных дизелей, определяющий наличие в их узлах трения больших меха нических и тепловых нагрузок, а также использование высоковяз ких низкокачественных топлив привели к необходимости приме нения в них масел с высокими эксплуатационными свойствами. Са мые высококачественные, но чисто минеральные масла подобными свойствами не обладают, поэтому возникла необходимость легиро вать их специальными химическими соединениями— присадками. Именно поэтому основой современных масел является высококачест венное минеральное масло, в которое в зависимости от назначения введен тот или иной комплекс присадок, придающих ему необхо димые эксплуатационные свойства.
Для изготовления высококачественных масел обычно исполь зуют дистиллятные нефтепродукты (нейтральные компоненты), взя тые из верхней и средней частей дистилляционной колонны и со ответствующим образом обработанные. Для достижения вязкости, соответствующей классу 40—50 (SAE-40 и 50) и более высокому, отдельные компании, в том числе и нефтеперерабатывающие заводы
СССР, к нейтральным компонентам добавляют небольшие количе ства остатков, взятых из донной части дистилляционных колонн (брайтсток).
От основы зависят такие важные свойства масла, как вязкость, вязкостно-температурная характеристика, термическая стабиль ность, стойкость к окислению и испаряемость (летучесть). Введе ние брайтстока ухудшает эти показатели (исключая испаряемость), масло в двигателе быстрее окисляется, двигатель становится «гряз ным». Поэтому ведущие фирмы, в частности «Мобил», стремятся избегать этих добавок.
Антифрикционные (противоизносные) свойства. Антифрикци онные свойства определяют способность смазочных материалов сни жать затраты энергии на трение и предупреждать изнашивание трущихся поверхностей. В первую очередь антифрикционные свой ства масла зависят от вязкости и смазывающей способности.
Вязкость — один из важнейших показателей масла — опре деляет свойство сопротивляться относительному движению (сдви гу) его частиц, обусловливающее появление силы внутреннего тре ния между слоями жидкости, если последние имеют различные скорости движения. При оценке вязкости нефтепродуктов обычно используют коэффициент кинематической вязкости v. Вязкость
масла зависит от температуры (рис. 8.1), поэтому в стандартах на масла обычно указывают значения вязкости при 50 и 100 °С либо дают отношение кинематических вязкостей при этих температурах. За рубежом масла по вязкости принято классифицировать в еди ницах SAE (Societe Automobile Engineers), соотношение между единицами SAE и кинематической вязкостью приведено в табл. 8.1.
При выборе вязкости масла нужно учитывать определяемые ею потери на трение, несущую способность масляного слоя, прокачиваемость, отвод теплоты от охлаждаемых поверхностей, уплотняю щее действие и удаление загрязнений с поверхностей трения.
Роль вязкости в выполнении маслом перечисленных функций неоднозначна. Чем выше вязкость, тем больше его несущая спо собность, уплотняющее действие; уменьшение потерь на трение и нагарообразование, улучшение прокачиваемости, отвода теплоты и удаления продуктов износа являются результатом снижения вяз кости.
Известно, что вязкость увеличивается по мере охлаждения масла, и при понижении температуры до определенного значения масло переходит в «твердое или полутвердое состояние и теряет под вижность (текучесть). Это свойство характеризуется температурой
В ш о ст ь, мм2/с ( сСт)
3000
-35-30-25 '20-15-10 -5 0 5 10 15 20 2530 40 50 |
7 0 t , ° С |
|
Рис. 8.1. Зависимость вязкости моторных масел от температуры |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 8.1 |
|
Класс вязкости |
Кинематическая |
ВЯЗКОСТЬ V, мм2/с, |
|
|
|
при тем[пературе |
Класс по SAE |
|
(ГОСТ 174179.1—85) |
|
|
|
|
|
|
|
100°С |
|
—18 °С |
|
|
Зз |
Не менее 3.8 |
1250 |
5 |
|
43 |
» |
> |
4,1 |
2 600 |
10 |
|
53 |
» |
» |
5,6 |
6 000 |
15 |
|
6з |
» |
» |
5,6 |
10400 |
20 |
|
6 |
|
5,6—7,0 |
|
— |
20 |
|
8 |
|
7,0—9,5 |
|
— ■ |
20 |
|
10 |
|
9,5— 11,5 |
30 |
|
|
— |
|
12 |
11,5— 13,0 |
30 |
|
- — |
|
14 |
13,0— 15,0 |
40 |
|
------- |
|
16 |
15,0— 18,0 |
40 |
|
— |
|
20 |
18,0—23,0 |
50 |
|
------- |
|
|
|
|
|
|
|
4з/8 |
|
7,0 —9,5 |
|
2 600 |
10W-20 |
|
43/ 10 |
|
9,5— 11,5 |
2 600 |
10W-30 |
|
5з/10 |
|
9,5— 11,5 |
6000 |
15W-30 |
застывания масла. Приводимые в паспорте на масло значения f3acT на 3 °С превышают температуру, при которой масло теряет текучесть.
Противоизносные свойства определяются способностью сма зочных материалов предупреждать изнашивание трущихся поверх ностей путем создания между ними масляного слоя, обеспечиваю щего жидкостный или граничный режим трения. В условиях гра ничного смазывания важное значение имеет способность масла об разовывать на трущихся поверхностях прочную масляную пленку, способную предотвращать непосредственный металлический кон такт между деталями. Это свойство масла называется смазываю щей способностью (маслянистостью или липкостью). Зависит она от углеводородного состава масла. Ароматические углеводороды, на пример, обладают большей маслянистостью, чем нафтеновые и пара финовые. Кроме того, смазывающая способность связана с наличи ем в масле поверхностно-активных веществ (нафтеновых и карбо новых кислот, некоторых смол, асфальтенов и соединений, содер жащих в своей молекуле серу), являющихся носителями высокой маслянистости. Маслянистость может быть повышена введением в масло специальных присадок. Нужно также учитывать, что масля нистость возрастает в процессе окисления масла в двигателе в свя зи с образованием полярно-активных продуктов (карбоновых и оксикарбоновых кислот, альдегидов, спиртов и пр.).
Стабильность. Стабильность масел подразделяют на физиче скую и химическую. Под физической стабильностью понимается устойчивость масла к физическим процессам, вызывающим изме нение его состава и свойств, и выражающаяся в потере легких фракций при испарении, образовании стойкой пены и эмульсии при перемешивании, выпадении присадок при отстаивании и т. д.
Под химической стабильностью понимают способность масла противостоять химическим процессам, ведущим к изменению со става и свойств. Одним из основных химических процессов в масле является его окисление.
Ниже приводятся основные свойства масла, в той или иной мере определяющие его стабильность в процессе эксплуатации.
Основу смазочных материалов составляют фракции нефти, вы кипающие при 200—500 °С. Их нагревание в двигателях и механиз мах приводит к потере легких фракций, что вызывает изменение углеводородного состава, ухудшение вязкостно-температурных свойств, повышение температуры застывания и обусловливает по вышенный расход масла. Улетучивание масляной основы из масла приводит к росту концентрации загустителя, потере пластичности и растрескиванию. Об испаряемости масла судят по фракционному составу и температуре вспышки: чем ниже температура вспышки, тем при более низкой температуре выкипают первые фракции.
Под деэмульгирующими свойствами понимается способность мас ла отделять воду при их смешивании. Высокие деэмульгирующие свойства особенно важны для масел, используемых в судовых ме ханизмах и в первую очередь в паровых турбинах.
Эмульсии вызывают коррозию металла вследствие наличия в них воды, ухудшают смазывающие свойства, повышают вязкость и служат источником низкотемпературных осадков (шлама). Об разование стойких эмульсий сокращает срок работы масла. Водо масляные эмульсии (система типа вода в масле) подразделяют на грубо- и тонкодисперсные. Грубодисперсная эмульсия (состоит из относительно больших капель воды, разделенных слоем масла) не прочна и легко распадается при тепловом и механическом воздейст вии. Тонкодисперсная эмульсия (размер капель небольшой — примерно 1 мкм) непрозрачна (белого цвета), прочна и представ ляет опасность, так как может привести к нарушению смазки.
Устойчивость эмульсии определяется наличием в масле по верхностно-активных веществ, выполняющих роль эмульгатора, который обволакивает находящиеся в нем механические примеси и воду. Поверхностно-активными свойствами обладают продукты окисления масла (смолы, мыла органических кислот и пр.), поэто му отработавшие масла обладают значительно большей склонностью к образованию эмульсий, чем свежие.
Деэмульгирующие свойства маслам придают введением спе циальных присадок, способных растворять или выделять из соста ва защитных пленок природные или образовавшиеся в масле поверх- ностно-активные вещества.
Вспениваемость обусловлена выделением из масла при интен сивном перемешивании находящихся в нем воздуха, газов. Обра зующаяся пена состоит из пузырьков газов, покрытых тонкой плен кой масла, от прочности которой, ее поверхностно-активных свойств зависит устойчивость пены. Пенообразование нарушает нормаль
ный режим смазывания — уменьшается или полностью может пре кратиться подача масла к узлам трения, последние перегреваются, интенсифицируется окисление масла. Для разрушения пены в сма зочной системе предусматривают пеногасители и воздухоотдели тели.
Пенообразование уменьшается при повышении температуры мас ла (вследствие уменьшения растворимости газов, снижения проч ности масляных пленок и повышения давления в пузырьках возду ха). Наиболее эффективный способ борьбы с пенообразованием — введение в масло противопенных присадок (ПМС-200А), содержащих силиконы. Антипенное действие силиконов основано на их слабой растворимости в масле и небольшом поверхностном натяжении. Тонкодиспергированные в масле частицы присадки концентрируют ся на разделе фаз и гасят пузырьки пены.
Склонность к отложениям. Масло под действием температур, агрессивных соединений и воды образует на поверхностях лаки, нагары и в виде шлама выпадает в осадок. К лаковым отложениям относятся плотные продукты, образовавшиеся в ходе окисления масла на горячих поверхностях, по виду сходные с лаковыми по крытиями.
Несмотря на малую толщину лаковых отложений (50—200 мкм), они существенно усложняют работу дизеля. Лак способствует пригоранию поршневых колец и сепараторов подшипников качения, а также затрудняет отвод теплоты. Пригорание поршневых колец, т. е. заклинивание их в канавках поршня, происходит вследствие того, что канавки заполняются первоначально клейкими продукта ми окисления, которые затем превращаются в лак и прочно при хватывают кольца к стенкам канавок. Пригорание колец способст вует проникновению масла в камеру сгорания и увеличивает его расход. Пригоревшие кольца снижают компрессию дизеля, что при водит к прорыву газов в картер и уменьшению мощности дизеля, а также вызывает чрезмерное трение, повышенное изнашивание и задир зеркала цилиндра, поломку колец, а иногда и заклинивание поршня в цилиндре. Лаковая пленка на деталях действует подобно слою теплоизоляции, что приводит к повышению температуры де талей и дальнейшему стимулированию лакообразования.
Сложный механизм лакообразования в общем случае склады вается из двух процессов: окисления тонкого слоя масла непо средственно на поверхности нагретой детали и коагуляции в нем твердых продуктов окисления масла, образовавшихся в других зонах, а также продуктов окисления и неполного сгорания топлива.
Лакообразующие свойства масла зависят от его термоокисли тельной стабильности, нагарообразующей способности и моюще-
диспергирующих |
свойств. |
|
|
Термоокислительная |
стабильность |
определяет |
устойчивость |
масла к окислению в тонком слое при |
повышенной |
температуре. |
В основу метода |
оценки |
термоокислительной стабильности поло |
жено определение времени образования на горючей поверхности лаковой пленки определенной прочности. Термоокислительную стабильность повышают введением в масло противоокислительных присадок.
Нагарообразующая способность определяется склонностью масла к образованию на стенках камеры сгорания, головках поршней, клапанах и других деталях твердых отложений продуктов глубоко
го окисления |
масла/ В образовании нагара принимает участие |
и топливо. По |
структуре нагар бывает монолитным, пластичным |
и рыхлым и состоит из карбенов и карбоидов (50—70 %), асфальте нов и оксикислот (3—6 %), смол и масла (15—40 %)' золы (1— 10 %). Продолжительность фазы роста и количество образующегося нагара зависят от качества и расхода топлива и масла, температуры по верхностей, на которых откладывается нагар. При высоких темпе ратурах нагар не образуется, так как топливо и масло, попадающие на горячие поверхности, сгорают или образуют твердые углероди стые частицы, не способные удерживаться на поверхности, лишен ной связующей среды. Одним из показателей, характеризующих нагарообразующую способность масла, является зольность, в боль шой мере зависящая от количества содержащихся в масле солей металлов присадок. Соли металлов откладываются в нагарах на боковых поверхностях головок поршней и вызывают натиры и из нос втулок цилиндров в виде продольных полос в плоскостях разме щения маслоподводящих отверстий.
Моюще-диспергирующие (детергентно-диспергирующие) свойства
заключаются в предотвращении или уменьшении отложений про дуктов окисления масла (лаков, нагаров) на деталях двигателя и поддержании их в чистоте. Чисто минеральные масла без присадок моюще-диспергирующим свойством практически не обладают. Ме нее склонны к отложениям масла, содержащие полициклические ароматические углеводороды. Моюще-диспергирующие свойства придают маслам введением в них присадок — детергентов и диспергаторов.
Детергент представляет собой органометаллическое соединение, растворяющее продукты окислительной деградации масла. Бла годаря своей полярности детергент покрывает металлические по верхности пленкой, которая предотвращает отложение на них продуктов окисления углеводородов, составляющих лаки и нагары. Кроме того, детергент нейтрализует образующиеся кислые соеди нения благодаря щелочному действию солей Са, Ва и др.
Диспергатор представляет собой неметаллические беззольные соединения с разветвленными молекулами большой молекулярной массы. Являясь поверхностно-активными веществами, он обвола кивает органические и неорганические составляющие механических примесей, предотвращая их слипание и удерживая в мелкодис персном состоянии и тем самым исключая частицы из процесса об разования отложений.
Диспергаторы более эффективны по сравнению с детергентами при низких температурах, их область действия — картер двигате ля, в то время как детергенты воздействуют на ЦПГ. Детергенты и диспергаторы в масла вводят в виде композиции и в своем мою- ще-диспергирующем действии они взаимодополняют друг друга.
Осадки (низкотемпературные отложения, или шлам) осаждают ся из используемого масла в масляных цистернах, поддоне картера, маслопроводах, на фильтре, сетке приемника и т. п. По внешнему виду они представляют собой липкую мазеподобную массу темнокоричневого и черного цвета. Состав отложений зависит от каче ства применяемых масел и технического состояния, режима и усло вий эксплуатации дизеля.
Защитные и коррозионные свойства. Коррозия металла, покры того смазочным материалом, происходит под действием окружаю щей среды и коррозионно-активных продуктов, находящихся в са мом смазочном материале.
Защитные свойства смазочного материала состоят в изоляции поверхности металла от агрессивных продуктов и способности ак тивных компонентов масла формировать на ней водоупорную адсорб ционную или химическую пленку. Не само масло, а эта пленка является основным барьером на пути воды и газов к поверхности защищаемого металла. Адсорбционная пленка создается поверх ностно-активными веществами.
Коррозионные свойства смазочного масла связаны с присутстви ем в них органических кислот и других продуктов окисления, сер нистых соединений, неорганических кислот, щелочей и воды. Кор розия под действием органических кислот заключается в электро химическом растворении металлов, в первую очередь железа, свин ца, кадмия.
С целью нейтрализации образующихся в цилиндрах сильных не органических кислот при сгорании сернистых топлив антикорро зионным присадкам придают щелочные свойства, выражаемые общим щелочным числом масла (ОЩЧ) — это количество кислоты, выра женное в виде эквивалентного числа миллиграммов гидроокиси ка лия, необходимых для нейтрализации щелочных компонентов при садок, присутствующих в 1 г масла (мг КОН/г).
8.2. Применение и классификация масел
Применение масел. Масло применяют в зависимости от назначе ния, условий, в которых оно должно работать, и требований, кото рым оно должно удовлетворять.
Условия работы масла в дизелях далеко не одинаковы, так как различны уровень форсировки их рабочего процесса, конструкции, условия эксплуатации, вид используемого топлива, условия работы масла в цилиндрах и в системе циркуляционного смазывания.
Масла, предназначенные для циркуляционных смазочных систем крейцкопфных двигателей, должны удовлетворять следующим тре бованиям: обладать необходимой вязкостью для обеспечения гидро динамического, эластогидродинамического или гидростатического режимов смазывания в подшипниках, шестернях и других трущих ся элементах дизеля; защищать от коррозии подшипники и другие элементы конструкций дизеля, вызываемой действием минеральных и органических кислот в системе забортной и пресной воды; противо стоять окислению, длительное время сохранять свои моторные свойства (обладать большим сроком службы); обладать хорошей диспергирующей способностью, чтобы продукты окисления и за грязнения находились в суспензии и не откладывались на стенках картера и других частях дизеля, в то же время загрязняющие при меси должны свободно отделяться в фильтрах и центрифугах; про тивостоять образованию эмульсии при попадании воды и легко от делять воду при центрифугировании; присадки при обводнении не должны выпадать в осадок; обладать малой испаряемостью, влияю щей на расход масла.
Кроме того, при охлаждении поршней масло должно быть тер мически стойким, не образовывать отложений внутри головок поршней.
Чисто минеральные масла без присадок не в состоянии удов летворить всем перечисленным требованиям, поэтому они уступают место более совершенным маслам, легированным прежде всего антиокислительными и антикоррозионными присадками. ОЩЧ этих масел обычно невелико (2— 10 мг КОН/г).
Маслау предназначенные для смазывания цилиндров, должны удовлетворять следующим требованиям: хорошо распространять ся по поверхности зеркала цилиндра; противостоять действию кис лорода воздуха, агрессивных соединений продуктов сгорания; нейтрализовать сильные кислоты, образующиеся при сгорании сернистых топлив, для исключения электрохимической коррозии цилиндров; масляная пленка, образующаяся в условиях гранич ного трения, должна быть прочной и выдерживать высокие давле ния и температуры; хорошо уплотнять зону колец и допускать ми нимальный износ ЦПГ; обладать высокими детергентными свойст вами, обеспечивающими высокую стойкость к лако- и нагарообразованию на деталях ЦПГ; предохранять металл от коррозии.
К нейтрализующей и детергентно-диспергирующей способности цилиндровых масел предъявляются особенно жесткие требования. Важно также для смазывания цилиндров использовать более вязкие масла, поскольку они должны работать при высоких температурах. Поэтому современная практика ориентируется исключительно на высоколегированные масла с ОЩЧ 30—70 мг КОН/г и вязкостью 14— 16 мм2/с (SAE-40).
Условия работы циркуляционных масел в тронковых средне оборотных дизелях существенно отличаются от условий в крейц-
копфных |
дизелях. В тронковом дизеле цилиндры не отделены от |
картера, |
поэтому агрессивные продукты сгорания топлива и вы- |
пускные |
газы имеют возможность проникать в картерное масло и |
интенсифицировать процесс его старения. Кроме того, циркуляци онное масло забрасывается в цилиндры и участвует в их смазыва нии. Поэтому масло, используемое в среднеоборотных дизелях, должно быть универсальным и отвечать требованиям как циркуля ционных, так и цилиндровых масел. В зависимости от уровня тепловых нагрузок, в свою очередь определяемых уровнем форси ровки рабочего процесса двигателя, и качества применяемых топлив степень легирования масел присадками может быть различной, их ОЩЧ лежит в пределах 10—30 мг КОН/г масла. Вязкость масел для среднеоборотных двигателей обычно 10— 12 мм2/с (SAE-30).
Классификация и сорта моторных масел. В соответствии с су ществующей в СССР классификацией моторные масла в зависимо сти от эксплуатационных свойств подразделены на шесть групп— А, Б, В, Г, Д, Е. Причем в каждую группу могут входить масла,
различающиеся по вязкости от 6 до 20 мм2/с |
при 100 °С. |
Масло каждого |
сорта имеет |
свой |
индекс, |
например М-12В — |
моторное вязкостью |
12 мм2/с при |
100 |
°С, группа В и т. д. Для ма |
сел |
каждой группы |
характерны |
свои |
показатели качества и мотор |
ные |
свойства: |
|
|
|
|
А — масла без присадок либо содержащие небольшое количе ство антиокислительной присадки или депрессатора, предназначен ные для бензиновых карбюраторных двигателей или для некоторых малонапряженных дизелей, работающих на маслосернистом топ ливе;
Б — масла, содержащие до 3—4 % алкилфенольной присадки типа ЦИАТИМ-339 или АзНИИ-7, для относительно малонапряжен ных в основном тракторных дизелей, работающих на топливе с
ограниченным |
содержанием серы |
(до |
0,2—0,5 %); |
В — масла, |
содержащие 4—7 |
% |
композиции присадок, для |
форсированных дизелей (тепловозных, судовых), работающих на
сернистых топливах с содержанием |
серы до 1 %; |
Г — масла, содержащие 7— 12 % |
композиции присадок, для |
особо тяжелых условий работы форсированных дизелей с надду вом, работающих на сернистых топливах;
Д — масла для сверхтяжелых условий работы форсированных дизелей с высокой степенью наддува, содержание присадок может быть доведено до 18—20 %;
Е — масла для смазывания цилиндра малооборотных судовых дизелей с наддувом, работающих на тяжелых сернистых топливах, а также для свободнопоршневых генераторов газа; содержание при садок достигает 25 %.
По зарубежной классификации моторные масла подразделяют в зависимости от условий работы в двигателе по вязкости (клас сификация SAE) на три серии:
