Одержання та переробка нафтопродуктів

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Одержання та переробка нафтопродуктів

Одержання та переробка нафтопродуктів

99

ЛЕКЦІЇ

З ДИСЦИПЛІНИ «ПАЛИВНО-МАСТИЛЬНІ ТА ІНШІ ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ»

1. Одержання нафтопродуктів, їх види. Експлуатаційні властивості та використання автомобільних бензинів (І частина)

Загальна характеристика і роль паливно-енергетичних ресурсів у сільському господарстві

Сучасне сільськогосподарське виробництво України витрачає близько 40…50% нафтопродуктів від загальної кількості, що використовуються у народному господарстві.

99

Рис. 1.1. Структура енергоносіїв у сільськогосподарському виробництві

Від якості, вірного вибору та вмілого використання нафтопродуктів залежать не тільки їх витрати, але й технічний стан сільськогосподарської техніки та нафтоскладського обладнання, ефективність роботи та використання, витрати праці. Встановлено, що у загальній вартості тракторних робіт на частку нафтопродуктів припадає більш 50…60% усіх витрат.

Тому, раціональне використання паливно-мастильних матеріалів забезпечує зниження витрат на виробництво сільськогосподарської продукції, що є завданням державної ваги.

Згідно міжнародного стандарту ISO 8681 (International Organization for Standardization - Міжнародна організація зі стандартизації), усі нафтопродукти класифікують на п'ять основних класів по буквеним індексам (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Класифікація нафтопродуктів згідно ISO 8681

Нафта - основна сировина для отримання палив і масел

Нафта - горюча масляниста рідина, що добувається з надр землі, від темно-бурого до ясно-жовтого кольору з характерним запахом. Нафта - суміш рідких вуглеводнів, атоми вуглецю яких складають основу складних молекул, з'єднаних з воднем і між собою у ланцюгові, кільцеві, гіллясті та інші форми (парафінові, нафтенові і ароматичні), у якій розчинені газоподібні і тверді вуглеводні. У невеликих кількостях містить сірчисті та азотисті з'єднання, органічні кислоти і деякі інші хімічні сполуки.

Склад і властивості нафти залежать від родовища і можуть мати різні складові. У нафті утримується 82…87% вуглецю, 10…14% водню і до 0,5…5,0% (сумарно) інших елементів (сірка кисень і азот). Нафта може мати густину від 0,65 до 1,05 кг/см3, температуру застигання від плюс 26 до мінус 60 С, температуру спалаху - нижче 0 С, температуру самозаймання - вище 500 С і теплоту згоряння 43,7…46,2 МДж/кг.

Україна - нафтовидобуваюча країна. Промисловий видобуток нафти розпочався наприкінці ХVІІІ сторіччя. Як свідчить геологорозвідка, Україна має власні ресурси нафти - 8417,8 млн. т умовного палива, з них нафта - 1325,7 млн. т. (15,7%), газовий конденсат - 380,5 млн. т (4,5%), газ вільний - 6435,7 млн. т (76,5%), газ розчинений - 275,9 млрд. м3 (3,3%). Видобуток здійснюється у трьох нафтогазоносних районах - Прикарпатському, Дніпровсько-Донецькому і Причорноморському.

Україна відноситься до числа країн, у яких власний видобуток нафти не забезпечує потреби промисловості. Власні нафтові ресурси задовольняють потребу внутрішнього ринку лише на 11%, з природного газу - на 22%. Основна частина нафти для нафтопереробної промисловості імпортується. Постачанням нафти на Україну займається близько 400 фірм. Основна частина сирої нафти надходить з Росії і Казахстану (75 і 13 відсотків відповідно). Окремі партії нафти поставляються з інших країн (Туркменістан, Узбекистан та ін.).

Нафта, що добувається на промислах, містить розчинені гази, механічні домішки у виді піску і глини (до 1,5%), воду (до 50% і більш), солі (від 0,0001 до 10 г/дм3). У нафту можуть попадати компоненти технологічних засобів, які застосовуються для збільшення нафтовіддачі шарів, запобігання корозії устаткування, відкладення парафінів і солей, поразки нафти мікроорганізмами та ін. Для забезпечення необхідної якості нафти для її подальшого транспортування і переробки на промислах проводиться її підготовка (стабілізація, зневоднювання, знесолення та ін.). Якість нафти для нафтопереробних підприємств повинна відповідати вимогам стандартів і технічних умов, що обумовлюються у контрактах на поставку продукції. Основні вимоги до якості нафти керуються ГОСТ 9965-76.

Стандарт поширюється на нафту, що поставляється нафтопереробним підприємствам та призначена для переробки. У залежності від ступеня підготовки, стандартом встановлені 1, 2 і 3 групи нафти.

У залежності від масової частки сірки, нафти підрозділяються на три класи:

1 - малосірчисті (до 0,60%);

2 - сірчисті (від 0,61 до 1,80%);

3 - багатосірчасті (більш 1,80%).

У залежності від густини при 20 С, кожен клас нафти підрозділяється на три типи:

1 - легкі (до 850 кг/м3);

2 - середні (від 851 до 885 кг/м3);

3 - важкі (більш 885 кг/м3).

Умовне позначення нафти складається з трьох цифр, що відповідають класу, типу і групі.

Приклад: «Нафта Самотлорського родовища з масовою часткою сірки 0,96% (клас 2), густиною 842,6 кг/м3 (тип 1), концентрацією хлористих солей 72 мг/дм3, масовою долею води 0,3% (група 1) - позначають 2.1.1.».

Хімічний склад нафти, його вплив на властивості нафтопродуктів

Груповий склад визначається вуглеводнями, які входять до складу нафти, основними з яких є: парафінові (насичені, граничні, алкани) із загальною структурною формулою СпН2п+2; нафтенові (поліметиленові, циклани) із загальною структурною формулою СпН2п і ароматичні (бензольні, арени) із загальною структурною формулою СпН2п-б.

Властивості вуглеводнів кожної групи визначаються структурою молекул та їх молярною масою. З ростом молярної маси збільшуються густина, в'язкість, температура плавлення і кипіння вуглеводнів.

У залежності від вмісту у нафті трьох основних груп вуглеводнів - парафінових, нафтенових і ароматичних - розрізняють метанові, метаново-нафтенові, нафтенові, нафтено-ароматичні та ароматичні нафти.

Паливо - це горюча речовина (основна складова частина якого - вуглець), що здатна до виділення ймовірно більшої кількості тепла, розвиваючи при цьому високу температуру. Крім того, паливо при згорянні не повинне виділяти токсичних сполук. Таким чином, до палива можна віднести не усі речовини, які здатні горіти. Паливо може знаходитися у надрах землі у готовому виді або бути отримане штучно. Палива, в свою чергу, підрозділяють по чотирьом загальним признакам на групи, сорт, марки і види:

1) по походженню - на природні і штучні;

2) по хімічному складу - на вуглеводні і не вуглеводні;

3) по агрегатному стану - на газо образні, рідкі й тверді (табл. 1.2);

Таблиця 1.2. Основні види палива

4) в залежності від області застосування (табл. 1.3).

Таблиця 1.3. Класифікація палив по ГОСТ 4.25-83

Хіммотологія - наука про експлуатаційні властивості, якість і раціональне використання в техніці палив, масел, мастил та спеціальних рідин.

99

2. Експлуатаційні властивості та використання автомобільних бензинів (ІІ частина)

3. Експлуатаційні властивості та використання дизельного палива

Умови застосування та вимоги до дизельного палива

По класифікації рідких нафтових палив за призначенням, до другої групи віднесені палива для поршневих двигунів із займанням від стиску - дизельне паливо. Дизельне паливо - це складне утворення парафінових (10…40%), нафтенових (20…60%) і ароматичних (14…30%) вуглеводнів та їх похідних середньої молекулярної маси 110…230, що википають у межах 170…380 0C.

У сільському господарстві дизельне паливо використовується для роботи тракторів, комбайнів та інших самохідних сільськогосподарських машин, вантажних автомобілів, деяких стаціонарних дизелів. У середньому по Україні 73% дизельного палива йде на тракторні роботи, 9,8% - на роботу самохідних комбайнів, землерийних машин, автомобілів і стаціонарних двигунів, 17,5% - на приготування трав'яного борошна, спалювання у теплових установках та інші потреби. Це становить долю використання дизельного палива у цій галузі близько 40%. У перспективі планується перехід на дизельне паливо двигунів більшості вантажних та багатьох легкових автомобілів, тобто до 2010 року прогнозується збільшення його використання більш ніж у чотири рази. Основна перевага дизелів - висока економічність: питомі витрати палива менше на 20…30%, ніж у карбюраторних двигунів. А коефіцієнт корисної дії (ККД) дизелів (45%) на цей час на 10% перевищує ККД карбюраторних двигунів (35%) і мають, крім цього, цілий ряд таких переваг, як можливість форсування наддувом. Крім того, дизельне паливо менш вогненебезпечне, завдяки гіршій випаровуваності значно зменшує втрати від випаровування при транспортуванні і зберіганні; саме використання дизельного палива розглядається як засіб збільшення паливних ресурсів за рахунок застосування більш вагових нафтових фракцій - типа керосину, газойлю та їх сумішей.

У дизельних двигунах випаровування палива здійснюється у повітрі, нагрітому до високих температур (близько 700 0C). Утворення горючої суміші забезпечують найбільш висококиплячі фракції продуктів переробки нафти. У швидкохідних дизелях з високим числом обертів колінчастого валу застосовують низькокипляче паливо, бо час на випаровування та сумішоутворення у них менше ніж у середньо - та тихохідних двигунах.

Значні вимоги, які пред'являють до сучасних дизелів, призвели до розвитку різних засобів організації робочого процесу та сумішоутворення (об'ємне, пристінне, комбіноване). Однак, спільним є те, що у дизелях використовується внутрішнє сумішоутворення (утворення суміші безпосередньо у циліндрі). Процес сумішоутворення починається фактично у момент початку вприскування палива у нагріте повітря (температура близько 4000…5000C і тиск - 2,5…3 МПа) у кінці такту стиску і завершується одночасно з кінцем горіння. Таким чином, на випаровування палива та перемішування його з повітрям відведено дуже мало часу (0,6*10 -3…2*10 -3 с). Щоб паливо за цей час встигло випаруватись, розмір краплин повинен бути у межах 10…20 мкм, а із зменшенням діаметру краплин зростає швидкість їх нагріву. Якість сумішоутворення та згоряння визначається характеристиками вприску палива та його розпилу, швидкостями пересування повітря у камері згоряння, геометричними характеристиками та матеріалом розпилювача і камери згоряння, якістю палива (випаровуваністю, в'язкістю та інше). Особливо важливо у процесі згоряння запобігти великій швидкості зросту тиску, що обумовлює жорстку роботу та великі навантаження на деталі двигуна. Меншу жорсткість роботи забезпечують палива з кращим займанням.

Сучасна паливна апаратура дизелів складається з високоточних деталей (зазори у плунжерних парах складають 2…5 мкм), які здійснюють зворотно-поступальні та обертальні рухи відносно один одного на великих швидкостях. У процесі дозування та стискання паливо протікає по каналам паливної апаратури на величезних швидкостях. Ці фактори обумовлюють жорсткі вимоги до чистоти дизельного палива і вмісту води у ньому, а також до в'язкості та наявності змащувальних властивостей.

Особливі проблеми виникають при використанні дизельних палив у зимовий період. При зниженні температурі у паливі утворюються кристали парафінів, що веде до підвищення в'язкості. Забиваючи фільтри тонкої очистки, виникає загроза неможливості проходження палива через них. З цих причин, при використанні дизельних палив при мінусових температурах, вони повинні зберігати можливість до фільтрації і рухливості.

Таким чином, особливості процесів сумішоутворення та згоряння у дизелях, а також конструкції паливних систем пред'являють цілий ряд вимог до фізико - хімічних та експлуатаційних властивостей палив, що забезпечують надійну та довгострокову роботу сучасних і перспективних дизельних двигунів у різноманітних кліматичних умовах, високі енергетичні та економічні показники, а також низьку токсичність відпрацьованих газів.

Загальні вимоги до якості дизельного палива наступні:

ь паливо повинно мати оптимальний фракційний склад і в'язкість, які забезпечують необхідну дисперсність факела розпилювання та випаровуваність, а також змащування плунжерних деталей паливної апаратури;

ь володіти оптимальним самозайманням для забезпечення легкого пуску дизеля у різних кліматичних умовах і повністю згоряти при малому значенні періоду затримки займання;

ь мати оптимальні низькотемпературні властивості для заданих кліматичних умов застосування;

ь не містити корозійно-активних речовин, смолистих з'єднань, механічних домішок і води;

ь мати високу стабільність при тривалому зберіганні;

ь не утворювати підвищених лако- та нагаровідкладень на деталях двигуна і паливної апаратури;

ь не викликати підвищеного зносу деталей циліндро-поршневої групи двигуна;

ь не утворювати при згоранні підвищеної димчасті та мати низьку токсичність відпрацьованих газів.

Якість сумішоутворення залежить від в'язкості густини, випаровуваності палива, поверхневого натягу. Стандартом регламентовано перші три показники.

При аналізі впливу якості палива на сумішоутворення доцільно було б розглянути складаючи його «елементарні» фізичні процеси:

Під розпилом палива прийнято вважати процес розпаду струменя, що витікає із розпилюючого пристрою (форсунки) на краплини, та подальше подрібнення цих краплин на більш дрібні. У дизелях визначений розмір краплин обумовлено заданою геометрією факела розпилу. При цьому, як збільшення, так і зменшення розміру краплин, веде до порушення геометрії факела, а, як наслідок, до порушення роботи двигуна.

Розпад струменя палива на окремі краплини та якість сумішоутворення протікає під впливом зовнішніх і внутрішніх сил. Зовнішніми є аеродинамічні сили, що діють на струмінь. До внутрішніх відносять сили, що обумовлені впливом фізико-хімічних властивостей палива. До них відносять густину, в'язкість, поверхневий натяг. Розглянемо вплив цих властивостей більш детально.

Густина дизельного палива у більшій мірі визначає характеристики вприску палива - залежність об'єму палива, що подається форсункою від початку вприску до заданого моменту подачі. Оскільки паливний насос дизеля дозує кількість вприскуємого палива по об'єму нагнітальної порожнини насоса, при цьому, при об'ємному дозуванні збільшення густини палива збільшує його масову витрату прямо пропорційно. Крім того, внаслідок підвищеного максимального тиску у трубопроводі зростає продуктивність вприску, а тривалість, як правило, зменшується.

В'язкість дизельного палива у значній мірі визначає роботу паливної апаратури дизеля. Наприклад, зменшення в'язкості палива веде до зміни геометрії факела розпилу палива, основною характеристикою є далекобійність. Встановлено вплив фізико-хімічних властивостей дизельного палива на довжину суцільної дільниці струменя розпиленого палива Lc:

де - кінематична в'язкість при 20 0С, мм2/с;

- густина палива при 20 0С, кг/м3;

- поверхневий натяг.

З підвищенням густини і в'язкості палива збільшується далекобійність струменя та ступінь заповнення камери згоряння паливом.

В'язкість також безпосередньо впливає на токсичність палива. Тонкість розпилу оцінюють розмірами краплин, що забезпечують найбільш повне і швидке випаровування і мають бути у межах 5…40 мкм. Середній діаметр краплин dc залежить від фізико-хімічних властивостей дизельного палива у такій залежності:

dc ~

Підвищення кінематичної в'язкості з 3 до 9 мм2/с веде до збільшення середнього діаметру краплин приблизно у 2 рази, густини - з 0,74 до 0,88 г/см3 - у 5 разів. Підвищення густини палив супроводжується сильним підвищенням в'язкості. При невеликій в'язкості зростає втрата палива у зазорах між плунжером та гільзою паливного насоса під час такту нагнітання, і як наслідок, кількість палива вприскуємого у циліндр зменшується, порушуючи роботу двигуна.

Паливо у системі живлення дизельного двигуна, крім того, виконує роль мастильного матеріалу. При недостатній в'язкості палива підвищується знос плунжерних пар насоса та голок форсунок.

Випаровуваність дизельних палив по стандарту оцінюється тільки фракційним складом.

Випаровуваність палив у дизельних двигунах має не таке важливе експлуатаційне значення, ніж випаровуваність бензинів у карбюраторних двигунах. Це пов'язано з тим, що у дизельному двигуні, сумішоутворення протікає при дуже високій температурі у кінці такту стиску повітря.

Фракційний склад сучасного стандартного дизельного палива має такі характеристики.

Випаровуваність дизельних палив, у першу чергу, визначають пускові властивості.

Пускові властивості дизельних палив залежать від температури википання 50% (t50%) фракцій. При цьому, цетанове число (якщо воно не надто низьке) впливає на легкість пуску, у меншій мірі, ніж фракційний склад. При запуску двигуна складаються найбільш несприятливі умови для сумішоутворення та самозаймання палива, внаслідок недостатньо високої температури у кінці такту стиску. При цьому велика кількість тепла передається холодним стінкам, а частина стискаємого повітря, при невеликих пускових обертах колінчатого валу, буде прориватися у картер. Ступінь стиску, а, як наслідок, і температура повітря у кінці стиску, будуть нижче порівняно з прогрітим двигуном. Саме тому, випаровуваність має бути такою, щоб у момент самозаймання утворювалася горюча суміш, яка відповідає межам займання.

Обважнювання фракційного складу погіршує пускові властивості. Полегшення пуску двигуна з кращою випаровуваністю спостерігається лише до певних меж полегшення фракційного складу, у зв'язку з погіршенням займання (рис. 1.11). Крім того, відбувається перезбагачення суміші поблизу форсунки і збіднення у решті камери згоряння, знову погіршуються пускові характеристики. Температура википання 96% фракцій палива (t96%), в основному, здійснює вплив на потужності та економічні показники роботи дизеля.

Рис. 2. Вплив фракційного складу на показники роботи одноциліндрової установки, на базі двигуна ЯМЗ-236 у залежності від цетанового числа палива: І - ЦЧ=40±2; ІІ - ЦЧ=46±2; ІІІ - ЦЧ=52±2

Займання та згоряння палива у дизелі

Здатність дизельного палива самозайматися у дизелі та інтенсивність його згоряння залежить від хімічного складу палива, випаровуваності та цетанового числа. Стандартом самозаймистість палива кількісно оцінюється цетановим числом.

Сутність процесів займання та згоряння палива принципово різниться, хоча обидва представляють собою окислення молекул пального.

Самозаймистість дизельного палива у двигуні відбувається в результаті виникнення двох необхідних умов:

1) порушення рівноваги між швидкостями утворення та розпаду нестійких киснемістких з'єднань, у результаті цього виділяється надлишкова кількість енергії (тепла);

2) порушення рівноваги між швидкостями тепловиділення (від окислення палива) і тепловідводу до стінок камери згорання, у результаті чого температура підвищується, а хімічні реакції переходять в екзотермічні.

У любому дизельному двигуні процес згоряння палива можна розділити на чотири фази:

Ш передполум'яні екзотермічні хімічні реакції окислення палива (період затримки займання);

Ш період швидкого згоряння палива (період різкого наростання тиску);

Ш період сповільненого горіння;

Ш фаза догорання палива.

На рис. 3 представлено розвернуту індикаторну діаграму дизельного двигуна.

Рис. 3. Розгорнута індикаторна діаграма дизельного двигуна

Складному процесу самозаймання дизельного палива завжди передує період затримки займання (ділянка 1-2, див. рис. 3) - проміжок часу від початку вприскування (точка 1) палива до моменту його займання (точка 2).

Загальний період затримки займання складається з часу, що витрачається на протікання фізичних процесів (фф) (розпил палива, перемішування його з повітрям, нагрів та випаровування (фф ? 0,1…10 -3 мс), і часу необхідного для хімічних реакцій (фx) (передполум'яні реакції багатостадійного окислення вуглеводнів палива, фx ? 1,8…5,0 мс).

У результаті передполум'яних реакцій накопичується тепло (його виділяється більше, ніж відводиться до стінок камери згоряння), температура підвищується, швидкості хімічних реакцій ростуть і починається процес горіння (точка 2, рис. 3) - самозаймаються проміжні продукти окислення палива.

У період швидкого зростання тиску (ділянка 2-3) відбувається процес горіння. Однак, подача палива на цей час ще продовжується, тому за другу фазу не може згоріти весь цикловий заряд палива, а згоряє тільки його основна частина. Інтенсивність наростання тиску залежить від об'єму палива, яке подається в циліндр за період затримки займання.

У період повільного горіння (ділянка 3-4) згорає та частина палива, що продовжує подаватися форсункою до кінця вприскування. Під час цієї фази горіння тиск в циліндрі спочатку майже не змінюється, а потім починає знижуватися.

Дизельні палива, які володіють кращою займистістю у двигуні, забезпечують нормальне протікання процесу згоряння без різкого підвищення тиску і появи, у зв'язку з цим, стуків у циліндрі. Однак, надмірне зменшення періоду затримки займання недоцільне, оскільки знижується повнота згоряння, збільшується витрата палива, чадність відпрацьованих газів та маса відкладень нагару у камері згоряння.

Цетанове число (ЦЧ) - основний показник займистості палива у дизельному двигуні, який характеризує тривалість періоду затримки займання палива.

При малому періоді затримки займання двигун працює «м'яко», без стуків, при підвищеному періоді затримки, у камері згоряння накопичується паливо, що веде до вибухового згоряння. В цьому випадку тиск росте дуже стрімко і тому двигун працює «жорстко», із стуками.

Незалежно від складу палива, з підвищенням ЦЧ, період затримки займання знижується, але з підвищенням форсування двигуна (збільшення температури, перш за все, і тиску заряду) його вплив зменшується, що спостерігається при підвищенні частоті обертів колінчатого валу двигуна.

Вибір ЦЧ для дизелів визначається найбільшим ефектом зниження періоду затримки займання (найбільш ефективне значення ЦЧ 45…50 одиниць). При значному збільшенні цетанового числа (більше 70 одиниць) наглядається втрата потужності та димність відпрацьованих газів двигуна. Це пояснюється тим, що при дуже малому періоді затримки займання паливо швидко згорає у безпосередній близькості від форсунки. Решта палива, що вприскується, попадає у зону горіння. В результаті цього, у камері згоряння утворюються зони перенасиченої (у районі форсунки утворюються продукти неповного згоряння - сажа) та перезбідненної (неповне використання об'єму камери згоряння на периферії) сумішей. Це знижує потужності та економічні показники двигуна. Крім цього, збільшення ЦЧ підвищує вартість палива.

На практиці, при відсутності можливості визначення ЦЧ за моторним методом, використовують розрахунок цетанового індексу по показникам палива. Однак, цетановий індекс лиш приблизно може оцінити величину ЦЧ. По стандарту цетановий індекс розраховують за формулою

ЦІ = 454,74-1641,41с+774,74с2-0,554t50%+97,803 lg2t50%,

де с - густина палива при 150С, г/см3

t50% - температура википання 50% фракцій палива, 0С.

При однакових ЦЧ обваження фракційного складу палива приведе до росту тривалості періоду затримки займання.

Схильність до утворення відкладень

Для надійної роботи дизельних двигунів палива, які застосовуються, не повинні викликати значних відкладень нагару, лаку осадків на деталях камери згоряння та в агрегатах системи живлення. Стандартом до утворення відкладень регламентована зольністю і коксівністю 10%-вого залишку, концентрацією фактичних смол.

Дизельне паливо при згорянні не повинне утворювати нагаровідкладення на деталях камери згоряння, клапанах газорозподільного механізму, поршневих кільцях, голці та корпусі форсунки і т. д., тобто не призводити до значних порушеннь у роботі. Так, нагар, що утворюється на клапанах, призводить до їх зависання, у камері згорання - до порушення тепловіддачі, на форсунках - погіршення якості вприскування. Вкрай небажане утворювання відкладень на поршневих кільцях, що приводить до їх закоксовування, отже, порушує компресію, збільшує прорив газів в картер двигуна, підвищує частку угару моторного масла і т. п.

На процес нагароутворення у дизелі впливають наступні властивості палива: неповнота згоряння - по причині тяжкого фракційного складу та підвищеної в'язкості; присутність у паливі високомолекулярних смолисто-асфальтових з'єднань, концентрація фактичних смол, ненасичених вуглеводів, сірчистих з'єднаннь і механічних домішок; підвищеної зольності. Тому, для того, щоб зменшити нагароутворення у двигуні, необхідно або повністю очистити паливо від небажаних з'єднань, або значно зменшити їх присутність.

Для оцінки схильності палива до нагароутворення використовують показник коксівності. Його зручно використовувати для порівняльної оцінки різноманітних партій одного і того ж палива при приймальних випробуваннях.

Коксівність 10%-вого залишку є непрямим показником схильності палив до нагароутворення.

Крім нагару, на деталях утворюються також лакові відкладення - продукти високотемпературного окислення ненасичених вуглеводів і других з'єднань. Окремо показник коксівності палива можна оцінювати за вмістом у ньому смол.

Небажаною частиною дизельного палива є зола, що представляє собою мінеральний залишок після горіння палива в атмосфері повітря при температурі 800…850 °С. Для дизельного палива зольність не повинна перевищувати 0,01%. З підвищенням зольності значно росте знос деталей паливної апаратури і ци-ліндропоршневої групи двигуна.

Зольність - показник схильності до утворення відкладень при високих температурах.

Сірчисті з'єднання, які містяться у паливі, впливають, головним чином, на якість нагару. Сірка, концентруючись у нагарах та відкладеннях, робить їх більш твердими і важковиводимими. Так, при вмісті у паливі 0,08% сірки у нагарах її містилося 1%, а густина відкладень становила 0,03 г/см3. При підвищені вмісту сірки у паливі до 1,5% у нагарах її вміст зріс до 9%, а густина відкладень збільшилася до 0,5 г/см3.

Корозійна активність, протизносні властивості палива

Корозійна активність дизельних палив та протизносні властивості оцінюються по стандарту вмістом загальної і меркаптанової сірки, сірководню, випробуванням на мідній платині, кислотністю.

Під корозійною активністю вважається властивість палива або продуктів його згоряння викликати при контакті з металами корозію.

Під протизносними властивостями вважається спроможність палива виконувати функції змащувально-консерваційного матеріалу для деталей паливної апаратури, тертьових плунжерних пар паливних насосів.

Корозійна активність дизельних палив залежить від вмісту у них у значних кількостях безвуглеводних компонентів - кисне- і сірко з'єднань.

Кислотність характеризує вміст органічних кислот у дизельному паливі, які викликають корозію кольорових металів, особливо свинцю і цинку.

При збільшенні кислотності дизельного палива з 4 до 5 мг КОН на 100см3 продуктивність форсунок за один хід плунжера може зменшуватися на 13,5%, а середній знос плунжерних пар - збільшитися на 50%.

Сірка, якщо вона є у вільному стані у паливі, майже миттєво взаємодіє з міддю та її сплавами, створюючи сульфіди, внаслідок чого поряд із корозією металу, що призводить до втрати його маси, спостерігається утворення відкладень на металі. Встановлено, що при зниженні вмісту сірки у дизельному паливі з 1,0 до 0,003% зменшується знос плунжерів у 2 рази. Знос деталей циліндропоршневої групи ілюструється рис. 4.

Меркаптановою сіркою називають частку (у відсотках), що припадає у паливі на наявну у меркаптанах сірку. У меркаптанах атом водню здатен заміщатися на метал з утворенням меркаптидів. При окисленні меркаптанів можуть утворюватися сульфоокисли і сірчана кислота. Корозія металів меркаптанами визначається їх концентрацією (вище 0,01%) у паливі і складом.

Вміст сірководню - обов'язковий контрольний показник якості палива. Сірководень кородує цинк, залізо, мідь, латунь, алюміній. Тому, при його виявленні дизельне паливо для застосування не придатне.

Іспит на мідній пластинці - якісний показник присутності активних сірчистих з'єднань у паливі.

Для вивчення впливу всіх факторів на протизносні властивості дизельних палив були проведені дослідження на машині тертя КИИГА, що відтворює тертя ковзання, результати яких мають гарну кореляцію і з зносом плунжерів паливних насосів двигунів. Протизносні властивості (рис. 5) оцінювали по діаметру плями зносу шарів (в мм), критичному навантаженню (в Н) і загальному показнику - критерію протизносних властивостей.

Представлені результати свідчать про те, що протизносні властивості дизельних палив залежать від ряду фізико-хімічних властивостей і можуть змінюватися у 2-3 рази для палив із припустимими вимогам стандарту межами значень цих показників. Суттєві різниці між паливами диктують необхідність контролю цих важливих експлуатаційних показників.

Прокачуваність, низькотемпературні властивості палива

Прокачуваність дизельного палива стандартом оцінюється в'язкістю, вмістом механічних домішок і води, коефіцієнтом фільтрування, низькотемпературними властивостями.

Низькотемпературні властивості оцінюються температурою застигання палива і граничною температурою фільтрування.

Основні вимоги, які пред'являються до якості дизельного палива, полягають у тому, щоб воно легко прокачувалось по паливній системі і безперебійно надходило у циліндр двигуна.

Розглянемо вплив показників якості дизельного палива на прокачуваність більш докладно.

В'язкість дизельних палив значно залежить від температури. З підвищенням в'язкості збільшується опір покачуванню палива по системі живлення. При певному значенні в'язкості опір системи живлення настільки зростає, що паливо перестає надходити у потрібній кількості.

Найбільш надійним і точним методом визначення в'язкості при різноманітних температурах є метод практичного визначення в'язкості за допомогою капілярних віскозиметрів.

Чим важче фракційний склад, тим сильніше в'язкість палива залежить від температури. Для стабілізації режиму роботи дизельного двигуна при зміні в'язкості палива використовують автоматичні в'язкостні коректори, які забезпечують сталість масової циклової подачі.

Вміст механічних домішок і води у дизельних паливах строго регламентується.

Коефіцієнт фільтрування дизельного палива дозволяє оцінити вміст загальної забрудненості та поверхнево-активних речовин, які викликають закупорку пор паперових фільтрів та ускладнюють роботу паливної апаратури двигунів. Чим більше у паливі механічних домішок, тим вище коефіцієнт фільтрування. Причому, механічні домішки роблять більш істотний вплив на коефіцієнт фільтрування тих палив, у яких більше смолистих з'єднань.

Порушення роботи паливної системи двигуна, особливо при низьких температурах, більш за все є наслідком випадання твердих кристалів, які забивають фільтрувальні елементи. Відбувається таке явище тому, що у дизельному паливі містяться розчинені парафінові вуглеводи, які при зниженні температури кристалізуються.

Температура помутніння - температура, при якій змінюється фазовий склад палива (з'являється тверда фаза). При цьому паливо починає «мутніти».

Температура застигання палива лише до деякої міри характеризує поводження палива у системі живлення двигунів. По ній у більшій мірі судять про можливість заправки, транспортування, зливу та наливу палива.

Температура застигання нижче температури помутніння на 5…10 С. При зниженні температури, зрощення кристалів парафіну утворюють просторову решітку, де усередині знаходяться рідкі вуглеводи палива.

Для забезпечення нормальної роботи дизельного двигуна необхідно, щоб температура застигання палива була на 8…12 С нижче температури навколишнього середовища.

Гранична температура фільтрування оцінює низькотемпературні властивості в умовах, що максимально наближені до умов експлуатації.

Гранична температура фільтрування дизельних палив завжди нижче температур помутніння, але вище температур застигання. Гранична температура працездатності дизелів приблизно відповідає граничній температурі фільтрування. Проте, така відповідність не завжди правдива. Різниця залежить від конструктивних особливостей систем живлення дизелів і вмісту депресорних присадок у паливі. Гранична температура фільтрування завжди нижче (на 2…10єС) температури застигання.

У холодні періоди року перед використанням дизельних палив літних марок, або задля поліпшення низькотемпературних властивостей зимових, мають бути проведені певні заходи. Насамперед це стосується запобіганню утворенню кришталів льоду у разі обводнення палива. Для цього застосовуються спеціальні рідини (И, ТГФ, И-М та ін.). Зниження температури застигання дизельного палива може проводитися шляхом внесення депресорних присадок або розбавлення його гасом чи конденсатом або бензином, але добавки, наприклад, бензину не повинні перевищувати 5…15% (бензин повинен бути не етильованим та мати мінімальне октанове число).

Екологічні властивості дизельних палив

Вплив палив на навколишнє середовище виявляється, в основному, у трьох напрямках: токсичному впливі на людей, що безпосередньо контактують із паливом; забруднення атмосфери шкідливими речовинами, які містяться у відпрацьованих газах двигуна, і пожежною небезпекою палив.

Пожежну небезпеку палива можна характеризувати тиском насичених парів, а також температурами його спалаху і самозаймання. Стандартом регламентована температура спалаху у закритому тиглі.

Саме дизельне паливо є малотоксичною пальною рідиною і за ступенем впливу на організм наслежить до 4 класу небезпеки (ГОСТ 12.1.007).

Шкідливі речовини, які виділяються при роботі дизеля, є однією з головних причин забруднення атмосфери міст. Для дизельних двигунів у відпрацьованих газах нормується вміст твердих часток (сажі), монооксиду вуглецю СО і оксиду азоту NOx.

На утворення сажі та її виділення з відпрацьованими газами значною мірою впливає груповий склад палива. Найбільшу кількість сажі дають палива, що містять важкі ароматні вуглеводні (у 20 разів більше ніж ті, що містять парафінові). Кількість вуглеводнів та оксидів азоту у відпрацьованих газах збільшується з переобтяженням фракційного складу і збільшенням густоти палива.

На цей час зниження токсичності відпрацьованих газів вирішується комплексно, як шляхом покращення організації процесів сумішоутворення і згоряння палива, впровадження каталітичних конверторів, так і шляхом добору оптимального групового і фракційного складу палив, розробки і впровадження протидимчастих присадок до палив.

Стандарти та марки дизельних палив

Нормативна документація на якість дизельного палива, що діє в Україні, включає такі стандарти: державний стандарт України (ДСТУ 3868-99), технічні умови України (ТУ 38. 601-53-2-93), ГОСТ 1667-68 та міждержавний стандарт ГОСТ 305-82.

Основна частина палив імпортується з Росії, Білорусії і Литви. Російські нафтопереробні заводи випускають дизельне паливо по ГОСТ 305-82, а також по союзним ТУ і технічним умовам Російської Федерації (ТУ 38. 401-58-106-94, ТУ 38. 1011348-90 та ін.) Підприємства Білорусії й Литви також виробляють свою продукцію, в основному, по російським нормативним документам. У країнах Європейської Спілки випускається дизельне паливо, що відповідає вимогам європейського стандарту EN 590. Близькі до них по якості дизельні палива випускаються і у країнах Центральної Європи. При імпорті нових марок дизельного палива з країн ближнього і дальнього зарубіжжя сертифікуватися вони будуть згідно з вимогами нормативної документації, яка діє в Україні.

По вмісту сірки дизельні палива підрозділяють на чотири види:

1 - масова частка сірки не більше 0,05%;

2 - масова частка сірки не більше 0,10%;

3 - масова частка сірки не більше 0,20%;

4 - масова частка сірки не більше 0,50%;

В умовному позначенні:

до палива марки Л повинні входити масова частка сірки і температура спалаху. Наприклад, літнє дизельне паливо загального призначення з масовою часткою сірки до 0,2% маркірується «Л - 0,2-40»,

де 0,2 - масова частка сірки - не більше 0,20% (третього виду),

40 - температура спалаху у закритому тиглі - не менше 40 єС (для дизелів загального призначення);

до палива марки З повинно входити масова частка сірки і температура застигання. Наприклад, зимове дизельне паливо з масовою часткою сірки до 0,05% маркірується «З - 0,05 (-25)»,

де 0,05 - масова частка сірки - не більше 0,05% (першого виду),

(-25) - температура застигання - не вище мінус 25 єС.

Палива дизельні обтяженого фракційного складу по ТУ 38. 601-53-2-93

Паливо призначене для застосування в автотракторній техніці.

У залежності від умов експлуатації, паливо виготовляється трьох марок:

УФС - паливо для експлуатації при температурі навколишнього середовища плюс 5 0С і вище;

УФСп1 - паливо з депресорною присадкою для експлуатації при температурі навколишнього середовища мінус 5 0С і вище;

УФСп2 - паливо з депресорною присадкою для експлуатації при температурі навколишнього середовища мінус 15 0С і вище.

По утриманню сірки палива підрозділяються на три підгрупи:

1 - масова частка сірки не більше 0,2%;

2 - масова частка сірки не більше 0,5%;

3 - масова частка сірки не більше 1,0%.

В умовному позначенні марки палива додається цифра, що позначає масову частку сірки. Наприклад, УФС - 0,2, де 0,2 - масова частка сірки не більше 0,2%.

Дизельне паливо для середньо - та малообертних дизелів за ГОСТ 16667-68

Паливо призначене для дизелів із невеличкою частотою обертання колінчатого валу (300…1000 хв-1).

Паливо широко використовується на річкових і морських судах, тепловозах і стаціонарних дизельних електричних станціях (у сільському господарстві).

У залежності від умов експлуатації паливо виготовляється двох марок:

ДТ - призначено для середньообертних і малообертних дизелів, не обладнаних системою підготування палива;

ДМ (мазут) - для суднових малообертних дизелів, обладнаних системою підготування палива (перед використанням підігрівають до 60…70 0 С).

По утриманню сірки марки палива підрозділяються:

ДТ - мало сірчисте (масова частка сірки не більше 0,5%);

ДТ - сірчисте (масова частка сірки не більше 1,5%);

ДМ - сірчисте паливо (масова частка сірки не більше 3%).

4. Експлуатаційні властивості і використання мастильних матеріалів

Загальні аспекти

Однією з головних передумов для забезпечення надійної і економічної роботи тракторних, комбайнових, автомобільних двигунів є рішення основної проблеми хіммотології - раціонального вибору і застосування мастильних матеріалів, якість яких повинна задовольняти оптимальним вимогам двигунів у відповідності до конструктивних особливостей, рівнем форсування і умовам експлуатації.

Ємність мирового ринку мастильних матеріалів оцінюється у 36,5 млн. т, України - близько 400 тис. т.

У будь-якій машині є деталі, які переміщуються відносно один одного по контактуючим поверхням, при цьому у зоні взаємодії поверхонь виникають контактні сили, названі силами тертя. На подолання сил тертя витрачається більше 20% корисної роботи. Величина втрат на тертя розподіляється наступним чином: поршневі кільця і поршень - циліндри - близько 67% загальних втрат, підшипник колінчастого валу - вал - близько 25%, газорозподільний механізм - близько 8%.

Поняття про тертя і спрацювання

За характером взаємопереміщення тертьових деталей розрізняють такі види тертя: покою - тертя двох тіл при попередньому зсуві і тертя руху - тертя двох тіл, що знаходяться у відносному русі.

Розрізняють тертя зовнішнє і внутрішнє. Зовнішнє - коли два тіла переміщаються відносно один одного, стикаючись своїми зовнішніми поверхнями, внутрішнє - коли елементи структури одного і того ж тіла (рідини, газу і т.п.) переміщаються відносно один одного.

У залежності від характеру відносного переміщення деталей розрізняють тертя ковзання і тертя кочення, а по наявності мастильного матеріалу існують такі режими тертя (рис. 1):

§ із мастильним матеріалом на тертьових поверхнях - рідинне (в) і граничне (б) тертя;

§ сухе - це тертя тіл при відсутності на поверхнях уведеного мастильного матеріалу (а).

§ змішане - рубіжний режим між тертям із мастильним матеріалом і сухим (г).

Рідинне тертя - це коли тертьові поверхні розділені шаром мастильного матеріалу, в якому виявляються його об'ємні (в'язкістні) властивості.

Граничне тертя - це коли тертьові поверхні розділені тонкими плівками (до 0,1 мкм) мастильного матеріалу, з властивостями на відмінну від об'ємних. Режим граничного тертя хитливий. Якщо граничний шар руйнується, то навантаження перевищує сили зчеплення і у місці контакту виникає сухе тертя.

Таким чином, товщина мастильного шару та його характер визначає вид змащення і, тим самим, вид тертя.

Рис. 1. Види тертя по наявності мастильного матеріалу:

а - сухе (без змащення), б - граничне; в - рідинне; г - змішане:

Під граничним змащенням, відповідно до міжнародного стандарту ISO4378/3, розуміється вид змащення, якому не можуть бути приписані об'ємні в'язкостні властивості мастильного матеріалу. При цьому товщина і міцність масляної плівки залежать від складу масла і вхідних до нього присадок, хімічної структури і стану поверхні тертя. У цьому випадку шар масла співставляється із розмірами молекул мастильного матеріалу. Наявність граничної плівки знижує сили тертя у порівнянні із сухим тертям у 2…10 раз і зменшує знос поверхонь у сотні разів.

Розрізняють масляні плівки фізичного походження (адсорбція) і хімічного (хемосорбція) (див. рис. 1).

Тому, при граничному терті поверхні завжди покриті адсорбційним шаром поверхнево і хімічно активних речовин, які присутні у маслах.

Створення мастильних плівок силами адсорбції обумовлюється наявністю у мастильних матеріалах поверхнево-активних речовин, які несуть електричний заряд. Молекули мастильного матеріалу орієнтуються перпендикулярно до твердої поверхні, що дозволяє схематично уявити для наочності граничну плівку у виді «ворсу» (рис. 2).

Рис. 2. Схема утворення граничних плівок

Електрозаряджені (полярно-активні) молекули притягуються до поверхні металу, утворюючи плівку завтовшки в одну молекулу, на яку нарощуються нові шари.

Таким чином, при граничному терті поверхні розділені плівкою мастильного матеріалу, який складається з декількох шарів молекул. При взаємному переміщенні поверхонь тертя «ворсинки» начебто вигинаються у протилежні сторони, так як молекули з однойменними зарядами відштовхуються. Здатність мастильних матеріалів, що містять поверхнево-активні речовини, утворювати на змащених поверхнях достатньо міцні шари орієнтованих молекул, називається маслянистістю або змащувальною здатністю масла. Маслянистість оцінюють, в основному, по коефіцієнту тертя: чим він менше - тим вище маслянистість. Однак, змащувальна здатність стрімко падає з підвищенням температури, коли сили міжмолекулярної взаємодії стають слабшими.

Режим граничного тертя дуже нестійкий. У реальних умовах дуже важко розділити рідинне та граничне тертя. При зменшенні швидкості руху, збільшення навантаження «масляний клин» стає тонкішим, зменшуються висоти нерівностей, що призводить до місцевого контакту мікровиступів, розділених тільки граничною плівкою.

При подальшому збільшенні навантаження може виникнути сухе тертя з задирками поверхонь.

Рідинне змащення характеризується тим, що труться поверхні, розділені шаром рідкого мастильного матеріалу, який знаходиться під тиском.

Стійкість мастильного шару, необхідного для рідинного тертя, залежить від наступних факторів: конструкції вузла тертя, швидкості взаємного переміщення тертьових поверхонь, питомого тиску на них, в'язкості мастильного матеріалу, площі тертьових поверхонь, величини зазору між ними та інші. При рідинному змащенні опір руху визначається внутрішнім тертям (в'язкістю) рідини. Цей режим тертя з властивими йому досить малими коефіцієнтами тертя є оптимальним для вузла тертя з погляду втрат енергії, довговічності і зносостійкості вузла. Сила тертя при рідинному змащенні не залежить від природи тертьових поверхонь. При цьому, коефіцієнт тертя знаходиться у межах 0,001…0,01, тобто у 10…100 разів менше у порівнянні з коефіцієнтом тертя без змащення.

Вище розглянуті залежності ілюструються процесами, зображеними на рис. 3.

У стані спокою вал опирається на вкладиш (див. рис. 3, а), між ними є найтонша адсорбована масляна плівка, а зазор у сполученні відсутній. При обертанні адсорбовані на поверхні вала частки масла починають обертатися разом з ним, захоплюючи за собою все нові і нові шари, нагнітаючи їх у звужений зазор, що призводить до підвищення тиску, під дією якого вал як би спливає (див. рис. 3, б). У цьому випадку вал і вкладиш підшипника розділені тонким шаром (nmin). Між ними утворюється масляний клин.

Зі збільшенням частоти обертання вала у підшипнику зростає тиск у масляному клині, вал, трохи зміщуючись убік обертання, ще більше піднімається на масляній подушці (див. рис. 3, в).

Рис. 3. Утворення масляного клину при обертанні вала у підшипнику:

О1 - центр вала, О2 - центр вкладиша підшипника

При нескінченно великій частоті обертання вала (див. рис. 3, г), центр вала сполучається з центром підшипника. Звичайно, у реальних умовах експлуатації машин такого тиску не буває.

Суть і закони поведінки масла при рідинному терті розроблені професором М.П. Петровим у 1882 р. і потім підтверджені і розвинуті у працях академіка М.Е. Жуковського та С.А. Чаплигіна, а також дослідженнями радянських вчених М.І. Мерцалова, А.К. Дячкова, А.І. Петрусевича, Б.І. Костецького, І.В. Крачельського та інших.

М.П. Петров, беручи за основу закон Ньютона (тертя рідких тіл у підшипниках, підкоряється закону гідродинаміки), запропонував для практичного користування таку спрощену формулу рідинного тертя:

де F - сила рідинного тертя, Н;

- динамічна в'язкість, Нс/м2.

s - площа стискання тертьових поверхонь, м2;

v - відносна швидкість переміщування поверхонь, м/с;

h - товщина шару масла, м.

На підставі експериментального вивчення режимів роботи підшипників ковзання професором М.П. Петровим була створена гідродинамічна теорія тертя і запропонована наступна формула для визначення коефіцієнта рідинного тертя:

де Рм - питомий тиск на підшипник, Н/м2.

Мінімальна величина мастильного шару у циліндричному підшипнику визначається за формулою.

де с - коефіцієнт, який залежить від розмірів підшипника.

Для забезпечення рідинного тертя мінімальна товщина мастильного шару повинна бути більше, ніж сумарна висота мікровиступів на поверхнях тертя (див. рис. 1, в):

hmin ? 1,5 (Rz1+ Rz2),

де Rz1, Rz2 - максимальна висота мікровиступів поверхонь тертя.

Згідно гідродинамічній теорії, при роботі підшипника коефіцієнт рідинного тертя лінійно залежить від значень (·н/Рм - критерій Зоммерфельда) і ілюструється діаграмою Герсі (рис. 4). Фактор (·н/Рм)є характеристикою режимів тертя при напіврідинному і рідинному змащенні.

На діаграмі (див. рис. 4) лінія а-а, що минає через точку мінімуму коефіцієнта тертя, розділяє області тертя при рідинному та іншому виду змащення. При зменшенні числа Зоммерфельда, коефіцієнт тертя набуває нелінійного характеру (відрізок а-b). Цей відрізок характеризує режим тертя при граничному і напіврідинному змащенні. Крапка с визначає границю між гідродинамічним змащенням і тонкою плівкою, яка відповідає граничному змащенню і є кінцевою метою при розрахунку тертя і змащення деталей машин.

При подальшому зменшенні числа Зоммерфельда (коли збільшується тиск і знижується в'язкість масла і швидкість ковзання) можуть реалізовуватися тільки режими напівсухого або сухого тертя, де має місце висока ймовірність появи заїдання тертьових поверхонь деталей.

Режими напівсухого і сухого тертя реалізуються при аварійних умовах експлуатації і супроводжуються пошкодженням поверхонь тертя.

Таким чином, надійність рідинного змащування підвищується із збільшенням відносної швидкості поверхонь, які змащуються, та в'язкості масла. Але, при збільшенні швидкості та в'язкості збільшуються втрати на тертя. Для того, щоб зменшити їх, і в той же час, забезпечити надійність змащення, слід вживати для швидкісних механізмів масла з низькою в'язкістю, а для тихохідних - з високою.

При збільшенні тиску на поверхні, а також зазорові між ними, масла з високою в'язкістю надійніше забезпечують збереження масляного шару між деталями. При недостатній в'язкості і великому зазорі - рідинне змащення, внаслідок витискування і витікання масла із зазорів між поверхнями, порушується.

Основні практичні висновки рідинного тертя, що виходять з гідродинамічної теорії змащення, такі:

1) Із збільшенням в'язкості масла, швидкості ковзання деталей і поверхонь їх стикання, втрати на тертя збільшуються.

2) Надійність змащення зростає із збільшенням в'язкості масла, швидкості руху тертьових деталей, зменшенням навантаження на них.

3) При великих відносних швидкостях переміщування змащувальних поверхонь треба вживати малов'язкі масла, а при малих швидкостях - високов'язкі.

4) Зі збільшенням зазору між тертьовими деталями в'язкість масла повинна зростати.

5) Зі збільшенням навантаження на деталі, слід вживати більш в'язке масло.

У таблиці 1 приведені значення коефіцієнтів тертя при різних видах тертя.

Таблиця 1 - Залежність коефіцієнта тертя від виду тертя

Якими б не були досконалі машина та мастильний матеріал - знос деталей у період експлуатації неминучий. Це відбувається під дією цілого ряду факторів.

Процеси зношування і пошкоджуваності відрізняються за якісними і кількісними характеристиками, і можуть бути ідентифіковані за результатами дослідження поверхонь тертя.

Зношування (знос) - процес поступової зміни розмірів деталей, обумовлений утворенням і руйнацією на поверхнях тертя тонких плівок вторинних структур.

Вторинні структури утворюються в результаті протікання механохімічних процесів у вузлі тертя деталей.

Товщина, характер розподілу по поверхні вторинних структур залежать:

- від рівня зовнішніх механічних впливів;

- природи тертьових матеріалів;

- складу мастильних матеріалів.

Розрізняють наступні види зношування.

Механічне - процес безпосередньої взаємодії тертьових деталей, результатом якого є зміна їх геометрії.

Хімічне - процес одночасного виникнення та руйнації хемосорбційних граничних плівок.

Корозійне - процес руйнації поверхонь тертя при дії корозійно-активної середи.

Тужавлення - явище задирку, супроводжуючого утворенням міцних плівок між тертьовими поверхнями, внаслідок чого може виникати руйнація об'ємів металу у місцях тужавіння.

Заїдання - наслідок задирки і тужавіння, що виникає внаслідок макрозміни поверхонь тертя.

Абразивне - процес інтенсивної руйнації поверхонь деталей, обумовлений наявністю абразивної середи в зоні тертя (пил, пісок, бруд).

Утомне викришування - процес руйнації поверхонь при терті деталей, внаслідок дії циклічно-контактної напруги.

Піттінг - різновидність втомного зношування.

Призначення і функції мастильних матеріалів

Практично любий мастильний матеріал являє собою масляну основу - базове масло, до якого вводять присадки різного функціонального призначення.

Незалежно від області застосування мастильний матеріал виконує такі основні функції:

а) зменшувати зношування між сполученими деталями;

б) зменшувати тертя, яке виникає між тертьовими поверхнями, що сприяє зниженню непродуктивних втрат енергії;

в) відводити тепло від деталей, що труться;

г) захищати тертьові поверхні та інші неізольовані деталі від корозійного впливу зовнішнього середовища;

д) відводити продукти зносу та окислення з вузла тертя.

Види мастильних матеріалів та їх класифікація

Мастильні матеріали класифікують:

1) за походженням масляної основи;

2) за призначенням (застосуванню) готового продукту;

3) за зовнішнім станом.

За походженням розрізняють такі мастильні матеріали:

1) мінеральні (нафтові) є основною групою випускаємих масел (90…95%) і виробляються шляхом відповідної переробки нафти;

2) рослинні і тваринні, що мають органічне походження. Олії виробляються шляхом переробки насінь певних рослин - рапсу, гірчиці, сурепи, рицини та ін. Тваринні олії виробляють із тваринних жирів. Органічні олії, у порівнянні, з нафтовими маслами мають більш високі змащувальні властивості і володіють більш низькою термічною стійкістю, тому їх частіше використовують у суміші;

3) синтетичні (напівсинтетичні), що одержані шляхом полімеризації рідких або газоподібних вуглеводнів, як нафтової, так і ненафтової сировини, а також синтезу кремнійорганічних та інших з'єднань. По деяких показниках ці масла кращі у порівнянні з нафтовими, але у них більш висока вартість. Незважаючи на це, область їх застосування безупинно розширюється.

За призначенням масла підрозділяються (табл. 2):

Таблиця 2

За зовнішнім станом масла можуть бути класифіковані:

1) газові масла, у якості газових масел застосовують азот, неон і фреон. Газові масла застосовуються у вузлах тертя точних приладів, апаратурі ядерних реакторів, газових турбінах, турбокомпресорах;

2) рідкі масла, у якості рідких масел застосовують масла нафтового і не нафтового походження і мають найбільш широке поширення;

3) тверді мастила, у якості твердих мастил застосовують у виді порошку графіт, нітрит бору, різноманітні синтетичні смоли, фторопласти, наповнені графітом і нанесені на поверхню тертьових пар у виді тонкої плівки.

Найбільш розповсюджені у сільському господарстві рідкі масла. Вони, у свою чергу, можуть бути класифіковані (за застосуванням):

1 група - масла, що працюють при нормальних умовах. Робоча температура від мінусових до плюс 40…50 С. До них відносять різноманітні індустріальні масла, які застосовуються для змащення верстатного устаткування, сепараторні масла для змащування вакуумних насосів - малов'язкі дистилятні масла;

2 група - масла, що працюють при температурах 150…200 С. До них належать компресорні і турбінні масла, а також для парових машин - звичайні дистилятні масла, але більш в'язкі, ніж 1 група;

3 група - моторні масла, що працюють при температурі 80…300 С і стикаються з агресивним середовищем (продукти згоряння палива);

4 група - масла спеціального призначення - медичні, збройові, ізоляційні та інші - малов'язкі масла, які мають високу стабільність;

5 група - трансмісійні масла, які працюють при температурах 60…150 С і при високих питомих навантаженнях;

6 група - мазі (консистентні мастила).

З названих груп мастильних матеріалів найбільш широке поширення у сільськогосподарській техніці мають моторні, трансмісійні, індустріальні масла і різноманітні консистентні мастила.

Присадки до сучасних масел

Призначення і види присадок до масел

Для сучасних бензинових і дизельних двигунів потрібні моторні масла високої якості. Базові нафтові масла не забезпечують зниження тертя і зменшення інтенсивності зношування сучасних вузлів тертя. Підвищення якості сучасних масел досягається введенням до їх складу спеціальних присадок. Присадки - це складні хімічні сполуки, що вводяться у масло в концентрації від долей відсотка до 20…30% для надання нових поліпшених властивостей.

Для присадок використовують такі речовини, які, поліпшуючи якусь одну властивість масла і не впливають на решту показників.

Крім того, присадки повинні добре розчинятися у маслах, бути достатньо хімічно та термічно стабільними, не розшаровуватись і не вилучатися з масла при довгому зберіганні.

Застосовуючи масла з присадками, можна зменшити зношування і кількість відкладень на поверхні тертя, поліпшити умови експлуатації та підвищити надійність і довговічність двигуна, трансмісії та інших вузлів техніки.

Механізм дії присадок представлений на рис. 5.

Рис. 5. Особливості тертя: масло без присадки (а)

та з хімічно активною присадкою (б); 1 - тертьові поверхні; 2 - масло;

3 - «крапка контакту»; 4 - момент зварювання поверхні деталей;

5 - утворення хімічної плівки; 6 - полірування деталей.

Проте, будь-яка високоякісна присадка може бути ефективною тільки у тому випадку, якщо базові масла добре очищені, мають оптимальний вуглеводневий склад.

Необхідність застосування в'язкістних і депресорних присадок диктується напруженою роботою двигуна або якістю палива.

Доцільність застосування миючих, протиокисних, протизносних та інших присадок тісно пов'язана з конструктивними параметрами двигуна, напруженістю його роботи.

Загальними вимогами, незалежно від призначення присадки, є:

ь якнайбільша ефективність;

ь спроможність цілком розчиняється у маслах, як при низькій, так і при високій температурі;

ь відсутність негативного впливу на експлуатаційні властивості масла, які не пов'язані з функціональною дією використовуємої присадки;

ь мати високу стабільність при зберіганні масла та неминучому в експлуатації контакту з водою;

ь не випадати в осад і не відфільтровуватись фільтрами тонкого очищення у період роботи.

Прийнято класифікувати присадки за трьома загальними ознаками:

1) за видом нафтопродукту, для якого вони призначенні;

2) за функціональним призначенням;

3) за механізмом дії (фізичний, поверхнево-адсорбційний, колоїдно-хімічний).

За призначенням присадки можна розділити на такі групи:

1) Індивідуальні, які покращують одну властивість масла:

- в'язкістні присадки, які поліпшують в'язкістно-температурну характеристику (властивості);

- депресорні, які знижують температуру застигання масла;

- миючі (детергенти), які не припускають на деталях двигуна нагарів, лаків, осадів;

- протиокисні, які підвищують стабільність масла;

- протизадирні, які покращують мастильні властивості масел та охороняють деталі двигуна і трансмісії від задиру;

- антикорозійні, які захищають від корозії;

- протиспінювальні, які запобігають спінюванню масел при циркуляції у масляних системах.

2) Багатофункціональні, спроможні поліпшити дві або кілька властивості масла. Це фенолсульфідні, полімерні та інші з'єднання, які містять фосфор і сірку.

Великий внесок у розробку присадок до масел і з'ясування механізму їх дії внесли дослідження радянських вчених С.Е. Крейна, А.М. Кушева, К.К. Панок, А.Б. Виппера, Ю.С. Засловського і багатьох інших.

Вміст та дія присадок

Сучасними дослідженнями встановлено, що присадка рідко покращує якість одного показника масла, частіше, поряд з домінуючим основним, присадка виконує і ряд додаткових функцій. Але, звичайно їх класифікують по основній, виконуваній ними функції. Розглянемо коротко найбільш поширені у маслах присадки та їх вміст:

мийно - диспергійні (3…20%);

протикорозійні (0,1…1,0%);

протизадирні та протизносні (5…10%);

протиокислювальні (0,005…3%);

депресорні (0,1…1,0%);

в'язкостні (0,5…10%);

протипінні (0,0001…0,001%);

антифрикційні (0,5…2,2%);

інгібітори корозії (1…10%).

В'язкістні присадки (атапол, ИХП-234, КП-5, КП-10, КП-20, ПМА «В-1», ПМА «В-2», вініпол та ін.).

Щоб одержати високоякісні масла з високим індексом в'язкості і задовільною прокачуваністю при низьких температурах, недостатньо застосування високоякісної сировини і поліпшення технології нафтопереробки. Значного підвищення цих показників можна домогтися застосуванням в'язкісних присадок.

В'язкістні присадки застосовуються у тому випадку, коди треба підвищити в'язкість масла чи поліпшити його в'язкістно-температурну характеристику, при збереженні низькотемпературних властивостей. Практично, в'язкістні присадки використовуються для одержання різноманітних масел, що забезпечують роботу двигунів у різноманітних кліматичних умовах.

Рис. 6. Вплив вязкістної присадки на в'язкість масла при різних температурах:

1 - малов'язке масло; 2 - масло з в'язкостною присадкою (загущене);

3 - дистилятне масло (однакове за в'язкістю загущеному).

У якості в'язкістних присадок на цей час використовують високомолекулярні з'єднання. До таких присадок відносяться поліметакрилати, полівініалкілові ефіри, а також поліізобутилени. Ці з'єднання майже не збільшують в'язкість при низьких температурах, але значно збільшують при високих робочих, тобто дотримується умова - мінімальна в'язкість при роботі двигуна, але достатня для забезпечення рідинного тертя та рухомості при температурах запуску. Ці присадки підвищують індекс в'язкості масла.

Отримані у такий спосіб масла називаються загущеними і використовуються як всесезонні. Застосування таких мастильних матеріалів сприяє значному зниженню втрат енергії на тертя, що забезпечує економію палива.

Депресорні присадки, які знижують температуру застигання масла (АзНИИ, ПМА-Д, АзНИИ-ЦИАТИМ-1, АФК та ін.).