Характеристика топлив и смазочных средств для двигателей внутреннего сгорания

В зависимости от агрегатного состояния в топливных баках различают сжатые и сжиженные ГТ. Например, метан обладает низкой критической температурой (-82єС), а, следовательно, при любых более высоких температурах его нельзя перевести в жидкое состояние. Остальные углеводороды, относящиеся к ГТ, можно относительно легко перевести в жидкое состояние (см. табл. 6.1).

ГТ хранят на транспортных средствах в топливных баллонах. Сжатые ГТ хранят под давлением до 20 МПа, сжиженные - под давлением до 1,8 МПа, обеспечивающим пребывание ГТ в жидком состоянии в эксплуатационном диапазоне температур.

Последние более удобны как топливо для различных целей, в т.ч. и для двигателей внутреннего сгорания, так как их можно хранить и транспортировать в баллонах, цистернах и других емкостях под относительно невысоком давлением. Однако наряду с преимуществами имеются и недостатки. Сжиженные углеводородные газы (углеводороды С₃ и С₄) токсичны, по степени воздействия на организм человека их относят к четвертому классу.

Огромные природные запасы газа позволяют рассматривать его какодин из наиболее перспективных видов альтернативных топлив не только для карбюраторных двигателей, но и для дизелей. В таблице 6.2 приведены сравнительные характеристики некоторых газов, бензина и дизельного топлива.

Таблица 6.2 - Сравнение основных свойств газообразных топлив с топливами нефтяного происхождения

Параметр	Сжатые газы	Сжиженные газы	Бензин	Дизельное топливо
	природный	коксовый	пропан-бутан	метан
Температура воспламенения при атмосферном давлении, єС	923… 973	773… 873	798… 823	923… 973	873	593… 633
Октановое число	110	90…95	95… 105	120	60
Низшая теплота сгорания: ккал/кг, ккал/м3	7200… 8000	4000… 4200	10980	12230	10500	10300
Удельная масса, кг/м3	0,72… 0,75	-	-	-	-	-
То же для жидкого топлива, кг/л	-	-	0,542	0,415	0,755	0,860
Теплота сгорания горючей смеси, кДж/м3	3180… 3260	3140… 3180	3470… 3550	3220	3530	3470
Пределы воспламенения в условиях двигателя по коэффициенту избытка воздуха	0,4…2,0	0,4…3,0	0,4…1,5	0,4… 2,0	0,4… 1,3	1,0…7,5
Рабочее давление, МПа	20	20	0,2… 1,7	0,02… 0,5	0	0
Концентрация энергии в единице объема при 293К, ккал/л	1450... 1600	800… 850	6000… 6500	5130	7500… 7800	8500…8600
Масса заправочной емкости на единицу теплоты, заключенной в топливе, кг/1000 ккал	8,0… 8,5	15,5… 17,5	1,1… 1,3	1,6… 2,0	0,5… 0,6	0,4… 0,5

Огромный рост добычи газа и развитие сети магистральных газопроводов создает благоприятную базу по дальнейшему улучшению структуры энергетического баланса России за счет снижения в нем доли нефти как топлива и замены ее газом в качестве моторного топлива для газобаллонных автомобилей, тракторов, автопогрузчиков и других транспортных газобаллонных установок в различных районах страны.

Основным веществом, входящим в состав сжатых газообразных топлив, является метан. Кроме метана сжатые ГТ могут содержать окись и двуокись углерода, водород, а также пары воды и примеси (в том числе и коррозионно-агрессивные, например сероводород, аммиак, циан, цианистоводородную кислоту и т.п.). В зависимости от количества и вида газов, сопутствующих метану, изменяются свойства сжатых ГТ (табл. 6.3).

Таблица 6.3 - Свойства сжатых ГТ

Газы	Теплота сгорания, МДж/м3	Октановое число по моторному методу	Бензиновый эквивалент*, кг/м3
Природный	31…36,5	94…105	0,71…0,83
Нефтяные попутные	34…41	91…102	0,78…0.95
Нефтеперерабатывающих заводов	36…44	95…105	0,82…1,0
Коксовый	16,7…19,2	80	0,39…0,41

* Бензиновым эквивалентом называют количество бензина (в килограммах), равноценное 1 м³ газа по теплоте сгорания.

При дросселировании газа, находящегося под высоким давлением, его температура понижается. Это приводит к необходимости тщательного обезвоживания газа во избежание закупорки льдом элементов системы топливоподачи. Содержание влаги в сжатых газах не должно превышать 0,7 г/м³ летом и 0,5 г/м³ зимой.

В сжатых ГТ ограничивается содержание коррозионно-агрес-сивных веществ для исключения их влияния на элементы, находящиеся под высоким давлением. Например, при наличии в ГТ циана CN стенки баллонов быстро разрушаются из-за появления в них микротрещин, являющихся результатом межкристаллитной коррозии.

Сжатые ГТ получили меньшее распространение, чем сжиженные. Это объясняется в основном снижением на 10…20% мощности двигателя, вызываемым меньшей теплотой сгорания горючей смеси и большой массой баллонов со сжатым газом. Масса одного баллона емкостью 0,05 м³ при давлении 20 МПа равна 65 кг. В связи со стремлением к наиболее полному использованию энергетических ресурсов, снижению токсичности отработавших газон на основе достижений криогенной техники в настоящее время проводятся работы по использованию сжиженного метана. Разработаны и находятся в опытной эксплуатации баллоны с вакуумной изоляцией, в которых жидкий метан хранится при давлении 0,15 МПа практически без потерь.

Давление насыщенных паров-углеводородов, используемых в сжиженных ГТ, относительно невелико, что позволяет хранить сжиженные ГТ в баллонах, рассчитанных на давление в 1,6 МПа при температуре до 323К. Все сорта сжиженных ГТ относят к высококалорийным топливам (низшая теплота сгорания 44,8…46,9 МДж/м³).

Важной с эксплуатационной точки зрения особенностью сжиженных ГТ является их относительно высокий коэффициент объемного расширения (табл. 6.4), что приводит к необходимости наличия большого (до 10%) свободного (не заполненного топливом) объема в топливных баллонах.

Таблица 6.4 - Коэффициент объемного расширения сжиженных ГТ

Температура, К	Коэффициент объемного расширения
	пропана	пропилена	изобутана	н-бутана
253	1,043	1,044	1,036	1,033
273	1,094	1,098	1,075	1,067
293	1,156	1,164	1,121	1,108
313	1,236	-	1,175	1,155

Из свободного объема проводят отбор газовой фракции топлива при запуске двигателя. Длительная работа двигателя с отбором топлива из свободного объема баллона недопустима, так как это приводит к переохлаждению топлива из-за затрат теплоты на испарение и ухудшает условия для последующих пусков двигателя, так как в первую очередь расходуются входящие в состав топлива компоненты, обладающие наибольшим давлением паров - пропан и пропилен. Это снижает давление в баллонах и может привести к перебоям в подаче топлива к двигателю.

Нашли применение в практике автомобили, работающие на компремированном (сжатом) природном газе, на газовом конденсате, на сжиженных нефтяных газах пропан-бутановых фракций, на криогенном топливе (сжиженном природном газе).

Запасы природного газа в нашей стране значительны. Достаточно велики и ресурсы газового конденсата - отличного сырья для получения сжиженного газа, особенно пропана, бутана и их смесей. Поэтому именно природный газ и продукты его переработки будут в перспективе заменять значительное количество традиционных нефтяных моторных топлив и в первую очередь на автомобильном транспорте.

Перевод транспорта на газ осуществляется путем выпуска газобаллонных автомобилей на автозаводах и переоборудования автомобилей, находящихся в эксплуатации.

Перспективность газообразных видов топлив для ДВС объясняется следующими их основными преимуществами перед базовыми жидкими, получаемыми в результате переработки нефти:

- меньшей стоимостью топлива;

- снижением износа и повышением долговечности цилиндро-поршневой группы двигателей (главным образом отсутствия смыва жидким топливом масляной пленки со стенок);

- уменьшением потребности в высококачественных маслах и увеличением срока их бессменной работы в двигателе, т.к. не происходит их разжижения и загрязнения картерного масла;

- большей полнотой сгорания и как следствие этого меньшим загрязнением окружающей среды токсичными составляющими в выхлопных газах;

- уменьшение нагарообразования в двигателе.

Согласно данным исследований сжигание в двигателях природного газа снижает выбросы углеводородов почти в два раза, окиси углерода в 20 раз, оксида азота более чем в 15 раз, серы и прочих - в 10 раз. При этом выхлопные газы двигателей практически не содержат твердых веществ (сажи и пыли) (табл. 6.5).

Таблица 6.5 - Экологическая характеристика альтернативных топлив

Вид моторного топлива	Эмиссия в атмосферу, г/км
	НС	СО	NOх	SOх	Прочие
Бензин	0,27	5,9	2,6	1,2	0,18
Компримированный природный газ (КПГ) и сжиженный природный газ (СПГ)	0,16	0,03	0,15	0,11	0,018

Все автомобили, использующие газовые виды топлива, обеспечивают снижение затрат на перемещение транспортного средства и они более экономичны, чем бензиновые, что по-видимому объясняется высокими степенями сжатия у этих двигателей, а в случае наиболее экономичного сжиженного природного газа также высоким содержанием метана и малым количеством негорючего компонента - азота (табл.6.6).

Таблица 6.6 - Результаты испытаний двигателя легкового автомобиля на бензине и метане

Показатели	Топливо	Снижение показателя при работе на метане, %
	бензин	метан
Мощность максимальная, кВт (при опережения зажигания)	35,3 (10)	32,5 (16)	-8,3
Расход энергии, кВт·ч/км	1,045	0,91	-12
Эмиссия, г / км:
- углеводороды (НС)	0,535	0,408	-24
- оксид углерода (СО)	10,3	3,56	-65
- оксид азота (NОх)	0,332	0,231	-30

Как известно, энергетические свойства моторного топлива определяются следующими основными показателями: октановым числом, массовой удельной теплотой сгорания, стехиометрическим отношением (количеством воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы топлива), объемной теплотой сгорания стехиометрической топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя.

Последний показатель является основным, определяющим мощностные и тягово-динамические характеристики двигателя автомобиля.

Перечисленные показатели зависят от состава топлива, а для бензинов - и от способа их производства (табл. 6.7).

Таблица 6.7 - Энергетические свойства моторного топлива

Показатели	Бензин	СНГ	КПГ и СПГ
Октановое число по исследовательскому методу	76…98	102…112	110…125
Теплота сгорания, низшая, кДж/кг	44000	46000	48500
Стехиометрическое отношение, кг воздуха/ кг топлива	15	16	17
Теплота сгорания стехиометрической смеси (объемная, при нормальных условиях), кДж/м3	3600	3570	3500

Из данных таблицы 6.7 следует, что газовое топливо, превосходя бензин по октановому числу и удельной теплоте сгорания, несколько уступает последнему по теплоте сгорания стехиометрической смеси. Это приводит к некоторому снижению эксплуатационных характеристик бензиновых двигателей автомобилей, переоборудуемых на использование газового топлива при условии сохранения степени сжатия.

Особо следует отметить, что октановые числа моторных топлив природного газа (110…125) и сжатого нефтяного газа (102…112) значительно превосходят октановое число первосортных бензинов АИ-93, АИ-95 и АИ-98. При этом газ не содержит токсичных добавок, которые добавляются в бензины для повышения их октанового числа (тетраэтилсвинец и др.). Хорошие антидетонационные свойства газа позволяют эффективно использовать его в двигателях внутреннего сгорания с более высокой степенью сжатия (до 14) в сравнении с бензинами.

Практически бездетонационная работа двигателя на газе существенно увеличивает его надежность и межремонтные пробеги.

Температура воспламенения природного газа равна 450…600⁰С, а бензина около 300⁰С. Поэтому бензин с точки зрения воспламенения и пожароопасности - более опасное топливо, а природный газ - наиболее безопасное. Кроме того, при возникающих в эксплуатации утечках бензин пропитывает или смачивает ближайшие к местам утечек поверхности, превращая их в потенциально опасные в пожарном отношении. Природный газ легче воздуха, поэтому при утечках он улетучивается. Вместе с тем, пары СНГ тяжелее воздуха и подобно парам бензина стелется по земле.

По сравнению с бензином, являющимся не полностью испаряющейся жидкостью, природный газ значительно легче образует гомогенную смесь, поэтому процесс сгорания топлива в двигателе происходит более мягко во всем пространстве камеры сгорания без появления неоднородностей, которые характерны для карбюраторных и дизельных двигателей при работе соответственно на бензине и дизельном топливе.

Это и вышеперечисленные преимущества газообразных видов топлив при использовании в ДВС обеспечивают, совместно с мягкой их работой при эксплуатации на газе, повышение ресурса двигателя на 30…40%, увеличение межремонтного пробега двигателя в 1,5 раза, увеличение срока службы моторного масла, позволяющее снизить его расход на 40…45%, повышение ресурса свечей зажигания в два раза.

Весьма важной с точки зрения экологии и вместе с тем малоизвестной особенностью применения газовых видов моторного топлива является меньшая шумность двигателей при их работе на газе. Это относится ко всем видам газовых двигателей, включая работающие по газодизельному циклу. Шум при использовании СНГ снижается не менее чем на 10%.

Автомобили, двигатели которых потребляют в качестве топлива природный компримированный (КПГ) и сжиженный (СПГ) газ, а также сжиженный нефтяной газ (СНГ) называют газобаллонными. При использовании КПГ (рис. 6.1, а) газ поступает в двигатель 1 через двухступенчатый редуктор 2. Между редуктором и баллонами 6 установлен промежуточный одноступенчатый редуктор 3, снижающий давление с 20 до 1,2 МПа. Редуктор 3 устанавливается на раме автомобиля, редуктор 2 - в подкапотном пространстве двигателя. Применение двух раздельных редукторов вызвано стремлением использовать в качестве редуктора 2 освоенный производством для СНГ с несколько измененными проходными сечениями клапанов, регулирующих расход газа. Перед редуктором 3 (по ходу газа) установлен трубчатый водонагреватель, обогреваемый выхлопными газами. В зарубежных моделях редуктор подогревается от системы охлаждения двигателя.

С 1988 г. освоено серийное производство редукторов для грузовых автомобилей, в которых все три ступени объединены в один блок, устанавливаемый под капотом двигателя. Трехступенчатые редукторы аналогичной конструкции для легковых автомобилей выпускаются итальянской фирмой «Тартарини». Итальянская фирма «Ланди Ренцо», специализирующаяся на выпуске аппаратуры для газовых автомобилей, для этих же условий предлагает двухступенчатый редуктор.



Рис. 6.1 - Принципиальные схемы топливных газобаллонных автомобилей:

а - на компримированном природном газе; б - на пропан-бутане; в - на сжиженном природном газе; 1 - двигатель; 2 - двухступенчатый редуктор давления; 3 - одноступенчатый редуктор высокого давления (20/1,2 МПа); 4 - подогрев редуктора от системы охлаждения двигателя (автомобили ГАЗ): 5 - нагреватель природного газа (автомобили ЗИЛ) выхлопными газами; 6 - газовые баллоны; 7 - бак пропан-бутана; 8 - испаритель пропан-бутана, подогрев от системы охлаждения двигателя; 9 - криогенный бак для СПГ; 10 - испаритель СПГ (подогрев выхлопными газами)

При использовании СНГ (рис. 6.1, б) между редуктором 2 и баллоном 7 на отечественных автомобилях устанавливается испаритель сжиженного газа 8, который обогревается от системы охлаждения двигателя. В зарубежных конструкциях наиболее распространен подогрев корпуса редуктора 2. Характерная особенность автомобилей, использующих СНГ, - постоянное давление в баллоне 7, которое равно упругости паров газовой смеси при температуре баллона (окружающего воздуха). Максимальное рабочее давление (1,6 МПа) соответствует упругости паров чистого пропана при температуре 48°С. Упругость паров смеси пропана и бутана при условиях эксплуатации существенно ниже этом величины.

На опытных автомобилях, использующих в качестве топлива СПГ (рис 6.1, в), между баком 9 с высококачественном (экранно-вакуумная) теплоизоляцией и двигателем 1 установлен испаритель 10, переводящий СПГ в газообразное состояние, и двухступенчатый редуктор 2, аналогичный редуктору автомобилей для КПГ. В нашей стране налажен серийный выпуск нескольких моделей грузовых автомобилей (ЗИЛ-138А, ГАЗ-53-27, ГАЗ-52-27, ГАЗ-52-28) с бензиновыми двигателями, которые могут работать и на КПГ. В соответствии с утвержденными техническими условиями ТУ-51-166-83 для автомобильных двигателей применяются две марки компримированного (сжатого) природного газа - А и Б, характеристика которых приведена в таблице 6.8.

Таблица 6.8 - Характеристика природного газа - моторного топлива для газобаллонных автомобилей

Марки КПГ	А	Б
Компонентный состав газа, не более %:
- метан	955	905
- этан	4	4
- пропан	1,5	1,5
- бутаны	1	1
- пентаны +В	0,3	0,3
- двуокись углерода	1	1
- кислород	1	1
Примеси, г/м3:
- азот	0 - 4	4 - 7
- сероводород, не более	0,02	0,02
- меркаптановая сера, не более	0,016	0,016
- сероводородная и меркаптановая сера, не более	0,1	0,1
- механические примеси, не более	0,001	0,001
- влагосодержание, не более	0,009	0,009
Температура воспламенения, 0С	624,7	608
Октановое число (моторный метод)	108	100
Плотность по воздуху (относительная при 200С), кг/м3	0,5864	0,6105
Теплота сгорания стехиометрической смеси, кДж/м3	3500	3383

Основные показатели некоторых серийных автомобилей при работе на природном компримированном (сжатом) газе (КПГ) приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9 - Технические показатели автомобилей при работе на КПГ (20 МПа)

Показатели	ЗИЛ-138А	Грузовые автомобили	Автобусы	Легковые автомобили
		ГАЗ-53-27	ГАЗ-52-28	КамАЗ-53212	ЛАЗ-695НГ	ЛАЗ-4202Г	Икарус-280Г	ГАЗ-24-27	ВАЗ-21087	Москвич-2140Г
Мощность, кВт	90	75	50	155	100	130	140	60	50	45
Грузоподъемность, кг	5500	4000	2740	9500	-	-	-	-	-	-
Масса снаряженного автомобиля, кг	4925	3925	2885	8725	7650	9100	13410	1520	1140	1145
Максимальная скорость, км/ч	80	80	70	80	70	74	66,5	130	120
Степень сжатия	6,5	7,0	7,0	17	6,5	17	17	8,2	8,5	8,8
Двигатель	ЗИЛ-138А	ЗМЗ-53-27	ГАЗ-52-27	КамАЗ-7409	ЗИЛ-138И	КамАЗ-7409	РАБА МАН	ЗМЗ-24-47	ВАЗ-2108	412-ЭГ
Вид топлива	КПГ	КПГ	КПГ	КПГ-ДТ	КПГ	КПГ-ДТ	КПГ-ДТ	КПГ	КПГ	КПГ
Число баллонов	8	7	7	10	8	8	8	3	3	3
Вместимость баллона, л	50	50	50	50	50	50	50	30	30	30
Объем заправки, м3/л	90	80	80	110-125	90	90-170	90-250	20	20	20
Расход топлива на 100 км, м3	38	31	24	32	40	28	36	10,8	7,5	8,5
Запас хода, км	230	260	320	315	225	270	250	180	260	230

Особенностью сжиженного природного газа (СПГ) по сравнению с компримированным - его более стабильный состав, что объясняется отделением более тяжелых фракций и частично азота в процессе сжижения. Согласно ТУ-51-03-85 состав СПГ характеризуется данными таблицы 6.10 следующими показателями:

Таблица 6.10 - Характеристика сжиженного природного газа, %

Показатель	Значение
Объемная доля метана	926
Объемная доля этана	43
Объемная доля пропана и более тяжелых углеводородов	2,52
Объемная доля азота	1,51,5
Массовая доля сероводорода и меркоптановой серы	не более 0,015

По Гост 20448-80 сжиженный нефтяной газ, используемый в качестве моторного топлива, может быть двух марок: СПБТЗ (смесь пропана и бутана технических) - для зимней эксплуатации и СПБТЛ (смесь пропана и бутана технических) - для летней эксплуатации (табл. 6.11).

Таблица 6.11 - Характеристика сжиженных нефтяных газов

Марка сжиженного нефтяного газа	СПБТЗ (зимнее)	СПБТЛ (летнее)
Содержание, не более %;
метана, этана и этилена	4	6
пропана и пропилена	75	34
бутана и бутиленов	20	60
Массовое содержание жидкого остатка (в том числе углеводороды С6 и выше) при 293 К, не более, %	1	2
Избыточное давление насыщенных паров (не более), МПа:
при температуре 318 К,	1,57	1,57
при температуре 253 К	0,157	-
Содержание сероводорода, не более, г/100 м3 газа	5	5
Содержание общей серы, не более, %	0,015	0,015

В зарубежных странах в качестве моторного топлива используют сжиженные нефтяные газы пропан - бутановых фракций (СНГ) различных составов, включая практически чистые пропан (США) и бутан (Швеция). Состав и теплотехнические свойства, как правило, жестко регламентируются.

Октановое число СНГ зависит от состава топлива. Существенное его увеличение возможно за счет небольших добавок к топливу тетраметила.

Двигатели с принудительным воспламенением, работающие как на жидком, так и на газообразном топливах, называют конвертированными. Использование конвертированных двигателей не дает возможности эффективно реализовать все преимущества ГТ, так как нельзя повысить степень сжатия до пределов, обеспечиваемых ГТ (в противном случае при работе на жидком топливе возникает детонация); кроме того, впускной тракт двигателя не является оптимальным для работы на ГТ - необходимо увеличить сечения клапанов и исключить подогрев впускного тракта. Подогрев в этом случае не только не нужен, так как жидкого топлива нет, но и вреден - из-за него уменьшается коэффициент наполнения цилиндров двигателя.

В результате у конвертированного двигателя мощность снижается на 6…8% при работе на сжиженном ГТ и на 18…19% при работе на сжатом ГТ. Одновременно на 11…12% возрастает средний эксплуатационный расход топлива. Отсюда следует, что ДВС должны специально проектироваться под ГТ. В этом случае можно эффективно реализовать такие положительные качества ГТ, как высокую детонационную стойкость, устойчивое горение на бедных смесях и др.

Смесь ГТ с воздухом взрывоопасна в широком диапазоне концентраций: опасность усугубляется отсутствием запаха. Для уменьшения взрывоопасности ГТ в некоторых случаях их одоризируют - искусственно придают различные запахи.

Основной проблемой применения газообразных топлив в дизелях являются их низкие цетановые числа. Пуск холодного двигателя, его работа на режимах холостого хода и малых нагрузках на газообразном топливе практически невозможны, поэтому при переводе дизеля для работы на газе требуется оснащать его двумя автономными топливными системами: системой подачи газообразного топлива и системой подачи дизельного топлива, являющегося запальным. Такая организация рабочего процесса дизеля получила название газодизельного процесса.

При этом, по данным ряда исследователей, обращает на себя внимание повышенный расход топлива (по сравнению с дизельным процессом) на режимах частичных нагрузок. Это объясняется тем, что скорость сгорания природного газа снижается с уменьшением мощности двигателя из-за увеличения коэффициента избытка воздуха, что оказывает влияние на эффективность сгорания газа.

Согласно литературным данным экономичность двигателей, работающих по газодизельному циклу, на частичных нагрузках можно улучшить путем применения количественного регулирования газовоздушной смеси.

Дымность выпускных газов при работе по газодизельному циклу значительно меньше, чем у обычного дизеля, особенно это заметно на режимах максимального крутящего момента и перегрузок двигателя.

В ряде зарубежных исследований сообщается об организации работы двигателей по газодизельному процессу при подаче запального дизельного топлива, обеспечивающего 7…15% от общего расхода тепла двигателем.

Фирма «Петро Системс Интернэшнл» (США) сообщила о разработке системы подачи пропана для дизельного двигателя. Система успешно прошла испытания в составе дизеля сельскохозяйственного трактора. Она позволяет применять газообразное топливо как на дизелях с непосредственным впрыском, так и с разделенной камерой сгорания.

Фирма «Сааб Скания» (Швеция) сообщила о начале работ по созданию двигателя, работающего по газораспределительному циклу с использованием в качестве основного топлива генераторного газа. Двигатель имеет двойную систему питания топливом.

Большой интерес, особенно для сельскохозяйственных районов, представляет возможность использования в качестве моторного топлива биогаза. По мнению некоторых американских специалистов, полученный на такой основе газ способен удовлетворить топливно-энергетические потребности целого ряда сельскохозяйственных предприятий и даже районов.

Состав биогаза зависит от используемых отходов и технологии их сбраживания, но основными его составляющими являются метан (до 70%) и двуокись углерода (до 30%) со следами сероводорода, аммиака и различных гетероциклических соединений.

Важным источником получения биогаза можно рассматривать такие отходы животноводства, как навоз. Из каждой тонны навоза можно получить от 10 до 13 м³ метана.

К настоящему времени уже известны разработки тракторных дизелей, предназначенных для работы на биогазе. Так, фирмой «Фиат Траттори» совместно с институтом по агротехнике университета г. Падуя и фирмой AIFO в г. Милане разработали трактор, работающий как на дизельном топливе, так и на биогазе. Новый трактор, оснащенный дизельным двигателем, имеет дополнительный бак для биогаза. При низких частотах вращения и нагрузках осуществляется работа только на дизельном топливе. На более высоких нагрузках дизель переходит на двойное питание. Дизельное топливо в этом случае является запальным. Продолжительность работы дизеля при двойной системе питания увеличивается на 50% по сравнению с питанием только дизельным топливом.

Фирма «Дойтц» (ФРГ) еще в сентябре 1980 года на сельскохозяйственной ярмарке в г. Штуттгарте представила модель трактора Д6207 с двигателем принудительного зажигания модели F4L912, работающим на биогазе, газоснабжение которого осуществлялось из четырех стальных баллонов объемом 50 л каждый и давлением 200 бар. Общий вес баллонов 250 кг.

Определенный интерес представляют попытки использования в качестве топлива для дизелей и карбюраторных двигателей водорода в виде его добавок к основному топливу. Добавка водорода к дизельному топливу (10…20%) позволяет интенсифицировать процесс сгорания, повысить индикаторный к.п.д. и мощность двигателя. Основной эффект от добавки Н₂ к бензину проявляется в повышении реакционной способности смеси, что позволяет расширить диапазон ее воспламенения и обеспечить возможность устойчивой работы двигателя на переобедненных смесях, повышая его экономичность.

Основные проблемы применения водородного топлива связаны с организацией его хранения на транспортных средствах и необходимостью изменения конструкции двигателя.

Организация работы дизеля на водородном топливе с воспламенением от сжатия затруднена, так как требует создания высоких степеней сжатия, поскольку температура в цилиндре в конце сжатия должна превышать температуру самовоспламенения водорода на 100…200К и составлять не менее 1023К. Чтобы приспособить существующие конструкции дизелей для работы на водороде, необходимо инициировать воспламенение либо от струи дизельного топлива как запального, либо применением наддува увеличивать температуру конца сжатия, либо использовать принудительный подогрев воздушного заряда на впуске. Конструкция двигателя должна быть изменена в направлении повышения сжатия и организации двойной системы питания: водородом и дизельным топливом.

Практически во всех высокоразвитых странах интенсивно ведутся работы в направлении разработки технологии производства и использования на автомобильном транспорте синтетических спиртов, метилтретично-бутилового эфира, газовых конденсатов, водотопливных эмульсий.

Из выпускаемых промышленностью синтетических спиртов практический интерес представляет метанол, получаемый при синтезе из угля, природного газа, известняка, бытовых отходов, отходов лесного хозяйства, а также этанол, получаемый из свеклы, зерновых культур и других растительных продуктов.

Метанол и этанол при использовании их в качестве топлива для ДВС требуют конструктивного изменения топливно-подающей аппаратуры и в какой-то мере самого автомобиля.

Поэтому метанол и этанол могут быть практически использованы в качестве добавок к основному топливу для двигателей с внешним смесеобразованием.

Низкая температура самовопламенения (низкое цетановое число) не исключает использование метанола и этанола для дизелей (при условии конструктивных изменений двигателя) в количествах, не превышающих соответственно 15 и 20%. Однако добавки синтетических спиртов ограничены из-за высокой их стоимости.

Перспективно использование в качестве добавок метилтретично-бутиленового эфира (МТБЭ-СН₃ОС₄Н₉) к бензину. При этом возможно получение неэтилированных высокооктановых смесей, нет необходимости изменять регулировки топливной аппаратуры; МТБЭ отличается высокой теплотворной способностью - 37700 кДж/кг, 10% добавка МТБЭ повышает октановое число бензинов по исследовательскому методу на 2,1…5,9 ед., а 20% - на 4,6…12,6, несколько улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя во всем диапазоне нагрузок и частота вращения, снижается токсичность отработанных газов около 10% за счет снижения выбросов СО, несколько снижается расход бензина - на 3%.

Что касается газовых конденсатов (жидкие углеводороды, конденсирующиеся при нормальных условиях из природных газов, находящихся в подземных пластах под давлением 4,9…9,8 МПа и температуре до 15⁰С), то они рассматриваются как дополнительный источник сырья для получения автомобильного топлива.

Уровень физико-химических и эксплуатационных свойств газоконденсатов близок к дизельным топливам. Считают наиболее целесообразным использовать газовые конденсаты в качестве топлива для дизелей на местах их добычи без сложной переработки.

Контрольные вопросы

1. Какие эксплуатационные требования предъявляются к газообразному топливу?

2. Преимущества и недостатки газообразных топлив перед жидкими.

3. Что такое сжиженные и сжатые природные газы, их состав и применение.

4. Назовите марки сжиженных и сжатых газов.

7. Эксплуатационные свойства и использование смазочных материалов для с.-х. техники

7.1 Сведения о трении, износе и видах смазочных материалов

При перемещении одного тела по поверхности другого возникает трение, т.е. сила, препятствующая этому движению. В одних случаях сила трения полезна, в других - вредна: например при движении трактора, автомобиля и т.д. - полезна. Сила трения используется в тормозных механизмах, ременных передачах и т.д. В других случаях она вредна. Например, при превращении тепловой энергии в механическую на преодоление сил трения в кривошипно-шатунном механизме ДВС приходится затрачивать значительную часть энергии. Если все внутренние механические потери в двигателе принять за 100%, то на преодоление сил трения в КШМ приходится около 70%.

Существует несколько видов трения:

1 - трение скольжения (трение 1-го рода - поршень в цилиндре, вал в подшипнике), т.е. поверхности тел соприкасаются.

2 - трение качения (трение 2-го рода) - круглое или шарообразное тело катится по поверхности другого и оба тела соприкасаются в одной точке или по линии (трение в шариковых, роликовых подшипниках).

Трение качения меньше трения скольжения в 10…100 раз. Все это верно когда трение сухое.

Крупную победу в борьбе с трением человек одержал тогда, когда обнаружил, что трение скольжения резко уменьшается, если трущиеся поверхности смазаны маслом. От силы трения зависит КПД механизма, а от характера трения его износ и срок службы. Чем сильнее прижимаются трущиеся тела друг к другу, тем больше сила трения.

Количественная характеристика сухого трения оценивается коэффициентом трения (рис. 7.1):

м=F / P,

где F - сила трения;

Р - нагрузка, нормальная к поверхности трения.

Рисунок 7.1 - Определение коэффициента трения

Величина коэффициента трения скольжения без смазки зависит от вида трущихся материалов, качества обработки их поверхностей и составляет для большинства материалов 0,1…0,8, а при трении меди по меди достигает 1,3.

Сила трения при жидкостном трении определяется не качеством поверхностей, а качеством смазывающего вещества, заключенного между ними, и прежде всего его вязкостью.

Закон жидкостного трения, установленный Н.П. Петровым, выражается формулой:

,

где F - сила трения, Н;

- динамическая вязкость жидкости, Пас;

S - площадь поверхности трения, м²;

V - скорость взаимного перемещения поверхностей, м/с;

h - толщина слоя масла, разделяющего поверхности, м.

Трение скольжения по наличию и распределению смазочного материала различают - сухое, жидкостное, граничное (мономолекулярный слой).

Профессором Петровым Н.П. установлено, что поведение смазочного вещества в слое в условиях жидкостного трения подчиняется законам гидродинамики (развитые затем учеными Жуковским Н.Е., Чаплыгиным С.А. и др.).

Согласно этой теории, жидкостное трение возможно за счет несущей способности масляного слоя, возникающего в результате гидродинамического давления в масляном клиновом зазоре (рис. 7.2).

Рисунок 7.2 - Образование жидкостного трения (масляного клина) в подшипнике скольжения

Минимальная толщина смазочного слоя при жидкостном трении 4…6 мкм. Не каждая жидкость пригодна для смазывания трущихся поверхностей. Какими же свойствами она должна обладать:

1) чтобы она растекалась по поверхности, т.е. «смачивала» бы ее, и прочно прилипала. Такое сложное свойство жидкости называют: маслянистостью, смазывающей способностью, липкостью;

2) вязкостью, т.е. силой сцепления молекул жидкости между собой, называемой внутренним трением.

В качестве смазочных масел могут быть использованы только жидкости, обладающие одновременно маслянистостью и вязкостью.

7.2 Износ деталей

Срок службы двигателя внутреннего сгорания или механизма зависит прежде всего от износа его трущихся деталей. В двигателе быстрее всего изнашиваются цилиндры, поршневые кольца, затем шейки коленчатого вала, вкладыши, кулачки и толкатели распределительного вала, клапаны и т.д.

По внешнему виду различают три типа изнашивания деталей:

1) износ - когда происходит медленное истирание деталей;

2) задир - когда поверхности деталей в результате быстрого изнашивания становятся грубыми, шероховатыми, с рисками и царапинами (когда трение происходит при высоких нагрузках и температурах, а масло не отвечает своему назначению). Для предотвращения задира в масло добавляются специальные противозадирные присадки;

3) выкрашивание или питтинг - когда с трущейся поверхности отламываются или выкрашиваются сравнительно крупные частицы металла в тонком слое примерно на глубину распространения поверхностного напряжения металла. Питтинг появляется в результате усталости металла под действием циклически повторяющихся нагрузок. Этот вид износа характерен в основном для подшипников качения. В двигателях V-образной формы наиболее уязвим узел трения кулачок-толкатель. Для устранения этого явления в масло добавляются противопиттинговые присадки.

Главными причинами износа деталей являются:

- механическое истирание;

- коррозия;

- действие абразивных частиц.

В соответствие с этим наблюдаются три вида изнашивания:

- механический износ;

- коррозионный износ;

- абразивный износ.

Во время работы двигателя могут быть одновременно и два и три вида износа. Если трущиеся детали полностью разделены слоем смазочного масла - наименьшее трение и малый износ. Но в ДВС много узлов трения где невозможно создать полностью жидкостную смазку (поршень-цилиндр). Но даже там где жидкая смазка, некоторое время наблюдается полужидкостная, это:

1) пуск машины;

2) остановка;

3) возвратно-поступательное и качательное движение;

4) резкие колебания скорости и нагрузки;

5) высокая температура;

6) недостаточная вязкость;

7) недостаточная подача масла.

Механический износ менее значителен и опасен по сравнению с абразивным и коррозионным. Правильным подбором масла он может быть сведен до минимума. Абразивный износ очень опасный вид износа, он наступает тогда, когда масло загрязняется пылью, песком и т.д. Уменьшить его можно только тщательной фильтрацией и своевременной сменой или промывкой фильтрующих элементов, как в системе питания, так и в системе смазки.

При сгорании топлива в двигателе, как известно, образуется серный, сернистый, угольный, азотный ангидриды, которые в соединении с водой образуют, серную H₂SO₄, сернистую - H₂SO₃, угольную - H₂СO₃ и азотную H₂NO₃ кислоты, которые сильно корродируют металлы.

Считается, что от коррозионного износа двигатель изнашивается больше, чем от механического.

Особенно большой коррозионный износ происходит при работе двигателя с пониженной температурой стенок цилиндра, когда создаются благоприятные условия для конденсации влаги и появления продуктов окисления на деталях двигателя.

В большинстве типов ДВС наиболее интенсивно изнашиваются детали цилиндро-поршневой группы. Интенсивность изнашивания определяется количеством циклов термодинамического воздействия на детали, т.е. частотой вращения коленчатого вала. Обычно наибольший износ происходит вблизи верхней мертвой точки, где складываются неблагоприятные с точки зрения износа условия - высокая температура (до 2230⁰С и давление до 12 МПа), нарушение гидродинамического режима смазки, отложение и накопление нагара, смыв со стенок цилиндра масляной пленки жидким топливом. Это подтверждается тем, что быстроходные двигатели имеют меньшую долговечность по сравнению с тихоходными при сопоставимых средних скоростях движения поршня. Износ колец снижают путем их хромирования или покрытия молибденом рабочих поверхностей верхних компрессионных колец. Для уменьшения износов стержней клапанов их хромируют и покрывают дисульфидом молибдена. Эффективным средством повышения износостойкости трущихся поверхностей является увеличение их маслоемкости. Для этого применяют специальные канавки, нанесение слоя пористого хрома, вибронакатку и т.д.

7.3 Эксплуатационные требования, предъявляемые к смазочным материалам

Работу современного ДВС, невозможно представить без применения соответствующих смазочных материалов для их трущихся деталей. В связи с этим правильный подбор и рациональное использование является одним из главных факторов обеспечивающих надежную и долговечную их работу в процессе эксплуатации. Основные функции, которые выполняет смазочное масло в ДВС являются:

- предотвращение износа и уменьшение трения путем разделения соприкасающихся поверхностей слоем масла и обеспечение, таким образом, жидкостного трения;

- охлаждение трущихся деталей путем отвода тепла, где невозможно охладить другим способом;

- предохранение рабочих поверхностей деталей от коррозии;

- обеспечение герметизации (поршень-гильза) для улучшения компрессии;

- предохранение поверхностей деталей от образования на них нагара и смолисто-лаковых отложений;

- очищение от продуктов износа.

Выполняя указанные функции в двигателе, смазочное масло подвергается в процессе работы воздействию различных факторов:

- высокие температуры в зоне цилиндро-поршневой группы;

- интенсивный контакт с кислородом воздуха и продуктами сгорания;

- каталитическое воздействие металлов и сплавов;

- высокие удельные нагрузки в подшипниках и других узлах трения.

Эти факторы приводят к весьма сложным физико-химическим процессам в масле. Если в картере масло подвергается нагреву до 80…110⁰С, то в нижней части поршня температура доходит до 150…250⁰С, на внутренней части поршней - до 340…370⁰С, на днище поршня - до 400⁰С, а в камере сгорания - до 1500…2500⁰С (рис.7.3).



Рисунок 7.3 - Примерный температурный режим работы автомобильного двигателя

Под воздействием этих факторов масло подвергается различного рода процессам - от полимеризации, конденсации и окисления, до крекинга, полукоксования и коксования. В зоне поршневых колец масло должно выдерживать воздействие высоких температур, не образовывать при этом смолисто-асфальтовых веществ, способствующих закоксовыванию колец.

В камере сгорания не должно быть нагара, а в зоне внутренней части юбки не окисляться и не образовывать лаковых отложений.

Согласно ГОСТу, исходя из условий работы масла, а также тех важнейших функций, которые оно выполняет в ДВС, моторные масла должны соответствовать основным эксплуатационным требованиям, обладая следующими качествами:

- бесперебойное поступление ко всем узлам трения двигателя;

- обладать определенными вязкостными свойствами, обеспечивающими жидкостное трение в сопряженных узлах и одновременно с этим минимальные потери на трение;

- изменение вязкости с изменением температуры должно быть минимальным для легкого запуска двигателя, особенно при низких температурах;

- иметь высокую маслянистость, обеспечивающую хорошие смазывающие свойства;

- высокими моюще-диспергирующими свойствами;

- хорошими противокоррозионными свойствами;

- более низкой температурой застывания;

- хорошей термоокислительной стойкостью;

- минимальной токсичностью.

7.3.1 Состав моторных масел

Свойства товарного моторного масла определяется составом и технологией переработки базового масла и функциональными свойствами присадок. В зависимости от исходного сырья, моторные масла делят на нефтяные и синтетические. Для изготовления практически всех современных моторных масел используют базовые нефтяные масла.

Эти масла представляют собой тяжелые вязкие нефтяные фракции с температурой кипения свыше 400⁰С, плотностью 820…950 кг/м³.

Базовые масла по способу получения делят на три вида:

- дистиллятные - отделением дистиллятов при перегонке мазута;

- остаточные - при переработке гудрона;

- смешанные (компаундированные) - состоящие из смеси дистиллятных масел с остаточными.

Дистиллят - это неочищенная нефтяная фракция, полученная перегонкой мазута. Мазут - это смесь различных высококипящих углеводородов. Поэтому в отличие от перегонки нефти, которую ведут при атмосферном давлении, мазут перегоняют под вакуумом.

Выбор базового масла определяется заданной величиной вязкости: для маловязких моторных масел используются дистиллятные, для средневязких - смешанные и для высоковязких - остаточные базовые масла. Дистиллятные масла обладают вязкостью при 100⁰С менее 11 мм²/с, остаточные - в диапазоне 15…22 мм²/с.

Для двигателей автомобилей ВАЗ вырабатывают специальные базовые масла, состоящие из дистиллятного масла с пологой вязкостно-температурной характеристикой или смесь дистиллятного и не менее 25% остаточного масла.

Для получения всесезонных масел используют в качестве базовых масел глубоко депарафинизированные дистиллятные масла малой вязкости (индустриальные).

Технология очистки базовых масел влияет на их свойства. Применяются следующие методы очистки масел:

1. Выщелачивание. Самый простой метод очистки. В результате воздействия раствором щелочи (NaOH) нейтрализуются органические кислоты.

2. Кислотно-щелочная и кислотно-контактная очистка. При этом методе используются серная кислота, которую добавляют в дистиллятное масло в количестве до 6%, а в остаточное - до 10%. Серная кислота разрушает смолисто-асфальтовые и ненасыщенные соединения. Кислотную очистку с контактным фильтрованием через отбеливающие земли называют кислотно-контактной.

3. Очистка селективными растворителями, такими как фенол, фурфурол и др. Это наиболее современный способ очистки масел.

В последнее время все шире применяется гидрогенизация, которая является наиболее совершенным способом очистки масел. Процесс очистки происходит при температуре 380…400⁰С под давлением до 2 МПа в присутствии водорода.

Для улучшения низкотемпературных свойств масел их подвергают депарафинизации и деасфальтизации. Депарафинизацию проводят путем глубокого охлаждения с добавлением растворителей, перед охлаждением и затем нагрева смеси на 15…20⁰С выше температуры полного растворения парафина и церезина.

В последнее время появились методы очистки масел путем фильтрации через специальные мембраны, фильтрующие на молекулярном уровне, т.е. пропускают молекулу углеводорода и задерживают молекулу продуктов окисления, полимеризации и другие примеси.

Синтетические масла получают способом синтезирования определенных групп углеводородов с введением ряда соединений. Существуют различные виды синтетических масел: углеводородные, диэфирные, полиалкиленгликолевые, фторуглеводородные и силиконовые. Наиболее широкое распространение получили полисилоксановые масла или силиконы. Они представляют собой полимерные кремний органические соединения, структурная схема строения молекул которых представлена на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 - Формула углеводорода и силикона

По внешнему виду силиконы бесцветные прозрачные маслянистые жидкости, которые хорошо растворяются в углеводородах. Наряду с преимуществами (низкая температура застывания, высокие антикоррозионные свойства, незначительное изменение вязкости при колебаниях температуры) эти масла по сравнению с нефтяными имеют и хорошую смазывающую способность.

Эффективность использования моторного масла определяется возможностью оптимизации его свойств в соответствии с условиями протекания рабочих процессов и особенностями конструкции двигателя.

7.3.2 Свойства моторных масел

Смазывающие свойства масел

Под смазывающими свойствами масла понимают сочетания его антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств. Для усиления смазывающих свойств масел в них вводят антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки.

Вязкостно-температурные свойства

Вязкость является важнейшей характеристикой определяющей возможность и целесообразность применения того или иного масла для механизма, способность его обеспечивать жидкостную смазку поверхностей трения и сводить к минимуму их износ и заедание. Вязкость (кинематическая) характеризует подвижность жидкости. Надежная работа автотракторных двигателей обеспечивается летом на маслах с кинематической вязкостью 10…14 мм²/с при 100⁰С, зимой - 8 мм²/с, бензиновые двигатели всесезонно - 8 мм²/с (для южных районов).

С понижением температуры вязкость масла резко возрастает до полной потери текучести. Это создает большие трудности в условиях зимней эксплуатации. Из этого следует, что судить о смазочных свойствах масла только по вязкости при температуре 100⁰С нельзя. Поэтому в стандартах иногда приводятся отношения вязкости при 50⁰С к вязкости при 100°С. Масла для ДВС имеют это отношение от 4 до 9, чем меньше это отношение, тем лучше.

За рубежом и в новых отечественных стандартах для оценки крутизны вязкостно-температурной кривой введено понятие индекс вязкости (ИВ) - представляющий собой условную величину, показывающую степень изменения вязкости в зависимости от температуры по сравнению с эталонным маслом, т.е. характеризует пологость кривой. Чем выше ИВ, тем лучше вязкостно-температурная характеристика масла (ВТХ). Для обычных моторных масел ИВ = 85…95, улучшенных и всесезонных - ИВ = 125…150. Индекс вязкости повышают введением в масло загущающих присадок полимеров (полиизобутилен, полиметакрилат и др.). Индекс вязкости - результат сопоставления по вязкостным показателям данного масла с двумя эталонными. Вязкостно-температурные с...