Основы химмотологии моторных топлив и смазочных масел

4.2.1. Химмотология - новая отрасль знаний

В потреблении нефтепродуктов более 50% в настоящее время составляют моторные топлива. Ежегодно в мире потребляется около 1,5 млрд т моторных топлив, сжигаемых в многомиллионных двига­телях внутреннего сгорания (ДВС), установленных в автомобильных, железнодорожных и авиационных транспортных машинах, речных и морских судах, сельскохозяйственной, строительной и военной технике и т.д. В настоящее время и в перспективе возможностей для удовлетворения потребностей в топливах и смазочных маслах (ТСМ) за счет увеличения объемов нефтепереработки (т.е. экстенсивного развития) практически исчерпаны. Углубление и химизация пере­работки нефти позволяет только частично, но не полностью, особен­но в перспективе, решить проблему обеспечения народного хозяй­ства ТСМ. Для преодоления несоответствия между потребностями в ТСМ и возможностями нефтепереработки необходимы совместные усилия прежде всего производителей как ТСМ, так и ДВС, а также их потребителей. Для решения этой актуальной проблемы примени­мы следующие три направления сбалансированного развития ТСМ и ДВС и их потребления:

1. Увеличение ресурсов ТСМ путем:

-к углубления и химизации переработки нефти;

- оптимизации качества ТСМ с целью расширения ресурсов и
снижения фактического их расхода при эксплуатации ДВС.

2. Снижение расхода ТСМ в ДВС путем:

- дизелизации автомобильного парка;

- конструктивного усовершенствования ДВС и транспортной техники;

- экономичной эксплуатации ДВС, техники и рациональным применением ТСМ.,i

3. Применение таких альтернативных топлив, как:;,*

- газообразные углеводородные топлива и водород; ^

- топливо из углей, сланцев и других ненефтяных горючих иско­паемых;

- кислородсодержащие топлива и их компоненты (спирты, эфи-
ры и др.).

Для решения достаточно сложных инженерно-технических и научных задач по перечисленным выше направлениям возникла и развивается новая самостоятельная отрасль науки, получившая на­звание химмотологии.

Химмотология - это наука об эксплуатационных свойствах, ка­честве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей.

Химмотология опирается на такие науки, как химическая тех­нология топлив и масел, физическая химия горения топлив, тепло­техника, машиноведение, квалиметрия (наука о качестве продукции), трибология (наука о трении и износе механизмов), экономика и эко­логия и т.д. Она является по существу связующим и координирую­щим звеном в химмотологической системе ТСМ - ДВС -эксплуата­ция.

К важнейшим задачам химмотологической науки относятся:

-установление химмотологических закономерностей процессов, происходящих в ДВС и механизмах при применении ТСМ, совер­шенствование конструкции и повышение надежности и долговечности ДВС;

- разработка и технико-экономическое обоснование опти­
мального уровня эксплуатационных свойств ТСМ, совершенство­
вание стандартов и технических условий, а также методов испыта­
ний ТСМ в стендовых и эксплуатационных условиях и т.д.

Что такое качество ТСМ? Под качеством ТСМ понимается сово­купность свойств, обусловливающих их пригодность для ис­пользования по назначению. В этом химмотологическом определе­нии подчеркивается главное назначение ТСМ - удовлетворять оп­ределенные потребности общества.

Всю совокупность свойств ТСМ, определяющих их качество, можно подразделить на следующие три группы: 1) физико-хими­ческие; 2) эксплуатационные; 3) технические.

К физико-химическим относятся свойства, характеризующие состояние ТСМ и их состав (плотность, вязкость, теплоемкость, эле­ментный, фракционный и групповой углеводородный составы и т.д.). Эти методы позволяют косвенно судить о том или ином эксплуата­ционном свойстве. Например, по фракционному составу судят о пус­ковых свойствах бензинов, по плотности реактивного топлива -о дальности полета и т.д.

Эксплуатационные свойства ТСМ призваны обеспечить на­дежность и экономичность эксплуатации двигателей, машин и ме­ханизмов, характеризуют полезный эффект от их использования по назначению и определяют область их применения (испаряемость, горючесть, воспламеняемость, детонационная стойкость, прокачива-емость, склонность к образованию отложений и т.д.).

Для оценки эксплуатационных свойств ТСМ применяются:

- квалификационные (лабораторные) методы оценки. Они бази­руются на использовании различных модельных установок (в т.ч. одноцилиндровых ДВС) и специальных лабораторных приборов, позволяющих в заданных условиях (иногда в экстремальных) про­водить сравнительную оценку эксплуатационных свойств опытных и эталонных образцов ТСМ;

- стендовые методы испытания опытных образцов ТСМ, прово­димые на натурных двигателях и механизмах по специальным про­граммам;

- эксплуатационные испытания ТСМ, проводимые на натурной технике в реальных условиях ее эксплуатации по специальным про­граммам.

К разновидностям эксплуатационных испытаний ТСМ можно отнести: заводские, заводские ходовые, лабораторно-дорожные, по­лигонные, контрольно-летние испытания, опытная эксплуатация техники, эксплуатация под наблюдением и другие.

Технические свойства ТСМ проявляются в процессах хранения и транспортирования и длительной эксплуатации (иногда называют их как экологические свойства). К ним относятся:

- физическая и химическая стабильность, биологическая стой­кость;

- токсичность, пожаро-взрывоопасность, склонность к элек­тризации, коррозионная активность и т.д.

Необходимо отметить, что не все свойства равноценны при оцен­ке качества ТСМ. Принято наиболее важный показатель качества использовать при маркировке ТСМ. Например, для автомобильных бензинов наиболее важным эксплуатационным показателем каче­ства является детонационная: стойкость, поэтому она нашла отраже­ние в марках бензинов в виде цифр, характеризующих октановое число. Для дизельных же топлив определяющим свойством являет­ся температура застывания, которую и указывают при их маркиров­ке (летние, зимние или арктические топлива) и т.д.

4.2.2. Классификация и принципы работы тепловых двигателей

Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепло­вой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгора­нием (паровые машины, паровые турбины) и двигатели внутреннего сгорания.

Наибольшее распространение среди тепловых двигателей полу­чили двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы - сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобразова­ние в механическую работу - происходят непосредственно внутри двигателя. Такие двигатели используют во всех видах транспорта: автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном, а также в сельскохозяйственном производстве, в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

ДВС подразделяются на: 1) двигатели с периодическим сгорани­ем топлива (поршневые); 2) двигатели с непрерывным сгоранием топлива.

Первая группа ДВС, в свою очередь, подразделяется на: а) дви­гатели с принудительным воспламенением (карбюраторные); б) двигатели с самовоспламенением - быстроходные и тихоходные дизели.

U9

Поршневые ДВС состоят (рис. 4.1) из камеры сгорания 1, газораспределительных клапанов (впускных и выпускных) 2 и кри-вошипно-шатунного механизма: цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, картера 7, маховика и т.д. Для обеспечения рабочего цикла ДВС имеют системы пита­ния, зажигания, смазки и охлаждения.

Вторая группа ДВС подразделяется на: а) реактивные двигатели (ракетные и воз­душно-реактивные); б) газовые турбины (транспортные и стационарные).

Двигатели с принудительным воспламе­нением (карбюраторные).

В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воздуха осуществляется от внешнего источника -электрической искры (свечи), а процесс смесеобразования проис­ходит вне цилиндра в специальном устрой­стве - карбюраторе (либо во впускном тру­бопроводе или камере сгорания, куда бен­зин впрыскивается с помощью форсунки). Непосредственный впрыск применяется в авиационных поршневых двигателях и в некоторых зарубежных мо­делях ДВС. Карбюратор служит для дозирования и распыливания, частичного испарения и смешения бензина с воздухом. Полученная в карбюраторе горючая смесь поступает в цилиндр в такте впуска. Далее горючая смесь подвергается сжатию (до е=7-9), при этом топ­ливо полностью испаряется, перемешивается и нагревается. В кон­це такта сжатия в камеру сгорания подается от свечи электрическая искра, от которой смесь воспламеняется и сгорает. В результате рез­ко повышается температура и давление над поршнем. Под действи­ем давления поршень перемещается в цилиндре (рабочий ход) и со­вершает полезную работу. Затем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу (выпуск). Рабочие такты двигателя регулиру­ются с помощью впускных и выпускных клапанов.

В четырехтактном двигателе рабочий такт совершается за счет энергии сгорания топлива. Остальные такты рабочего цикла совер­шаются за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу.

Для обеспечения равномерной работы ДВС в одном блоке распо­лагают несколько цилиндров, поршни которых через шатуны при­водят во вращение коленчатый вал. Сгорание и рабочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.

В последние годы за рубежом и в России начали выпускать но­вые модели легковых автомобилей, оснащенных с бескарбюратор­ными двигателями с электронным впуском топлива (16-клапанные). Главное их достоинство - большая по сравнению с карбюраторными двигателями топливная экономичность, обусловленная за счет рав­номерного распределения впуска топлива в камеры сгорания, и мень­шая вероятность детонационного сгорания благодаря меньшему вре­мени контакта топлива с воздухом.

Двигатели с самовоспламенением (дизели^-). Особенностью рабо­чего цикла дизельных двигателей является самовоспламенение го­рючей смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения. Процесс образования горючей смеси в дизелях происходит внутри цилиндра (карбюратор и свечи отсутствуют).

В отличие от карбюраторного двигателя в такте впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвер­гается сильному сжатию (е= 16-20) и нагревается до 500 - 600°С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давлением впрыскива­ется топливо через форсунку. При этом топливо мелко распылива-ется, нагревается, испаряется и перемешивается с воздухом, обра­зуя горючую смесь, которая при высокой температуре самовоспла­меняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходят так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия двигателя. Однако высокое давление требует применения более проч­ных толстостенных деталей, что повышает материалоемкость (мас­су) дизеля.

Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Основной элемент таких двигателей - камера сгорания постоянного объема. В нее не­прерывно подаются горючее и окислитель. Газовый поток продук­тов сгорания за счет высокой температуры приобретает большую кинетическую энергию, которая преобразуется в так называемую реактивную силу тяги двигателя или энергию вращения ротора га­зовой турбины. Реактивная сила тяги, возникающая при истечении газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной уста-

новки и от плотности окружающей среды, как у винтовых транспорт­ных средств, и может обеспечивать движение летательных аппара­тов в безвоздушном межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет. Подавляющее большинство современных самолетов оборудовано воздушно-реак­тивными двигателями (ВРД). Обычно в ВРД между камерой сгора­ния и реактивным соплом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической энергии газового потока преобразуется во вращатель­ное движение турбины. На одном валу с турбиной обычно устанав­ливают компрессор, который сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топливный насосы и т.д. После турбины продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где основная часть кинетической энергии газов преобразуется в ре­активную силу тяги. Подобные двигатели называют турбо-компрес-сорными воздушно-реактивными двигателями (ТКВРД). Они полу­чили широкое распространение в современной авиации. ТКВРД от­носятся к двигателям с непрерывно-протекающим рабочим процес­сом. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс го­рения протекает постоянно. Внешнее зажигание необходимо только в начальный момент пуска двигателя.

Поскольку при сгорании топлива в камере развивается высокая температура (1500-1800°С), а материалы камеры, лопаток газовой турбины и реактивного сопла не выдерживают столь высоких темпе­ратур, горячие газы разбавляют вторичным воздухом непосредствен­но после зоны горения топлива. При смешении газового потока с вторичным воздухом температура смеси снижается до 850 - 900°С. В зоне горения топлива необходимо создавать условия для обеспече­ния стабильности процесса горения без срывов пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет около 40 м/с. Для сни­жения скорости газовоздушного потока до величин менее скорости распространения фронта пламени в камерах сгорания устанавлива­ют различные завихрители, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т.д. Эти устройства, кроме того, повышают турбулентность движе­ния горючей смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.

Газотурбинные двигатели (ГТД) по принципу работы почти ана­логичны ТКВРД, в них отсутствует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энергия продуктов сгорания топлива преобразуется полностью во вращательное движение вала газовой турбины и соот­ветственно либо в механическую, либо электрическую.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: