CC BY
20
УДК 662.7:629
doi 10.24411/2221-0458-2021-74-32-42
ВЛИЯНИЕ ГОРЮЧЕГО И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Сандан Н. Т., Саая К.С., Монгуш Э.С.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
INFLUENCE OF FUELS AND LUBRICANTS ON THE OPERATION OF GROUND TRANSPORTATION AND TECHNOLOGICAL MACHINES
N.T. Sandan, K.S. Saaya, E.S. Mongush Tuvan State University, Kyzyl
В данной статье рассматриваются надежность и эффективность работы двигателей с искровым зажиганием. В большой степени зависит от качества бензинов. Влияние определяется их эксплуатационными свойствами, важнейшими из которых являются: испаряемость, детонационная стойкость, химическая стабильность и коррозионность. Взаимодействие горючего с кислородом воздуха происходит только в парах, т. е. топливо горит в парообразном состоянии. Поэтому испаряемость горючего имеет большое эксплуатационное значение. От испаряемости топлива зависит полнота перехода его в парообразное состояние и, как следствие, эффективность его сгорания в двигателе, способность разжижать масло в картере и вызывать износ деталей цилиндро-поршневой группы. Кроме этого, от испаряемости зависят потери горючего при его хранении и транспортировании.
Ключевые слова: пуск двигателя; бензин; перегонка; температура
The paper discusses the reliability and efficiency of spark ignition engines. To a large extent depends on the quality of gasoline. The effect is determined by their operational properties, the most important of which are: volatility, detonation resistance, chemical stability and corrosion resistance. The interaction of fuel with atmospheric oxygen occurs only in vapors, i.e., the fuel burns in a vaporous state. Therefore, the volatility of the fuel is of great operational importance. The volatility of the fuel affects the completeness of its transition to a vapor state and, as a result, the efficiency of its combustion in the engine, the ability to dilute the oil in the crankcase and cause wear of the parts of the cylinder-piston group. Thus, the loss of fuel during storage and transportation depends on the volatility.
Keywords: engine start; gasoline; distillation; temperature
Под испаряемостью горючего понимается его способность переходить из жидкого в парообразное состояние. Испаряемость бензинов оценивается по двум показателям: фракционному составу и давлению насыщенных паров.
Фракционный состав выражает зависимость между количеством (в %) выкипающих фракций топлива и температурой. Фракционный состав углеводородных топлив определяют путем разгонки их на специальном аппарате. При разгонке бензина фиксируют наиболее характерные температуры: начала перегонки (кипения), перегонки 10, 50 и
только наиболее легкая часть его, а остальное находится в капельно-жидком состоянии. Если в горючем легких фракций недостаточно (£10- высокая), то пуск двигателя будет затруднен, или вообще невозможен, так как топливо-воздушная смесь будет бедной и может не воспламениться.
Зависимость между температурой окружающего воздуха, при которой возможен легкий пуск холодного двигателя, и температурой перегонки 10% бензина выражается эмпирической формулой. Пуск холодного двигателя будет
90% и конца перегонки
(кипения)
Существует определенная связь между фракционным составом бензина и испарением его в двигателях. Температура начала перегонки качественно
характеризует наличие в топливе легких фракций углеводородов, обусловливающих его летучесть и пожароопасность.
Температура перегонки 10% количественно характеризует наличие легких фракций в бензине и в связи с этим его пусковые свойства и склонность к образованию паровоздушных пробок в топливной системе машины. При пуске холодного двигателя во всасывающем трубопроводе испаряется не все топливо, а
легким, если соблюдается условие :.: : - (1) где (:10- температура перегонки 10% бензина, температура воздуха, ° С.
Экспериментально установленная зависимость между температурой перегонки 10% бензина и минимальной температурой воздуха, при которой возможен пуск непрогретого двигателя, приведена в таблице 1.
При работе прогретого двигателя часть легких фракций испаряется в топливопроводах и каналах карбюратора. Образовавшиеся паровые пузырьки (пробки) могут вызвать перебой в подаче горючего в двигатель. Это явление может наблюдаться особенно при эксплуатации машин летом в горной местности
(повышенная температура и пониженное атмосферное давление). В связи с этим необходимо ограничивать нижний температурный предел выкипания 10% горючего. Известна эмпирическая
зависимость между температурой выкипания 10% бензина и температурой воздуха, при которой возможно образование паровых пробок.
Таблица 1. Пуск непрогретого двигателя
Температура перегонки 10% бензина, оС Минимальная температура воздуха, при которой возможен пуск двигателя, оС
40 - 30
50 - 26
60 - 22
70 - 16
80 - 12
90 - 8
Паровые пробки образовываться не зимний период необходимо подогревать
будут при соблюдении условия £10 > О.ЗГр -I- 46.5
где Ьв— температура окружающего воздуха, ° С.
Автомобильные бензины, выпускаемые в настоящее время нефтяной промышленностью, должны иметь температуру перегонки 10% не выше 55°С (зимнего вида) и 70° С (летнего вида).
Температура перегонки 50% бензина характеризует его способность обеспечивать быстрый прогрев, устойчивую работу на малых оборотах и приемистость
медленно, топливо-воздушная смесь будет обедненной, прогрев двигателя
длительным, приемистость - ухудшенной, а работа на малых оборотах - неустойчивой. Для повышения полноты испарения бензина во впускном трубопроводе в
105°С). Температура перегонки 50% товарных автобензинов должна быть не выше 100-115° С.
Температура перегонки 90% количественно характеризует наличие тяжелых фракций в бензине и полноту испарения его в системе смесеобразования и в цилиндрах двигателя.
По температуре конца перегонки бензина судят о присутствии в горючем наиболее тяжелых фракций углеводородов, которые не испаряются во всасывающей системе и поступают в двигатель в капельножидком состоянии. Чем больше тяжелых фракций в бензине, тем сильнее он разжижает масло в картере двигателя и, следовательно, будет больше износ деталей и расход топлива.
двигателя. Если С50 очень высока, то процесс испарения бензина протекает
Для автобензинов t50 и tKK должны повышенному износу деталей цилиндро-
быть в пределах 160-195° С и 185-205° С. поршневой группы двигателя и
Применение бензина более тяжелого увеличению расхода топлива (табл. 2). фракционного состава приводит к
Таблица 2. Износ деталей цилиндро-поршневой группы двигателя и увеличению расхода топлива
Температура перегонки Температура конца Износ деталей цилиндро- Расход топлива
90%, оС перегонки, оС поршневой группы, %
200 220 100 100
158 175 50 95
185 200 62 97
205 225 125 102
215 245 185 112
235 260 470 135
При определении фракционного состава практически невозможно сконденсировать головные фракции и достаточно точно оценить испаряемость бензина. Поэтому для оценки испаряемости бензинов используется и другой показатель - давление насыщенных паров.
Давлением насыщенных паров топлива называют такое максимальное давление, которое имеют его пары при равновесном состоянии с жидкой фазой. Для нефтяных топлив, являющихся сложными смесями углеводородов, в отличие от индивидуальных жидкостей (например, воды, этилового спирта и др.), давление насыщенных паров зависит не только от температуры, но и от соотношения объемов паровой и жидкой фаз. Давление насыщенных паров бензинов будет больше при меньшем соотношении объемов паровой и жидкой фаз (Ун -г-Это обусловлено тем, что в смесях более
легкие углеводороды быстрее переходят в паровую фазу и находятся в ней в большей концентрации. Поэтому давление замеряют при определенном соотношении объемов паровой и жидкой фаз.
Чем выше давление насыщенных паров, тем больше в бензине легких фракций углеводородов и тем лучше его пусковые свойства. Однако при повышенном давлении возрастает опасность образования паровоздушных пробок в топливной системе машины и увеличиваются потери его от испарения при транспортировке, перекачке и хранении. По этой причине стандартами на автомобильные бензины ограничивается верхний предел давления насыщенных паров, который равен для бензинов летнего вида 500 мм рт. ст. и зимнего вида 700 мм рт. ст.
Давление насыщенных паров бензинов определяется в приборе,
называемом бомбой, при 38° С и
повышения мощности и экономичности автомобильных карбюраторных двигателей является увеличение степени сжатия. При этом происходит рост максимального и среднего эффективного давления и повышение термического КПД двигателя. Однако при увеличении степени сжатия выше определенной для данного топлива величины, а также при некоторых других условиях, нормальное горение рабочей смеси нарушается и переходит в детонацию. Это явление возникает в конце процесса сгорания, когда основная часть рабочей смеси уже сгорела
Сравнение индикаторных диаграмм двигателя при нормальном и детонационном горении (рис. 1) показывает, что в начальной стадии процесса кривые 1 и 2 совпадают.
Это свидетельствует о том, что начало горения в обоих случаях одинаково. Лишь в конце процесса при детонации на диаграмме появляется пик давления, а на линии расширения постепенно затухающие вибрации давления. При этом ухудшаются все показатели работы двигателя. Внешне детонация проявляется в том, что в двигателе появляются характерные металлические стуки, происходит перегрев головки двигателя, появляется выхлоп черного дыма.
отношении VH -г- Уж=4:1
Одним из основных способов
о
ь
Угол поворот коленчатого вала, град.
Рис. 1. Развернутая индикаторная диаграмма процесса сгорания двигателя с искровым
зажиганием:
а - момент воспламенения рабочей смеси: 1 - сгорание без детонации; 2 - сгорание с детонацией.
Современное представление о двигателе базируется на теориях Баха и детонационном горении топлива в Семенова. Академик А. Н. Бах установил,
что при окислении органических веществ, в том числе и углеводородов, образуются перекиси вещества, имеющие строение (Я — О — О — Н, Я — О — О — Я).Процесс горения топлив, как частный случай процесса окисления, протекает по цепному механизму, вскрытому академиком И. Н. Семеновым. При высоких температурах перекиси распадаются с образованием активных радикалов. Образовавшиеся радикалы реагируют с молекулами других углеводородов к процесс окисления интенсифицируется.
По мере нарастания давления в зоне продуктов сгорания после воспламенения топливо-воздушной смеси происходит поджатие еще несгоревшей части смеси. Температура в ней повышается до 350-450° С. Вследствие роста температуры в несгоревшей части смеси в ней ускоряется процесс окисления углеводородов и повышается концентрация перекисей. В отдельных объемах смеси появляются продукты распада перекисей - активные остатки радикалы. В них очень интенсивно протекают цепные реакции окисления и может возникнуть очаг самовоспламенения. Если концентрация перекисей в несгоревшей части рабочей смеси не достигнет большой, критической для данных условий, величины, то фронт пламени без существенных изменений достигнет стенок камеры сгорания и процесс горения пройдет нормально. Если
же концентрация перекисей и активных продуктов их распада в части смеси, сгорающей в последнюю очередь, достигнет критического значения, появляются очаги самовоспламенения и горение переходит в детонационное, т. е. взрывное.
При длительной работе двигателя на режиме детонации наблюдается прогорание металлоасбестовой прокладки между головкой и блоком цилиндров, оплавление тарелок выхлопных клапанов, а иногда и прогорание днищ поршней.
На возможность возникновения и интенсивность детонации оказывают влияние химический состав топлива и многие внешние факторы, например: температура и влажность воздуха, состав смеси, угол опережения зажигания и др.
Большое влияние на процесс горения топливо-воздушной смеси в двигателе с искровым зажиганием оказывает детонационная стойкость бензина, т.е. способность углеводородов, входящих в его состав, сопротивляться окислению в паровой фазе и образованием перекисей Чем труднее окисляются углеводороды в этих условиях тем медленнее будет нарастать концентрация перекисей горящей рабочей смеси и тем меньше будет вероятность возникновения детонации.
Детонационная стойкость углеводородов зависит от их строения и молекулярного веса. При сравнении
детонационной стойкости углеводородов различных классов с одинаковым числом атомов углерода в молекуле оказывается, что наименьшей стойкостью обладают алкановые углеводороды нормального строения, а наибольшей - ароматические.
Октановые числа бензинов определяют на специальных установках, с одноцилиндровыми двигателями с искровым зажиганием и переменной степенью сжатия, двумя методами: моторным и исследовательским. Определение октанового числа по моторному методу производят на установке ИТ-9-2, а по исследовательскому — на ИТ-9-6. Режим работы установки ИТ-9-6 менее жесткий, чем ИТ-9-2 и поэтому величина октанового числа по исследовательскому методу, в зависимости от способа получения бензина, будет больше на 3-8 единиц. Для бензинов прямой перегонки эта разница меньше, а для бензинов каталитического крекинга и риформинга -больше.
Некоторые авиационные и автомобильные бензины, а также индивидуальные углеводороды (например, бензол), имеют более высокую детонационную стойкость, чем эталонный изооктан, и тогда их октановое число будет более 100 единиц.
Детонационную стойкость бензинов можно повысить одним из следующих способов:
— использованием в качестве базовых компонентов высокооктановых бензиновых фракций прямой перегонки, каталитического крекинга и каталитического риформинга;
— добавлением высокооктановых компонентов;
— введением присадок -антидетонаторов.
Используемые в качестве основных компонентов бензинов продукты прямой перегонки, каталитического крекинга и риформинга имеют довольно высокие октановые числа(О.Ч.= 70-84).
Высокооктановыми компонентами называются продукты, обладающие высокой детонационной стойкостью и добавляемые к базовым бензинам в количестве от 20 до 50%.
В результате длительных
исследований в нашей стране подобран новый нетоксичный антидетонатор -циклопентадиенилтрикарбонил марганца ЦТМ [С5Я5Мп(СО)3]. ЦТМ кристаллическое вещество с температурой плавления 76-77° С. Он хорошо растворяется в органических растворителях и нерастворим в воде.
Новый антидетонатор предполагалось использовать без выносителя. Однако опытная эксплуатация автомобильных двигателей показала, что в этом случае на деталях двигателей, особенно на электродах свечей, образуются отложения
соединении марганца, трудноразличимые для глаз. Для предотвращения образования отложений необходим выноситель. Эффективный выноситель для этого антидетонатора пока еще не подобран.
Для каждого типа двигателя предназначен бензин с определенной детонационной стойкостью. Если же применять бензин с меньшим октановым числом, чем предусмотрено, то двигатель начинает работать с детонацией. Во избежание возникновения детонации уменьшают угол опережения зажигания, обогащают смесь или используют дросселирование.
При эксплуатации автомобилей для предотвращения или снижения
интенсивности детонации очень часто пользуются октан-корректором. Если двигатель работает на бензине с номинальным октановым числом 76 (например, ГАЗ-66 и ЗИЛ-130), то начальная установка октан-корректора должна быть на нуле. В случае применения бензина с меньшим октановым числом ставят более позднее зажигание. Корректировку угла опережения зажигания необходимо проверять пробными заездами.
Если октановое число бензина больше предусмотренного приказом или инструкцией, то нужно увеличить угол опережения зажигания. Это приводит к некоторому повышению мощности и снижению расхода топлива.
Иногда для устранения детонации обогащают смесь. Однако этим способом пользуются редко, так как он вызывает перерасход топлива. В качестве временной меры устранения детонации или уменьшения ее интенсивности прибегают к дросселированию.
Бензины используются в качестве топлива для поршневых двигателей с искровым зажиганием. Двигатели этого типа устанавливаются на автомобилях, бронетранспортерах, тракторах, дорожно-эксплуатационных машинах и других видах техники вооруженных сил.
Нефтяной промышленностью нашей страны выпускаются два сорта бензинов: автомобильные и авиационные.
Автомобильные бензины являются одним из массовых видов горючего, их производство в десятки раз превышает выпуск авиационных бензинов. Выпускают автобензины следующих марок: А-92, АИ-95 и АИ-98. Для первых трех марок октановое число в стандартах нормируется по моторному методу, а для остальных - по исследовательскому.
Все марки автобензинов, кроме АИ-98, подразделяются на летний и зимний виды. Летние бензины предназначены для применения во всех районах нашей страны, кроме северных и северо-восточных в летний период эксплуатации, а в южных -всесезонно. Зимние бензины используются в течение круглого года при эксплуатации
ISSN 2077-6896
техники в северных и восточных районах и в зимний период в средней климатической зоне.
Автомобильные бензины готовят путем смешения бензиновых фракций прямой перегонки, каталитического крекинга и риформинга с добавлением
Библиографический список
1. Евтюков, С. А. Наземные транспортно-технологические машины : монография / С. А. Евтюков, С. С. Евтюков, А. В. Чудаков, Е. В. Куракина ; под общей редакцией С. А. Евтюкова. -Санкт-Петербург : ООО «Издательский дом «Петрополис»», 2016. - 504 с. -Текст : непосредственный.
2. Баловнев, В. И. Подобие и моделирование в системе проектирования дорожно-строительных машин : учебное пособие / МАДИ. -Москва, 2014. - 148 с. - Текст : непосредственный.
3. Добронравов, С. С. Строительные машины и основы автоматизации : учебник для строительных вузов / С. С. Добронравов, В. Г. Дронов. - Москва : Высшая школа, 2001. - 575 с. - Текст : непосредственный.
4. Штефан, Ю. В. Управление качеством машин и технологических процессов: учебное пособие / Ю. В, Штефан, В. А. Зорин, Н. И. Баурова ;
фракций термического крекинга, полимербензина и газового бензина и добавкой высокооктановых компонентов (алкилата, толуола и пиробензола), антидетонаторов и антиокислительных присадок.
МАДИ. - Москва, 2016. - 120 с. - Текст : непосредственный.
5. Андреев, Л. Н. Системы автоматизированного проектирования : учебное пособие / Л. Н. Андреев, Д. Е. Бортяков, С. В. Мещеряков. - Санкт-Петербург : Издательство СПбГТУ, 2002. - 76 с. - Текст : непосредственный.
6. Беляков, В. В. Оценка подвижности транспортно-технологических систем / В. В. Беляков. Текст : непосредственный // Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и маркетинга автотракторной техники двигателей внутреннего сгорания, строительно-дорожных машин, транспортно-технологических комплексов и вездеходов : материалы международной научно-технологической конференции / НГТУ. - Нижний-Новгород, 2000. - С. 339-357.
References
1. Evtyukov S.A., Evtyukov S.S., Chudakov A.V., Kurakina E.V. Nazemnye transportno-tehnologicheskie mashiny :
monografija [Ground transport and technological machines: Monograph]. SPb, LLC Petropolis Publ., 2016, p. 504. (In Russian)
2. Balovnev V.I. Podobie i modelirovanie v sisteme proektirovanija dorozhno-stroitel'nyh mashin : uchebnoe posobie [Similarity and modeling in the design system of road-building machines: textbook. Manual]. MADI Publ. Moscow, 2014, p. 148. (In Russian)
3. Dobronravov S.S., Dronov V.G. Stroitel'nye mashiny i osnovy avtomatizacii : uchebnik dlja stroitel'nyh vuzov [Construction machines and automation basics: Textbook for construction universities]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 2001, p. 575. (In Russian)
4. Stefan Yu.V., Zorin V.A., Baurova N.I. Upravlenie kachestvom mashin i tehnologicheskih processov: uchebnoe posobie [Quality management of machines and technological processes: textbook]. MADI. Moscow, 2016, p. 120.
5. Andreev L.N., Bortyakov D.E., Meshcheryakov S.V. Sistemy
avtomatizirovannogo proektirovanija : uchebnoe posobie [Computer-aided design systems: textbook. tutorial]. Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of Construction and Technology Publ., 2002, p. 76.
6. Belyakov V.V. Ocenka podvizhnosti transportno-tehnologicheskih system. Problemy proektirovanija, ispytanij, jekspluatacii i marketinga avtotraktornoj tehniki dvigatelej vnutrennego sgoranija, stroitel'no-dorozhnyh mashin, transportno-tehnologicheskih kompleksov i vezdehodov : materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnologicheskoj konferencii [Assessment of the mobility of transport and technological systems. Problems of design, testing, operation and marketing of automotive technology, internal combustion engines, road construction machines, transport and technological complexes and all-terrain vehicles: Proceedings of the international scientific and technical conf.] NSTU, Nizhny Novgorod, 2000 , p. 339357. (In Russian)
Сандан Нелли Тимуровна - старший преподаватель кафедры «Транспортно-технологические средства», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: [email protected]
Саая Кежик Салгынович - аспирант кафедры «Транспортно-технологические машины», Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, e-mail: [email protected]
Монгуш Эдуард Сандак-оолович - старший преподаватель кафедры «Транспортно-технологические средства», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: [email protected]
Nelli T. Sandan - Senior Lecturer at the Department of Transport and Technological Means, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: [email protected]
Kezhik S. Saaya - Postgraduate, Department of Transport and Technological Machines, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia, e-mail: [email protected]
Eduard S. Mongush - Senior Lecturer at the Department of Transport and Technological Means, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.02.2021
