Основные же отрицательные последствия в дизельных двигателях связаны с образованием нагара и отложений на форсунках. Наличие нагара на распылителях вызывает искривление факела, ухудшение качества распыливания, появление дымного выпуска отработавших газов и снижает экономичность двигателя. Попадание частичек нагара под иглы распылителей форсунок приводит к их зависанию, т. е. такому положению, когда игла не плотно садится в свое гнездо и не перекрывает канал распылителя форсунки. В результате этого топливо подтекает, падает мощность и экономичность двигателя, появляется дымный выпуск отработавших газов. Характер отложений на различных деталях камер сгорания неодинаков. На днищах поршней и стенках головки цилиндров нагар более плотный, довольно твердый, темно-серого цвета, нерастворимый в различных растворителях.
На иглах форсунок нагар обычно более мягкий, смолистый, соломенного цвета. Иногда отложения на иглах форсунок по внешнему виду похожи на лак, такие же отложения появляются и на боковых поверхностях поршней.
Нагарообразование в дизельных двигателях протекает неравномерно по времени. В первые часы работы двигателя этот процесс идет интенсивно, затем несколько замедляется, достигая равновесного состояния (масса образующегося нагара примерно равна массе выгорающего нагара).
Нагарообразование, кроме конструктивных факторов и режима работы двигателя, зависит от качества применяемого топлива. Среди физико-химических свойств на образование отложений влияют такие характеристики, как фракционный состав, общее содержание сернистых соединений и содержание меркаптановой серы, природа и концентрация алкенов и ароматических углеводородов, содержание и характер смолистых веществ.
Более тяжелые виды дизельного топлива образуют больше нагара. Так, если облегченные виды дизельного топлива типа керосинов (пределы выкипания от 130 до 280 °C) в определенных условиях дают 100–140 мг нагара на 1 кг топлива, то в аналогичных условиях товарные виды дизельного топлива (пределы выкипания от 160 до 360 °C) – 245–265 мг/кг, нагара, а виды топлива утяжеленного фракционного состава (выкипающие до 400–420 °C) – около 360 мг/кг.
Чем выше содержание серы в топливе, тем больше нагара и лака получается при его сгорании. Сера, содержащаяся в топливе, влияет не только на массу образующегося нагара, но и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность.
Влияние серы на нагарообразование является одной из причин ограничения ее содержания в товарном дизельном топливе. При сгорании гидроочищенного топлива нагарообразование снижается в 1,5–2 раза.
Среди сернистых соединений, присутствующих в дизельных топливах, наибольшее влияние на нагарообразование оказывают меркаптаны. В присутствии меркаптанов ускоряется окисление нестабильных соединений дизельного топлива и тем самым увеличивается скорость образования отложений. Поэтому содержание меркаптановой серы в товарном дизельном топливе не должно превышать 0,01 %. Удаление меркаптанов из сернистого дизельного топлива приводит к тому, что в 2–5 раз уменьшается толщина лаковых пленок на иглах, а температура начала осмоления игл распылителей форсунок повышается на 25–30 °C.
Среди углеводородов, содержащихся в дизельном топливе, на процесс нагарообразования в большей степени влияют алкены и ароматические углеводороды. С увеличением содержания ароматических углеводородов склонность топлива к нагарообразованию возрастает.
Существенную роль в процессе нагарообразования играют алкены, в частности олефины. В топливе, полученном прямой перегонкой нефти, их содержание невелико. Добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, компонентов вторичной переработки нефти (от процессов термического и каталитического крекинга) повышает содержание олефинов в дизельном топливе. Испытания показали, что добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, даже 20 % дизельных фракций термического крекинга приводит к резкому ухудшению его эксплуатационных свойств, а именно снижается стабильность при хранении и повышается склонность к нагарообразованию. Такое топливо вызывает быстрое осмоление игл распылителей форсунок и их зависание. В связи с этим добавление продуктов термического крекинга в товарные виды топлива для быстроходных дизелей запрещено.
В продуктах каталитического крекинга меньше алкенов, поэтому в товарное дизельное топливо из сернистой нефти допускается добавлять до 20 % каталитического газойля.
С увеличением содержания смолистых веществ склонность дизельного топлива к нагарообразованию возрастает. Добавление к обессмоленному топливу всего лишь 0,25 % смолистых веществ приводит к образованию отложений и зависанию игл распылителей форсунок.
Содержание смолистых веществ в дизельном топливе оценивают так же, как в автомобильных бензинах – определением содержания фактических смол. С увеличением содержания фактических смол в дизельном топливе их склонность к нагарообразованию возрастает. Поэтому одно из требований к качеству дизельного топлива – содержание фактических смол не должно превышать 30–60 мг/100 мл.
Склонность дизельного топлива к нагарообразованию зависит также от его коксуемости и зольности.
Коксуемость - это способность топлива образовывать в условиях нагрева без доступа воздуха остаток в виде угля (кокса). Для дизельного топлива коксуемость зависит от их фракционного состава и содержания смолистых и нестабильных соединений. Чем быстроходней и термически напряженней двигатель, тем меньше должна быть коксуемость применяемого топлива. Коксуемость определяют либо для топлива в целом, либо для его 10 %-ного остатка после перегонки (коксуемость 10 %-ного остатка должна быть не более 0,5 %).
Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей: чем меньше зольность, тем меньше неорганических примесей попадает в нагар. Увеличение массы золы в нагаре ведет к повышению его абразивных свойств. Допустимое содержание золы в дизельном топливе лежит в пределах 0,01-0,02 %.
Товарное дизельное топливо, отвечающее указанным выше требованиям по фракционному составу, йодному числу, содержанию фактических смол, общей и меркаптановой серы, зольности и коксуемости, обеспечивает работу двигателей на всех режимах с незначительным образованием отложений.
5. Смазывающие вещества для автомобилей
За последние годы количество иномарок на наших дорогах резко увеличилось, однако статистика свидетельствует о том, что подавляющее большинство украинских автомобилистов продолжает владеть "Жигулями", "Москвичами", "Волгами", "Запорожцами", "Тавриями" и другими детищами родного автопрома. Многие из них выпущены так давно, что теперь трудно уже вспомнить, что тогда рекомендовали заводы-изготовители по поводу технического обслуживания машин. Так, например, для многих автомобилистов остается открытым вопрос о смазочных маслах и технических жидкостях, которые наилучшим образом подойдут к автомобильным двигателям и другим механизмам. Чтобы на него ответить, прежде всего, давайте вспомним, для чего вообще механизмы смазывают.
5.1. Трение и износ
Трение и износ твердых поверхностей имеют место всегда, когда эти поверхности соприкасаются друг с другом при некотором усилии. Трение представляет собой сопротивление движению одной поверхности по отношению к другой, в результате которого происходит выделение тепла. В зависимости от условия и характера работы между контактирующими поверхностями имеет место либо трение покоя, либо трение движения. В свою очередь, трение движения бывает двух разновидностей – трение скольжения и трение качения.
Каждый из перечисленных видов трения может осуществляться как без смазки (сухое трение), так и в присутствии смазки. В зависимости от толщины слоя смазки различают граничное и жидкостное (или гидродинамическое) трения.
Жидкостное, или гидродинамическое, трение характеризуется полным разделением контактирующих тел слоем смазочного материала. Эластогидродинамический – это такой режим смазывания, когда трение и толщина слоя смазывающего материала между трущимися поверхностями определяются свойствами материала поверхности трения и смазочным веществом. Данный процесс, как правило, реализуется на переходных режимах работы узлов трения.
Наиболее неблагоприятным и опасным режимом трения является граничный. Он характеризуется минимальной толщиной смазочной пленки, высокими значениями коэффициента и силы трения, а также повышенным износом пар трения.
Износ - это повреждение деталей, вызванное трением. В результате износа уменьшаются размеры деталей и изменяется их форма. Чем больше нагрузка и выше скорость движущихся поверхностей, тем сильнее сопротивление трения и, как следствие, износ. Как бы (на первый взгляд) хорошо не были обработаны трущиеся поверхности, на них всегда есть микрошероховатости, гребни которых задирают аналогичные неровности на сопрягаемых деталях, усиливая их износ. В результате повышенного износа происходят задир и заедание поверхностей трения. При этом затрудняется перемещение контактирующих тел вплоть до их полной остановки (в этом случае говорят о "заклинивании"), что в итоге может привести к полному разрушению узла трения.
В зависимости от режима и условий работы различают несколько видов изнашивания:
– механическое, возникающее вследствие механических воздействий;
– коррозионно-механическое, имеющее место при химическом или электрохимическом взаимодействии материала пары трения со смазочной средой, протекающем при механических воздействиях;
– абразивное, происходящее в результате режущего или царапающего действия на материал трущейся пары твердых частиц – абразива, попадающего в зону контакта;
– усталостное (осповидный износ, или питтинг) происходит при воздействии ударных нагрузок и деформировании микрообъемов трущихся тел.
Известно, что износ можно существенно снизить, если трущиеся поверхности разделить некоторой прослойкой, которая способна снизить трение и взаимный нагрев деталей. Такой прослойкой, как правило, служит смазочный материал: жидкое масло либо пластичная (консистентная) смазка.
Правильное смазывание трущихся поверхностей является основой нормальной работы поршней, цилиндров, подшипников, валов, втулок, шестерен и других деталей машин.
В большинстве случаев смазывание агрегатов, в которых детали перемещаются с высокими скоростями (двигателей внутреннего сгорания, различных шестеренчатых редукторов, турбин), осуществляется с помощью масел, а тихоходные осевые подшипники и многие редукторы (например, червячные) заполняются долговременными пластичными смазками.
5.2. Общие сведения о машинных маслах
Как известно, любое современное масло состоит из масляной основы (базы) и пакета функциональных присадок, при помощи которых продукту придаются те или иные необходимые свойства. Различают два подхода к классификации смазочных масел: по происхождению (способу получения) масляной основы и по назначению (способу применения) готового продукта.
По происхождению, то есть в зависимости от типа основы, смазочные масла подразделяются на минеральные (в качестве основы используются минеральные, то есть нефтяные рафинаты, полученные из тяжелых фракций продуктов перегонки нефти) и синтетические (их основы приготовлены на основе синтетических углеводородов или продуктов гидрокрекинга нефти). Промежуточную группу составляют так называемые полусинтетические смазочные масла, в состав которых могут входить и минеральные, и синтетические вещества.
Часто рецептура масла объявляется технической и коммерческой тайной производителя, хотя общие принципы построения этой рецептуры хорошо известны специалистам, а составы пакетов присадок у разных фирм не намного отличаются друг от друга.
На самом деле все гораздо проще: существуют хорошо изученные и апробированные на практике технологические процессы, которыми пользуются все без исключения фирмы для получения тех или иных продуктов.
По назначению смазочные масла подразделяют на моторные, газотурбинные (реактивные), трансмиссионные, индустриальные и масла различного назначения.
Моторные масла – это группа смазочных масел, предназначенных для смазывания поршневых двигателей внутреннего сгорания.
К газотурбинным относят масла, предназначенные для смазывания двигателей внешнего сгорания – газотурбинных установок.
Трансмиссионными называют масла, используемые для смазывания цилиндрических, конических, спирально-конических и гипоидных передач, зубчатых редукторов, а также некоторых других трущихся силовых соединений (шарниров и т. п.). Трансмиссионные масла, в свою очередь, подразделяют на масла для механических, гидромеханических и гидростатических передач.
К этой группе относят также осевые и редукторные масла.
В группу индустриальных обычно включают масла, используемые для смазывания агрегатов и механизмов различного промышленного оборудования – станков, промышленных редукторов, направляющих скольжения и т. п. К этой группе также относят масла для прокатных станов и приборные масла.
Масла различного назначения – это, в общем случае, компрессорные, цилиндровые, холодильные и турбинные. В эту группу могут также входить другие масла – теплоносители, медицинские, вакуумные и пр.
В последние годы, исходя из экономических и технических соображений, осуществляется унификация смазочных масел в технике. Она заключается в сокращении числа используемых сортов масел и в расширении областей их применения. В более широком смысле унификация выражается в стирании в определенных условиях граней между маслами разного назначения.
Однако до сих пор большинство отечественных и зарубежных масел рассчитаны на конкретные условия применения, поэтому их произвольная замена не всегда оправдана и может иметь негативные последствия для механизма.
5.3. Функции масел
Независимо от области применения смазочные масла выполняют следующие основные функции:
– уменьшают трение, возникающее между сопряженными
деталями;
– снижают износ деталей и предотвращают их задир;
– отводят тепло от трущихся деталей;
– защищают трущиеся поверхности и другие неизолированные детали от коррозионного влияния внешней среды. Для выполнения указанных функций масла должны обладать:
– оптимальными вязкостно-температурными свойствами для облегчения запуска машин и механизмов при низких температурах окружающего воздуха, для снижения износа трущихся деталей и уменьшения потерь мощности машины или механизма на трение;
– хорошими смазывающими свойствами для обеспечения надежной смазки на всех режимах работы объекта;
– достаточной антиокислительной стойкостью, препятствующей значительному изменению химического состава масла в процессе его работы;
– хорошими моющими свойствами с целью снижения склонности к образованию отложений на нагретых металлических поверхностях и в системе смазки;
– высокими противокоррозионными свойствами по отношению к конструкционным материалам, особенно цветным металлам и сплавам, при рабочих температурах масла;
– удовлетворительными защитными свойствами для предохранения металлов от атмосферной коррозии, прежде всего в период остановки машины или механизма.
Кроме того, смазочное масло должно обладать низкой
испаряемостью, малой пенообразующей способностью и эмульгируемостью, не должно оказывать отрицательного воздействия на уплотнительные материалы, не отличаться высокой токсичностью и не подвергаться биологическим повреждениям, а также не вызывать загрязнения окружающей среды, не изменять своих свойств при хранении, легко перекачиваться и транспортироваться.
Из перечисленных свойств общими для всех групп масел являются смазочные, противокоррозионные, антиокислительные свойства, в то время как другие, например моющие, характерны только для смазочных масел определенного назначения. Ряд свойств являются основными только в соответствующих условиях применения. Так, например, биостойкость становится наиболее важной характеристикой при использовании масел во влажной атмосфере тропического климата, а температура застывания не имеет значения летом, но актуальна зимой и т. д.
5.4. Эксплуатационные свойства масел
К числу важнейших эксплуатационных свойств смазочных масел относятся смазочные, вязкостные, противокоррозионные, антиокислительные, моющие и защитные. Именно эти свойства в наибольшей степени определяют качество масла и возможность его применения в тех или иных условиях.
Смазочные свойства относят к наиболее общим понятиям, объединяющим несколько свойств масел, влияющих на процессы трения и износа в машинах и механизмах. Смазочное действие масел зависит от их противоизносных, противозадирных и антифрикционных свойств. Базовые масла без присадок, как правило, не обладают достаточной смазывающей способностью. Поэтому для получения заданных свойств в базовые масла вводят специальные вещества – присадки. Так, введение антифрикционных, противоизносных, противоза-дирных присадок обеспечивает получение заданного уровня смазочных свойств.
Действие перечисленных присадок обусловлено двумя факторами: адсорбцией присадок на металле и химической активностью молекул присадки по отношению к материалам пары трения. Эффективность присадки определяется ее химическим строением и составом, а также условиями трения. При этом действие антифрикционных присадок обусловлено как раз их адсорбцией на металле, а противозадирных – с возможностью образования химически модифицированных слоев на поверхностях пары трения. Эта способность проявляется преимущественно при высоких удельных нагрузках в момент значительного генерирования тепла в зоне трения.
Качественно характер модифицированных слоев зависит от химического состава используемых присадок. Например, при использовании хлорсодержащих присадок на поверхности металла происходит образование хлоридов, серосодержащие присадки приводят к образованию сульфидов, фосфорсодержащие – фосфидов. Вместе с тем химический состав пленок в значительной степени зависит от атмосферы и условий трения, в частности нагрузки и температуры. Так, при низких нагрузках независимо от природы присадки на поверхности металла образуются главным образом оксидные пленки. С повышением нагрузки в составе пленок увеличивается доля активного элемента, содержащегося в присадке (серы, фосфора или хлора).
Механизм действия хлорсодержащих соединений и повышение их смазочных свойств при трении заключается в образовании на металле пленок хлоридов или сложных хлор-органических солей железа.
Модель противоизносного действия серосодержащих соединений и, в частности, дисульфидов предполагает адсорбцию присадки на поверхности металла и последующее образование достаточно прочных соединений с металлом.
Фосфорсодержащие соединения (например, дитиофосфаты цинка), разлагаясь под воздействием высоких температур, образуют на поверхностях трения полимерные пленки.
Сульфидная и хлоридная пленки обладают пластичной структурой и пониженным коэффициентом трения за счет меньшего напряжения сдвигу соответствующих модифицированных слоев по сравнению с чистыми металлами.
Коэффициент трения, осуществляемого с участием сульфидной пленки, сравнительно высок и составляет 0,5. Хлоридная пленка, напротив, имеет низкое касательное напряжение сдвига; ее коэффициент трения равен примерно 0,2.