Масленников Ростислав Ростиславович, Ермак Владимир 1 страница

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

(АВТОМОБИЛЬНЫЕ)

Рекомендовано учебно-методической комиссией специальности

190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» в качестве

электронного учебника

Кемерово 2011

Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильных

перевозок А. В. Косолапов

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой экс-

плуатации автомобилей, председатель УМК специальности 190601

«Автомобили и автомобильное хозяйство» А. И. Подгорный

Масленников Ростислав Ростиславович, Ермак Владимир

Николаевич. Эксплуатационные материалы (автомобильные): учеб-

ник [Электронный ресурс] для студентов специальности 190601 «Ав-

томобили и автомобильное хозяйство» всех форм обучения / Р. Р.

Масленников, В. Н. Ермак. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ,

2011. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); зв.; цв.; 12 см. – Систем.

требования: Pentium IV; ОЗУ 8 Мб; Windows 2003; (CD-ROM-

дисковод); мышь. – Загл. с экрана.

Написано в соответствии с образовательной программой дисци-

плины «Эксплуатационные материалы» специальности 190601 «Ав-

томобили и автомобильное хозяйство». Изложены краткие сведения

по производству горюче-смазочных и неметаллических материалов.

Рассмотрены важнейшие эксплуатационные свойства, влияющие на

надежность работы двигателей и агрегатов автомобиля. Освещены

вопросы применения перспективных топлив и масел ненефтяного

происхождения. Приведены сведения по ассортименту, показателям

качества эксплуатационных материалов.

© КузГТУ

© Масленников Р.Р.

Ермак В.Н.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Эксплуатационные материалы» для специально-

сти «Автомобили и автомобильное хозяйство» относится к федераль-

ной компоненте дисциплин и не является новой. Для обеспечения

учебного процесса по этой дисциплине для этой специальности было

написано достаточно много вполне неплохих учебников. Однако все

они имеют общий недостаток: большая часть информации в них дек-

ларируется без объяснения явлений, происходящих в агрегатах авто-

мобиля при его эксплуатации и взаимодействии их с эксплуатацион-

ными материалами.

Кроме того, написание учебника «Эксплуатационные материа-

лы» было вызвано и тем, что основной учебник Л. В. Васильевой

«Эксплуатационные материалы», изданный в 1986 г., к 2000 году

безнадежно устарел.

Первое издание учебника было осуществлено в конце 2000 г.

тиражом 100 экземпляров. После исправления замеченных опечаток и

некоторых добавлений и поправок было второе издание учебника в

2004 г. тиражом 300 экземпляров. Учебник использовался как в го-

ловном вузе, так и его филиалах в городах Прокопьевске и Новокуз-

нецке. Работа над электронным изданием учебника продолжалась

семь лет и настоящая версия, на наш взгляд и по мнению настоящих

рецензентов, оказалась более удачной понятной.

Введение

Надежность и долговечность автомобилей, а также денежные

расходы на их эксплуатацию существенно зависят от качества и куль-

туры применения эксплуатационных материалов. Затраты на экс-

плуатационные материалы сегодня на ряде автотранспортных пред-

приятий составляют около 25 %, а на пассажирских – даже более

30 % себестоимости перевозок.

Повышение культуры использования эксплуатационных мате-

риалов может быть достигнуто путем изучения их свойств, правил

транспортирования, хранения и применения этих материалов. Эти

знания необходимы не только для того, чтобы обеспечить безотказ-

ную работу транспортных средств, но и для того, чтобы, во-первых,

повысить их долговечность, достичь экономного расходования экс-

плуатационных материалов, во-вторых, исключить вредное воздейст-

вие их на здоровье людей, окружающую среду, в-третьих, сократить

затраты на техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Таковы

цели изучения данного курса.

Основная задача курса "Эксплуатационные материалы" – нау-

чить будущих специалистов в практической работе в условиях авто-

транспортного предприятия правильно применять, экономно расхо-

довать, выполнять необходимые меры предосторожности и опреде-

лять качество эксплуатационных материалов по важнейшим показа-

телям. Студенты должны знать, как правильно организовать транс-

портирование, учет и хранение эксплуатационных материалов.

Учебник рассчитан на то, что к началу изучения курса "Эксплуа-

тационные материалы" будет закончено изучение дисциплин общеоб-

разовательного и общетехнического циклов. Поэтому при изложении

материала используются термины, понятия и сведения, которые были

даны в курсах математики, химии, физики и других предметов.

1. Физико-химические свойства нефти

Нефть (турецкое neft (нефт) от латинского naphta (нафта) в пе-

реводе – просачивание) – горючая маслянистая жидкость, цвета от

темно-бурого до черного, распространенная в осадочной оболочке

Земли. Представляет собой сложную смесь углеводородов с приме-

сями кислорода, серы и азотсодержащих соединений.

Плотность нефти от 650 до 950 кг/м3; различают: легкую (650–

870 кг/м3), среднюю (871–910 кг/м3) и тяжелую (910–950 кг/м3). Тя-

желые сорта нефти могут быть твердые с плотностью 1050 кг/м3, пре-

вышающей плотность воды. Такую нефть добывают, как уголь – под-

земным способом.

Теплота сгорания или теплотворная способность нефти в зави-

симости от месторождения, а точнее от плотности колеблется от 43

до 46 тыс. кДж/кг – это самая высокая теплота сгорания среди из-

вестных в природе минерально-энергетических источников (газ –

38000 кДж/м3, уголь – 29000 кДж/кг, дрова – 18000 кДж/кг)1. Темпе-

ратура кипения нефти находится в диапазоне от 35 до 500°С.

1.1. Химический состав и структура

углеводородов нефти

Нефть по массе состоит на 97–98 % из углеводородов различно-

го состава и строения и 2 % – примесей, представляющих собой хи-

мические соединения, содержащие кислород, серу, азот, а также сво-

бодную серу.

В свою очередь, углеводороды состоят на 83–87 % из углерода и

на 13–17 % из водорода (уголь, соответственно, содержит 92–94 %

углерода и 6–8 % водорода).

Нефть различных месторождений различна по плотности, следова-

тельно, химический состав и структура углеводородов у них различны.

Даже в пределах одного месторождения многочисленные угле-

водороды, входящие в ее состав, различаются молекулярной массой,

количеством атомов углерода и водорода в молекуле, их строением,

характером валентных связей между атомами углерода.

Все углеводороды нефти можно разделить на следующие группы:

парафиновые (алканы);

нафтеновые (цикланы);

ароматические (арены).

Однако большая часть их имеет смешанное, гибридное строение, раз-

личное сочетание парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов.

Парафиновые углеводороды относятся к предельным, имеющим

цепную структуру и общую эмпирическую формулу (Сn H2n + 2). Число

атомов углерода в углеводородах нефти обычно колеблется от 1 до

20, но может быть 50 и больше. Простейшие: метан (СН4), этан

(С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10) при нормальных условиях (тем-

пературе 0°С, давлении 760 мм рт. ст.) представляют собой газы. Уг-

1 Теплотой сгорания (теплотворной способностью) топлива называется количество

тепла (кДж), выделяющегося при полном сгорании 1 кг жидкого (твердого) топлива

или 1 м3 газового топлива.

леводороды с числом атомов углерода от 5 (С5Н12) до 16 (С16Н34) (це-

тан) – жидкие, а с 17 (С17Н36) и выше – твердые.

Таким образом, нефть можно представить как раствор газооб-

разных и твердых углеводородов в жидких.

С изменением молекулярной массы изменяются температура кипения,

теплотворная способность и детонационная стойкость углеводородов.

Например, детонационная стойкость углеводорода бутан

(С4Н10) – 92, пентан (С5Н12) – 62, гексан (С6Н14) – 26, гептан (С7Н16) –

0 октановых единиц.

Аналогично изменяются свойства нафтеновых и ароматических

углеводородов.

Из парафинового ряда автомобилисту необходимо знать: гептан

(С7Н16), октан (С8Н18) и цетан (С16Н34), так как некоторые эксплуата-

ционные свойства этих углеводородов являются эталонными.

Гептан (С7Н16) – его детонационная стойкость условно оценена

в 0 единиц.

Изооктан (С8Н18) – его детонационная стойкость условно оце-

нена в 100 единиц.

Цетан (С16Н34) – его склонность к самовоспламенению условно

оценена в 100 единиц.

Все перечисленные выше углеводороды являются углеводоро-

дами нормальной структуры, их атомы представляют прямую цепоч-

ку и называются н-парафиновыми (нормальными-парафиновыми).

Тогда молекула, прямая цепочка парафинового углеводорода

октана (С8Н18), будет иметь вид

H H H H H H H H

H C C C C C C C C H

H H H H H H H H

Молекулы парафиновых углеводородов могут иметь и разветв-

ленную цепочку и называются изомерами или изопарафиновыми.

Разветвление цепочки возможно от бутана (С4Н10) и выше.

Углеводороды цепной и циклической (нафтеновые и ароматиче-

ские) структуры, нормальные и изомерные, предельные и непредель-

ные проявляют себя в топливах и маслах по-разному.

Так, молекула, разветвленная цепочка парафинового углеводо-

рода простейшего изооктана (С8Н18), будет иметь вид

H H H H H H H

H C C C C C C C H

H H H H H

H

H C H

H

Таким образом, молекулы октана и изооктана имеют одинако-

вую молекулярную массу и состав, а именно 8 атомов углерода и 18

атомов водорода (С8Н18), т.е. одинаковую теплотворную способность,

но совершенно разную детонационную стойкость. Изооктаны обра-

зуют различные ветвистые структуры, например известный триме-

тилпентан. Всего возможно 17 соединений изооктана.

H

H H C H H

H

H

H C

C C C C H

H H C H H H C H H

H

H

Триметилпентан

Выше отмечалось, что с увеличением молекулярной массы де-

тонационная стойкость углеводородов падает.

Так, детонационная стойкость н-гептана (С7Н16) оценивается в 0

единиц, а вот детонационная стойкость более тяжелого изооктана

(триметилпентана) оценивается в 100 единиц.

Изомерные парафиновые углеводороды улучшают качество

бензинов, повышая их детонационную стойкость, а нормальные уг-

леводороды парафинового ряда улучшают качество дизельных топ-

лив, поскольку обладают повышенной склонностью к самовоспла-

менению. Однако область применения их ограничена только лет-

ними сортами дизельного топлива, т.к. парафиновые углеводороды

легко замерзают.

Доминирующим эксплуатационным фактором для бензина явля-

ется детонационная стойкость, а для дизельного топлива – самовос-

пламеняемость.

Таким образом, н-парафиновые углеводороды желательны в лег-

ких (летних) сортах дизельного топлива и нежелательны в бензинах,

изо -парафиновые углеводороды желательны в бензинах и нежела-

тельны в дизельных топливах.

Парафиновые углеводороды, содержащиеся в топливах и мас-

лах, обладают высокой химической стабильностью и при нормальных

условиях длительное время сохраняют первоначальные качества.

Непредельные парафиновые углеводороды, имеющие одну двой-

ную связь, называются олефинами (СnH2n), а имеющие две двойные

связи – диолефинами или диенами (СnH2n -2). Например, молекула оле-

фина (С4Н8) может иметь следующие три вида:

H

H H

H C C C C H

H H H H

H H H

H C C C C

H H H H

H C

H

H

H C

H

C C

H

H

а молекула диолефина (С4Н6) будет иметь вид

H C C C C H

H H H H

Двойные связи между углеродами менее стойкие, чем одинар-

ные, поэтому любые непредельные углеводороды нежелательны в

любых нефтепродуктах, поскольку легко окисляются и осмоляются.

Однако, обладая облегченной массой и возможно разветвленной

структурой, непредельные углеводороды имеют более высокую дето-

национную стойкость по сравнению со своими аналогами.

Нафтеновые углеводороды имеют общую эмпирическую фор-

мулу (Сn H2n). Они представляют собой циклические насыщенные уг-

леводороды, в которых соседние атомы углерода соединяются между

собой одной валентной связью и образуют замкнутую циклическую

структуру.

CH2

CH2 CH2

CH2

CH2 CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

Циклопентан Циклогексан

Нафтеновые углеводороды иногда называют циклопарафинами. В

нефти и нефтепродуктах содержатся главным образом моноциклические

пяти-(С5 Н10) и шестичленные (С6Н12) представители и их производные.

Производные нафтенового ряда различаются количеством, положе-

нием, длиной и структурой боковых цепей.

Нафтеновые углеводороды обладают большей стойкостью про-

тив окисления при высоких температурах по сравнению с нормаль-

ными парафиновыми углеводородами и имеют более высокую темпе-

ратуру кипения при сопоставимых молекулярных массах.

Легкие нафтеновые углеводороды желательны в автомобильных

топливах для карбюраторных двигателей и для зимних сортов ди-

зельного топлива. Нафтеновые углеводороды сложной структуры,

имеющие длинные боковые цепи, желательны в маслах, т.к. улучша-

ют их качество, в частности понижая температуру застывания.

Доминирующим фактором качества масла является темпера-

тура застывания. Чем она ниже, тем лучшим эксплуатационным ка-

чеством оно обладает.

Нафтеновые углеводороды подобно парафиновым могут дли-

тельно храниться без изменения своих химических свойств.

Ароматические углеводороды относятся к циклическим угле-

водородам, в основе которых лежит шестичленное углеродное кольцо

с чередующимися двойными и одинарными связями. Имеют общую

эмпирическую формулу (Сn H2n – 6). Простейшими ароматическими уг-

леводородами, которые подчиняются общей эмпирической формуле,