Масленников Ростислав Ростиславович, Ермак Владимир 3 страница

пературе ~420°С, дав-

лении от 0,007 до

0,013 МПа в присутст-

вии водяного пара.

Глубокий вакуум по-

нижает температуру

кипения (при темпера-

Рис. 2.2. Схема вакуумной мазутоперегон-

ной установки

туре 420°С легко заки-

пают фракции, кото-

рые при обычных ус-

ловиях закипают при 500°С), водяной пар предотвращает крекинг-

процесс.

1 Рагозин Виктор Иванович (1833–1901), русский общественный деятель, инженер,

предприниматель. Один из первых организаторов русской нефтяной промышленно-

сти.

В ректификационной колонне конденсируются и отделяются

дистиллятные масла, внизу колонны в виде остатка отделяется гуд-

рон или полугудрон.

Автомобильные моторные масла – это автоловые дистилляты,

которые по вязкости находятся выше цилиндровых, но ниже машин-

ных масел.

Более вязкие масла, которые называют трансмиссионными, по-

лучают очисткой полугудрона. Их называют остаточными маслами.

Остаток в виде гудрона или полугудрона зависит от глубины пере-

гонки, т.е. от глубины вакуума. Некоторые трансмиссионные масла

получают смешиванием остаточных и дистиллятных масел. Их назы-

вают компаундными маслами. Автомобильные масла состоят из угле-

водородов с числом атомов углерода от 20 до 50.

Процесс производства масел включает очистку дистиллятных и

остаточных фракций от примесей и нежелательных углеводородов, в

виде смолисто-асфальтеновых веществ, сернистых соединений, орга-

нических кислот и твердых парафинов и церезинов, непредельных

углеводородов, а для улучшения качества масел в них добавляют

специальные вещества, называемые присадками.

Для очистки масел применяют концентрированную серную ки-

слоту, которая обладает способностью растворять смолы и некоторые

сернистые соединения, кроме того, она осмоляет непредельные угле-

водороды, а затем растворяет образовавшиеся из них смолы.

Очень широко для очистки нефтепродуктов применяют отбели-

вающие глины (земли). Тонко помолотые и специально обработанные

глины обладают сильно развитой поверхностью, на которой адсорби-

руются смолы, серная и органические кислоты. Операция очистки

включает тщательное перемешивание – контактирование порошко-

образной глины с маслом, выдержку полученной смеси в течение оп-

ределенного времени при соответствующей температуре и фильтра-

цию – пропускание через фильтры с целью отделения масла от отра-

ботанной глины. Масло заметно осветляется, становится прозрачным,

одним словом, отбеливается.

Кроме примесей из масел извлекаются обычные полицикличе-

ские углеводороды с короткими парафиновыми цепями и малой хи-

мической стабильностью. Эта задача решается с помощью специаль-

ных селективных растворителей (фенола, фурфурола), которые се-

лективно, т.е. избирательно, выборочно растворяют только нежела-

тельные углеводороды и смолистые вещества. Раствор масла и рас-

творителя называют экстрактом. После отстаивания прореагиро-

вавших соединений в виде темного слоя над ним располагается более

светлый слой, называемый рафинатом. После контактно-земельной

доочистки рафината, предварительно освобожденного от остатка рас-

творителя, получается высококачественное глубокоочищенное масло.

Несмотря на применение самых совершенных способов очистки,

свойства получающихся масел не всегда полностью отвечают предъ-

являемым к ним требованиям. Чтобы обеспечить соответствие каче-

ства масла непрерывно возрастающим требованиям, в готовые масла

вводят синтетические вещества, присадки, улучшающие одно или од-

новременно несколько свойств.

Присадки вводятся в масла с целью, во-первых, увеличить тем-

пературный диапазон применения масел, во-вторых, долговечность

или работоспособность (в 1,5–2 раза) того механизма, который они

смазывают, в-третьих, увеличить срок службы масла в 3–5 раз для со-

кращения расходов на само масло и техническое обслуживание, свя-

занное с его заменой, в-четвертых, снизить на 10–15 % его естествен-

ный расход – угар.

В зависимости от назначения присадки к автомобильным мас-

лам подразделяют на:

а) вязкостно-загущивающие присадки, улучшают вязкостно-

температурные свойства моторных и других масел. С увеличением

температуры естественная вязкость масла падает. Эти присадки обес-

печивают маслу более пологую вязкостно-температурную характери-

стику, повышают индекс вязкости масла за счет того, что увеличива-

ется вязкость масла при повышении температуры. Одновременно при

низких температурах загущивающие свойства проявляются в мень-

шей степени, присадка не повышает температуры застывания масла.

К этому типу присадок относятся маслорастворимые органиче-

ские полимеры, такие как: сополимеры олефинов; полиметакрилаты;

стирольные полиэфиры; гидрированные стиролдиеновые сополиме-

ры; гидрированные радиальные полиизопрены и другие. Наиболее

распространенной присадкой этого типа является полиизобутилен.

Это каучукоподобное вещество, которое при низких температурах

как бы "скручивается" и заметного влияния на вязкость масла не ока-

зывает. При высоких температурах оно "разворачивается", масла как

бы замерзают, т.к. каучукообразные нити присадки создают подобие

кристаллической решетки. Некоторые загущивающие присадки яв-

ляются многофункциональными, то есть могут работать как депрес-

сорные или дисперсные или моющие присадки;

б) депрессорные присадки добавляют к маслам для понижения

температуры застывания. Они могут сдвинуть температуру застывания

на 20 – 40°С, присадки обволакивают замерзшие парафины и церезины,

препятствуя образованию пространственной кристаллической решетки.

Уменьшая размер кристаллов парафинов, они повышают текучесть

масла при низких температурах, увеличивают несущую способность

масляной пленки. В качестве депрессоров используют: полиметакрила-

ты; сложные полиэфиры на основе стирола; алкилфенолы; алкилиро-

ванные нафталины и полифумараты. Некоторые из этих присадок мо-

гут работать и как загущивающие присадки, поскольку влияют на рео-

логические (от греч. rheos – течение, поток) свойства масел при отрица-

тельных температурах. Эти присадки вводят практически во все масла,

эксплуатируемые при отрицательных температурах;

в) антиокислительные присадки или антиоксиданты приме-

няют для замедления окисления углеводородов масла кислородом

воздуха в условиях высоких температур, увеличивая срок его служ-

бы. Попутно за счет сохранения качества масла уменьшаются корро-

зия деталей смазываемого механизма, образование шламовых и лако-

вых отложений. В качестве антиокислителей используются химиче-

ские соединения: ароматические амины; сульфированные эфиры; ди-

тиофосфаты цинка; сульфиды фенолятов и замещенные алкилфено-

лы. Механизм действия их направлен на связывание свободных ради-

калов, или они взаимодействуют с пероксидами, замедляя процесс

окисления масла, и косвенно препятствуют росту вязкости масла.

Увеличение вязкости масла, кроме увеличения расхода топлива из-за

увеличения потерь на трение, вызывает разрушение подшипников

скольжения, особенно при холодном пуске и прогреве двигателя;

г) противокоррозионные присадки или ингибиторы коррозии

добавляются к маслам в основном для уменьшения коррозии вкла-

дышей подшипников скольжения продуктами окисления масла и сер-

нистыми соединениями.

Металл деталей двигателя непрерывно взаимодействует с кисло-

родом воздуха, с активными продуктами сгорания топлива и окисления

масла. Такое частичное разрушение поверхности металла называется

коррозией. К ингибиторам коррозии (от лат. inhebio – задерживаю) от-

носятся: щелочные детергенты (детергенты – синтетические моющие

средства); сульфонаты; феноляты и алкенилятарные кислоты. Было за-

мечено, что масла, обладающие высокими моющими свойствами, обла-

дают и хорошими антикоррозионными свойствами;

д) противоржавейные присадки обладают свойством удержи-

вать пленку масла на поверхности железосодержащих деталей,

уменьшая их коррозию при хранении автомобилей;

е) противоизносные присадки повышают смазывающие свойства

масла или прочность пленки на поверхности детали, следовательно,

уменьшают износы трущихся деталей и потери на трение. Применяют в

основном в трансмиссионных маслах. В автомобильных моторных мас-

лах в качестве противоизносных присадок используют: дитиофосфа-

ты цинка и дитиокарбаматы. В процессе эксплуатации эти присадки

адсорбируются на металлических поверхностях трения, предотвращая

их непосредственный контакт даже при высоких контактных нагрузках;

ж) противозадирные или противопитинговы е присадки спо-

собствуют образованию сверхпрочной пленки при значительных

температурах. Пленка выдерживает большие нагрузки, являясь раз-

делительным слоем, предотвращает металлический контакт трущихся

поверхностей, препятствует их заеданию и свариванию. Пленка обра-

зуется в результате взаимодействия с поверхностным слоем металла

элементов хлора, фосфора, серы, входящих в состав присадок. В ка-

честве противозадирных компонентов пакета присадок наиболее час-

то используют: алкил или арилдисульфиды, полисульфиды; дитио-

карбаматы и соли алкилфосфорных кислот. Присадки применяют

только для трансмиссионных масел, т.к. они настолько активны, что

могут стать причиной появления признаков химического износа де-

талей. Ограниченное применение эти присадки находят в технологи-

ческих приработочных маслах;

з) моющие или диспергирующие присадки выполняют две ос-

новные функции: во-первых, нейтрализуют сильные кислоты, обра-

зующиеся при сгорании топлива. Во-вторых, предотвращают загряз-

нение деталей отложениями, лакообразование на горячих деталях

двигателей, пригорание поршневых колец. Они препятствуют слипа-

нию продуктов окисления масла и других мелких частиц до размеров,

при которых они выпадают в осадок, а также разрушают уже слип-

шиеся частицы и частицы, осевшие на деталях. Механизм действия

этих присадок и химический (замедление окисления), и физический

(превращение продуктов окисления в тонкодисперсное взвешенное

состояние). Поэтому частицы не откладываются на поверхности де-

талей. В качестве классических моющих присадок чаще всего ис-

пользуют соли кальция и магния, такие как: сульфонаты; салицила-

ты и феноляты.

Диспергирующие присадки также обладают моющими свойства-

ми, но они гораздо более эффективны, чем соли кальция и магния пре-

дотвращают образование низкотемпературных шламовых и лаковых

отложений. К этой группе присадок относятся беззольные не содержа-

щие металлов соединения, которые можно разделить на две большие

группы: высокомолекулярные полимеры, одновременно обладающие

загущивающими свойствами, и низкомолекулярные соединения;

и) противопенные присадки предотвращают вспенивание масла

и перенос пузырьков в систему смазки и места контактов трущихся

поверхностей. К этим присадкам относятся силиконы и полиакрила-

ты. Механизм действия сводится к уменьшению поверхностного на-

тяжения оболочки находящихся в масле воздушных пузырьков, что

приводит к их "схлопыванию";

к) эмульгаторы и деэмульгаторы, их назначение прямо проти-

воположное. Эмульгаторы вводят для создания стабильной эмульсии,

например воды с маслом при производстве смазочно-охлаждающих

жидкостей (СОЖ), применяемых в металлообработке.

Деэмульгаторы вводят в автомобильные масла для предотвращения

смешивания масел с водой и для надежного их разделения. Присадки это-

го типа применяют при изготовлении бензинов и дизельных топлив.

Кроме присадок в состав специальных масел могут входить краси-

тели. Жидкости для автоматических коробок передач часто окрашивают

в красный цвет, а масла для двухтактных двигателей в голубой и т.д.

Присадки, одновременно улучшающие несколько свойств масла,

называются многофункциональными, или комплексными. Несколько

комплексных присадок, объединенных вместе, называются композици-

ей или пакетом присадок. Содержание присадок колеблется от десятых

долей процента до нескольких процентов, а их суммарное содержание

может достигать 25 %. Пакет присадок должен быть строго сбаланси-

рован, поскольку избыток какой-либо одной присадки может блокиро-

вать действие другой. Разработка и совершенствование пакетов приса-

док для автомобильных масел с целью повышения надежности, эффек-

тивности и экологичности современных автомобилей идут непрерывно.

Концентрация присадок в процессе работы масла уменьшается

главным образом из-за отфильтровывания и выпадения их в осадок. При

высоких температурах и нагрузках присадки срабатываются быстрее.

Несмотря на применение самых совершенных методов очистки

и присадок, получающиеся масла не всегда полностью отвечают

предъявляемым к ним требованиям. Поэтому наряду с нефтяными

находят применение и синтетические масла.

Синтетические масла. В настоящее время идет интенсивная

работа над разработкой и расширением применения синтетических

моторных масел, обладающих по ряду эксплуатационных свойств

лучшими показателями, чем у нефтяных минеральных масел. Осно-

вой синтетических масел могут быть как углеводороды, так и высо-

комолекулярные соединения, получаемые из сложных эфиров, двух-

атомных спиртов, кремнийорганических – силиконовых соединений,

фтороуглеродов и хлорфторуглеродов.

Фтороуглероды и хлорфторуглероды являются производными

углеводородов, в которых атомы водорода в первом случае замещены

на фтор, а во втором – на хлор и фтор.

F

C

F

C

F

n

Cl

n

Фторуглерод Хлорфторуглерод

Полимерные кремнийорганические соединения (полисилоксаны,

силиконы) находят все большее распространение в качестве специ-

альных смазочных масел и технических жидкостей. В их основе ле-

жит цепочка из чередующихся атомов кремния и кислорода:

Si O Si O Si

n

Боковые цепи атомов кремния представляют собой углеводо-

родные и другие органические радикалы различного строения. Прак-

тическое применение в качестве смазочных масел получили полиме-

ры с метильными радикалами – метилполисилоксаны и этильными

радикалами – этилполисилоксаны.

CH3

Si O

C2H5

Si O

CH3

n

C2H5

n

Метилполисилоксан

Этилполисилоксан

Одно из основных преимуществ синтетических масел – это их зна-

чительно более высокий индекс вязкости, чем у нефтяных масел даже

лучших сортов, а также более низкая температура потери подвижности

обеспечивают легкий пуск двигателей при более низких температурах.

Показатели вязкости синтетических масел при температурах

250–300°С в 3–5 раз выше равновязких им минеральным маслам при

рабочей температуре в 100°С, что обеспечивает сохранение условий

гидродинамической смазки до более высоких температур.

Термическая стабильность, низкая испаряемость и малая склон-

ность к образованию как высокотемпературных, так и низкотемпера-

турных шламовых отложений дают возможность успешно применять

синтетические масла, в условиях жаркого климата, в высокофорсиро-

ванных, теплонапряженных двигателях.

Большой срок службы до замены и меньший расход на угар со-

кращают эксплуатационный расход синтетических масел на 30–40%.

Несмотря на то, что стоимость синтетических масел в среднем в

2–3 раза выше минеральных они перспективны не только с эксплуа-

тационной точки зрения, но и с экономической. Минеральные и син-

тетические масла можно смешивать в любых пропорциях.

2.5. Производство пластичных смазок

Пластичные смазки используют в открытых узлах и механизмах,

в которых по этой причине применение жидких масел невозможно.

Консистентные или пластичные смазки состоят из двух компо-

нентов: основы и загустителя.

Основой любой смазки является минеральное или синтетиче-

ское масло (75–90 %). От качества масла зависят смазывающие, вяз-

костно-температурные свойства и химическая стабильность.

Загуститель является вторым непременным компонентом пла-

стичной смазки. Загуститель превращает жидкое минеральное масло

в малоподвижную мазеобразную массу. От вида загустителя зависят

температурная стойкость и влагостойкость. Загустители делятся

на две группы: мыльные и немыльные – углеводородные.

В качестве углеводородных загустителей используют парафин,

церезин, петролатум. Эти загустители обладают высокой влагостой-

костью, но низкой температурной стойкостью, последнее ограничило

область их применения.

Подавляющее большинство пластичных автомобильных смазок

изготавливают на мыльных загустителях. Мыло-загуститель получа-

ют омылением жира или нейтрализацией высших жирных кислот ще-

лочью. Щелочи и получаемые из них мыла различны по своим физи-

ко-химическим свойствам (натриевые, кальциевые, калциево-

натриевые, литиевые, алюминиевые, цинковые, бариевые и др.).

Многие мыла нерастворимы в воде, по этому показателю они усту-

пают углеводородным загустителям, однако по температурной стой-

кости превосходят их.

Производство мыльных загустителей в недалеком прошлом бази-

ровалось исключительно на растительных и частично животных жи-

рах. Однако с целью сокращения расхода пищевых жиров на техниче-

ские цели в больших масштабах стали применять искусственное окисле-

ние парафина с целью получения жирных синтетических кислот.

Кроме жидкого минерального масла и загустителя, в пластич-

ных смазках присутствуют побочные продукты, такие как вода, ще-

лочь и глицерин (побочный продукт реакции омыления жиров).

В пластичные смазки вводят антиокислительные, противокорро-

зионные, стабилизирующие присадки.

Для улучшения эксплуатационных свойств, расширения диапа-

зона рабочих температур и давлений, качества обработанных поверх-

ностей в консистентные смазки вводят наполнители, такие как гра-

фит, смола, дисульфид молибдена, фторопласты и соединения на базе

серы, хлора и фосфора.

3. Автомобильные бензины

Карбюраторный четырехтактный двигатель внешнего смесеоб-

разования с искровым воспламенением рабочей смеси появился в

1876 г., (двигатель Н.А. Отто), но и сегодня он является одним из

самых распространенных автомобильных двигателей. Свою извест-

ность он получил в силу неоспоримых преимуществ перед другим

популярным двигателем Р. Дизеля, 1897 г. Прежде всего, это высо-

кая удельная мощность по отношению к весу и размерам, относи-

тельная бесшумность, динамическая уравновешенность, долговеч-

ность, ремонтопригодность. У двигателя есть и недостатки: высо-

кий удельный расход относительно дорогого топлива, токсичные

отработавшие газы.

3.1. Основные технико-эксплуатационные требования

к качеству автомобильных бензинов

Бензин должен обеспечивать надежный пуск, как холодного, так

и горячего двигателя; безотказную работу двигателя на всех режимах

при температуре наружного воздуха от +30°С до –30°С; максималь-

ную мощность двигателя при минимальном расходе топлива; мини-

мальный износ двигателя.

Бензин не должен представлять опасность для лиц, занимаю-

щихся эксплуатацией, техническим обслуживанием и ремонтом

транспорта; продукты сгорания бензина не должны быть опасными

для окружающей среды.

3.2. Физико-химические свойства бензина,

характеризующие его эксплуатационные качества

Автомобильный бензин это бесцветная или светло-желтая жид-

кость состоящая из углеводородов различных групп с равновеликой

молекулярной массой от С5 до С12.

Как и всякая жидкость, бензин характеризуется только ему при-

сущими физико-химическими свойствами, которые определяются

стандартными методами. Почти по каждому показателю физико-

химических свойств установлены количественные значения. Наличие

количественных значений гарантирует одинаковые эксплуатацион-

ные качества бензинов, произведенных из нефтей разных месторож-

дений, с применением разных технологических процессов на заводах-

изготовителях. Выяснить, от каких физико-химических свойств зави-

сят те или иные эксплуатационные показатели, призван этот раз-

дел. При этом следует заметить, что от одного физико-химического

свойства может зависеть несколько эксплуатационных показателей, а

несколько физико-химических свойств могут одновременно оказы-

вать влияние на один эксплуатационный показатель.

3.3. Свойства бензина, влияющие на пуск

и безотказную работу двигателя

Карбюраторный двигатель работает только на рабочей смеси,

смеси паров бензина с воздухом. Топливо, находящееся в цилиндрах

двигателя в жидком виде, в момент прохождения пламени в процессе

горения не участвует. Способность карбюратора образовывать одно-

родную рабочую смесь зависит от многих физико-химических

свойств, в том числе от способности бензина испаряться, а также от

наличия в нем механических примесей и воды.

Приготовление рабочей смеси происходит за два такта, т.е. за

один оборот коленчатого вала. При частоте вращения коленчатого

вала 3000 об/мин один оборот будет совершаться за 0,02 с. Чтобы

бензин мог испариться за такое короткое время, он должен распы-

ляться на возможно мелкие частицы и обладать хорошей испаряемо-

стью, обеспечивающей легкий пуск, быстрый прогрев, хорошую

приемистость и другие эксплуатационные качества.

Практическая оценка испаряемости бензина основана на опре-

делении его фракционного состава и давления насыщенных паров.

Фракционный состав – это количество топлива в процентах и

температура, при которой оно, это количество, перегоняется. Фрак-

ционный состав определяется на стандартном аппарате для разгонки

(перегонки) нефтепродуктов. Эти два термина, разгонка и перегонка,

равнозначны. Результаты анализа заносят в таблицу 3.1. Качество

проведенного эксперимента зависит от постоянства интенсивности

каплепадения, которая должна быть 20-25 капель за 10 секунд. Ре-

зультаты перегонки для наглядности изображают графически. Ти-

пичная форма кривой разгонки бензинов нефтяного происхождения

представлена на рис. 3.1. По оси абсцисс откладывают температуры

перегонки в градусах Цельсия (°С), а на оси ординат – количество

отогнанного при этой температуре бензина в процентах (%).

Фракционный состав позволяет судить о полноте испарения то-

плива в процессе карбюрации. Для характеристики фракционного со-

става в стандарте указывают температуры, при которых перегоняют