Топливо дизельное А-0,4 ГОСТ 305-82. 3 страница

тиц двигателя. Поэтому двигатели, работающие на богатых смесях, ос-

нащаются системой подачи в цилиндры двигателя воды, запас которой

даже на легковом автомобиле значителен и составляет 30–50 литров.

На бедной смеси двигатель может работать без воды, но при

этом будет развивать существенно меньшую мощность.

Водородное топливо не опаснее бензина. Стоимость автомобиля

на водороде на 15 % выше бензиновых автомобилей. Стоимость литра

водорода в ФРГ в настоящее время равна 400 % стоимости бензина, а с

учетом выхода энергии заправка автомобиля подорожает на 1200 %.

Необходимо отметить, что существует способ получения водо-

рода непосредственно на транспортном средстве. Этот способ осно-

ван на способности ряда веществ (Al, Li, Mg и др.) в присутствии

специальных добавок при определенных условиях восстанавливать

воду до водорода с образованием оксидов соответствующих элемен-

тов. На основе алюминия разработан сплав с добавками галлия, индия

и олова, вступающий в реакцию с водой с выделением водорода и

побочным продуктом оксидом алюминия, имеющим промышленное

применение. Проведены успешные опыты с реактором разложения

воды активированным магнием.

6.3. Азотоводородные топлива

6.3.1. Азотоводородные топлива

для воздушно-топливныхдвигателей

К группе азотоводородных топлив относятся аммиак NН3 и гидра-

зин N2Н4. При термическом разложении и последующем горении они

выделяют достаточное количество тепла. Пожаро – и взрывоопасность

их меньше, чем у бензина. Двигатели, работающие на этих топливах,

меньше будут загрязнять атмосферу, поскольку в отработанных газах

отсутствуют СО, СО2, СН. Аммиак и гидразин ядовиты. Азотоводород-

ные топлива выгодны тем, что имеется хорошо развитая производствен-

ная база и неограниченные сырьевые ресурсы, так как производятся из

водорода воды и азота воздуха. Наличие азотной промышленности по-

зволяет рассматривать аммиак как одно из перспективных топлив.

По содержанию энергии в единице массы азотоводородное топ-

ливо (аммиак) уступает водороду в 7 раз, а бензину в 2,5 раза, однако

о Температура кипения, С -33 о Температура застывания, С -78 о 3 Плотность при -33 С, кг/м   о Критическая температура, С   Критическое давление, МПа 10,2 о Температура самовоспламенения, С   Теплота сгорания с учетом диссоциации, МДж/кг 17,13 Концентрационный диапазон воспламеняемости с воздухом, об.% 15-18

по объемной энергоемкости аммиак превосходит водород. В азотово-

дородных топливах азот является только связующим водород элемен-

том (он не горит), в бензинах связующую роль выполняет углерод,

который сам участвует в горении с выделением достаточного количе-

ства тепла. Аммиак (NН3)обладает высокой детонационной стойко-

стью (ОЧм-111; ОЧи-132). Основные физико-химические свойства

аммиака приведены в табл. 6.7.

Аммиак в чистом виде для современных двигателей внутренне-

го сгорания непригоден, так как имеет высокую температуру само-

воспламенения и горит вяло, с малой скоростью. В автомобильных

двигателях должны быть выполнены специальные мероприятия для

интенсификации его воспламенения и горения путем увеличения

температуры в камере сгорания. К таким мероприятиям можно отне-

сти увеличение мощности разряда в свече зажигания, повышение

степени сжатия, сокращение поверхности камеры сгорания и др.

Таблица 6.7

Физико-химические свойства аммиака

Гидразин дает вполне приемлемое горение в традиционных дви-

гателях внутреннего сгорания, но вызывает коррозию меди, цинка,

магния, алюминия и их сплавов. Эти металлы можно заменить в топ-

ливной аппаратуре, а вот головку блока цилиндров, поршень заме-

нить или защитить в настоящее время достаточно сложно. В перспек-

тиве возможна их защита керамическими покрытиями.

Гидразин (N2Н4) замерзает при температуре +1,7°С, но в смеси

с 10 % аммиака и 26 % воды образует эвтектику, замерзающую при

температуре –57°С, что вполне приемлемо. Теплота сгорания эвтек-

тики, а следовательно, и мощность двигателя упадут на 20 %. У гид-

разина есть уникальная способность взрываться без доступа воздуха

при нагреве до 300°С. Это позволяет исключить стартер, составляю-

щий 12 % массы двигателя, и использовать более легкую, долговеч-

ную и дешевую аккумуляторную батарею.

6.3.2 Азотоводородные топлива для

безатмосферных двигателей

Существующие воздушно-топливные двигатели внутреннего сго-

рания в качестве энергоносителей используют горючие вещества: неф-

тепродукты, жидкие синтетические топлива, спирты, горючие газы, а в

качестве окислителя – газообразный воздух, 78 % которого составляет

не участвующий в горении азот. В рабочем цикле дизеля доза топлива

распыляется и сгорает в предварительно сжатом воздушном заряде, по-

сле чего продукты сгорания становятся рабочим телом с высокими па-

раметрами (температурой до 2500°С, давлением до 10 МПа) совершают

полезную работу, перемещая поршень, вращая турбину и т.д.

Термодинамический КПД воздушно-топливных двигателей

внутреннего сгорания достигает ~30–40% и принципиально ограни-

чен потерями мощности на сжатие воздушного заряда и незначитель-

ной степенью расширения рабочего тела в тепловой машине.

В настоящее время возможно создание альтернативных безат-

мосферных силовых установок, использующих жидкие унитарные

топлива в виде концентрированных водных растворов, содержащих

наряду с горючими водородоносителями необходимое количество

безопасного окислителя.

Простейшим унитарным топливом может служить концентри-

рованный водный раствор аммиачной селитры (NH4NO3). Каждая

молекула аммиачной селитры (нитрат аммония) содержит аммоний-

ную группу (NH4) богатую горючим водородом и окислительную

группу (NO3), легко отщепляющую кислород и выполняющую функ-

цию внутримолекулярного окислителя. Схема полного термического

распада нитрата аммония описывается уравнением:

NH4NO3 = N2 + 2Н2О + 1/2О2 + 384 ккал/кг

Из приведенного уравнения видно, что 20% кислорода при экзо-

термическом распаде аммиачной селитры выделяется в свободном ви-

де и продукты термического распада абсолютно безвредны для чело-

века и окружающей среды. Это дает возможность использовать амми-

ачную селитру не только как энергоноситель, но и как дешевый окис-

литель в смесях с горючими веществами органического происхожде-

ния. Сбалансированные по кислороду стехиометрические композиции

способны выделять до 1000 ккал/кг за счет участия выделяющегося из

селитры кислорода во вторичных реакциях с органическими добавка-

ми. Следует отметить, что в реальных условиях термический распад

чистой аммиачной селитры из-за избытка кислорода в ее молекуле со-

провождается выделением токсичных окислов азота NОх.

Некоторые горючие вещества, богатые водородом (аммиак NH3,

карбамид CO(NH2)2, спирты: CH3OH или С2Н5ОН) при растворении

с аммиачной селитрой не разрушают ее, не окисляются и не вступают

в химические реакции друг с другом вплоть до температур вспышки

(250–280°С). Полное химическое превращение стехиометрических

смесей аммиачной селитры с выше перечисленными горючими веще-

ствами до конечных продуктов описывается уравнениями:

аммиака 3 NH4NO3 + 2 NH3 = 9Н2О + 4N2 + 820 ккал/кг,

карбамида 3 NH4NO3 + CO(NH2)2 = CO2 + 8Н2О + 4N2 + 760 ккал/кг,

метанола 3 NH4NO3 + CH3OH = CO2 + 8Н2О + 3N2 + 860 ккал/кг,

этанола 6 NH4NO3 + С2Н5ОН = 2CO2 + 15Н2О + 6N2 + 860 ккал/кг.

При этом на каждый килограмм стехиометрических смесей в

растворе выделяется до 860 ккал/кг тепла и около 1 м3 низкомолеку-

лярных газов, состоящих в основном из паров воды (до 65 %) и моле-

кулярного азота (до 35%) для аммиака и незначительного количества

углекислого газа для карбамида и спиртов. Следует отметить, что со-

держание углерода в стехиометрических смесях карбамида и спиртов

не превышает 5 %, в тоже время в традиционных топливах нефтяного

происхождения оно достигает 80–85 %.

Введение 20–25 % воды в стехиометрические композиции вы-

полняет функции не только растворителя (для дозирования и подачи)

и инертного разбавителя (для предотвращения взрыва), но и дополни-

тельного рабочего тела, участвующего в рабочем процессе.

Рабочие циклы моторных установок, работающих на унитарных

топливах независимы от атмосферы, поэтому в таких двигателях за-

траты мощности на предварительное сжатие и перепуск больших

масс воздуха-окислителя полностью исключены.

Цикл газораспада водо-нитратных энергоносителей хорошо

вписывается в цикл работы поршневых паровых машин начала про-

шлого века и идеально в современные турборасширительные машины

(паровые турбины), но с гораздо более высокими начальными харак-

теристиками рабочего тела, а, следовательно, более высоким терми-

ческим и термодинамическим КПД цикла.

Положительным отличием жидких унитарных энергоносителей

по сравнению с азотоводородными энергоносителями воздушно-

топливных двигателей является возможность вынесения зоны генера-

ции рабочего тела за пределы исполнительного механизма. В этом

случае экзотермический распад стехиометрических смесей осуществ-

ляется непрерывно в регулируемом режиме в специальном мини-

реакторе 11 (рис. 6.1), из которого нейтральные конечные неактивные

парогазовые продукты под высоким давлением поступают к газорас-

ширительному механизму 13. Таким образом, коррозионное воздей-

ствие компонентов унитарного топлива на поршневую систему или

лопатки турбины силового агрегата существенно снизятся. Коррози-

онно-активные следы NОх в высокотемпературных продуктах распа-

да унитарного топлива могут быть полностью исключены даже ма-

лым избытком аммиака или карбамида. Реакция окислов азота с ами-

нами до молекулярного азота и воды объясняется электронным

строением молекул NОх и аминов, а также разнополярной степенью

окисления азота в этих соединениях.

15

17 18

161

2

3

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

Рис. 6.1. Принципиальная схема паротурбинной установки, работающей

на унитарном топливе:

1 – топливный бак; 2 – зона предварительного подогрева и конденсации воды;

3 – реле плотности раствора в топливном баке; 4 – кран подачи конденсата; 5 – насос низкого

давления; 6 – основной теплообменник; 7 – насос высокого давления; 8 – вентиль перепуска

раствора для регулирования мощности; 9 – электроподогрев топливопровода при пуске;

10 – теплоизоляция; 11 – реактор; 12 – тэны электроразогрева холодного реактора; 13 – паро-

вая турбина; 14 – вал отбора мощности; 15 – выпускной коллектор; 16 – редуктор; 17 – элек-

тродвигатель-генератор для пуска и подзарядки аккумулятора; 18 – аккумулятор.

Включение в рабочий процесс неохлаждаемого реактора-

парогенератора 11, не имеющего движущихся частей, позволит суще-

ственно упростить конструкцию безатмосферной двигательной уста-

новки по сравнению с существующими двигателями внутреннего сго-

рания. Перед началом работы парогенератор рабочего тела 11, нагре-

вается с помощью тэнов 12 выше температуры термического распада

водо-нитратного энергоносителя, после запуска дальнейшего подогре-

вания не требуется вследствие экзотермичности реакции распада.

Удельный расход унитарного топлива на единицу развиваемой

механической работы выше в 3–5 раз по сравнению с топливной эко-

номичностью существующих двигателей внутреннего сгорания.

Предварительные расчеты показывают, что показатели экологично-

сти, развиваемой мощности у этих двигателей будут на порядок вы-

ше, а стоимость единицы произведенной работы в 2 раза ниже, чем у

двигателей, работающих на традиционных.

Стоимость единицы произведенной работы в двигателях, рабо-

тающих на унитарном топливе, предполагается, будет в 2 раза ниже

чем, у двигателей, работающих на традиционных топливах.

Поскольку основным компонентом отработавших газов унитар-

ных топлив является пары воды, то предполагается целесообразным

использовать тепло ее конденсации для предварительного подогрева

порций рабочих растворов в расходной части топливного бака. Кроме

того, возврат воды растворителя из конденсата отработавших газов в

топливный бак позволит хранить в нем компоненты унитарного топ-

лива в компактном кристаллическом виде.

7. Масла для двигателей и агрегатов

трансмиссии автомобиля

7.1. Классификация смазочных материалов

Вещества, используемые в качестве смазочных материалов, под-

разделяются в зависимости от:

- агрегатного состояния на жидкие – масла, твердые – твердые

смазки и мазеобразные – пластичные смазки;

- области применения на моторные масла – для смазки поршне-

вых двигателей внутреннего сгорания, трансмиссионные масла – для

смазки зубчатых передач и других подвижных элементов (шкворней,

шарниров ), индустриальные масла – для смазки промышленного обо-

рудования и приборов, специального назначения – для смазки машин

различных отраслей машиностроения (газотурбинные, холодильные,

трансформаторные, компрессорные и др.);

- способа получения (происхождения) делят на нефтяные, син-

тетические и смешанные.

Масла при эксплуатации автомобилей расходуются в значитель-

но меньших количествах, чем бензин и дизельное топливо. По суще-

ствующим нормам средний расход моторного масла для автомобилей

общего назначения должен составлять 2,4–3,2 %, трансмиссионного

0,3–0,4 %, для внедорожных автомобилей, самосвалов соответствен-

но 5,0 и 0,5 % от расхода топлива. При этом любое автомобильное

масло значительно дороже бензинов и дизельных топлив, поэтому за-

траты на его приобретение оказывают заметное влияние на себестои-

мость перевозок. От качества масла зависят долговечность и безот-

казность работы автомобиля, а следовательно, существенно сокра-

щаются расходы на его обслуживание и ремонт.

7.2. Назначение масел

Автомобильные смазочные материалы применяют для:

- уменьшения потерь энергии на трение;

- снижения износа трущихся деталей;

- охлаждения трущихся поверхностей;

- очистки от продуктов износа трущихся поверхностей;

- защиты трущихся поверхностей от коррозии.

7.3. Виды трения

Трение препятствует перемещению одной детали по поверхности

другой, вызывает потери энергии на его преодоление. Общие потери

энергии на трение в элементах конструкции автомобиля составляют до

75 % развиваемой мощности двигателя. Коэффициент полезного дейст-

вия рядового двигателя внутреннего сгорания составляет 25–30 %, бо-

лее совершенные по конструкции двигатели имеют КПД до 35 %. Тео-

ретически без изменения принципиальной конструкции двигателя его

КПД можно повысить до 40 %. Увеличение коэффициента полезного

действия на 1 % приводит к увеличению мощности двигателя примерно

на 4 %. На трение приходится от 25 до 50 % всех механических потерь

в двигателе автомобиля, из них до 15 % мощности двигателя – на поте-

ри в сопряжении "поршневое кольцо – стенка цилиндра".

Различают внешнее и внутреннее трение. Внешнее трение оп-

ределяется силой сопротивления, возникающей между поверхностя-

ми трения. Под внутренним трением понимают силу сопротивления

взаимному перемещению частиц самого тела.

На величину внешнего трения влияют: нагрузка, скорость пере-

мещения трущихся поверхностей, их температура, шероховатость и

наличие смазки. Наибольшие потери на трение возникают в момент

"трогания" автомобиля с места. Различают трение скольжения и тре-

ние качения. Сила трения качения обычно значительно меньше силы

трения скольжения.

Благодаря внешнему трению происходит движение автомобиля,

работают ременные и фрикционные передачи, тормозные механизмы,

но оно же вызывает нагревание и износ различных узлов и деталей

автомобиля. Вредное влияние трения уменьшают, совершенствуя:

систему смазки, качество смазочных материалов, конструкцию, тех-

нологию и точность изготовления механизмов.

При внешнем трении в зависимости от наличия и количества

смазочного материала между

поверхностями трения разли-

чают сухое (ювенильное), гра-

ничное и жидкостное (гидроди-

намическое) трение.

Рис. 7.1. Схема сухого (ювениль-

ного) трения

Сухое (ювенильное) тре-

ние. Ювенильным называют

поверхности твердых тел, не

имеющих покрытий и загрязнений. При сухом трении энергия затра-

чивается на преодоление зацепления неровностей, имеющихся на по-

верхностях деталей, и молекулярных сил притяжения и сваривания,

возникающих в точках контакта металлических деталей (рис. 7.1).

Общая площадь контакта трущихся деталей зависит от чистоты обра-

ботки поверхностей.

При грубо обработанных поверхностях основное усилие затра-

чивается на преодоление зацепления неровностей, а при тщательно

обработанных поверхностях – на преодоление молекулярных (адге-

зионных) сил сцепления. Затраты энергии будут тем больше, чем

сильнее прижимаются трущиеся детали друг к другу, чем больше ше-

роховатость их поверхностей, и зависят от материала и скорости пе-

ремещения деталей. Происходит взаимная деформация поверхностей

трения, неровности более твердой поверхности внедряются в неров-

ности более мягкой. До определенной скорости перемещения сила

трения увеличивается, а затем начинает уменьшаться. О величине

трения скольжения судят по отношению силы, затрачиваемой на пре-

одоление трения (F), к силе нормально приложенной к трущейся по-

верхности (P), называемому, коэффициентом трения (f).

f = F/P,

где f – коэффициент трения; F – сила трения скольжения; P – сила

нормально приложенная к трущейся поверхности.

Коэффициент сухого трения металлов колеблется от 0,1 до 0,8.

При сухом трении происходят большой износ и нагрев трущихся по-

верхностей.

Граничное трение. Металлические поверхности трения на воз-

духе окисляются с образованием смеси оксидных пленок с вещества-

ми, адсорбированными из окружающей среды. Естественные гранич-

ные пленки обладают неудовлетворительными эксплуатационными

свойствами, поэтому в технике граничные пленки образуют искусст-

венно смазочными материалами (рис. 7.2).

Граничное трение возникает, когда на

поверхностях трения создается мас-

ляная разделительная пленка. Разде-

лительную пленку называют гранич-

ной. При наличии деформируемой

Рис. 7. 2. Схема граничного трения

разделительной граничной пленки

часть нормально приложенной силы

тратится на ее деформацию, а следовательно, значительно уменьшают-

ся взаимная деформация поверхностей трения, удельные давления и

силы на преодоление молекулярных (адгезионных) связей.

После механической обработки у атомов металла на поверхно-

сти остаются свободные связи, которые и притягивают полярно-

активные молекулы масла, образуя тонкую пленку в 50–500 молеку-

лярных слоев. У атомов, находящихся внутри металла, все связи ис-

пользуются для взаимного притяжения.

Адсорбированная на твердой поверхности пленка не только ме-

ханически разделяет трущиеся поверхности, но и участвует в химиче-

ском взаимодействии с этими поверхностями. Такие пленки создают

путем введения в смазочные материалы химически активных соеди-

нений. Например, наличие в смазочных материалах хлора, фосфора,

серы создает на поверхности металла устойчивые химические соеди-

нения этих веществ с металлом. Толщина и стабильность адсорбиро-

ванной пленки зависят от свойств смазочного материала и свойств

материала смазываемой поверхности. Адсорбированные пленки мо-

гут разрушаться от механических воздействий (нагруженности узла

трения) и растворителей (бензина, спирта и др.). Способствуют раз-

рушению граничной пленки увеличение интенсивности износа, на-

грев и перегрев деталей. Граничные пленки, полученные на основе

взаимодействия с металлом химически активных веществ, образуют-

ся с большой скоростью в условиях высоких удельных нагрузок и

температур. Эта особенность имеет большое значение для уменьше-

ния износа и предотвращения задира поверхностей трения.

Полусухое трение. Возникает тогда, когда граничная пленка нахо-

дится под нагрузкой на пределе разрушения или частично уже разрушена.

Жидкостное (гидродинамическое) трение. Такое трение воз-

никает тогда, когда трущиеся поверхности разделены слоем масла и

трение происходит не между металлическими поверхностями, а меж-

ду молекулами в слоях масла. В разделительном масляном слое за

счет относительного движения поверхностей появляются гидродина-

мические силы, препятствующие их сближению и контакту. Появле-

нию жидкостного трения способствуют увеличение скорости движе-

ния трущихся поверхностей и уменьшение удельного давления в уз-

лах трения. Однако решающее значение имеют качество масла и,

прежде всего, его вязкостно-температурные свойства. Согласно гид-

родинамической теории смазки, сформулированной в 1883–1887 го-

дах русским ученым Н. П. Петровым1, прочно прилипшая к поверх-

ности вращающегося вала масляная пленка увлекает за собой слои

масла, которые в виде клина просачиваются между валом и подшип-

ником, вал как бы всплывает и со всех сторон омывается маслом, не

соприкасаясь с подшипником (рис. 7.3).

1 Петров Николай Павлович (1836–1920), русский ученый, инженер-генерал, с 1894

года почетный член Петербургской академии наук. В 1884 году награжден Ломоно-

совской премией за разработку гидродинамической теории смазки. Основные труды

по теории механизмов и машин, железнодорожной технике. Участник строительства

Транссибирской железнодорожной магистрали.

а)

б)

Рис. 7.3. Схема образования масляного клина в подшипнике скольжения:

а – подшипник в состоянии покоя; б – подшипник в состоянии вращения;

О – центр подшипника; О1 – центр вала; 1 – толщина граничной пленки; hmin –

минимальная толщина масляного слоя, обеспечивающего жидкостное трение

Для обеспечения надежного жидкостного трения необходимо

чтобы толщина масляного слоя, разделяющего трущиеся поверхности,

была не менее 1,5 суммы неровностей этих поверхностей (рис. 7.4).

hmin ≥ (ä′ + ä′′) 1,5,

где hmin – минимальная толщина масляного слоя; ä′ и ä′′ – высота не-

ровностей сопряженных деталей.

Величина неровно-

стей автомобильных

ä′ h

ä″

mi n

шлифованных деталей со-

ставляет 0,002–0,02 мм, у

полированных – 0,0008–

ä′ – величина неровностей 1 детали; ä′′ – ве- обеспечения жидкостно-

ванных деталей будет

0,0013 мм. Соответствен-

Рис. 7.4. Схема жидкостного (гидродинами- но минимальная толщи-

ческого) трения: на масляной пленки для

-й

личина неровностей 2-й детали; hmin – минималь- го трения для шлифо-

ная толщина масляного слоя

0,006–0,06 мм и у полированных 0,0024–0,0039 мм. Разрушение мас-

ляного слоя может произойти при увеличении нагрузки, уменьшении

частоты вращения, повышении температуры, вызывающей уменьше-

ние вязкости масла. При этом первоначально возникает не граничное,

а полужидкостное трение.

Полужидкостное трение возникает тогда, когда в результате

частичного выдавливания масла в местах наибольших неровностей

Виды трения Коэффициент трения Жидкостное 0,002 – 0,01 Полужидкостное 0,01 – 0,05 Граничное 0,06 – 0,1 Полусухое 0,1 – 0,8 Сухое 0,8 и выше

происходит контакт граничных пленок. Гидродинамические силы не-

достаточны для уравновешивания действующих нагрузок, и они час-

тично воспринимаются граничной пленкой.

Каждому из этих режимов соответствуют свои коэффициенты

трения (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Ориентировочные значения коэффициентов трения

7.4. Виды износа

При работе различных узлов автомобиля происходит взаимодей-

ствие (соприкосновение), под нагрузкой различных узлов и деталей

вплоть до изменения их геометрических размеров или заданной чисто-

ты обработки. Эти изменения называются износом. По статистическим

данным около 85 % машин выходят из строя из-за износа узлов трения.

Механический износ возникает при непосредственном контакте

трущихся поверхностей. При взаимном внедрении друг в друга мик-