Лабораторный практикум ЭМ июнь 2012 КРАСНОЯРСК

Таблица 17 Основные характеристики углеводородных и спиртовых топлив

		Единица		Жидкое топливо
	Свойство
				дизельное
		измерения
			бензин		метанол	этанол
				топливо
	Плотность при 20°С	[кг/м3]	740	800÷850	791	810
	Низшая теплотвор-	[МДж/кг]	43,3÷44,0	40,2÷42,9	19,5÷19,945	25,0÷26,8
	ная способность	[МДж/м3]	32500	35700	15780	20255
	Калорийность сме-
	си стехиометриче-	[кДж/м3]	3439÷3910	3475÷3830	3175÷3860	3850
	ской с воздухом
	Теплота	[кДж/кг]	330	250÷270	1104	850
	парообразования
	Температура кипе-	[К]	303÷478	443÷633	338	351
	ния
	Температура	[К]	753÷823	603÷623	743÷773	665
	вспышки
	Давление пара при	[кПа]	60÷90	÷	37	15,8
	20°С
	Стехиометрическая	[кг возд./	14,9	14,5	6,52	9
	потребность возду-	кг топл.]
		[кмоль
	ха в процессе сго-
		возд./	0,512	0,495	0,223	–
	рания
		кгтопл.]
	Нижний предел
	воспламенения	–	1,16	0,975	1,92	1,7
	смеси с воздухом λd
	Октановое число:
	по моторному ме-	–	82÷84	–	87÷95	94
	тоду LOM
	исследовательскому	–	92÷100	~3	106÷135	108
	методу LOB
	Цетановое число	–	3÷14	45÷55	3÷5	8
	Мах. скорость пла-	[м/с]	37÷43	÷	55	–
	мени
	Температура пла-	[К]	2335÷2470	–	2185	2235
	мени в воздухе

31

В ряде стран применяются метанольные бензины (БМ), однако в условиях эксплуатации возникает ряд проблем, связанных с различием физи- ко-химических свойств бензина и метанола.

Одной из них является низкая стабильность БМ против расслоения. В России разработаны БМ двух видов: всесезонный БМ–15 (с 15% метанола и 7% изобутанола) и БМ–5 (с 5% метанола без стабилизатора) для использования в летний период.

Использование спиртов в чистом виде и в качестве смесей с бензином улучшает экологию на транспорте и увеличивает топливные ресурсы.

Моторные топлива из биомассы. Ферментация (сбраживание) биомассы известна давно, она основана на способности микроорганизмов, прежде всего дрожжей, расщеплять простые сахара в отсутствие кислорода

до этанола и двуокиси углерода: С6Н12О6→2С2Н5ОН+2СО2.

Подвергая анаэробной ферментации сельскохозяйственные и бытовые отходы, можно получать биогаз с высоким содержанием метана. В сжатом или сжиженном виде этот газ можно использовать в качестве моторного топлива.

Растительные топлива и их эфиры. К наиболее известным растительным топливам относятся: соевое масло (OS), пальмовое масло (OP) и его эфиры Grude Palm Oil (CPO) и Grude Palm Stearin (CPS), подсолнечное масло (OSi), рапсовое масло (OR) и его эфиры (EMKOR) способные сгорать в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия в установившемся режиме работы и смесей рапсового масла со стандартным дизельным топливом в неустановившихся режимах работы двигателя.

Применение растительных топлив лишь частично решает проблему уменьшения выбросов СО2, так как углерод присутствует в молекулах растительных масел и их производных.

Некоторые физико-химические свойства растительных топлив приведены в табл. 18.

Таблица 18

Физико-химические свойства растительных топлив

				Сорт топлива
	Наименование
				Растительные топлива
	параметра
		ON	OSi	OS	OR	EMKOR	CPS	CPO
	Плотность [кг/м3]	0,8392	0,9172	0,9166	0,9140	0,8820	0,8713	0,8700
	Кинематическая вяз-	2,84	31,54	31,98	34,56	4,61	4,60	4,50
	кость при 40°С[мм2/с]
	Цетановое число LC	48	~50	~50	49	52	–	62,4
				32

Наиболее распространенными растительными маслами, над использованием которых проводятся исследования, являются: рапсовое, соевое, подсолнечное и пальмовое. Термическая нестабильность и высокая, вязкость растительных масел затрудняют их применение в качестве альтернативного топлива. Поэтому производятся их эфиры. Метиловые эфиры высших жирных кислот, например, рапсового масла, получаются промышленным способом путем применения процесса алкоголизации эфиров, т. е. с помощью реакции триглицеринов со спиртами в присутствии жирных и основных катализаторов. Для получения эфиров растительных масел используется процесс гидролиза в присутствии катализаторов. Поверхностное натяжение растительного топлива меньше по значению, чем у дизельного топлива, несмотря на его более высокую вязкость.

В табл. 19 представлены основные физико-химические свойства рапсового масла, эфиров рапсового масла по сравнению с дизельным топливом.

Из сравнения физико-химических свойств растительных топлив и их сложных эфиров со свойствами дизельного топлива следует: что их можно применять в двигателях с воспламенением от сжатия.

Таблица 19

Сравнение физико-химических свойств топлив: рапсового масла, рапсовых эфиров и дизельного топлива

		Дизельное	Дизельное	Рапсовое	Метиловый
	Свойство топлива	топливо	топливо		эфир рапсового
		среднее		масло	масла
			по DIN
		значение			(EMKOR)
	Приближенная суммар-	С13Н24	–	С57Н101,6О6	С19Н35,2О2
	ная формула
	Молярная масса	120–320	–	883	296
	[кг/моль]
	Цетановое число	>50	≥45	≈44	52–56
	Теплотворная способ-
	ность при 20°С	35,7	–	33,7	32,6
	[МДж/дм3]
	Теплотворная способ-
	ность при 20 °С	42,7	–	36,7	37,1
	[МДж/кг]
	Стехиометрическое ко-
	личество воздуха в кг
	теоретически необхо-	14,57	–	12,43	12,53
	димое для сгорания 1 кг
	топлива
			33

Окончание таблицы 19

		Дизельное	Дизельное	Рапсовое	Метиловый
	Свойство топлива	топливо	топливо		эфир рапсового
		среднее		масло	масла
			по DIN
		значение			(EMKOR)
	Плотность [кг/дм3]	0,84	0,82–0,86	0,916	0,882
	Кинематическая вяз-	4–5,5	2–8	75	6–8
	кость при 20 °С [мм2/с]
	Количество топлива,
	выкипающего
	при темп. 250 °С	38–54	<65	разложение	0
	при темп. 350 °С	92–96	>85	разложение	95
	Фильтруемость:				–7
	летом [°С]	–15	<0	(+15)
					–7
	зимой [°С]	–25	<–15

Генераторный газ. Использование генераторного газа в качестве топлива для автомобильных двигателей началось в первой половине прошлого столетия.

Вэтих автомобилях двигатель работает на продуктах газификации твердого топлива (древесина, торф, древесный и каменный уголь и др.), получаемых в специальном устройстве – газогенераторе. В последние годы в ряде стран возобновился интерес к газогенераторным автомобилям.

Втабл. 20 приведены характеристики генераторного газа полученного из различных видов топлива. При газификации получается окись углерода – основной топливный газ. Кроме того, в продуктах газификации содержатся:

водород – Н2, метан – СН4, двуокись углерода – СО2, кислород – О2, азот – N2. Теплота сгорания газа полученного таким образом находится в пределах 4731 КДж/м3 до 6280 КДж/м3 в зависимости от исходного твердого топлива.

Таблица 20

Характеристика генераторного газа полученного из различных видов топлива

	Состав газа, % по объему							Теплота
Топливо	СО	Н2		СН4	СО2	О2	N2	сгорания
								кДж/м3
Дрова	28,5	14		3,5	8,0	0,5	45,5	5861
Древесный уголь	30,5	12,0		2,3	5,0	0,2	50,0	5778
Формованный торф	28,0	15,0		3,0	8,0	0,4	45,6	6280
Донецкий антрацит	27,5	13,5		0,5	5,5	0,2	52,8	5024
Подмосковный бурый уголь	25,0	14,0		2,2	6,5	0,2	52,1	4731
		34

ВРоссии серийно выпускались газогенераторные автомобили, ГАЗ-42

иЗИС-21, на которых устанавливались газогенераторные установки общей массой 360 и 600 кг соответственно. Рост добычи нефти, развитие нефтеперерабатывающей промышленности, а также сложность эксплуатации, снижение мощности двигателя при работе на этом газе, снижение грузоподъемности автомобиля отдали предпочтение нефтяным видам топлива.

Однако за газогенераторными автомобилями до сих пор остается бесспорное преимущество – возможность работы на доступном для всех и дешевом твердом топливе.

2.4. Классификация и особенности применения моторных масел

Основное назначение моторных масел – снижение трения и износа сопряженных деталей двигателя, создание на трущихся поверхностях этих деталей прочной масляной пленки.

Кроме основного назначения смазочные масла выполняют и вспомогательные функции: защита деталей от коррозии, охлаждение трущихся поверхностей, унос абразивных частиц и продуктов износа деталей из зоны трения, отмывание деталей от углеродистых и других липких отложений, поддержание всех вредных примесей в дисперсном состоянии и осаждение их в фильтрах очистки масла.

Перечисленные и другие свойства смазочных масел оцениваются определенными показателями качества, значения которых определяют по соответствующим нормативным документам.

Внастоящее время все виды смазочных масел и рабочих жидкостей вырабатывают из нефтяного сырья – минерального происхождения и синтетические, в отдельных случаях вырабатывают путем смешивания этих двух видов – полусинтетические масла.

Приготовление смазочных масел заключается с производства основы – базового масла и последующего смешивания с присадками, улучшающими его эксплуатационные свойства.

Качество товарного масла зависит от качества базового масла, технологии его производства, назначения и качества вводимых в масло присадок.

Втабл. 21 представлено сравнение свойств минерального и синтетических масел по шести бальной системе оценки.

Воснову классификации смазочных масел (моторных, трансмиссионных, рабочих жидкостей) положены два основных признака: вязкость масла при рабочей температуре, суммарный показатель эксплуатационных свойств масла учитывающий особенности смазываемого механизма и условий эксплуатации.

Внастоящее время общепризнанной в большинстве стран системой

классификации моторных масел по вязкости является спецификация SAE J 300. Вязкость масла по этой системе выражается в условных едини-

цах – степенях вязкости SAE (SAE Viscositu Grade – SAE VG). 35

Таблица 21 Сравнительные характеристики минерального и синтетических масел

		-			Синтетические масла
		Минеральное пара финовое масло
			Углеводород-		Полиэфирные
			ные					Эфиров
	Свойство		поли-			поли-	Поли-	фос-	Сили-
					дикарбо-	гли-	глико-	форн.	коно-
			аль-	алкил-
			фаоле-	бензол	новых	коль-	левые	кисло-	вые
					кислот	эфир-		ты
			фины			ные
	Смазываю-	4	4	4	5	5	4	6	3
	щие
	Текучесть	3	4	4	5	4	4	3	6
	ИВ	3	4	3	4	4	5	2	6
	Низко-
	темпера-	2	4	4	4	4	4	3	4
	турные
	Термостой-	3	3	3	4	4	4	3	5
	кость
	Термоокис-
	лит.	3	5	4	4	6	4	3	4
	стойкость
	Смешивае-	6	6	6	4	3	2	2	2
	мость
	Испаряе-	3	6	4	6	6	4	4	4
	мость
	Гидроли-
	тич.	6	6	6	3	3	5	3	4
	стойкость
	Антикорро-	6	6	6	3	3	4	3	4
	зион
	Раствори-
	мость при-	6	4	6	5	5	3	4	2
	садок
	Огнестой-	2	2	2	3	3	3	6	3
	кость

Примечание: оценка свойств в баллах: 6 – превосходные; 5 – отличные; 4 – хорошие; 3 – удовлетворительные; 2 – плохие.

36

Численное значение степеней являются условными символами комплекса вязкостных свойств (табл. 22).

Таблица 22 Степени вязкости SAE для моторных масел (SAE J300 APR97)

		Низкотемпературная вязкость		Высокотемпературная
					вязкость
				Вязкость		Вязкость при
	Степень	ПроворачиваемостьПрокачиваемость при 100 °С,
						150°С и ско-
	вязкости			мм2/с
						рости сдвига
		Максимальная вязкость, мПа с,		min	max	106	с-1 мПа с,
		при темп. *	при темп. **			не менее
	0W	3250 при –30 °С	60000 при –40 °С	3,8
	5W	3500 при –25 °С	60000 при –35 °С	3,8
	10W	3500 при –20 °С	60000 при –30 °С	4,1
	15W	3500 при –15 °С	60000 при –25 °С	5,6
	20W	4500 при –10 °С	60000 при –20 °С	5,6
	25W	6000 при –5 °С	60000 при –15 °С	9,3
	20			5,6	<9,3		2,6
	30			9,3	<12,5		2,9
	40			12,5	<16,3		2,9***
	40			12,5	<16,3		3,7****
	50			16,3	<21,9		3,7
	60			21,9	<26,1		3,7

Примечания: 1 сСт = 1 мм2/с;

*При запуске холодного двигателя, вязкость проворачивания, измеряется на вискозиметре CCS;

**В отсутствии напряжения сдвига, измеряется на вискозиметре

MRV;

***Для масел SAE 0W-40, 5W-40 и 10W-40;

****Для масел SAE 40, 15W-40, 20W-40 и 25W-40.

Классификация SAE J300 используется производителями двигателей для определения степеней вязкости моторных масел пригодных для использования в их двигателях и производителями масел при разработке новых составов, производстве и маркировке готовых продуктов.

Стандартные ряды вязкости:

–зимний ряд: SAE 0W, 5W, I0W, 15W, 20W, 25W;

–летний ряд: SAE 20, 30, 40, 50, 60;

Всесезонные (multigrade) масла, состоят из комбинации зимнего и летнего ряда разделенные знаком «тире» (например, SAE 10W-40), другие

37

виды записи являются неверными, и использование аббревиатуры SAE для них недопустимо (например SAE 10W/40 или SAE 10W40).

Серия всесезонных масел: SAE 0W-20, 0W-30, 0W-40, 0W-50, 0W-60, 5W-20, 5W-30, 5W-40, 5W-50, 5W-60, 10W-30, 10W-40, 10W-50, 10W-60, 15W-30, 15W-40, 15W-50, 15W-60, 20W-30, 20W-40, 20W-50, 20W-60.

На рисунке 1 показаны зависимость вязкости моторных всесезонных и сезонных масел от температуры в системе SAE J 300.

10 000
	1000
Вязкость, сСт	100
	10		SAE 10W-40
	5		SAE 40
			SAE 10W
	-20	0	100
		Температура,	С

Рис. 1. Зависимость вязкости моторного масла от температуры (сезонных SAE 10W и SAE 40 и всесезонного SAE 10W-40)

Согласно Российской классификации ГОСТ 17479.1–85 класс вязкости моторных масел в марке указывается в соответствии с вязкостью с сСт при температуре 100 ºС, которая принята за рабочую. Кроме этого определяется вязкость зимних и загущенных при температуре минус 18 ºС. Согласно такой классификации масла по вязкости разделены на три группы:

–зимние шесть классов вязкости 33, 43, 53, 63, 6, 8;

–летние шесть классов вязкости 10, 12, 14, 16, 20, 24;

–всесезонные загущенные масла десять классов вязкости 33/8, 43/6, 43/8, 43/10, 53/10, 53/12, 53/14, 63/10, 63/14, 63/16.

Российская классификация моторных масел по вязкости приведена в табл. 23.

38

							Таблица 23
	Классы вязкости моторных масел (ГОСТ 17479.1–85)
Класс		Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре
вязкости			100ºС				–18ºС, не более
33			≥3,8				1250
43			≥4,1				2600
5з			≥5,6				600
63			≥5,6				10400
6		Св.	5,6	до	7,0	включ.	-
8		«	7,0	до	9,3	«
10		«	9,3	до 11,5		«	-
12		«	11,5	до 12,5		«	-
14		«	12,5	до 14,5		«
16		«	14,5	до 16,3		«	-
20		«	16,3	до 21,9		«	-
24		«	21,9	до 26,1		«	-
33/8		«	7,0	до	9,3	«	1250
43/6		«	5,6	до	7,0	«	2600
43/8		«	7,0	до	9,3	«	2600
43/10		«	9,3	до 11,5		«	2600
53/10		«	9,3	до 11,5		«	6000
53/12		«	11,5	до 12,5		«	6000
53/14		«	12,5	до 14,5		«	6000
63/10		«	9,3 до 11,5			«	10400
63/14		«	12,5	до 14,5		«	10400
63/16		«	14,5	до 16,3		«	10400

Между классами вязкости по ГОСТ 17479.1-85 и степенями вязкости по SAE J 300 имеется определенное ориентировочное соответствие (табл.24).

39

				Таблица 24
Соответствие классов вязкости по ГОСТ 17479.1–85
и степенями вязкости по SAE J 300
Класс вязкости			Класс вязкости
по ГОСТ 17479.1-85		по SAE	по ГОСТ 17479.1-85	по SAE
3з		5W	24	60
43		10W	33/8	5W-20
53		15W	43/6	10W-20
63		20W	43/8	10W-20
6		20	43/10	10W-30
8		20	53/10	15W-30
10		30	53/12	15W-30
12		30	63/10	20W-30
14		40	63/14	20W-40
16		40	63/16	20W-40
20		50

Основоположником классификации по назначению и уровням качества можно считать коллектив Американского института нефти (API). Он объединил усилия производителей автомобилей и двигателей, и благодаря этому была создана и развита «Система лицензирования и сертификации моторных масел».

По системе API установлены три эксплуатационных группы моторных масел: API S – для бензиновых двигателей, для каждой новой подгруппы присваивается дополнительная буква по алфавиту: API SA, API SB, API SC, API SD, API SE, API SF, API SG, API SH, API SJ. В настоящее время в основном используются две подгруппы API SH, API SJ.

API С – для дизельных двигателей. Схема обозначения принята подобной, как и для бензиновых двигателей. В этой группе масел в настоя-

щее время широко применяются API CE, API CF, API CF-2, API CF-4, API CG-4, API CH-4.

API EC – энергосберегающие масла производятся на базе легкотекучих масел, предназначены для уменьшения расхода топлива у бензиновых двигателях. Рекомендована к применению подгруппа API SJ/EC.

Универсальные масла для бензиновых и для дизельных двигателей обозначаются двумя символами соответствующих категорий: первый символ является основным, а второй указывает на возможность применения этого масла для двигателя другого типа. Например, API CG-4/SH – масло, оптимизированное для применения в дизельных двигателях, но его можно применять и в бензиновых двигателях, для которых предписывается масло категории API SH и ниже (SG, SF, SE и т. д.)

40