Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте
Подождите немного. Документ загружается.
больших размеров, давление сжатого газа выдерживают до 19,6 МПа.
С этой целью для газобаллонных автомобилей применяют газы,
низшая теплота сгорания которых не менее 32 600... 36 ООО кДж/м3.
Однако при соблюдении этих условий запас хода газобаллонных ав
томобилей, работающих на сжатом газе, не превышает 200... 250 км,
что ниже запаса хода автомобилей, работающих на бензине и
сжиженном газе, в 1,5—2 раза. Содержание газа под большим дав
лением требует применения высокопрочных изготовленных из высо
кокачественных сталей баллонов, имеющих значительную массу. Так,
масса одного баллона объемом 50 л (10 м3 при нормальных услови
ях) составляет около 70 кг. В связи с этим полезная грузоподъем
ность газобаллонных автомобилей снижается на 14... 16 % по срав
нению с грузоподъемностью базовых автомобилей. Теплотворная
способность газовоздушной смеси ниже теплотворной способно
сти бензиновоздушной смеси, из-за чего мощность двигателя при
переводе на сжатый газ снижается на 18...20 %.
Тем не менее, благодаря отмеченным ранее положительным
качествам, сжатые газы широко применяют в виде топлива для
автомобилей. Экономические показатели работы газобаллонного
автомобиля тем выше, чем больше величина теплотворной спо
собности сжатого газа. Эффективность газобаллонных автомоби
лей, работающих на сжатом газе, возрастает также в результате
применения двигателей с повышенной степенью сжатия (до 10),
улучшения наполнения цилиндров рабочей смесью за счет при
менения впускного трубопровода с большим сечением и без по
догрева, увеличения проходного сечения впускных клапанов и
продолжительности их открытия путем изменения формы кулач
ков распределительного вала. Масса баллонов может быть умень
шена в результате использования высококачественного металла,
полимерных или армированных материалов и улучшения конст
рукции баллонов.
Одним из важных направлений повышения эффективности
применения сжатых газов для газобаллонных автомобилей явля
ется их сжижение при низких температурах (порядка -160 °С) и
хранение в изотермических баллонах.
Глава 8
ТОПЛИВА ИЗ НЕНЕФТЯНОГО СЫРЬЯ
В связи с тенденцией к истощению запасов нефти интенсивно
ведутся работы по изысканию и использованию автомобильных
топлив, получаемых из ненефтяного сырья. Проводятся научные
исследования, строятся опытные заводы, переоборудуются авто
мобили для работы на новых видах топлива, осуществляется их
проверка в обычных условиях эксплуатации. При этом ставится
задача получить такое топливо, применение которого не ухудша
ло бы эксплуатационные показатели автомобилей, не требовало
коренного изменения конструкции двигателя, топливной аппарату
ры и условий хранения топлива на борту автомобиля. Немаловажно,
чтобы стоимость нового топлива была сопоставима со стоимостью
традиционных видов топлива. И особое требование к альтернатив
ным топливам — снижение вредных выбросов в атмосферу.
Значительное внимание в настоящее время уделяется получе
нию жидких топлив из разных видов твердого сырья, и преж
де всего из каменного угля, запасы которого пока все еще доста
точно велики. Учитывая большие запасы природного газа в
нашей стране, он также является реальным источником получе
ния жидких топлив.
Практически неограниченны ресурсы водорода, который
стремятся использовать в качестве топлива для автомобилей. В не
которых странах уже нашла довольно широкое применение пере
работка растительного сырья (биомассы) для получения жид
кого топлива.
Основной способ получения жидкого топлива из угля — де
структивная гидрогенизация, основанная на насыщении угля во
дородом в определенных термодинамических условиях. Процесс
осуществляется в две стадии: вначале уголь размельчают до круп
ности 0,1 мм и далее его смешивают с жидкой композицией (сжи
женный промежуточный продукт производства). Полученную смесь
нагревают до температуры 400... 500 °С при давлении 5... 30 МПа в
присутствии катализатора. В результате реакции гидрогенизации
образуется композиция, состоящая из жидкости и газа. Затем в
тепловом сепараторе смесь разделяется на составляющие. Жидкая
фаза отводится для приготовления исходной смеси, а парообраз
ная конденсируется в холодильнике и разделяется на конечные
продукты переработки. В зависимости от условий проведения про
141
цесса конечными продуктами могут быть бензин, дизельное топ
ливо, мазут.
Другой способ переработки угля — это его газификация и по
следующее сжижение в присутствии катализатора.
По теплотворной способности синтезированное топливо рав
ноценно бензину. Для получения 1 т синтезированного топлива
необходимо переработать 4... 5 т каменного угля или Ют бурого
угля. Стоимость такого топлива пока значительно выше стоимости
бензина.
В настоящее время разработаны три технологии производства
жидкого топлива из синтез-газа, получаемого из природного газа
или угля.
Первый способ — это синтез углеводородов с помощью ката
лизаторов, содержащих кобальт и железо. Однако этот путь бес
перспективен, так как получаемый бензин низкого качества, а
дизельная фракция застывает при сравнительно высоких темпе
ратурах.
Второй путь — это синтез метанола (метилового спирта СН3ОН)
с последующим превращением его в углеводороды, являющиеся
основными компонентами бензинов. Метод основан на примене
нии новых катализаторов. Получаемые при этом бензиновые фрак
ции составляют до 70 % от полученных углеводородов. Они имеют
высокое октановое число (до 92—100 ед.) и могут быть использо
ваны без дополнительной обработки в качестве автомобильного
топлива высшего качества.
Третий способ, основанный на использовании специальных
катализаторов, позволяет получать бензин, минуя стадию выде
ления метанола как отдельного продукта.
Практическое применение изложенных способов производства
моторного топлива из угля и природного газа в первую очередь
целесообразно на основе природного газа вблизи мест его добычи.
К числу синтетических топлив относится метанол — метило
вый, или древесный, спирт. Для его получения используют про
дукты термической переработки различных топлив, а также природ
ный газ и нефтяные остатки. Синтез проводится под давлением
25 ...60 МПа в присутствии катализаторов при температуре
300...400°С. Стоимость метанола в 1,5—2 раза выше стоимости
бензина.
Применение метанола в чистом виде требует конструктивных
изменений двигателя, прежде всего улучшения пусковых свойств
при низких температурах. Перспективна добавка метанола в не
больших (3...5 %) количествах к бензину, что позволяет работать
на бензине с несколько меньшим октановым числом. При этом не
нужно изменять регулировку топливной аппаратуры двигателя,
сохраняются динамические показатели работы автомобиля и эко
номится 2,5... 3 % бензина. Такая смесь уже теперь широко приме
142
няется в ряде стран, однако ее применение возможно в южной
полосе и полосе с умеренным климатом.
Добавка же 15 % метанола связана с необходимостью вносить
регулировочные и конструктивные изменения в двигатель. В част
ности, необходимы установка дополнительных трубопроводов для
устранения паровых пробок, перерегулировка карбюратора.
Этанол (этиловый, или винный, спирт С2Н5ОН) получают из
злаков, картофеля, сахарного тростника и др. Особо широкое рас
пространение в качестве топлива для автомобилей этанол полу
чил в Бразилии, где на нем работает свыше 1 млн автомобилей, и
ставится задача перевести на него весь автопарк. Получают этанол
из сахарного тростника. По ряду показателей этанол превосходит
метанол и может применяться как в смеси с бензином, так и в
чистом виде.
Метанол и этанол могут использоваться в качестве добавок и к
дизельному топливу соответственно в количестве 15 и 25 %.
Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) — СН3ОС4Н9 получают
путем синтеза 65 % изобутилена и 35 % метанола в присутствии
катализатора. Его теплотворная способность несколько ниже, чем
у бензина, но при этом более высокая детонационная стойкость.
Так, добавка 10 % эфира повышает ОЧ/И смеси на 2,1 —5,9 ед., а
при добавке 20 % — на 4,6—12,6 ед. (см. подразд. 5.2.2).
При добавке 10 % МТБЭ к топливной смеси расход топлива
снижается на 3 %, токсичность уменьшается на 10 % (за счет умень
шения содержания СО), несколько повышается мощность. Ис
пользование МТБЭ — одно из самых перспективных направлений
расширения ресурсов высокооктановых неэтилированных бензи
нов в настоящее время. В качестве сырья для производства МТБЭ,
по данным нефтепереработчиков, можно использовать сжижен
ный газ, выделяющийся в избыточном количестве на установках
каталитического крекинга для поучения бензина.
В настоящее время в качестве альтернативных топлив для авто
мобильных двигателей все более широкое применение получают
биотоплива, в качестве сырья для производства которых исполь
зуются возобновляемые источники растительного сырья. Такой
подход к поиску альтернативных топлив позволит решить две ак
туальные проблемы: экологии природных ресурсов и снижения
загрязнения окружающей среды.
Выявлена возможность использования в качестве топлива для
дизелей автомобилей с рабочим процессом «Дуотермик» нерафини
рованных растительных масел. В концепцию использования биотоп
лива заложены три основных принципа, обеспечивающие ее исклю
чительную значимость для энергетики и экономики будущего:
• нейтральность по выбросам С02;
• возобновляемость источников энергии;
• децентрализация энергоснабжения.
143
Из всех альтернативных топлив, пригодных не только к приме
нению в качестве моторных топлив, но и удобных для такого при
менения, как использование бензина и дизельного топлива, только
растительные масла обладают свойством замкнутого цикла по С02.
Нейтральность по выбросам С02 в случае использования масла
в качестве биотоплива обеспечивается замкнутым циклом, так как
углекислый газ, выделившийся при сгорании биотоплива, ранее
был поглощен в этих же количествах растениями, из которых было
выработано биотопливо и которые вновь поглотят этот газ в про
цессе своего дальнейшего воспроизводства.
Водород уже давно привлекает к себе внимание в качестве топ
лива для автомобилей. И хотя в настоящее время созданы автомо
били, работающие на чистом водороде, нельзя утверждать, что
проблема решена. Вся сложность вопроса заключается в обеспече
нии необходимого энергозапаса топлива на борту автомобиля и
полной пожаро- и взрывобезопасности.
В единице массы водорода содержится почти в 3 раза больше
тепловой энергии, чем в бензине, но даже в жидком состоянии он
занимает объем, в 3,5 раза больший, чем эквивалентное по энер
гии количество бензина.
Температура жидкого водорода составляет -253 °С, т. е. для его
хранения необходимы криогенные резервуары. Однако следует
отметить, что для хранения водорода может применяться метод
его аккумулирования в составе металлогидридов (соединений ме
таллов с водородом). Важно помнить, что смесь газообразного
водорода с кислородом воздуха в широком диапазоне концентра
ций образует гремучий газ.
При использовании жидкого водорода должны быть обеспече
ны полная герметизация топливоподающей системы и сброс из
быточного давления в баке с его последующей нейтрализацией на
каталитических дожигателях. Система заправки жидкого водорода
должна обеспечивать полное отсутствие его утечек и в жидком, и
в газообразном виде.
При работе на чистом водороде на стандартном двигателе без
переделки его мощность снижается на 15...20 %.
Глава 9
МАСЛА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ И АГРЕГАТОВ ТРАНСМИССИИ
9.1. Назначение масел и краткие сведения
о видах трения
Автомобильные смазочные масла применяют для уменьшения
потерь энергии на трение и для снижения износа трущихся дета
лей автомобиля. Кроме того, масло охлаждает и очищает от про
дуктов износа трущиеся поверхности, а также предохраняет их от
коррозии.
Трение, препятствуя перемещению одной детали по поверх
ности другой, вызывает потери энергии на его преодоление. Эти
потери весьма значительны, и, например, в автомобильном дви
гателе они поглощают до 25 % развиваемой мощности.
Уменьшение потерь на трение повышает экономичность авто
мобиля, позволяет преобразовать большее количество энергии
сжигаемого топлива в полезную работу. Величина потерь на тре
ние зависит от характера трения.
При отсутствии слоя масла между трущимися деталями их не
посредственное соприкосновение носит характер сухого трения.
При сухом трении затрачивается энергия на преодоление зацеп
ления неровностей, имеющихся на поверхности деталей, и пре
одоление сопротивления молекулярных сил притяжения, возни
кающих в точках контакта, а также схватывания (сваривания) в
отдельных точках контакта металлических деталей. При грубообра-
ботанных поверхностях основное усилие затрачивается на преодо
ление зацепления поверхностей, а при тщательно обработанных
поверхностях — на преодоление молекулярных сил сцепления.
Затраты энергии будут тем больше, чем сильнее прижаты тру
щиеся детали одна к другой и чем больше шероховатость их по
верхностей. Кроме того, влияние оказывают природа материала и
скорости перемещения деталей.
До определенной скорости энергия на преодоление трения уве
личивается, а затем она начинает уменьшаться. О величине тре
ния судят по отношению силы, затрачиваемой на преодоление
трения, к силе (нагрузке), нормально приложенной к трущейся
поверхности, т.е. по коэффициенту трения. Так, коэффициент су
хого трения металлов колеблется от 0,1 до 0,8.
Потери энергии при сухом трении в 50—100 раз выше, чем
при трении деталей, разделенных слоем масла, когда коэффици
ент трения составляет 0,03...0,003. При сухом трении происходит
большой износ и нагрев трущихся поверхностей.
145
Сухое трение необходимо только для отдельных трущихся де
талей таких механизмов, как тормозной, сцепление; в случаях,
когда потери на трение должны быть минимальными, желатель
но, чтобы детали работали в условиях жидкостного трения.
Жидкостное трение имеет место, когда трущиеся поверхности
разделены слоем масла. При этом происходит трение не между
твердыми телами, а между слоями масла (на молекулярном уров
не). В данном случае может быть только коррозионный и абразив
ный износ поверхностей деталей, когда размер механических при
месей превышает толщину масляного слоя. Эрозионный износ
деталей, т. е. износ вследствие зацепления неровностей и отрыва
частиц металла из-за сваривания (схватывания), при идеальном
жидкостном трении не происходит. Жидкостному трению способ
ствуют увеличение скорости движения трущихся деталей, умень
шение удельного давления трущихся деталей и другие факторы.
Однако решающее влияние на обеспечение жидкостного трения
оказывает качество масла, и прежде всего его вязкостно-темпера-
турные свойства. Для обеспечения жидкостного трения вязкость
масла подбирают с учетом конкретных условий работы смазывае
мых деталей, руководствуясь гидродинамической теорией смазки.
Основные положения гидродинамической теории были сформу
лированы в 1883—1887 гг. русским ученым Н. П. Петровым.
Согласно гидродинамической теории смазки, прочно прилип
шая к поверхности вала и подшипника масляная пленка увлекает
за собой слои масла, которые в виде клина просачиваются между
валом и подшипником и увеличивают между ними зазор. При опре
деленной частоте вращения вал как бы всплывает и омывается
вокруг маслом, не соприкасаясь непосредственно с подшипни
ком (рис. 9.1).
Чтобы обеспечивалось надежное жидкостное трение, толщина
слоя масла, разделяющего трущиеся детали, должна составлять
146
Рис. 9.1. Схема формирования мас
ляного клина при жидкостном тре
нии в подшипнике скольжения:
О — центр подшипника; О, — центр
вала; Amin — минимальная толщина
масляного слоя
Рис. 9.2. Схема сопряжения двух тру
щихся деталей:
§' — величина неровностей одной де
тали; 5" — величина неровностей дру
гой детали; hmin — толщина масляного
слоя
не менее 1,5 суммы неровностей поверхностей сопряженных дета-
лей (рис. 9.2), т.е.
^min = 1,5(5'+ 5"),
где Amin — толщина масляного слоя; 6' и 5" — высоты неров
ностей сопряженных деталей.
Таким образом, чем грубее обработаны детали, тем большей
должна быть толщина масляного слоя. Величина неровностей ав
томобильных шлифованных деталей составляет 0,002...0,02 мм, у
полированных — 0,0008...0,0013 мм.
При значительном увеличении нагрузки масляный слой может
разрушиться и, следовательно, жидкостное трение будет наруше
но. Это может произойти также при резком изменении частоты
вращения коленчатого вала и большом повышении температуры,
вызывающем уменьшение вязкости масла. При этом первоначаль
но возникает не сухое, а граничное, или полужидкостное, трение.
Граничное трение возникает между трущимися деталями, на
поверхности которых остается лишь тончайший молекулярный слой
масляной пленки толщиной не более микрометра (не свыше 50—
500 молекулярных слоев), находящийся под воздействием моле
кулярных сил металлической поверхности детали.
У атомов металла, расположенных на поверхности с внешней
стороны, остаются свободные связи, которые и притягивают мо
лекулы масла, образуя тонкую пленку. У атомов же, находящихся
внутри металла, все связи используются для взаимного притяже
ния. Сила притяжения пленки к смазываемой поверхности, ее
толщина и прочность зависят от свойства масла и активности ме
талла. Активность металла определяется его видом, характером
обработки и степенью пористости.
Способность масла образовывать масляную пленку зависит от
наличия в нем поверхностно-активных полярных молекул, которые
адсорбируются на поверхности трения. Наличие пленки опреде
ляет величину потерь на трение и износы при граничном трении.
Смазывающая способность проявляется в уменьшении эрозион
ного и коррозионного износа при граничном трении. Эти функции
несколько противоречивы, так как химически активные вещества
масла, способствующие созданию прочной масляной пленки и
предотвращению эрозионного износа вследствие схватывания
металла, в то же время взаимодействуют с металлом, вызывая
147
образование тончайших пленок, удаляемых с поверхности трения
в результате так называемого «коррозионного износа».
Смазывающая способность не находится в прямой зависимос
ти от вязкости. Образование масляной пленки связано и с хими
ческими процессами. Содержащиеся в масле жирные кислоты,
реагируя с поверхностью металла, образуют вещества типа солей
(мыл), которые играют существенную роль в смазке трущихся
поверхностей. Для повышения химической активности масел к
ним добавляют присадки в виде органических соединений серы,
фосфора и хлора.
Сила притяжения слоев масла к трущейся поверхности ослабе
вает по мере утолщения пленки. Различают так называемый гра
ничный слой, где молекулы расположены уже не так плотно, как
в пленке, но все-таки в определенном порядке. Последние подоб
но ворсу ткани при движении трущихся частей изгибаются в про
тивоположные стороны. От толщины граничного слоя зависит вид
трения. При граничном трении (коэффициент трения равен
0,1...0,01) потери энергии выше, чем при жидкостном, но они в
5—10 раз меньше, чем при сухом трении.
Граничное трение часто наблюдается при работе автомобиль
ных деталей (шестеренные передачи и др.), так как в некоторые
моменты их работы (резкое изменение частоты вращения и на
правления движения, внезапное увеличение нагрузки и др.) не
удается обеспечить жидкостное трение.
Полужидкостное (смешанное) трение имеет место тогда, когда
в результате частичного выдавливания масла в местах наибольших
неровностей происходит контакт трущихся поверхностей, кото
рый вызывает в этих местах сухое и граничное трение. Таким об
разом, при полужидкостном трении одновременно происходят
жидкостное и граничное или же сухое трение. Полужидкостное
трение может возникать в шатунных и коренных подшипниках
коленчатого вала (при резком изменении частоты вращения), где
удельное давление составляет 15... 25 МПа, между поршнем и ци
линдром, поршневым пальцем и втулкой (при высокой темпера
туре, больших нагрузках, недостаточной вязкости масла), где
удельное давление достигает 60...80 МПа.
Применение масел, обеспечивающих жидкостное и частично
граничное трение деталей, уменьшает потери на трение и износы
деталей, что, в свою очередь, увеличивает межремонтные пробе
ги, снижает затраты на ремонт и себестоимость эксплуатации ав
томобилей.
Известно, что нарушение теплового режима деталей, в част
ности их перегрев, резко увеличивает интенсивность износа. Сма
зывающее масло, нагреваясь при соприкосновении с нагретыми
деталями, отводит от них теплоту, а само затем охлаждается в
масляном радиаторе или картере, омываемом воздухом. Таким об
148
разом, масло способствует поддержанию теплового режима тру
щихся деталей.
Масло смывает с поверхности трущихся деталей металличес
кие частицы, образующиеся в результате износа, и очищается от
них в процессе фильтрования при прохождении через фильтры
или при отстаивании в картере. Удаление с поверхности деталей
продуктов износа увеличивает срок их службы и уменьшает поте
ри на трение.
Смазочное масло, попадая на детали, защищает их от окисле
ния кислородом воздуха, снижая этим коррозионный износ.
9.2. Технико-экономические требования к маслам
Затраты на смазочные масла в автотранспортных организациях
относительно невелики и, как правило, не превышают 1...2%
себестоимости перевозок. Однако экономическое значение сма
зочных масел определяется не столько затратами на них, сколько
их влиянием на межремонтный пробег автомобилей, величину
затрат на ремонт, топливную экономичность и производитель
ность автомобиля.
Для смазывания конкретного автомобиля в конкретных усло
виях должно использоваться масло только определенного сорта,
предназначенного для данных условий. От правильного примене
ния смазочных масел во многом зависит экономическая эффек
тивность эксплуатации автомобиля.
Требования к автомобильным смазочным маслам сводятся к
следующему:
• разделять трущиеся детали надежным масляным слоем для обес
печения жидкостного трения или же в особо трудных условиях со
здавать на их поверхностях прочную масляную пленку для обеспе
чения граничного трения, предохраняя детали от сухого трения;
• удерживаться на поверхности неработающих деталей для
предохранения их от коррозии;
• отводить теплоту от трущихся деталей;
• обладать способностью смывать с трущихся поверхностей про
дукты износа и легко отделяться от последних;
• не изменять длительное время своих свойств в процессе рабо
ты и хранения;
• быть экономичными и недефицитными.
Эти общие требования уточняются, когда выбирается смазоч
ное масло для конкретных деталей и механизмов, работающих в
определенных условиях. Так, к маслам для двигателей дополни
тельно предъявляются требования быть химически устойчивыми
при повышенной температуре и при сгорании образовывать ми
нимальное количество нагара.
149