§ 3.7. Противоизносные свойства топлив

Под противоизносными свойствами топлива понимается сово­купность свойств, влияющих на снижение износа пар трения, рабо­тающих в среде этого топлива.

В дизелях смазка подвижных элементов топливной аппаратуры осуществляется топливом, поэтому дизельные топлива должны обла­дать определенными противоизносными свойствами. Ниже будет показано, что определяющее влияние на износ поверхностей трения имеет граничная пленка — тонкий слой смазочного вещества, роль которого в данном случае выполняет топливо или специальные присадки к нему, адсорбированные на поверхности трения. Образо­вание адсорбированной пленки обусловлено электростатическими силами взаимодействия между молекулами металла и топлива. Наиболее эффективно это взаимодействие с поверхностно-активными, полярными молекулами гетероорганических соединений, имеющихся в топливе. С утяжелением фракционного состава топлива количество таких соединений увеличивается.

При определенных условиях (в частности, при повышении тем­пературы) адсорбированная пленка может вступить в химическое взаимодействие с материалом поверхности трения, образуя пленку из соответствующих химических соединений — хемосорбированную пленку. Такие пленки, как правило, обладают хорошими противоизносными свойствами. Прямогонные фракции дизельного топлива имеют удовлетворительные противоизносные свойства. Одна­ко в дизельном топливе, прошедшем гидроочистку или ад­сорбционную очистку, количество гетероорганических соединений уменьшается с соответствующим ухудшением противоизносных свойств.

Противоизносные свойства топлива ухудшаются при снижении его вязкости, увеличении концентрации сернистых соединений (в особенности меркаптанов), воды и механических примесей. Бензины вследствие относительно низкой вязкости и малого количества присутствующих в них гетероорганических соединений практически не обладают противоизносными свойствами.

Оптимальным средством улучшения противоизносных свойств топлива является введение специально предназначенных для этого противоизносных присадок (некоторые органические жирные кислоты, азот-, фосфор- и хлорсодержащие соединения). Например, при добавлении к топливу 1 % фракции жирных кислот его противоизносные свойства значительно улучшаются. Эффективным противоизносным действием обладают многие антиокислители и деактиваторы металлов.

§ 3.8. Влияние топлива на образование отложений

Во впускном тракте (для двигателей с внешним смесеобразо­ванием), картере, камере сгорания и некоторых других элементах двигателя, контактирующих с топливом и продуктами его сгорания, при использовании нефтяных топлив в системе топливоподачи могут накапливаться отложения. Характер отложений и интенсивность их накопления зависят от химической стабильности и состава топлив, а также от воздействия на них внешних факторов (температуры, давления, каталитического действия металлов и т.п.).

На поверхностях элементов системы топливоподачи, соприкаса­ющихся с жидким топливом (стенки топливных баков и трубопро­водов, фильтры, топливные насосы и пр.), образуются смолисты отложения мазеобразной липкой консистенции. Количество отло­жений возрастает с повышением содержания смол в топливе и наличия в нем механических примисей. Отложения, накапливаясь на стенках трубопроводов и фильтров, вызывают ухудшение при качиваемости топлива; накопление отложений в агрегатах, дозирующих расход топлива (жиклерах, нагнетательной полости топливного насоса и пр.), ведет к изменению дозировки топлива и нарушению заданного состава горючей смеси.

В системе топливоподачи дизелей температура топлива может повышаться более чем до 150°С (т.е. до температур, при которых нарушается термоокислительная стабильность), что сопровождается образованием твердых осадков — смол. Отложение смол на деталях форсунок (см. рис. 3.49) ведет к нарушению заданного режима смесеобразования, подтеканию топлива под иглу распылителя (вплоть до ее «зависания») и т.п.

При коррозии металлов органическими кислотными соединениями образуются вещества, нерастворимые в топливе и выпадающие в осадок в виде хлопьевидных сгустков. Аналогичные по консистенции осадки образуются при разложении ТЭС в этилированных бензинах. Такие загрязнения могут вызвать засорение агрегатов топливопода-ющей системы (в первую очередь фильтров).

В карбюраторном двигателе часть неиспарившегося топлива вы­падает в виде жидкой пленки на стенку впускного тракта. Это топливо обогащено высококипящими фракциями. Так как смолистые вещества в основном концентрируются в этих фракциях то пленка на стенке впускного тракта содержит повышенное количество смолистых веществ.

Для улучшения смесеобразования стенки впускного тракта двига­телей подвергаются подогреву. Это способствует интенсивному окислению углеводородов и смолистых веществ с образованием уп­лотненных, нерастворимых в бензине продуктов. Аналогичное явление происходит на штоке и поверхностях впускных клапанов двигателя (рис. 3.58). Неправильный выбор температуры и не­оптимальная организация подогрева впускного тракта (например, наличие высокотемпературных участков при подогреве отрабо­тавшими газами) интенсифицируют образование отложений. Накоп­ление отложений уменьшает количество теплоты, подводимой к горючей смеси во впускном тракте, а следовательно, ухудшает сме­сеобразование и загромождает впускной тракт, уменьшая тем самым коэффициент наполнения. Отложения, образующиеся на штоках и тарелках впускных клапанов, могут привести к их прогару. В двига­телях с закрытой системой вентиляции и с рециркуляцией отрабо­тавших газов наблюдается повышенное образование отложений из-за наличия в горючей смеси продуктов неполного сгорания топлива и масла.

Количество отложений во впускном тракте зависит от содержания смол в бензине (рис. 3.59). Для уменьшения этих отложений необ­ходимо обеспечить эффективную очистку воздуха, картерных и отра­ботавших газов (в двигателях с рециркуляцией газов, вводимых во впускной тракт). Для двигателей с подогревом впускного тракта на частичных режимах работы необходимо исключить возможность образования застойных зон и обратных вихревых потоков горючей смеси в теплообменном устройстве. Эти устройства должны про­ектироваться с достаточным запасом по теплопроизводительности, необходимым для того, чтобы компенсировать возможное умень­шение подогрева из-за увеличения термического сопротивления сте­нок теплообменника вследствие накопления на них отложений.

Для предотвращения выделения и отложения смолистых веществ к топливам добавляют в количестве до 0,1 % диспергирующие присадки (диспергенты). Диспергенты представляют собой поверх­ностно-активные вещества, препятствующие выделению твердой

фазы при окислении нефтепродуктов или изменяющие структуру и свойства образующихся смолистых продуктов в сторону уменьшения их коагуляции. Диспергенты удерживают смолистые продукты в кол­лоидном состоянии, препятствуя их укрупнению и оседанию (рис. 3.60). Механизм действия диспергентов основан на том, что они адсорбируются на поверхностях микрочастиц, препятствуя образо­ванию более крупных конгломератов.

Диспергенты применяют совместно с антиокислителями или подбирают соединения, обладающие одновременно антиокисли­тельными и диспергирующими свойствами. Такие обладающие комплексными свойствами присадки называют стабилизаторами-диспергентами. При работе на сернистых топливах для уменьшения влияния меркаптанов на образование отложений в состав стабилизаторов-диспергентов вводят также и деактиватор металла.

Введение диспергирующих присадок значительно улучшает рабо­ту системы топливоподачи двигателя (уменьшается количество отло­жений в топливных баках и фильтрах, толщина лаковой пленки, отлагающейся на поверхности игл распылителей форсунок, и т.п.). Промышленные диспергирующие присадки, как правило, являются многофункциональными — они улучшают противоизносные свойства топлив, снижают их коррозионную агрессивность, повышают химиче­скую стабильность.

Нагаром называют твердые отложения, накапливающиеся на де­талях камеры сгорания и агрегатов, находящихся под действием высоких температур. Нагар является продуктом высокотемператур­ного разложения, окисления и полимеризации углеводородов и гетероорганических примесей. В образовании нагара участвуют как топливо, так и масло.

Основными зонами накопления нагара являются стенки камеры сгорания, днище поршня, верхний поясок бо­ковой поверхности поршня, клапаны, элементы форсунок, продувоч­ные и выхлопные окна (в двухтактных двигателях), свечи. Химический состав нагара зависит от качества топлива и масла, типа двигателя и условий его эксплуатации- В одном и том же двигателе на различных поверхностях может откладываться нагар.

Основную часть нагара обычно составляют карбены и карбоиды (50 — 95%), пропитанные смолами и моторным маслом (5—40%). При работе двигателя на этилированном бензине в нагаре содержатся соединения свинца (до 79 %).

Физически структура нагара не одинакова и зависит, при прочих равных условиях, от температуры поверхностей, на которых он обра­зуется. Наибольшую плотность и твердость имеет нагар темно-серого цвета, отлагающийся на поверхностях, формирующих камеру сго­рания. Он практически нерастворим в промышленных растворителях. Нагар, образующийся на боковой поверхности поршня и элементах форсунок, имеет более светлый (соломенный) цвет и относительно более мягкую консистенцию.

При наличии большого количества нагара снижается мощность, надежность, долговечность и топливная экономичность двигателя, увеличивается склонность к возникновению детонации и калильного сжигания. Кроме того, нагар вызывает перегрев отдельных элемен­тов двигателя, нарушение работы клапанов, форсунок и свечей, повышенный фрикционный износ трущихся поверхностей и склон­ность их к задиру. Снижение мощности двигателя при отложениях нагара объясняется уменьшением коэффициента наполнения из-за увеличения температуры рабочей смеси вследствие подогрева ее на­гаром.

В бензиновых двигателях по мере накопления нагара возрастает ОЧ топлива, требуемое для работы двигателя без детонации. Например, на автомобилях «Москвич-2140» и ВАЗ-2106, работающих на этилированном бензине, после пробега 5 — 7 тыс. км на небольших скоростях движения (что способствует накоплению нагара) требования к ОЧ бензина возрастают на 1,5 — 2 единицы. При длительной эксплуатации двигателя с малой на­грузкой на этилированном бензине требования к ОЧ могут увеличиваться до 10 единиц. Это объясняется уменьшением объема камеры сгорания, подогревом рабочей смеси нагаром и ка­талитическим влиянием нагара на образование гидропероксидов, обусловливающих возникновение детонации.

Нагары, образовавшиеся из топлив, содержащих металлоорганические антидетонаторы, обладают повышенной электропроводностью и нарушают вследствие этого нормальную работу свечей зажигания.

В дизелях главной причиной образования на­гара является нарушение смесеобразования и в первую очередь отклонение от оптимальной гео­метрии факела распыла (особенно сильно это явление проявляется в двигателях с непосредст­венным впрыском). Отложение нагара на форсун­ках (рис. 3.61) и во внутренних их полостях приводит к нарушению герметичности перекрытия иглой канала распылителя и искажению формы факела распыла. Следствием является снижение полноты сгорания топлива, мощности и эко­номичности двигателя, а также повышение дымности отработавших газов.

Отложения нагара не способны к постоянному накоплению. После достижения некоторой толщины слоя нагара, при постоянных условиях работы двигателя, дальнейший рост нагара прекращается. В соответствии с теорией образования нагара, предложенной К.К. Папок, различают зону образования нагара, начало образования на­гара и фазы роста и равновесного состояния нагара.

Зоной образования нагара называют участок поверхности детали, на котором созданы условия для формирования и удержания нагара. Размер зоны зависит от температуры и состава рабочей смеси и температуры поверхности металла.

Начало образования нагара — появление в зонах образования нагара смолисто-лаковой пленки, образующейся в результате высокотемпературного окисления топлива и (или) масла.

Фаза роста нагара — рост нагара до его максимального значения, определяемого температурными условиями работы двигателя, соста­вом рабочей смеси, качеством топлива и масла. После этого даль­нейший рост толщины слоя нагара прекращается и наступает фаза равновесного состояния нагара. На этой фазе устанавливается динамическое равновесие между количеством вещества, переходящего в нагар, и выгоранием нагара. С изменением режима работы двига­теля изменяется зона нагара и его количество.

Большое влияние на количество образовавшегося нагара оказы­вает конструкция двигателя. Определяющее значение имеет обеспе­чение максимальной полноты сгорания. Все мероприятия, способствующие этому, снижают нагарообразование.

П ри прочих равных условиях основное влияние на толщину слоя нагара в фазе рав­новесного состояния оказывает тепловой режим работы двигателя. Чем выше темпе­ратура газа, тем меньше толщина равновес­ного слоя нагара. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки на двигатель количе­ство нагара уменьшается. В бензиновых двигателях работа на богатых смесях при­водит к увеличению количества нагара. Это объясняется увеличением количества несгоревшего, подвергшегося пиролизу топлива и пониженной температурой в камере сгорания. При эксплуатации автомобиля в городских условиях, зимой, с частыми остановками и большими интервалами между запусками толщина слоя нагара больше, чем при экс­плуатации на загородных трассах, летом, при длительной непрерывной работе двигателя на режимах, близких к максимальному.

К показателям топлива, оказывающим наибольшее влияние на образование нагара, относятся: групповой и фракционный составы, общее содержание сернистых соединений (главным образом меркаптановой серы), количество и характер смолистых веществ и механических примесей. Топливо, содержащее непредельные углеводороды и смолистые вещества, вызывает интенсивное нагарообразование (рис. 3.62). При отсутствии или относительно малом количестве этих углеводородов основным источником нагара являются ароматические углеводороды, поэтому, несмотря на высокие антидетонационные свойства, содержание этих углеводородов в бензинах ограничивают 40 — 45%. Склонность уг­леводородов к образованию нагара возрастает с повышением молярной массы и температуры кипения. Более тяжелые топлива дают большое количество нагара, поэтому в технических условиях на дизельные топлива регламентируется t_96%.

С увеличением t_90% и t_кк бензинов количество образующегося нагара растет. Особенно влияет t_кк. Снижение этого показателя с 200 до 150°С уменьшает количество нагара на 10—15%. При использовании этилированного бензина количество нагара увеличива­ется в несколько раз. Нагар, образующийся при этом, обладает большой устойчивостью.

С увеличением содержания серы в топливе возрастает количество образующегося нагара и его плотность. Например, при увеличении содержания серы с 0,03 до 0,4 % количество образующегося нагара возрастает в 1,5 —4 раза. Нагар, образующийся при сгорании сернистых соединений, отличается большой плотностью и твердо­стью, что является одной из причин повышенного износа двигателя, работающего на сернистом топливе.

Количество образующегося нагара зависит от способности топлива образовывать при нагреве без доступа воздуха твердые углекислые отложения — кокс. Соответствующее свойство называется коксуемо­стью топлива. Коксуемость зависит от фракционного состава топлива и наличия в нем смолистых и нестабильных соединений.

Коксуемость нефтепродукта определяется путем сжигания его образца, имеющего массу т, и определения массы т₁ коксового остатка. Коксуемость (в процентах) х вычисляют по формуле х = (т₁/т) 100. При определении коксуемости дизельных топлив в качестве образца используют часть 10%-ного остатка после пере­гонки. В результате определения коксуемости дизельного топлива указывают коксуемость 10%-ного остатка. Коксуемость используе­мого топлива должна уменьшаться с увеличением термической на­пряженности дизеля.

Наличие в топливе неорганических примесей интенсифицирует образование нагара и увеличивает его плотность. Количество этих примесей определяется зольностью топлива. Зольность топлива определяют путем выпаривания 1 л топлива в колбе до получения 30 —40 мл остатка. Остаток прокаливают в тигле до полного озоления. Массовое отношение полученной золы (в процентах) к исход­ному количеству топлива определяет его зольность. Кроме влияния на образование нагара зола, остающаяся после сгорания топлива, является абразивом, усиливающим износ двигателя.

Присутствие в топливе антиокислителей уменьшает нагарообразование. Это происходит потому, что снижение содержания кислот и смол способствует уменьшению количества продуктов их термиче­скою разложения — нагара.