15. Заправка машин топливом и техническими жидкостями
15.1. Топливо для машин
Для машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) ( бульдозеры, скреперы, тракторы, компрессоры, автосамосвалы, частично экскаваторы и бурильные машины) применяют несколько сортов жидкого топлива, получаемого перегонкой и крекинг-процессом нефти. В результате прямой перегонки нефть разлагается на газ, бензин, лигроин, керосин, солярку и мазут.
Мазут в зависимости от состава используют для производства смазочных масел или в качестве котельного топлива.
Топливо состоит горючей части – органических соединений углерода, водорода, кислорода, серы, негорючей – воды, минеральных примесей. Углерод и водород являются главными теплотворными элементами, которых в топливе содержится соответственно 50 – 97% и 1-25%. Теплотворная способность углерода – 34 082 и водорода 142 777 кДж/кг. Кислорода в топливе содержится от 0,5 до 43 %, азота – от 0,5 до 2 %, серы – от 0,1 до 9%. Сера имеет теплотворную способность 9262 кДж/кг и при сгорании выделяет вредный сернистый газ. Содержание воды и минеральных примесей в топливе составляет от 0,5 до 55%.
Основные эксплуатационные свойства жидкого топлива определяющиеся его составом, способом очистки и стабилизации, должны обеспечивать качественное смесеобразование, надежную работу системы питания, нормальное протекание процесса сгорания, легкость пуска двигателя и его долговечность.
Для карбюраторных двигателей применяют топливо, которое должно иметь хорошие карбюрационные свойства, т.е. образовывают топливовоздушные смеси определенного состава при различных режимах работы двигателей.
Эти свойства зависят от плотности, вязкости, поверхностного натяжения и испаряемости топлива. Плотность обеспечивает нормальный режим работы двигателя. Вязкость определяет объемную скорость топлива при протекании через жиклеры.
Этими свойствами обладают различные сорта бензина, который и применяется в качестве топлива в карбюраторных двигателях.
Отклонение плотности бензина от его нормального значения ведет к нарушению режима работы двигателя. Вязкость оказывает влияние на объемную скорость протекания топлива через жиклеры. От поверхностного натяжения зависит распыление топлива в карбюраторе. Испаряемость топлива влияет на давление насыщенных паров.
Работоспособность топлива оценивается температурами, при которых отгоняется 10, 50, и 90% топлива. Температура 10 %-ной точки позволяет оценить пусковые качества топлива, температура 50 %- ной точки – характеризует топливо с точки зрения устойчивость работы, температура 90 %-ной точки показывает содержание в топливе тяжелых фракций.
Характер протекания процесса сгорания топлива в карбюраторных и дизельных двигателей различен. В карбюраторных двигателях топливо должно обладать свойствами быстрого предпламенного окисления и не вызывать резкого возрастания давления при сгорании. Скорость распространения пламени в камере сгорания составляет 20 – 40 м/с. При перегреве двигателя из-за перегрузки, плохого охлаждения и неправильной регулировки скорость распространения пламени повышается в сотни раз и приводит к возникновению взрывных процессов (детонации). При этом падает мощность двигателя, появляются металлические стуки, происходит усиленный износ подшипников, пригорание клапанов и т. д.
Детонационная стойкость бензина определяется путем его сравнения со смесью двух эталонных топлив – изооктана и гептана, детонационные свойства которых известны. Изооктан имеет хорошие антидетонационные свойства, оцениваемые условно числом 100, а гептан – низкие детонационные свойства, оцениваемые цифрой 0.
Оценка детонационной стойкости бензина производится октановым числом, показывающим процент содержания (по объему) изооктана в смеси с нормальным гептаном, которая по своей детонационной стойкости эквивалентна испытываемому топливу.
Для улучшения антидетонационных свойств к бензину добавляют специальные присадки – антидетонаторы.
Наиболее распространенным антидетонатором является этиловая жидкость, содержащая 54 % тетраэтилсвинца Pb(C2 H5)4 и 33% дибромэтана.
Так как тетраэтилсвинец является сильным ядом, то и этилированные бензины также ядовиты.
Предотвращения детонации можно добиться также правильной регулировкой угла опережения зажигания, составом смеси, дросселированием, соблюдением режима охлаждения.
Стойкость бензина против изменения его первоначальных свойств в процессе хранения характеризуется стабильностью, оцениваемой индукционным периодом, в течение которого проба бензина при 100 0С не поглощает кислород. Для автомобильных бензинов индукционный период равен 360 – 480 мин.
Наличие в топливе органических кислот определяется кислотным числом,
равным количеству мг едкого калия КОН, необходимых для нейтрализации кислот в 100см3 бензина.
Содержание воды и механических примесей в бензине недопустимо.
Для улучшения сгорания топлива, повышения его стабильности, уменьшения нагарообразования, повышения низкотемпературных свойств, снижения кррозионности применяют присадки. Введением в бензин спирта, аминов, фосфатов, сульфидов предотвращает коррозию деталей, а применением антиокислителей (параоксидифениламин, древесносмоляной антиокислитель Б и др.) повышают стабильность бензина.
Бензины, выпускаемые для автомобильных двигателей, маркируются буквой А, а для авиационных двигателей буквой Б. Цифры после букв в маркировке бензина обозначают его октановое число. У авиационных бензинов, кроме того, добавляется цифра, обозначающая сортность бензина.
Согласно ГОСТ промышленность изготавливает четыре марки автомобильных бензинов: А-80, А-92, А-95 А-98.
Бензин А-80 (реже А-92) применяют для современных грузовых автомобилей, а бензин А-92, А-95, А-98 (реже А-80) для легковых автомобилей. Кроме того, ограниченное применение находит лигроин – бензин, лишенный пусковых фракций.
Рабочий процесс в дизельных двигателях при более интенсивных режимах, чем в карбюраторных. Поэтому дизельное топливо для обеспечения надежной и эффективной работы двигателей должно обладать хорошей способностью к распылению и проходимостью по топливопроводам.
Процесс смесеобразования и сгорания топлива в двигателе, износ прецизионных деталей в топливном насосе и форсунках в значительной степени зависят от вязкости топлива. При малой вязкости топливо свободно проникает через зазоры в плунжерной паре топливного насоса, нарушает дозировку подачи топлива и соответственно снижает мощность двигателя. Использование топлива с повышенной вязкостью приводит к появлению в камере сгорания крупных капель топлива, не успевающих испариться. В результате этого увеличивается расход топлива, снижается мощность двигателя, повышается нагарообразование и скорость изнашивания двигателя.
Для быстроходных дизельных двигателей считают оптимальной вязкость топлива порядка 2,510-6 м2/с при 20 0С, а для тихоходных – 3010-6 м2/с. С понижением температуры дизельное топливо постепенно густеет, переходит в студнеобразное состояние и мутнеет из-за образования мелких кристаллов твердых углеводородов. Поэтому для бесперебойной работы двигателя дизельное топливо должно иметь температуру застывания на 15 – 20 0С ниже минимальной для данной зоны.
Фракционный состав дизельного топлива оказывает влияние на запуск двигателя, хорошую испаряемость топлива, малый период задержки воспламенения.
Самовоспламеняемость топлива оценивается цетановым числом, равным процентному содержанию цетана (С16Н34) в эталонном топливе, состоящем из цетана и альфа-метилнафталина (С10H7CH3), и эквивалентном по самовоспламенемости испытываемому топливу.
Самовоспламеняемость цетана условно принята за 100, а альфа-метилнафталина – за 0.
Цетановое число топлива ЦТ определяется по формуле
,
где tср. - средняя температура испарения топлива, 0С;
- плотность топлива.
У двигателей, работающих на дизельном топливе с небольшим цетановым числом появляются стуки и большая нагрузка на детали поршневой группы. С повышением цетанового числа снижается жесткость работы двигателя, уменьшаются нагрузки на его детали и увеличивается надежность двигателя. Введением в дизельное топливо хлорпикрина, амилнитрата,перекиси ацетона, этилнитрата можно увеличить цетановое число.
Цетановое число для современного дизельного топлива находится в пределах 40 – 60.
Оценка способности дизельного топлива образовывать нагар производится коксовым числом или зольностью. Коксовое число у высококачественного топлива находится в пределах 0,05 – 0,1 %, у тяжелого топлива – 3 – 4 %. Зольность топлива изменяется от 0,01 до 0,02 %.
Содержание в топливе кислот и серы оказывает вредное влияние на детали двигателя. Кислотное число дизельного топлива – 5. Содержание серы в топливе не должно превышать \,2 %. Работа двигателя на сернистом топливе сопровождается повышенным отложением нагара. Кроме того, при этом интенсифицируется процесс старения картерной смазки. Для уменьшения вредного влияния серы в дизельное топливо вводят 0,7 % присадки ВНШ-НП-Ш или ЦИАТИМ 339, а также гозообразный аммиак, добавляемый в количестве 0,09 – 0,15 % от всего поступающего воздуха.
Для автотракторных и тепловозных двигателей выпускается четыре марки дизельного топлива: Л – летнее для двигателей при температуре воздуха не ниже 0 0С; З – зимнее для двигателей при температуре воздуха не ниже – 20 0С; ЗС – зимнее северное для двигателей при температуре воздуха не ниже – 300С; А – арктическое для температуры воздуха не ниже – 500С. Дизельные топлива ДЛ, ДЗ и ДА имеют такие же свойства, как и топлива марок Л, З, и А. Более высокое цетановое число имеет топливо ДС. В качестве заменителя дизельного топлива для автотракторных двигателей могут быть использованы керосины марок Т-1 и ТС-1.
Дизельные топлива марок ДЛ, ДЗ, ДА, ДС, а также Л, З и С применяют для двигателей с частотой вращения более 1000 мин-1, соляровое масло – для двигателей с частотой вращения от 600мин-1 до 1000 мин-1, дизельное топливо ДТ-1, ДТ-2, ДТ-3 – для двигателей с частотой вращения соответственно 300 – 600, 200 – 300 и менее 200 мин-1.
Характеристика различных марок дизельного топлива приведена в [2].
Керосин выпускается с октановым числом 40…45. Он используется как заменитель некоторых сортов зимнего дизельного топлива, в качестве топлива для тракторов и как моющая жидкость при ремонте и эксплуатации машин .