Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте

Подождите немного. Документ загружается.

крекинге происходят расщепление высокомолекулярных углево

дородов и превращение их в низкомолекулярные легкокипящие

углеводороды, из которых состоят бензин и другие светлые неф

тепродукты.

Крекинг может происходить под действием повышенных тем

ператур (470...540°С) и давлений (2...7 МПа) — термичес

кий крекинг или же под действием повышенной температуры

(450... 500 °С), незначительного давления (0,06...0,14 МПа), но в

присутствии катализатора — каталитический крекинг. В обоих

случаях пары сырья направляются в ректификационную колонну

для разделения на фракции, как и при прямой перегонке. При тер

мическом крекинге они поступают из нагревательной печи, пройдя

только испаритель, а при каталитическом — еще и реактор.

Проект первой в мире промышленной установки для крекинга

нефти был разработан в 1891 г. русским инженером В. Г. Шухо

вым.

Легко расщепляются молекулы нефти, содержащие серу и кис

лород. По этой причине в бензинах термического крекинга нахо

дятся нежелательные сернистые и кислородные соединения. У бен

зинов, получаемых термическим крекингом, недостаточно высокий

основной показатель качества бензина — октановое число (не бо

лее 66...74) и большое содержание непредельных углеводородов

(до 30...40 %). Из-за непредельных углеводородов бензин терми

ческого крекинга обладает плохой стабильностью и при хранении

интенсивно окисляется и осмоляется. Поэтому на современных

нефтеперегонных заводах термический крекинг не применяют.

Каталитический крекинг является основным деструктивным

методом получения бензинов. Алюмосиликатный катализатор,

направляя процесс в нужную сторону, способствует образованию

изомерных предельных углеводородов (парафиновых, ароматичес

ких), а также превращению части образовавшихся непредельных

углеводородов в предельные. Бензины каталитического крекинга

содержат значительное количество углеводородов изопарафино-

вых и ароматических (около 50 %), а также нафтеновых (20... 25 %).

В их составе непредельные углеводороды не превышают 5...9%.

Поэтому эти бензины имеют более высокую детонационную стой

кость и химическую стабильность.

Каталитический крекинг позволяет получить бензин с октано

вым числом до 95. Сырьем для каталитического крекинга обычно

служат керосиновые, соляровые и газойлевые фракции прямой

перегонки нефти. Качество прямогонных бензинов, их детонаци

онная стойкость (особенно полученных из сернистых нефтей)

улучшается при их последующем каталитическом риформинге,

являющемся одним из основных процессов современного нефте

перерабатывающего завода. Каталитический риформинг протека

ет в атмосфере водорода при температуре 480...520°С, давлении

примерно 3 МПа и в присутствии алюмомолибденового катализа

тора (гидроформинг-процесс) или алюмоплатинового катализато

ра (платформинг-процесс).

В настоящее время каталитический риформинг бензинов явля

ется важнейшим процессом современной нефтепереработки и

нефтехимии. Он служит для одновременного получения высоко

октановых автомобильных бензинов, а также различного сырья

для нефтехимического синтеза — ароматических углеводородов и

технического водорода, используемого в гидрогенизационных

процессах нефтепереработки.

Каталитический риформинг является в настоящее время наи

более распространенным методом каталитического облагоражи

вания прямогонных бензинов. Установки каталитического рифор-

минга имеются практически на всех отечественных и зарубежных

нефтеперерабатывающих заводах.

Подготовка сырья для каталитического риформинга включает

в себя ректификацию и гидроочистку. Ректификация использует

ся для выделения определенных фракций бензинов в зависимости

от назначения процесса. При гидрогенизации из сырья удаляют

примеси (серу, азот и др.), нейтрализующие катализаторы ри

форминга. Каталитический риформинг — это сложный химический

процесс, включающий в себя разнообразные химические реакции,

которые позволяют коренным образом преобразовать углеводо

родный состав бензиновых фракций и тем самым значительно улуч

шить их антидетонационные свойства.

Промышленный процесс каталитического риформинга непре

рывно совершенствуется, и в первую очередь за счет совершенст

вования катализаторов риформинга.

С переходом от алюмомолибденового катализатора, имевшего

недостаточные показатели селективности, на платиновый ката

лизатор изменились технологический режим и схема процесса

риформинга. Более высокая активность платинового катализатора

позволила повысить давление в системе и снизить температуру,

что, в свою очередь, позволило увеличить продолжительность без-

регенерационной работы катализатора.

Дальнейшее совершенствование технологии каталитического

риформинга, в частности удаление из сырья каталитических ядов

и его обезвоживание, позволили перейти к использованию бо

лее эффективных хлорированных алюмоплатиновых катализато

ров. С использованием этих катализаторов появилась возможность

регулировать уровень кислотности катализаторов непосредствен

но в условиях эксплуатации.

Последнее поколение катализаторов отличается тем, что наря

ду с платиной они содержат один или несколько других металлов.

Это позволяет добиться более высокой стабильности процесса в

условиях реакционного периода, что в конечном счете обеспечи

вает возможность получения более высоких выходов высокоокта

новых бензинов.

Развивать производство высокооктановых бензинов с исполь

зованием высокоэффективных вторичных процессов, в том числе

и каталитического риформинга, экономически выгодно и целе

сообразно. Это позволяет более эффективно использовать нефтя

ные ресурсы.

Бензиновые фракции получают также из углеводородных газов

методами полимеризации и алкилирования. Полимерные бензи

ны, получаемые из газов, богатых олефиновыми углеводородами,

имеют высокое октановое число (80...85), но обладают недоста

точной химической стабильностью.

Алкилирование заключается в присоединении олефиновых угле

водородов к парафиновым или ароматическим. В результате полу

чают высокоактивный (с октановым числом 85...95) химически

стабильный компонент бензина.

Автомобильные топлива, полученные одним из указанных спо

собов, должны быть очищены от органических (нафтеновых) кис

лот, непредельных углеводородов, смолисто-асфальтеновых веществ,

сернистых соединений, а также подвергнуты стабилизации для

повышения их химической и физической стойкости во время транс

портирования, хранения и потребления. Применяемые для очист

ки продукты обладают способностью взаимодействовать с неже

лательными примесями (соединениями) и образовывать вещества,

удаляемые из топлива путем отстаивания или другим способом.

Содержание серы в дизельном топливе может быть снижено

путем его гидрогенизации. Здесь происходит расщепление

сернистых соединений и образование сероводорода, который уда

ляется промывкой щелочью.

Для снижения температуры застывания дизельное топливо под

вергают депарафинизации.

Повышение химической стабильности топлив осуществляется

путем торможения процессов окисления непредельных углеводо

родов. К бензину добавляют специальные присадки (параоксиди-

фениламин, древесно-смоляной антиокислитель и др.), называе

мые антиокислителями (ингибиторами). Они увеличивают срок

хранения бензина в несколько раз.

Повышение физической стабильности бензина достигается

снижением содержания растворенных в нем газообразных и жид

ких углеводородов с высоким давлением паров, которые легко

улетучиваются при его транспортировании и хранении. При этом

изменяются фракционный состав, давление насыщенных паров,

испаряемость и часто детонационная стойкость бензина.

Пары бензина пропускают через стабилизационные установки

(ректификационные колонны), где происходит отделение газооб

разных углеводородов.

Товарное топливо, т. е. топливо, поступающее в автотранспорт

ные организации, чаще всего представляет собой смесь фракций,

полученных несколькими способами переработки.

4.5. Краткие сведения о производстве автомобильных

масел

Для производства смазочных масел используется мазут, полу

чающийся в виде остатка после отгона из нефти топливных дис

тиллятов (фракций), состоящий из высококипящих углеводоро

дов в основном нафтеновой группы с длинными парафиновыми

боковыми цепями и имеющий температуру кипения свыше

300... 350 °С.

Чтобы получить моторное масло, используемое для смазки дви

гателя, из мазута методом прямой перегонки выделяют нужные

дистилляты. Далее их очищают от нежелательных примесей и для

улучшения качества добавляют специальные вещества, которые

называются присадками. Полученные таким способом масла на

зывают дистиллятными.

Перегонка мазута проводится принципиально по той же схе

ме, что и прямая перегонка нефти для получения бензина и ди

зельного топлива. Однако фракции отбирают не по температурам

Кипения, а по величине вязкости. Перегонка осуществляется при

температуре около 420 °С и давлении 0,007...0,013 МПа (вакуум)

в присутствии водяного пара. Вакуум и водяной пар используют

для понижения температуры кипения мазута и предотвращения

крекинга при перегонке.

Для автомобильных масел используют преимущественно авто

ловые дистилляты, отбираемые из ректификационной колонны

на уровне выше цилиндровых и ниже машинных дистиллятов. Внизу

колонны в виде остатка собирается полугудрон или гудрон (послед

ний при более высокой температуре или более глубоком вакууме).

Более вязкие, чем дистиллятные, масла получают путем очистки

полугудрона. Такие масла называются остаточными.

Некоторые масла получают путем смешивания остаточных

масел с дистиллятными. Их называют компаундированными.

Трансмиссионные масла получают чаще всего путем смешивания

полугудрона различной степени очистки с менее вязкими масля

ными дистиллятами.

Обязательным этапом при производстве масел является очистка

масляных дистиллятов или полугудрона от смолисто-асфальтено-

вых веществ, твердых парафинов и церезинов, сернистых соедине

ний, органических кислот, а также непредельных углеводородов.

Масляный дистиллят или полугудрон, как и топливные фракции,

можно подвергать очистке не одним способом, а несколькими в

последовательности, определяемой требованиями, предъявляемы

ми к качеству масла.

Иногда при производстве высококачественного масла приме

няют специальную очистку от смолисто-асфальтеновых веществ

(деасфальтенизацию) и очистку от углеводородов, кристаллизу

ющихся при небольшом понижении температуры (депарафиниза-

цию).

Присадки представляют собой сложные химические продукты,

улучшающие природные свойства смазочных масел. Как показал

опыт, некоторые высококачественные присадки увеличивают дол

говечность двигателей в 1,5—2 раза, удлиняют срок службы масла

в 3—5 раз и снижают его расход на 10... 15 %.

В зависимости от назначения присадки к автомобильным маслам

подразделяют на вязкостные, депрессорные, антиокислительные,

противокоррозионные (в том числе противоржавейные), проти-

воизносные, противозадирные, моющие и противопенные.

Вязкостные (загущающие) присадки обеспечивают более поло

гую вязкостно-температурную характеристику, повышают индекс

вязкости масла. Будучи загущающими, они, не повышая темпера

туры застывания масла, увеличивают его вязкость при рабочей

температуре в двигателе.

Депрессорные присадки добавляют к маслам для понижения

температуры застывания на 20...40 °С. Их действие проявляется в

торможении процесса образования кристаллической решетки па

рафина и церезина в масле.

Антиокислительные присадки применяют для замедления окис

ления, т.е. они увеличивают срок службы масла, уменьшают кор

розию деталей, препятствуют образованию отложений, в том числе

лаковых.

Противокоррозионные присадки добавляются к маслам для

уменьшения коррозии (главным образом вкладышей подшипни

ков) кислыми продуктами окисления и сернистыми соедине

ниями.

Противоржавейные присадки уменьшают коррозию деталей при

хранении автомобилей.

Противоизносные присадки повышают смазывающие свойства

(прочность пленки) масел и, следовательно, уменьшают износы

трущихся деталей и потери на трение. Эти присадки используют

преимущественно в трансмиссионных маслах для высоконагру-

женных зубчатых передач.

Противозадирные (противопиттинговые) присадки способству

ют образованию пленки, которая выдерживает большие нагрузки

при значительных температурах и предотвращают заедание и сва

ривание трущихся поверхностей. Шенка образуется в результате

взаимодействия присутствующих в присадках хлора, фосфора и

серы с поверхностным слоем металла.

Моющие (диспергирующие) присадки предотвращают загряз

нение деталей отложениями, лакообразование на горячих деталях

двигателей и пригорание поршневых колец. Моющие присадки

препятствуют слипанию образующихся в масле продуктов окис

ления и других мелких частиц до размеров, при которых они вы

падают из масла, а также разрушают слипшиеся частицы. Меха

низм их действия носит химический (замедление окисления) и

физический характер (превращение продуктов окисления в тонко

дисперсное состояние). Поэтому появляющиеся в масле нераство

римые частицы находятся во взвешенном состоянии и не откла

дываются на поверхностях деталей. Кроме того, моющие присадки

предотвращают прилипание продуктов окисления к поверхностям

деталей.

Противопенные присадки уменьшают вспенивание масла при

циркуляции его в системе смазки и предотвращают образование

воздушных пузырей в масляной пленке. Противопенные присадки

добавляются в самых незначительных количествах — 0,02... 0,005 %.

Присадки, улучшающие одновременно несколько свойств мас

ла, называют многофункциональными, или комплексными. К со

временным маслам, как правило, добавляется смесь (компози

ция) из нескольких (семи-восьми) присадок. Содержание каждой

из присадок колеблется от десятых долей процента до несколь

ких процентов, а суммарное их содержание может достигать 25 %.

Их компонентами являются алкильные радикалы, сера, кисло

род, фосфор, металлы. Стоимость присадок превышает стоимость

масла в несколько раз, однако получаемый от них положитель

ный эффект оправдывает эти расходы, делает их экономически

выгодными.

Как отмечалось ранее, присадки позволяют резко улучшить ка

чество масла. Однако необходимо иметь в виду, что в процессе

работы масла концентрация присадки уменьшается главным об

разом по причине отфильтровывания масляными фильтрами и

выпадения в осадок. Установлено, что при более высоких темпе

ратурах и нагрузках, т. е. в более трудных условиях работы, при

садка срабатывается быстрее.

4.6. Краткие сведения о получении пластичных смазок

Производство пластичных смазок существенно отличается от

производства жидких масел и в основном сводится к смешива

нию (варке) в определенном количественном соотношении вхо

дящих в них компонентов.

Основой любой смазки является жидкое минеральное масло

(75...90 мае. %). Это масло должно иметь хорошие вязкостно-тем

пературные свойства и высокую химическую стабильность.

Непременным составным элементом пластичной смазки являет

ся загуститель, который при добавлении к жидкому минеральному

маслу превращает его в густую малоподвижную мазеобразную массу.

От вида загустителя зависят важнейшие эксплуатационные свой

ства смазок и прежде всего температурная стойкость и влаго

стойкость. Загустители делятся на углеводородные (немыльные)

и мыльные.

В качестве углеводородных загустителей используют парафин,

церезин, петролатум и др.

Большинство пластичных автомобильных смазок изготовляют

на мыльных загустителях. Мыло-загуститель получают омылением

жира или нейтрализацией высших жирных кислот щелочью.

При производстве мыла-загусштеля используют разные щелочи.

В зависимости от этого получают разные мыла и соответствующие

им натриевые, кальциевые, кальциево-натриевые, литиевые, алю

миниевые, цинковые, бариевые и другие пластичные смазки,

обладающие различающимися физико-химическими свойствами.

В большинстве случаев кроме жидкого минерального масла и

загустителя в состав пластичной смазки входят присадки, про

дукты, участвовавшие в производстве смазки (глицерин — побоч

ный продукт омыления, избыточная свободная щелочь), вода,

наполнители.

В пластичные смазки вводят антиокислительные и противокор

розионные присадки, улучшающие водостойкость, стабильность,

механические и другие свойства.

Для улучшения противоизносных и противозадирных свойств

к смазкам добавляют соединения серы, хлора и фосфора. Такие

наполнители, как графит, смола, дисульфид молибдена, улучша

ют качество смазок, используемых при высоких температурах и

давлениях и для смазки грубо обработанных деталей.

Глава 5

ТОПЛИВО ДЛЯ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

5.1. Технико-экономические требования к бензину

В настоящее время большинство легковых, грузовых автомоби

лей и автобусов имеют карбюраторные двигатели, и топливом для

них служит автомобильный бензин. Затраты на бензин значитель

ны (до 30 % всех затрат) и являются одной из основных статей в

себестоимости перевозок.

Как правило, из всех статей расхода, определяющих себестои

мость 1 т-км, лишь затраты по оплате труда водителей (основная и

дополнительная заработная плата с начислениями) выше затрат

на бензин. По остальным статьям, и в том числе таким, как расхо

ды на текущий ремонт и техническое обслуживание, амортизацию

подвижного состава, затраты ниже затрат на бензин.

Затраты на бензин во многом зависят от организации его ис

пользования на автотранспортном предприятии. Рациональное

использование бензина может быть обеспечено лишь в том слу

чае, если применяемый бензин отвечает данным условиям, т.е.

соответствует конструктивным особенностям данного двигателя

и климатическим условиям его эксплуатации.

Если такое соответствие выполняется, то можно считать, что

созданы условия для обеспечения как минимальных затрат на бен

зин, наименьших расходов на техническое обслуживание и ре

монт автомобилей, так и высокой производительности автомо

билей.

Основные технико-экономические требования к бензинам сво

дятся к следующему:

• бензин должен обеспечивать безотказную работу автомобиль

ного двигателя на всех режимах и во всех практически встречаю

щихся условиях эксплуатации;

• двигатель должен развивать предусмотренную для него мощ

ность, расходуя минимальное количество бензина;

• бензин должен обеспечивать минимальные износы деталей

двигателя, а также минимальные трудовые и материальные затра

ты на ремонт и техническое обслуживание двигателя;

• качество бензина не должно заметно ухудшаться при транс

портировании, хранении и использовании;

• обращение с бензином не должно вызывать повышенной опас

ности для здоровья лиц, занимающихся эксплуатацией, техни

ческим обслуживанием и ремонтом автомобилей.

Исходя из перечисленных требований устанавливаются соот

ветствие бензина данным конкретным условиям и возможность

его применения. Новые сорта автомобильных бензинов, дизельных

топлив, а также масел и смазок проходят специальные испытания,

во время которых проверяются их качества и устанавливается об

ласть применения.

5.2. Показатели физико-химических свойств бензина,

характеризующие его эксплуатационные качества

Соответствие бензина перечисленным ранее технико-экономи

ческим требованиям зависит прежде всего от его физико-хими-

ческих свойств, которые определяются рядом показателей.

Основные показатели физико-химических свойств указываются

в стандартах или технических условиях на бензин данной марки.

Показатели, характеризующие свойства и качества бензинов,

могли бы значительно изменяться в зависимости от природы неф

ти, способов ее переработки, очистки бензина и добавляемых к

нему присадок. Стандартизация основных показателей физико

химических свойств призвана обеспечивать одно и то же качество

бензина данной марки.

По каждому из показателей установлены количественные зна

чения, определяемые стандартными методами, что гарантирует

полную сопоставимость результатов испытаний.

Соответствие бензина тому или иному технико-экономическому

требованию характеризуется не одним, а несколькими показате

лями его физико-химических свойств. В то же время в ряде случаев

от одного и того же показателя физико-химических свойств зависит

соответствие нескольким технико-экономическим требованиям.

5.2.1. Карбюрационные свойства бензина,

влияющие на безотказную работу двигателя

Фракционный состав, давление насыщенных паров, а также

содержание механических примесей и воды в бензине определяют

способность данного бензина образовывать однородную бензино

воздушную смесь нужного состава для разных условий работы дви

гателя, в том числе при низких и высоких температурах, мини

мальной и максимальной частоте вращения коленчатого вала, при

прикрытом и полностью открытом дросселе, т. е. определяют кар

бюрационные качества бензина, от которых зависит безотказность

работы двигателя.

От них зависят также быстрота и полнота сгорания бензино

воздушной смеси в цилиндрах двигателя, т. е. мощность, развива

емая двигателем, и количество расходуемого при этом бензина.

40 60 80 100

„ *ю»‘с

100120140 160

г5 0> “С

160180 200 220

б ™ - в

Рис. 5.1. Влияние температур перегонки 10% (а), 50% (б) бензина

и температуры конца кипения (в) бензина на его эксплуатационные ка

чества:

/ — паровые пробки; II — трудный пуск; III — пуск невозможен; IV — плохая

приемистость; V — разжижение масла; VI — интенсивный износ цилиндров и

поршневой группы

Фракционный состав устанавливает зависимость между содер

жанием топлива (в процентах по объему) и температурой, при

которой оно перегоняется. Фракционный состав позволяет судить

О полноте испарения бензина в процессе карбюрации1. От испаря

емости бензина зависит качество бензиновоздушной смеси, ее

однородность и состав. Время, за которое должен испариться бен

зин, незначительно и для современных двигателей, имеющих боль

шую частоту вращения коленчатого вала, составляет примерно

0,02 с. Поэтому, чтобы за столь короткое время весь бензин, по

ступающий в цилиндры двигателя, мог превратиться из жидкости

в пар, он должен обладать высокой испаряемостью и способнос

тью распыляться на возможно мелкие частички, так как от этого

зависит скорость испарения. Так, например, при температуре

20 "С капли бензина d = 1 мм испаряются за 3,0 с, а при размере

d = 0,01 мм — за 0,2 с, т.е. в 15 раз быстрее.

Для характеристики фракционного состава в стандарте указы

вается температура, при которой перегоняется 10, 50, и 90 % бен

зина, а также температуры конца и начала его перегонки. Кроме

того, в стандарте ограничивается количество бензина, которое не

перегоняется (остаток в колбе), и количество бензина, которое

улетучивается в процессе перегонки.

По температуре перегонки 10 % бензина (/|0) (рис. 5.1, а) судят

о наличии в нем головных (пусковых) фракций, от которых зави

сит легкость пуска холодного двигателя. Чем ниже эта температура,

тем легче и быстрее можно пустить холодный двигатель, так как

большее количество бензина будет попадать в цилиндры в паро

1 Образование горючей смеси из жидкого горючего (например, бензина) и

воздуха.