При увеличении содержания в топливе ароматических углеводородов во всех случаях повышается образование нагара. Этому же способствует наличие серы и сернистых соединений.
В настоящее время основную часть дизельных топлив производят из сернистых нефтей. Поэтому основным методом контроля наличия активной серы являются коррозионные испытания на медную пластинку. Кроме того, дополнительно контролируется содержание меркаптановой серы, а также сероводорода. По этой причине, а также из-за ряда других отрицательных последствий содержание серы в дизельных топливах должно быть не более 0,2...0,5 % (в зависимости от вида топлива), меркаптановой серы – не более 0,01 %, а сероводород должен отсутствовать.
При сгорании дизельного топлива содержащиеся в нем сернистые соединения образуют окислы серы SO2 и SО3. При высокой температуре окислы серы корродируют металлы в газовой фазе. При низкой температуре они растворяются в конденсирующейся из продуктов сгорания воде, образуя коррозионно-агрессивные сернистую и серную кислоты.
Из-за комплексного характера склонности дизельных топлив к нагарообразованию для его более полной оценки используются показатели коксуемости и зольности. Коксуемостью называется свойство топлива образовывать отложения при нагреве до 800 – 900 °С без доступа воздуха. Продукты коксования (кокс) состоят в основном из углерода и высокомолекулярных соединений. Они отлагаются в виде твердого нароста главным образом на горячих деталях, не контактирующих непосредственно с зоной горения (внутри форсунок, на юбках поршней в области поршневых колец и др.). Контроль коксуемости осуществляется по содержанию кокса в 10 %-ном остатке топлива после перегонки, количество которого не должно превышать 0,3 % по всем маркам топлив.
После полного сгорания топлива в воздухе образуется минеральный остаток – зола, вызванный присутствием в топливе различных неорганических примесей. Из-за абразивных свойств золы она не только увеличивает нагар, но и ведет к повышенным износам в двигателе. Поэтому допустимое содержание золы в товарных дизельных топливах – зольность – ограничивается 0,01 %.
Как и в случае бензинов, причиной коррозионной агрессивности дизельных топлив является наличие таких соединений, как водорастворимые кислоты и щелочи, органические кислоты и сернистые соединения.
Присутствие водорастворимых кислот и щелочей в дизельных топливах не допускается. Содержание остальных агрессивных соединений в дизельных топливах контролируется, как и в бензинах, по показателю кислотности. Кислотность не должна превышать 5 мг КОН для нейтрализации 100 мг топлива.
Вопрос № 3: Описать противоокислительные свойства масел.
Противоокислительные свойства определяют стабильность масла, от которой зависит срок работы масел в двигателях, характеризуют их способность сохранять первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах. Стойкость моторных масел к окислению повышается при введении антиокислительных присадок.
При хранении, транспортировании, в процессе работы в двигателях масла подвергаются глубоким химическим изменениям – окислению, полимеризации, разложению и т.п. При этом образуются кокс, смолистые, асфальтеновые и другие вещества.
Установлено (в основном исследованиями Н.И. Черножукова и С.Э. Крейна), что для большинства углеводородов первичные продукты окисления – это перекисные соединения: моноалкил – перекиси R-O-O-H, диалкилперекиси R-O-O-R и др.
При высоких температурах среди входящих в состав масла трех групп углеводородов легче всех окисляются алкановые, затем циклановые и ароматические.
Срок работы масел в двигателях зависит от их стабильности, под которой понимают способность масел сохранять свои первоначальные свойства и противостоять внешнему воздействию при нормальных температурах. Масла, стойкие к действию кислорода при высокой температуре, обладают высокой термоокислительной стабильностью.
Стабильность масел, применяемых в двигателях внутреннего сгорания, зависит от многих факторов. Основные из них – температурные условия, химический состав масел, наличие воды и механических примесей, а также окислительные свойства: длительность и поверхность окисления, действие продуктов окисления. С повышением давления воздуха и усилением диффузии его в масло процесс окисления ускоряется.
Температура оказывает на окисление решающее воздействие. Так, при температуре 18-20 °С все первоначальные свойства масла сохраняются в течение пяти лет. Но уже начиная с 50-60 °С скорость окисления масел с повышением температуры на каждые 10 °С примерно удваивается. Поэтому высокая тепловая напряженность деталей форсированных двигателей (рисунок 7.12), с которыми приходится контактировать моторному маслу, и взаимодействие с прорывающимися высоконагретыми газами (на такте сжатия их температура около 150-450 °С для карбюраторных двигателей и около 500-700 °С для дизелей) резко ужесточают условия их работы.
Повышение термической напряженности моторных масел сопряжено с отдельными конструктивными решениями: использованием наддува, применением герметизированной системы охлаждения (увеличивает температуру поршня на 10-20 °С), уменьшением объема системы смазки двигателя, масляным охлаждением поршней и др. Возрастание опасности термического и механического разрушения масляной пленки в основных сопряженных парах двигателя в условиях высокой тепловой напряженности и интенсивного контакта его деталей с нагретыми газами связано с интенсификацией процесса окисления масла и нарушением нормальной работы двигателя за счет возможного износа деталей, загрязнения продуктами окислительной полимеризации углеводородов масла и топлива с последующим закоксовыванием поршневых колец, забивкой дренажных отверстий, масляных каналов и т.д. В результате происходит снижение надежности работы двигателя, возрастают затраты на техническое обслуживание. Загрязнение масла и топлива продуктами окисления может в ряде случаев способствовать возникновению аварийных ситуаций и даже выходу двигателя из строя.
По условиям химического превращения масла в двигателе выделяют три зоны – камера сгорания; поршневая группа и картер двигателя, в значительной степени различающиеся по уровню температуры, количеству масла и концентрации кислорода. Отложения, образующиеся в двигателе в результате превращения углеводородов, принято подразделять на нагары, лаки и осадки.
Нагары –твердые углеродистые вещества (продукты глубокого окисления углеводородов масла), откладывающиеся на стенках камеры сгорания, клапанах, свечах, днище поршня и на верхнем пояске боковой поверхности поршня. По структуре нагар может быть монолитным, пластинчатым и рыхлым. Химический состав его зависит как от качества масла и топлива, так и от режима работы двигателя, запыленности воздуха, наличия и характера присадок и т.д. Поэтому он крайне непостоянен. В составе нагара карбены и карбоиды – основная часть – составляют 50-70%, асфальтены и оксикислоты – 3-6%, смолы и масла – 15-40%, золы- 1-10%.
Нагар образуется в результате попадания масла под насосным воздействием поршневых колец в камеру сгорания. Часть его испаряется и сгорает вместе с топливом. Другая часть, расплываясь по днищу и горячим стенкам камеры сгорания, остается на их поверхностях в виде слоя густой смолистой массы. Из двух различаемых фаз нагарообразования – фазы роста и фазы равновесного состояния нагар достигает предельной толщины в первой фазе. Количество нагара напрямую зависит от размера низкотемпературной зоны, прилегающей к поверхности металла: чем эта зона больше, тем больше и нагар. В высокотемпературной зоне, как отмечалось выше, масло испаряется и сгорает, а остающиеся углеродистые частицы не могут удержаться на лишенной связующей среды поверхности.
Количество образующегося нагара зависит также от качества масла и его расхода, от качества топлива, а предельная его толщина – от теплового режима работы двигателя: чем холоднее стенки камеры сгорания, тем больший нагар на них формируется. Летом нагара образуется меньше, чем зимой.
Отрицательные последствия нагарообразования выражаются в следующем:
- ухудшается охлаждение камеры сгорания, уменьшается ее объем (тем самым увеличивается степень сжатия двигателя), повышаются требования к детонационной стойкости топлива;
- появляется возможность преждевременного воспламенения смеси, когда топливо поджигается до проскакивания искры между контактами свечи (воспламенение возникает от раскаленных частиц нагара, особенно, если в его состав входят соединения свинца) – при этом раздается характерный металлический стук в двигателе, снижается его мощность, возможно разрушение деталей;
- происходит абразивный износ поверхностей трения цилиндр-поршень частицами нагара, попадая в картер, частицы нагара загрязняют масло и вызывают абразивный износ других деталей двигателя.
С нагарообразованием борются, создавая оптимальные эксплуатационные условия, обеспечивающие поддержание нормального теплового состояния двигателя. Нагар с его деталей удаляют механическим или химическим способами, используя различные растворы.
Лаковые отложения получили свое наименование по их сходству с лаковыми покрытиями. Они представляют собой богатые углеродом вещества, формирующиеся в виде отложений на поршне – в зоне колец, на юбке и на внутренних стенках. В составе лаковых отложений – оксикислоты, асфальтены и другие продукты глубокого окисления масла.
На процесс лакообразования влияют температура, количество и качество поступающего масла, техническое состояние поршневой группы двигателя. Наличие лаковых отложений, несмотря на их относительно небольшую толщину (50-200 мкм), значительно затрудняет работу двигателя. Во-первых, происходит пригорание поршневых колец, что влечет за собой проникновение масла в камеру сгорания, а следовательно, увеличение его расхода. Во-вторых, ухудшается работа двигателя: снижаются его компрессия, так как в картер прорываются газы, и мощность, изнашиваются поверхности цилиндров, повышается вероятность поломки колец, а также заклинивания поршней. Теплоизоляционное свойство лаковой пленки препятствует отводу тепла от деталей.