ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»


Ю.Г. Некрасов, Е.В. Романова, О.А. Елисеева

ОСНОВЫ ХИММОТОЛОГИИ

АВТОМОБИЛЬНЫХ ТОПЛИВ И МАСЕЛ
Учебное пособие
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области
транспортных машин и транспортно-технологических комплексов
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по специальности «Автомобиле- и тракторостроение»

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического университета
им. И.И. Ползунова

2

008

УДК 665.7.035

Рецензенты:

д.х.н., профессор БТИ АлтГТУ А.М. Белоусов;

к.т.н., доцент ФКП «БОЗ» А.Г. Сергеев
Некрасов, Ю.Г.

Основы химмотологии автомобильных топлив и масел: учебное пособие / Ю.Г. Некрасов, Е.В. Романова, О.А. Елисеева.  Алт. гос. техн. ун-т, БТИ.  Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2008.  129 с.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 190100 «Наземные транспортные системы», 190201 «Автомобиле- и тракторостроение», 190206 «Сельскохозяйственные машины и оборудование», 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)» при изучении ими курсов «Основы химмотологии автомобильных топлив и масел», «Тепловые процессы в двигателях внутреннего сгорания», «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок и транспортно-технического оборудования», «Основы эксплуатации и ремонта», «Эксплуатационные материалы и экономия топливно-энергетических ресурсов», «Конструкция автомобиля и трактора», а также при выполнении лабораторных, курсовых работ и дипломных проектов.

Учебное пособие может быть полезно студентам, обучающимся другим автотракторным специальностям, и предназначено для самостоятельной работы.

УДК 665.7.035
Рассмотрено и одобрено на заседании научно-методического совета Бийского технологического института.

Протокол № 4 от 31.01.2008 г.

ISBN 978-5-9257-0115-7

© Ю.Г. Некрасов, Е.В. Романова, О.А. Елисеева, 2008

© БТИ АлтГТУ, 2008
Учебное издание

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ____________________________________________	5
1 МЕСТО И РОЛЬ ХИММОТОЛОГИИ В ЭКОНОМИКЕ СТРАНЫ_______________________________________________	8
1.1 Химмотология как прикладная наука___________________	8
1.2 Вопросы для самопроверки___________________________	12
2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИММОТОЛОГИИ________	13
2.1 Квалификационные методы испытаний горюче-смазочных материалов_____________________________	13
2.2 Стендовые испытания топлив и масел___________________	17
2.3 Эксплуатационные испытания горюче-смазочных материалов_____________________________	17
2.4 Классификационные испытания моторных масел_________	18
2.5 Вопросы для самопроверки___________________________	19
3 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОКИСЛЕНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ_____________________________________	20
3.1 Общие закономерности окисления углеводородов________	20
3.2 Механизм образования возбужденных молекул при окислении газообразных углеводородов__________________	23
3.3 Механизм зарождения цепей при окислении углеводородов___________________________________________	24
3.4 Особенности газофазного окисления углеводородов______	26
3.5 Противоокислительная стабильность жидких углеводородов___________________________________________	28
3.6 Окисление капель распыленных жидких углеводородов___	30
3.7 Особенности окисления сложных смесей жидких углеводородов___________________________________________	31
3.8 Особенности окисления топлив при хранении и применении___________________________________________	34
3.9 Вопросы для самопроверки___________________________	41
4 ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛЕНИЯ МАСЕЛ ПРИ ХРАНЕНИИ И ПРИМЕНЕНИИ______________________	42
4.1 Влияние химического состава масел на их стабильность против окисления________________________________________	42
4.2 Основные факторы, ускоряющие окисление масел________	46
4.3 Вопросы для самопроверки___________________________	53
5 ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯ ПРОТИВООКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРИСАДОК______________	54
5.1 Противоокислительные присадки и механизм их действия_____________________________________________	54
5.2 Смеси противоокислителей и синергизм их действия______	62
5.3 Вопросы для самопроверки___________________________	63
6 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСПАРЕНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ_____________________________________	64
6.1 Основные показатели и характеристика испаряемости жидких топлив__________________________________________	64
6.2 Вопросы для самопроверки___________________________	73
7 ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ_______________________________________________	74
7.1 Краткая характеристика пламен________________________	74
7.2 Ламинарные пламена________________________________	74
7.3 Теории распространения ламинарных пламен____________	79
7.4 Химические процессы в предпламенной зоне____________	79
7.5 Воспламенение (зажигание) горючей смеси______________	81
7.6 Самовоспламенение (взрывное горение) горючей смеси___	82
7.7 Самовоспламенение углеводородо-воздушных смесей_____	83
7.8 Особенности самовоспламенения распыленных жидких топлив__________________________________________________	85
7.9 Вопросы для самопроверки___________________________	92
8 ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ_________________________	93
8.1 Процессы, протекающие при горении топлив в ДВС______	93
8.2 Вопросы для самопроверки___________________________	103
9 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ_____	104
9.1 Характеристика поверхности и механизмы действия ПАВ_	104
9.2 Теоретические основы трения и износа__________________	109
9.3 Вопросы для самопроверки___________________________	118
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ________________________________	119
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ___________________________	125
ЛИТЕРАТУРА__________________________________________	128

ВВЕДЕНИЕ
Наиболее трудная и многоплановая проблема рационального применения топлив и масел связана со сложностью физико-химичес-ких превращений, протекающих в процессах их хранения и эксплуатации автотранспорта. Поэтому объективно в науке и технике появилось новое направление, изучающее теорию и практику рационального применения топлив, масел, смазок и специальных жидкостей. В начале 60-х годов прошлого века по предложению советского ученого
К.К. Папока и инженера В.В. Никитина это направление как прикладная наука было названо «химмотологией» – производным от слов «химия», «мотор», «логос» (наука) [1, 5, 8, 12].

Историческое развитие и техническое совершенствование, усложнение условий эксплуатации автотранспорта, необходимость повышения его надежности и долговечности, ограниченные возможности нефтехимической переработки по созданию и производству высококачественных горюче-смазочных материалов (ГСМ) остро поставили задачу разработки способов и средств наиболее рационального и экономного их применения. Конструкция двигателей и механизмов, качество применяемых в них ГСМ и специальных жидкостей, эксплуатация автотранспорта являются звеньями единой химмотологической системы, в которой каждое звено специфически влияет на соседние звенья и существенно зависит от них. Поэтому, какой бы совершенной ни была конструкция двигателя или механизма, без правильно подобранного топлива, смазочного материала или специальной жидкости, она не сможет комплексно обеспечить решение поставленных перед нею задач в конкретных условиях эксплуатации. Это обусловлено не только трением и износом конструкционных материалов, но и специфическими особенностями горения топлив, поведения смазочных масел в тепловых двигателях. С усложнением конструкции двигателей и механизмов, увеличением их мощности и теплонапряженности повысились требования к качеству и расширился ассортимент применяемых ГСМ. Остро проявились проблемы бездетонационного горения, лако- и нагарообразования, коррозионно-механического износа цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и других пар трения. В связи с этим у нефтеперерабатывающей и химической промышленности появились соответствующие технологические и ресурсные проблемы, а у эксплуатационников – не менее сложные проблемы по обеспечению работоспособности, надежности и эффективной эксплуатации автотранспорта в конкретных, часто экстремальных условиях.

С другой стороны, определенные ограничения по физико-хими-ческим и другим эксплуатационным свойствам ГСМ, связанные с их химической природой, сырьевыми и технологическими возможностями, оказывают существенное влияние на изменение конструкции, подбор конструкционных материалов и технологию их изготовления. Однако только при эксплуатации реализуются и объективно оцениваются совершенство конструкции двигателей, механизмов, узлов, деталей и качество правильно подобранных ГСМ и специальных жидкостей. Следовательно, химмотология как прикладная наука об эксплуатационных свойствах, качестве, рациональном и экономном применении в автотранспорте топлив, масел, смазок и специальных жидкостей тесно связана с практикой и имеет огромное значение в экономике страны. Теоретическими основами химмотологии, развитие которой базируется на стыке различных наук (неорганическая, органическая, физическая, коллоидная химия, нефтехимия, физика, химическая физика, теплотехника, машиноведение, экономика, экология), являются основные положения теории поверхностных явлений, теории окисления, испарения, горения топлив, теории трения, износа металлов в двигателях и механизмах, электрохимическая теория коррозии металлов в нефтепродуктах.

Главным предметом исследований в химмотологии являются эксплуатационные свойства ГСМ и специальных жидкостей, которые, проявляясь в различных условиях эксплуатации, в значительной мере определяют работоспособность, надежность, экономичность и экологичность автотранспорта. К основным эксплуатационным свойствам ГСМ относятся: энергетические характеристики, воспламеняемость, горючесть, детонационная стойкость, склонность к нагаро- и лакообразованию, прокачиваемость, электризуемость топлив, моюще-диспер-гирующие свойства моторных масел, физическая и химическая стабильность, испаряемость, гигроскопичность, низкотемпературные коррозионные, защитные, антифрикционные, противоизносные, противозадирные свойства, токсичность, пожаро- и взрывоопасность. Химмотология (с учетом назначения, особенностей устройства и эксплуатации, обеспеченности сырьевой и производственной баз, экономики и экологии) научно обосновывает, экспериментально подтверждает и формулирует требования к эксплуатационным свойствам ГСМ. Эти требования она выражает выбором конкретных, предельно допустимых показателей качества ГСМ с установлением по ним норм и определенного ресурса их эффективной эксплуатации. Отсюда место, роль и сущность химмотологии автомобильных топлив и масел как прикладной науки заключается во взаимоувязке требований основных сфер деятельности (конструировании и изготовлении, переработке сырья и получения ГСМ, эксплуатации) в области автотранспортных машин и транспортно-технологических комплексов.

В «Концепции развития отечественной автомобильной промышленности до 2010 года» одной из основных составляющих является новый подход к подготовке и повышению квалификации кадров, который предусматривает необходимость глубоких, системных, конструкторско-технологических и специальных знаний молодыми специалистами в областях всего жизненного цикла (от конструирования до утилизации) автотранспорта. Эти знания, тесно связанные с всесторонним пониманием механизмов физико-химических процессов, протекающих на всех этапах жизненного цикла автотранспорта при окислении, испарении, горении и трении, помогут будущим конструкторам, эксплуатационникам и ремонтникам правильно рекомендовать химмотологам требования к качеству ГСМ, а также экономно, эффективно и без ущерба экологии применять их.

1 МЕСТО И РОЛЬ ХИММОТОЛОГИИ В ЭКОНОМИКЕ СТРАНЫ
1.1 Химмотология как прикладная наука
Экономика страны включает в себя множество сфер деятельности производства (добывающая, перерабатывающая, машиностроительная, энергетическая, сельскохозяйственная и другие отрасли промышленности) и потребления (транспорт, связь, коммунальное хозяйство, строительство, торговля, культура, спорт, оборона страны и так далее). Однако в этой сложной структуре экономики существуют три особые, зависящие друг от друга области человеческой деятельности: конструирование и изготовление техники и оборудования, их эксплуатация в различных условиях; разработка, производство топлив, масел, смазок и специальных жидкостей, применяемых в технике и оборудовании. Создание новой техники и оборудования стимулируется непрерывно возрастающими требованиями, выдвигаемыми эксплуатацией, и значительно зависит от уровня качества ГСМ и возможностей нефтеперерабатывающей и химической промышленности [5, 8, 12]. С другой стороны, развитие техники требует совершенствования (оптимизации) свойств ГСМ и улучшения способов, условий эксплуатации техники и оборудования, а работоспособность, надежность, продолжительность и эффективность эксплуатируемой техники значительно зависят от совершенства конструкции и уровня эксплуатационных свойств ГСМ. Для координации и взаимосвязи этих областей деятельности, показанных на рисунках 1 и 2, по достижению эффективного использования техники и экономного применения ГСМ возникла необходимость в прикладной науке.

Рисунок 1 – Универсальная трехзвенная химмотологическая система

Рисунок 2 – Четырехзвенная химмотологическая система

Рисунок 3 – Место и роль химмотологии в экономике страны
Действительно, химмотология как особая деятельность людей, знающих составы, эксплуатационные свойства и технологии производства ГСМ, особенности устройства и эксплуатации техники, оказывает все большее влияние на развитие всех отраслей экономики в сферах потребления и производства. Химмотология – прикладная наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении ГСМ в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей, как теория и практика возникла и развивается на базе ускоряющегося научно-технического прогресса, место и роль которой в экономике представлена схемой, показанной на рисунке 3.

С появлением первых простейших механизмов человек столкнулся с явлением трения и износа, а главное, он ощутил, что на преодоление трения требуется затрата энергии. Поэтому уже тогда возникла острая необходимость в поиске средств уменьшения затрат энергии и снижении износа трущихся деталей. В этом направлении шли двумя путями: подбирали прочные и износостойкие конструкционные материалы с малым коэффициентом трения; применяли различные смазочные материалы. Возникшая в середине прошлого века наука о трении и износе, уделяя внимание тонкостям взаимодействия твердых трущихся поверхностей, практически не изучала влияние качества смазочных материалов на трение, износ в двигателях и механизмах. С появлением тепловых двигателей, в том числе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), возникли специфические вопросы их конструирования и эксплуатации, связанные как с трением и износом, так и с особенностями горения топлива и поведения смазочных масел в двигателе. Усложнение конструкции ДВС, увеличение их мощности и теплонапряженности существенно повысили требования к качеству ГСМ, что привело к появлению новых марок и расширению ассортимента ГСМ, появились сложные проблемы при эксплуатации (обеспечение работоспособности, надежности, эффективности работы двигателей в экстремальных условиях).

По мере развития и совершенствования техники оказалось, что конструкция двигателей и механизмов, качество применяемых ГСМ и эксплуатация техники являются звеньями единой химмотологической системы, в которой каждое звено специфически влияет на соседние звенья и сильно зависит от них. Химмотологическая система носит общий универсальный характер и отражает сущность химмотологии – во взаимосвязи и взаимодействии всех звеньев системы заключен основной смысл новой прикладной отрасли науки и техники. Применительно к ДВС в 60-х годах прошлого века химмотологическую систему предложили К.К. Папок и В.В. Никитин. Она успешно реализуется в области автотранспортных машин и транспортно-технологических комплексов. Простая химмотологическая система включает в себя сложные научно-технические проблемы, решение которых является основной задачей химмотологии и главной целью: обеспечение рационального применения топлив, масел, смазок и специальных жидкостей на всех этапах жизненного цикла автотранспорта. Химмотология автомобильных топлив и масел как прикладная наука возникла и развивается на базе и стыке различных наук: органической, неорганической, физической, коллоидной химии, нефтехимии, электрохимии, физики, химической физики, машиноведении, теплотехники, экономики и экологии. Поэтому теоретическими основами химмотологии являются: теория окисления жидких углеводородов, теоретические основы испарения и горения топлив, основные положения теории поверхностных явлений, теория трения и износа металлов в двигателях, механизмах и электрохимическая теория коррозии металлов в нефтепродуктах.

Предметом исследований в химмотологии являются эксплуатационные свойства топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей, так как они, проявляясь в условиях эксплуатации, определяют работоспособность, надежность, экономичность и экологичность автотранспорта. К эксплуатационным свойствам ГСМ относятся: детонационная стойкость, склонность к нагарообразованию, прокачиваемость, электризуемость топлив, моющие, диспергирующие свойства моторных масел, физическая и химическая стабильность, испаряемость, гигроскопичность, низкотемпературные, коррозионные, противоизносные, противозадирные свойства, пожаро- и взрывоопасность, токсичность топлив, смазочных масел и специальных жидкостей.

Практически при правильном решении комплекса вопросов химмотологии, за счет конструктивного усовершенствования автотранспорта, улучшения его эксплуатации и оптимизации качества ГСМ можно увеличить на 20–50 % моторесурс двигателя, уменьшить на
15–20 % расход топлив, увеличить на 20–50 % их ресурсы, снизить в
2–4 раза расход смазочных материалов, сократить в 2–3 раза ассортимент применяемых ГСМ и специальных жидкостей. Очень большой ассортимент ГСМ и спецжидкостей (более 700 марок) затрудняет полное обеспечение ими нужд автотранспорта и различных отраслей экономики, усложняет их производство, хранение, транспортировку, контроль за качеством, что наносит стране огромный экономический ущерб.

В процессе своей деятельности химмотология решает следующие практические (прикладные) задачи:

• 
  обеспечение длительной, надежной и экономичной эксплуатации механизмов, узлов, деталей и автотранспорта в целом;
  
• 
  установление оптимальных требований к качеству ГСМ в соответствии с современным состоянием и перспективами развития автотранспорта, нефтеперерабатывающей и химической промышленности;
  
• 
  унификация и сокращение ассортимента ГСМ в экономике страны, отдельных видах автотранспортных и транспортно-техноло-гических комплексов;
  
• 
  снижение удельных и эксплуатационных норм расхода, потерь ГСМ, сохранение их качества при эксплуатации автотранспорта, в условиях хранения, транспортирования и перекачки;
  
• 
  расширение сырьевых ресурсов ГСМ и специальных жидкостей, в том числе и за счет использования альтернативных источников (биомасса, уголь, сланцы, природный газ и другие);
  
• 
  сокращение сроков (при сохранении качества) испытаний и внедрение новых, унифицированных, более эффективных сортов и марок ГСМ;
  
• 
  разработка современных, эффективных методов испытаний эксплуатационных свойств ГСМ, соответствующих стендов и приборов для них.
  

В результате научно-технической революции существенно возросло значение ГСМ и специальных жидкостей в экономике и техническом развитии страны в целом. Это связано, во-первых, с увеличившимся в несколько раз за последние 20 лет потреблением ГСМ (сотни млн тонн в год), а поэтому даже незначительные отклонения от оптимальных требований к качеству или условий применения ГСМ ведет к огромным экономическим и материальным потерям; во-вторых, изменились требования к качеству ГСМ, так как существенное влияние стали оказывать энергетические, экономические, экологические и технологические проблемы; в-третьих, проблемы качества ГСМ приобрели сложный межотраслевой характер, где затрагиваются интересы нефтеперерабатывающей, химической, машиностроительной и других отраслей промышленности, а также организаций, эксплуатирующих технику. Поэтому эти взаимосвязанные межотраслевые проблемы необходимо решать (и успешно решаются) с помощью химмотологии по единому скоординированному плану.
следующая страница>