Химмотология

Содержание

1. Введение.
2. Методологические позиции химмотологии.
1. Квалификационные методы испытаний  
   горюче-смазочных материалов.
2. Стендовые испытания топлив и масел.
3. Эксплуатационные испытания горюче-смазочных

материалов.

3. Заключение.
4. Литература.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Наиболее трудная и  многоплановая проблема рационального  применения топлив и масел связана  со сложностью физико-химических 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). 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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методологические позиции химмотологии.

 

Химмотология как прикладная наука имеет свойственные ей методические основы, которые включают в себя специфические методы оценки эксплуатационных свойств ГСМ и специальных жидкостей. Эти методы делят на несколько групп:

• квалификационные (лабораторные);
• стендовые и эксплуатационные методы испытаний топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей;

классификационные испытания  моторных масел.

 

1. Квалификационные методы испытаний  
   горюче-смазочных материалов.

               Квалификационные методы оценки эксплуатационных свойств ГСМ и спецжидкостей являются, как правило, лабораторными метода-ми и базируются на использовании различных модельных установок и специальных лабораторных приборов, позволяющих в заданных усло-виях (включая экстремальные) сравнивать эксплуатационные свойства опытных (исследуемых) и эталонных (товарных) образцов ГСМ. Существуют и широко применяются методы, основанные на использовании, помимо одноцилиндровых, полноразмерных двигателей и натурных агрегатов. Квалификационные методы испытаний позволяют быстро, надежно (с легкой воспроизводимостью результатов), с минимальными затратами, «в чистом виде» оценивать отдельные показатели, характеризующие эксплуатационные свойства ГСМ, выявлять ме-ханизмы и факторы, объясняющие эти свойства, целенаправленно находить способы улучшения этих свойств.

     Одним из первых квалификационных методов испытаний ГСМ был метод оценки детонационной стойкости бензинов на одноцилиндровой моторной установке «Вокеша», предназначенной для определения октановых чисел (ОЧ) по исследовательскому  и моторному методам. Позднее были созданы отечественные установки ИТ9-1; ИТ9-2М; ИТ9-5; ИТ9-6, представляющие собой одноцилиндровые четырехтактные бензиновые двигатели со степенью сжатия от 4 до 10. На установке ИТ9-1 определяют сортность бензинов на богатой смеси, на ИТ9-2М – октановые числа на бедной смеси по моторному методу, на ИТ9-5 определяют ОЧ и сортность на бедной смеси по моторному методу и на ИТ9-6 определяют ОЧ по исследовательскому методу. В настоящее время широко распространена универсальная четырехтактная бензиновая установка УИТ-65, выполненная на базе установок ИТ9-2М и ИТ9-6, предназначенная для определения ОЧ по моторному и исследовательскому методам. Для определения цетановых чисел (ЦЧ) дизельного топлива, характеризующих их самовоспламеняемость в дизелях, широко применяют установку ИТ9-3М, представляющую собой одноцилиндровый четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия и вихревой камерой сгорания.

        Широкое применение в нашей стране и за рубежом получил ква-лификационный метод оценки противоизносных и противозадирных свойств смазочных материалов на четырехшариковой машине трения, показанной на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 – Четырехшариковая машина трения

 

           Она существует в виде различных модификаций (КТ-2, КТ-4, МАСТ-1, машины фирмы SHELL и другие) и предназначена для исследования трения при граничной смазке, определения критических температур граничного слоя смазки на поверхностях трения, при которых слой смазочного материала разрушается. Кроме того, на машине трения определяют критическую нагрузку, при которой происходит «схватывание» (задир, спекание) стальных поверхностей шариков, являющихся ее составными элементами. Рабочими поверхностями в машине трения являются поверхности четырех стальных шариков диаметром 7,94 мм, верхний из которых закреплен во вращающемся шпинделе, а три нижних – неподвижно зажаты в обойме, которая помещена в масляной чаше, оборудованной электронагревателем или термостатом. Противоизносные и противозадирные свойства смазочных материалов оценивают по величине диаметра «пятна износа» на контактирующих шариках и по значению критической нагрузки (или температуры), при которой происходит задир («спекание») шариков. Существуют также методы оценки противоизносных свойств ГСМ для различных деталей, узлов и механизмов, с применением машин трения, в которых в качестве трущихся пар используют конкретные геометрические формы и виды контакта в условиях трения: шарик и плоскость (кольцо, конус), шарик и цилиндр, два цилиндра, в том числе с взаимно перекрещивающимися осями, цилиндр и пластину, прямозубые шестерни и другие виды контактного взаимодействия.

        Для оценки моющих и лакообразующих свойств моторных масел в нашей стране широко применяют метод, названный методом ПЗВ (по первым буквам фамилий его разработчиков – К.К. Папок, А.П. Зарубин, А.Б. Виппер), схема установки для которого показана на рисунке 2.

 

 

Рисунок 5 – Установка  ПЗВ: 1 – поршень; 2 – электроподогреватель;

3 – испытуемое масло

 

        Установка ПЗВ представляет собой легкоразборную, действующую модель одноцилиндрового двигателя, в которой алюминиевый поршень приводится в движение в цилиндре электрическим двигателем. Цилиндр, моторное масло в картере и всасываемый воздух нагревают электрическим нагревателем, моделируя условия  работы моторного масла в двигателе без подачи и сгорания топлива в цилиндре. По цвету образовавшегося на боковой поверхности поршня установки лака после испытания оценивают моющие свойства испытуемого моторного масла, сравнивая его по цветной эталонной шкале, состоящей из семи фотографий поршня, в баллах от 0 до 6. Химическим анализом оставшегося после испытаний в картере моторного масла оценивают его окисляемость в объеме картера. Кроме того, на этой установке можно изучать механическую деструкцию полимерных присадок, вводимых для улучшения вязкостно-температурных характеристик  в моторные масла (загущенные). В нашей стране и за рубежом используются и другие квалификационные методы оценки моющих и диспергирующих свойств моторных масел, такие как ВНИИ НП ИМ-100ГД, ИДМ-60Ф, УИМ-6-НАТИ, НАМИ-1, Caterpillar 1-D (1-G, 1-Н), НD-4, MWM-А, Petter AV-1 и другие.

          Для квалификационной оценки коррозионной активности смазоч-ных масел применяют безмоторные и моторные методы. К безмотор-ным относятся методы Пинкевича и ДК-НАМИ, а к моторным – мето-ды, основанные на использовании установки Petter W-1 и двигателя ЯАЗ-204. Необходимо отметить, что в настоящее время отечественные исследователи применяют свыше 200 квалификационных методов оценки различных показателей эксплуатационных свойств ГСМ и спецжидкостей. Поэтому для сокращения времени и экономии материальных средств испытания товарного образца (прототипа) во многих отраслях не проводят, если разработаны и утверждены нормы на показатели, оцениваемые квалификационным методом. Однако  отдельные квалификационные методы не дают полной и комплексной информации об эксплуатационных свойствах и показателях качества исследуемого образца ГСМ. Поэтому применяют совокупность квалификационных методов в сочетании с результатами стандартных анализов.

     В нашей стране разработан ряд комплексов методов квалификационной оценки ГСМ, каждый из которых включает в себя от 6 до 26 методов. Эти комплексы методов квалификационных испытаний разрабатывает, совершенствует и руководствуется ими в работе комиссия научной экспертизы (КНЭ), созданная при Госстандарте России. Комплексы методов позволяют за 1–3 месяца провести испытания и принять соответствующие решения о допуске к практическому применению или дальнейшим  испытаниям исследуемых образцов ГСМ. Деятельность КНЭ направляет и контролирует Государственная межведомственная комиссия (ГМК) по испытаниям ГСМ и специальных жидкостей при Госстандарте России. Эта же комиссия разрабатывает, утверждает планы квалификационных, стендовых и эксплуатационных испытаний исследуемых образцов ГСМ. Предполагается, что по мере совершенствования методов и комплексов методов квалификационной оценки ГСМ квалификационные испытания будут основным видом испытаний в химмотологии  автомобильных топлив и масел.

 

 

2. Стендовые испытания топлив и масел.

 

    Стендовые испытания образцов ГСМ проводят на натурных двигателях и механизмах по специальной программе с многочасовыми ресурсными исследованиями этих видов техники. Стенды оборудуют специальной измерительной аппаратурой для снятия (получения) необходимых характеристик и определения рабочих параметров механизмов и двигателей в процессе их работы. Кроме того, до и после, а также  в процессе испытаний отбирают, проводят химические анализы проб ГСМ, разбирают, осматривают, измеряют детали двигателей, уз-лов и механизмов, оценивают их состояние (наличие и характер нага-ров, лаковых отложений, коррозионных воздействий, задиров, износов, усталостных разрушений). При испытаниях моторных, гидравлических и трансмиссионных масел оценку противоизносных свойств дают по концентрации металлов в масле от износа цилиндропоршневой группы и подшипников двигателя с использованием спектральных методов химического анализа. На этапе стендовых испытаний одновременно оценивается совокупность (комплекс) эксплуатационных свойств исследуемых образцов ГСМ в экстремальных условиях в течение полного ресурса работы двигателя (узла, механизма, детали). По результатам этих испытаний устанавливают гарантийные сроки работы новых марок смазочных материалов и специальных жидкостей, период их смены в двигателях и механизмах, удельные нормы расхода горючего в двигателе и другие эксплуатационные характеристики.