Лекция 12. Топлива и масла, применяемые в СЭУ

Виды, свойства и характеристики топлив.

В СЭУ применяется исключительно жидкое топливо, представляющее собой продукты перегонки нефти. По фракционному составу нефтяные топлива делятся на следующие:

- дизельные, состоящие из легких керосиногазойлевых смесей с мазутами;

- моторные, получаемые при смешивании керосиногазойлевых смесей с мазутами;

- флотские мазуты, представляющие собой остатки процессов перегонки или крекинга нефти.

Быстроходные главные ДВС малых и средних судов, подавляющее большинство агрегатов СЭС работают исключительно на дизельном топливе. Оно характеризу­ется малой вязкостью, не содержит воды и механических примесей, имеет низкую кислотность, в его составе мало серы. В соответствии с ГОСТ 305-82 дизельное топливо поставляется трех марок: Л (летнее), 3 (зимнее) и А (арктическое), которые различаются плотностью, вяз­костью, температурой вспышки, но главное - температурой застыва­ния.

Моторное топливо (ГОСТ 1667-68) бывает двух марок: ДТ (дизель­ное топливо) и ДМ (дизельный мазут). Это топливо обладает большими плотностью и вязкостью. Перед сжиганием в мало- и среднеоборотных ДВС требуется их специальная подготовка (отстой, фильтрация, подо­грев, сепарация).

Флотские мазуты, как и моторное топливо, используются в мало- и среднеоборотных ДВС и в судовых паровых котлах. Для флотских мазутов перед сжиганием также необходима специальная подготовка.

Котельные мазуты (М-40, М-100) сжигают главным образом в топках паровых котлов. По сравнению с дизельным топливом они обладают большей вязкостью, содержат значительно больше серы, воды, механических примесей, у них высокая температура вспышки и положительная температура застывания. Все это сильно усложняет подготовку топлив на судах.

Наиболее сильное влияние на процессы топливоподачи, тонкость и однородность распыливания топлива, определяющих характер предпламенных процессов и процессов горения, оказывают вязкость, плотность, испаряемость и температура вспышки топлива. Впрыскива­емое с большой скоростью в цилиндры ДВС топливо разбивается на мельчайшие капли диаметром 20 ... 30 мк. Капли такого размера в среде горячего воздуха в цилиндре ДВС испаряются за 3... 5 мк. с, благодаря перемешиванию паров топлива с воздухом в значительной части объема цилиндра создаются оптимальные концентрации топливовоздушной смеси для ее самовоспламенения.

С ростом вязкости топлива при неизменном давлении впрыска увеличивается средний диаметр капель распыливаемого топлива; ухудшаются условия его испарения, увеличивается период задержки воспламенения и ухудшаются параметры процесса горения. Из-за неполного сгорания увеличивается удельный расход топлива и дымность выпускных газов. С ухудшением испаряемости заметно ухудша­ются пусковые характеристики ДВС.

Температура застывания определяет такое важное эксплуатацион­ное качество, как прокачиваемость. Она зависит от температуры начала кристаллизации парафина, растворенного в топливе, и предоп­ределяет способы хранения и меры по обеспечению перекачки топли­ва, исключающие возможность утраты им необходимой подвижности.

Стабильность топлива - отражает способность топлива сохранять свои свойства в период транспортировки и в условиях длительного хранения.

При длительном хранении свойства топлива и его эксплуатацион­ные качества существенно изменяются под воздействием протекаю­щих в нем физических и химических процессов. К физическим процес­сам относят кристаллизацию и загустевание топлива и поглоще­ние им влаги, а к химическим - изменение состава горючего - образо­вание смолистых и кислых веществ, различного рода осадков. Естест­венно, что в результате этих процессов эксплуатационные качества топлива заметно ухудшаются, что отрицательно сказывается на усло­виях работы топливной аппаратуры.

К важнейшим свойствам топлив относится и теплота сгорания, характеризующая его как горючее. Теплота сгорания жидких топлив, применяемых в СЭУ, составляет 41... 48 МДж/кг. Топливо с меньшей плотностью и не содержащее балласта имеет более высокую теплоту сгорания.

Содержание в топливе серы, воды, смолистых веществ, механиче­ских примесей отрицательно сказывается на работе топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, вызывает коррозию деталей, повышает их износ.

Сера содержится в топливе в виде сероводородных соединений и элементарной серы. Наличие в 1 м³ топлива 10 мг серы уже вызывает коррозию трубопроводов, топливохранилищ и топливной аппаратуры. Еще более агрессивны продукты сгорания серы S0₂ и S0₃, резко повышающие температуру точки росы и образующие с конденсирующимися парами воды в зоне пониженных температур выпускных газов ДВС концентрированную серную кислоту. Сера интенсифицирует процессы газовой коррозии, проявляющиеся при температурах 700 ... ... 900 "С, когда конденсация водяных паров еще невозможна. Газовая коррозия стали в среде S0₂ увеличивается, по меньшей мере, в 10 раз. Кроме того, наличие серы в топливе значительно увеличивает плот­ность нагара.

Органические кислоты, присутствующие в топливе, также являют­ся причиной коррозии. Так же, как и сера, она способствуют нагарообразованию.

Содержащиеся в топливе смолистые вещества в еще большей степени чем сера, приводят к лако- и нагарообразованию на поршнях, крышках цилиндров, клапанах, вызывают закоксовывание сопловых отверстий распылителей форсунок.

Механические примеси, присутствующие обычно в виде кварца (Sj0₃) и глинозема, отрицательно сказываются на работе фильтров, ТНВД и форсунок и могут быть причиной их заклинивания.

Зола, образующаяся в результате сгорания топлив, также вызыва­ет абразивный износ деталей, контактирующих с продуктами сгора­ния. В отличие от механических примесей, которые можно удалить пу­тем отстоя, фильтрации и сепарации топлива, зола образуется в процес­се сгорания и ее негативное воздействие трудно предотвратить.

Эксплуатационные качества топлив могут быть значительно улучшены путем введения в них функциональных присадок.

Стабилизирующие антиокислительные и диспергирующие присад­ки способствуют увеличению срока хранения топлива. Ингибиторы окисления (амины, фенолы) сдерживают процессы окисления, а диспергенты (полимерные диспергенты, аминосульфаты и др.) предотвра­щают появление в нем различных осадков.

Для улучшения в прокачиваемое топлива вводят депрессорные присадки. Они воздействуют на вязкость топлива, температуру кри­сталлизации и застывания, понижая ее на 15... 30 "С. В качестве депрессорных присадок используют „Парадин", присадки А 11 OX, А 504Х.

Присадки алкилнитратов RCH₂0N0₂ и RCH₂0N0, кетонов RCOR интенсифицируют процессы горения, улучшают воспламеняемость топлив, ускоряют предпламенные процессы.

Введение в топлива противокоррозионных присадок НК 204У, 6МП, ВНИИП 101 и других в значительной мере нейтрализует агрессивность продуктов окисления сернистых соединений и позволяет увеличить срок службы топливной аппаратуры, замедляет коррозию, снижает нагарообразование.

Применяются и другие функциональные присадки - противоизносные и моющие. Особое внимание уделяется многофункциональным присадкам, оказывающим комплексное влияние на эксплуатационные качества топлива.

В тепловых двигателях и механизмах смазка выполняет по край­ней мере две функции: снижения коэффициента трения в трущихся парах и защиты деталей механизмов от коррозии. Однако, если организовать циркуляцию смазки через зазоры в трущихся парах, то с маслом будет отводиться и теплота трения, а также будут вымываться абразивные частицы продуктов износа и другие механические включения, в процессе эксплуатации в смазке накапливаются как абразивные частицы, так и продукты окисления самих масел, которые к тому же насыщаются еще и газами. Вследствие этого эксплуатационные свойст­ва масел заметно ухудшаются. Эксплуатационные свойства масла могут быть восстановлены, если в контур его циркуляции включить фильтры, охладитель масла и предусмотреть его периодическую очистку центробежными сепараторами.

К важнейшим эксплуатационным свойствам моторных масел относят смазывающую способность, температурно-вязкостную характе­ристику, стабильность в процессе эксплуатации и при длительном хранении, склонность к нагаро- и лакообразованию, коррозийное воздействие на детали машин и механизмов, склонность к испарению.

Под смазывающей способностью понимают способность масла образовывать пленку на твердой поверхности смазываемых деталей, которая обеспечивает существенное снижение потерь на трение и в значительной мере исключает их непосредственный контакт, благодаря чему снижается скорость изнашивания и вероятность возникновения заеданий, задиров.

Несущая способность адсорбционной масляной пленки во многом определяется вязкостью масла и характером ее зависимости от темпе­ратуры. Температурно-вязкостные характеристики масел одни из важнейших. Их оценивают температурно-вязкостным коэффициентом (ТВК) или индексом вязкости (изменяется от 0 до 100). Низкие значе­ния ТВК и, напротив, высокие значения индекса вязкости отражают более слабую зависимость вязкости масла от его температуры и более высокие эксплуатационные качества. Снижение вязкости масел при повышении температуры влечет за собой увеличение их расхода и скорости изнашивания деталей, возникновение задиров.

Стабильность масел - это способность сохранять свои свойства в процессе эксплуатации. Особенно важна термоокислительная стабиль­ность масел - способность сохранять масляную пленку в условиях высоких температур и противостоять окислительным процессам под воздействием кислорода.

Склонность к нагаро- и лакообразованию проявляется в следую­щем. Под действием высоких температур в камере сгорания происхо­дит глубокий термический распад масла, а стенки камеры покрывают - нагаром. В зоне более низких температур превращения масла не столь глубокие, тем не менее поверхности поршней в районе поршневых колец и тронков покрываются лакообразными пленками. Продукт окисления масла в толстом слое в картере ДВС в условиях относительно невысоких температур выпадают в виде осадка. Все виды отложений отрицательно сказываются на работе двигателей. Нагаро-лакообразования ухудшают отвод тепла от деталей двигателя, качество продукции и распыла топлива, обусловливают рост потерь на трение. Интенсивность отложении о значительной мере зависит от сорта применяемого топлива, состояния топливной аппарату­ры, а также и от антинагарных свойств и термостабильности масла.

Коррозионное воздействие масла тоже отрицательно сказывается на работе двигателей. Содержащиеся в масле и образующиеся в про­цессе эксплуатации ДВС органические кислоты в присутствии кислоро­да воздуха и воды вступают во взаимодействие с антифрикционными сплавами (медно-свинцовыми, кадмиево-серебряными) подшипников, вызывая их коррозию. Причиной коррозии вкладышей могут быть и активные сернистые соединения, входящие в состав используемых масел и топлив. Количество кислот оценивается по кислотному числу, равному числу миллиграммов КОН, необходимых для нейтрализации одного грамма масла.

Эксплуатационные свойства масла могут быть значительно улуч­шены путем введения в масла различных функциональных присадок: вязкостных, противоизносных, противозадирных, антиокислительных, антикоррозионных, диспергирующих, моющих, депрессорных, противопенных, а также и многофункциональных, представляющих собой композиции ряда присадок.

Введение вязкостных присадок способствует повышению вязкости при высоких температурах и сохранению неизменной вязкости при низких температурах, т. е. улучшению температурно-вязкостных характеристик масел. В качестве вязкостных присадок используют высокомолекулярные соединения: полиизобутан или полиметакрилат.

Противозадирные присадки повышают маслянистость масел, снижая тем самым потери трения и скорость изнашивания деталей машин. Основой противозадирных присадок служат растительные и животные жиры, содержащие эфиры и жирные кислоты, а также орга­нические соединения серы, фосфора и хлора. Противозадирные присад­ки активно способствуют образованию на поверхностях деталей защитных адсорбционных и хемосорбционных пленок. Известен целый рад противозадирных присадок: ЛЗ-23К, ЛЗ-309/2, ЭФО, АБЭС.

Антиокислительные присадки способствуют повышению термо­окислительной стабильности масел. В результате физической или химической адсорбции антикислотные присадки образуют защитные пленки, предохраняющие масла от каталитического воздействия металлов. Такие присадки одновременно повышают и антиизносные свойства масел. В качестве антикислотных служат присадки: ДФ1, ДФ11, МНИИП-22К, ВНИИП-354.

Антикоррозионные присадки вводят с целью снижения коррозий­ной активности масел в отношении подшипниковых сплавов и нейтра­лизации кислот, содержащихся в масле и образовавшихся в процессе эксплуатации. По своему защитному действию антикислотные присад­ки подразделяют на ингибиторы и щелочные присадки. Ингибиторы, взаимодействуя с металлом вкладышей подшипников, образуют прочные хемосорбционные защитные пленки. Действие щелочных присадок основано на нейтрализации кислот. Ингибиторами служат присадки АзНИИ-ЦИАТИМ-1, АзНИИ-7, а в качестве щелочных используют АКОР-1, КП, КП2.

Диспергирующие присадки предназначены для стимулирования способности масел поддерживать во взвешенном состоянии возможно большее количество твердых частиц, исключая возможность их укрупнения.

Моющие присадки придают маслам свойства, подобные щелочным мылам в водной среде. Они препятствуют отложению сажеобразных и смолистых веществ на деталях ЦПГ. Моющие присадки представляют собой соли щелочно-земельных металлов, чаще всего сульфонаты кальция и бария. Присадки ПМСА, ПМС, С-300.

Противопенные присадки препятствуют вспениванию масел и тем самым насыщению их воздухом, газами. Наличие воздуха в масле снижает смазывающую способность масла и повышает его коррозийность. Принцип действия противопенных присадок основан на разрушении пузырьков воздуха присоединяющимися к ним диспергированными частицами полисилоксановой жидкости. Присадка ПСМ-200А.

Депрессорные присадки вводят для понижения температуры застывания масла. В качестве депрессараторов применяют присадку АзНИИ и многофункциональные присадки.

Высоких эксплуатационных качеств моторных масел нельзя получит добавлением лишь одной присадки. Создание масел с необходимыми для конкретных условий эксплуатации свойствами возможно при включении в масло ряда совместимых присадок и их композиций, оказывающих многофакторное влияние на эксплуатационные свойства масел.

Вопросы для самопроверки

Какие марки топлив применяются в СЭУ?

В чем проявляется взаимосвязь между физико-химическими свойствами и эксплуатационными качествами топлив?

Какие механизмы и оборудования включают в себя топливная система СЭУ?

Какие масла используются в дизельных и турбинных СЭУ?

Чем вызвана необходимость ввода в масла функциональных присадок?