Введение

В ХХ в. Энергетические потребности человечества увеличились в 20 раз Ныне в промышленности развитых странах на одного жителя расходуется свыше 10 т условного топлива (т у. т.) в год (1 т у. т. эквивалента 1 т угля и дает при сжигании 29 308 МДж теплоты). В 1986 г. общее энергопотребление населения Земли превысило 13 млрд. т у.т. Ожидается, что к 2020 г. эта цифра возрастет до 30 — 38 млрд. Энергетические потребности государства обеспечивает его топливно-энергетический комплекс. При этом большое значение придается экономии органического топлива и в первую очередь нефти. Однако, запасы нефти ограничены, разработка и освоение новых месторождений требуют значительных капиталовложений (за последние 20 лет они возросли в 3 раза), все больших затрат трудовых и материальных ресурсов. Нефть во все больших количествах используется в химических производствах, где она является незаменимым сырьем в ряде приоритетных отраслей народного хозяйства.

Таким образом, одним из основных направлений энергосберегающей политики является экономия наиболее ценного органического сырья — нефти. Решение этой проблемы заключено во внедрении ресурсосберегающих технологий, использовании менее энергоемких машин, сокращении применения нефтепродуктов в качестве топлива с заменой их нефтяными (альтернативными) энергоносителями — в первую очередь газом и углем.

Первым направлением занимаются нефтедобывающие и нефтепе- рерабатывающие отрасли промышленности, базирующиеся на научных разработках соответствующих разделов химмотологии. Перспективы здесь можно охарактеризовать тем, что повышение выхода топлив из нефти только на 1 % эквивалентно увеличению ее добычи до 7 млн. т в год.

Двигатели внутреннего сгорания являются основными потребите­лями нефти, служащей сырьем для производства автотракторных топлив и смазочных материалов (до 60 % нефти, добываемой в стране, расходуется на эти цели).

Повышение топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одним из главных направлений совер­шенствования автотракторного парка страны. В этом направлении проводятся многосторонние научно-исследовательские и опытно-про­мышленные работы по совершенствованию конструкции существу­ющих типов ДВС и созданию перспективных, принципиально новых установок.

Предполагается обеспечить значительное повышение эко­номичности двигателей путем широкого применения микропроцес­сорной техники, использования новых систем смесеобразования и зажигания, а также практическому внедрению разработок по «адиабатному» двигателю.

Существенная экономия топлива обеспечивается использованием высококачественных, в том числе синтетических моторных масел. Применение антифрикционных металлокомплесных присадок к моторным маслам позволяет уменьшить расход топлива до 4 % при одновременном увеличении ресурса двигателя.

Третье направление заключается в отказе от использования нефти в качестве энергоисточника с заменой ее на другие менее дефицитные энергоресурсы. Нужно искать эффективные методы пре образования имеющихся в достатке энергоресурсов В высококачественный энергоноситель, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к топливам для ДВС. Рассмотрение таких перс­пективных энергоресурсов дано в гл. 1. В качестве альтернативы нефтяных топлив рассматривают энергетические аккумуляторы. Обзор некоторых видов таких аккумуляторов дан в приложении 1.

Для комплексной оценки топлив и смазочных материалов (ТиС) используют понятие качества. Под качеством ТиС понимают совокупность отдельных показателей (показателей качества), характеризующих его свойства.

Качество ТиС влияет на такие важнейшие показатели ДВС, как экономичность, долговечность, токсичность отработавших газов, металлоемкость и др. Например, путем использования высокоэффективных ТиС ресурс двигателя можно увеличить в 1,5 —2 раза, В токсичность отработавших газов уменьшить в несколько раз, В общем случае качество ТиС должно в наибольшей степени удовлетворять формуле «эффективность — экономичность — экология» т.е. обеспечивать максимальную эффективность использования в двигателе при минимальных технологических и эксплуатационных расходах наряду с возможно меньшим воздействием на окружающую среду (от экономии невосстанавливаемых природных ресурсов до загрязнения атмосферы).

Однако требования, предъявляемые составляющими этой формулы, во многих случаях противоречивы, что приводит к необ­ходимости поиска оптимальных решений. Эти решения в свою очередь изменяются по мере совершенствования конструкции ДВС, изменения предъявляемых к двигателям эксплуатационных требований и развития сырьевой и технологической баз ТиС.

При оценке качества ТиС учитываются следующие факторы: полнота удовлетворения требований потребителя; технические и экономические возможности производства, экономический эффект в народном хозяйстве (у потребителя); взаимное влияние отдельных свойств ТиС (необоснованное улучшение одних свойств может повлечь за собой ухудшение других).

Особо следует отметить проблему надежности ТиС, под которой понимается способность этих материалов сохранять свои показатели качества в течение заданного ресурса. От надежности ТиС непосредственно зависит надежность ДВС, условия и экономическая эффективность использования двигателя.

Задача создания высококачественных ДВС неразрывно связана с комплексным изучением физико-химических процессов, происходящих в ТиС при их работе в двигателе.

Основные положения химмотологии.

Многоплановые теоретические и практические задачи повышения качества и рационального использования ТиС и технических жидкостей решаются научным направлением, получившим название химмотология (образовано от сочетания слов химия, мотор и наука). Это — новая, возникшая из необходимости удовлетворения актуальных потребностей современного машиностроения междисциплинарная отрасль знаний, комплексно изучающая закономерности физико-химических процессов, протекающих в ТиС и технических жидкостях при их работе в машинах и механизмах. Химмотология базируется на использовании достижений различных областей химии, физики, теплоэнергетики, машиностроения и экологии с учетом социальных и экономических требований народного хозяйства.

Положение о химмотологии как науке впервые сформулировал и предложил это название в 1964 г. отечественный ученый К.К. Папок.

Главным объектом исследований в химмотологии (как показывает само ее название) являются двигатели внутреннего сгорания, что объясняется сложностью происходящих в них физико-химических процессов превращения ТиС и массовым использованием этих машин. Фундаментальные и прикладные результаты работ в области химмотологии с успехом используются в других отраслях машиностроения.

Выделяют три основных направления исследований в этой отрасли знаний:

1. Оптимизация качества ТиС и технических жидкостей. Эти работы выполняются на основании исследований взаимосвязи физико-химических процессов, происходящих в ДВС, с качеством используемых ТиС. При этом ставится задача оптимизации требований к свойствам ТиС по эксплуатационным показателям и надежности двигателя (в настоящее время значительное развитие получило одно из направлений химмотологии — химмотологическая надежность, рассматривающая влияние свойств ТиС на безотказность и долговечность двигателя) с учетом экономических и экологических факторов.

2. Повышение эффективности использования ТиС. В этом комплексе работ проводятся исследования по разработке и научному обоснованию мероприятий, обеспечивающих стабильность качества ТиС при хранении и транспортировке, экономию ТиС при эксплуатации, классификацию, маркировку, унификацию и взаимозаменяемость ТиС, а также восстановление качества некондиционных ТиС.

3. Создание и совершенствование системы и методов оценки ТиС. К этому направлению химмотологии относятся исследования по разработке и обоснованию методов оценки эксплуатационных свойств, совершенствованию нормализации и контроля качества, а также по методам корреляции результатов испытаний ТиС с их реальными свойствами, проявляемыми в эксплуатации.

Основными практическими задачами химмотологии являются: установление оптимальных требований к ТиС, разработка и внедрение новых наряду со снятием с производства малоэффективных устаревших марок, унификация и сокращение ассортимента ТиС.

Одна из первоочередных задач химмотологии — изучение и промышленное внедрение альтернативных ТиС, получаемых как из природных ресурсов (уголь, сланцы, природный газ), так и восстанавливаемых ресурсов. Важной теоретической задачей химмотологии является создание физических и математических моделей процессов, протекающих в ТиС при их работе в двигателе, и установление критериев, позволяющих оценить эффективность этих моделей.

Все указанные направления в развитии химмотологии сводятся к научной разработке и практическому внедрению мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов и обеспечению отечественного машиностроения высококачественными ТиС.

Химмотология условно разделяет свойства ТиС на три группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические. К физико-химическим относят свойства, определяемые в лабораторных условиях, например плотность, вязкость, испаряемость, теплота сгорания и др. К эксплуатационным относят свойства, проявляющиеся непосредственно в двигателе, например детонационная стойкость, склонность к образованию отложений, противоизносные и антикоррозионные свойства и др. К экологическим относят свойства, оказывающие влияние на окружающую среду, например загрязнение воздуха продуктами, выделяющимися при работе двигателя, пожаро- и взрывоопасность и др.

Отдельные свойства ТиС и их сочетания используют для характеристики продуктов по показателям качества, например октановые и октановые числа топлив, температура застывания топлив и мо торных масел и пр. С помощью испытаний можно количественно оценить качество отдельных сортов ТиС по различным показателям. Качество ТиС оценивается лабораторными (физико-химическими) и специальными методами испытаний.

Лабораторные методы используют при определении физико-химических показателей, характеризующих качество ТиС, для косвенной оценки их отдельных функциональных свойств, а также при проведении научно-исследовательских работ. Основное достоинство лабораторных методов испытаний состоит в том, что с их помощью можно выполнить дифференцированную оценку отдельных свойств ТиС и уяснить физический смысл результатов испытаний ТиС в реальных условиях. С целью интенсификации методов оценки качества ТиС создана новая система лабораторных испытании, суть которой основана на том, что каждое эксплуатационное свойство разделяют на отдельные, относительно простые составляющие показатели, оцениваемые ускоренными лабораторными методами. Полученные данные рассматривают во взаимосвязи с конкретными условиями работы ТиС. Такая комплексная оценка позволяет достаточно полно оценить исследуемые эксплутационные свойства в целом. Однако вследствие большой сложности процессов, происходящих в двигателе, лабораторные методы не дают возможности получить достаточно полное представление о работе ТиС в реальных условиях. Это можно сделать на основании анализа результатов, полученных специальными методами испытаний.

Специальные методы испытаний предназначены для непосредственной оценки эксплуатационных свойств ТиС. К специальным методам относят эксплуатационные испытания и квалификационные методы испытаний.

Эксплуатационные испытания проводят на натурных объектах, в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. Эти испытания предназначены для всесторонней оценки свойств ТиС при допуске новых сортов ТиС к использованию на конкретных образцах двигателей или при подборе сортов и условий эксплуатации ТиС для перспективных моделей ДВС. Эксплуатационные испытания можно проводить в реальных условиях и на полигонах. В последнем случае можно обеспечить работу двигателя на экстремальных режимах при фиксированных условиях, что позволяет сократить объем и сроки испытаний при хорошей воспроизводимости результатов.

Основной недостаток эксплуатационных испытаний — большая длительность (до нескольких лет). Это задерживает внедрение новых сортов ТиС и, следовательно, технический прогресс моторостроения, поэтому для оценки одного или нескольких эксплуатационных свойств ТиС широко распространились стендовые методы испытаний, выполняемые на модельных установках, натурных агрегатах, одноцилиндровых установках и полноразмерных двигателях. Эти методы объединяют общим названием — квалификационные методы испытаний. Они по сравнению с лабораторными методами позволяют более точно и полно оценить эксплуатационные свойства ТиС, а по сравнению с эксплуатационными испытаниями — упростить условия и в несколько раз сократить длительность испытаний. Наряду с этим во многих случаях квалификационные методы по сравнению с эксплуатационными позволяют уменьшить влияние посторонних факторов на исследуемый показатель, а, следовательно, повысить точность и объективность испытаний. Квалификационные методы используют для установления взаимосвязи между показателями качества ТиС и конструкцией ДВС, для разработки требований к качеству ТиС, классификации и унификации ТиС и пр. Разработан способ исследования ТиС на основе комплекса методов квалификационной оценки, позволяющий в короткое время определить эксплуатационные свойства исследуемого образца.

Однако окончательное решение о возможности использования того или иного вида ТиС в данной конструкции ДВС принимают на основании эксплуатационных испытаний. Применение различных методов испытаний указано в стандартах и технических условиях.

В условиях производства показатели качества определяют не только рациональность применения данного вида ТиС в двигателе, но и производственные затраты на его изготовление. Как правило, повышение качества продукции ведет к увеличению производственных затрат, а иногда к уменьшению ресурса этого продукта, поэтому улучшение качества ТиС необходимо рассматривать в неразрывной связи между возможным повышением стоимости производства продукта и экономией, получаемой при его использовании, т.е. повышение качества ТиС должно сопровождаться экономическим эффектом в масштабе государства.

Не менее важное условие использования отдельных видов ТиС — исключение или сведение к минимуму их отрицательного экологического влияния. Выполнение этого условия в некоторых случаях может стать первостепенным.

Контрольные вопросы

1. На какие показатели ДВС и каким образом влияет качество используемого топлива?

2. С помощью каких методов испытаний можно определить ресурс двигателя и его надежность?

3. Проанализируйте сравнительные достоинства и недостатки эксплуатационных испытаний и квалификационных методов испытаний.