Технология использования топлив и масел

 
 
А. П. Жигадло, Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  
ТОПЛИВ И МАСЕЛ 
 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 656.1:621.43 
ББК 30.8231.353 
Ж68 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор (ОмГТУ) В. В. Шалай; 
доктор технических наук, профессор (СибАДИ) Н. Г. Певнев 
 
 
 
 
 
Жигадло, А. П. 
Ж68   
Технология использования топлив и масел : учебное пособие /  
А. П. Жигадло, Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова. - 2-е изд., перераб. и  
доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022.  144 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0944-5 
 
Изложены физические свойства жидкостей и газов, приведена технология 
получения моторных топлив, смазочных материалов. Рассмотрены особенности 
сгорания бензинового и дизельного топлива в цилиндрах двигателей. Показано 
отрицательное влияние нефтепродуктов на человека и окружающую среду. 
Приведено нормирование расхода топлив и смазочных материалов для автомобилей. Рассмотрены причины потерь нефтепродуктов, предложены способы их 
снижения. 
Для студентов всех форм обучения направления подготовки «Энергетическое машиностроение», может быть полезно обучающимся других технических специальностей, инженерам и аспирантам. 
 
УДК 656.1:621.43 
ББК 30.8231.353 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0944-5 
” Жигадло А. П., Макушев Ю. П., Волкова Л. Ю., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

Введение 
 
В России эксплуатируется более 60 млн единиц мобильных транспортных 
машин. Для привода в движение автомобилей, тракторов, тепловозов, судов и 
другой техники используют в основном двигатели внутреннего сгорания. При 
производстве современных двигателей применяют высокопрочные материалы, 
полимеры, новейшие технологии, компьютерную технику, электронное управление процессом сгорания топлива. Несмотря на достижения науки и техники 
современные двигатели внутреннего сгорания являются основным источником 
загрязнения атмосферы, имеют повышенный расход топлива и смазочных материалов. 
Несовершенство двигателей, низкое качество топлив, смазочных материалов, тяжелые условия эксплуатации, недостаточный уровень сервиса повышают 
требования к инженерам и специалистам, работающим в области конструирования, производства и обслуживания машин. 
Технология (от греч. technё - мастерство, умение и logos - наука) - совокупность методов обработки, изготовления, получения материалов (например, 
углеводородного топлива, моторного масла), применяемых для обеспечения 
работы двигателей внутреннего сгорания. 
Современный инженер должен знать новейшие технологии получения высококачественных топлив, смазочных материалов и технических жидкостей, их 
физико-химические, эксплуатационные и экологические свойства, требования к 
ним, передовой опыт, нормативные документы, классификацию, способы экономии, правила перевозки и хранения, технику безопасности. 
Подбирать (использовать) топлива и масла необходимо с учётом типа двигателя, его форсирования по мощности и частоте вращения, особенности системы питания, смазки и условий эксплуатации. 
В учебном пособии приведены материалы, охватывающие основные разделы курсов «Химмотология», «Эксплуатационные материалы», «Технология 
использования топлив и масел». Целью данного пособия является формирование знаний у студентов технических специальностей в области теории и практики рационального использования моторных топлив, смазочных материалов, 
охлаждающих и специальных жидкостей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 
 
Плотность - это физическая величина, характеризующая содержание 
массы вещества в единице объёма. Плотность (кг/м3) определяется как отношение массы вещества к единице объёма: 
 
V
m
 
U
. 
(1.1) 
Для воды при 20 ƒС плотность равна 1000 кг/м3, плотность моторного масла примерно 900 кг/м3, дизельного топлива - 850 кг/м3, бензина - 750 кг/м3. По 
плотности, приведенной к 20 ƒС, определяют массу вещества. 
Удельным объёмом называют величину, обратную плотности (м3/кг): 
 
U
-
1
 
. 
(1.2) 
Удельным весом называют вес жидкости (газа), приходящийся на единицу 
объёма (Н/м3): 
 
V
G
 
J
. 
(1.3) 
Между удельным весом и плотностью существует следующая связь: 
 
g
˜
 U
J
, 
(1.4) 
где  g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения. 
Давление - это физическая величина, характеризующая интенсивность 
сил, действующих на поверхность тела. Давление (Н/м2, Па) определяется отношением нормальной силы к единице площади: 
 
S
F
P  
. 
(1.5) 
Для перевода давления в другие единицы величины необходимо помнить, что 
1 техническая атмосфера = 1 кгс/см2 = 0,98 ā 105 Па = 0,1 МПа = 736 мм рт. ст. =  
= 10 м водяного столба. На рис. 1.1 показаны виды давлений. 
 
 
 
Рис. 1.1. Виды давлений 
 
Давление различают атмосферное, избыточное, абсолютное, вакуумметрическое. Недостаток давления до атмосферного называют вакуумметрическим. 
Давление больше атмосферного является избыточным. 
4 
 

Давление насыщенных паров - давление, при котором жидкость и газ 
находятся в равновесии, жидкость не испаряется, газ не конденсируется. Его 
можно определить как давление, при котором при данной температуре жидкость вскипает. 
Для бензинов при температуре 38 ƒС давление насыщенных паров должно 
быть не более 0,067 МПа (летний бензин) и не более 0,093 МПа (зимний). По 
требованиям ГОСТ Р 51105-97 бензины по величине давления насыщенных паров разделяют на 5 групп. 
Вязкость - способность жидкости оказывать сопротивление при относительном движении её слоёв. Согласно закону Ньютона, сила внутреннего трения между слоями жидкости определяется по формуле 

x
S
T
'
'
˜
˜
 
-
P
, 
(1.6) 
где  ȝ - коэффициент динамической вязкости (Нāс/м2  = Паāс); 
 
S - площадь соприкасающихся слоёв, м2; 
x
'
' - градиент скорости, характеризующий относительное изменение 
скорости между отдельными слоями жидкости, 1/с. 
Анализ формулы (1.6) показывает, что коэффициент динамической вязкости ȝ выражает силу внутреннего трения, приходящуюся на единицу площади 
соприкасающихся слоев при градиенте скорости, равном единице. 
Кинематическая вязкость: v = ȝ / ȡ в м2/с. Вязкость измеряют в стоксах 
или сантистоксах (1 Ст = 1 см2/с; 1 сСт = 1 мм2/с). Эталоном кинематической 
вязкости в 1 cСт является дистиллированная вода при 20 ƒС. Для воды кинематическая вязкость равна 1 ā 10-6 м2/с. Вязкость любой жидкости можно определить при помощи капиллярного вискозиметра (рис. 1.2). Он представляет собой 
U-образную прозрачную трубку с капилляром, над которым расположены две 
шарообразные емкости [1, 2]. В начале и конце нижней емкости расположены 
метки М1 и М2, по которым определяют время перетекания жидкости. Например, время ǻIJ = 10 с, а постоянная прибора С = 0,1 мм2/с2. Кинематическую 
вязкость в сСт (мм2/с) находят по формуле 
 
.
сСт
1
или
,
с
мм
1
1
,
0
10
2
 
˜
 
'
˜
 
W
Q
С
 
Для нахождения кинематической вязкости жидкости при определенной 
температуре применяют термостат (рис. 1.3), который поддерживает нужную 
для эксперимента температуру. 
Зная кинематическую вязкость в м2/с, можно оценить динамическую вязкость в ПаÂс (НÂс/м2). Для этого величину кинематической вязкости в м2/c 
умножают на плотность жидкости в кг/м3 (ȝ = ȣ ˜ ȡ). Умножая дополнительно 
числитель и знаменатель на секунду (с), получим кг˜м/с2 (это Ньютон). В числителе остается с (секунда), в знаменателе м2 (Н/м2 = Па). 
Кинематическая вязкость в м2/с применяется для оценки зависимости вязкости жидкости от температуры, при определении режимов движения (ламинарное или турбулентное) и расчете потерь энергии при движении жидкости в 
местных сопротивлениях и по длине. 
5 
 

 
 
Рис. 1.2. Вискозиметр  
капиллярный: 
1 - калиброванные ёмкости; 
2 - капиллярная трубка;  
3 - ёмкость для нагревания 
нефтепродуктов; 4 - отросток 
отводной; 5 - трубка широкая 
 
 
Рис. 1.3. Общий вид вискозиметра,  
установленного в водяном термостате: 
1 - насос центробежный; 2 - нагреватель;  
3 - датчик температуры; 4 - указатель  
температуры; 5 - теплоизоляция; 6 - нижняя 
ванна; 7 - верхняя ванна; 8 - термометр;  
9 - вискозиметр 
 
Динамическую вязкость в НÂс/м2 (ПаÂс) применяют при расчете сил трения, 
например между подшипниками скольжения и шейками коленчатого вала двигателя. В холодное время года вязкость моторного масла резко повышается, силы трения достигают величины, при которой затрудняется вращение коленчатого вала и запуск двигателя. При кинематической вязкости моторного масла 
более 3000 сСт запуск двигателя затруднен. 
Расход жидкости или газа - это количество жидкости (газа), протекающее за единицу времени через данное живое сечение. Различают расход объёмный (м3/с) и массовый (кг/с). 
 
Q = V / t - объёмный; 
(1.7) 
 
М = m / t - массовый. 
Сжимаемость жидкости (газа) - её способность уменьшаться в объёме 
при повышении давления. Оценивается коэффициентом объёмного сжатия 
(м2/Н): 
 


,
1
P
V
V
'
'
˜
 
E
 
(1.8) 
где  V - первоначальный объём системы; 
 
' V - изменение объёма системы; 
 
' P - изменение давления. 
Величина, обратная ȕ, - модуль упругости: К = 1 / ȕ. Для воды величина  
К = 2 ā 109 Н/м2, для нефтепродуктов К = 1,35 ā 109 Н/м2. 
6 
 

В любой замкнутой системе (насос, цилиндр) создаваемое давление определяется по формуле 
 
V
V
K
P
'
˜
 
'
. 
(1.9) 
Величину давления ǻР ограничивают при помощи перепускных или 
предохранительных клапанов. Оптимальная величина ǻР выбирается с учётом 
назначения конструкции исполнительного механизма, например гидроцилиндра для привода в действие ковша экскаватора. В гидравлических системах 
давление масла не превышает 30 МПа. 
Состав и свойства топлив нефтяного происхождения изменяются в зависимости от температуры и давления. Углеводороды, содержащие от 1 до 4 атомов углерода, при нормальных атмосферных условиях являются газами. При 
повышении давления молекулы газа укрупняются и переходят в жидкое состояние. Бутан (С4Н10) переходит в жидкое состояние при повышении давления до 
0,8 МПа. При понижении давления до величины атмосферного сжиженный бутан переходит в газообразное состояние. Данное свойство газов используется 
при создании систем питания двигателей, работающих на сжиженном газе 
(пропан-бутановая смесь газа). 
При нормальных физических условиях (температура Т = 273 К, давление  
Р = 760 мм рт. ст.) диаметр молекул газа одинаков и составляет 2 Â 10-10 м. Массу молекулы малых размеров определить трудно. В 1811 г. итальянский физик 
Авогадро (1776 -1856) предположил, что одинаковый объем газа (любого типа) 
при одинаковом давлении и температуре должен содержать равное количество 
молекул. Опыты показывают, что 1 г атомов Н (водорода) содержит 6Â1023 атомов. В 2 г Н2 (молекула) содержится 6 Â 1023 молекул. Это специфичное число  
6 Â 1023 называется числом Авогадро. 
Масса молекул газа в килограммах, содержащая в объеме 22,4 л при  
Р = 760 мм рт. ст. (1  105 Па) и Т = 273 К (t = 0 ƒС), называется молем. 
Моль (молекулярная масса) - количество вещества в определенном 
объеме. Если количество молекул, равное 6 Â 1023, компактно упаковать, то их 
объем составит 22,4 л. Плотность воздуха при атмосферных условиях равна 
1,29 кг/м3. В объеме, равном 22,4 м3, его масса составит 28,9 кг (1,29 Â 22,4 =  
= 28,9). 
Один киломоль воздуха равен 28,9 кг. Один моль воздуха составит 
0,0289 кг, или 28,9 г. Киломоль - количество газа, масса которого в килограммах численно равна его молекулярной массе. В воздухе по массе 23  (0,23) 
кислорода О2 и 77  (0,77) азота N2. Молекулярная масса кислорода 32, азота 
28. Молекулярная масса воздуха Мм = 0,23 Â 32  0,77 Â 28 = 28,9 кг/кмоль. 
Для полного сгорания 1 кг бензина требуется 14,45 кг воздуха, или 0,5 киломолей воздуха. В тепловом расчете двигателя внутреннего сгорания требуемое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива определяют в килограммах 
или в киломолях. 
Свойства топлив и смазочных материалов условно разделяются на три 
группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические. 
7 
 

К физико-химическим группам относят свойства, определяемые в лабораторных условиях, например плотность, вязкость, испаряемость, теплота сгорания [1]. 
К эксплуатационным относят свойства, проявляемые непосредственно в 
двигателе, например детонационная стойкость бензина, склонность топлива к 
образованию нагара. 
К экологическим относят свойства, оказывающие влияние на окружающую среду, например загрязнение воздуха отработавшими газами, пожарную и 
взрывную опасность нефтепродуктов. 
 
Контрольные вопросы и задания 
 
1. Что называют плотностью, как она определяется и с какой целью" 
2. Что называют удельным весом и удельным объемом" 
3. Дайте определение давления. Что понимают под абсолютным, избыточным (манометрическим) и вакуумметрическим давлениями, единицы величины" 
4. Что называют давлением насыщенных паров" 
5. Кинематическая и динамическая вязкость, единицы величины. Способы 
измерения. 
6. Дайте определение объемному и массовому расходу жидкости. 
7. Сжимаемость жидкости или газа. 
8. Что называют молем и киломолем" 
9. Что относят к физическим, химическим, эксплуатационным и экологическим свойствам топлив" 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
 

2. НЕФТЬ - ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ  
И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
Нефть - это углеводородное топливо, состоящее в основном из углерода 
(83-87 ), водорода (12-14 ) и малом количестве серы, кислорода, азота  
(1-3 ) [1, 3]. 
Нефть (от перс. просачиваться) - горючая маслянистая жидкость темного 
цвета, плотностью ȡ = 800-900 кг/м3, теплотой сгорания 42-44 МДж/кг (1 кал = 
= 4,18 Дж). М - мега (миллион) 106. 
По содержанию серы нефти подразделяются на 3 класса: 
 малосернистые - до 0,6 ; 
 сернистые от 0,61 до 1,8 ; 
 высокосернистые более 1,8 . 
Сера в нефти находится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфатов. 
Технология получения топлив из нефти с высоким содержанием серы сложная 
и требует больших затрат. 
Теорию органического происхождения нефти высказал М. В. Ломоносов, 
который считал, что нефть образовалась в земных глубинах в результате разложения органических остатков растительного и животного происхождения 
под действием подземного тепла. 
За 150 лет (1850-2000) из земли было добыто 70 ā 109 т нефти. Объём добытой нефти приводят в баррелях (1 баррель = 158,9 л). 
Мировая добыча нефти в 1990 г. составила 3100 млн т, а в 2018 г. -  
5280 млн т. В 2018 г. добыча нефти в России составила 550 млн т. 
Добыча газа в России в настоящее время производится в объёме более  
700 млрд м3 в год. 
Впервые в России в городе Моздоке братьями Дубиниными (Василием, 
Герасимом, Макаром) в 1823 г. была создана установка для переработки 
нефти. Основной продукцией установки был керосин. Установка имела подогреваемый котел с нефтью и холодильник (емкость с водой) для конденсации 
паров топлива. 
Испаряемость характеризуется скоростью перехода топлива из жидкой фазы в газообразную. Нефть не имеет постоянной температуры кипения. 
Разделить нефть на отдельные фракции (части), виды топлив (бензин, 
керосин, газойль, соляр) можно методом прямой перегонки [1, 4]. Нефть нагревают до 400 ƒС и направляют в разделительную (ректификационную) колонну. 
Колонна имеет диаметр примерно 2 м и высоту 25 м. В колонне есть разделительные тарелки с отверстиями в виде цилиндров. На цилиндры установлены 
колпачки с прорезями для прохода паров топлив. Самые легкие фракции - пары 
бензинов достигают верхних тарелок, там конденсируются и отводятся в отдельные емкости, более тяжёлые оседают на нижних тарелках (рис. 2.1, 2.2). 
 
9 
 

 
 
Рис. 2.1. Комплексная атмосферно-вакуумная установка переработки нефти:  
1 - трубчатая печь; 2 и 5 - ректификационные колонны; 3 - холодильник;  
4 - отделитель газа; 6 - теплообменник; 7 - насос; 8 - испарительная колонна 
 
4    
3    
7    
5    
8    
6    
5    
2    
1    
 
 
Рис. 2.2. Схема ректификационной колонны и её принцип действия: 
1 - приспособление для ввода водяного пара;  
2 - труба (ввод паров нефти и её неиспарившейся части);  
3 - приспособление для ввода орошения;  
4 - труба для отвода легкокипящих фракций с испарившимся оросителем;  
5 - металлические тарелки; 6 - отверстия в тарелках;  
7 - колпачки с прорезями; 8 - сливная труба 
10