Эксплуатационные материалы для двигателей внутреннего сгорания

 
 
 
 
 
Н. Ю. ДУДАРЕВА 
 
 
 
 
 
 
 
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 629.3.08 
ББК 39.33-08 
Д81 
 
 
 
Рецензенты: 
профессор кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВО  
«Уфимский университет науки и технологий» доктор технических наук И. А. Кривошеев; 
главный конструктор направления «Четырехтактные двигатели»,  
ООО «Двигатели для авиации» В. А. Шаяхметов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Дударева, Н. Ю. 
Д81  
Эксплуатационные материалы для двигателей внутреннего сгорания : учебник / Н. Ю. Дударева. − Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 208 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1996-3 
 
Изложена основная теоретическая информация о свойствах топлив, смазочных 
материалов и специальных жидкостей, применяемых при эксплуатации двигателей 
внутреннего сгорания.  
Для студентов, изучающих дисциплины «Химмотология» и «Эксплуатационные 
материалы». Может использоваться для чтения лекций, в курсовом и дипломном проектировании, а также для самостоятельной работы студентов.   
 
УДК 629.3.08 
ББК 39.33-08 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1996-3 
© Дударева Н. Ю., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ И ИХ 
КЛАССИФИКАЦИЯ .................................................................................................. 6 
1.1. Особенности и свойства углерода ...................................................................... 6 
1.2. Свойства органических соединений 
................................................................... 7 
1.3. Основы теории химического строения органических соединений 
................. 7 
1.4. Классификация органических соединений 
...................................................... 10 
2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ . 16 
2.1. Базовые принципы производства топлив и смазочных материалов 
............. 16 
2.2. Состав нефти и ее свойства ............................................................................... 17 
2.3. Способы производства топлив и смазочных материалов .............................. 20 
3. КЛАССИФИКАЦИЯ, СОСТАВ И СВОЙСТВА ТОПЛИВ 
.............................. 26 
3.1. Классификация топлив для двигателей внутреннего сгорания 
..................... 26 
3.2. Состав топлив ..................................................................................................... 27 
3.3. Основные свойства топлив для ДВС 
................................................................ 31 
4. БЕНЗИНЫ И ИХ СВОЙСТВА 
............................................................................. 52 
4.1. Свойства бензинов ............................................................................................. 52 
4.2. Марки бензинов 
.................................................................................................. 70 
5. ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА И ИХ СВОЙСТВА ................................................... 72 
5.1. Свойства дизельных топлив .............................................................................. 72 
5.2. Маркировка дизельных топлив 
......................................................................... 83 
6. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ .................................. 85 
6.1. Классификация альтернативных топлив для ДВС 
.......................................... 85 
6.2. Газообразное топливо на основе предельных углеводородов 
....................... 86 
6.3. Спирты 
................................................................................................................. 91 
6.4. Растительные масла............................................................................................ 96 
6.5. Диметиловый эфир 
........................................................................................... 100 
6.6. Биогаз 
................................................................................................................. 103 
6.7. Водородное топливо ........................................................................................ 106 
7. ВИДЫ ТРЕНИЯ И СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ДВИГАТЕЛЯХ 
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 
................................................................................ 111 
7.1. Трение и виды трения ...................................................................................... 111 
7.2. Виды трения в двигателе внутреннего сгорания .......................................... 119 
7.3. Функции смазочных материалов и требования к ним 
.................................. 120 
7.4. Классификация смазочных материалов ......................................................... 122 
8. МАСЛА МОТОРНЫЕ ........................................................................................ 123 
8.1. Эксплуатационные свойства моторных масел .............................................. 123 
8.2. Классификация моторных масел .................................................................... 134 
8.3. Ассортимент отечественных моторных масел и области их применения . 143 
8.4. Моторные масла для двухтактных бензиновых двигателей 
........................ 145 
8.5. Классификация моторных масел для двухтактных двигателей .................. 147 
8.6. Синтетические моторные масла ..................................................................... 149 
8.7. Старение, угар и смена моторных масел ....................................................... 152 
3 

8.8. Оценка качества и выбор моторного масла 
................................................... 155 
8.9. Альтернативные смазочные материалы в ДВС 
............................................. 157 
9. МАСЛА ТРАНСМИССИОННЫЕ 
..................................................................... 159 
9.1. Условия работы и требования к трансмиссионным маслам 
........................ 159 
9.2. Свойства трансмиссионных масел ................................................................. 160 
9.3. Способы производства трансмиссионных масел 
.......................................... 164 
9.4. Классификация трансмиссионных масел ...................................................... 165 
10. ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗКИ ............................................................................... 171 
10.1. Состав и основные принципы производства пластичных смазок 
............. 171 
10.2. Типы загустителей и пластичные смазки на их основе ............................. 173 
10.3. Свойства пластичных смазок ........................................................................ 174 
10.4. Маркировка пластичных смазок 
................................................................... 177 
11. ТЕХНИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 
.......... 182 
11.1. Пусковые жидкости ....................................................................................... 182 
11.2. Охлаждающие жидкости ............................................................................... 184 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ .......................... 191 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 192 
ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................... 199 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Длительная, эффективная и надежная работа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) во многом зависит от правильно подобранного комплекса эксплуатационных материалов, наиболее полно отвечающих условиям функционирования ДВС. К таким материалам относятся: топлива, смазочные материалы и 
жидкости специального назначения. 
Топливо является ключевым эксплуатационным материалом, обеспечивающим функционирование двигателей. При сгорании топлива выделяется 
энергия, которая в ДВС преобразуется в механическую работу. Верный выбор 
топлива очень важен для обеспечения оптимальной и надежной работы двигателей. Использование некачественного или неподходящего топлива может вызвать нежелательные отложения на деталях, нагар, детонацию и даже поломку 
двигателя. 
Важным эксплуатационным материалом также являются масла, которые 
обеспечивают смазку и охлаждение деталей, снижают износ и механические 
потери в узлах трения. Правильный выбор и регулярная замена масла гарантирует продолжительное и эффективное функционирование двигателя. 
К эксплуатационным материалам для ДВС относятся охлаждающие жидкости (антифризы) и пусковые жидкости. Антифриз обеспечивает охлаждение 
двигателя, предотвращая перегрев его деталей, и является важным эксплуатационным материалом.  
Специалисты в области проектирования и эксплуатации ДВС должны обладать знаниями о свойствах эксплуатационных материалов. Кроме этого они 
должны уметь формировать требования к этим материалам, учитывая специфику работы двигателя, температурные условия, механические нагрузки и другие 
факторы. Это позволит добиться повышения эффективности и надежности двигателей, а также уменьшить эксплуатационные издержки и негативное воздействие ДВС на окружающую среду. 
В данном учебнике свойства эксплуатационных материалов рассматриваются в единой системе «эксплуатационные материалы – двигатели – работа». 
Изучение свойств эксплуатационных материалов в контексте их взаимодействия с двигателями позволяет более полно и системно понять роль этих материалов в работе двигателя, и оптимизировать свойства эксплуатационных материалов с целью улучшения таких характеристик, как производительность ДВС, 
износостойкость и долговечность деталей, а также экологичность процессов 
сгорания. 
При изучении материала, представленного в учебнике «Эксплуатационные материалы для двигателей внутреннего сгорания», необходимы базовые 
знания из области органической химии и двигателестроения. Данный учебник 
поможет студентам в получении теоретических знаний о физико-химических и 
эксплуатационных свойствах топлив, смазочных материалов и специальных 
жидкостей, используемых при эксплуатации ДВС.  
 
5 

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРГАНИЧЕСКИХ  
СОЕДИНЕНИЯХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ 
 
Топлива, смазочные материалы и специальные жидкости, применяемые 
при эксплуатации ДВС, производятся преимущественно из нефти и имеют органический (углеводородный) состав. Такой состав обычно характеризуется содержанием молекул, которые относятся к различным углеводородным группам. 
Очевидно, что от молекулярного состава во многом зависят свойства эксплуатационных материалов для ДВС. 
У органических соединений базовым химическим элементом является углерод. По этой причине свойства органических веществ во многом определяются свойствами атома углерода, которые будут рассмотрены в следующем 
разделе. 
 
1.1. Особенности и свойства углерода 
 
Химический элемент углерод в периодической системе Д. И. Менделеева 
находится под № 6. На электронных уровнях атома углерода расположено 
шесть электронов: 1s2, 2s2 и 2p2.  
Углерод является одним из наиболее широко распространенных химических элементов на Земле: он входит в состав многих газов (углекислого газа − 
CO2, метана − CH4 и др.), жидкостей (нефть, растительные масла и др.), твердых веществ (графит, уголь, алмаз и др.). Среди всех химических элементов углерод занимает особое положение из-за многочисленности соединений, которые он образует. Количество таких соединений насчитывается около 2 млн. 
При этом остальные химические элементы в совокупности образуют лишь несколько сотен тысяч химических соединений [1].  
В процессе нагревания углерод вступает в реакцию с кислородом, образуя 
оксиды: диоксид (или двуокись) углерода CO2 – углекислый газ и оксид (или 
монооксид) углерода CO – угарный газ. Эти газы – CO и CO2 – образуются 
также в результате сгорания различных топлив и содержатся в составе отработавших газов ДВС [1]. Углекислый газ (CO2) присутствует в атмосфере, играет 
ключевую роль в процессах теплообмена на Земле и является необходимым 
элементом для фотосинтеза растений. Кроме этого, углерод содержится в метане (CH4), который является одним из основных парниковых газов.  
Соединения углерода, встречающиеся в природе, получили название «органические соединения». Причина такого названия целой группы химических 
веществ связана с тем, что в природе они обычно встречаются в организмах 
животного и растительного происхождения, участвуют в процессах жизнедеятельности этих организмов, а также являются продуктами их распада. С развитием технологий химического синтеза исчезла грань, отделяющая органические 
соединения от неорганических, однако, название «органические соединения» 
сохранилось и по сей день. 
 
6 

1.2. Свойства органических соединений 
 
Молекулы органических соединений в своем составе кроме атомов углерода почти всегда содержат атомы водорода, образуя углеводородные соединения, а также, зачастую − атомы кислорода и азота, реже − атомы серы и фосфора [1]. 
Особенностью органических соединений является эффект изомерии, который довольно широко распространен и обуславливает наблюдаемое многообразие органических соединений. Суть изомерии заключается в том, что молекулы различных органических соединений могут иметь одинаковый качественный и количественный состав, и, соответственно, одинаковую молекулярную 
массу, но при этом будут кардинально отличаться по своим физическим и химическим свойствам из-за различий в структуре молекул. Например, органическое соединение С2Н6О, молекулярная масса которого 46,07, имеет два изомера: 
1) этиловый спирт (этанол) – жидкость с температурой кипения +78,4 °С 
(рис. 1.1, а); 
2) диметиловый эфир – газ, почти не растворимый в воде (рис. 1.1, б). 
 
 
 
а 
б 
 
Рисунок 1.1 − Молекулы изомеров С2Н6О:  
а − этилового спирта; б − диметилового эфира 
 
Температуры плавления органических веществ обычно не превышают 
400 °С, а чаще всего находятся в диапазоне 100−200 °С. Нагрев этих веществ 
без доступа воздуха приводит к существенным изменениям в молекулах и образованию новых веществ с совершенно иными свойствами. При нагревании в 
присутствии кислорода органические вещества обычно полностью сгорают, 
превращаясь в углекислый газ (CO2) и воду (H2O), азот выделяется в свободном 
состоянии [1].  
Особенностью органических соединений является то, что атомы в молекулах этих веществ связаны между собой ковалентной связью. А, как известно, 
что этот тип связи отличается высокой прочностью. 
Следующий раздел посвящен краткому рассмотрению теории химического строения органических соединений. 
 
1.3. Основы теории химического строения  
органических соединений 
 
В этом разделе свойства и особенности органических соединений рассмотрены на базе основных положений химической теории строения органи7 

ческих соединений. Эта теория представляет собой совокупность ключевых 
принципов (положений), которые позволяют описать, каким образом атомы углерода и другие атомы, формируя связи между собой, образуют молекулы органических веществ. 
Существует четыре базовых положения, на которых строится эта теория:  
Положение первое: углерод, как основной элемент, определяет все особенности строения молекул органических соединений. Атом углерода обладает 
следующими свойствами:  
1) он содержит шесть электронов, четыре из которых расположены на 
внешней электронной оболочке (рис. 1.2, а); 
2) атом углерода занимает промежуточное положение между металлами и 
неметаллами, так как у него отсутствует выраженная склонность отдавать или 
принимать электроны; 
3) атом углерода связывается с атомами других элементов при помощи 
ковалентных связей; 
4) в возбужденном состоянии атом углерода образует четыре ковалентные 
связи с sp3-гибридизацией и обычно показывает валентность равную четырем 
(рис. 1.2, б). При этом все четыре ковалентных связи располагаются в пространстве симметрично: атом углерода − в центре тетраэдра (правильной четырехгранной пирамиды), а четыре соединенных с ним атома − в вершинах этого тетраэдра. Примером такой структуры является молекула метана (рис. 1.3, а) [1].  
                    
 
 
а 
б 
 
Рисунок 1.2 − Различные состояния атома углерода: 
а − нормальное; б − возбужденное  
 
Довольно часто структурные формулы молекул органических веществ 
представляют в упрощенном виде. Такой упрощенный вид молекулы метана 
представлен на рис. 1.3, б. 
 
 
а 
б 
Рисунок 1.3 − Молекула метана:  
а − пространственная структура; б − упрощенная структура  
8 

Положение второе: исключительное свойство углерода, обуславливающее многообразие органических соединений – это способность его атомов соединяться прочными ковалентными связями друг с другом, в результате чего 
формируются углеродные цепи практически неограниченной длины (рис. 1.4). 
На практике известны молекулы, у которых такие цепи содержат более 100 атомов углерода. Увеличение углеродной цепи на один атом ведет к образованию 
нового соединения с совершенно другими свойствами. Например, СН4 – метан, 
С2Н6 – этан, С3Н8 – пропан, С4Н10 – бутан и т. д. 
 
 
 
Рисунок 1.4 − Цепь атомов углерода 
 
Таким образом органические соединения образуют ряды однотипных соединений, в которых каждый последующий член отличается от другого на 
группу СН2. Такие ряды называют гомологическими, а члены по отношению 
друг к другу являются гомологами. 
Положение третье: ковалентные связи между двумя атомами углерода 
могут быть образованы не только с участием одной, но также двумя или даже 
тремя парами электронов. В этом случае молекулы имеют двойные или даже 
тройные связи. Углеводороды с такими связями в молекуле называются непредельными или ненасыщенными. Соответственно, углеводороды с одинарными 
связями атомов углерода в молекуле называются предельными или насыщенными. Это свойство углерода также обусловливает разнообразие структур органических соединений. 
Среди непредельных углеводородов выделяют два гомологических ряда: 
этиленовые (с двойными связями) (рис. 1.5, а) и ацетиленовые (с тройными связями) (рис. 1.5, б). Во время химических реакций такие кратные связи легко 
превращаются в простые: тройная связь сначала переходит в двойную, а двойная, затем, в простую одинарную. 
 
 
 
а 
б 
 
Рисунок 1.5 − Двойные и тройные связи между атомами углерода:  
а − двойные; б − тройные  
 
Положение четвертое: органические соединения могут существовать в 
виде изомеров – молекул с одинаковым химическим составом, но разной про9 

странственной структурой. Такие молекулы состоят из одинакового количества 
атомов одних и тех же химических элементов. Соответственно, такие молекулы 
имеют одинаковую молекулярную массу. Однако, структура расположения 
этих атомов в молекуле разная. Явление изомерии обуславливает и различие в 
физико-химических свойствах таких молекул. Например, в результате изомерии пентана (C5H12) существуют такие соединения, как нормальный пентан 
(рис. 1.6, а) и изо-пентан (рис. 1.6, б). Нормальный пентан имеет температуру 
кипения – 36 °С и октановое число (по исследовательскому методу) − 61,5,  
а изо-пентан характеризуется температурой кипения – 27,7 °С и октановым 
числом 93,7.     
                     
 
 
 
а 
б 
 
Рисунок 1.6 − Структуры изомеров пентана:  
а − нормальный пентан (n-пентан); б − изо-пентан 
 
Подобные изомеры довольно часто встречаются у многих органических 
соединений. Вещества с неразветвленной молекулярной структурой называют 
нормальными, а с разветвленной – изомерами. Для обозначения изомеров используется приставка «изо-».  
У многих молекул органических веществ встречается также пространственная изомерия, которую называют стереоизомерией. В этом случае при 
одинаковом молекулярном составе и одинаковом порядке соединения атомов, у 
молекул наблюдается различие в пространственном расположении атомов. Органические молекулы подверженные стереоизомерии имеют асимметричную 
структуру. Иногда может встречаться зеркальная изомерия. 
 
1.4 Классификация органических соединений 
 
В этом разделе рассмотрены особенности строения и свойства основных 
групп органических соединений. Многие из них являются составляющими топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей для ДВС. 
Выделяют следующие основные группы органических соединений [1]: 
1. Предельные углеводороды (насыщенные углеводороды) или алканы. 
Химическая формула предельных углеводородов: CnH2n+2. Представителями 
этой группы являются метан и его гомологи. В своих названиях предельные углеводороды имеют окончание – ан. Эти углеводороды названы предельными, 
потому, что в их соединениях атомы углерода «до предела» насыщены водородом. Типичные представители алканов: СН4 – метан; C2H6 – этан; С3Н8 – пропан; С4Н10 – бутан; С5Н12 – пентан; С6Н14 – гексан и т. д. Низшие члены этого 
гомологического ряда (от CH4 до C4H10) при нормальных условиях являются га10