1. Топливо

Как следует из названия, бензиномоторные пилы работают на бензине, который представляет собой смесь углеводородов, имеющих температуру кипения от 30 до 205 °C. Помимо углеводородов в составе бензина могут содержаться примеси, такие как азот, сера и кислород.

В конце XIX века единственным способом применения бензина было использование его в качестве антисептического средства и топлива для примусов (использование керосина в качестве топли — ва для примусов было запрещено ввиду пожарной опасности, с этой целью ограничивалась снизу температура кипения керосина). В основном из нефти отгоняли только керосин, а все остальное утилизировали. После появления двигателя внутреннего сгорания бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки.

Бензин получают из сырой нефти. По своему составу бензины являются смесями различных органических веществ, состоящих в основном из молекул с пятью, шестью, семью и восемью атомами углерода, которые химически соединены, или, как говорят, насыщены атомами водорода. Каждое из этих соединений обладает индивидуальными свойствами, определяющими качество топлива. Эти свойства зависят от числа и структуры атомов, входящих в образование молекул углеводородов.

Самая простая молекула углеводорода — это метан с одним атомом углерода и четырьмя водорода. Как только к молекуле добавляется один атом углерода, молекулярная цепочка становится более длинной, вместе с этим изменяются ее свойства, а значит и применение.

Короткие молекулярные цепочки имеют газы, жидкое топливо, как правило, это от семи до одиннадцати атомов углерода; если же молекулярная цепочка еще длиннее, то в этом случае топливо практически невозможно использовать в ДВС с традиционной системой зажигания.

Рафинация использует дистилляцию и другие химические методы. Эти процессы превращают углеводороды в газы (метан, пропан, бутан) ижидкости (бензин, дизель, масла).

Короткие молекулярные цепочки выпариваются на верхних уровнях ректификационной установки, а длинные, более тяжелые (бензин, дизель, смазывающие масла, гудрон, битум) — на нижних.

Технология ректификации в своем развитии дошла до момента, когда стало возможным получить на выходе один или два определенных продукта. Появилась возможность выбирать, какой именно целевой продукт получать — это может быть только сырьевое масло, или только бензин, или другие продукты нефтехимии. Требования рынка диктуют, какие конечные продукты должны быть получены.

Бензин должен удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать разрушительного воздействия на детали топливной системы и емкости для его хранения и т. д. В последние годы важным требованием к топливам стала их экологическая безопасность.

Автомобильные бензины одной марки, изготовленные на разных предприятиях, имеют несколько различающийся состав, что связанос различным набором технологического оборудования. Однако они должны соответствовать нормативной документации (ГОСТам, ТУ). Усредненный компонентный состав бензинов разных марок приведен в табл. 1.

Таблица 1. Усредненный компонентный состав бензинов разных марок

Базовым компонентом для выработки автомобильных бензинов обычно являются бензины каталитического риформинга или каталитического крекинга. Бензины каталитического риформинга характеризуются низким содержанием серы, в их составе практически отсутствуют олефины, поэтому они высокостабильны при хранении. Однако повышенное содержание в них ароматических углеводородов с экологической точки зрения является лимитирующим фактором. К их недостаткам также относится неравномерность распределения детонационной стойкости по фракциям. В составе бензинового фонда России доля компонента каталитического риформинга превышает 50 %.

Бензины каталитического крекинга характеризуются низкой массовой долей серы, октановыми числами по исследовательскому методу 90—93 единицы. Содержание в них ароматических углеводородов составляет 30—40 %, олефиновых — 25—35 %. Они обладают относительно высокой химической стабильностью (индукционный период 800—900 мин). По сравнению с бензинами каталитического риформинга, для бензинов каталитического крекинга характерно более равномерное распределение детонационной стойкости по фракциям. Поэтому в качестве базы для производства автомобильных бензинов используется смесь компонентов каталитического риформинга и каталитического крекинга.

Для достижения большей эффективности работы двигателя в бензин добавляют различные присадки.

Разные присадки используют в зависимости от времени года, чтобы скорректировать испаряемость.

Другие присадки оказывают влияние на октановое число. Наиболее часто октановое число повышают, вводя в бензин антидетонаторы — вещества, добавляемые в топливо в небольшом количестве для повышения детонационной стойкости. Действие антидетонационной присадки основано на замедлении процесса образования гидроперекисей и перекисей и/или их расщепления.

Различные нефтяные компании используют свои присадки для чистящего эффекта, а также придания топливу дополнительных свойств для конкурентных преимуществ.

Воздух состоит в основном из азота — приблизительно 78 %, следующая доля за кислородом — ~21 %, остальную часть (1,25 %) образуют инертные газы: аргон, гелий, неон и др.

Двигателю для процесса горения требуется только кислород. Желательно добиться, чтобы молекулы углеводорода реагировали при сгорании только с кислородом. На практике этого достигнуть невозможно, так как часть азота из воздуха реагирует с кислородом: на это тратится полезная энергия, и азотные окислы являются загрязнителями окружающей среды.

Если бы удалось создать ДВС с КПД 100 %, это означало бы получение огромной мощности на выходе, так как вся тепловая энергия, освобождаемая в процессе сгорания, преобразовывалась бы в полезную мощность, и не требовалось бы охлаждение двигателя. При реакции бензина с кислородом в идеальных условиях получаются только углекислый газ (СОД и вода (Н₂О), что является по сути лишь другой комбинацией атомов. При этом выделяется большое количество тепловой энергии. Единственная возможность осуществления этого на практике — смешивать топливо в карбюраторе с чистым кислородом.

Один галлон (примерно 4,55 л) бензина эквивалентен ~125 ООО БТЕ, или 36,5 кВт энергии. Это примерно столько же, сколько выделяет 1,5 кВт обогреватель, работая на полную мощность в течение целого дня.

Октановое число — показатель сопротивляемости топлива самовоспламенению под давлением. Топливо с более высоким октановым числом не дает больше энергии и больше мощности, но будет препятствовать детонации в двигателе с высокой степенью сжатия или при работе двигателя в режиме динамического опережения зажигания для увеличения мощности. В частности, турбированные двигатели могут быть очень чувствительны к октановому числу топлива.

Более сложные и разветвленные молекулы помогают поднять октановое число, так как они труднее расщепляются в процессе горения. Очень долго тетраэтилсвинец был основным химическим соединением, использующимся для повышения октанового числа в бензине. Так как соединения свинца несут повышенный риск для здоровья и наносят вред окружающей среде, со временем и с ужесточением экологических норм формула бензина претерпела изменения.

Бензины марок АИ-95 и АИ-98 чаще всего получают с добавлением кислородсодержащих компонентов: метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) или его смеси с трет-бутиловым спиртом (ТБС), получившей название фэтерол — торговое название «Октан-115». Недостаток всех этих компонентов заключается в том, что при повышенной температуре эфир из бензина улетучивается, что вызывает уменьшение октанового числа бензина.

Наиболее часто октановое число повышают, вводя в бензин антидетонаторы. Действие антидетонационной присадки основано на замедлении процесса образования гидроперекисей и перекисей и/или их расщепления.

В качестве антидетонатора до недавнего времени в основном использовался тетраэтилсвинец (ТЭС) — РЬ(С₂Н₅)₄ — густая бесцветная ядовитая жидкость; плотность — 1659 кг/м³; температура кипения — 200 °C; легко растворяется в нефтепродуктах и не растворяется в воде. ТЭС тормозит образование перекисных соединений в топливе, что уменьшает возможность возникновения детонации. Применять тетраэтилсвинец в чистом виде нельзя, так как образующийся металлический свинец осаждается в виде нагара на стенках цилиндра, поршня и вызывает отказ двигателя. Поэтому ТЭС добавляют в бензин в смеси с выносителями свинца, образующими с ним при сгорании летучие вещества, которые удаляются из двигателя вместе с отработавшими газами. В качестве выносителей применяют вещества, содержащие бром или хлор.

Смесь ТЭС и выносителя, которая применяется как антидетонатор, называется этиловой жидкостью, а бензины — этилированными. Этилированный бензин очень ядовит и требует повышенных мер безопасности. Этилирование позволяет поднять октановое число на 5—10 пунктов. Наиболее эффективно добавление ТЭС до 0,5—0,8 г на 1 кг бензина. При более высокой концентрации повышается токсичность, а детонационная стойкость возрастает незначительно.

ТЭС очень ядовит, может проникать в кровь человека через поры кожи и постепенно накапливаться, а также попадать в организм через дыхательные пути, вызывая тяжелые заболевания. Даже небольшие дозы ТЭС в пище вызывают смертельные отравления. Свинцовые соединения, удаляющиеся из двигателя с выхлопными газами, оседают на почве и придорожной растительности. Если в топливе содержится сера, то эффективность ТЭС резко снижается, поскольку образуется сернистый свинец, препятствующий разложению перекисей. Антидетонаторы на основе ТЭС в Российской Федерации запрещены, так как ГОСТ Р 51105-97 предусматривает выпуск только неэтилированных бензинов.

Наиболее эффективны из неядовитых марганцевые антидетонаторы.

В качестве присадок к топливу широко используют спирты.

В недалеком прошлом в этих целях в виде присадки применяли метиловый спирт, он же метанол, самый простой вид спирта: он легкий, легковоспламеняемый. Его можно производить из сырой нефти, но метанол — яд для живого организма.

Этиловый спирт, или этанол, производится брожением крахмала, сахара и других растительных углеводов. Это тип спирта, который применяют для производства алкогольных напитков. Он также повышает октановое число и поглощает влагу из воздуха или непосредственно при вступлении в контакт с водой. К тому же он экологически безвреден.

Изопропиловый спирт не пригоден для употребления. Он также используется как антифриз. Другое его применение — в качестве промышленного растворителя, добавок для косметических средств и чаще всего в качестве медицинского дезинфицирующего средства.

Все эти соединения содержат водород и углерод и становятся спиртом благодаря добавлению атома кислорода. Именно по этой причине спирт может быть использован как средство для добавления кислорода к бензину химическим способом, а также в качестве чистого топлива без бензина.

Когда в камеру сгорания поступает меньшее количество топлива, обороты двигателя увеличиваются, а охлаждающий эффект горячих внутренних поверхностей двигателя от испарения топлива снижается. Это может вызвать задиры поршня, несмотря на то, что двигатель герметичен и крыльчатка маховика в порядке. Такие последствия может вызвать и этанол, если его концентрация в бензине более 10 %, или если двигатель настроен на максимально возможные параметры при использовании обычного бензина, или если сепарация фаз привела к прохождению через карбюратор воды/этанола.

Этанол может и косвенно привести к обеднению режима работы, если растворенные примеси будут приводить к засорению каналов карбюратора. Таким образом, этанол в топливе может быть либо прямой, либо косвенной причиной поломки двигателя.

Как только катализатор разогревается, это вызывает химическую реакцию кислорода с углеводородом: происходит его догорание. Катализатор способствует реакции окисления благодаря нагреву и присутствию кислорода — реакция обычно начинается при температуре ~150 °C.

Катализатор можно упрощенно понимать как «дожигатель». Катализатор не влияет на экономию топлива или производительность двигателя. Он оказывает воздействие на тот углеводород, который не сгорел и покинул камеру сгорания, а затем оказался в глушителе. Важно, чтобы рабочая смесь не была переобогащенной, иначе возможен перегрев катализатора.

Если двигатель правильно настроен и рабочая смесь не слишком богатая, с помощью катализатора можно сократить эмиссию максимум до 70 %. У двигателя с катализатором меньше вредная эмиссия, но топлива расходуется не меньше.

Но катализатор увеличивает и вес, и стоимость агрегата.

2. Масло моторное

Если посмотреть под лупой на металлическую поверхность, которая кажется очень гладкой, например на стенку цилиндра или компрессионное кольцо, то она окажется скорее шершавой, чем гладкой. Когда поверхности стенки цилиндра и компрессионного кольца начинают тереться друг о друга при возвратно-поступательном движении поршня, шероховатости нивелируются или уменьшаются.

То есть возникает трение — процесс взаимодействия тел при их относительном движении, также называемое фрикционным взаимодействием (англ, friction).

При достаточно большом трении две металлические части могут свариться между собой, что приведет к поломке двигателя.

Моторные масла разрабатываются специально для того, чтобы при эксплуатации агрегатов, включая бензиномоторные пилы, трение между подвижными деталями было минимальным — это сказывается на температуре рабочих поверхностей, а значит и активности деформационных явлений, то есть, другими словами, износе двигателя: в критической ситуации он может просто выйти из строя из-за перегрева.

Трение металла о металл, задиры и излишний износ — те явления, которые масло должно предотвращать, в то же время после сгорания масло не должно оставлять после себя углеродных отложений или посторонних осадков.

Поэтому передовые производители масел используют только лучшее сырье и самые современные технологии — тогда моторное масло соответствует тем высоким требованиям, которые предъявляют к нему современные 2-тактные двигатели с воздушным охлаждением.

Например, моторные масла STIHL HP и HP Ultra являются высококачественными моторными маслами, которые предназначены для применения в высокооборотных 2-тактных двигателях с воздушным охлаждением.

Когда масло сгорает в камере сгорания, то из-за химических реакций оно оставляет отложения. Обычно они видны как нагар или налет, которые могут откладываться в выпускном отверстии или быть причиной слипания компрессионных колец.

Образование нагара на днище поршня может иметь следствием увеличение компрессии, что в свою очередь может повлечь детонацию топлива.

Есть специальные добавки, или присадки, которые имеют очищающий и чистящий эффект, и их вводят в состав масла для того, чтобы не образовывались излишние отложения. Есть 2 типа присадок — бездымные и малодымные.

Бездымные присадки работают эффективно у двигателей с низкой температурой — с водяным охлаждением или с воздушным, но которые не достигают высоких температур и имеют относительно невысокие рабочие обороты: например, газонокосилки с 2-тактным двигателем. Бездымные очищающие присадки сделаны из органических азотных компонентов и не образуют дыма, когда сгорают. Эти масла для двигателей, у которых зона поршневых колец не нагревается выше 150 °C.

В малодымных маслах используют присадки с кальциевой основой, которые образуют незначительное количество сажи в процессе горения, которая содействует охлаждению и смазке. Чем выше температура двигателя, тем более ценно это проявление. Малодымные добавки позволяют свести образование нагара в области поршневых колец к минимуму вплоть до температуры 200 °C.

Инженеры определяют, какие присадки должны использоваться, чтобы эти масла справлялись со своей работой максимально хорошо и эффективно в современных агрегатах с их повышенной производительностью и тенденцией работать в обедненном режиме.

Например, STIHL использует базовое масло высшего качества для своих моторных масел, эта базовая группа I вязкости 600 имеет минимальную концентрацию серы.

Дешевые сернистые сырьевые масла в процессе сгорания производят кислоты, из-за которых стенки цилиндров, поршни, кольца, подшипники будут постепенно коррозировать и выйдут из строя.

Требования к маслам для 2-тактных двигателей с воздушным охлаждением являются порой противоречивыми, поэтому присадкам отводится очень важная роль.

Масло должно выполнять свою работу при экстремально высоких температурах, оно должно чисто сгорать, чтобы не образовывались отложения, которые могли бы повредить двигатель.

При производстве масла STIHL HP в него добавляется «брайтсток » — минеральная присадка с высокой вязкостью для предотвращения появления задиров поршня. Брайтсток не так легко сгорает, поэтому смазывающее действие масла сохраняется и при высоких оборотах, и при высокой температуре.

Если брайтстока будет недостаточно, то поршень не будет защищен от износа, если же слишком много, то это приведет к заклиниванию поршневых колец и выходу из строя подшипников.

Брайтсток имеет больше плотность по сравнению с другими присадками и самый большой размер молекул. Это тот компонент масла, который сгорает в последнюю очередь и обеспечивает тем самым защиту поршня от задиров.

Надо быть осторожным по отношению к дешевым маслам или маслам для двигателей с водяным охлаждением. Они могут хорошо подходить для двигателей, имеющих меньшие обороты, но не подходить для 2-тактных высокооборотистых двигателей.

Масло STIHL HP, например, имеет в своем составе также специальную присадку чистящего действия — она очищает камеру сгорания от возникающих отложений, создает небольшое количество «сухой» смазки, к тому же имеет и антикоррозионное действие. Она также обеспечивает отличное смазывающее действие при высоких температурах.

Чтобы консистенция масла стала менее вязкой и для лучшей смешиваемости с бензином, в него добавляются растворители.

Некоторые 2-тактные моторные масла не имеют растворителей. Они вместо них используют бензин для достижения нужных характеристик. Это требует дополнительного встряхивания канистры с бензином, и существует тонкая грань между «правильно — неправильно».

Другие присадки нужны для снижения точки текучести. Эти компоненты позволяют вытекать маслу из бутылки при низкой температуре и содействуют хорошему перемешиванию с бензином при отрицательных температурах, а также позволяют избегать отделения масла от бензиномасляной смеси.

Также качественные моторные масла содержат мультифункциональные топливные стабилизаторы.

Они содержат и «деактиватор», который предотвращает коррозионную активность. К тому же это помогает защитить пластиковые и резиновые элементы от термального, ультрафиолетового, окисляющего воздействий. Эти присадки также предотвращают появление отложений и налета в карбюраторе.

Существуют добавки против износа, обеспечивающие дополнительную защиту для подшипников, поршня, колец и для случая экстремальных условий работы.

Последняя присадка — цветовая. Она нужна для придания топливу цвета, чтобы с первого взгляда можно было понять, есть ли масло в топливе.

Ни при каких обстоятельствах не следует использовать моторное масло, предназначенное для двигателей с водяным охлаждением, для 2-тактных двигателей с воздушным охлаждением!

JASO и ISO классификации являются сейчас доминирующими и самыми авторитетными в мире для моторных масел 2-тактных двигателей с воздушным охлаждением, но это не значит, что они полностью применимы для ручных агрегатов с 2-тактными двигателями, по следующим причинам.

JASO и ISO сертификации ориентированы главным образом на моторные масла для 2-тактных двигателей скутеров и мопедов, которые в избытке колесят по дорогам множества европейских и американских стран и являются основной проблемой загрязнения атмосферы в них. Первичный посыл — дать классификацию по малодымности: чтобы в первую очередь визуальная составляющая вредной эмиссии от работы данных двигателей была минимальной. Эффективность использования масла оценивалась по четырем критериям: чистящая способность, смазка, блокирование выпускного канала и дым. И основное внимание направлено на требование минимальной видимости выхлопных газов.

Спецификация по ISO дополняет спецификацию JASO более высоким уровнем по чистящей защите.

JASO и ISO сертификации вводят в заблуждение по их пригодности в ручных агрегатах с 2-тактными двигателями, так как они используют методологию тестирования, которая основана на двигателях мопедов Honda Dio 50сс и генераторов Suzuki. Эти двигатели имеют совершенно другие рабочие параметры и характеристики, а также и условия эксплуатации, чем бензиномоторные пилы.

Другими словами, актуальные JASO и ISO-стандарты позволяют производить моторные масла с претензией на малодымность и хорошие чистящие свойства, но они могут не обеспечить нужных смазочных свойств, защиты поршней от задиров и чистящего эффекта для современных двигателей, применяемых в бензиномоторных пилах.

График на рис. 1. показывает результаты экспериментов по термической стабильности моторных масел. Они определяют, насколько неизменным остается химический состав масел при повышении температуры. Важно знать температуру, при которой состав масла начинает претерпевать изменения, когда масло уже не обеспечивает эффективности смазывания. Эта граница обозначается как начало потери термального веса.

Рис. 1. График термической стабильности моторного масла STIHL HP

Типичный 2-тактный двигатель имеет рабочую температуру 225 °C. Как видно из рис. 1, масло STIHL HP начинает меняться в составе при температуре, которая выше свойственной традиционным 2-тактным двигателям.

Выше говорилось в основном о минеральных моторных маслах. Сейчас же все более широкое применение находят синтетические моторные масла. Их рецептура (рис. 2) обеспечивает выдающуюся смазываемость двигателя, оставляя его при этом чистым. В свою очередь это дает низкие углеродные отложения, термическую стабильность, отсутствие нагара на свече.

Рис. 2. Ведущие производители сами разрабатывают рецептуру масел для своей техники

3. Масло для смазки цепи

Главное свойство, которым должны обладать цепные масла: адгезионность (от лат. adhaesio — прилипание) — сцепляемость поверхностей разнородных твердых и/или жидких тел. Она обусловлена межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. Именно она позволяет маслу удерживаться в цепи даже тогда, когда она делает оборот вокруг концевой звездочки.

Масло, не обладающее этим свойством, в этот момент будет стремиться покинуть цепь под действием огромной центробежной силы. В результате смазка цепи в ходе ее движения по нижней стороне шины либо будет недостаточной, либо ее не будет вообще.

Рис. 3. Заправка бензопилы цепным маслом

Благодаря адгезионности цепь будет смазываться в течение всего хода по шине. Значит, вся пильная гарнитура прослужит дольше.

Рецептура цепного масла STIHL не остается постоянной, все время происходит поиск наболее оптимального состава, и сейчас оно имеет превосходные защитные свойства по перегреву и износу как шин, так и цепей, препятствует образованию дыма, имеет хорошую текучесть и при низких температурах, подходит для всех типов пильной гарнитуры и пород древесины, не склонно к образованию смолы.