CC BY
73
УДК 62-144; 621.43
ВЛИЯНИЕ ФТОРОРГАНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВС
М.Ю. Карелина1
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет
(МАДИ), 125319, Москва, Ленинградский Проспект, 64
Для решения проблемы пуска двигателя при низких температурах предложен новый подход - введение наноматериала (модификатора) в масло силовых агрегатов двигателя внутреннего сгорания. Результаты экспериментов показали, что введение модификатора в моторное масло дизельного двигателя и в трансмиссионное масло КПП, с последующей обкаткой силового агрегата в течение 10 ч позволило снизить предельную температуру пуска с — 12°С (по ОСТу) до — 20°С, при этом снизилась нагрузка на электростартер-ную систему пуска двигателя.
Ключевые слова: наноматериалы, пуск двигателя, частота вращения, температура запуска двигателя.
INFLUENCE OF FLUORIDE-CONTAINING ORGANIC SURFACTANTS ON THE
PERFORMANCE OF THE ENGINE
M. Y. Karelina
Moscow state automobile and road technical University (MADI), 125319, Moscow, Leningradsky Prospekt, 64
To solve the problem of starting the engine at low temperatures suggests a new approach - the introduction of nanomaterials (мodifier) into the oil power units of the internal combustion engine. The experimental results showed that the introduction of a мodifier in the engine oil, diesel engine and transmission oil transmission, followed by running the power unit for 10 h was possible to reduce the temperature limit of start with —12 is (OST) to — 20 is With, thus reducing the load on the electrical system to start the engine.
Keywords: nanomaterials, start the engine, the rotational speed, the temperature of the engine start.
Вопросам влияния эксплуатационных факторов и режимов работы на ресурс автотракторных двигателей посвящено большое число исследований. Так при низких температурах воздуха в процессе пуска холодных двигателей возрастает износ цилиндров и поршневых колец. Основной причиной интенсификации износа при этом является нарушение условий смазки, а также возникновение электрохимической коррозии. Последняя особо активизирует процесс износа при падении температуры охлаждающей жидкости ниже 60 70°С [1].
Испытаниями установлено, что при холодной проточной воде и частых пусках в сравнении с нормальными условиями работы износ цилиндров и поршневых колец возрастает в 2 ^ 4 раза.
Эксплуатация автотракторной техники в условиях современного состояния транспортной инфраструктуры [2] характеризуется частыми остановками и пусками, а также переключениями передач, что значительно снижает
долговечность двигателя за счет попадания обогащенной смеси на стенки цилиндров, смывающей смазку. Последнее способствует интенсификации коррозионно-механического износа.
Особое влияние на ресурс двигателей оказывают применяемые в эксплуатации смазочные масла - их физико-химические свойства и стабильность этих свойств в процессе эксплуатации, а так же при изменении температуры. При высоких температурах свыше 150°С ускоряется процесс окисления и старения масел. Вязкость масла должна быть достаточно высокой для создания защитных пленок на поверхностях сопряжений в условиях малых скоростей и повышенных нагрузок. В то же время вязкость масел ограничивается требованиями обеспечения хорошего отвода тепла от поверхностей трения и низкого коэффициента трения при высоких скоростях в режиме гидродинамического трения [3].
1 Карелина Мария Юрьевна - доктор педагогических наук, кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой "Детали машин и теория механизмов"МАДИ, тел.: +7 985 776 23 63; e-mail: karelinamu@mail.ru
Влияние фторорганических поверхностно-активных веществ на эксплуатационные характеристики.,
В настоящее время найдены эффективные пути решения этой задачи. Разработана технология получения на поверхностях три-босопряжений квазикристаллического молекулярного слоя. Формирование такого слоя происходит за счет адсорбции амфифильных молекул с перфторированным радикалом из раствора, где роль растворителя выполняет смазочное масло [4]. Такой молекулярный слой является модификатором поверхности, предающей ей такие уникальные свойства, как снижение износа и коэффициента трения, антикоррозионную стойкость, защиту поверхности в случае отсутствия смазки, а также снижение адгезии смазки к поверхностям трибосопряжений.
Постановка экспериментальных исследований
Важные значения для получения качественной защитной молекулярной пленки имеет концентрация модификатора в смазочной среде.
Для установления зависимости свойств смачивания от концентрации модификатора были изготовлены растворы различной концентрации, где в качестве растворителя использовали летучее вещество типа хладон.
О 0,5 1,0 1,5 2,0
Рисунок 1 - Зависимость краевого угла смачивания от концентрации модификатора
Соединения, обладающие способностью влиять на свойства поверхности, в дальнейшем - модификаторы, называются поверхностно-активными веществами и относятся к нанома-териалам [5].
В раствор были помещены металлические пластины, после выдержки и сушки произведены замеры краевого угла смачивания. Результаты зависимости краевого угла смачивания для воды и масла представлены на рис. 1.
Как следует из приведенных на рисунке данных, при концентрации модификатора, равной 0,5 1,0% происходит образование насыщенного молекулярного слоя.
Оценку прочности молекулярных пленок проводили в соответствии с методикой НИИЧаспрома по величине краевого угла смачивания капли масла МН-60 ГОСТ 8781-71.
Порядок проведения эксперимента
1. Металлические пластины (3 шт.) с шероховатостью поверхности Rz 0,1 (материал -У10А) были промыты моющим средством «Ар-сек» ТУ 38.504-63-0292-92, просушены, затем были промыты трихлорэтиленом и просушены.
2. На приготовленные пластины были нанесены капли масла МН-60 и замерены краевые углы смачивания. Краевой угол равен порядка 25°.
3. На металлические пластины методом окунания согласно методике «НИИЧаспрома» были нанесены молекулярные пленки, после чего пластины были высушены в термошкафу при температуре 40°С в течение 30 мин.
4. На каждую пластину были поставлены капли масла МН-60 маслодозировкой № 6 и измерены краевые углы смачивания.
5. Оценивали значение краевых углов смачивания после пятикратной промывки три-хлорэтиленом.
Результаты измерения краевых углов смачивания представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты измерения краевых углов смачивания
Краевой угол смачивания в, среднее значение угла смачивания б ср., изменение угла смачивания Д в, град.
Непосредственно после нанесения пленки После промывки
1 2 3 4 5 После 5-ой промывки
бср бср бср бср бср бср Д в
50,6 49,7 52,9 54,9 48,7 49,6 -1
После пяти промывок угол в практически не изменился, что свидетельствует о прочности молекулярной пленки.
Оценка влияния модификатора на пусковые качества ДВС при отрицательных температурах заключалась в определении предельной температуры пуска дизельного и карбюраторного двигателей, а также величины тока в цепи стартера [6].
В качестве объектов испытаний были использованы силовые агрегаты автомобилей ЗИЛ-4331 и ЗИЛ-130.
Методика проведения испытаний
Испытания проводили в соответствии с требованиями отраслевого стандарта ОСТ 37.001.052-87, инструкцией по эксплуатации автомобилей ЗИЛ-4331, ЗИЛ-130 и на основе рекомендаций производителя ЗАО «Автоко-нинвест» по вводу модификатора в масла двигателей и трансмиссий.
В качестве моторного и трансмиссионного масел использовали товарные сорта, рекомендованные инструкциями по эксплуатации автомобилей в зимний период.
Для дизельного двигателя: моторное масло М8 Г2К; трансмиссионное масло ТСп-15К.
Для карбюраторного двигателя: моторное масло М6з/12В; трансмиссионное масло ТСп-14.
Испытания проводили в низкотемпературной камере. Пуск дизельного двигателя проводили от двух аккумуляторных батарей 6СТ-190 ТР, заряженных на 75 % от номинальной емкости.
Пуск карбюраторного двигателя проводили от одной аккумуляторной батареи 6СТ-90 заряженной на 75% от номинальной емкости. Питание дизеля осуществляли товарным зимним топливом марки «ДЗ», карбюраторного двигателя - товарным бензином А-76. Систему охлаждения двигателей заправляли тосолом А-40.
Испытания проводили в три этапа:
I этап: проверка пусковых качеств испытуемых двигателей: дизельного при температуре -12°С (в соответствии с 0СТ.37.006052-87), карбюраторного при -15°С (в соответствии с инструкцией по эксплуатации автомобиля ЗИЛ-130, т.к. двигатель разработан и поставлен на производство до выхода данного ОСТа).
II этап: заливка в моторное и трансмиссионное масло модификатора в количествах: 0,5 %.
Двигатели и КПП предварительно были прогреты до рабочих температур. Обкатка двигателей на стенде в объеме 10 ч, причем обкатку дизеля проводили при его работе на холостом ходу; обкатку карбюраторного двигателя проводили от электробалансирной машины.
III этап: определение предельной температуры пуска двигателей после ввода модификатора и проведения обкатки.
Контролируемые параметры при испытаниях:
•температура окружающего воздуха в холодильной камере, °С;
•температура охлаждающей жидкости,
°С;
•температура масла в поддоне двигателя,
°С;
•температура масла в КПП, °С; •температура электролита аккумулятор -ных батарей, °С;
•температура стенки цилиндра двигателя,
°С;
•частота вращения двигателя стартером при пуске, об/мин;
•ток в цепи стартера, А.
Для измерения контролируемых параметров использовали подсистему измерения температуры: тип 3487, фирма «YEW», способ измерения - хромель-копелевые ТХК-термопары; предел измерения: — 60 ^ +150°С; точность измерения: ± 0,1 °С;
Список термопар: Т1 - охлаждающая жидкость;Т3 - масло в поддоне двигателя; Т5 -электролит аккумуляторных батарей; Т7 - воздух в объеме холодильной камеры; Т9 - стенка цилиндра двигателя.
Перед проведением испытаний все температуры выравнивали с точностью до 1 ^ 1,5°С;
Подсистема измерения частоты вращений двигателя и тока в цепи стартера - осциллограф Fotokorder 2932, индуктивный датчик, шунт 1000А.
Расчет времени i, частоты вращения двигателя п и тока стартера /ст по ленте осциллографа проводили по тарировочным формулам:
t = 0,6666 с х 1 см (по оси абс.);
п = 20 об/мин х 1 мм (по оси орд.);
1ст = 60А х 1 см (по оси орд.).
Все приборы и датчики были предварительно оттарированы и отвечали метрологическим требованиям.
Результаты испытаний дизельного двигателя ЗИЛ-645представлены на рис. 2^5.
Влияние фторорганических поверхностно-активных веществ на эксплуатационные характеристики.
Пуск двигателя без применения модификатора проводили при температурном состоянии холодильной камеры и двигателя, указанном на рис. 2.
Рисунок 2 - Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя ЗИЛ-645 без применения модификатора при температуре воздуха -12,4° С
Скорость прокрутки двигателя стартером составила 152^157 об/мин, ток стартера -537А , двигатель пустился на первой попытке (рис. 2).
Скорость прокрутки двигателя стартером после введения модификатора и обкатки при температуре -12°С увеличилась до 180 об/мин при практически не изменившемся токе стартера - 530А. Пуск двигателя при данной температуре не проводили (рис. 3)
Рисунок 3 - Фрагменты осциллограмм прокрутки дизельного двигателя ЗИЛ-645 стартером после введения модификатора и обкатки при температуре воздуха -13,5°С
При температуре -17°С была произведена попытка пуска. Двигатель пустился на первых секундах стартования, при этом частота его вращения стартером составила 150 об/мин, максимальный ток стартера - 555А, при появлении активных вспышек значение тока - 488А с дальнейшим падением.
Уменьшение частоты вращения двигателя с возрастанием тока произошло из-за повышения температуры, вязкости масла и снижения стартовой емкости аккумуляторных батарей (рис. 4).
Рисунок 4 - Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя ЗИЛ-645 после введения модификатора и обкатки при температуре воздуха
-17°С
При температуре -20°С двигатель пустился на 19-й секунде стартования и достаточно быстро вышел на работу по всем цилиндрам, при этом частота вращения составила 140 об/мин, ток - 564 А (рис. 5).
Рисунок 5 - Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя ЗИЛ-645 после введения модификатора и обкатки при температуре воздуха
-20°С
Таким образом введение модификатора в моторное масло дизельного двигателя и в трансмиссионное масло КПП, с последующей обкаткой силового агрегата в течение 10 ч позволило снизить предельную температуру пуска с -12°С (по ОСТу) до -20°С, при этом снизить нагрузку на электростартерную систему пуска двигателя.
Результаты испытаний карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 представлены на рис. 6^9.
Пуск двигателя без применения модификатора проводили при температуре воздуха в холодильной камере -15°С (рис. 6).
Двигатель заработал со второй попытки, при этом скорость прокрутки двигателя стартером составила 90 об/мин, а ток стартера - 240А.
После ввода модификатора и обкатки двигателя, его пуск (при температуре -15°С) произошел при первой попытке, при этом частота вращения двигателя стартером составила 110 об/мин при токе стартера 215А (рис. 7).
Рисунок 6 - Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя ЗИЛ-130 без применения модификатора при температуре воздуха -15°С
Номер Значение
термопары температуры
Т1 -15,7°С
ТЗ -15,2°С
Т5 -15,1°С
Т7 -15,9°С
Т9 -16.ГС
Рисунок 7 - Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя ЗИЛ-130 после введения модификатора и обкатки при температуре воздуха
-15°С
При температуре -20°С двигатель запустился на второй попытке при частоте вращения двигателя стартером 100 об/мин и величине тока 318-324А (рис. 8).
Рисунок 8 - Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя ЗИЛ-130 после введения модификатора и обкатки при температуре воздуха
-20,9°С
При температуре воздуха -25°С (масло и электролит аккумуляторных батарей --22,8°С и -23°С соответственно) двигатель запустился со второй попытки при частоте вращения двигателя стартером 80^84 об/мин и величине тока 360-372 А (рис. 9). При дальнейшем снижении температур двигатель не запустился.
Рисунок - 9 - Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя ЗИЛ-130 после введения модификатора и обкатки при температуре воздуха -25°С
Введение модификатора в масло (две упаковки в двигатель и две в КПП) силового агрегата с карбюраторным двигателем ЗИЛ-130 позволило снизить предельную температуру пуска двигателя до -23°С (по инструкции на автомобиль ЗИЛ-130 ниже температуры -15°С рекомендуется использовать предпусковой подогреватель).
Введение модификатора в силовые агрегаты с дизельным и карбюраторным двигателем дает возможность улучшить их пусковые качества, очевидно за счет снижения момента сопротивления проворачивания двигателя стартером и повышения пусковых оборотов (момент сопротивления в процессе экспериментов не измерялся).
Литература
1. Белицкий М.С. Основы эксплуатационной долговечности двигателя автомобиля. Новочеркасск. Ун. из-во. 1961. 264 с.
2. Лазарев Ю.Г., Основы совершенствования транспортной инфраструктуры // Лазарев Ю.Г., Си-ницына Е.Б. // Технико-технологические проблемы сервиса. 2013. № 2 (24). С. 92-93.
3. Гайдар С.М. Характеристика и показатели нано-материалов для снижения износа деталей сельхозмашин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. № 12. С. 20-22.
4. Гайдар С.М. Применение нанотехнологий для повышения надежности машин и механизмов // Грузовик. 2010. № 10. С. 38-41.
5. Рамбиди Н.Г., Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2008. 456 с.
6. Гайдар С.М., Дмитревский А.А., Быков К.В. Улучшение пусковых качеств двигателей внутреннего сгорания при отрицательных температурах // Ремонт, восстановление, модернизация. 2013. № 2. С. 35-40.
