ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА МОТОРНЫХ МАСЕЛ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА

МОТОРНЫХ МАСЕЛ

О.Б. Боднарь, И.В. Анищенко РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, г. Москва, e-mail: bodnar.oleg@bk.ru

Моторное масло - дисперсная система, состоящая из базового масла и присадок, модифицирующих вязкость и выполняющих моюще-диспергирующие, антиокислительные, противоизносные и антикоррозионные функции. Для нейтрализации кислотных продуктов сгорания топлива и окисления углеводородных молекул, удержания загрязняющих частиц в суспензии и предотвращения их агломерации в моторные масла добавляют щелочные присадки. Щелочные присадки состоят из полярных молекул, базовые масла и небольшая часть присадок - из неполярных. Таким образом, моторные масла представляют собой смесь неполярных и полярных диэлектриков. Содержание полярных диэлектриков (щелочных компонентов) в смеси показывает один из базовых эксплуатационных параметров - щелочное число.

Зависимость коэффициента вязкости (кинематической или динамической) от температуры - одна из важнейших характеристик моторного масла. Эта зависимость определяет рабочий диапазон температур, надежное смазывание и охлаждение деталей двигателя при максимальных нагрузках. Вязкость обусловлена наличием сил внутреннего трения, возникающих в результате межмолекулярных взаимодействий молекул жидкости.

Диэлькометрия - совокупность электрофизических методов исследования состава и свойств веществ, основанных на измерении диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.

Диэлектрическая проницаемость е на низких частотах экспериментально определяется как отношение емкости с исследуемым диэлектриком С к емкости без диэлектрика Со (воздушного конденсатора):

Теоретические основы метода экспресс-анализа моторных масел

(1)

При внесении жидкого диэлектрика в переменное электрическое поле конденсатора Е = Е0е1Ш результирующая плотность тока](/) складывается из плотностей

токов, обусловленных механизмом упругой поляризации электронных оболочек и механизмом тепловой поляризации полярных молекул у2() [1]:

М = Ш + (2)

Плотность тока ](), связанная с механизмом упругой поляризации электронных оболочек, вследствие малой инерционности в области низких частот имеет только реактивную составляющую (ток смещения):

дЕ

Л(0 = ее0 — = '■ее оЕое^, (3)

д/

где е 0 - электрическая постоянная.

Для расчета второй составляющей плотности тока у2() исследуем динамику изменения поляризованности Р при тепловой поляризации. Поляризованность Р равна поверхностной плотности связанных зарядов. Тепловая поляризация возникает за счет постепенного изменения электрического момента в объеме диэлектрика путем асимметричного распределения диполей в процессе установления термодинамического равновесия. Скорость уменьшения поляризованности пропорциональна самой величине поляризованности:

ШР 1 л

"Г = — Р , (4)

са т

где т - время релаксации, в течение которого поляризованность уменьшается в е раз. Время релаксации, как и вязкость, определяется силами межмолекулярного взаимодействия и температурой.

Если к диэлектрику приложить переменное напряжение, то изменение поляризованности описывается уравнением:

+1Р = па Е0е' , (5)

Ш т т

где - концентрация полярных молекул на обкладках конденсатора, а - поляризуемость диполей. Поляризуемость дипольной поляризации, обусловленной тепловым движением:

а =

Ро

3кТ'

(6)

где р0 - дипольный момент молекулы при отсутствии поля, к - постоянная Больцмана, Т-термодинамическая температура.

Стационарное решение уравнения (5) имеет вид:

Р Ц) =

ПЧ а г-г 1 ю I

1 +1 ют

Плотность тока

ЛС)

д Р

д I 1 + /ют

т3 аю Е е ,ю, Е 0е

I - ют ■

--—п5 аюЕ0е

1 + ют

(7)

(8)

включает активную

] 2 в (' )

ют

1 + ю2 т

2 2 п3 аюЕ0е1

(9)

и реактивную составляющие:

Л г (<)

1 + ю2 т

2 2 п3 аюЕ0е1

(10)

Векторная диаграмма плотностей токов и напряженности поля дисперсной системы, состоящей из полярных и неполярных диэлектриков, представлена на рис. 1. Угол 5 - угол между активной и реактивной составляющими плотности тока ]. Дипольные моменты р0 полярных молекул, входящих в состав дисперсантов и

детергентов, составляющих основу щелочных присадок, имеют величины порядка 10

-30

Кл-м, среднее значение объемной концентрации полярных молекул п порядка 1026 м-3. Подстановка этих значений в выражения (6) и (10) позволяет сделать вывод о том, что в рабочем диапазоне температур реактивная составляющая плотности тока смещения ]() (3) на два порядка больше реактивной составляющей механизма тепловой поляризации ЬО (10) и при расчете 5 реактивной составляющейу2() можно пренебречь.

Рис. 1. Векторная диаграмма плотностей токов и напряженности поля системы, состоящей из полярных и неполярных диэлектриков:]1т - амплитуда плотности тока смещения;]2т -амплитуда плотности тока механизма тепловой поляризации; Е0 - амплитуда напряженности поля конденсатора; 5 - угол потерь

Тангенс угла потерь численно равен отношению плотности тока активной составляющей к плотности тока реактивной составляющей в переменном синусоидальном электрическом поле. Для исследуемой системы абсолютное значение 5 определяется так:

tgS =

Л а ) П а

■т

а

■т

) ее0(1 + (■т)2) е (1 + (■т)2)'

(11)

где

а =

п3 а п3

Р 02

е 0 3 кТ

(12)

безразмерный параметр, зависящий от концентрации полярных присадок. В моторном масле присутствуют полярные присадки с разными дипольными моментами р0м и концентрациями п®, поэтому:

Е П*Р 021

а =

3 е 0 кТ

(13)

где 1 - число полярных компонентов системы. Параметр а является интегральным параметром многокомпонентной системы и может служить критерием оценки концентрации полярных присадок (щелочного числа). Данный параметр зависит также и от дипольных моментов присадок р01, поэтому для контроля концентрации щелочных присадок необходимы данные о химическом составе моторного масла.

е

0

Время релаксации т тепловой поляризации в новом масле определяется межмолекулярным взаимодействием присадок с базовым маслом и может служить критерием оценки вязкости. С увеличением срока эксплуатации масел уменьшается концентрация антиоксидантов, что приводит к накоплению продуктов окисления и повышению вязкости. Повышению вязкости также способствует увеличение в процессе работы числа макрочастиц, находящихся во взвешенном состоянии. Эти факторы способствуют снижению подвижности диполей в моторном масле и увеличению времени релаксации.

Таким образом, полученные частотные характеристики тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости позволяют определить параметры а и т (10), непосредственно связанные с вязкостью и щелочным числом, и отслеживать динамику их изменения в процессе эксплуатации.

Описание измерительного прибора

Многоканальный измеритель диэлектрических свойств моторных масел (прибор ИДС-201) [2] представляет собой измерительный блок, состоящий из набора воздушных конденсаторов и датчика температуры и соединенный с персональным компьютером через последовательный порт. ПК служит для обработки и визуализации результатов измерений частоты, относительной диэлектрической проницаемости, температуры, ёмкости и тангенса угла потерь. Диэлькометрические преобразователи создают электрическое поле в исследуемом веществе. Конфигурация и напряжённость поля определяются топологией обкладок датчиков и рабочим напряжением. Для снижения уровня помех преобразователь заключён в экранированный корпус, внутри которого располагаются датчики температуры. Этими устройствами управляет цифровой сигнальный процессор, он же обменивается информацией с платой блока отображения информации. Технические характеристики прибора приведены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики прибора ИДС-201

Погрешность измерения диэлектрической проницаемости, %, не более 0.2

Погрешность измерения удельной электрической проводимости, %, не более 1

Погрешность измерения тангенса угла потерь, %, не более 1

Быстродействие, изм/с, не менее 10

Объём пробы, мл 800

Индикация результатов работы, ЖКИ разрешение, не менее 320х240

Подключение к ПЭВМ (опция) USB

Диапазон рабочей частоты 1 - 1000 кГц

Результаты и их обсуждение

Исследования дисперсионных зависимостей тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости проводились для минеральных, синтетических и полусинтетических масел на приборе ИДС-201 с воздушным конденсатором емкостью 900 пФ. Экспериментальные данные для синтетического масла HONDA OW20 для диапазона температур от 20 до 90 оС и масла на минеральной основе М8В для температуры 25 оС представлены на рис. 2-4.

Как видно из данных эксперимента, тангенс угла потерь новых масел превышает аналогичный параметр масел с пробегом. С ростом температуры значение тангенса для фиксированной частоты возрастает. Аналогичные закономерности наблюдались для всех исследованных масел [2].

В процессе эксплуатации масел концентрация присадок nS уменьшается, что приводит к снижению тангенса угла потерь для масел с пробегом (12). Повышение температуры способствует адсорбции присадок на поверхность обкладок конденсатора, возрастанию концентрации nS и увеличению тангенса угла потерь в соответствии с (12).

Выражение (11) при (ют)2 >> 1 приводится к виду:

tg 5 =

a

еют

(14)

Время релаксации можно определить по дисперсионным зависимостям тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости. Для заданной температуры и двух частот Ю1 и ю2 отношение тангенсов 51 и 5 2 может быть приведено к виду:

tg 5i = е 2(1 + (ю 2 т)2) mi tg 5 2 е1(1 + (ю1т)2) ю 2

откуда

V

tg 51е1ю 2 - tg5 2е2Ю1

tg 5 2е 2ю1ю 2 - tg 51е1ю 2m2

(15)

где е1з е2 - диэлектрические проницаемости на частотах ю1 и ю2. Время релаксации для температуры 300 К, рассчитанное из (15), для синтетических масел без пробега составляет 0.4-10"3 с, для минеральных масел - 0.7-10"3 с. С увеличением пробега время релаксации возрастает и увеличивается приблизительно на 10% для масел, подлежащих замене.

Частотные зависимости тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости при известном времени релаксации т (14) позволяют рассчитать отношение параметров а1 для масла с пробегом к аналогичному параметру нового масла а2 для фиксированной частоты и температуры:

a

a

tg 5 2 е 2 т 2

(16)

П 51^1Т1

Это отношение пропорционально отношению концентраций полярных присадок (12) и позволяет оценить степень выработки ресурса моторного масла.

о -100

)U ÜL

I

(

-20 °С -40 °С 50 °С 60 °С -70 °С -80 °С -90 °С

30

-200 --

■41 -300

О

1

-400

ОО

ОМ

1 -ьии

-600

-700

-800

-900

Частота ш/(2п}, кГц

Рис. 2. Частотные зависимости тангенса угла потерь для нового моторного масла HONDA OW20 без пробега

т

Рис. 3. Частотные зависимости тангенса угла потерь для нового моторного масла HONDA OW20 с пробегом 8000 км

Рис. 4. Зависимость тангенса угла потерь от частоты для моторного масла М8В при Г=300 К: 1 - новое масло; 2 - масло с выработанным ресурсом

Разработанный метод дает возможность существенно сократить время измерений и обеспечить удаленный комплексный контроль. Измерительные устройства при технической реализации метода не требуют высоких затрат. К недостаткам метода следует отнести необходимость градуировки показаний для учета разницы химического состава масел и процессов адсорбции. Метод может применяться как для оценки качества новых масел, так и для определения необходимости их замены по эксплуатационным характеристикам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поплавко Ю.М. Физика диэлектриков. - Киев: Вища школа, 1980. - 398 с.

2. Боднарь О.Б., Дидин Г.А, Аракелов П.Ю. Измеритель диэлектрических свойств нефтепродуктов ИДС-201 // XI Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 8-10 февр. 2016. - М., 2016. - С. 15.

3. Боднарь О.Б. Диэлькометрия моторных масел // Там же. - С. 14.