CC BY
30
УДК 621. 431
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ЭКСЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАСЕЛ, ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Утаев Собир Ачилович, д.ф.-т.н., доцент Каршинский государственный университет, г.Карши, Узбекистан
В данной статье рассматривается изменение основных физико-химических и эксплуатационных свойств моторных масел. Процесс старения масла и факторы влияющие к старению и изменению свойства масла. Приводится результаты эксплуатационных исследований моторных масел дизелей и газовых двигателей на базе дизеля.
Ключевые слова: асфалтен, асфалтосмолистый, вязкость, двигател, масла,продукт, окисление , щелочность, кислотность
В масле, находящемся в масляной системе при работе дизеля, происходят необходимые непрерывные и качественные изменения. Количественные изменения происходят за счет его угара в цилиндро-порш-невой группе двигателя. Качественные изменения, под общим названием «старение масла», складывается из целого ряда физических и химических процессов, протекающих в масляной системе двигателя. Таким образом, изменения качества масла приводят к его количественным изменениям, т. е. к дополнительному расходу масла в смену. В тоже время количество масла, находящегося в системе, как это будет рассмотрена далее, также оказывает значительное влияние на скорость изменения качественных показателей, т.е. на старение масла [1,2,3].
Старение масла в двигателе - это сложный, ещё недостаточно изученный комплекс физических и химических процессов, на скорость которых оказывает влияние большое число различных факторов. Следует отметить, что эти процессы тесно связаны между собой, и абсолютная дифференциация одного от другого часто оказывает невозможной. Тем не менее, для исследования основных закономерностей старения масла в дизеле и в особенности для изучения количественных, т.е. математических зависимостей целесообразно провести расчленение их на более простые процессы, хотя для этого требуются некоторые условные допущения [1,2,3].
Из комплекса физических и химических процессов, составляющих старение масла при работе двигателя, в первую очередь могут быть выделены следующие [1,2,3]:
1.Окисление масла, происходящее под действием кислорода воздуха и высокой температуры. Продуктами окисления и полимеризации углеводородов масла могут быть жидкие, полужидкие и твердые продукты, часть которых может быть растворима в масле, тогда как другая часть высокополимерных продуктов окисления и термического разложения будет пополнять количество нерастворимых примесей.
При сгорании топливо - воздушной смеси в камере сгорания дизеля образуется окись (N0) и двуокись (N0^ азота. Как правило, окись рассматривают в виде смеси общей формулы N0^ Количество окислов азота в выпускных газах меняется в зависимости от режима работы двигателя и обычно оставляет 0,1-0,2 % [3].
2. Загрязнение масла нерастворимыми примесями, которые складываются из проникших в масло твердых углеродистых частиц (сажи) за счет неполного сгорания топлива; из твердых и жидких продуктов окисления самого масла, образующихся при взаимодействии с присадками.
Рис.1. Схема процесса старения моторного масла
К продуктам загрязнения, поступающим в масло извне, кроме продуктов сгорания топлива, относятся [1,2,3]:
- продукты, проникающие в картер из камеры сгорания, через систему вентиляции и неплотности картера;
- металлические продукты износа деталей;
- технологические загрязнения, оставшиеся после его сборки, а также продукты, вносимые в масло при его хранении и заправке двигателя [1,2,3].
Продукты загрязнения масла делятся на органические и неорганические. Органические продукты загрязнения состоят в основном из продуктов окислительной полимеризации масла и неполного сгорания топлива; неорганические из почвенной пыли, металлических продуктов износа деталей, сработавшейся присадки, соединение свинца, воды и.др [3]. Асфальтосмо-листые продукты, органические кислоты и соли органических кислот поверхностно активны [3].
Продукты загрязнения масла делятся на органические и неорганические. Органические продукты загрязнения состоят в основном из продуктов окислительной полимеризации масла и неполного сгорания топлива; неорганические из почвенной пыли, металлических продуктов износа деталей, сработавшейся присадки, соединение свинца, воды и.др [3]. Асфальтосмо-листые продукты, органические кислоты и соли органических кислот поверхностно активны [3].
При работе двигателей содержание загрязняющих примесей в начале интенсивно растет, а затем стабилизируются. Это объясняется добавлением свежего масла взамен угоревшего и улавливанием части загрязняющих примесей фильтрами [3].
Старение моторных масел в значительной степени зависит от осо- бен-ностей конструкции двигателя и специфики рабочего процесса, протекающего в нем. Так, например, в дизелях важную роль в термо- химических превращениях масла играют продукты неполного сгорания топлива, сажа, содержание серы в топливе и т.п., а в бензиновых двигателях - окислы азота, продукты превращения топлив,содержащих антидетонаторы и т.д. Все процессы, протекающие в маслах, в условиях их применения, можно разделить на окисление, различного рода термические превращения и седиментацию [6].
Загрязнения моторного масла делятся на органические и неорганиче-ские.Частицы органических примесей (размером 2 мкм), такие как продукты неполного сгорания топлива, которые образуются при термичес- ком разложении, окислении и полимеризации масла [4].
В современных тракторных дизелях концентрация загрязняющих примесей обычно не превышает 1.0-2,0 % [1, 3, 6,7,8].
3. Расход присадки, который выражается прежде всего в снижении щелочности масла, в результате нейтрализации кислых продуктов, а также в расходе присадки на диспергирование углеродистых частиц.
В процессе эксплуатации в масле наблюдается интенсивное срабатывание присадки (по снижению щелочности), что приводит к ухудшению дис-пергируюших свойств масла (по отношению общего (А) и крупнодисперсного осадка (Б), в результате чего его стабильность против осадкообразо-
вания резко снижается (уменьшение индукционного периода осадкообразования- ИПО).
На рисунке 1 приведен пример старения моторного масла повышенного качества при его бессменной работе в двигателе. Видно, что в процессе эксплуатации в масле накапливаются продукты окисления, содержащие карбонильные и нитроэфирные группы.
К химическим процессам, входящим в комплекс процессов, составляющих старение масла, в первую очередь, относятся [3]:
1) нейтрализация соединений кислотного характера присадками (снижение щелочности масла);
2) окисление масла.
Скорость этих процессов зависит от концентрации реагирующих веществ и может изменяться в течение определенного периода работы двигателя.
Снижение щелочности в результате нейтрализации кислых соединений и прежде всего продуктов сгорания сернистого топлива является весьма важным процессом, определяющим интенсивность износа и количество нагароотложений в двигателе.
Сущность процесса нейтрализации состоит в том, что окислы серы в присутствии воды дают сернистую и серную кислоту, а также взаимодействуют с углеводородами масла и продуктами их окисления, образуя их сульфоновые кислоты.
Схема изменения состава масла при работе двигателя Свежее масло
Отработанное масло
Рис.2. схема изменения состава масла при работе двигателя
Таким образом, в результате многообразных химических процессов в масле в нем образуется ряд как растворимых, так и нерастворимых продуктов взаимодействия, изменяющих состав и свойства масла. В итоге процесса старения происходит изменение состава масла: снижается содер-
жание присадки, возникают нерастворимые и растворимые продукты окисления и примеси (рис. 2).
В результате изменения состава масла происходит изменение показателей его качества.
Однако наряду со старением масла в масляной системе двигателя происходят также следующие процессы:
1Жаслообмен- освежение масла за счет долива и частичной или полной смены масла в двигателе. При этом в масляную систему вводятся новые порции свежего масла и присадки, которые в некоторой степени компенсируют изменения прошедшего в составе и в процессе его старения при работе двигателя.
2.Удаление загрязнения из масла посредством действия установленных в масляной системе двигателя фильтров очистки масла.
Из сказанного следует, что на процесс старения масла в двигателе будут оказывать влияние следующие факторы, зависящие от конструкции двигателя и условий эксплуатации [3,7,8].
а) параметры двигателя, определяющие его теплонапряженность.
Эти параметры в конечном счете сводятся к температуре, давлению и количество кислорода в единице объема;
б) устройства масляной системы (объем масла в системе, режим долива, кратность циркуляции, наличие охлаждаемых маслом поршней и особенно конструкция и эффективность применяемых агрегатов очистки);
в) условия эксплуатации, к которым относится режим работы двигателя, влияние продуктов сгорания топлива, в частности, сернистых соединений, возможность и вероятность проникновения в масло загрязнение извне (вода, песок, топливо), изношенность двигателя.
г) качество применяемого масла, и правильный подбор концентрации и композиции присадок.
В результате взаимного влияния процессов старения, маслаобмена и очистки масла происходит то или иное изменение показателей качества масла, который определяет необходимый срок его смены.
В задачи исследования входят определение: плотности, кинематической вязкости, температуру застывания, температуру вспышки, содержание механических примесей, содержание воды, зольность, щелочное число моторных масел.
Пробы масел исследовались в соответствии с методиками, перечис- ленными выше.
Физико-химические показатели определялись в лабораторных условиях по разработанной и существующей методике. Исследование состоит из двух этапов. На первом этапе были отобраны пробы моторных масел тракторов, работающих на дизельном и на газообразном топливе.
Анализы показывают, что в отработанных маслах, сливаемых из двигателей при проведении ТО-2 практически все показатели, превышает нормы ТУ. Щелочное число уменьшается в зависимости от продолжения работы
двигателя. Изучение скорости снижения щелочности явилось предметом ряд исследований [4,5]. В этих работах скорость расхода щелочности масла рассматривалась прежде всего как результат содержания серы в топливе.
Одним из основных факторов, влияющих на срок службы моторного масла, является кинематическая вязкость. По результатам исследований были определены сравнительные изменения кинематической вязкости масла дизелей и газовых двигателей, на базе дизелей, в зависимости от продолжительности работы. На рисунке 1. показана изменение кинематической вязкости.
Изменение кинематической вязкости
12
10
«
у= -0,0028х + 10,9.5(> 1^ = 0.9889
А
----▼
у = 2Е-05 х2 -0,013х + 11
х^ — 1
100
200
300
400
500
600
Т моточ.
~~ При работе на газообразном топливе При работе на дизельном топливе
Рис.3. Изменение кинематической вязкости масла при работе двигателя на
дизельном и газообразном топливе
Из графика видно, в начальный период работы двигателя, работающего на газообразном топливе, наблюдается снижение вязкости (с 11 до 10,2 мм /с), и только после 400 часов работы вязкость остается неизменным. При работе на дизельном топливе наблюдается резкое снижение вязкости масла. Возможно, этот факт обусловлен попаданием дизельного топлива в картер двигателя.
Результаты исследований показывают, что за всю продолжительность работы газового двигателя, помимо дизеля, изменения вязкости находилось в пределах допустимых значений.
Щелочное число масла газового двигателя, также в 1,5 раз выше, чем в пробе масла, работающего на дизельном топливе. Щелочное число в пробах, отработанных масел изменяется в пределах от 2,24 до 1,51, что свидетельствует об аварийном состоянии отработанного масла. Результаты ана-
лизов щелочного числа исследуемых моторных масел показывают, что оно при работе двигателя на газообразном топливе снизилась в среднем с 6 до 2,24 мг КОН/г, а при работе на дизельном топливе с 6 до 1,51 мг КОН/г т.е. ниже допустимого уровня.
Список литературы
1.Венцель С.В. Применение смазочных масел в автомобильных и трактор- ных двигателях. -М.: Химия. 1985.
2.Григорьев М.А., Бунаков Б.М., Долецкий В.А. Качество моторного масла и надежность двигателей. -М.: Издательство Стандартов 1981.
3.Морозов Г. А., Арциомов О.М. Очистка масел в дизелях. -Л.:Машиностро- ение, 1971
4.Попов С.Ю. Повышение эксплуатационных свойств ремонтно- восстано- витель-ных составов при их использовании в двигателях внутреннего сгора- ния //дисс. канд. тех. наук. Тамбов 2014 с 179
5. Петров, О.Н. Метод контроля влияния продуктов деструкции смазочных масел и электрического потенциала на противоизносные свойства: автореф. дисс. канд. техн. наук / О.Н. Петров. - Томск, 2013. - С. 20.
б.Чудиновских А. Л. Разработка научных основ химмотологической оценки автомобильных моторных масел: дис. докт. тех. наук: 05.17.07/ М.,2016. С. 14-35.
7. www.himi.oglib.ru/bgl/8286/110.html
8.http://chem21.info/article/619827
9. findpatent.ru/patent/249/2498269
Utaev Sobir Achilovich
Utaev.slist.ru
Karshi staty university
STUDY OF CHANGES IN THE PHYSICO-CHEMICAL AND PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF OILS, INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Abstract: This article discusses the change in the basic physical, chemical and performance properties of motor oils. The process of oil aging and factors influencing aging and changing the properties of the oil. The results of operational studies of diesel engine oils and diesel-based gas engines are presented.
Key words: asphaltene, asphalt-resinous, viscosity, engine, oils, product, oxidation, alkalinity, acidity
