CC BY
48
Окончание табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 7.11.06 BP VISSCO 5000 SAE 5W-40; API - SJ/CF 0,284 0,13 180 8,965 8,893 0,991 0,157
3 27.03.06 Castrol GTX Magnatec SAE 5W 40; API -SL/C 0,3 0,093 180 9,93 10,27 1,034 0,214
4 12.10.06 Shell Helix Ultra SAE 0W- 40 u API - SL/CF 0,307 0,1 180 10,523 11,017 1,046 0,216
5 10.09.06 CASTROL Formula RS Racing Syntec SAE 10W- 60 u API SL/C 0,4 0,087 180 16,304 17,045 1,045 0,327
6 3.04.06 SAE 5W40; API -SL/SF 0,44 0,12 180 9,04 9,88 1,092 0,349
7 30.10.06 CASTROL TXT Softec Plus SAE 5W-30 u API - SJ/CF 0,534 0,117 180 8,349 8,399 1,005 0,419
8 23.09.06 Texaco HAVOLINE SYNTHETIC SAE 5W-40 API - SJ/CF 0,533 0,094 180 8,992 9,090 1,010 0,443
9 5.10.06г. ESSO Ultron SAE 5W-40 API SJ/CF 0,4 0,014 180 9,881 11,956 1,209 0,467
10 17.10.06 Mobil 1 Rally Formula (SAE 5W-50; API -SJ/CF API - SH/EC 0,6 0,2 180 12,994 16,205 1,247 0,498
11 29.09.06 ESSO Ultron SAE 5W-40; API - SJ/CF 0,594 0,513 180 10,820 12,648 1,168 0,515
УДК 621.895(075) В.В. Хомайко, Б.И. Ковальский Ю.Н. Безбородов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО МАСЛА М-10-Г2К И ЕГО СМЕСИ С 5% СИНТЕТИЧЕСКОГО МАСЛА CASTROL 0W-30 SL/CF
Приведены результаты испытания смеси минерального масла М-10-Г2к с 5% синтетического Castrol 0w-30 SL/CF на термоокислительную стабильность, предложен энергетический критерий процесса окисления и физическая модель определения температуры начала окисления.
Сложный комплекс требований, предъявляемых к современным моторным маслам, способствует широкому производству синтетических масел, имеющих ряд преимуществ по сравнению с нефтяными. Преимущества синтетических масел заключаются в лучших низкотемпературных свойствах, термической и окислительной стабильности, однако они уступают нефтяным маслам по растворяющей способности относительно присадок. Для улучшения эксплуатационных свойств нефтяных масел их смешивают с синтетическими и называют частично синтетическими.
При эксплуатации автотранспорта в зимний период времени важное значение имеют пусковые свойства моторных масел и их температура застывания, поэтому добавляя к минеральным маслам синтетическое можно корректировать эти параметры.
Важным эксплуатационным показателем моторных масел является температура начала окисления, определяющая ресурс их работоспособности, поэтому решение задач по обеспечению удовлетворительных
пусковых свойств и увеличению ресурса моторных масел является актуальной проблемой, направленной на повышение надежности двигателей внутреннего сгорания и снижение эксплуатационных затрат.
Целью настоящей работы является разработка методического подхода по определению влияния синтетической добавки к минеральным маслам на основные эксплуатационные показатели.
Для исследования выбрано минеральное летнее дизельное масло М-10-Г2к (ГОСТ 8581-78) и универсальное, всесезонное синтетическое масло Castrol 0w-30 SL/CF. Данные моторные масла имеют различную базовую основу и относятся к различным группам эксплуатационных свойств.
Методика исследований заключается в испытании моторных масел при температурах 160, 170 и 180 0С . Проба масла массой 100 г помещалась в стеклянный стакан, нагревалась и перемешивалась стеклянной мешалкой. В процессе окисления температура поддерживалась автоматически с точностью до 10С . Стакан и мешалка выполнены из стекла для исключения влияния каталитического действия на окисление. В процессе окисления отбирались пробы масла для анализа. В качестве параметров оценки окисления приняты коэффициент поглощения светового потока, вязкость и летучесть.
Результаты испытания смеси (рис. 1) показали, что при температуре 1800 С синтетическая добавка (кривая 11) незначительно замедляет окислительные процессы. При температуре 170 0С окислительные процессы ускоряются, а при температуре 160 0С коэффициент поглощения светового потока смеси масел (кривая 31) значительно снижается по сравнению с чистым минеральным М-10-Г2к (кривая 3). Следовательно, этот факт необходимо учитывать при обосновании концентрации синтетической добавки к минеральному маслу, при производстве частично синтетических моторных масел.
Процесс окисления товарного минерального масла описывается уравнениями первого порядка для температур:
180 0С - Кп = 0,01463; + 0,03; (1)
1700С - Кп = 0,0087; + 0,0059 ; (2)
1600С - Кп = 0,00513; + 0,00654. (3)
Для смеси минерального масла М-10-Г2к с 5% синтетического масла эти уравнения имеют вид для температур:
1800С - = 0,01442; + 0,00213; (4)
170 0С - К = 0,01033; + 0,01064; (5)
1600С - = 0,00428; + 0,0157. (6)
Изменение вязкости при окислении оценивалось коэффициентом относительной вязкости дл, определяемым отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного масла (рис. 2). Для товарного масла и его смеси с синтетическим наблюдается общая тенденция увеличения вязкости от времени испытания, однако интенсивность увеличения вязкости смеси ниже, чем минерального масла.
Зависимости д/л = / (;) имеют линейный характер и описываются уравнениями первого порядка для товарного масла и температур:
Для смеси масел:
1800С - дЛ = 0,0057; +1; (7)
1700С - дл = 0,0043; +1; (8)
1600 С - дл = 0,00279; +1. (9)
1800С - дЛ = 0,0036; +1; (10)
1700С - дЛ = 0,0021; +1; (11)
1600С - дЛ = 0,000877; +1. (12)
Необходимо отметить, что вязкость смеси масел более стабильна при окислении, чем у товарного минерального масла, поэтому ресурс смеси будет увеличен.
Скорость увеличения вязкости для минерального масла и его смеси с синтетическим при разных температурах испытания представлены на рис. 3 и описывается линейным уравнением:
V = аТ + Ь, (13)
М
Техника________________________________________________________________________________
где а и Ь - коэффициенты, характеризующие влияние состава продуктов окисления на вязкость.
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры испытания моторных масел: 1,2,3 - минеральное масло М-10-Г2к; 11, 21, 31 - смесь минерального масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castro! 0w-30 SL/CF
Рис. 2. Зависимость относительной вязкости от времени и температуры испытания моторных масел: 1,2,3 - минеральное масло М-10-Г2к; 11, 21, 31 - смесь минерального масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castro! 0w-30 SL/CF
Рис. 3. Зависимость скорости изменения относительной вязкости от температуры испытания моторных масел: 1- минеральное масло М-10-Г2к; 11 - смесь минерального масла М-10-Г2к с 5% (масс.)
синтетического Castro! 0w-30 SL/CF
Влияние продуктов окисления на вязкость исследовалось зависимостью относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока. Установлено, что с увеличением коэффициента поглощения светового потока вязкость окисляемого минерального масла и его смеси с синтетическим увеличивается (рис. 4). Однако смесь масел улучшает его вязкостные свойства. Зависимости д^ = / (Кп) описываются линейными уравнениями для:
минерального масла д ц = 0,3042Кп +1,005; (14)
смеси масел д^1 = 0,1903Кп +1,008. (15)
С увеличением коэффициента Кп относительная вязкость смеси масел в 1,6 раза медленнее растет, чем у минерального.
Рис. 4. Зависимость относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания моторных масел: 1 - минеральное масло М-10-Г2к; 11 - смесь минерального масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/CF
Летучесть моторных масел определяет температурную область их работоспособности и моторные свойства. Зависимости летучести минерального масла и его смеси с синтетическими от времени испытания представлены на рис. 5. Установлено, что синтетическая добавка снижает летучесть смеси по сравнению с минеральным маслом для исследуемого интервала температур, однако интенсивность снижения наименьшая для температуры испытания 170 0С .
Коэффициент летучести К0 (рис. 6) характеризует долю тепловой энергии, затраченной на испарение определенной массы масла, и определяется отношением массы испарившегося масла к массе оставшейся пробы. Смесь масел снижает количество тепловой энергии, преобразованной в конденсат. Процесс испарения при окислении минерального масла описывается уравнением первого порядка для температур:
180 0С - Ке = 0,00153; + 0,00394; (16)
170 0С - Ке = 0,00115; + 0,000817; (17)
160 0С - Ке = 0,000482; + 0,000836. (18)
Коэффициент корреляции 0,998.
Для смеси минерального масла М-10-Г2к с 5% синтетического масла эти уравнения имеют вид для температур:
1800С - К1 = 0,0008; + 0,00836; (19)
1700С - К1 = 0,0007; + 0,00335; (20)
1600С - К1 = 0,000228; + 0,0031. (21)
Коэффициент корреляции 0,998.
Зависимость коэффициента летучести от температуры испытания после 10 часов представлена на рис. 7. Она имеет линейный характер и представляет возможность определить температуру начала испаре-
ния, как для минерального масла (кривая 11 ), так и для его смеси с синтетическим маслом (кривая 1) путем продления зависимостей до пересечения с осью абсцисс. Смесь масел снижает температуру испарения приблизительно на 20С.
в
7 !
Рис. 5. Зависимость коэффициента летучести от времени и температуры испытания моторных масел: 1,2,3 - минеральное М-10-Г2к; 11, 21, 31 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического
Castrol 0w-30 SL/EF
Кс
0,03
Рис. 6. Зависимость коэффициента летучести от времени и температуры испытания моторных масел: 1,2,3 - минеральное масло М-10-Г2к; 11, 21, 31 - смесь масла М-10-Г2к с 5°% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/EF
Рис. 7. Зависимость коэффициента летучести от температуры испытания моторных масел в течение 10 часов: 1- минеральное маслоМ-10-Г2к; 11 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.)
синтетического Castrol 0w-30 SL/EF
Влияние продуктов окисления на вязкость или оптические свойства окисляемого масла оценивалось коэффициентом К, определяемым отношением коэффициента поглощения светового потока к относительной вязкости (рис. 8).
к
0,8
Рис. 8. Зависимость коэффициента К от времени и температуры испытаний моторных масел:
1,2,3 - минеральное масло М-10-Г2к; 11,21,31 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического
Castrol 0w-30 SL/EF
Добавка к минеральному маслу синтетической основы практически не сказывается на изменении коэффициента К при температуре испытания 1800С . При температуре 1700С добавка синтетического масла увеличивает коэффициент К за счет более интенсивного увеличения коэффициента Кп, а при температуре
1600 С вызывает его уменьшение после 60 часов испытания за счет более интенсивного увеличения вязкости масла.
Доминирующее влияние продуктов окисления на оптические свойства или вязкость испытуемых масел оценивалось зависимостью между коэффициентом К, учитывающим влияние продуктов окисления на вязкость и оптические свойства и коэффициентом поглощения светового потока (рис. 9).
В том случае, когда продукты окисления оказывают равнозначное влияние на оптические свойства и вязкость, зависимость К = /(Кп) наклонена к оси абсцисс под углом 45 градусов (пунктирная линия). В
данном случае зависимость наклонена к оси абсцисс под углом меньше 45 градусов, что указывает на большее влияние продуктов окисления на вязкость масла.
Рис. 9. Зависимость коэффициента, учитывающего влияние продуктов окисления на оптические свойства и вязкость, и коэффициента поглощения светового потока от температуры
и времени испытания: 1 - минеральное масло М-10-Г2к; 11 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.)
синтетического Castrol 0w-30 SL/EF
Для минерального масла (кривая 1) независимо от температуры испытания с увеличением коэффициента Кп значения коэффициента К ложатся на одну кривую. Аналогичная тенденция наблюдается и
для смеси масел, однако кривая 11 ниже кривой 1.
В температурном диапазоне от 160 до 1800 С зависимость К = / (Кп) для минерального масла имеет вид:
К = 0,8867Кп + 0,00913. (22)
Коэффициент корреляции 0,997.
Смеси с синтетическим маслом:
(23)
К = 0,77165Кп + 0,0199.
Коэффициент корреляции 0,999.
Согласно данных рис. 9, синтетическая добавка улучшает вязкостные свойства минерального масла и способствует увеличению его ресурса.
Исходя из принципов самоорганизации коллоидных систем, каковым является смазочный материал, он не может бесконечно поглощать подводимую тепловую энергию и, если она превышает определенное значение, он сбрасывает ее избыток в виде продуктов окисления и испарившийся части масла. Поэтому энергию, затраченную на испарение части пробы масла при окислении и образование продуктов окисления, можно определить коэффициентом энергии превращения как сумму коэффициентов поглощения светового потока Кп и летучести Ка.
Е, = К, + Ка . (24)
Зависимости коэффициента энергии превращения от времени испытания представлены на рис. 10.
Рис. 10. Зависимость коэффициента энергии превращения от времени испытания: 1,2,3 - минеральное масло М-10-Г2к; 11,21,31 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/CF
Для температур 180 и 160 С синтетическая добавка снижает коэффициент энергии превращения, а при 1700С - повышает. Уменьшение значения коэффициента означает увеличение сопротивляемости окислению.
Зависимость коэффициента энергии превращения от времени испытания минерального масла М-10-Г2к описывается уравнениями при температурах:
4 2 25)
(26) (27)
1800С - Еп = 1,82*10"4;2 + 0,0115; + 0,057 ;
170 0С - Еп = 1,27*10-4 ;2 + 0,0056; + 0,062;
160 0С - Еп = 5,15*10-5;2 + 0,0021; - 0,046.
Коэффициент корреляции 0,998.
Для смесей масел уравнения имеют вид:
180 0С - Е\ = 1,04*10-4;2 + 0,0127; + 0,0174; (28)
170 0С - Еп = 3,1*10-5;2 + 0,01; + 0,007 ; (29)
160 0С - Е1 = 2,74*10-5;2 + 0,0028; + 0,033 . (30)
Коэффициент корреляции 0,998.
Научную и практическую значимость приобретает информация о температуре начала окислительного процесса, которая определяется по линейной зависимости Еп = / (Т) (рис. 11). Точка пересечения этой зависимости с осью абсцисс определяет температуру начала окислительного процесса масла. Для минерального масла М-10-Г2к температура начала окисления составила 148 0С (кривая 1), а для смеси его с синтетическим 146 0С . Таким образом, смесь масел М-10-Г2к с 5% Castrol 0w-30 SL/EF понизила температуру начала окисления на 2 0С. С понижением температуры начала окисления понизилась и скорость окислительного процесса, а это увеличивает ресурс смеси.
Зависимость коэффициента энергии превращения от температуры испытания для чистого минерального масла М10 Г2-к описывается уравнением
Е п = 0,0059Г - 0,873.
Для смеси минерального масла М10 Г2-к с 5% синтетического Castrol 0w-30 SL/EF:
Е, = 0,00455Г - 0,664.
(31)
Рис. 11. Зависимость коэффициента энергии превращения от температуры испытания при времени испытания 10 часов:1 - минеральное масло М-10-Г2к;
11 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/CF
Влияние температуры испытания на значение коэффициента энергии превращения оценивалось временем достижения определенного значения коэффициента Еп (рис. 12).
Рис. 12. Зависимость времени испытания от температуры испытания моторных масел:
1 - минеральное масло М-10-Г2к; 11 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/CF
Точка пересечения зависимости времени достижения значения Еп = 0,3 с осью абсцисс определяет критическую температуру, при которой нельзя проводить испытания, так как нарушаются процессы окисле-
ния. Для товарного масла М10-Г2к критическая температура составила 188 0С , а для его смеси с синтетическим - 210 0С.
Количество тепловой энергии, затраченное на образование продуктов окисления, исследовалось зависимостью коэффициента энергии превращения от коэффициента поглощения светового потока (рис. 13).
Регрессивное уравнение зависимости между коэффициентами энергии превращения и поглощения светового потока имеют линейный характер. Для минерального масла М-10-Г2к:
Е я = 1,08082К п + 0,025. (33)
Коэффициент корреляции 0,999.
Для его смеси с 5% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/EF:
Е п = 1,03815К п + 0,00296. (34)
Коэффициент корреляции 0,999.
При значении К п = 0 коэффициент энергии превращения для чистого минерального масла составляет 0,025, а для его смеси с синтетической добавкой 0,00296, т.е. окислительные процессы смеси масел начинаются при большей тепловой энергии.
Рис. 13. Зависимость коэффициента энергии пассивации от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания: 1 - минеральное масло М-10-Г2к; 11 - смесь масла М-10-Г2к с 5% (масс.) синтетического Castrol 0w-30 SL/CF
Таким образом, при производстве частично синтетических масел необходимо учитывать влияние синтетической добавки на скорость окислительных процессов, температуры начала окисления, критическую температуру и однородность состава продуктов окисления. Эти параметры могут применяться для идентификации и классификации смазочных материалов. Кроме того, синтетическая добавка увеличивает ресурс минерального масла и улучшает его вязкостные свойства.
-----------♦'------------
