CC BY
81
Sharapova Sayana Munkoevna, senior lecturer, [email protected], Russia, Ulan-Ude, East-Siberia State University of Technology and Management
УДК 621.892.2
МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЕ ИНДЕКСА
ВЯЗКОСТИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
Б.И. Ковальский, Е.Г. Кравцова, Н.Н. Лысянникова, М.Н. Артемов
Представлены экспериментальные данные изменения индекса вязкости при окислении и температурной деструкции моторных масел. Установлено, что состав продуктов окисления и температурной деструкции, а также базовая основа оказывают существенное влияние на индексе вязкости, причем продукты окисления увеличивают индекс вязкости по сравнению с товарным маслом, а продукты температурной деструкции индекс вязкости уменьшают для минерального масла и его увеличивают для частично синтетических моторных масел.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока; продукты окисления и температурной деструкции; индекс вязкости; моторные масла различной базовой основы; малообъемный вискозиметр; фотометрическое устройство.
В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания моторные масла подвергаются процессам окисления, температурной и механической деструкции, а также химическим реакциям продуктов этих процессов с металлами деталей. В результате изменяются оптические свойства, кинематическая вязкость, кислотность и физико-химические свойства моторных масел, в том числе вязкостно-температурные характеристики, определяемые индексом вязкости. Целью настоящей работы является разработка метода контроля влияния продуктов окисления и температурной деструкции на изменение индекса вязкости.
Методика исследования предусматривала использование следующих средств испытания и измерения: прибор для окисления масел, фотометрическое устройство для прямого фотометрирования масел, прибор для термостатирования масел в диапазоне температур от 180 до 300° С и малообъемный визкозиметр для измерения кинематической вязкости при температурах 40 и 100°С. Техническая характеристика средств контроля представлена в работах [1 - 3].
Термоокислительная стабильность моторных масел определялась следующим образом. Проба масла массой 100± 0,1 г. заливалась в прибор для окисления и термостатировалась при температуре 180 °С в течение
109
восьми часов с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300об/мин. После каждых 8 часов испытания отбиралась часть пробы (2 г) для прямого фотометрирования при толщине фотометрируемого слоя 2 мм и определения коэффициента поглощения светового потока и часть пробы (7 г) для измерения кинематической вязкости при температурах 40 и 100 °С и определения индекса вязкости [4]. Испытания масла продолжались до достижения коэффициента поглощения светового потока КП = 0,7...0,8 ед. По полученным данным строились графические зависимости коэффициента КП от времени испытания и индекса вязкости иВ от коэффициента КП, по которым определялось влияние концентрации продуктов окисления на значение индекса вязкости (вязкостно-температурные свойства испытуемого масла).
Температурная стойкость масел массой 80 г определялась на приборе для термостатирования в диапазоне температур от 180 до 300 °С в течение восьми часов, при каждой температуре, увеличивающей на 20 °С. После испытания отбиралась пробы для определения коэффициента КП и индекса вязкости. По результатам испытания строились графические зависимости коэффициента КП от времени испытания индекса вязкости от коэффициента КП и температуры термостатирования, по которым определялось влияние температуры и концентрации продуктов температурной деструкции на индекс вязкости испытуемого масла.
Результаты испытания представлены на рис. 1 - 3.
ив ' б
Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени окисления (а) и индекса вязкости от коэффициента поглощения светового потока (б) при испытании моторных масел: 1 - минерального «Роснефть Optimum 10W-40 SQ/CD»; 2 - частично синтетического «Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF» и 3 - «Лукойл Люкс 5W-40 SL/CF»
Зависимости коэффициента КП = f(t) представлены на рис. 1, а для минерального моторного масла «Роснефть Optimum 10W-40 SQ/CD» (кривая 1) и частично синтетических «Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF» (кривая 2) и «Лукойл Люкс 5W-40 SL/CF» (кривая 3). Исследуемые масла имеют область сопротивления окислению продолжительностью четыре часа, где процессы окисления практически не протекают. Частично синтетические масла относятся к одной группе эксплуатационных свойств SL/CF, однако процессы окисления масла 2 протекают с меньшей скоростью. Потенциальный ресурс, определяемый временем достижения коэффициента КП= 0,7 ед. составляет для масел 1 - 29ч, 2 - 53ч, 3 - 48ч.
Характерной особенностью процесса окисления минерального масла (кривая 1) является увеличение скорости окисления в начальный период термостатирования (до 16 часов), затем процесс окисления замедляется. Для частично синтетических масел (кривые 2 и 3) в начальный период испытания (КП= 0,3 ед.) скорость окисления меньше, а в дальнейшем наблюдается увеличение скорости окисления. Это объясняется тем, что в процессе окисления образуется два вида продуктов с различными оптическими свойствами, названные первичными и вторичными, причем первичные продукты являются исходными для образования вторичных продуктов, которые вызывают изгиб зависимостей.
Для минерального масла (кривая 1) уменьшение скорости окисления вызвано тем, что для образования вторичных продуктов требуется больше энергии или времени окисления, причем в период преобразования первичных продуктов во вторичные их концентрация уменьшается, поэтому тепловая энергия расходуется на образование двух видов продуктов.
На рис. 1, б представлены зависимости изменения индекса вязкости от концентрации продуктов окисления. Общая закономерность данных зависимостей является увеличение индекса вязкости в начальный период окисления. Причем для минерального масла увеличение индекса вязкости соответствует периоду времени образования первичных продуктов (КП= 0,45 ед). Для частично синтетических масел с различными базовыми основами эта закономерность не соблюдается. Колебание индекса вязкости с увеличением коэффициента КП вызвано изменениями соотношения концентраций в масле первичных и вторичных продуктов окисления. Установлено что индекс вязкости колеблется в пределах для: минерального масла от 129 до 140; частично синтетических «Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF» от 134 до 144 и «Лукойл Люкс 5W-40 SL/CF» от 143до 150.
Влияние продуктов температурной деструкции на изменение коэффициента КП и индекс вязкости исследовалось на минеральном моторном масле М-10 Г2К и частично синтетическом «Лукойл Люкс 5W-40 SL/CF» (рис. 2,3). Зависимости коэффициента КП от температуры термостатирова-ния представлены на рис. 2, а и установлены, три характерных участка изменения значений коэффициента КП. Первый участок в температурном ин-
тервале от 180 до 220 °С имеет линейную зависимость, второй участок в температурном интервале от 220 до 260 °С также имеет линейную зависимость, но скорость процессов температурной деструкции значительно выше. На третьем участке в температурном интервале от 260 до 300 °С коэффициент КП подвержен колебаниям на некотором значении. Такое изменение коэффициента КП вызвано образованием двух видов продуктов температурной деструкции с различными оптическими свойствами.
Рис. 2. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования (а), индекса вязкости от коэффициента поглощения светового потока (б) и индекса вязкости от температуры термостатирования (в) при испытании минерального моторного масла М-10 Г2К
Зависимости индекса вязкости от коэффициента КП представлены на рис. 2, б. Если сравнивать зависимости, представленные на рис. 1, а и б, то видно, что на первом участке (температурный диапазон от 180 до 220 °С) индекс вязкости уменьшается от 115 до 94. На втором участке при температуре 240 °С индекс вязкости резко увеличивается и при дальнейшем повышении температуры термостатирования он резко уменьшается (третий участок). Такое изменение индекса вязкости более наглядно видно при построении зависимости индекса вязкости от температуры термоста-тирования (рис. 2, в). Здесь четко проявляется увеличение индекса вязкости при температуре испытания 240 °С и незначительное его уменьшение
при температуре 260 °С. Дальнейшее увеличение температуры термоста-тирования вызывает линейное уменьшение индекса вязкости на третьем участке до значения равного 89. Причиной такого изменения индекса вязкости в температурном интервале термостатирования видимо является образование различных участков температурной деструкции, что подтверждается зависимостью КП= Т) (рис. 2, а), вызывающих увеличение кинематической вязкости измеряемой при 40 °С.
При термостатировании частично синтетического моторного масла «Лукойл Люкс 5W-40 SL/CF» (рис.3). Зависимость коэффициента КП от температуры (рис. 3, а) имеет аналогичный характер, что и для минерального масла, только процесс деструкции протекает с большей скоростью.
Ки
0.1 0.3 0.5 0.7 0,9
Рис. 3. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования (а), индекса вязкости от коэффициента поглощения светового потока (б) и индекса вязкости от температуры термостатирования (в) при испытании минерального моторного масла «Лукойл Люкс 5Ж-40 8Ь/С¥»
Зависимость индекса вязкости от концентрации продуктов температурной деструкции представлена на рис. 3, б. Установлено, что в начале термостатирования (температура 180 °С) индекс вязкости уменьшается по сравнению с товарным маслом от 143 до 141. Дальнейшее увеличение коэффициента КП увеличивает индекс вязкости, причем после значения коэффициента КП> 0,65 ед. индекс вязкостиувеличивается более интенсивно, что объясняется наличием в масле двух базовых основ.
Зависимость индекса вязкости от температуры термостатирования представлена на рис. 3, в из которого видно, что более интенсивное увеличение индекса вязкости наступает при температурах больше 260 °С (или КП >0,66 ед). Более интенсивное влияние процессов окисления или температурной деструкции на индекс вязкости рассмотрим по результатам испытания частично синтетического моторного масла «Лукойл Люкс 5W-40 SL/CF» (см. рис. 1, б и 3, б). Установлено, что в начале процесса окисления рис. 1 б (кривая 3) индекс вязкости увеличивается, а при температурной деструкции он уменьшается. При окислении с увеличением коэффициента КП индекс вязкости изменяется от 143 до 150 и подвержен значительным колебаниям, тогда как при температурной деструкции с увеличением коэффициента КП он непрерывно увеличивается и изменяется в пределах от 143 до 153. Однако при значении коэффициента КП, равного 0,8, индекс вязкости не зависит от термостатирования и равен 150.
Выводы
1. При окислении моторных масел на минеральной и частично синтетической основах в начале процесса индекс вязкости увеличивается , а с увеличением концентрации продуктов окисления он подвержен колебаниям с сохранением тенденции увеличения.
2. При термостатировании минерального моторного масла в диапазоне температур от 180 до 300 °С установлено понижение индекса вязкости с увеличением коэффициента КП и температуры, а в диапазоне температур от 230 до 260 °С наблюдается резкое его увеличение за счет изменения состава продуктов температурной деструкции. Для частично синтетического моторного масла вначале термостатирования (температура 180°С) установлено понижение индекса вязкости, но дальнейшее повышение температуры или коэффициента КП вызывает непрерывное увеличение индекса вязкости.
Список литературы
1. Ковальский Б.И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. Новосибирск: Наука, 2005. 341 с.
2. Термокислительная стабильность трансмиссионных масел: монография / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Л.А. Фельдман, Н.Н. Малышева. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 150 с.
3. Ковальский Б.И. Малообъемный вискозимептр для определения кинематической вязкости жидких смазочных материалов/ Б.И. Ковальский, О.Н. Петров, В.Г. Шрам, М.Н. Артемов // ХТТМ, № 3 (589), 2015. С. 54-56.
4. ГОСТ 25371-97 (ИСО 2909-81). Расчет индекса вязкости по кинематической вязкости.
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Кравцова Екатерина Геннадьевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Лысянникова Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Артемов Максим Николаевич, магистрант, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
METHOD FOR CONTROLLING INFLUENCE PROCESS OF OXIDATION AND TEMPERATURE DESTRUCTION ON CHANGING VISCOSITY INDEX
OF MOTOR OILS
ВЛ. Kowalski, E.G. Kravsova, N.N. Lysyannikova, M.N. Artemov
Experimental data viscosity index changes upon oxidation and thermal degradation of engine oil. It is found that the composition of the products of oxidation and thermal degradation, as well as the basic framework have a significant impact on the viscosity index and oxidation products increase the viscosity index as compared with commodity oils andprod-ucts of thermal degradation of the viscosity index is reduced to mineral oil and increase the partially synthetic motor oils.
Key words: absorption coefficient of luminous flux; oxidation and thermal degradation; viscosity index; motor oils of various basic framework; low-volume viscometer; photometric device.
Kowalski BoleslavIvanovich, doctor of technical sciencesprofessor, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kravtsova Ekaterina Gennadievna, candidate of technical sciences, docent, rina 986 @mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lyasyannikova Natalya Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Artemov Maxim Nikolayevich, postgraduate, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
