CC BY
11Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(8), 972-979
УДК 621.892.8-721
The Metod of Control of Influence of Temperature on Processes of Oxidation and Thermal Destruction of Full Synthetic Motor Oil ALPHA'S 5W-40 SN
Evgeniy A. Ermilov*, Yuriy N. Bezborodov and Boleslav I. Kowalski
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Received 06.10.2019, received in revised form 28.10.2019, accepted 05.12.2019
The results of the study of influence of the processes of oxidation and thermal destruction on the optical properties, the kinematic viscosity, volatility and anti-wear properties of full synthetic motor oil are presented. It was found, that the processes of thermal destruction have reduced the rate of change of optical density, volatility, kinematic viscosity and anti-wear properties, however the processes of thermal destruction have dominated at the processes of oxidation, when optical density is more 0,4.
Keywords: optical density, volatility, coefficient of ratable viscosity, index of thermooxidation stability and thermal withstandability, increment velocity of processes of oxidation and thermal destruction, index of anti-wear properties.
Citation: Ermilov E.A., Bezborodov Yu.N., Kowalski B.I. The metod of control of influence of temperature on processes of oxidation and thermal destruction of full synthetic motor oil ALPHA'S 5W-40 SN, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(8), 972-979. DOI: 10.17516/1999-494X-0197.
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: evermilov@mail.ru
Метод контроля влияния температуры на процессы окисления и температурной деструкции синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN
Е.А. Ермилов, Ю.Н. Безбородов, Б.И. Ковальский
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Представлены результаты исследования влияния процессов окисления и температурной деструкции на оптические свойства, кинематическую вязкость, испаряемость и противоизносные свойства синтетического моторного масла. Установлено, что процессы температурной деструкции замедляют скорость изменения оптической плотности, испаряемость и понижают кинематическую вязкость и противоизносные свойства, однако при оптической плотности больше 0,4 процессы температурной деструкции преобладают над процессами окисления.
Ключевые слова: оптическая плотность, испаряемость, коэффициент относительной вязкости, показатели термоокислительной стабильности и температурной деструкции, приращение скорости процессов окисления и температурной стойкости, показатели противоизносных свойств при окислении и температурной деструкции.
При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на поверхностях трения одновременно протекают процессы окисления, температурной деструкции и химические реакции металлов с их продуктами и присадками. Однако доминирующее влияние одного из процессов на физико-химические и противоизносные свойства масел изучены недостаточно. Решение этих вопросов позволит разработать мероприятия по повышению либо термоокислительной стабильности, либо температурной стойкости, что увеличит их ресурс и повысит надежность ДВС путем разработки новых присадок [1]. Поэтому целью настоящих исследований является определение доминирующего влияния продуктов окисления или температурной деструкции на изменение оптических свойств, испаряемости, кинематической вязкости и противоизнос-ных свойств синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN.
Методика предусматривала применение следующих средств контроля и испытания: прибора для оценки термоокислительной стабильности, прибора для оценки температурной стойкости, малообъемного вискозиметра, фотометра, трехшариковой машины трения, оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М» и электронных весов. Технические характеристики приборов приведены в работах [2-4].
Методика испытания синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN на термоокислительную стабильность предусматривала два этапа [5]. На первом этапе пробу масла массой (100±0,1) г заливали в стеклянный стакан прибора для оценки термоокислительной стабильности и термостатировали при температуре 180 °С с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. После каждых 8 ч испытания стакан с окисленным маслом взвешивали для определения массы испарившегося масла, отбирали часть пробы (2 г) для прямого фотометрирования и определения оптической плотности D при толщине фотометрируе-мого слоя 2 мм:
я = (Ц
где 300 - задаваемый ток фотометра при пустой кювете, мкА; П - показатель фотометра при фотометрированиимасел,мкА.
Часть пробы окисленного масла (9 г) использовали для измерения кинематической вязкости. После измерения названных показателей окисленные масла сливали в стакан, который повторно взвешивали, и испытания продолжали до достижения оптической плотности D значений 0,5-0,6.
Второй этап заключался в оценке противоизносных свойств окисленных масел на трехша-риковой машине трения со схемой «шар-цилиндр». Пробу окисленного масла массой 20 г отбирали в момент достижения оптической плотности D значений, приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3 ... 0,6, после чего пробу масла в стакане доливали товарным маслом до первоначальной массы (100±0,1) г. Параметры трения составляли: нагрузка 10 Н, линейная скорость вращения цилиндра 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С, время испытания 1,5 ч. Противоизнос-ные свойства оценивали по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах с двух опытов [6-8].
Методика испытания температурной стойкости предусматривала два этапа. На первом этапе пробу масла массой (100±0,1) г заливали в стеклянный стакан прибора для оценки температурной стойкости и термостатировали при температуре 180 °С без перемешивания при атмосферном давлении с конденсацией паров и отводом конденсата. После каждых 8 ч испытания стакан с термостатированным маслом взвешивали для определения массы испарившегося масла, отбирали часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности D по формуле (1). Часть пробы окисленного масла использовали для измерения кинематической вязкости.
После измерения указанных показателей термостатированное масло с фотометра и вискозиметра сливали в стакан, который повторно взвешивали, и испытания продолжались до достижения оптической плотности D значений, равных 0,5-0,6.
Второй этап заключался в оценке влияния продуктов температурной деструкции на про-тивоизносные свойства. Для этого масло испытывали по вышеописанной технологии с определением тех же показателей и дополнительно отбирали пробу масла массой 20 г для испытания на трехшариковой машине трения с теми же параметрами трения. Пробу термостатированного масла массой 20 г отбирали в момент достижения оптической плотности D значений, приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3 ... 0,6, а пробу масла в стакане прибора для оценки температурной стойкости доливали товарным маслом до первоначальной массы (100±0,1) г.
Результаты исследования и их обсуждения
На рис. 1 представлены зависимости оптической плотности (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени испытания исследуемого синтетического моторного масла при окислении (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2). Согласно данным (рис. 1а), в начальный период испытания в течение 16 ч интенсивность процессов окисления и температурной деструкции одинакова, дальнейшее увеличение времени испытания от 16 до 56 ч вызывает понижение интенсивности процессов температурной деструкции (кривая 2), что
объясняется отсутствием перемешивания масла при термостатировании. Однако после 56 ч испытания интенсивность процессов температурной деструкции превышает процессы окисления. Так, значение оптической плотности D=0,5 достигается за 79 ч при окислении и за 62 ч при температурной деструкции.
Испаряемость масла (рис. 16) значительно уменьшается при процессах температурной деструкции. Так, за 72 ч испытания испаряемость составила при окислении 11 г (кривая 1), а при температурной деструкции 5,7 г (кривая 2). Это объясняется тем, что при температурной деструкции масло не перемешивалось и контакт с кислородом воздуха практически отсутствовал.
Изменение кинематической вязкости при термостатировании оценивалось коэффициентом относительной вязкости Ки, определяемым отношением
0.95
0.85
0.75
0 8
Рис. 1. Зависимости оптической плотности (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени и температуры испытания (180 °С) синтетического MOTopHoroMaraaALPmVS5W-40SN: 1 - при окислении; 2 - при томпеоаоурной дейтрукции
Fig. 1. Dependence of optical density (a), volatility (б) and relative viscosity coefficient (в) on time and temperature of testing (180 °С) of ALPHA'S5W-°0 SNs°nthetic motoo oil: 1 о duoing oxidation; 4 - at tem°>erature destruction
а
(2)
Мисх
где цТ - вязкость термостатированного масла при окислении или температурной деструкции, мм2/с; цИСХ - вязкостьто ]варного масла, мм2/с.
Согласноданным (рис. ^Яприокислении^рлирн рр мтемплрттурно- деструвщмиирт-вая 2) сохрасие^с^яс(^саан^£^1^а^а]/
однако продуири1 температурнкйдеструкциирсиижаюн кинематичаскуювиикосра тенсивно. Так, после 40 ч испытания коэффициент К при окислении уменьшился от 1 до 0,85, а при температурной деструкции - до 0,8. Такое падение вязкости вызвано деструкцией вязкостной присадки и подтверждает различие в составе продуктов окисления и температурной деструкции, ианквсс нри онорнинив вмасле ороттуютса кивлетеидодмкоа/, аоаарые атсутооер-ют при деструкио.
На рис. 2 предсоаамрны еависимоири покавалелей И уермоокислительноавоабиотнойти (кривая 1) и таимеоагу рнти дeраоyкции(ниивaяИ),апуемеокeмьIOвынPжрнлир
Р = о + кия (3)
где Ко - коэфНи Ц1^ентнсццц^^имист и
т
К'=м] <4)
где т - масса испарившегося масла при окислении или температурной деструкции, г; М - масса пробы масла перед испытаниями за определенное время термостатированния, г.
Показатель Р характеризует количество тепловой энергии, поглощенной смазочным маслом при термостатировании и образовании определенной концентрации продуктов окисления или температурной деструкции и испарения. Согласно данным на рис. 2, в течение 60 ч про-
Р
Рис. 2. Зависимости показателей термоокислительной стабильности (кривая 1) и температурной стойкости (кривая 2) от времени и температуры испь1тания180°Ссинтетическогомоторного масла ALPHA'S 5W-40 SN
Fig. 2. Dependences of thermal oxidative stability (curve 1) and temperature resistance (curve 2) on the time and temperature of testing 180 °C oTsynthetiPmT1TKPilOLPOA'P5W-40SN
цессы температурю йдеттрунции проирк;иот с меньшей интенсивностью, чем процессы окисления (кривая1) .
Для сравнения интенсивности проуессоеокислеоияинемнературной деоиррауии орсы-ложен парамроуприращртия скорросуэтирпрсесосаоЛУ^о русделяемый вынрмьнием
AVd = (D - Д)/t. (5)
На рис. 3 изображены зависимости приращений скорости процессов окисления и температурной деструкции за определенные отрезки времени испытания. Согласно данным, установлена общая тенденция увеличения приращений скоростей процессов окисления и температурной деструкции в начальный период термостатирования, однако интенсивность процессов окисления (кривая 1) выше, чем процессов температурной деструкции. Такое увеличение приращения скоростей вызвано ростом концентрации продуктов окисления и деструкции в масле.
Вторые участки зависимостей AVD от времени испытания характеризуются значительными колебаниями приращения скоростей как процессов окисления, так и процессов температурной деструкции, что объясняется образованием продуктов этих процессов с большей энергоемкостью. Во время испытания исследуемого масла первичные продукты, образующиеся в начальный период, концентрация которых непрерывно росла, переходят в более энергоемкие, требующие большетепловой энергиидляих образования, атак каквыделяемаяте пло-вая энергия постоявнб, тбвбемя оДрвзованяя эньпвоемких пралуртов лэеличиврется,эызо(ваа уменьшение приращения скорости процессов окисления и температурной деструкции. Причем переход первичных продуктов окисления в энергоемкие наступают после 40 ч испытания, а первичных продукте в дестлукции а рнелгопмкваябсле- 48 ч.
Важным показателем эксплуатационных свойств моторных масел являются их противоиз-носные свойства, обеспечивающие надежность двигателей. В этой связи важно установить доминирующее влияниелапдатбра изккяные свойства продуктов окисления или температурной
AVd
ОТ 8 24 40 56 72 88
Рис. 3. Зависимости приращения скевоскей оэколенил(крлеая1) и тямпкбэтлэнойле стэукркиДрррлая 2) от времени и температуры испытания 180 °С синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN
Fig. 3. Dependences on tbemcremepe оf (бШРооп rates (curoe 10 axd temeeraPure dearabatieo (curve Рр on the time and temperature of testing 180 °C of ALPHA'S 5W-40 SN synthetic motor oil
деструкции. Вднннойработе предложен показательпротивоизносных свойств?^, определяемый выражением
Pav = D/И, (6)
где И - среднеарифметическоезначениедиаметрапятнаизносана трех шарах, мм.
Данный показатель характеризует концентрацию продуктов окисления или температурной деструкцнд на ооминалыюй площади фрдкционного контакта.
На рис. 4представленызависилости попцпателя противоизносных свойств от оптической плотности.
Установлено, чтоданныезависимости описыеаюаеялинейными ураваснисмс
Pav =aD, (7)
где а - скоростьизменения показателя PAV.
Регрессионные уравнения зависимостей имеют вид для: процессов окисления (кривая 1) PAV = 3,958Дпроцессовтемпературной деструкции PAV = 3,402D.
Коэффициент корреляции составил 0,989 и 0,993 соответственно.
Согласно данным (рис. 4) противоизносные свойства при окислении превышают противо-износные свойства термостатированных масел в 1,2 раза, кроме того, при температурной деструкции моторногомасла значения показателя PAV болеестабильны.
Выводы
На основании проведенных исследований установлено:
1. Процессы температурной деструкции оказывают меньшее влияние на оптические свойства синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN, уменьшают скорость испарения и увеличиваюткинематическуювязкость.
Пш= 1
Рис. 4. Зависимости показатенясротивоионоееыхавоСатв иаиокосеенри (кртсая1)иземпенатуреоТ деструкции (кривая 2) от оптической плотности и температуры испытания 180 °С синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-e0HN
Fig. 4. Dependence of the indicator of antiwear properties during oxidation (curve 1) and temperature degradation (curve 2) on the optical densityand ted temjrerature of)8()oCTcALCTA'S0W-40 S4synehctica5ter oil
2. Предложен показатель интенсивности процессов окисления и температурной деструкции, определяемый приращением скорости этих процессов за установленное время испытания, позволяющий утверждать образование двух видов продуктов различной энергоемкости.
3. Установлено, что продукты окисления повышают противоизносные свойства в 1,2 раза по сравнению с продуктами температурной деструкции.
Список литературы
[1] Безбородов Ю.Н., Ковальский Б.И., Малышева Н.Н., Сокольников А.Н., Мальцева Е.Г.
Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных материалов по параметрам термоокислительной стабильности и температурной стойкости. Красноярск: СФУ, 2011. 366 с. [Bezborodov Yu.N., Kowalski B.I., Malysheva N.N., Sokolnikov A.N., Maltseva E.G. Methods of monitoring and diagnosing the operational properties of lubricants according to the parameters of thermo-oxidative stability and temperature resistance, Krasnoyarsk: SFU, 2011. 366 p. (in Russian)]
[2] Kovalski B. I., Bezborodov Yu.N., Agrovichenko D.V. Research results of makeup influence on semi-synthetic motor oils thermal oxidation stability, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, 6 p.
[3] Ермилов Е.А., Ковальский Б.И., Безбородов Ю.Н., Балясников В.А. Окисление и температурная деструкция минерального моторного масла ZIC HIFLO 10W-40 SL в процессе эксплуатации. Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний, 6, 2017, 26-29 [Ermilov E.A., Kovalsky B.I., Bezborodov Yu.N., Balyasnikov V.A. Oxidation and thermal degradation of ZIC HIFLO 10W-40 SL mineral motor oil during operation, The world of petroleum products. Bulletin of Oil Companies, 6, 2017, 26-29 (in Russian)]
[4] Ермилов Е.А., Ковальский Б.И., Безбородов Ю.Н., Балясников В.А. Оценка влияния температуры на процессы окисления и температурной деструкции частично-синтетического моторного масла Castrol Magnatec 10W-40 R SL/CF, Известия ТулГУ, 5, 2017, 99-106 [Ermilov E.A., Kovalsky B.I., Bezborodov Yu.N., Balyasnikov V.A. The assessment of influence of temperature on processes of oxidation and thermal destruction of part synthetic motor oil Castrol Magnatec 10W-40 R SL/CF, News of TulSU, 5, 2017, 99-106 (in Russian)]
[5] Ermilov E.A., Kovalski B.I., Balyasnikov V. A., Agrovichenko D.V., Oleynik V.Z., Afanasov V.I. Substantiation of optical criterions of thermal-oxidative stability of lubricating oil, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, 8 p.
[6] Besser C., Steinschutz K., Dorr N., Novotny-Farkas F., Allmaier G. Impact of engine oil degradation on wear and corrosion caused by acetic acid evaluated by chassis dynamometer bench tests, Elsevier: Wear, 2014, 317, 64-76.
[7] Lubricant Testing. Focussing on Mechanico-Dynamical tests, Kluber Lubrication Munchen, 2003, 09/03, 5 p.
[8] Useful information in scuffing load tests, Kluber Lubrication Munchen, 2006, 09/06, 7 p.
